放大滤波精选PPT.ppt

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1、关于放大滤波第1页，讲稿共61张，创作于星期二 智能仪器的数据采集系统简称智能仪器的数据采集系统简称DAS（Data Acquisition System），是指将温），是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行采集、度、压力、流量、位移等模拟量进行采集、量化转换成数字量后，以便由计算机进行量化转换成数字量后，以便由计算机进行存储、处理、显示或打印的装置。存储、处理、显示或打印的装置。第2页，讲稿共61张，创作于星期二第一节第一节 数据采集系统的组成结构数据采集系统的组成结构 传感器传感器模拟信号调理模拟信号调理数据采集电路数据采集电路微机系统微机系统图图3.1 数据采集系统的基本组成数据采集系

2、统的基本组成 第3页，讲稿共61张，创作于星期二 实际的数据采集系统往往需要同时测实际的数据采集系统往往需要同时测量多种物理量或同一种物理量的多个测量量多种物理量或同一种物理量的多个测量点。因此，多路模拟输人通道更具有普遍点。因此，多路模拟输人通道更具有普遍性。按照系统中数据采集电路是各路共用性。按照系统中数据采集电路是各路共用一个还是每路各用一个，多路模拟输人通一个还是每路各用一个，多路模拟输人通道可分为集中采集式和分散采集式两大类道可分为集中采集式和分散采集式两大类型。型。第4页，讲稿共61张，创作于星期二一、集中采集式一、集中采集式 图图3.2 集中式数据采集系统的典型结构集中式数据采集

3、系统的典型结构 第5页，讲稿共61张，创作于星期二二、分散采集式二、分散采集式(分布式分布式)(a)分布式单机数据采集结构分布式单机数据采集结构 第6页，讲稿共61张，创作于星期二通信接口通信接口上位机上位机数据数据采集站采集站1数据数据采集站采集站2数据数据采集站采集站3数据数据采集站采集站N模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号(b)网络式数据采集结构网络式数据采集结构图图3.3 分布式数据采集系统的典型结构分布式数据采集系统的典型结构第7页，讲稿共61张，创作于星期二第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 在一般测量系统中信号调理的任务较复在一般测量系统中信号调理的任务较复杂，除了实现物理

4、信号向电信号的转换、小信杂，除了实现物理信号向电信号的转换、小信号放大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化号放大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等，这处理、温度补偿、误差修正和量程切换等，这些操作统称为信号调理（些操作统称为信号调理（Signal Conditioning），相应的执行电路统称为信号），相应的执行电路统称为信号调理电路。调理电路。第8页，讲稿共61张，创作于星期二传感传感器器前置放前置放大大低通低通陷波陷波高通高通至采集至采集电路电路图图3.4 典型调理电路的组成框图典型调理电路的组成框图 第9页，讲稿共61张，创作于星期二一、传感器的选用一、

5、传感器的选用 传传感感器器是是信信号号输输人人通通道道的的第第一一道道环环节节，也也是是决决定定整整个个测测试试系系统统性性能能的的关关键键环环节节之之一一。要要正正确确选选用用传传感感器器，首首先先要要明明确确所所设设计计的的测测试试系系统统需需要要什什么么样样的的传传感感器器系系统统对对传传感感器器的的技技术术要要求求；其其次次是是要要了了解解现现有有传传感感器器厂厂家家有有哪哪些些可可供供选选择择的的传传感感器器，把把同同类类产产品品的的指指标标和和价价格格进进行行对对比比，从从中中挑挑选选合合乎要求的性能价格比最高的传感器。乎要求的性能价格比最高的传感器。第10页，讲稿共61张，创作于

6、星期二(一一)对传感器的主要技术要求对传感器的主要技术要求1.具具有有将将被被测测量量转转换换为为后后续续电电路路可可用用电电量量的的功功能能，转换范围与被测量实际变化范围相一致。转换范围与被测量实际变化范围相一致。2.转转换换精精度度符符合合整整个个测测试试系系统统根根据据总总精精度度要要求求而而分分配配给给传传感感器器的的精精度度指指标标，转转换换速速度度应应符符合合整整机机要求。要求。3.能能满满足足被被测测介介质质和和使使用用环环境境的的特特殊殊要要求求，如如耐耐高高温温、耐耐高高压压、防防腐腐、抗抗振振、防防爆爆、抗抗电电磁磁干干扰扰、体体积积小、质量轻和不耗电或耗电少等。小、质量轻

7、和不耗电或耗电少等。4.能满足用户对可靠性和可维护性的要求。能满足用户对可靠性和可维护性的要求。第11页，讲稿共61张，创作于星期二(二二)可供选用的传感器类型可供选用的传感器类型 对于一种被测量，常常有多种传感器可以测量，对于一种被测量，常常有多种传感器可以测量，例如测量温度的传感器就有：热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体PN结、IC温度传感器、光纤温度传感器等好多种。在都能满足测量范围、精度、在都能满足测量范围、精度、速度、使用条件等情况下，应侧重考虑成本低、速度、使用条件等情况下，应侧重考虑成本低、相配电路是否简单等因素进行取舍，尽可能相配电路是否简单等因素进行取舍，尽可能选择性能价格比高

