第五章 信号调理电路.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,第五章 信号调理,5.1,概述,5.2,电平调整,5.3,线性化,5.4,信号变换,5.5,滤波与阻抗匹配,5.6,模拟数字转换电路,1,5.1,概述,5.1.1,检测系统的构成,力,位移,速度,加速度,压力,流量,温度,电阻式,电容式,电感式,压电式,热电式,光电式,磁电式,电桥,放大器,滤波器,调制器,解调器,运算器,阻抗变换器,笔式记录仪,光线示波器,磁带记录仪,电子示波器,半导体存储器,显示器,磁卡,数据处理器,频谱分析仪,FFT,实时信号分析仪,电子计算机,被测对象,传感器,中间变换,测量装置,显示及,记录装置,实验结果,处理装置,激发装置,2,5.1,概述,5.1.2,信号调理的基本概念,信号调理,：对传感器输出信号进行操作，将其转换成满足后续传输与处理系统要求的信号,信号调理与检测电路关系,：界限不很清楚，有时二者合二为一。如有些教材将电阻抗,-,电压转换电路（电阻、电感、电容等检测电路）归为信号调理电路。,3,5.1,概述,5.1.3,信号调理的类型,电平调整（放大或衰减）,线性化（非线性信号调正成线性信号）,信号形式变换（如电压电流变换）,滤波与阻抗匹配（滤波电路、传感器内部阻抗或电缆阻抗引起重大误差的处理）,4,5.2,电平调整,5.2.1,为何进行电平调整,检测系统中虽然可以采用输出标准信号的变送器，但在具体设计中也常用传感器加电平调整的方案。原因有三：,变送器虽然方便但成本较高，缺乏调节环节；,在检测系统设计与调试过程中，为了得到理想的传函常常调整传感器,/,放大器的传函；,变送器量程也是标准的，不能全满足工程要求。,5,5.2,电平调整,5.2.2,无源电平调整,该电路可以实现信号的衰减,R,1,V,i,V,o,R,2,无源电平调整电路,6,5.2,电平调整,注意,：,两个电阻的稳定性直接影响电平调整效果,作为传感器电路的负载希望电阻大些，作为后续电路的输入希望电阻小些，折中考虑,大阻值（如,M,）,的电阻精度与噪声均较差,常用于精度要求较低的场合，否则用有源调整电路,7,5.2,电平调整,5.2.3,有源电平调整,有源电平调整电路普遍采用运算放大器，如反相放大电路、同相放大电路等。,V,i,V,o,R,2,反相放大电路,+,-,+,R,i,R,f,R,p,8,5.2,电平调整,有源电平调整的特点,可以实现放大或衰减，调整方便；,满足了阻抗匹配要求；,放大电路的带宽有限，一般厂家给增益带宽积，如,30,MHz，,若,G=1000，,则带宽小于,30,KHz；,放大器本身的噪声影响；,放大器参数影响：输入失调电流、输入失调电压,9,5.2,电平调整,5.2.4,有源电平调整实例,某差动压力传感器的输出为,33,mV58mV，,数据采集卡输入范围为,0.5,V4.5V，,因此中间需要电平调整电路。,调整电路应具有如下特性：,33,mV58mV,调整成,0.5,V4V（,留0.5,V,余量）,10,5.2,电平调整,V,i1,V,o,双运放电压调整电路,R,2,+,-,+,R,1,R,2,R,2,+,-,+,V,ref,R,3,R,4,V,i2,11,5.2,电平调整,双运放电压调整电路的输出为,选取电阻值，使,，则电路具有较高,CMRR，,双运放电压调整电路的输出简化为：,12,5.2,电平调整,双运放电压调整电路的增益为,改变增益且保证,CMRR,不变，须同时调整两个电阻值。,能否只调整一个电阻值就达到目的？