傳感器與測(cè)量技術(shù)之放大與濾波器

1、5.6 5.6 放大與濾波放大與濾波5.6.15.6.1信號(hào)的放大與轉(zhuǎn)換信號(hào)的放大與轉(zhuǎn)換5.5.25.5.2濾波濾波5.6.15.6.1信號(hào)的放大與轉(zhuǎn)換信號(hào)的放大與轉(zhuǎn)換 根據(jù)被測(cè)對(duì)象的特性，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)中的放大器有根據(jù)被測(cè)對(duì)象的特性，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)中的放大器有一些特殊的要求：一些特殊的要求：1 1、精度高，線性度好；、精度高，線性度好；2 2、高輸入阻抗；、高輸入阻抗；3 3、低漂移；、低漂移；4 4、抗干擾能力強(qiáng)。、抗干擾能力強(qiáng)。 下面介紹幾種常用的放大器。下面介紹幾種常用的放大器。1. 測(cè)量放大器測(cè)量放大器43RR 65RR 21RR ui1ui2R1RPR2R3R4R6uoR5- -+ +A2

2、- -+ +A3- -+ +A1ui1ui2uo1uo2 測(cè)量放大器是一種兩極串聯(lián)放大器，前級(jí)由兩個(gè)同相放大測(cè)量放大器是一種兩極串聯(lián)放大器，前級(jí)由兩個(gè)同相放大器組成，對(duì)稱結(jié)構(gòu)，抑制共模干擾；后級(jí)是差動(dòng)放大器，器組成，對(duì)稱結(jié)構(gòu)，抑制共模干擾；后級(jí)是差動(dòng)放大器，切斷共模干擾。切斷共模干擾。 其特點(diǎn)是：高線性度、高的共模抑制比與低噪聲、高輸入其特點(diǎn)是：高線性度、高的共模抑制比與低噪聲、高輸入阻抗。阻抗。ui1ui2R1RPR2R3R4R6uoR5- -+ +A2- -+ +A3- -+ +A1ui1ui2uo1uo22.2.程控放大器程控放大器多檔程控放大器，通過(guò)兩位程控信號(hào)多檔程控放大器，通過(guò)兩位

3、程控信號(hào)C C1 1和和C C2 2來(lái)控制模擬開(kāi)關(guān)來(lái)切換反饋電阻來(lái)控制模擬開(kāi)關(guān)來(lái)切換反饋電阻RfRf ，可實(shí)現(xiàn)四個(gè)檔的閉環(huán)增益值可實(shí)現(xiàn)四個(gè)檔的閉環(huán)增益值R Rf0f0/R/R、R Rf1f1/R/R、R Rf2f2/R/R和和R Rf3f3/R/R。特點(diǎn)：特點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，閉環(huán)增益取決于接入的反饋電阻阻值。電路簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，閉環(huán)增益取決于接入的反饋電阻阻值。 可編程增益放大器的增可編程增益放大器的增益可通過(guò)數(shù)字邏輯電路益可通過(guò)數(shù)字邏輯電路來(lái)控制。來(lái)控制。 測(cè)量放大測(cè)量放大器器3. 3. 隔離放大器隔離放大器 由輸入放大器、輸出放大器和隔離器等組成。變壓器耦由輸入放大器、輸出放大器和隔

4、離器等組成。變壓器耦合是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成磁信號(hào)進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)合是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成磁信號(hào)進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)電電磁磁電電的轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)換，但體積較大；而光電耦合是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)進(jìn)行換，但體積較大；而光電耦合是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)傳輸，實(shí)現(xiàn)電電光光電電的轉(zhuǎn)換，具有體積小、使用壽命長(zhǎng)、的轉(zhuǎn)換，具有體積小、使用壽命長(zhǎng)、工作溫度范圍寬、抗干擾性能強(qiáng)、無(wú)觸點(diǎn)且輸入與輸出在電工作溫度范圍寬、抗干擾性能強(qiáng)、無(wú)觸點(diǎn)且輸入與輸出在電氣上完全隔離等特點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛。氣上完全隔離等特點(diǎn)，應(yīng)用非常廣泛。 由于光電耦合器件具有非線性電流傳輸?shù)奶匦?，如果直由于光電耦合器件具有非線性電流傳輸?shù)奶匦?，如果直接用于模擬量的

5、傳輸，則線性度和精度都很差，故采用兩個(gè)接用于模擬量的傳輸，則線性度和精度都很差，故采用兩個(gè)特性完全對(duì)稱特性完全對(duì)稱的光電耦合器進(jìn)行耦合，可實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償。的光電耦合器進(jìn)行耦合，可實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償。 兩個(gè)兩個(gè)特性完全對(duì)稱特性完全對(duì)稱的光電耦合器，一路反饋到輸入放大的光電耦合器，一路反饋到輸入放大器器A1，一路耦合到輸出放大器，一路耦合到輸出放大器A2，可實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償。由于，可實(shí)現(xiàn)非線性補(bǔ)償。由于輸入放大器與輸出放大器之間不能有任何電的聯(lián)系，所以不輸入放大器與輸出放大器之間不能有任何電的聯(lián)系，所以不能共用電源，也不能共地。能共用電源，也不能共地。（1）線性光電耦合放大器）線性光電耦合放大器（3 3

