第5章信号调理及显示.ppt
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1、第5章 信号调理及显示2022-5-30第5章 信号调理及显示 学习要点学习要点 典型模拟滤波器的原理及特性参数; 放大器的原理及特点; 调制解调的原理及过程 模拟及数字显示的原理第5章 信号调理及显示2022-5-305.1 滤波器 由于测量环境中的各种电子干扰及测量系统本身的影响,通常测量信号中会带有多种频率成份的噪声。有时正常的输入信号会被噪声淹没,在这种情况下,需要抑制不需要的噪声,提高系统的信噪比。滤波器作为一种选频电路,可让有用的频率信号通过,无用的频率成份极大地衰减。 对于一个滤波器,能通过它的频率范围称之为该滤波器的频率通带,被它抑制或极大地衰减的频率范围称之为频率阻带,通带与
2、阻带的交界点称之为截止频率。第5章 信号调理及显示2022-5-30 滤波器可按不同的方法分类。如按通频带来分,滤波器可分为低通、高通、带通、带阻和全通滤波器;按处理信号的性质来分,可分为模拟滤波器和数字滤波器两大类;按滤波器电路中是否含有有源器件,滤波器可分为有源滤波器和无源滤波器;若按滤波器以何种方法逼近理想滤波器来分,则有巴特沃斯滤波器、切贝雪夫滤波器和贝塞尔滤波器;还可按电路特性分为一阶滤波器、二阶滤波器。第5章 信号调理及显示2022-5-30图5-1为低通、高通、带通、带阻滤波器种滤波器的幅频特性:0f(a)f210f(b)f11f20f(c)f11f20f(d)f11 图5-1
3、滤波器的幅频特性A2(f)A1(f)A3(f)A4(f)(a)低通 (b)高通 (c)带通 (d)带阻第5章 信号调理及显示2022-5-30滤波器的基本参数 对于实际滤波器,由于它的特性,如图5-2所示没有明显的转折点,通带中幅频特性也并非常数,因此,需要用更多的参数来描述实际滤波器的性能,主要参数有纹波幅度、截止频率、带宽、品质因素以及倍频程选择性等。 d dpA(f) A0 实际 理想0 fc1 fc2 f图5-2 理想带通与实际带通 滤波器的幅频特性第5章 信号调理及显示2022-5-30第5章 信号调理及显示2022-5-30第5章 信号调理及显示2022-5-30 一阶无源滤波器(
4、1)一阶RC低通滤波器R ui C uo A(f) 1 (f)f0 f0 图5-3 一阶低通滤波器的电路 与频率特性(a)一阶低通滤波器;(b)频率特性。(a) 0 f 0 f -45 -90 (b) 21第5章 信号调理及显示2022-5-30其频响函数为 为时间常数幅频特性、相频特性为 RCuuj1ioj11j11)j (RCH2)2(11)(ffAff2arctg)(RC第5章 信号调理及显示2022-5-30第5章 信号调理及显示2022-5-30(2)一阶RC高通滤波器 图5-4 一阶高通滤波器的电路 与频率特性 f0 f0 f0 fC R ui uo A(f ) 1 0 (f) (
5、a)(b)9045(a)一阶高通滤波器;(b)频率特性。第5章 信号调理及显示2022-5-30其频响函数为 幅频特性、相频特性为 j1jj1j)j (RCRCH2)2(12)(fffAff21arctg)(第5章 信号调理及显示2022-5-30第5章 信号调理及显示2022-5-30(3)RC带通滤波器第5章 信号调理及显示2022-5-30 无源滤波器电路简单,具有非常低的噪声,不需要电源,具有宽广的动态范围。但一阶滤波器的幅频特性从通带到阻带过渡很缓慢。一阶低通滤波器的幅频特性在截止频率外的斜率为-6dB/oct(频率增加一倍,衰减6分贝)。频率选择性不佳,当信号中的有用部分和无用部分
6、的频率相差不是太大时,无法在保留有用信号的情况下,滤除无用信号,要提高滤波器的选择性,就要选择高阶滤波器,但无源滤波器受级间耦合的影响,高阶无源滤波网络计算复杂,而且信号的幅值也将逐渐减弱,所以高阶滤波器采用有源滤波器。第5章 信号调理及显示2022-5-30有源滤波器 (1)一阶RC有源滤波器-+-(b)RFCR1RFRCR1uiuouiuo图5-5 一阶有源滤波器(a)AA第5章 信号调理及显示2022-5-30(2)二阶有源滤波器 由于高阶滤波器可由低阶滤波器串联得到,所以二阶有源滤波器是应用最广泛的有源滤波器,二阶滤波器中最常见的两种形式为有限电压放大型和多路负反馈型。 有限电压放大型
