信號調(diào)理電路

1、第第3 3章章 檢測信號的調(diào)理檢測信號的調(diào)理信號調(diào)理的的目的是便于信號的傳輸與處理。信號調(diào)理的的目的是便于信號的傳輸與處理。1.傳感器輸出的電信號很微弱，大多數(shù)不能直接輸送到顯示、傳感器輸出的電信號很微弱，大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需要進一步放大，有的還要進行阻記錄或分析儀器中去，需要進一步放大，有的還要進行阻抗變換?？棺儞Q。2.有些傳感器輸出的電信號中混雜有干擾噪聲，需要去掉有些傳感器輸出的電信號中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。噪聲，提高信噪比。3.某些場合，為便于信號的遠距離傳輸，需要對傳感器測某些場合，為便于信號的遠距離傳輸，需要對傳感器測量信號進行變換處

2、理。量信號進行變換處理。4.檢測信號調(diào)理的主要作用：檢測信號調(diào)理的主要作用： 放大、濾波、隔離、信號放大、濾波、隔離、信號變換。變換。3.1 3.1 信號放大電路信號放大電路 放大的實質(zhì)是放大的實質(zhì)是功率控制功率控制作用作用, ,用一個小的功率信用一個小的功率信號變化去控制產(chǎn)生相應大的功率變化號變化去控制產(chǎn)生相應大的功率變化. .一一. .基本放大電路基本放大電路 1. 同相放大器 Kf= uo / ui = 1+R2 / R1 R3= R1 / R2 Zi = K zin/(1+ R2 / R1)+R3 uoR3uiR1R2-+N12.反相放大器Kf= uo / ui = -Rf / R1R

3、3= R1 / R23.交流放大器 (1)交流反相放大電路Kf= R2 / R1R3= R2 C1：隔直電容C3：旁路電容，防止振蕩C3R3C1R1uoR3uiR1R2-+N1C1C3 (2) 同相交流放大電路C1：隔直電容R3 ：C1的放電回路uoR3uiR1R2-+N1C1(3) 交流電壓跟隨電路同相放大電路的特例為減小失調(diào)電流，R3= R2 uoR3uiR2-+N1C1放大電路關鍵器件放大電路關鍵器件- -運算放大器運算放大器運放特點運放特點: 輸入阻抗高、輸出阻抗低、高放大倍數(shù)、使用方便、輸入阻抗高、輸出阻抗低、高放大倍數(shù)、使用方便、運放組成的閉環(huán)負反饋放大電路其電壓放大倍數(shù)只與外接電

4、阻運放組成的閉環(huán)負反饋放大電路其電壓放大倍數(shù)只與外接電阻有關、可靠性高的優(yōu)點。有關、可靠性高的優(yōu)點。理想運放分析要點理想運放分析要點:假設運放為理想運放，輸入阻抗無窮大、開環(huán)放大倍數(shù)為無窮假設運放為理想運放，輸入阻抗無窮大、開環(huán)放大倍數(shù)為無窮大、輸出阻抗為零，不計偏置電流和失調(diào)電壓。大、輸出阻抗為零，不計偏置電流和失調(diào)電壓。 （1）虛斷）虛斷 （2）虛短）虛短測量常用運放：測量常用運放： OPO7 uA741 LM324 LM358 等等放大電路關鍵器件放大電路關鍵器件- -運算放大器運算放大器實際運放的設計指標考慮實際運放的設計指標考慮: (1) 輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓 (2) 輸入偏置電

5、流輸入偏置電流 為了減小和削弱以上影響為了減小和削弱以上影響, 設計電路時須采取的措施設計電路時須采取的措施: (1)保證所使用的電阻盡可能取最小值保證所使用的電阻盡可能取最小值; (2)保證連接在運放兩個輸入端的電阻值匹配保證連接在運放兩個輸入端的電阻值匹配; (3)選取低輸入失調(diào)電壓的運放選取低輸入失調(diào)電壓的運放; (4)設計時盡量避免選用大于設計時盡量避免選用大于1M以上的電阻以上的電阻; (5)注意運放的增益帶寬積是否滿足要求注意運放的增益帶寬積是否滿足要求; （6）運放的供電方式）運放的供電方式常用運放的基本類型常用運放的基本類型: (1) 通用運放通用運放 (2) 高速運放高速運放

6、 (3) 低損耗運放低損耗運放 (4) 高精度運放高精度運放 (5) 寬帶運放寬帶運放 (6) 大功率運放大功率運放二二. 測量（儀器）放大電路測量（儀器）放大電路 基本基本放大電路放大電路能夠?qū)ξ⑷跣盘栠M行放大，適用于不受干能夠?qū)ξ⑷跣盘栠M行放大，適用于不受干擾的場合。由于檢測裝置的傳感器工作環(huán)境惡劣，傳感器的輸擾的場合。由于檢測裝置的傳感器工作環(huán)境惡劣，傳感器的輸出線上有較大的干擾信號，基本放大電路的同相端和反向端的出線上有較大的干擾信號，基本放大電路的同相端和反向端的電路結(jié)構不對稱，削弱了對共模干擾信號的抑制能力。電路結(jié)構不對稱，削弱了對共模干擾信號的抑制能力。 因此通常采用因此通常采用

