信號轉換電路 - 程序員聯(lián)合開發(fā)網

1、 接口作用信號調理電路首先要完成信號的電平和極性等的轉換，以便與A/D轉換器所需要的電平極性匹配。其次要完成對信號的放大。然后還有對信號進行極性轉換。同時還有阻抗變換的作用，以隔離后面的負載對信號源的影響。 抑制干擾并提高信噪比由于被采集信號比較微弱，容易受到干擾，因此采用信號調理電路盡量抑制干擾和噪聲。 濾波去除被采集信號的高頻噪聲。1. 電壓-電流轉換器(a)uoRLil iLR1ilus(b)uoRR1usR2R3uRLiL圖 8-19 電壓-電流轉換器 (a) 負載浮置； (b) 負載接地 11RuiisL按理想運放分析，則流過RL的電流是 若負載RL的一端接地，則可用圖 8-19(b

2、)所示的電路。根據圖中符號寫出 osuRRRuRRRu111 (利用線性疊加原理) soooLuRRRRRRRuRRRRRRRRRRuRuRuuRui) ()( ) ()(11113232132321323332 若要求iL與uo無關，則需要滿足R3/R2=R/R1，這樣，負載上流過的電流是 2RuisL可見，負載電流與輸入電壓成正比。 2. 電流-電壓轉換器圖 8-20 電流-電壓轉換器 uoRFRP RsRFRsisCUo=iSRf3. 壓電轉換圖 8-21 壓電轉換電路 uoRRRRERccoERRERRRu1)(1再令只有同相側輸入時，輸出電壓為uo2，由于 21,22cocERRRu

3、Euuo=uo1+uo2， 求得 RREuo24. 熱電轉換RTFoURRRu1RF150 kVuo010V2 kRTR11 k10680100VZ1UR8.2 VRW15 V5. 光電轉換(1) 硅光電二極管放大電路 圖 8-23 硅光電二極管放大電路 FoRiuuoRFii EVD (2) 光電耦合電路 圖 8-24 光電耦合放大電路 uoRFIc ERIiRsUsLED光電耦合器件 比較器用通用運算放大器和專用集成比較器的區(qū)別？ （1）比較器的一個重要指標是它的響應時間，它一般低于10-20ns。響應時間與放大器的上升速率和增益-帶寬積有關。因此，必須選用這兩項指標都高的運算放大器作比較

4、器，并在應用中減小甚至不用相位補償電容，以便充分利用通用運算放大器本身的帶寬來提高響應速度。 （2）當在比較器后面連接數字電路時，專用集成比較器無需添加任何元器件，就可以直接連接，但對通用運算放大器而言，必須對輸出電壓采取嵌位措施，使它的高，彽輸出電位滿足數字電路邏輯電平的要求。 (1) 電平比較電路（單閾值比較器） （a）差動比較電路 -1 +1 # ui Uo UR uiUR a) b) 圖 6-12 電壓比較器及其特性 （b）求和比較電路（閾值可變） 優(yōu)點：閾值可變 缺點：振零現(xiàn)象 a) - + + ui Uo U R1 R2 R UR ui un M N P Q Uo VRRVR212

5、1212121122121RRuRURuuuURRRuuRRRuiooooio (二) 滯回比較電路（正反饋閾值） 兩個閾值： a) b) ui Uo U1 O U2 -1 +1 # ui Uo UR R R2 R1 在反向輸入單門限比較器的基礎上引入了正反饋網絡，組成了具有雙門限值的反向輸入遲滯比較器。門限電壓的估算限寬度壓和下門限電壓以及門進而可以求出上門限電就是門限電壓所以時輸出為高電平當時輸出為低電平當PPIPIROPINvvvvvRRvRRRvRvvv313311門限電壓的估算： (三) 窗口比較電路 -1 +1 # & -1 +1 # ui VS E R1 RP R2 Uo

6、1 Uo2 Uo UZ N2 N1 UR2 UR1 “1” “0” O U UR2 UR1 ui Uo 單方向多個閾值2. 比較器的應用比較器的應用圖圖 8-27 比較器用于波形變換比較器用于波形變換 (a) 電路；電路； (b) 輸入正弦波輸入正弦波; (c) uo波形；波形；(d) u波波形；形；(e) UL波形波形(a)OuiTttttuouuLOOOT(b)(c)(d)(e)uouuiCRRLuLVD(1) 波形變換i=-CduC/dt可測量兩個正弦波電壓之間的相角。 只要把兩個電壓都轉換成脈沖，可測出由兩個正弦波轉換成的兩個脈沖的間隔時間， 這個時間間隔與相位差成比例。 這種相位計能

