第4章信号调理电路课件.ppt

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1、2022-5-111信号调理电路信号调理电路Signal Conditioning Circuit2022-5-112(电桥电桥(信号的放大电路信号的放大电路(信号的转换电路信号的转换电路(滤波电路滤波电路(调制与解调调制与解调4.1 电电 桥桥测量电桥有以下几个特点：(1)能把电阻、电容、电感等电抗参数的变化，变换成电压或电流的变化，便于信号的放大和处理。(2)能测量出微弱的阻抗变化量。(3)可以通过采用对称差动式传感器结构组成差动半桥或全桥来实现非线性误差的补偿，并提高电桥输出的灵敏度。4.1.1 电桥的分类电桥的分类 1.按电桥的工作状态分类按电桥的工作状态分类按电桥的工作状态分类，可分

2、为平衡电桥和不平衡电桥。2.按电桥的激励电源分类按电桥的激励电源分类按电桥的激励电源分类，电桥分为直流电桥和交流电桥。而直流电桥又分为恒压源电桥和恒流源电桥。 3.按电桥的工作桥臂的个数分类按电桥的工作桥臂的个数分类按电桥的工作桥臂的个数来分，电桥可分为单臂电桥、半桥（双臂）和全桥。 4.1.2 直流电桥直流电桥1.电桥的调零电路电桥的调零电路 4.1.2 直流电桥直流电桥2.不平衡直流电桥不平衡直流电桥设电桥工作时，四个桥臂的电阻值分别变化了R1、R2、R3和R4，则 )()()(2211443333224411RRRRRRRRRRRRRRRREUo）（忽略二阶增量并考虑电桥的初始平衡有)(

3、44332211432141RRRRRRRRRRRRRREUo（故由R1 R4 =R2R3有434212RRRRRR)(4433221122121RRRRRRRRRRRREUo（不平衡直流电桥的输出灵敏度与以下几个因素有关：与电桥的供电电源电压E成正比与桥臂电阻的阻值比有关与电桥的工作臂的个数有关 4.1.2 直流电桥直流电桥不平衡直流电桥的应用实例电子秤4.1.2 直流电桥直流电桥3. 平衡直流电桥平衡直流电桥特点： 响应速度慢，只适用于缓慢变化信号的检测。 测量精度高，其精度取决于电位器的精度。 输出与供桥电源电压无关，可避免由于电源电压的不稳定而带来的干扰。 4.1.2 直流电桥直流电桥

4、4.1.3 交流电桥交流电桥交流电桥平衡条件： 即： 幅值平衡 相角平衡 平衡条件平衡条件 144233)1()1(RCjRRCjR1423RRRR即4132CRCR平衡条件平衡条件 144233)()(RLjRRLjR即1423RRRR1423RLRL交流电桥的误差分析 电桥中元件之间互感影响；无感电阻的残余电抗；邻近交流电路对电桥的感应作用；电容的泄漏电阻及元件之间、元件与地之间的分布电容等 4.1.3 交流电桥交流电桥4.2 信号的放大电路信号的放大电路放大电路应具有如下性能 :稳定而足够的放大倍数；高输入阻抗以与传感器的输出阻抗匹配；高共模抑制比以抑制共模干扰；低输入失调电压和电流、低

5、温漂和低噪声 典型放大电路典型放大电路1.直流放大电路直流放大电路反相放大电路反相放大电路 12RRuuAiou 提高R2的值可提高放大倍数，一般为几十千欧至几百千欧 平衡电阻R3=R1/R2 输入电阻Ri= R1，输出电阻趋于0。 特点是性能稳定，抗高频干扰能力强，提高输入阻抗与提高增益之间存在矛盾 1.直流放大电路直流放大电路同相放大电路同相放大电路 特点是抑制共模干扰能力差、输入阻抗高、输出阻抗低，抗高频干扰能力强，广泛用于前置放大级。 差动放大电路差动放大电路 4.2.1 典型放大电路典型放大电路2.交流放大电路交流放大电路引入深度电压并联负反馈后，放大电路的增益为： 12RRAu32