7、測量放大電路測量放大電路作為信號調(diào)理電路的作為信號調(diào)理電路的前置放大級前置放大級。 測量放大電路的測量放大電路的特點特點：高共摸抑制比、高速度、寬頻帶、：高共摸抑制比、高速度、寬頻帶、高精度、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、低輸出阻抗、低噪音高精度、高穩(wěn)定性、高輸入阻抗、低輸出阻抗、低噪音-+3A2A1A1R2RSR1R2RSR-NIVGRNIV+負載負載(外接外接)外接地外接地TUOV(外接外接)(a) 經(jīng)典的前置放大器經(jīng)典的前置放大器 電路結(jié)構：電路結(jié)構： 對稱輸入級對稱輸入級，由運放，由運放A1、A2組成組成 差動輸出級差動輸出級，由運放，由運放A3組成組成對稱輸入級對共模干擾信號具有很強的抑制能

8、力對稱輸入級對共模干擾信號具有很強的抑制能力差動輸出級將電路差動輸出級將電路雙端輸入雙端輸入方式變換成方式變換成單端對地輸出單端對地輸出方式方式放大輸入信號的差值 圖中圖中RG是外接電阻，專用來調(diào)整放大器是外接電阻，專用來調(diào)整放大器增益。因此，放大器的增益增益。因此，放大器的增益G與這個外接電與這個外接電阻阻RG有著密切的關系。增益公式為：有著密切的關系。增益公式為： 目前這種測量放大器的集成電路芯片有目前這種測量放大器的集成電路芯片有多種，如多種，如AD521/522、INA104等。等。)21 (12ININOUTGSRRRRVVVGINA104的基本電路的基本電路 三三. 程控增益放大電

9、路（程控增益放大電路（PGA） 在多路檢測系統(tǒng)中，多路被測信號常常共用一在多路檢測系統(tǒng)中，多路被測信號常常共用一個測量放大器，而各路的輸入信號大小往往不同個測量放大器，而各路的輸入信號大小往往不同,但都要放大到但都要放大到A/D轉(zhuǎn)換器的同一量程范圍。因此，轉(zhuǎn)換器的同一量程范圍。因此，對應于各路不同大小的輸入信號，測量放大器的對應于各路不同大小的輸入信號，測量放大器的增益也應不同。具有這種性能的放大器稱為增益也應不同。具有這種性能的放大器稱為可變可變增益放大器增益放大器或或可編程放大器可編程放大器，如下圖所示。，如下圖所示。 3A2A-NIN負載負載(外接外接)外接地外接地TUOV16K16K1

10、6K16K24816326412825680K26.67K11.43K5.33K2.58K1.27K314630-+1AIV+可變增益放大器可變增益放大器 把測量放大電路中的外接電阻把測量放大電路中的外接電阻RG換成一組精換成一組精密的電阻網(wǎng)絡，每個電阻支路上有一個開關，通密的電阻網(wǎng)絡，每個電阻支路上有一個開關，通過支路開關依次通斷就可改變放大器的增益，根過支路開關依次通斷就可改變放大器的增益，根據(jù)開關支路上的電阻值與增益公式，就可算得支據(jù)開關支路上的電阻值與增益公式，就可算得支路開關自上而下閉合時的放大器增益分別為路開關自上而下閉合時的放大器增益分別為2、4、8、16、32、64、128、2

11、56倍。顯然，這一組開倍。顯然，這一組開關如果用多路模擬開關關如果用多路模擬開關(類似類似CD4051)就可方便地就可方便地進行進行增益可變的計算機數(shù)字程序控制增益可變的計算機數(shù)字程序控制。此類集成。此類集成電路芯片有電路芯片有AD612/614等。等。四四. 隔離放大器隔離放大器 隔離放大電路定義隔離放大電路定義 隔離放大電路的輸入、輸出和電源電路之間沒有直接的電路耦合，即信號在傳輸過程中沒有公共的接地端。隔離放大器的應用于場合隔離放大器的應用于場合 隔離放大電路主要用于便攜式測量儀器和某些測控系統(tǒng)（如生物醫(yī)學人體測量、自動化試驗設備、工業(yè)過程控制系統(tǒng)等）中，能在噪聲環(huán)境下以高阻抗、高共模抑

12、制能力傳送信號。它對消除來自大地回路的各種干擾和噪聲具有積極的作用。 1、組成及符號輸入放大器R1R1R2RisoCisoR2uo隔離器輸 出放大器uducuiso2、原理框圖a) 變壓器耦合浮置電源輸入調(diào)制放 大 器耦合變壓器輸出解調(diào)放 大 器輸出輸入b) 光電耦合浮置電源光耦合器輸 入放大器輸 出放大器輸出輸入LEDVAD293/294AD2773、AD277變壓器耦合隔離放大器隔離電源振蕩器調(diào)制器輸入屏蔽解調(diào)器輸出屏蔽26873419515V15V13121016U100k100k1M141115U -+N1-+N23.2 3.2 信號濾波電路信號濾波電路 一、濾波器概述一、濾波器概述

