信號檢測與處理電路

7.2.1

測量放大器常用于熱電偶、應(yīng)變電橋、流量計、生物電測量以及其它具有較大共模干擾的直流緩變微弱信號的檢測。7.2

信號檢測系統(tǒng)中的放大電路b.共模抑制比高a.

輸入抗阻高主要特點第1頁/共143頁1.

三運放測量放大器b.電阻R3、R4、R5、R6要精密配合（R3=R5、R4=R6）。a.運放A1、A2的特性一致性。對電路要求(1)原理圖A1A2A3+_b1b2+_i––+++–第2頁/共143頁由圖可知(2)電路分析A1A2A3+_b1b2+_i––+++–第3頁/共143頁A1A2A3+_b1b2+_i––+++–第4頁/共143頁放大器具有很高的抑制共模信號的能力令輸出uO與共模信號uIc無關(guān)第5頁/共143頁2.

單片集成測量放大器AD521工作原理與三運放測量放大器類似性能指標(biāo)(2)輸入阻抗3109

。(3)增益帶寬大于2MHz。(4)電壓放大倍數(shù)0.1~10,000。(5)電源電壓±(5~18)V。(6)

過載能力較強(qiáng)，動態(tài)特性好。(1)共模抑制比120dB。第6頁/共143頁(1)引腳說明1234567891011131214OUTOFFSETV––INRG+INSENSEREFRSCOMPOFFSETRSV+RG第7頁/共143頁(2)基本連接方式圖123456781011121314AD521+–第8頁/共143頁7.2.2隔離放大器特點信號傳遞的主要方式1.電磁耦合2.光電耦合輸入回路與輸出回路之間是電絕緣的第9頁/共143頁二極管——二極管型二極管——三極管型1.光電耦合隔離放大器光敏二極管IoIiIiIo發(fā)光二極管發(fā)光二極管光敏三極管第10頁/共143頁b.采用負(fù)反饋技術(shù)。光電耦合器的特點a.耦合器中的發(fā)光和光敏元件都是非線性器件b.非線性器件傳輸模擬信號將會導(dǎo)致信號失真克服非線性失真通常采取的措施a.給非線性器件施加合適的直流偏置，在小范圍內(nèi)線性傳輸信息。第11頁/共143頁一種典型的光電耦合隔離放大器

CA1O1A2+15V+5V–15V–15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1第12頁/共143頁

CA1O1A2+15V+5V–15V–15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1電壓并聯(lián)負(fù)反饋第13頁/共143頁

CA1O1A2+15V+5V–15V–15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋第14頁/共143頁

CA1O1A2+15V+5V–15V–15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1串聯(lián)負(fù)反饋的判斷電壓串聯(lián)負(fù)反饋電壓并聯(lián)負(fù)反饋第15頁/共143頁工作原理O1、O2特性相同R1=R4+RWR1=R4+RW

CA1O1A2+15V+5V–15V–15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1第16頁/共143頁uCE2uCE1=uCE2uCE1O1、O2特性相同R1=R4+RWR1=R4+RW

CA1O1A2+15V+5V–15V–15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1第17頁/共143頁uO=uCE1uI=uCE2uO

=uIuCE2uCE1=uCE2uCE1

CA1O1A2+15V+5V–15V–15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1第18頁/共143頁實現(xiàn)信號隔離實現(xiàn)信號傳輸兩地獨立兩地獨立輸入、輸出級之間是電氣絕緣的uO