8、的传感器。的传感器。第12页，讲稿共61张，创作于星期二1.大信号输出传感器:为了与A/D输入要求相适应，传感器厂家开始设计、制造一些专门与A/D相配套的大信号输出传感器。传感器传感器传感器小信号放大信号修正与变换滤波A/D微机微机I/V转换V/F光电耦合小电流小电压大电压大电流图图3.5 大信号输出传感器的使用大信号输出传感器的使用 第13页，讲稿共61张，创作于星期二2.数字式传感器：数字式传感器一般是采用数字式传感器：数字式传感器一般是采用频率敏感效应器件构成，也可以是由敏感参频率敏感效应器件构成，也可以是由敏感参数数R、L、C构成的振荡器，或模拟电压输入构成的振荡器，或模拟电压输入经经

9、 V/F转换等转换等.数字量传感器一般都是输出频率参量，具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。第14页，讲稿共61张，创作于星期二传感器放大整形光电隔离计算机传感器整形光电隔离计算机频率量输出开关量输出图图3.6 频率量及开关量输出传感器的使用频率量及开关量输出传感器的使用 第15页，讲稿共61张，创作于星期二3.集成传感器：集成传感器是将传感器与信集成传感器：集成传感器是将传感器与信号调理电路做成一体。号调理电路做成一体。例如，将应变片、应变电桥、线性化处理、电桥放大等做成一体，构成集成压力传感器。采用集成传感器可以减轻输人通道的信号采用集成传感器可以减轻输人通道的信号调理任务

10、，简化通道结构。调理任务，简化通道结构。第16页，讲稿共61张，创作于星期二4.光纤传感器：这种传感器其信号拾取、变光纤传感器：这种传感器其信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实现的，换、传输都是通过光导纤维实现的，避免了电路系统的电磁干扰。在信号输入通道中采用光纤传感器可以从根在信号输入通道中采用光纤传感器可以从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰。本上解决由现场通过传感器引入的干扰。第17页，讲稿共61张，创作于星期二二、运用二、运用前置放大器的依据的依据 多多数数传传感感器器输输出出信信号号都都比比较较小小，必必须须选选用用前置放大器进行放大。前置放大器进行放大。l判判断断传传感感器器信

11、信号号“大大”还还是是“小小”和和要要不不要要进进行放大的依据又是什么？行放大的依据又是什么？l放放大大器器为为什什么么要要“前前置置”,即即设设置置在在调调理理电路的最前端？电路的最前端？l前置放大器的放大倍数应该多大？前置放大器的放大倍数应该多大？第18页，讲稿共61张，创作于星期二VIN前置放大器前置放大器K0后级电路后级电路KVISVIN0VOSVON图图3.7 前置放大器的作用前置放大器的作用 第19页，讲稿共61张，创作于星期二图图3.8 两种调理电路的对比两种调理电路的对比 第20页，讲稿共61张，创作于星期二 由于由于 K1,所以，所以，这就是说，这就是说，调理电路中放大器设置

12、在滤波器前面有利于调理电路中放大器设置在滤波器前面有利于减少电路的等效输入噪声。减少电路的等效输入噪声。第21页，讲稿共61张，创作于星期二三、信号调理通道中的常用放大器三、信号调理通道中的常用放大器 在智能仪器的信号调理通道中，针对在智能仪器的信号调理通道中，针对被放大信号的特点，并结合数据采集电路被放大信号的特点，并结合数据采集电路的现场要求，目前使用较多的放大器有的现场要求，目前使用较多的放大器有仪仪用放大器用放大器、程控增益放大器程控增益放大器以及以及隔离放大隔离放大器器等。等。第22页，讲稿共61张，创作于星期二(一一)仪用放大器仪用放大器 图图3.9 仪用放大器的基本结构仪用放大器

13、的基本结构 第23页，讲稿共61张，创作于星期二仪仪用用放放大大器器上上下下对对称称，即即图图中中R1=R2，R4R6，R5R7。则放大器闭环增益为：。则放大器闭环增益为：假假设设R4=R5，即即第第二二级级运运算算放放大大器器增增益益为为1，则可以推出仪用放大器闭环增益为：则可以推出仪用放大器闭环增益为：由上式可知，通过调节电阻由上式可知，通过调节电阻RG，可以很方便，可以很方便地改变仪用放大器的闭环增益。当采用集成仪地改变仪用放大器的闭环增益。当采用集成仪用放大器时，用放大器时，RG一般为外接电阻。一般为外接电阻。第24页，讲稿共61张，创作于星期二 在实际的设计过程中，可根据模拟在实际的

14、设计过程中，可根据模拟信号调理通道的设计要求，并结合仪用信号调理通道的设计要求，并结合仪用放大器的以下主要性能指标确定具体的放大器的以下主要性能指标确定具体的放大电路。放大电路。第25页，讲稿共61张，创作于星期二1.非线性度非线性度 它是指放大器实际输出输入关系曲线与它是指放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。理想直线的偏差。2.温漂温漂 温漂是指仪用放大器输出电压随温度温漂是指仪用放大器输出电压随温度变化而变化的程度。变化而变化的程度。第26页，讲稿共61张，创作于星期二3.建立时间建立时间 建建立立时时间间是是指指从从阶阶跃跃信信号号驱驱动动瞬瞬间间至至仪仪用用放放大大器器输输出出