13、1、功能定義、功能定義 濾波器是具有頻率選擇作用的電路或運算處理系統(tǒng)，具有濾除噪聲和分離各種不同信號的功能（信號分離電路）。 2、類型、類型 按處理信號形式處理信號形式分：模擬濾波器和數(shù)字濾波器 按選頻特性選頻特性分：低通、高通、帶通、帶阻 按電路組成電路組成分：LC無源、RC無源、由特殊元件構成的無源濾波器、RC有源濾波器 按傳遞函數(shù)的微分方程階數(shù)微分方程階數(shù)分：一階、二階、高階3、濾波器的基本參數(shù)、濾波器的基本參數(shù) 通帶增益通帶增益A0 諧振頻率諧振頻率f0、 截止頻率截止頻率fp 頻帶寬度頻帶寬度BW 品質(zhì)因素品質(zhì)因素Q、 阻尼系數(shù)阻尼系數(shù)二、模擬濾波器的傳遞函數(shù)與頻率特性二、模擬濾波器

14、的傳遞函數(shù)與頻率特性（1）模擬濾波器的傳遞函數(shù) 模擬濾波電路的特性可由傳遞函數(shù)來描述。傳遞函數(shù)是輸出與輸入信號電壓或電流拉氏變換之比。 經(jīng)分析，任意個互相隔離的線性網(wǎng)絡級聯(lián)后，總的傳遞函數(shù)等于各網(wǎng)絡傳遞函數(shù)的乘積。這樣，任何復雜的濾波網(wǎng)絡，可由若干簡單的一階與二階濾波電路級聯(lián)構成。（2）模擬濾波器的頻率特性 模擬濾波器的傳遞函數(shù)H(s)表達了濾波器的輸入與輸出間的傳遞關系。若濾波器的輸入信號Ui是角頻率為w的單位信號，濾波器的輸出Uo(jw)=H(jw)表達了在單位信號輸入情況下的輸出信號隨頻率變化的關系，稱為濾波器的頻率特性函數(shù)，簡稱頻率特性頻率特性。 頻率特性H(jw)是一個復函數(shù)，其幅值

15、A(w)稱為幅頻特性幅頻特性，其幅角(w)表示輸出信號的相位相對于輸入信號相位的變化，稱為相頻特性相頻特性。 （3）濾波器的主要特性指標 特征頻率：特征頻率： 通帶截頻通帶截頻fp=wp/(2)為通帶與過渡帶邊界點的頻率，在該點信號增益下降到一個人為規(guī)定的下限。 阻帶截頻阻帶截頻fr=wr/(2)為阻帶與過渡帶邊界點的頻率，在該點信號衰耗(增益的倒數(shù))下降到一人為規(guī)定的下限。 轉(zhuǎn)折頻率轉(zhuǎn)折頻率fc=wc/(2)為信號功率衰減到1/ (約3dB)時的頻率，在很多情況下，常以fc作為通帶或阻帶截頻。 固有頻率固有頻率f0=w0/(2)為電路沒有損耗時，濾波器的諧振頻率，復雜電路往往有多個固有頻率。

16、 2 增益與衰耗增益與衰耗 濾波器在通帶內(nèi)的增益并非常數(shù)。 對低通濾波器通帶增益Ao一般指w=0時的增益；高通指w時的增益；帶通則指中心頻率處的增益。 對帶阻濾波器，應給出阻帶衰耗，衰耗定義為增益的倒數(shù)。 通帶增益變化量Ao指通帶內(nèi)各點增益的最大變化量，如果Ao以dB為單位，則指增益dB值的變化量。 阻尼系數(shù)與品質(zhì)因數(shù)阻尼系數(shù)與品質(zhì)因數(shù) 阻尼系數(shù)阻尼系數(shù)是表征濾波器對角頻率為w0信號的阻尼作用，是濾波器中表示能量衰耗的一項指標。 阻尼系數(shù)的倒數(shù)稱為品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)，是評價帶通與帶阻濾波器頻率選擇特性的一個重要指標，Q= w0/w。式中的w為帶通或帶阻濾波器的3dB帶寬， w0為中心頻率，在很多

17、情況下中心頻率與固有頻率相等。 群時延函數(shù)群時延函數(shù) 當濾波器幅頻特性滿足設計要求時，為保證輸出信號失真度不超過允許范圍，對其相頻特性(w)也應提出一定要求。在濾波器設計中，常用群時延函數(shù)d(w)/dw評價信號經(jīng)濾波后相位失真程度。群時延函數(shù)d(w)/dw越接近常數(shù)，信號相位失真越小。 20lgA/dB-101-40-20020=2.5=1.67=1.25 =0.8=0.5=0.33=0.2=0.1lg(/0)-60a) 幅頻特性=0.2=0.1-101-180o-90o=2.5=1.67=1.25=0.8=0.5=0.33lg(/0)/()0b) 相頻特性二階低通濾波器二階低通濾波器b)圖4