7、(a)(b)Y2uoY1Y4Y3Y5R1RFuiuoui+-+AAuo 图5-6 有限电压放大型二阶有源滤波器 (a)一般形式;(b)低通滤波器;(c)高通滤波器;(d)带通滤波器。uiuiuo+-+(c)(d)AA)1 ()()j (f23144321541fioAYYYYYYYYYYYAUUH第5章 信号调理及显示2022-5-30多路负反馈型-+-+Y1Y4Y5Y3Y2uiuiuiuiuouououo(a)(b)(c)(d)图5-7 多路负反馈型二阶有源滤波器(a)一般形式;(b)低通滤波器;(c)高通滤波器;(d)带通滤波器。AAAA)()j (432154331ioYYYYYYYYY
8、UUH第5章 信号调理及显示2022-5-30 二阶有源滤波器频率特性函数的普遍形式为式中,为阻尼系数,0为固有角频率2022120)j (2)j ()j ()j ()j (bbbH20lgH()=0.05=0.1=0.2=0.3=0.6=0.801020-10图5-8 二阶低通滤波器的幅频特性dB-20-30=1.0=0.500.20.40.60.812/046810第5章 信号调理及显示2022-5-30开关电容滤波器 1. 开关电容滤波器原理 开关电容滤波器是一种新型的大规模集成器件。其基本原理是采用开关和电容来取代传统RC有源滤波器中电阻,而等效电阻的阻值由开关频率来决定。 当开关打向
9、“1”时,电容上的电荷Q1=CU1,当开关打向“2”时,电容上的电荷变为Q2=CU2,开关重复动作,每一次通过电容C由“1”向“2”传递的电荷量为Q=Q1-Q2=C(U1- U2)。第5章 信号调理及显示2022-5-30 如果开关的动作周期为T,动作频率f=1/T,则由“1”到“2”的等效平均电流 在“1”和“2”之间的等效电阻为 在集成电路中开关是用MOS场效应管来实现的,在图5-10所示的电路中,只要给两个MOS场效应管加以同频反相的驱动信号就可以得到图5-9中的开关效果 UUfCTUUCTQI121()(fCIUUR121-+-+ 图5-10 有源低通滤波器及等效的开关电容滤波器(a)
10、有源低通滤波器;(b)开关电容滤波器。AA ui R2 C2 (a) (b) C1 C2 uo uo ui 第5章 信号调理及显示2022-5-302. 开关电容滤波器集成器件 20世纪70年代后期集成电路开关电容滤波器产品得到了迅速开发,到20世纪80年代初已形成系列。这些产品主要针对迅猛发展的通讯而研制,在动态测试领域也得到广泛的应用。目前常用的集成开关电容滤波器有LMF40、MF10、MAX29X等,这里仅介绍LMF40。LMF40是四阶巴特沃斯型低通滤波器,有LMF40-50和LMF40-100两种芯片,其中LMF40-50的时钟频率对截止频率的比率为50 :1;LMF40-100的时
11、钟频率对截止频率的比率为100 :1。 LMF40的功能如图5-11所示,当使用外部时钟时,LMF40工作电路如图5-12所示,图5-12(a)为双电源工作电路,图5-12(b)为单电源工作电路。第5章 信号调理及显示2022-5-30 U-FILTER OUT四阶巴特沃斯低通滤波器不重叠的时钟发生器三态缓冲电平位移U+61LMF40 +-78AGNDCLKIN5432LSHCLKR图5-11 LMF40的功能图FILTER IN图5-12 LMF40应用电路(a)双电源工作电路;(b)单电源工作电路。(b)+5V0V 1 8 1 8 2 7 2 7 3 6 3 6 4 5 4 5C30.1+