,13,5.2,电平调整,V,i1,V,o,增益可调的双运放电压调整电路,R,2,+,-,+,R,1,R,2,R,2,+,-,+,V,ref,R,3,R,4,V,i2,R,G,14,5.2,电平调整,电路的输出为,选取电阻值，使,输出简化为：,15,5.2,电平调整,V,i1,V,o,具有正负零位电压调整的三运放电压调整电路,R,1,=R,4,，R,2,=R,3,，R,5,=R,6,R,2,+,-,+,R,1,R,2,R,2,+,-,+,V,ref,R,3,R,4,V,i2,R,G,R,2,+,-,+,V,shift,R,5,R,6,16,5.2,电平调整,电路的输出为,17,5.3,线性化,5.3.1,为何进行线性化,检测系统中希望输入输出特性是,线性化,的。,实际传感器大多数是,非线性化,的。,减少计算量，提高运算速度；,满足线性刻度；,使用方便。,18,5.3,线性化,5.3.2,线性化的方法,数字式线性化：,单片机、嵌入式系统、专用芯片；,灵活，适用性强，速度有限，难,以满足动态检测场合。,模拟式线性化：,在信号调理电路中加入模拟非线,性环节。,按使用元件分：,无源线性化,、,有源线性化,19,5.3,线性化,硬件线性化的特点,实时性强、简便、经济、可靠，应用广泛。,5.3.3,无源线性化电路,用简单的无源器件,（如电阻）与敏感器件并联或串联，只要电阻值选择合适，就可以将非线性校正到满意的程度。,如湿敏电阻的线性化,20,5.3,线性化,电阻,R,Ha,R,Hb,R,Hc,a,b,c,相对湿度,RH%,H,a,H,b,H,c,R,H,R,R,h,湿敏电阻的线性化,21,5.3,线性化,并联后的总电阻为,使,a，b，c,三点一线应满足,即满足,22,5.3,线性化,解得：,电阻,R,Ha,R,Hb,R,Hc,a,b,c,相对湿度,RH%,H,a,H,b,H,c,湿敏电阻修正后的特性曲线,23,5.3,线性化,也可以直接对输出电压,进行线性化：,V,i,R,H,R,V,o,串联电阻线性化电路,这种方法所需元件少、成本低，非常简便。但校正范围窄，校正准确度不高，主要用于被测量变化不大的场合。否则，要采用较复杂的无源电路。,24,5.3,线性化,用较复杂的无源电路,仍以湿敏电阻为例，下图是不同敏感区的敏感元件进行组合来进行线性化的电路,R,1,R,2,R,H2,R,H1,R,H,25,5.3,线性化,电阻,湿敏电阻的线性化效果,相对湿度,RH%,H,a,H,b,H,c,H,d,电阻,a,b,c,相对湿度,RH%,H,a,H,b,H,c,H,d,26,5.3,线性化,用传感器特性曲线上线性较好的一段改善线性,4000,3000,2000,振弦式传感器的特性曲线,振弦式传感器的特性曲线中，频率的平方与张力的成正比，通过施加预紧力，调整到中间一段测量，非线性显著减小。,27,5.3,线性化,5.3.4,有源线性化电路,无源线性化的缺点是降低了灵敏度。,有源线性化,：运用运放、场效应管或晶体管等有,源器件实现线性化。,因运放有很高的增益、极高的输入阻抗、灵活多变的接法，可获得各种各样函数变换。原则上，任何敏感器件的变换特性都可以校正为足够好的直线特性。电路复杂、调整不便、成本较高。,28,5.3,线性化,几种有源线性化电路,非线性反馈电路,多放大器反馈电路,电桥传感器非线性校正电路,分段式电路,29,5.3,线性化,非线性反馈电路,原理,：利用非线性反馈，使反馈之路的非线性和有源敏感器件的变换特性的非线性相互抵消，从而实现线性化。也可以用运算放大器构成的函数运算器进行线性化。,例,：硅光电池的输出电压为：,30,5.3,线性化,利用运放构成对数电路，使输出电压为：,31,5.3,线性化,运放构成的对数电路原理图如,V,o,R,2,+,-,+,R,D,V,I,R,i,D,i,R,32,5.3,线性化,PN,结的伏安特性为：,常温（,25,度）时，可以近似为,33,5.3,线性化,运放构成的对数电路的输出为：,34,5.3,线性化,多放大器反馈电路,通过多级运算放大器，将信号调理电路的输出信号反馈到相关放大器的输入端，从而构造一个与传感器特性相近的函数运算器，以实现较理想的线性校正。