18、-4lg(/0)=2.5-101090180=1.67=1.25 =0.8=0.5=0.33=0.2=0.1/()20lgA/dB)lg(/0)-20020=0.1=0.2=0.33=0.5=0.8=1.25=1.67=2.5-101-40a) 幅頻特性b) 相頻特性二階高通濾波器二階高通濾波器三、三、RCRC有源濾波電路有源濾波電路 有源濾波器是指采用有源器件和電阻、電容組成的濾波器，有源濾波器中的有源器件可以用晶體管，也可是運算放大器，特別是運放組成的有源RC濾波器可以做到體積小，重量輕，損耗小，并且可以提供一定的增益（放大），還可以起到緩沖作用。 因此在低頻（1MHz）場合得到極為廣泛的

19、應用，由于受有源器件帶寬的限制，有源濾波器一般不能用于高頻場合，高頻場合一般采用無源濾波器，另外需要提供電源。1、低通濾波電路、低通濾波電路 濾波器參數(shù)為+-+NR0Ruo(t)ui(t)C1C2R2R1通帶增益通帶增益固有頻率固有頻率2、高通濾波器、高通濾波器uo(t)R0Rui(t)C2C1R1R2+-+N通帶增益通帶增益固有頻率固有頻率3、帶通濾波器、帶通濾波器ui(t)R0Ruo(t)C1C2R1R2R3+-+N通帶通帶增益增益固有固有頻率頻率4、帶阻濾波器、帶阻濾波器R1C3R0Ruo(t)ui(t)C2C1R3R2+-+N通帶通帶增益增益固有固有頻率頻率四、四、RCRC無源濾波電路

20、無源濾波電路 無源濾波器是指用無源器件，如電感L、電容C和電阻R組成的濾波電路。通常采用LC諧振電路或RC網(wǎng)絡作為濾波器件。LC濾波諧振電路，其能量形式是每半周中電場能量與磁場能量相互轉(zhuǎn)換，作為虛功率積蓄存在，損失小，選擇性好。但在低頻場合需要LC的值很大，大電感不僅體積大而且價格高，不適合在低頻濾波電路中使用。 1、RC無源低通濾波電路無源低通濾波電路xuyuRC RC低通濾波器的典型電路和幅頻特性如圖所示。設輸入和輸出信號電壓分別為 和 ，電路時間常數(shù) 。濾波器為一階系統(tǒng)，其頻率響應函數(shù)和幅頻特性分別為 ： jjH11)(2)(11)(A-3dB截止頻率 12C2、RC無源高通濾波電路無源

21、高通濾波電路 RC高通濾波器的典型電路和幅頻特性如圖所示。分析電路特性可知，該電路能讓高于截止頻率的信號通過。RC高通濾波器也是一階系統(tǒng)，時間常數(shù) RC，其頻率響應函數(shù)和幅頻特性分別為： jjjH1)(2)(1)(A -3dB截止頻率 12C 理想濾波器要求幅頻特性A(w)在通帶內(nèi)為一常數(shù)，在阻帶內(nèi)為零，沒有過渡帶，還要求群時延函數(shù)在通帶內(nèi)為一常量，實際上無法實現(xiàn)的。因此工程實踐中往往選擇適當逼近方法，實現(xiàn)對理想濾波器的最佳逼近。 測控系統(tǒng)中常用的三種逼近方法為：巴特沃斯逼近法；切比雪夫逼近法；考爾逼近法。五、五、濾波器的逼近特性濾波器的逼近特性1、巴特沃斯逼近、巴特沃斯逼近 這種逼近的基本原

22、則是使幅頻特性在通帶內(nèi)最為平坦，并且單調(diào)變化。其頻率特性：2 2、切比雪夫逼近、切比雪夫逼近 這種逼近方法的基本原則是允許通帶內(nèi)有一定的波動量，其頻率特性：濾波器的設計主要包括以下五個過程： 確定濾波器特性確定濾波器特性(低通、帶通）低通、帶通） 選擇電路結(jié)構選擇電路結(jié)構 選擇有源器件選擇有源器件 計算無源元件參數(shù)計算無源元件參數(shù) 計算傳遞函數(shù)和頻率特性，修正設計計算傳遞函數(shù)和頻率特性，修正設計六、濾波器設計六、濾波器設計集成有源濾波集成有源濾波芯片介紹芯片介紹單片集成五階巴特沃斯低通濾波器單片集成五階巴特沃斯低通濾波器MAX280內(nèi)部開關電容網(wǎng)絡RCRclkCclk(外部緩沖放大器)uo1(