6、1RRuuAiou3.电压跟随器电压跟随器 特点：输入阻抗高，输出阻抗低 作用：缓冲、隔离和提高带载能力。在电路中可以起到阻抗匹配的作用，能够使得后一级的放大电路更好的工作 4.2.1 典型放大电路典型放大电路4.2.2 电荷放大电路电荷放大电路输出电压与输入电荷成比例关系，也称为电荷/电压转换电路 则当忽略传感器的泄漏电阻Ra和集成运算放大器的输入电阻Ri，并且不考虑虚线部分电路时，有 而 则4.2.3 仪表放大电路仪表放大电路集成仪表放大器集成仪表放大器AD620是专门精密差分电压的放大器，它源于运算放大器，且优于运算放大器。具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移、增

7、益设置灵活和使用方便等特点 212121RRRuuRuugoogii)(2134ooouuRRu)(1 (212134iigouuRRRRRugRkG4 .4914.2.3 仪表放大电路仪表放大电路集成仪表放大器集成仪表放大器AD620AD620特点是体积小、功耗低、噪声低和输入偏置电流低，通过外接电阻可以实现增益的调节，工作电源范围为(2.318)V，为双对称电源供电，一般常用12V。AD620可作为电桥和热电偶的放大电路，增益要根据实际情况进行选择，不同类型的热电偶的增益选择不同。 4.2.4 程控增益放大电路程控增益放大电路是通过数字逻辑电路或计算机编程来改变增益的方法，也称为可编程增益

8、放大电路，简称PGA 结构形式多种多样，分为单运放、多运放、仪表放大器和单片集成程控增益放大电路 多路模拟开关多路模拟开关A2A1A0为地址选择端，COM为公共端，GND为接地端，当A2A1A0 000时，开关S0闭合，通道I0与公共端COM接通，其他开关断开；当 A2A1A0 001时，开关S1闭合，通道I1与公共端COM接通，其他开关断开；，依此类推。当禁止端EN=0时，通道I0I7均不通。 4.2.4 程控增益放大电路程控增益放大电路1.单运放程控增益放大电路单运放程控增益放大电路 )821(12，iRRAiu2.仪表放大器程控增仪表放大器程控增益放大电路益放大电路3.集成程控增益放大电

9、路集成程控增益放大电路LH0084当引脚6与10相连、13引脚接地时 19112RRAu当7与10相连、 12接地时4913112RRRAu当8与10相连、 11接地时1091513112RRRRAu4.2.5 放大电路应用实例放大电路应用实例2.光敏信号放大电路光敏信号放大电路 1.高精度压力放大电路高精度压力放大电路 4.2.5 放大电路应用实例放大电路应用实例3.霍尔传感器放大电路霍尔传感器放大电路 4.3 信号的转换电路信号的转换电路是将电压、电流、电阻和频率等各类信号进行相互转换的电路 4.3.1 阻抗与电压的转换阻抗与电压的转换2.电容电容/电压转换电路电压转换电路运算放大电路法运

10、算放大电路法REFREFoxRVVR|1.电阻电阻/电压转换电路电压转换电路ifxixfoUCCuCjCjU112.电容电容/电压转换电路电压转换电路谐振电路法谐振电路法4.3.1 阻抗与电压的转换阻抗与电压的转换电压和电流的相互转换电压和电流的相互转换 1.电压电压/电流转换电路电流转换电路 集成电压集成电压/电流转换芯片电流转换芯片AD694引脚名 称功 能1FB缓冲放大器输出引脚，输入信号一般不直接加在该引脚上2-SIG缓冲放大器的负引脚输入3+SIG缓冲放大器的正引脚输入42V FS输入量程选择引脚。接地： 02V；悬空：010V5COM公共端64mA ADJ4mA偏置电流微调端。该引

11、脚上电压不允许超过1V710V (FORCE)10V参考电压输出端。采用10V 参考电压时，要求电源电压大于12.5V82V (SENSE)2V 参考电压输出端。脚7与脚8短接时，得到2V 参考电压。采用2V 参考电压时，要求电源电压+4.5V+36V94mA(ON/OFF)4mA偏置电流选通端。接地，输出420mA；接3V电压，输出020mA10ALARM输出开路或越限(脚11电压高于Vs-2V)报警端。报警时，引脚被拉低，最大灌入电流20mA12Iout电流输出端。使用外接NPN晶体管输出时，接晶体管基极。13Vs电源电压，+4.5V+36V14BW ADJ带宽调节端。在脚13、14 之间