,例如：热电阻的特性表达式一般是二次多项式，温度变化较大时，非线性严重，下图为实用铂电阻,TRRA102B,的非线性校正电路，采用正反馈，非线性由,2%,变为,0.1%。,35,5.3,线性化,+,-,+,1K,V,o,+,-,+,10K,+,-,+,9.5K,1K,22K,3K,1K,24K,10K,10K,W,2,W,1,W,3,R,T,1,F,36,5.3,线性化,电桥传感器非线性校正电路,原理,：对电桥传感器电路，利用电桥输出对电源电压敏感的特性，将电路信号反馈到电桥的供桥电源端，是电源电压随输出信号变化而变化，从而使输入输出成线性关系。,电路,：如下图,37,5.3,线性化,电桥传感器非线性校正电路,+,-,+,1K,V,o,+,+,-,10K,4.3K,R,R,R,(1+,X,）R,-15V,W,V,o,D,Z,V,ref,10K,10K,V,c,=,V,ref,+,V,o,LM324,AD521,38,5.3,线性化,设电桥四臂电阻为,R，,传感器阻值为,R,x,=（1+x）R，,桥路电压为,V，,则桥路输出为：,前置放大器,AD521,输出的一部分与稳压管的基准电压一起，经运放后反馈到电桥的电源端，使电桥的电源随,V,o,变化。若使,AD521,的增益,A,V,与,乘积为,2,，则有,39,5.3,线性化,分段式电路,原理,：对传感器的特性曲线呈缓慢、单调变化的情况，将其特性曲线划分成若干段，每段用一段直线近似代替。段间切换有开关二极管控制。,参见下图,40,5.3,线性化,输出经折线逼近可以得到：,41,5.3,线性化,电路,R,2,+,-,+,R,u,R,0,R,1,R,2,R,3,R,4,D,1,D,2,D,3,D,4,r,1,r,2,r,3,r,4,U,c,U,o,U,i,R,r,42,5.3,线性化,电路原理,：四个二极管串联四个不同的电阻，即可实现分段逼近线性化。,如：,D,1,串联反向电压,U,c1,=R,1,U,c,/(r,1,+R,1,)，,D,2,串联反向电压,U,c2,=R,2,U,c,/(r,2,+R,2,)，,D,3,串联反向电压,U,c3,=R,3,U,c,/(r,3,+R,3,)，,D,4,串联反向电压,U,c4,=R,4,U,c,/(r,4,+R,4,),当输入信号,U,i,很小时，,R,u,=R,0,，,随着,U,i,的增大，四个二极管依次导通，实现分段拟合。,43,信号制式,：被测量电压,420,mA。,5.4,信号变换,5.4.1,电压电流转换,为了减少长线传输过程中线路电阻和负载电阻的影响，可以将直流电压变换成直流电流后进行传输。,电压,-,电流变换器,：输出负载中的电流正比于输入电压的电路。,44,5.4,信号变换,几种电压电流转换电路,浮地电压,-,电流变电路,：,R,2,+,-,+,u,i,R,1,R,L,R,2,I,L,R,2,+,-,+,u,i,R,1,R,L,R,2,I,L,I,1,45,5.4,信号变换,具有放大作用的浮地电压,-,电流变电路,：,R,2,+,-,+,u,i,R,1,R,L,R,2,I,L,R,3,R,4,R,2,+,-,+,u,i,R,1,R,L,R,3,I,L,I,R,2,R,4,46,5.4,信号变换,接地负载电压,-,电流变电路,：,R,2,+,-,+,u,i,R,1,R,L,R,3,I,L,R,2,R,5,R,4,R,2,+,-,+,u,i,R,1,R,2,R,3,I,L,+,-,+,R,5,R,L,R,4,47,5.4,信号变换,差动电压,-,电流变电路,：,R,2,+,-,+,u,i2,R,1,R,L,R,2,I,L,u,i1,R,2,+,-,+,u,i1,R,1,R,L,R,2,I,L,R,3,R,4,u,i2,R,5,48,5.4,信号变换,5.4.2,电流电压转换,电流,-,电压变换,：输入电流转换成输出电压，因为传递系数为电阻，也称为转移电阻放大器。