23、t)uo2(t)14632587-5v+5 v(33pF)內(nèi)部時鐘電路ui(t)3.3 3.3 信號變換電路信號變換電路 為了信號傳輸和處理的需要，還必須對檢測到為了信號傳輸和處理的需要，還必須對檢測到信號的波形形式進行變換，常見的波形變換電路有信號的波形形式進行變換，常見的波形變換電路有V/I及及I/V變換、變換、 V/F及及F/V變換、變換、絕對值變換絕對值變換電路、電路、比較電路比較電路、波形整形電路波形整形電路、極值選擇電路極值選擇電路等，實現(xiàn)等，實現(xiàn)這些波形變換的電路主要是基于集成電路來完成。這些波形變換的電路主要是基于集成電路來完成。一、一、V/I及及I/V變換電路變換電路 為了減

24、少長線傳輸過程中線路電阻和負載電阻的影響，可為了減少長線傳輸過程中線路電阻和負載電阻的影響，可以將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一直流標準信號。采用直流標以將傳感器的輸出信號轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一直流標準信號。采用直流標準信號具有的優(yōu)點準信號具有的優(yōu)點: (1) 傳輸過程中，不受交流感應的影響傳輸過程中，不受交流感應的影響,抗干擾能力強；抗干擾能力強； （2）直流信號不受線路寄生參數(shù)影響；）直流信號不受線路寄生參數(shù)影響； （3）直流信號便于與）直流信號便于與A/D轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換；統(tǒng)一直流標準信號：統(tǒng)一直流標準信號： 電壓信號：電壓信號：05V 電流信號電流信號：010mA，420mA 采用直流標準電流信號，由于其恒

25、流特性，可以不受傳輸采用直流標準電流信號，由于其恒流特性，可以不受傳輸導線長度的影響，傳感器輸出電壓信號通常需要變送器處理轉(zhuǎn)導線長度的影響，傳感器輸出電壓信號通常需要變送器處理轉(zhuǎn)換成電流信號輸出。換成電流信號輸出。目前廣泛采用的目前廣泛采用的420mA標準信號標準信號。1、V/I變換電路變換電路 通常，傳感器的輸出信號多數(shù)為電壓信號，為了將電壓信號變成電流，需采用/變換。/變換器的作用是將電壓變換為標準的電流信號，它不僅要求具有恒流性能，而且要求輸出電流隨負載電阻變化所引起的變化量不超過允許值。 A. 010mA的電壓電流（的電壓電流（/）變換器）變換器 運算放大器接成同號放大器，此變換電路屬

26、于電流串聯(lián)負反饋電路，具有較好的恒流性能；為電流反饋電阻，為負載電阻，它小于。三極管和組成電流輸出級，用來擴展電流。根據(jù)電流串聯(lián)負反饋關系，有： sr=sc 可見，輸出電流Isc僅與輸入電壓Usc和反饋電阻R3有關，與負載電阻R無關，說明它具有較好的恒流性能。 合理選擇R3,可得到相應關系B. 420mA的電壓電流（的電壓電流（/）變換器）變換器 UbUst VI變換電路由運算放大器A和三極管T1、T2組成。運算放大器除了放大作用外，還兼有比較的作用，它將輸入電壓Ust和反饋電壓Up進行比較。T1為倒相放大級，T2為電流輸出級。Ub為偏置電壓，加在A的同相端，用以進行零點遷移。輸出電流I0流經(jīng)

27、R3得到反饋電壓Up，此電壓經(jīng)R5、R4加到A的兩個輸入端，形成A的差動輸入信號，由于具有深度電流串深度電流串聯(lián)負反饋聯(lián)負反饋，因此有較好的恒流性能。 1510551RRRRIRRRUUstH反相端 認為R4、R5R3R，則可認為I0為流過R3的全部電流。利用疊加原理，可求出在Ust、I0和Ub作用下，運算放大器A的同相及反相端電壓UH和UT：45224230)(RRRURRRRRIUbT同相端考慮理想運放：UHUT 令 ，則有： )(3240bstUURRRI（）當?shù)拈_環(huán)增益及輸入阻抗足夠大時，輸出電流0與輸入電壓st之間為線性關系，并且只與電路電阻1（2）、（）及有關，與的參數(shù)及負載電阻無

28、關，說明它具有恒流性能。（）輸出電流與輸入電壓st間的變換系數(shù)決定于電路參數(shù)，可根據(jù)st及的范圍來決定電路參數(shù)。AD694 AD694是標準單路輸入V/I轉(zhuǎn)換芯片，供電電壓為4.5V36V，可為現(xiàn)場執(zhí)行機構提供符合工業(yè)標準的420mA電流環(huán)路輸出。輸入信號可由一個輸入放大器進行緩沖。輸入的電壓信號范圍根據(jù)對應管腳連接的不同可為02V或010V。其他范圍可通過外加電阻來編程實現(xiàn)。4mA的邏輯零電流也可以通過TTL電路控制相應的管腳使輸出電流變?yōu)?mA。 AD694具有內(nèi)部電壓基準，可用作外接芯片的參考電壓，這樣既簡化了電路設計，又節(jié)省了空間。另外，AD694有較強驅(qū)動能力，是需要免除噪聲的420