=uI

CA1O1A2+15V+5V–15V–15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1第19頁/共143頁放大器原理圖2.變壓器隔離放大器+-1A調(diào)制器隔離電源解調(diào)器振蕩器+-2A輸入屏蔽輸出屏蔽uOuI第20頁/共143頁+-1A調(diào)制器隔離電源解調(diào)器振蕩器+-2A輸入屏蔽輸出屏蔽uOuI調(diào)制給輸入側(cè)提供能量兩側(cè)電源獨立解制輸入、輸出側(cè)間電氣絕緣第21頁/共143頁變壓器隔離放大器AD277原理圖和引腳+-1A調(diào)制器隔離電源解調(diào)器振蕩器+-2A輸入屏蔽輸出屏蔽16151114101213(+VCC)126873495(+15V)(-15V)(–VEE)第22頁/共143頁傳感器放大器濾波器增益調(diào)整采樣保持A/D

轉(zhuǎn)換器計算機(jī)系統(tǒng)總線控制電路提取測量信號放大測量信號抑制干擾信號去除無用信號信號加工處理系統(tǒng)第23頁/共143頁7.3.1濾波器的基礎(chǔ)知識功能:允許信號中某一部分頻率的分量通過。通帶:能夠通過信號的頻率范圍。阻帶:不能夠通過信號的頻率范圍。截止頻率:通帶和阻帶之間的分界頻率。7.3有源濾波器第24頁/共143頁濾波器的分類a.根據(jù)處理的信號不同分為b.根據(jù)使用的濾波元件不同分為數(shù)字濾波器模擬濾波器RC型LC型RLC型第25頁/共143頁c.根據(jù)工作頻率不同分為低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器全通濾波器第26頁/共143頁fA0理想濾波器的幅頻特性低通fA0通帶高通帶阻帶通通帶通帶通帶通帶Af0fA0第27頁/共143頁0fA0.707實際低通濾波器的幅頻特性實際特性理想特性阻帶過渡帶通帶第28頁/共143頁d.

根據(jù)濾波器的階數(shù)分

一階濾波器二階濾波器高階濾波器e.

根據(jù)采用的元器件不同分無源濾波器有源濾波器濾器的階數(shù)越高，性能越好。第29頁/共143頁組成:由電阻、電容、電感等無源器件組成。體積和重量比較大，電感還會引起電磁干擾。(a)

無源濾波器電路簡單高頻性能好工作可靠優(yōu)點通帶信號有能量損耗負(fù)載效應(yīng)比較明顯缺點CRRL無源高通濾波器第30頁/共143頁(b)有源濾波器電路體積小、重量輕。通帶內(nèi)的信號可以放大。精度高、性能穩(wěn)定、易于調(diào)試。負(fù)載效應(yīng)小。組成：由電阻、電容和有源器件（如集成運放）組成。優(yōu)點可以多級相連，用低階來構(gòu)成高階濾波器。第31頁/共143頁通帶范圍小。需要直流電源。適用于低頻、低壓、小功率等場合。缺點第32頁/共143頁1.一階低通有源濾波器7.3.2低通有源濾波器(1)電路組成(2)電路分析a.電路的傳遞函數(shù)+__+–+第33頁/共143頁式中Z1(s)Z2(s)故+__+–+第34頁/共143頁令——濾波器的通帶增益+__+–+第35頁/共143頁b.

濾波器的頻率特性令s=jw，得濾波器的頻率特性第36頁/共143頁式中即因電路的頻率特性與f的一次方有關(guān)故稱之為一階RC有源濾波器第37頁/共143頁c.

濾波器的幅頻特性由得d.相頻特性第38頁/共143頁討論幅頻和相頻特性(a)(b)(c)wc、fc分別稱為濾波器的截止角頻率、截止頻率。濾波器具有低通的特性。第39頁/共143頁3dB020lg|A(jw)|/dB幅頻特性曲線–20dB/十倍頻幅頻特性曲線由第40頁/共143頁(3)一階濾波器特點a.

電路簡單。b.

過渡帶的衰減慢，衰減速率20dB/十倍頻。第41頁/共143頁2.二階有源低通濾波器(1)電路組成(2)電路分析a.電路的傳遞函數(shù)無限增益多路反饋型二階有源低通濾波器12+_+_._+第42頁/共143頁對節(jié)點1、2列節(jié)點電壓方程節(jié)點1節(jié)點212+_+_._+第43頁/共143頁由上兩式得其中電路的品質(zhì)因數(shù)濾波器的特征角頻率第44頁/共143頁式中為濾波器的通帶增益b.