6、）. AD277. AD277變壓器耦合隔離放大器變壓器耦合隔離放大器A1差動(dòng)輸入，浮置電源供電；差動(dòng)輸入，浮置電源供電；A2增益可調(diào)。增益可調(diào)。A1A2變壓器耦合。變壓器耦合。隔離隔離電源電源振蕩器振蕩器調(diào)制器調(diào)制器輸入屏蔽輸入屏蔽解調(diào)器解調(diào)器輸出屏蔽輸出屏蔽26873419515V15V13121016U141115U- -+ +A11M 100k 100k - -+ +A25.6.2 濾波濾波 1. 濾波器的功能：濾波器的功能：選擇頻率的作用。提取選擇頻率的作用。提取(通過(guò)通過(guò))有用有用 的測(cè)量信號(hào)，濾除的測(cè)量信號(hào)，濾除(抑制掉抑制掉)噪聲和無(wú)用信號(hào)。噪聲和無(wú)用信號(hào)。表面粗糙度測(cè)量表面粗

7、糙度測(cè)量(濾掉工件的表面形狀誤差濾掉工件的表面形狀誤差)工件表面輪廓：工件表面輪廓：測(cè)量信號(hào)波形：測(cè)量信號(hào)波形：粗糙度波形：粗糙度波形：帶通帶通OA( )pK pKr1 c1 p2 p1 c2 r2 帶阻帶阻OA( )pK pK p1 c1 r1 p2 c2 r2 低通低通r OA( )Kp pKp c 高通高通OA( )r pK pK p c 2. 濾波器的分類濾波器的分類(按功能分按功能分)（1）特征頻率）特征頻率 通帶截頻：通帶截頻：fp為通帶與過(guò)渡帶邊界點(diǎn)的頻率，在該點(diǎn)信號(hào)為通帶與過(guò)渡帶邊界點(diǎn)的頻率，在該點(diǎn)信號(hào) 增益下降到一個(gè)人為規(guī)定的下限。增益下降到一個(gè)人為規(guī)定的下限。 阻帶截頻：阻

8、帶截頻：fr為阻帶與過(guò)渡帶邊界點(diǎn)的頻率，在該點(diǎn)信號(hào)為阻帶與過(guò)渡帶邊界點(diǎn)的頻率，在該點(diǎn)信號(hào) 衰耗衰耗(增益的倒數(shù)增益的倒數(shù))下降到一人為規(guī)定的下限。下降到一人為規(guī)定的下限。 轉(zhuǎn)折頻率：轉(zhuǎn)折頻率：fc為信號(hào)功率衰減到為信號(hào)功率衰減到1/2(3dB)時(shí)的頻率，通常時(shí)的頻率，通常 以以fc作為通帶的截止頻率，即作為通帶的截止頻率，即fp = fc 。 固有頻率：固有頻率：f0為為電路沒(méi)有損耗時(shí)，濾波器的諧振頻率，復(fù)電路沒(méi)有損耗時(shí)，濾波器的諧振頻率，復(fù) 雜電路往往有多個(gè)固有頻率。雜電路往往有多個(gè)固有頻率。 3. 濾波器的主要特性指標(biāo)濾波器的主要特性指標(biāo) （2）增益與衰耗增益與衰耗 濾波器在通帶內(nèi)的增益并

9、非常數(shù)。濾波器在通帶內(nèi)的增益并非常數(shù)。 對(duì)低通濾波器通帶增益對(duì)低通濾波器通帶增益Kp一般指一般指f=0時(shí)的增益；高通指時(shí)的增益；高通指 f時(shí)的增益；帶通則指中心頻率時(shí)的增益；帶通則指中心頻率f0處的增益。處的增益。 對(duì)帶阻濾波器，應(yīng)給出阻帶衰耗，衰耗定義為增益的倒對(duì)帶阻濾波器，應(yīng)給出阻帶衰耗，衰耗定義為增益的倒 數(shù)，即衰耗數(shù)，即衰耗=1/ Kp 。 通帶增益變化量通帶增益變化量Kp指通帶內(nèi)各點(diǎn)增益的最大變化量，指通帶內(nèi)各點(diǎn)增益的最大變化量， 若若Kp以以dB為單位，則指增益為單位，則指增益dB值的變化量。值的變化量。 （3）阻尼系數(shù)與品質(zhì)因數(shù)）阻尼系數(shù)與品質(zhì)因數(shù) 阻尼系數(shù)阻尼系數(shù)：是表征濾波器

10、對(duì)頻率為是表征濾波器對(duì)頻率為f0信號(hào)的阻尼作用，信號(hào)的阻尼作用， 是濾波器中表示能量衰耗的一項(xiàng)指標(biāo)。是濾波器中表示能量衰耗的一項(xiàng)指標(biāo)。 品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)Q ：阻尼系數(shù)的倒數(shù)稱為品質(zhì)因數(shù)，是評(píng)價(jià)帶通阻尼系數(shù)的倒數(shù)稱為品質(zhì)因數(shù)，是評(píng)價(jià)帶通 與帶阻濾波器頻率選擇特性的一個(gè)重要指標(biāo)。與帶阻濾波器頻率選擇特性的一個(gè)重要指標(biāo)。 f 帶通或帶阻濾波器的帶通或帶阻濾波器的3dB帶寬；帶寬； f0 中心頻率，在很多情況下中心頻率，在很多情況下中心頻率與固有頻率相等中心頻率與固有頻率相等。 01fQf RC濾波電路濾波電路 1.一階一階RC濾波電路濾波電路 （1）一階無(wú)源一階無(wú)源RC濾波電路濾波電路 電路簡(jiǎn)單，性能較差，存在負(fù)載效應(yīng)，只能構(gòu)成低通電路簡(jiǎn)單，性能較差，存在負(fù)載效應(yīng)，只能構(gòu)成低