29、mA信號傳遞以操作電子管、傳動裝置和其他控制器件的理想選擇。2、I/V變換電路變換電路-+A2R1RVI(a) 無無 源源 I I/ /V V變變 換換 電電 路路(b) 有有 源源 I I/ /V V變變 換換 電電 路路圖圖 2-2 電電 流流 / /電電 壓壓 變變 換換 電電 路路+3R5R4R2R1RIDCCV+-+5V 無源無源I/V變換電路變換電路是利用無源器件是利用無源器件電阻來實現(xiàn)，加上電阻來實現(xiàn)，加上RC濾波和二極管限幅等保護，如圖（濾波和二極管限幅等保護，如圖（a）所示，其中）所示，其中R2為為精密電阻精密電阻。對于對于0- 10 mA輸入信號，可取輸入信號，可取R1=1

30、00，R2=500，這樣，這樣當輸入電流在當輸入電流在0 -10 mA量程變化時，輸出的電壓就為量程變化時，輸出的電壓就為0 -5 V范圍；范圍；對于對于4 -20 mA輸入信號，可取輸入信號，可取R1=100，R2=250，這樣，這樣當輸入電流為當輸入電流為4 -20 mA時，輸出的電壓為時，輸出的電壓為1 - 5 V。-+A2R1RVI(a) 無源I/V變換電路無源I/V變換電路(b) 有源I/V變換電路有源I/V變換電路圖 圖 2-2 電流/電壓變換電路電流/電壓變換電路+3R5R4R2R1RIDCCV+-+5V 有源有源I/V變換電路變換電路是利用有源器件是利用有源器件運算放大器和運算

31、放大器和電阻電容組成，如圖（電阻電容組成，如圖（b）所示。利用同相放大電路，把）所示。利用同相放大電路，把電阻電阻R1上的輸入電壓變成標準輸出電壓。該同相放大電上的輸入電壓變成標準輸出電壓。該同相放大電路的放大倍數(shù)為路的放大倍數(shù)為 若取若取R1=200，R3=100k，R4=150k，則輸入電流，則輸入電流 I 的的0 10 mA就對應電壓輸出就對應電壓輸出V的的0 5 V； 若取若取R1=200，R3=100k，R4=25k，則，則4 20 mA的輸入電流對應于的輸入電流對應于1 5 V的電壓輸出。的電壓輸出。3411RRIRVG-+A2R1RVI(a) 無源I/V變換電路無源I/V變換電路

32、(b) 有源I/V變換電路有源I/V變換電路圖 圖 2-2 電流/電壓變換電路電流/電壓變換電路+3R5R4R2R1RIDCCV+-+5V專用專用I/V轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路二、二、V/F及及F/V變換電路變換電路1. V/F 轉(zhuǎn)換概述定義：V/f (電壓/頻率)轉(zhuǎn)換器能把輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成相應的頻率信號，即它的輸出信號頻率與輸入信號電壓值成比例，故又稱為電壓控制(壓控)振蕩器(VCO)。應用：在調(diào)頻，鎖相和A/D變換等許多技術領域得到非常廣泛的應用。指標：額定工作頻率和動態(tài)范圍，靈敏度或變換系數(shù)，非線性誤差，靈敏度誤差和溫度系數(shù)等特征：頻率信號便于遠距離傳輸,不受電磁場的影響,主要用于非快速而又遠

33、距離的測量中2. V/F 轉(zhuǎn)換器的原理 -U V - + + N1 - + + N2 R2 -E ui R1 R3 C R4 R5 R6 R7 R8 R9 uC uP VS1 VS2 VS3 uo 積分復原型（常用形式：精度低） 組成：積分器、電平檢測比較器和積分復原開關等 O U1 U2 uT uo T1 T2 t uC U2 U1 t t O O uP 電平檢測器是具有雙閾值電平的比較器，當積分電容充電到下限值電平時，電平檢測器的輸出使積分復原開關導通，使電容迅速放電，積分器的輸出復原到上限閾值電平時，開關重新截止，積分器再次積分。這種電路適用于精度要求不高的場合。 電荷平衡型（精度高）I

34、fus c 1us c 2us c 30000I10Emttttt Ij Em 當K斷開時，輸入電壓Ui產(chǎn)生輸入電流If給積分電容CF充電，積分器的輸出電壓USC1下降，當USC1下降到-Em時，比較器輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)，并觸發(fā)單穩(wěn)定時電路，產(chǎn)生一個寬度為tos的脈沖，并使K導通，恒流源Ij使積分電容放電（IjIf），當tos結(jié)束時，K斷開，放電停止。積分電容充放電電荷必須相等，因此：)(1IfIjtQosIfTQ1221QQ ostTT 1RUiIf 放電電荷：充電電荷：已知：所以：iososURIjttTFT11集成V/F轉(zhuǎn)換器LM131/231/331 CL 精 密電流源 電 流開 關 RS

