信號檢測與處理電路

第七章信號檢測與處理電路§7.1電子系統(tǒng)概述（略）§7.2信號檢測系統(tǒng)中的放大電路（略）§7.3有源濾波器§7.5電壓比較器§7.4線性檢波與采樣-保持電路（略）§7.1

電子系統(tǒng)概述傳感器放大器濾波器增益調(diào)整采樣保持A/D

轉(zhuǎn)換器計算機系統(tǒng)總線控制電路信號檢測系統(tǒng)基本框圖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)§7.2

信號檢測系統(tǒng)中的放大電路一、測量放大器二、隔離放大器三、程控增益放大器一、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。b.共模抑制比高a.

輸入抗阻高主要特點三運放測量放大器A1A2A3+_b1b2+_i––+++–二、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

CA1O1A2+15V+5V–15V–15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T11.光電耦合隔離放大器放大器原理圖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+VCC100kΩ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)100kΩ100kΩ1MΩ三、程控增益放大器程控增益放大器本身能自動將增益調(diào)整到適當(dāng)?shù)姆秶?。程控增益放大器的增益通常通過數(shù)字電路，由確定的程序來控制。程控增益放大器原理圖使模擬開關(guān)分別接通其中的一個反饋電阻，改變運算放大器的并聯(lián)反饋電阻，從而實現(xiàn)增益程控。四選一模擬開關(guān)相當(dāng)于一個單刀四擲開關(guān)，由數(shù)字量A和B控制。§7.3有源濾波器一、概述二、低通有源濾波器三、高通有源濾波器二、帶通和帶阻有源濾波器1.濾波電路的功能使指定頻段的信號順利通過，其它頻率的信號被衰減。2.濾波電路的種類一、概述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。低通濾波器（LPF）通帶放大倍數(shù)通帶截止頻率下降速率理想幅頻特性無過渡帶用幅頻特性描述濾波特性，要研究

、(fP、下降速率)。理想濾波器的幅頻特性高通濾波器（HPF）帶通濾波器（BPF）帶阻濾波器（BEF））理想濾波器的幅頻特性阻容耦合通信電路抗已知頻率的干擾低通濾波器（LPF）3.無源濾波電路和有源濾波電路組成: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(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。通帶范圍小。需要直流電源。適用于低頻、低壓、小功率等場合。缺點空載時帶負(fù)載時無源濾波電路負(fù)載變化，通帶放大倍數(shù)和截止頻率均變化。

無源濾波電路的濾波參數(shù)隨負(fù)載變化；有源濾波電路的濾波參數(shù)不隨負(fù)載變化，可放大。無源濾波電路可用于高電壓大電流，如直流電源中的濾波電路；有源濾波電路是信號處理電路，其輸出電壓和電流的大小受有源元件自身參數(shù)和供電電源的限制。有源濾波電路

用電壓跟隨器隔離濾波電路與負(fù)載電阻一階低通有源濾波器二、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)+__+–+式中Z1(s)Z2(s)故+__+–+令——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c.

濾波器的幅頻特性由得d.相頻特性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3dB020lg|A(jw)|/dB幅頻特性曲線–20dB/十倍頻幅頻特性曲線由(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。一階高通有源濾波器三、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····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)+__++_式中通帶增益截止角頻率+__++_濾波器的頻率特性令(b)頻率特性由得濾波器的截止頻率(c)

濾波器的幅頻特性由得幅頻特性曲線o十倍頻四、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等效方框內(nèi)的電路等效電路32+