,如,光电检测,：光敏二极管将光信号转换成电流，传感器的检测电路需要将其转换成电压。,R,2,+,-,+,R,f,R,P,u,O,c,光,I,49,5.4,信号变换,注意：,电流传感器输出的电流一般较小，特别是微弱信号的检测，必须分析运放失调电流和失调电压所带来的误差放大器。,通常选用失调电流小、失调电压小、噪声低的运放。,50,5.4,信号变换,电流经过长距离导线传输的电流电压转换：,输入,010,mA,输出,500,0.01,F,1K,+,-,+,u,O,100,I,i,输入阻抗较小，信号源内阻不能太大，电压输出,10,V，,可以进行大电流转换，但注意电阻的发热问题,。,51,5.4,信号变换,小电流、高输入阻抗电流,-,电压转换电路：,+,-,+,u,O,10K,I,i,输入阻抗大，可以进行小电流转换，电阻一般在,1001,M,之间，过小则分布电阻影响大，过大则噪声大，精确度变差,。,52,5.4,信号变换,纳安小电流电流,-,电压转换电路：,如输入电流：,10,nA，,第一级输出,10,mV，,第二级增益为,100,，输出为,1,V，,避免了采用大电阻。,+,-,+,u,O,10K,I,i,+,-,+,99K,1K,53,电压频率转换,：模拟输入电压转换成与之成正比的振荡频率。,特点,：具有良好的精确度、线性、积分输入等，电路简单、外围元件性能要求不高、环境适应能力强、转换速度不低于一般的双积分型,AD,器件，抗干扰，节省系统接口资源，可长距离传输，成本低，,可逆,。,常用器件,：,TC9401，AD650,5.4,信号变换,5.4.3,电压频率转换,54,5.4,信号变换,组成,：积分放大器、电压比较器、单稳触发器、模拟开关、,1,mA,电流源、输出级。,AD650,电压频率转换原理,55,5.4,信号变换,工作过程：,单稳态触发器输出为低电平时，模拟开关控制全部电流流向放大器的输出端，称为,积分阶段,。,单稳态触发器被触发输出为高电平时，模拟开关控制全部电流流向放大器的求和输入端，称为,复位阶段,56,5.5,滤波与阻抗匹配,5.5.1,滤波器的基本概念,滤波器的类型：,低通、高通、带通、带阻、全通,57,5.5,滤波与阻抗匹配,58,5.5,滤波与阻抗匹配,频带宽度,BW,：,允许信号通过的频率段。,品质因数,Q,：,谐振频率与带宽之比。,阻尼系数,：,品质因数倒数的一半，,=0.5Q,-1,滤波器的主要参数：,通带增益,A,0,:,输出电压与输入电压之比。,截至频率,f,p,：,没有谐振峰时，增益下降到 时的频率；有谐振峰时，幅频特性从峰值回到起始值时的频率。谐振频率是滤波器自身的固有频率。,59,无源滤波器,：利用,R、L、C,器件组成的滤波器。,特点,：,设计简单，频率特性计算容易,滤波器的特性对元器件的误差非常敏感,截至频率较低时，,R、C,取值较大，尺寸较大,阻带内，幅频特性衰减慢,无法提供增益,电阻值可能较大，导致滤波器的输出阻抗很高,5.5,滤波与阻抗匹配,60,5.5,滤波与阻抗匹配,有源滤波器,一阶有源低通滤波器,61,二阶有源低通滤波器,5.5,滤波与阻抗匹配,电压并联正反馈,，,通带宽度增加,62,5.5,滤波与阻抗匹配,63,5.5,滤波与阻抗匹配,一阶高通滤波电路,64,5.5,滤波与阻抗匹配,二阶高通滤波电路,65,5.5,滤波与阻抗匹配,带通滤波电路,66,5.5,滤波与阻抗匹配,带阻滤波电路,67,5.5,滤波与阻抗匹配,全通滤波电路,幅频特性为常数，与频率无关,有移相作用,68,5.5,滤波与阻抗匹配,5.5.2,滤波器的选用与设计初步,原则：,优先采用无源滤波器，无法满足要求时用有源滤波器。