12、5VR1+10VLMF40LMF40C10.1(a)CLKINCLK RLSHFILTERINU+FILTEROUTU-AGNDCLKINCLK RLSHFILTERINAGNDFILTEROUTU-+10V0VC20.1uiuouiuoR210k10kC1U+C20.1-5V第5章 信号调理及显示2022-5-305.2 信号放大电路 放大器是传感器后处理电路的第一个环节,它应具有高增益、高输入阻抗、低输出阻抗、高稳定度、宽通带、低零漂和低噪声等性能,这样便于信号的匹配和传输。 运算放大器 运算放大器是一种采用直接耦合的高增益、高输入阻抗、低漂移的差动放大器,其输入信号的频率范围可以从直流到
13、几百千赫兹。运算放大器的开环电压增益及输入阻抗很高,在实际应用运算放大器时,常用图5-13所示的理想运算放大器模型来表示。图5-13 运算放大器的电路符号及简单的等效电路u-u+uo uo= A0(u-u+) A0(u-u+)u+ u-uo+ZiZoA0-第5章 信号调理及显示2022-5-30+ ui uoA0R1R2图5-14反相比例放大器 RF-第5章 信号调理及显示2022-5-30R1A0uoui+-RF图5-15 同相比例放大器 图5-16电压跟随器-+A0uoui第5章 信号调理及显示2022-5-30 ui1RF图5-18 差动放大器R3R2R1+-ui2uoA0第5章 信号调
14、理及显示2022-5-30CF+-图5-20 交流放大器A0RFC1uiR1Ruo 0 f2f(Hz)图5-21 交流放大器的频响特性UoUiRFR121 RFR1f1第5章 信号调理及显示2022-5-30实际运算放大器存在的问题 1.Uos和对放大器输出电压的影响2. CMRR对放大器输出电压的影响3. 交流性能 +图5-22 Uos对运放的影响UoU-U+A0Uos-U+U-图5-23 CMRR对运放的影响+-UCMCMRRUoA0 100dB=10580dB=10460dB=10340dB=10220dB=1010dB=100100开环增益A0闭环增益 -20dB/decf/Hz图5-
15、24 运算放大器典型的增益频率特性101102103104105106增益 第5章 信号调理及显示2022-5-30测量放大器 测量放大器除了对低电平信号进行线性放大外,还担负着阻抗匹配和抗共模干扰的任务,对它的基本要求是:高共模抑制比;高速度;宽频带;高精度;高稳定性;高输入阻抗;低输出阻抗;低噪声。1. 测量放大器的组成 典型测量放大器的组成如图所示。放大器由三级串联,前级是个同相放大器,为对称结构,输入信号加在A1、A2的同相输入端。从而具有高共模抑制比和高输入阻抗。后级是差动放大器,它不仅切断共模干扰的传输,还将双端输入方式变换成单端输出方式,适应对地负载的需要。 图5.25所示测量放
16、大器的放大倍数可用下面公式计算:第5章 信号调理及显示2022-5-30 式中,RG为用于调节放大倍数的外接电阻,常采用多圈电位计,并应靠近器件,若距离较远,应将联线绞合在一起,改变RG可使放大倍数在很宽广的范围内改变。2. 测量放大器集成器件)21 (G12312oRRRRUUUG图5-25 典型的仪器放大器I1+-+-R1R1R2R2R3R3A3A1A2U1U2UoRGI2IG第5章 信号调理及显示2022-5-30程控放大器 由于被测量有时是在较大范围内变化,如果检测系统的增益是固定的,则会出现信号大时超量程与信号小时测量精度低的矛盾。为了确保测量系统在信号大和信号小时都有较高性能,要求
17、系统增益能够根据信号的检测情况做自适应调节。而这一功能一般由程控放大器来实现。 1. 用同相比例放大器实现的程控放大器 图5-28所示电路为同相比例放大器,其增益通过调整同相比例放大器反馈电阻R1、R2的比值,可实现增益的控制。 211RRG211RRG图5-28 同相比例放大器-+uouiA0R2R1第5章 信号调理及显示2022-5-30基于这一原理的典型器件有AD公司的AD526 AD526 10ui3控制逻辑多路开关985 61 7-US -UEE1k 1k 14k 1 . 7 k 1 . 7 k 3.4k uo+图 5-29 AD526的内部结构+USUcc-15 A0 16 A1
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