7、測量 0到 360的相角。 圖 8-33 峰值檢波器特性 復位指令uOt1t2t3tuoOt1t2t3t(1) 單向峰值檢波器 圖 8-34 單向峰值檢波器 C2VD1uiA1VuoVD2R1C1ucCVD3uRA2(2) 峰-峰值檢波器 圖 8-35 峰-峰值檢波器組成方框圖 正向峰值檢 波 器反相器正向峰值檢 波 器加法器uiuo1. 低通濾波器低通濾波器(1) 基本特性 圖 8-36 低通濾波器的特性 )()()(jfiofeAUUjAdB3b3 dB1通帶阻帶010310210110010 /020 lg| Afm |20 lg| Af |2a(2) 一階低通濾波器 圖 8-37 一階

8、低通濾波器(a) 電路； (b) 幅頻特性 dB3 dB20 lg| Af |0102 /01011001010220 dB /十倍頻程RFCFRfRPUiUo(a)(b)/(1/111)()()(0jRRRRCjRCjRZjUjUjAfFfFFFFfFiof式中，0=1/RFCF或f0=1/2RFCF。f0是濾波器的截止頻率。 幅頻特性和相頻特性分別為 202011/)()(fFFffARRjAA0arctan)(f 一階低通濾波器的優(yōu)點是電路簡單，只需一個電容器。缺點是幅頻特性偏離理想特性甚遠，阻帶區(qū)衰減太慢，衰減斜率僅為-20dB/十倍頻程。 (3) 二階低通濾波器 圖 8-38 二階低

9、通濾波器(a) 電路； (b) 幅頻特性 (a)RFC1RfR2UiUoC2I2Ic1R1I1Ua(b)20 lg| Afm |0102 /010140 dB / 十倍頻程3 dBdB2120 lg| Af |103100101102)(1)()(112211121122UURIUUCjIIIUURIUUUCRjUURRRUaoaccaiaoFff由上述關系式可得 nnfiofjAUUjA21)(2式中 fFfRRA1固有振蕩角頻率為 21211CCRRn阻尼系數為 221112211122121CRCRACRCRCRCRf）（幅頻特性為 222221)(nnffAA 在有源濾波器的應用中，一

10、般取阻尼系數1/ 。當1/ 時， 幅頻特性出現(xiàn)共振峰。將式(8-52)的分母對微分， 并令它等于零， 便可求得出現(xiàn)共振峰時的角頻率為 (8-52)22221npp叫作峰值角頻率或諧振角頻率，它對應的最大幅值為 212)(fpffmAAA(8-54)當=1/ 時，式(8-52)變?yōu)?241)(nffAA幅頻特性沒有峰值。當=n時，有 fnfAA21)(按-3dB定義截止頻率時，=1/ 時的截止角頻率0就是固有振蕩角頻率n, 即2n0 當1/ 時，幅頻特性有峰值，按規(guī)定截止角頻率是幅頻特性從峰值回到起始值時的角頻率，為此令式(8-52)分母等于 1， 可求得截止角頻率 2)21 (220n的大小也

11、決定了峰值和起始值之差，由式(8-54)可得 2121lg20lg20lg20lg20ffmffmAAAA2. 高通濾波器高通濾波器 (1) 基本特性 圖 8-39 高通濾波器幅頻特性 20 lg| Afm |0 /01013dB20 lg| Af |100阻帶101102ab3 dB214通帶(2) 二階高通濾波器二階高通濾波器 圖圖 8-40 二階高通濾波器二階高通濾波器(a) 電路；電路； (b) 幅頻特性幅頻特性(a)(b)20 lg| Af |0101 /040 dB /十倍頻程dB20 lg| Afm |100101102233 dB20 dB /十倍頻程1一階高通濾波器21 /

12、2的高通濾波器31 / 2的高通濾波器1RFC1RfUiUoR2C2R1nnfiofjAUUjA21)(2其幅頻特性為 22221)(nnffAAfFfRRA1(8-60)式中 21211CCRRn112212212211)1 (21CRCRACRCRCRCRf若取C1=C2=C, 上式簡化為： 122121)1 (21111RRARRRRCRRAfnfFf 與二階低通濾波器一樣，為了改善衰減特性，阻尼系數一般取 ，幅頻特性將出現(xiàn)共振峰，將式(8-60)分母對微分。 并令它等于 0，可求得出現(xiàn)共振峰的角頻率p為 21221np當 時 2/1421)(nffAA所以截止角頻率仍與式(8-56)相

13、同，即0=n。 當1/ 時，幅頻特性有峰值，按規(guī)定可令式(8-60)右邊分母為 1，求得截止角頻率為 2)21 (22no若已知Af, n和，其設計方法和步驟如下： 按電容量的標稱值選擇電容C1=C2=C，Af=110范圍內，根據截止頻率初選C值。 12222112) 1(2RCRCARnnf 按Af和運放輸入端平衡電阻要求，確定Rf, RF，即根據Af=1+RF/Rf和R2=RfRF可導出 12fFffFARRRAR3. 帶通濾波器帶通濾波器 (1) 基本特性 圖 8-41 帶通濾波器的幅頻特性 B3 dBdB12O21020 lg| Af |1-理想特性；2-實際特性)(2121012B式