12、接适当电容与内部900电阻构成低通滤波15Vos ADJ输入缓冲放大器偏置调节端。16Vos ADJ同上 工作电压是+4V+36V，输入电压范围为0V2V，或0V10V；输出电流范围为020mA或420mA。 集成电压集成电压/电流转换芯片电流转换芯片AD694输入量程选择引脚4悬空，表示输入电压范围为010V，4mA偏置电流选择引脚9接地，表示输出电流范围420mA 4.3.2 电压和电流的相互转换电压和电流的相互转换 2.电流电流/电压转换电路电压转换电路 iRRiuo1iRRRVRRuPo31212)1 ()1 (集成电流集成电流/电压转换芯片电压转换芯片MAX472 A、B、C三点的电

13、位相等，因此有isenseRsense=iOUT RG1，得： senseGOUTsenseOUTOUToiRRRRiu1 电压和频率的转换电压和频率的转换 1.电压电压/频率转换电路频率转换电路 电压频率转换电路能把输入电压转换成频率信号输出，输出频率与输入电压信号成比例，也称为电压控制振荡器（压控振荡器，VCO） (1)积分复原型积分复原型 ZaURRRURRRU7667671ZaURRRURRRU76676722111UUTCRuiT2 T1，所以T= T1+ T2T1，输出脉冲的频率fo iouUUCRTf)(11211K闭合t0期间放掉的电荷量Q1为 (2)电荷平衡型电荷平衡型 )(

14、01iItQsK断开t1期间，ui对电容充电电荷量Q2= t1i，而Q1=Q2，有： 001) 1()(tiIiiIttss输出脉冲uo的频率fo为： 1001011RtIutIittTfsiso(3)集成电压集成电压/频率转换芯片频率转换芯片LM331 输出脉冲uo的频率fo为： LttisoRCRuRTf09. 212.频率频率/电压转换电路电压转换电路 输出电压uo和输入频率fi的关系为： sittLoRfCRRu09. 24.4 滤波电路滤波电路 滤波电路（也称滤波器）就是一种选频装置，可使信号中特定的频率成分通过，而极大的衰减其他频率成分。 滤波电路的功能是：滤除测试系统中由于各种原

15、因引入的噪声和干扰；滤除信号调制过程中的载波等无用信号；用于分离各种不同的频率信号，提取感兴趣的频率成分；对系统的频率特性进行补偿。 滤波器的分类滤波器的分类 1.按处理信号的形式分按处理信号的形式分 分为模拟滤波器和数字滤波器两类 2.按采用的元件分按采用的元件分 分为无源滤波器和有源滤波器两类 3.按信号选通的频率范围分按信号选通的频率范围分 分低通、高通、带通和带阻滤波器 4.4 滤波电路滤波电路 低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器4.4.2 滤波器的基本参数滤波器的基本参数 1.增益增益A0 指通带内的幅频特性的幅值2.通带截止频率通带截止频率fp fp=p/2为通带与过渡带边界

16、点的频率，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限。3.阻带截止频率阻带截止频率fr fr=r/2为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗(增益的倒数)下降到一人为规定的下限。4.转折频率转折频率fc fc=c/2为信号增益下降了3dB时的频率，常作为截止频率。5.带宽带宽B 两截止频率之间的频率范围。即低通和高通滤波器B=fc，带通和带阻滤波器B= fc2 - fc1。6.品质因数品质因数Q 对于带通和带阻滤波器来说，Q=f0/B。越大，则滤波器的选择性越好。7.倍频程选择性倍频程选择性 指在fc2与2 fc2之间，或在fc1与fc1/2之间，幅频特性的衰减值，用dB表示。它反映了滤波器对通

17、频带以外的频率成分的衰减能力。 4.4.3 模拟滤波器模拟滤波器 1.无源滤波器无源滤波器(1)无源无源RC低通滤波器低通滤波器 1111)()()(sRCssUsUsHio1)2(1| )(|)(2ffHfAfarctgf2)(时间常数=RC。将s=j2f代入得 1.无源滤波器无源滤波器(2)无源无源RC高通滤波器高通滤波器 时间常数=RC。将s=j2f代入得 11)()()(ssRCsRCssUsUsHio1)2(2| )(|)(2fffHfAfarctgf290)(4.4.3 模拟滤波器模拟滤波器 4.4.3 模拟滤波器模拟滤波器 1.无源滤波器无源滤波器(3)无源无源RC带通滤波器带通

