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1、第10章常用的检测电路,10.1 信号放大电路(1学时)10.2 信号处理电路(1学时)10.3 信号转换电路(1学时)10.4 系统抗干扰技术(1学时),本章内容与学时安排：,直流放大电路,反馈电阻RF值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于信号源Ui的内阻。,10.1 信号放大电路,2)同相放大器,同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。,同相放大器也是最基本的电路，其闭环电压增益Av为:,交流放大电路,R1一般取几十千欧。耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限频率f L来确定。,基本测量放大器 测量放大器的结构如
2、图10.1所示。,图10.1 测量放大器结构,Rg粗调放大倍数Rc微调放大倍数,三运放测量放大器 由二级放大器串联组成，前级是二个对称同相放大器,后级是差动放大器，如图10.2 所示。,图10.2 三运算放大器构成的测量放大器,根据运算放大器的基本分析方法，图10.2中的输出电压:,设,则输出为:,当时，由于，则，输出电压o=0。所以该电路放大差模信号，抑制共模信号。差模放大倍数数值越大，共模抑制比越高。,实用测量放大器 在实际应用要求较高的场合，常采用集成测量放大器,AD521集成测量放大器管脚说明和基本应用电路如图10.3所示。,图10.3 AD521管脚及应用电路,该测量放大器的放大倍数
3、按下面公式计算：,在使用AD521时，要特别注意为偏置电流提供回路。图10.4给出了传感器与检测电路几种不同的耦合方式下的接地方法:,图10.4 AD521输入信号耦合方式,放大电路的增益通过数字逻辑电路由程序来控制，这种电路称为可编程增益放大电路，简称PGA（Programmable Gain Amplifier）。1、程控增益放大器 程控增益放大器的原理如图10.5所示,图10.5 程控测量放大器,2、单片集成程控放大器LH0084 LH0084程控增益放大器由测量放大器构成，是一种通用性很强的放大器，其原理如图10.6所示。,图10.6 LH0084原理图,为保证线路正常工作，必须满足:
4、程控增益放大器总的增益Gv为：(10.7)LH0084程控增益控制关系如表10.1。,表10.1 LH0084程控增益放大器,3、程控放大器量程自动切换（不介绍）程控放大器的量程由程序控制进行自动切换,其过程如图10.7所示。,图10.7 量程自动切换程序框图,1、隔离放大器的结构及工作原理 隔离放大器组成:输入部分、输出部分、信号耦合器和隔离电源组成，如图10.8所示。,图10.8 隔离放大器示意图,隔离放大器起放大有用信号、隔离无用信号作用,隔离放大器总电压增益：式中 输入部分电压增益；输出部分电压增益 2、变压器耦合式 AD204变压器耦合隔离放大器的原理图,图10.9所示,图10.9
5、变压器耦合隔离放大器,3、光电耦合式 图10.10所示为隔离放大器ISO100内部结构图，它由两个运放 和两个恒流源 以及光电耦合器组成。,图10.10 隔离放大器ISO100内部结构,ISO100的基本接法如图10.11所示。R和Rf为外接电阻，调整它们可改变增益。,图10.11 ISO100的基本接法,10.2 信号处理电路,10.2.1 滤波电路,滤波是测试系统排除干扰、抑制噪声常用的方法。通过滤波技术，能提高系统测量信噪比，提高系统测量精度。滤波技术分硬件滤波和软件滤波。硬件滤波是利用电路组成滤波器对传感器信号进行处理，抑制不需要频率成分信号；软件滤波是通过计算机程序，采用某些算法对传
6、感器信号进行处理，达到提高信噪比的目的。,硬件滤波是一种选频电路，能使给定频率范围的信号几乎无衰减通过，而对其它频率的信号加以抑制。根据通过信号的频率范围的不同，滤波器可分为：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。由、等元件构成的滤波器称为无源滤波器；由运算放大器和网络构成的滤波器称为有源滤波器。有源滤波器有较高的增益、输出阻抗低、易于实现各种类型的高阶滤波器。教材介绍的是有源滤波器。,、一阶低通有源滤波器一阶有源低通滤波器由RC网络和运算放大器构成，如图10.12（a）所示。,图10.12 一阶低通滤波器及其幅频特性,由图10.12（a）可得(10.9)又由虚短，则(10.10)令
7、，代入上式得(10.11)式中：为通带电压增益,为上限截止频率。,、二阶低通有源滤波器 二阶低通有源滤波器电路如图10.13(a)所示,图(b)为其幅频特性。,图10.13 二阶低通有源滤波器及其幅频特性,分析如下:(10.12)(10.13)(10.14)联立以上三式得(10.15),令，代入上式可得(10.16)令 时,则 解得:(10.17),3、高通有源滤波器 高通有源滤波器允许高频信号通过，抑制或衰减低频信号。一阶RC高通滤器电路如图10.14(a)所示。,图10.14 简单的高通滤波器及其幅频,分析上图,可知:解得高通滤波器电路的传递函数为(10.18)一阶RC有源高通滤波器幅频特