,优先采用低阶滤波器，无法满足要求时用高阶滤波器。,方法步骤：,确定通带频率、增益、衰减（滚降）速度等参数。,确定满足所需特性的传递函数，从经典滤波器中选择，如巴特沃思、切比雪夫等。,通过电路设计与调试实现传递函数,69,例：二阶,RC,有源低通滤波器设计,5.5,滤波与阻抗匹配,70,二阶,RC,有源低通滤波器的品质因数,5.5,滤波与阻抗匹配,品质因数越高，高频衰减也越快，但系统的极点越靠近虚轴，系统的稳定性越差。,为分析方便，不妨设增益为,1，,n,2,=R,1,/R,2,，,则：,71,5.5,滤波与阻抗匹配,为了得到较高的品质因数，,n=1,即,R,1,=,R,2,，C,2,C,1,72,5.5,滤波与阻抗匹配,设计过程,：,选择合适的电阻值,计算两个电容值,若,C,1,的值太大，重新选一个大一些的电阻,若,C,2,的值太小，重新选一个小一些的电阻,若,C,2,的值太小，,C,1,的值又太大，则滤波器到了性能极限,选择最接近的标准元件值，重新计算，给出全部参数。,73,5.5,滤波与阻抗匹配,注意,：,很多情况下，要做的工作是选择滤波器，而不是设计滤波器。,如：,MAX280（,单片集成5阶巴特沃斯低通滤波器）,MAX263/264（,单片集成通用有源滤波器）,74,5.6.1,模拟数字转换,双积分式,A/D,转换,5.6,模拟数字转换电路,特点,：,精确度高，速度慢,75,5.6,模拟数字转换电路,76,逐次比较式,A/D,转换,5.6,模拟数字转换电路,77,5.6,模拟数字转换电路,特点,：,速度快，应用较广,78,跟踪比较型,A/D,转换,5.6,模拟数字转换电路,+,-,+,可逆计数器,D/A,转换器,V,i,时钟,输出,79,并行比较型,A/D,转换,5.6,模拟数字转换电路,-,+,+,编,码,器,V,R1,数字量并行输出,-,+,+,-,+,+,V,i,V,R2,V,R（2,N,-1）,特点,：,速度最快，结构复杂,80,A/D,转换精确度,5.6,模拟数字转换电路,类别,分辨力,线性误差,低精度,A/D,转换器,小于,8位,小于,0.1%,中精度,A/D,转换器,9-12位,小于,0.01%,高精度,A/D,转换器,13-16位,小于,0.001%,超高精度,A/D,转换器,大于,16位,小于,0.0001%,81,A/D,转换速度与应用,5.6,模拟数字转换电路,类别,时间,频率,应用,低速,小于,1,ms,小于,1,KHz,工业电子控制、数字电压表、万用表、电子秤、温度计等,中速,1,ms-10,s,9-12位,工业控制系统、实验系统、智能化仪器,高速,10-1,s,13-16位,通信系统、高频信号测试系统、高速测量系统,超高速,小于,1,s,大于,16位,音视频处理、气象数据分析处理、数字信号处理瞬态分析,82,5.6.2,数字模拟转换,原理,5.6,模拟数字转换电路,T,型电阻网络,D/A,转换原理图,+,-,+,U,R,2R,2R,2R,2R,R,R,R,R,fb,D,0,D,1,D,2,S,0,S,1,S,2,83,输出,5.6,模拟数字转换电路,单极性、双极性输出电路示意图参见教材,337,页，图,7.13,参数,速度、分辨力（位数）,84,征集习题题目,习题课将针对某一个具体情形下的参量测量系统进行设计与计算，使同学们对检测系统设计有一个初步的感性认识。,请同学们提出你感兴趣的检测量，并说明具体情形（环境、场合、要求等），习题课上将选择较合适的题目进行设计与计算。,85,