18、滤波器 111)()()(21121ssssHsHsH4.4.3 模拟滤波器模拟滤波器 2.有源滤波器有源滤波器(1)有源低通滤波器有源低通滤波器 1+1)+1 (= 1+1)+1 (=)()(=)(1212s RRRCsRRsUsUsHio1111)()()(11sRRRCsRRsUsUsHio二阶有源低通滤波器二阶有源低通滤波器 1+1+1=)1+1(1+1=)(2122211sKssCRRRsCRsHf可改写为 2222)(nnnssKsH2RRKf其中 22112111CRCRn)(2)(2221121CRCRnn二阶有源高通滤波器二阶有源高通滤波器 2222)(nnssKssH其中

19、)1 (34RRK22111CRCRn22112111222)1 (CRCRCRCRCRK二阶有源带通滤波器二阶有源带通滤波器 其中 频率特性为 222)(nnssKssH1211CRRRRKf2143242CCRRRRRn)111(21141231312CRRRCRCRCRfn222)()(nnjjKjjH幅频特性为 2222)()2()(nnKA将=n代入得通带增益为 nKA20得品质因数为： 4.4.4 滤波器的应用滤波器的应用 带通滤波器用于信号的频谱分析和信号中特定频率成分的提取；低通滤波器用于滤出信号中的高频干扰和噪声；高通滤波器用于声发射检测仪中剔除低频干扰噪声；带阻滤波器用作电

20、涡流测振仪中的陷波器 4.5 调制与解调调制与解调 调制就是用一个信号（称为调制信号）去控制另一个作为载体的信号（称为载波信号），让后者的某一特征参数按前者变化。从已经调制的信号中恢复出调制信号的过程称为解调 。以高频正弦信号作为载波信号时，可以对幅值、频率和相位这三个参数进行调制，分别称为幅值调制(AM)，即调幅；频率调制(FM)，即调频；相位调制(PM)，即调相 幅值调制与解调幅值调制与解调 1.幅值调制幅值调制 幅值调制（调幅）就是用被测低频缓变信号与高频信号相乘，使高频信号的幅值随被测信号的变化而变化，输出的已调制波的过程。常用的方法是线性调幅，将被测信号x(t)和载波信号y(t)=s

21、in0(t)通过乘法器后，输出xm(t)= x(t) y(t)= x(t) sin0(t)即为调幅波 1.幅值调制幅值调制 )(21)(212sinsin)(0000ffffjtftty)(*)(21)(*)(212sin)()(000fffXfffXjtftxtxm)(21)(21)(00ffXffXjtxm调幅的过程相等于频谱“搬移”的过程 2.幅值调制的解调幅值调制的解调 (1)包络检波法包络检波法 2.幅值调制的解调幅值调制的解调 (2)同步解调法同步解调法 )4cos1 (21)(2sin2sin)()()(000tftxtftftxtytxm)2(21)2(214cos000fff

22、ftf)2(41)2(41)(21)4cos1 (21)()()(000ffXffXfXtftxtytxm2.幅值调制的解调幅值调制的解调 (3)相敏检波法相敏检波法 当调制信号(被测信号) x(t)为正时，调幅波xm(t)和载波y(t)同相位，若同为正半周期时 )(2)()(2)()(21txtxtytxtyuuummmfff)(2)()(2)()(43txtytxtxtyuuummmfff同为负半周期时 2.幅值调制的解调幅值调制的解调 (3)相敏检波法相敏检波法 4.5.2 频率调制与解调频率调制与解调 1.频率调制频率调制 频率调制（调频）是用低频被测信号（调制信号）控制高频载波信号的

23、频率的过程，输出的是调频波。调频波的幅值恒定不变，而频率的变化量随调制信号的幅值成正比变化，调频波的表达式为 )(2sin)(00tkxfYtxf电路的谐振频率为 )(2110CCCLf被测量x(t)=0时，C=kxx(t)=0，谐振频率f0为 )(21100CCLfC0，谐振频率f为 100101011)1)(21CCCfCCCCCLf)(211102110CCCCCC)(+=)+(2)(= )+(2=)+(21 =010001000100tkxfCCtxkffCCCffCCCffx故 4.5.2 频率调制与解调频率调制与解调 2.频率调制的解调频率调制的解调调频波的解调是先将调频波变换成调频调幅波，然后再进行幅值检波，由鉴频器完成