濾波器的頻率特性令s=jw，得濾波器的頻率特性第45頁/共143頁c.濾波器的幅頻特性由得d.濾波器的相頻特性第46頁/共143頁e.幅頻特性分析當(dāng)

<<

n時，由式知當(dāng)

>>

n時，電路具有低通濾波器特性第47頁/共143頁當(dāng)

=

n時由式知或第48頁/共143頁幅頻特性曲線10–310Q=105210.7070.5–40第49頁/共143頁這種濾波器稱為切比雪夫（Chebyshev）型濾波器a.特性有峰值。

10–310Q=105210.7070.5–40當(dāng)時b.

Q值越大，尖峰越高。c.當(dāng)時，電路將產(chǎn)生自激振蕩。d.過渡帶衰減速度較快。

第50頁/共143頁c.

Q值越小，幅頻特性下降得越早。a.

特性無峰值。b.

通帶有衰減。當(dāng)時10–310Q=105210.7070.5–40第51頁/共143頁c.幅頻特性最平坦a.無峰值這種濾波器稱為最大平坦或巴特沃斯（Butterworth）型濾波器。當(dāng)時10–310Q=105210.7070.5–40b.

在

≤

n的頻域下降量最小第52頁/共143頁巴特沃斯（Butterworth）型濾波器的幅頻特性當(dāng)此時的特征角頻率wn才是截止角頻率wc。10–310–40–40dB/十倍頻第53頁/共143頁1．一階高通有源濾波器7.3.3

高通有源濾波器(1)

低通與高通電路的對偶關(guān)系C換成RR換成C····第54頁/共143頁b.電路分析(2)

一階高通濾波器a.電路組成(a)傳遞函數(shù)Z1(s)Z2(s)+__++_第55頁/共143頁式中通帶增益截止角頻率+__++_第56頁/共143頁濾波器的頻率特性令(b)頻率特性由得濾波器的截止頻率第57頁/共143頁(c)

濾波器的幅頻特性由得幅頻特性曲線o十倍頻第58頁/共143頁2．二階高通有源濾波器

(1)電路組成(2)電路分析壓控電壓源型電路二階高通有源濾波器

+_

+_+_A第59頁/共143頁等效方框內(nèi)的電路等效電路

A03

2

+

+

––

+_

+_+_A第60頁/共143頁對節(jié)點3、2列節(jié)點電壓方程

節(jié)點3節(jié)點2a.傳遞函數(shù)

A03

2

+

+

––第61頁/共143頁由以上兩式電路的傳遞函數(shù)為

其中品質(zhì)因數(shù)通帶增益特征角頻率第62頁/共143頁b.頻率特性

令由得c.幅頻特性第63頁/共143頁幅頻特性曲線10–3Q=105210.7070.5第64頁/共143頁7.3.4

帶通和帶阻有源濾波器1．二階帶通有源濾波器(1)電路組成(2)電路分析

32

+

__++A第65頁/共143頁等效方框內(nèi)的電路等效電路

32

+

__++A

32

__++A0第66頁/共143頁對節(jié)點3、2列節(jié)點電壓方程

節(jié)點3節(jié)點2

32

__++A0第67頁/共143頁中心頻率通帶增益品質(zhì)因數(shù)a.電路的傳遞函數(shù)第68頁/共143頁得濾波器的頻率特性c.頻幅特性

b.頻率特性將s=j

代入式第69頁/共143頁幅頻特性分析當(dāng)時，(a)當(dāng)