15、电电压压达达到到并并保保持持在在给给定定误误差差范范围围内内所所需需的时间。的时间。4.恢复时间恢复时间 恢恢复复时时间间是是指指放放大大器器撤撤除除驱驱动动信信号号瞬瞬间间至至放放大大器由饱和状态恢复到最终值所需的时间。器由饱和状态恢复到最终值所需的时间。放大器的建立时间和恢复时间直接影响数据采集系统的采样速率。第27页，讲稿共61张，创作于星期二5.电源引起的失调电源引起的失调电源引起的失调是指电源电压每变化电源引起的失调是指电源电压每变化1%，引起放大器的，引起放大器的漂移电压值。仪用放大器一般用作数据采集系统的前置放大漂移电压值。仪用放大器一般用作数据采集系统的前置放大器，对于共电源系

16、统，该指标则是设计系统稳压电源的主要器，对于共电源系统，该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一。依据之一。6.共模抑制比共模抑制比当当放放大大器器两两个个输输入入端端具具有有等等量量电电压压变变化化值值UI时时，在在放放大大器器输输出出端端测测量量出出电电压压变变化化值值UCM，则则共共模模抑抑制制比比CMRR可用下式计算：可用下式计算：第28页，讲稿共61张，创作于星期二(1(1）INA114INA114简介简介INA114/115INA114/115是一个低成本的仪用放大器，它不需是一个低成本的仪用放大器，它不需要外接失调调整电路就可获得很高的精度。用户在要外接失调调整电路就可获得很高的

17、精度。用户在般般使用时，只需外接一只普通电阻就可得到任意增益，使用时，只需外接一只普通电阻就可得到任意增益，其增益范围为其增益范围为1 11000010000可变，正、负输入端具有内可变，正、负输入端具有内部过压保护电路，其保护范围可达部过压保护电路，其保护范围可达40V40V，具有很高的共，具有很高的共模抑制比和很低的失调电压及漂移电压。它可在模抑制比和很低的失调电压及漂移电压。它可在2.25V2.25V的电源下工作，适合电池供电及单一的电源下工作，适合电池供电及单一5V5V供电系统供电系统使用。使用。第29页，讲稿共61张，创作于星期二INA114/115INA114/115可广泛应用于桥

18、式放大器、热电偶测可广泛应用于桥式放大器、热电偶测量放大器、医用放大器及数据采集放大器等，其主量放大器、医用放大器及数据采集放大器等，其主要性能参数如下：要性能参数如下：失调电压：失调电压：50V50V；温度漂移：；温度漂移：0.25V/0.25V/；输入偏置电流：输入偏置电流：2nA2nA（最大值）；（最大值）；输入失调电流：输入失调电流：2nA115dB115dB（A=1000A=1000）；）；长期稳定性：每月长期稳定性：每月0.2V0.2V左右；左右；输入共模电压：输入共模电压：13.5V13.5V左右；左右；输入过载保护：输入过载保护：40V40V；电源电压范围：电源电压范围：2.2

19、52.25 18V18V；静态电流：静态电流：3mA1，在 处的电压增益将大于 ，幅频特性在 处将抬高。当 3时，Q=，有源滤波器自激。由于将 接到输出端，等于在高频端给LPF加了一点正反馈，所以在高频端的放大倍数有所抬高，甚至可能引起自激。第56页，讲稿共61张，创作于星期二解：根据f 0 ，选取C再求R。1.C的容量不易超过 。因大容量的电容器体积大，价格高，应尽量避免使用。取计算出 ，取例1:要求二阶压控型LPF的 Q值为0.7，试求电路中的电阻、电容值。第57页，讲稿共61张，创作于星期二2根据值求 和 ，因为 时 ，根据 与 、的关系，集成运放两输 入端外接电阻的对称条件：解得：第5

20、8页，讲稿共61张，创作于星期二2.2.反相输入低通滤波器反相输入低通滤波器积分运算电路的电压放大倍数为积分运算电路的电压放大倍数为加加R2后后 需有电阻构成的负反需有电阻构成的负反馈网络来确定通带放大馈网络来确定通带放大倍数。倍数。12lg20RR-第59页，讲稿共61张，创作于星期二OOO三、高通、带通、带阻有源滤波器 与与LPF有对偶性，将有对偶性，将LPF的电阻和电容互换，就可得一阶的电阻和电容互换，就可得一阶HPF、简单二阶简单二阶HPF、压控电压源二阶压控电压源二阶HPF电路。电路。2.带通滤波器（BPF）3.带阻滤波器（BEF）fHfLfHfL1.高通滤波器（HPF）第60页，讲稿共61张，创作于星期二感感谢谢大大家家观观看看第61页，讲稿共61张，创作于星期二