14、中，2為高端 3dB角頻率，1為低端 3dB角頻率。帶通濾波器的品質因數定義為 1200fffBQ(2) 典型二階帶通濾波器 圖 8-42 典型二階帶通濾波器(a) 電路； (b) 幅頻特性(a)(b)R3C1RP R3UiUoC2R1R220 lg| Kf |10 /0dB010203040Q1Q2Q5Q1010.1001)(jQAUUjAfiof幅頻特性是 20021)(QAAff由圖 8-42(a)不難寫出頻率特性表達式為 式中 122121321213021131111)1)/1 (CCCCRRRQRRCCRCCRRAf4. 帶阻濾波器帶阻濾波器 (1) 基本特性 圖圖 8-43 帶阻

15、濾波器的幅頻特性帶阻濾波器的幅頻特性 3 dB11ab22B20 lg| Af |O210(2) 二階帶阻濾波器 圖 8-44 二階帶阻濾波器 (a) 方框圖； (b) 電路Rf2RP2RFUoA2A1RP1R3R2CCR1Rf1UiUo1(b)(a)減法器帶 通濾波器UiUo 帶通濾波器A1在中心頻率0的增益為-Af, Af=R3/2R1，所以A1的輸出信號為 )(2)(01301jURRjUio為了通過減法器將它完全抑制掉，必須使 0)()(10201fFifFoRRjURRjU13122RRRRff(8-72)0011)(QjAjAff200211)(QAAff其幅頻特性是 在滿足式(8

16、-72)的情況下， 上式中各參數為 21321302131112111112)(RRRQRRRCRRRRRRAfFfFf5. 移相濾波器移相濾波器 (1) 基本性質 圖 8-45 移相濾波器的特性(a) 相頻特性；(b)角頻率為1時的輸入、輸出波形 (a)(b)f ()O01abfmf ()fm21Of (1)uiuot移相濾波器的頻率特性可寫成 )()(jAAUUjAffiof式中，Af=C(常數)； Af(j)=f()。 一階相移濾波器的移相范圍是 0180，而二階移相濾波器的移相范圍較大為 0360， 所以用得較多。 (2) 二階移相濾波器 圖 8-46 二階移相濾波器(a) 電路； (

17、b) 相頻特性 (a)(b)R2C2UiUoC1R1R3R4f ()0Q0.1901802703600.511.52Q1Q10360360/ 0假設圖中元件值滿足以下關系式： 2143214RRRRCCC則頻率特性為 )/(11)/(11)(0000QjQjAUUjAfiof)/(1arctan2)()(00QAAfff式中 121212212121210224342111111RRRCCRCCQRRCCCRRQQRRRAf V/f 轉換器定義：V/f (電壓/頻率)轉換器能把輸入信號電壓轉換成相應的頻率信號，即它的輸出信號頻率與輸入信號電壓值成比例，故又稱為電壓控制(壓控)振蕩器(VCO)。

18、應用：在調頻，鎖相和A/D變換等許多技術領域得到非常廣泛的應用。指標：額定工作頻率和動態(tài)范圍，靈敏度或變換系數，非線性誤差，靈敏度誤差和溫度系數等 -U V - + + N1 - + + N2 R2 -E ui R1 R3 C R4 R5 R6 R7 R8 R9 uC uP VS1 VS2 VS3 uo 積分復原型 組成：積分器、比較器和積分復原開關等 O U1 U2 uT uo T1 T2 t uC U2 U1 t t O O uP 電荷平衡型A1A2定時電路CFRfusc1usc2Ij-EIfI1D1D2-Emusc3 Ifusc 1usc 2usc 30000I10Emttttt Ij

19、Em 集成V/F轉換器 CL 精 密電流源 電 流開 關 RS 觸發(fā)器 基 準電 源 - + 基準比較器 - + 輸入比較器 - + 定時比較器 R Rt Ct iS RS 4 5 6 7 8 1 2 3 偏流 S R Q 復位 輸出保護 驅動 定時 域值 比較輸入 +U 1.9V 電流輸出 基準電壓 頻率輸出 Q2R RL V uo -1 +1 # 單穩(wěn) 態(tài)定 時器 Q iS uo 4 3 5 7 6 1 2 8 RL CL ui RS S Rt Ct +U u6 u5 +E V # Q 器 輸入 比較 集成V/F轉換器 b) 約 10mV O O T to t t u6 ui uo 通用f/V 轉換電路 包括三個部分：電平比較器，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和彽通濾波器 R12 R C R3 R4=100R3 u1 -E +E C1 R5 uN uP VD3 VD4 R9 R7 R89 V2 R6 R10 V1 VS Um R2 u2 R11 ui +E -E VD1 VD2 R1