時，(b)當(dāng)時，(c)電路具有帶通特性稱為中心角頻率第70頁/共143頁知在截止頻率上滿足即求解上式得d.通頻帶由第71頁/共143頁故濾波器的通頻帶寬Q值越大，通頻帶越窄，濾波器的選擇性越強(qiáng)。第72頁/共143頁Q=105210.50–20–40/wow10.1dBAjA/|)(|lg200帶通濾波器的幅頻特性第73頁/共143頁2．二階帶阻有源濾波器(1)電路組成C2CR32RCR/24+_+_+_雙T選頻網(wǎng)絡(luò)第74頁/共143頁列節(jié)點電壓方程節(jié)點2(2)電路分析a.傳遞函數(shù)節(jié)點3C2CR32RCR/24+_+_+_第75頁/共143頁節(jié)點4式中

C2CR32RCR/24+_+_+_第76頁/共143頁其中：故傳遞函數(shù)第77頁/共143頁得濾波器的頻率特性將s=j

代入式b.

頻率特性第78頁/共143頁c.

濾波器的幅頻特性幅頻特性分析當(dāng)時，(a)當(dāng)

時，(b)當(dāng)時，(c)電路具有帶阻特性為中心角頻率第79頁/共143頁解之得截止角頻率

上限d.

濾波器的阻帶下限令

第80頁/共143頁故濾波器的阻帶寬為第81頁/共143頁帶通濾波器幅頻特性11000.1-50Q小Q大第82頁/共143頁功能——

用來比較輸入電壓相對大小輸出端的信號狀態(tài)——

高電平和低電平7.4

電壓比較器輸入電壓比較電壓（基準(zhǔn)電壓或參考電平）輸入端的信號工作原理——

輸入電壓偏離參考電壓時，輸出電壓將發(fā)生從高到低（或從低到高）的躍變（稱之為比較器翻轉(zhuǎn)）。第83頁/共143頁7.4.1

單門限電壓比較器1.零電平比較器

(2)電路特點b.，a.運放工作于開環(huán)狀態(tài)c.輸出電壓uO≈±VCC(1)電路組成Rb2b1+_+__+第84頁/共143頁a.當(dāng)時，b.當(dāng)

時，(3)工作原理(4)

傳輸特性O(shè)

與零電平（電位）進(jìn)行比較，故稱為零電平比較器。

Rb2b1+_+__+第85頁/共143頁O理想特性實際特性不靈敏區(qū)第86頁/共143頁(5)

電路存在的問題a.輸出電壓基本由電源電壓確定。b.

輸出電平易受電源波動、飽和深度的影響。c.輸出電平不易改變。Rb2b1+_+__+第87頁/共143頁改進(jìn)型的零電平比較器限流電阻

雙向限幅穩(wěn)壓管輸出電壓

輸入保護(hù)電路RDZ+_+_+_D1D2傳輸特性O(shè)第88頁/共143頁2．非零電平比較器

電路簡單靈敏度高抗干擾能力差單門限電壓比較器的特點O傳輸特性RDZ+_+_+_UR第89頁/共143頁tOOt干擾干擾比較電壓UR輸入電壓輸出電壓誤動作誤動作單門限比較器抗干擾性能差的波形圖第90頁/共143頁7.4.2

多門限電壓比較器1．遲滯比較器1)反相輸入遲滯比較器Dz+_+_第91頁/共143頁給電路提供雙極性參考電平加速輸出翻轉(zhuǎn)過程引入正反饋正反饋的作用Dz+_+_第92頁/共143頁反饋電壓輸出電壓a.工作原理Dz+_+_第93頁/共143頁uOuI傳輸特性O(shè)如果uI<UR當(dāng)uO=UZ時(a)傳輸特性Dz+_+_第94頁/共143頁uOuI傳輸特性O(shè)此時(b)當(dāng)uI>UR=KUZ時，只要uI>UR傳輸特性Dz+_+_第95頁/共143頁uOuI傳輸特性O(shè)(c)當(dāng)uO=–UZ時如果uI>URDz+_+_第96頁/共143頁uOuI傳輸特性O(shè)此時(d)當(dāng)uI<UR=–KUZ時,只要uI<UR，Dz+_+_第97頁/共143頁O反相輸入遲滯比較器傳輸特性第98頁/共143頁遲滯比較器的特點(1)提高了電路抗干擾能力(2)降低了電路的靈敏度(3)不能分辨2KUZ范圍內(nèi)變化的信號O不能分辨區(qū)第99頁/共143頁OttO說明遲滯比較器抗干擾性能的波形圖輸入信號輸出信號干擾干擾第100頁/共143頁(2)同相輸入遲滯比較器