35、觸發(fā)器 基 準電 源 - + 基準比較器 - + 輸入比較器 - + 定時比較器 R Rt Ct iS RS 4 5 6 7 8 1 2 3 偏流 S R Q 復位 輸出保護 驅(qū)動 定時 域值 比較輸入 +U 1.9V 電流輸出 基準電壓 頻率輸出 Q 2R RL V uo +- -1 +1 # 單穩(wěn) 態(tài)定 時器 Q iS uo 4 3 5 7 6 1 2 8 RL CL ui RS S Rt Ct +U u6 u5 +E V # Q 器 輸入 比較 b) 約10mV O O T to t t u6 ui uo 典型應用典型應用V/F變換變換-LM331ttLiSoutCRRVRf09.2典型

36、應用典型應用F/V變換變換-LM331改變電路連接形式，可使改變電路連接形式，可使LM331工作在工作在F/V變換場合變換場合finVoVo=is*tos*fin集成V/F轉(zhuǎn)換器VFC32VFC32芯片封裝圖VFC32應用簡圖kpFCmAIfINout7 . 6)44(11INI為輸入電流三、絕對值變換電路三、絕對值變換電路 絕對值變換電路能將絕對值變換電路能將雙極性信號變?yōu)閱螛O性的信雙極性信號變?yōu)閱螛O性的信號號，主要用在信號檢波等方面。，主要用在信號檢波等方面。 半導體二極管具有單向?qū)щ娞匦?，可以作為檢波半導體二極管具有單向?qū)щ娞匦?，可以作為檢波元件使用。但由于二極管存在死區(qū)電壓，因此當輸入

37、元件使用。但由于二極管存在死區(qū)電壓，因此當輸入小信號時，誤差很大。如果把二極管置于運算放大器小信號時，誤差很大。如果把二極管置于運算放大器的反饋回路中，可以使檢波性能十分精確。的反饋回路中，可以使檢波性能十分精確。絕對值電絕對值電路就是一種帶有二極管反饋回路的運算放大器，實現(xiàn)路就是一種帶有二極管反饋回路的運算放大器，實現(xiàn)對信號的檢波對信號的檢波，故又稱，故又稱精密整流電路精密整流電路。 1線性檢波線性檢波(半波整流半波整流)電路電路 ouou 常用的半波整流電路如圖 (a)所示。它具有反相結(jié)構，反相輸入端為虛地。當輸入電壓ui為正極性時，放大器輸出 為負，VD2導通，VDl截止，輸出電壓 為零

38、。當輸入電壓ui為負極性時，放大器輸出為正，VDl導通，VD2截止，電路處于反相比例運算狀態(tài)。改變VD1和VD2的方向可以實現(xiàn)正半周檢波。 只要運算放大器的輸出電壓 ，在數(shù)值上大于整流二極管的正向?qū)妷?，VDl和VD2中總有一個處于導通狀態(tài)，另有一處于截止狀態(tài)，電路就能正常檢波。 ou 所以這個電路能檢波的最小輸入電壓為UDA。，式中UD為二極管正向壓降，Ao運算放大器開環(huán)電壓增益。可見二極管正向壓降的影響被削弱了A0倍，從而使檢波特性大大改善。 2絕對值絕對值(全波整流全波整流)電路電路 (1)簡單絕對值電路簡單絕對值電路 在半波整流電路的基礎上，加一級加法運算放大器，就組成了簡單的絕對值

39、電路，如圖所示。 圖中R1=R2,2R5=R4=R6,R3=R1/R2,R7=R4/R5/R6。 21RR 6452RRR 這種電路的缺點是要達到高精度，必須嚴格的匹配電阻，使,。 (2)改進的絕對值電路改進的絕對值電路 21RR (a)電路匹配電阻，(b)ui0時的等效電路；(c) ui0時的等效電路 圖a中二極管VD1和VD3都處于反饋回路中，它們的正向壓降對整流電路靈敏度的影響被減小A0(運算放大器的開環(huán)電壓增益)倍，因此不會引入較大誤差。二極管VD2，VD4的作用是防止運算放大器A1和A2在VDl和VD3斷開時進入飽和，使下半周再次來到時，電路能立即投入工作。 負向檢波電路正向檢波電路

40、四、比較器電路四、比較器電路 比較器用通用運算放大器和專用集成比較器的區(qū)別？比較器用通用運算放大器和專用集成比較器的區(qū)別？ （1）比較器的一個重要指標是它的響應時間，它一般低于10-20ns。響應時間與放大器的上升速率和增益-帶寬積有關。因此，必須選用這兩項指標都高的運算放大器作比較器，并在應用中減小甚至不用相位補償電容，以便充分利用通用運算放大器本身的帶寬來提高響應速度。 （2）當在比較器后面連接數(shù)字電路時，專用集成比較器無需添加任何元器件，就可以直接連接，但對通用運算放大器而言，必須對輸出電壓采取嵌位措施，使它的高、彽輸出電位滿足數(shù)字電路邏輯電平的要求。 1.電平比較電路（單閾值比較器）