8、性如图10.14（b）所示。下限截止频率为：,二阶高通有源滤波器电路如图10.15（a）所示,图(b)为其幅频特性。它的传递函数为(10.19)(10.20),图10.15 二阶高通有源滤波器电路,、工作原理 采样保持电路组成：由模拟开关K、模拟信号存储电容C和缓冲放大器A等三部分组成。其原理电路如图10.16所示。,图10.16 采样保持电路原理图,10.2.2 采样保持电路,电路的采样过程如图10.17所示,图10.17 采样-保持电路波形图,、模拟开关 模拟开关用于接通和断开输入信号，并由逻辑指令控制，当指令为“l”时，模拟开关K接通，输出跟踪输入变化；当指令为“0”时，输出保持接通最后
9、时刻的采样值。、采样保持电路(1)同相型采样保持电路,图10.18同相型采样保持电路,(2)反相型采样保持电路 反相型采样保持电路如图10.19所示,图10.19 反相型采样保持电路,10.2.3 调制与解调,先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。,例：交流电桥,2、调制种类,a)幅度调制(AM),b)频率调制(FM),c)相位调制(PM),幅度调制,调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化,1、幅度调制与解调原理（时域波形分析）,乘法器,放大器,x(t),z(t),
10、x m(t),乘法器,滤波器,z(t),x(t),解调,二极管检波,低通滤波,10.3 信号转换电路,实际测量中，传感器输出信号大多是模拟信号，要使计算机或数字仪表能识别和处理这些信号，必须首先将模拟信号转换成数字信号；反之，经计算机分析、处理后输出的数字量往往也需要转换成相应的模拟信号才能去控制机构。因此存在模/数和数模转换问题。能将模拟信号转换成数字信号的电路称为模数转换器，简称转换器；能将数字信号转换成模拟信号的电路称为数模转换器，简称转换器。,10.3.1 模/数与数模转换器,本节内容不作具体转换电路的分析，只介绍有转换电路类型及功能。,、模/数转换器 转换可分为直接法和间接法。直接法
11、是把电压直接转换为数字量，如逐次比较型的AD转换器。间接法是把电压先转换成某一中间量，再把中间量转换成数字量。(1)逐次比较型模/数转换器 逐次比较型AD转换就是将输入模拟信号与不同的参考电压做多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量的对应值。,逐次比较型AD转换器简化框图如图10.20所示它由DA转换、数码设定、电压比较和控制电路组成。,图10.20 逐次比较型A/D转换框图,（2）双积分型模/数转换电路 双积分型AD转换电路如图10.21所示。,图10.21 双积分型A/D转换器原理图,转换过程分两步，首先接通S1，对输入电压(-Ui)积分，积分电路输出电压为:(10.21)
12、然后在T1时，开关切换到S2位置，对基准参考电压Ur反向积分，积分电路输出电压为：（10.22）当t=T2时，U0(t)=0，如图10.21（b），此时得：(10.23),设时钟脉冲频率为,当t=T1时,则时间T1为：此时开始对标准参考电压Ur反向积分，时间间隔T=T1T2，计数值为N，则：所以：,双积分型转换器转换时间较长，一般大于4050ms，但若采用高精度基准参考电压，可得到高精度转换结果。,2、数/模转换器 数/模（D/A）转换器是通过电阻网络，把数字 按其数码权值转换成模拟量的输出。D/A转换器有两种类型：权电阻网络和T形电阻网络(1)权电阻数/模转换器 图10.22是4位二进制权电
13、阻DA转换器原理图。,由上图可得：（10.24）（10.25）在上述电路中，权电阻分别为R、2R、4R、。若数字量多于四位，可通过增加模拟开关和权电阻来增加其位数。,(2)T形电阻数/模转换器 T形电阻D/A转换器原理如图10.23所示,该电路电阻形状成T形，故称T形网络。,图10.23 T型电阻D/A转换器,由图10.23可知,根据叠加原理，运算放大器总输入的等效电压是各支路等效电压之和，即:(10.26)若取 RF3R，运算放大器的输入端电流为:(10.27)运算放大器的输出电压V0为:(10.28),1、电压/频率转换器(1)转换原理 V/F转换器原理如图10.24所示,图10.24 V
14、/F转换电路示意图,10.3.2 电压/频率与频率/电压转换器,1)当输入电压Ux Uc时，放大器A输出为“1”状 态，此时将单稳触发器置“1”，触发器驱动开关S接通恒流源，使I0对电容CL充电;2)Uc上升，在Uc=Ux+U时，电压比较器A输出为“0”状态，单稳触发器置“0”，使开关S 断开，I0停止对电容CL充电;3)电容CL通过电阻RL放电，Uc下降。当UcUx时，放大器A及触发器又回复“1”状态，如此反复的进行，其输出波形如图10.24(b)所示。,(2)用V/F转换实现A/D转换 在V/F转换基础上，配合一个频率计数器，可把转换后输出的频率信号转换成数字量，实现A/D转换。图10.2