a.電路b.特性分析由圖可知Dz+_b1b2第101頁/共143頁根據(jù)比較器的特性，當(dāng)時電路翻轉(zhuǎn)。

令Dz+_b1b2第102頁/共143頁得比較器的翻轉(zhuǎn)電平為即當(dāng)uI=±KUZ時uO=0Dz+_b1b2第103頁/共143頁O只要Uo=+UZuI>–KUZ傳輸特性當(dāng)時(a)Dz+_b1b2即第104頁/共143頁O只要Uo=–UZuI<KUZ傳輸特性當(dāng)時(b)Dz+_b1b2第105頁/共143頁O輸出維持原狀態(tài)Uo=–UZ|uI|<KUZ傳輸特性當(dāng)

時(c)Dz+_b1b2第106頁/共143頁O輸出維持原狀態(tài)Uo=UZ|uI|<KUZ傳輸特性當(dāng)時Dz+_b1b2第107頁/共143頁O同相輸入遲滯比較器傳輸特性具有逆時針旋轉(zhuǎn)的特性第108頁/共143頁c.

特性平移的遲滯比較器圖中Dz+_b1b2第109頁/共143頁即令得電路的翻轉(zhuǎn)電平為Dz+_b1b2第110頁/共143頁遲滯回環(huán)沿著坐標(biāo)橫軸平移傳輸特性O(shè)第111頁/共143頁2.窗口比較器(1)電路A1D1D2A2––++T第112頁/共143頁D1導(dǎo)通D2截止A1輸出高電平A2輸出低電平當(dāng)時(a)輸出電壓2.工作原理（設(shè)）晶體管T飽和導(dǎo)通A1D1D2A2––++T第113頁/共143頁A2輸出高電平當(dāng)時(b)輸出電壓A1輸出低電平D1截止D2導(dǎo)通晶體管T飽和導(dǎo)通A1D1D2A2––++T第114頁/共143頁晶體管T截止A2輸出低電平當(dāng)時(c)輸出電壓A1輸出低電平D1截止D2截止A1D1D2A2––++T第115頁/共143頁工業(yè)控制系統(tǒng)，測量溫度、壓力、液面等的范圍。窗口比較器的主要應(yīng)用O傳輸特性第116頁/共143頁LM111系列的封裝形式和引腳排列7.4.3

集成電壓比較器+_12345678OUTGNDIN–IN+BALBAL/S+VCC–VCC第117頁/共143頁LM111系列典型應(yīng)用電路具有選通的接法

RT123456785選通+5V+_3kWC基本應(yīng)用電路23456781Wk3+第118頁/共143頁電路2373KW?–+LM111系列實現(xiàn)的施密特電路傳輸特性O(shè)第119頁/共143頁[例1]在圖示電路中，設(shè)各運放都具有理想特性。試求：

(a)Au1=Uo3/Ui···(b)電路的中頻電壓放大倍數(shù)Aum=Uo/Ui;···練習(xí)題A1A2A3R1R2R3R4R5R6R7uIuO2uO1uOA4R9C2330kW27kW110kW15mFRLR11C1uO3R810kW10kW3.33kW+_+++____+10kW10kW33kW3.33kW3.33kW