41、圖中：UR=0，就構成過零點比較器（鑒零器）缺點：缺點：在閾值電平附近受到干擾容易出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象。因此更多應用滯回比較器 2.滯回比較電路（正反饋閾值） 兩個閾值： a) b) ui Uo U1 O U2 -1 +1 # ui Uo UR R R2 R1 單方向單閾值圖a為下行特性的滯回比較器，在各種保護電路中廣泛使用。采用555也可以構成這種比較器。設計要求設計要求：滯回寬度U2-U1影響比較的靈敏度，需要根據(jù)應用要求進行選取。 3.窗口比較電路 -1 +1 # & -1 +1 # ui VS E R1 RP R2 Uo1 Uo2 Uo UZ N2 N1 UR 2 UR 1 “1” “0” O

42、 U UR2 UR1 ui Uo 單方向多個閾值窗口比較器主要用來判定信號是否在某一范圍，在越限故障檢測電路中廣泛使用。五、極值選擇電路五、極值選擇電路 最大值選擇電路 精度高精度低 最小值選擇電路 精度高精度低3.4 信號運算電路信號運算電路一、峰值運算電路一、峰值運算電路 最基本的峰值檢測器都是利用二極管的單向?qū)щ娞匦?使電容充電并保持信號的峰值,為了避免二極管的管壓降影響峰值運算,可以采用線性整流電路。 圖中A1是線性檢波電路，A2為電壓跟隨器，C為峰值記憶電容，當Vi為正(增加)時，D1截止，D2導通，電容C被充電，由于輸出電壓經(jīng)過Rf反饋到A1反向端，使Vc=Vi,使整個電路為電壓跟

43、隨器。當Vi減小時，D1導通，D2截止，輸出電壓保持正峰值不變。D1和D2反接，可組成負峰值檢測電路。峰峰值運算電路峰峰值運算電路 圖中A1構成正峰值檢測電路，A2構成負峰值檢測電路，兩個0.1u電容為峰值記憶電容。當Vi為正時，A1運放工作檢測正峰值，上面0.1u電容C被充電，當Vi為負時，A2運放工作檢測負峰值，下面0.1u電容C被充電，兩個電容上的電壓和為峰峰值。二、有效值運算電路二、有效值運算電路1. 有效值檢測方法有效值檢測方法 一個隨時間變化的物理量y的有效值Y定義為： TdtyTY021（1）利用晶體二極管的特性曲線，在起始部分比較接近拋物線（二次型曲線），采用折線逼近法，實現(xiàn)有

44、效值的檢測。由于一般晶體二極管正向特性有較大的電壓一靈敏區(qū)，反向又有漏電流，所以不可能獲得準確的測量結(jié)果;（2）利用真空熱電偶具有較精確的拋物線特性來實現(xiàn)有效值檢測。但熱電偶的慣性大，反應慢，且過載能力差，易燒毀；（3）采用計算機技術實現(xiàn)有效值檢測，首先通過AD轉(zhuǎn)換器對被測的模擬量進行數(shù)字化處理，然后再根據(jù)上式對已被量化的離散值進行運算，從而得出被測量的有效值。（4）采用能實現(xiàn)有效值測量的采用能實現(xiàn)有效值測量的專用集成電路專用集成電路，如：AD536、AD636、AD637、AD736、AD737等真有效值變換電路。 典型真有效值轉(zhuǎn)換集成電路的技術指標典型真有效值轉(zhuǎn)換集成電路的技術指標 AD7

45、36是經(jīng)過激光修正的單片精密真有效值轉(zhuǎn)換器。其主要特點是準確度高、靈敏性好（滿量程為200mVRMS）、測量速率快、頻率特性好（工作頻率范圍可達0460kHz）、輸入阻抗高、輸出阻抗低、電源范圍寬且功耗低，最大的電源工作電流為200A。用它來測量正弦波電壓的綜合誤差不超過0.3%。 +Vs：正電源端，電壓范圍為2.816.5V；-Vs：負電源端，電壓范圍為-3.2-16.5V；Cc：低阻抗輸入端，用于外接低阻抗的輸入電壓（200mV），通常被測電壓需經(jīng)耦合電容與此端相連，通常耦合電容的取值范圍為1020F。當此端作為輸入端時，第2腳VIN應接到COM；VIN：高阻抗輸入端，適合于接高阻抗輸入電壓，一般以分壓器作為輸入級，分壓器的總輸入電阻可選10M，以減少對被測電壓的分流。該端有兩種工作方式可選擇：第一種為輸出AC+DC方式。該方式將1腳（Cc）與8腳（COM）短接，其輸出電壓為交流真