__++A

32

__++A0對節(jié)點3、2列節(jié)點電壓方程

節(jié)點3節(jié)點2

32

__++A0中心頻率通帶增益品質(zhì)因數(shù)a.電路的傳遞函數(shù)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知在截止頻率上滿足即求解上式得d.通頻帶由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。Q=105210.50–20–40/wow10.1dBAjA/|)(|lg200帶通濾波器的幅頻特性§7.4線性檢波與采樣-保持電路一、線性檢波電路二、采樣-保持電路一、線性檢波電路利用二極管的單向?qū)щ娦詫⒔涣餍盘栟D(zhuǎn)換成單向性的信號，稱為檢波。檢波電路也是整流電路，但通常檢波指小信號電路，整流是對大功率電路而言，兩者工作原理相同，應(yīng)用場合各異。檢波電路與整流電路的區(qū)別：線性檢波電路，是指輸出與輸入信號幅度之間成線性關(guān)系的檢波電路。(a)電路圖(b)輸入輸出信號波形二極管半波檢波電路因為二極管存在著死區(qū)電壓，所以只有當(dāng)輸入信號的正值大于二極管的死區(qū)電壓后，負(fù)載上才會有電流流過。由于二極管正向壓降和非線性特性的影響，在小信號檢波時，常帶來很大的失真。1.線性半波檢波電路2.線性全波檢波電路在線性半波檢波電路的基礎(chǔ)上，再加一級加法電路，就構(gòu)成線性全波檢波電路。二、采樣-保持電路在測量和控制系統(tǒng)中，通常需要將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，利用計算機來采集、分析與處理。然而，完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換，需要一定的時間。為了避免在實際轉(zhuǎn)換過程中因信號電平變化而使轉(zhuǎn)換結(jié)果出現(xiàn)較大的誤差，通常用采樣保持電路對變化的模擬信號進(jìn)行跟蹤“采樣”，并在轉(zhuǎn)換過程中“保持”該信號電平。采樣時刻和保持時間由測控系統(tǒng)中的控制信號決定。輸入緩沖放大器A1電路組成：輸出緩沖放大器A2模擬開關(guān)T保持電容器C§7.5電壓比較器一、概述二、單限比較器四、窗口比較器三、滯回比較器五、集成電壓比較器一、概述1.電壓比較器的功能：比較電壓的大小。

輸入電壓是模擬信號；輸出電壓表示比較的結(jié)果，只有高電平和低電平兩種情況，為二值信號。使輸出產(chǎn)生躍變的輸入電壓稱為閾值電壓。廣泛用于波形變換、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)字儀表、報警電路等。2.電壓比較器的描述方法

:電壓傳輸特性uO＝f(uI)電壓傳輸特性的三個要素：（1）輸出高電平UOH和輸出低電平UOL（2）閾值電壓UT（3）輸入電壓過閾值電壓時輸出電壓躍變的方向3.幾種常用的電壓比較器（1）單限比較器：只有一個閾值電壓（3）窗口比較器：有兩個閾值電壓，輸入電壓單調(diào)變化時輸出電壓躍變兩次。（2）滯回比較器：具有滯回特性輸入電壓的變化方向不同，閾值電壓也不同，但輸入電壓單調(diào)變化使輸出電壓只躍變一次。回差電壓：4、集成運放的非線性工作區(qū)電路特征：集成運放處于開環(huán)或僅引入正反饋理想運放工作在非線性區(qū)的特點：1)凈輸入電流為0（虛斷）2)uP>uN時，

uO＝＋UOMuP<uN時，

uO＝－UOM無源網(wǎng)絡(luò)5、教學(xué)基本要求

1)電路的識別及選用；2)電壓傳輸特性的分析。二、單限比較器（1）UT＝0（2）UOH＝＋UOM，UOL＝－UOM（3）uI

>0時uO

＝－UOM;uI

<0時uO

＝＋UOM

集成運放的凈輸入電壓等于輸入電壓，為保護(hù)集成運放的輸入級，需加輸入端限幅電路。二極管限幅電路使凈輸入電壓最大值為±UD1.過零比較器必要嗎？輸出限幅電路

為適應(yīng)負(fù)載對電壓幅值的要求，輸出端加限幅電路。UOH＝＋UZ1＋UD2

UOL＝－(UZ2＋UD1)UOH＝

－

UOL＝UZ輸出限幅電路uO＝±UZ（1）保護(hù)輸入端（2）加速集成運放狀態(tài)的轉(zhuǎn)換電壓比較器的分析方法：（1）寫出uP、uN的表達(dá)式，令uP＝

uN，求解出的uI即為UT；（2）根據(jù)輸出端限幅電路決定輸出的高、低電平；（3）根據(jù)輸入電壓作用于同相輸入端還是反相輸入端決定輸出電壓的躍變方向。2.一般單限比較器（1）若要UT<0，則應(yīng)如何修改電路？（2）若要改變曲線躍變方向，則應(yīng)如

何修改電路？（3）若要改變UOL、UOH呢？作用于反相輸入端單限比較器靈敏度高,但抗干擾能力差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三、滯回比較器(具有一定的抗干擾能力)1.閾值電壓引入正反饋2.工作原理及電壓傳輸特性

設(shè)uI＜－UT，則uN＜uP，

uO＝+UZ。此時uP＝+UT，增大

uI，直至+UT，再增大，

uO才從+UZ躍變?yōu)椋璘Z。

設(shè)uI＞+UT，則uN＞uP，

uO＝－UZ。此時uP＝－UT，減小

uI，直至－UT，再減小，

uO才從－UZ躍變?yōu)?UZ。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