;第120頁/共143頁(c)整個電路的上、下限截止頻率fH和fL之值。[解]由圖可知，運放A1~A3構(gòu)成三運放測量放大器，運放A4構(gòu)成一階低通濾波器，電容器C2

和負(fù)載RL構(gòu)成高通濾波器。

A1A2A3R1R2R3R4R5R6R7uIuO2uO1uOA4R9C2330kW27kW110kW15mFRLR11C1uO3R810kW10kW3.33kW+_+++____+10kW10kW33kW3.33kW3.33kW

第121頁/共143頁(a)寫出uO2與ui的關(guān)系

A1A2A3R1R2R3R4R5R6R7uIuO2uO1uOA4R9C2330kW27kW110kW15mFRLR11C1uO3R810kW10kW3.33kW+_+++____+10kW10kW33kW3.33kW3.33kW

第122頁/共143頁(b)電路的中頻電壓放大倍數(shù)所以，Au1=Uo3/Ui=3···········A1A2A3R1R2R3R4R5R6R7uIuO2uO1uOA4R9C2330kW27kW110kW15mFRLR11C1uO3R810kW10kW3.33kW+_+++____+10kW10kW33kW3.33kW3.33kW

第123頁/共143頁(c)整個電路的上、下限截止頻率分別為A1A2A3R1R2R3R4R5R6R7uIuO2uO1uOA4R9C2330kW27kW110kW15mFRLR11C1uO3R810kW10kW3.33kW+_+++____+10kW10kW33kW3.33kW3.33kW

第124頁/共143頁[例2]在圖示電路中，已知穩(wěn)壓管DZ1、DZ2的擊穿電壓分別為UZ1=3.4V,UZ2=7.4V,正向壓降皆為UD1=UD2=0.6V，運放A具有理想的特性。畫出uI由–6V變至+6V，再由+6V變至–6V時電路的電壓傳輸特性曲線。A+_第125頁/共143頁[解](a)由圖可知電路的輸出電壓極限值

A+_第126頁/共143頁(b)運放反相輸入端電壓同相輸入端電壓

當(dāng)輸入電壓uI由–6V向+6V方向變化時，如果同相輸入端的電壓u+

低于UR，輸出電壓uO為Uomin

；A+_第127頁/共143頁由得當(dāng)同相輸入端的電壓u+略高于UR時，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出電壓uO為Uomax

。UH=5.3V設(shè)此時的輸入電壓為UHA+_第128頁/共143頁當(dāng)uI由+6V向–6V方向變化時，如果u+

高于UR，輸出電壓uO為Uomax

；當(dāng)u+略低于UR時，比較器再次翻轉(zhuǎn)，輸出電壓uO為Uomin

。設(shè)此時的輸入電壓為UL由得A+_第129頁/共143頁由此可畫出電路的傳輸特性uOuIOUHULUominUomax傳輸特性A+_第130頁/共143頁[例3]在圖示電路中，設(shè)運算放大器A具有理想的特性，其最大輸出電壓穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為,試畫出電路的電壓傳輸特性曲線。A+_第131頁/共143頁[解]由圖可知，當(dāng)穩(wěn)壓管DZ擊穿后，由于其動態(tài)電阻很小，電路引入深度負(fù)反饋。故運放的“虛短”仍然成立。電路的輸出電壓此時，電阻R3兩端的電壓為A+_第132頁/共143頁由知當(dāng)時，輸出高電平電壓

當(dāng)時，輸出低電平電壓

A+_?第133頁/共143頁由于運放的同相輸入端電壓當(dāng)時電路的低電平閾值電壓為故當(dāng)時電路的高電平閾值電壓為A+_?第134頁/共143頁即當(dāng)時，；當(dāng)時，；由此可畫出電壓傳輸特性。UHULuOuIUOHUOLO電壓傳輸特性A+_?第135頁/共143頁[例4]電路如圖所示，已知集成運A1

、A2

的性能理想。(1)