15、5所示为用V/F转换实现A/D转换的结构框图。,图10.25 用V/F实现A/D转换的结构框图,2、频率电压转换器 频率电压(F/V)转换器是一种将频率或周期信号，经整形、滤波后，转换成直流电压输出的数字/模拟转换器频率/电压转换器的基本电路 主要由输入隔离电路、单稳电路、稳幅电路和积分电路组成。图10.26是F/V转换器常用的电路之一;,图10.26 F/V转换电路,输入隔离电路:通过脉冲变压器MB将信号源与F/V内部电路隔离，使频率/电压转换过程在不同“地”中进行，从而提高抗干扰能力;单稳电路:为了保证脉冲的宽度而设置的;稳幅电路:使T5输出矩形脉冲幅值稳定不变，以提高测量精度。图中稳压二
16、极管DW4、DW5是为T7发射极提供稳定偏置电压。积分电路:由高线性、高分辨率积分器构成。,(2)集成频率/电压转换器 集成F/V转换器将由离散元件构成的F/V转换器电路集成在一个芯片上。图10.27为由比较器LM331构成的F/V转换的实用电路。,图10.27集成F/V转换器,在远距离测控系统，为减少传输导线阻抗对信号衰减，常用电压/电流（V/I）转换电路将电压转换成电流信号传输。图10.28是利用集成运算放大器构成的电压/电流转换电路。,图10.28 电压/电流转换电路,10.3.3 电压/电流转换,由于电路引入负反馈，U+=U-=0，负载电阻RL的电流为：图10.29所示为另一种个V/I
17、转换电路,由运算放大器A1和A2组成,图10.29 输出接地的V/I转换电路,图中 利用叠加原理可求出在 作用下,运算放大器A1的同相输入端电压 为：(10.29)所以运算方法器A1的输出电压为：(10.30)由于A2电压跟随器，所以有：,由“虚断”原则得：(10.31)将式10.29和式10.30代入上式得:(10.32)由上式可以看出它具有恒流特性。图10.30是将ZF2B20高精度电压电流转换器芯片接成输入电压范围是010 v，输出电流范围420 mA 的V/I转换电路。,图10.30 010V/420mAV/I转换电路,在检测装置中，测量的信息往往是以电压或电流形式传送的，由于检测装置
18、内部和外部因素的影响，使信号在传输过程的各个环节中，不可避免地要受到各种噪声的干扰，而使信号产生不同程度的畸变，即为失真。可以说干扰噪声是限制测试系统性能的决定因素。,10.4 抗干扰技术,常用抗干扰技术：隔离技术、滤波技术、软件技术等。,10.4.1 干扰的类型及信号耦合方式 从干扰源看，干扰信号可分为两大类:测量系统外部因素产生的干扰，称“外部干扰”;测量系统内部各部件间的互相干扰，称为“内部干扰”1、外部干扰 外部干扰是由使用条件和外界环境因素引起的干扰，它主要来源于自然干扰及测量系统周围电气设备的干扰。,自然干扰主要来源:闪电、雷击、宇宙辐射、太阳黑子活动等。电气设备产生的干扰：电磁场
19、、电火花、电弧焊接、高频加热、可控硅整流等强电系统所造成的干扰。,2、内部干扰 内部干扰是指测量装置内部元件引起的各种干扰。包括:电阻中的电子热运动引起的热噪声；半导体内载流子的随机运动引起的散粒噪声；两种导电材料之间不完全接触产生的接触噪声；布线不合理、寄生电容、泄漏电阻等耦合形成寄生反馈电流干扰；多点接地造成的电位差引起的干扰等。,3、干扰信号耦合方式 干扰信号进入测量系统有多种耦合方式，归纳起来有以下形式。(1)电容性耦合 测量电路的电容性耦合方式如图10.31所示:,图10.31 测量电路的电容性耦合,(2)互感性耦合 互感性耦合实质是电磁耦合，它是由于两个电路之间存在互感，使得当一个
20、电路的电流变化时，通过磁电耦方式影响到另一个电路。,图10.32 互感耦合等效电路,d)共阻抗耦合,C）电阻耦合,为减小噪声干扰，测试过程中采用一些抗干扰技术是必要的，尤其对于微弱信号的传感器信号和具有宽带的测量系统。,(3)共阻耦合,10.4.2、常见的抑制干扰的措施,1）屏蔽技术（静电屏蔽、电磁屏蔽、低频磁屏蔽、驱动屏蔽 等）利用铜或铝等低阻材料，或者用导磁性良好的铁磁性材料制成容器，将要防护的部分包起来。此方法主要是防止静电或电磁干扰。,2）平衡电路,3）滤波,4）光耦合器,平衡电路又称对称电路。它是指双线电路中的两根导线与连接到这两根导线的所有电路，对地或对其他导线电路结构对称，对应阻抗相等。,5）接地技术 在测量系统中，常见的“地”线有以下几种:(1)屏蔽地线及机壳地线。这类地线对电场及磁场起屏蔽作用，也能达到安全防护的目的，一般是接大地。（2）信号地线。输入与输出信号零电位线(基准电位线)，本身可能与大地是隔绝的。信号地线又有模拟信号地线和数字信号地线之分。（3）交流电源地线。它是系统主要噪声源，必需与直流地线相互绝缘。,
