第4章信號(hào)調(diào)理電路

2024/9/291信號(hào)調(diào)理電路SignalConditioningCircuit2024/9/292信號(hào)調(diào)理電路電橋

信號(hào)的放大電路信號(hào)的轉(zhuǎn)換電路濾波電路調(diào)制與解調(diào)4.1電橋測(cè)量電橋有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)能把電阻、電容、電感等電抗參數(shù)的變化，變換成電壓或電流的變化，便于信號(hào)的放大和處理。(2)能測(cè)量出微弱的阻抗變化量。(3)可以通過(guò)采用對(duì)稱(chēng)差動(dòng)式傳感器結(jié)構(gòu)組成差動(dòng)半橋或全橋來(lái)實(shí)現(xiàn)非線(xiàn)性誤差的補(bǔ)償，并提高電橋輸出的靈敏度。4.1.1電橋的分類(lèi)

1.按電橋的工作狀態(tài)分類(lèi)按電橋的工作狀態(tài)分類(lèi)，可分為平衡電橋和不平衡電橋。2.按電橋的激勵(lì)電源分類(lèi)按電橋的激勵(lì)電源分類(lèi)，電橋分為直流電橋和交流電橋。而直流電橋又分為恒壓源電橋和恒流源電橋。3.按電橋的工作橋臂的個(gè)數(shù)分類(lèi)按電橋的工作橋臂的個(gè)數(shù)來(lái)分，電橋可分為單臂電橋、半橋（雙臂）和全橋。4.1.2直流電橋1.電橋的調(diào)零電路

4.1.2直流電橋2.不平衡直流電橋設(shè)電橋工作時(shí)，四個(gè)橋臂的電阻值分別變化了△R1、△R2、△R3和△R4，則忽略二階增量并考慮電橋的初始平衡有故由R1R4=R2R3有不平衡直流電橋的輸出靈敏度與以下幾個(gè)因素有關(guān)：①與電橋的供電電源電壓E成正比②與橋臂電阻的阻值比有關(guān)③與電橋的工作臂的個(gè)數(shù)有關(guān)4.1.2直流電橋不平衡直流電橋的應(yīng)用實(shí)例—電子秤4.1.2直流電橋3.平衡直流電橋特點(diǎn)：響應(yīng)速度慢，只適用于緩慢變化信號(hào)的檢測(cè)。測(cè)量精度高，其精度取決于電位器的精度。輸出與供橋電源電壓無(wú)關(guān)，可避免由于電源電壓的不穩(wěn)定而帶來(lái)的干擾。4.1.2直流電橋4.1.3交流電橋交流電橋平衡條件：即：幅值平衡相角平衡平衡條件即平衡條件即交流電橋的誤差分析①電橋中元件之間互感影響；②無(wú)感電阻的殘余電抗；③鄰近交流電路對(duì)電橋的感應(yīng)作用；④電容的泄漏電阻及元件之間、元件與地之間的分布電容等4.1.3交流電橋4.2信號(hào)的放大電路放大電路應(yīng)具有如下性能:①穩(wěn)定而足夠的放大倍數(shù)；②高輸入阻抗以與傳感器的輸出阻抗匹配；③高共模抑制比以抑制共模干擾；④低輸入失調(diào)電壓和電流、低溫漂和低噪聲典型放大電路1.直流放大電路—反相放大電路

提高R2的值可提高放大倍數(shù)，一般為幾十千歐至幾百千歐平衡電阻R3=R1//R2輸入電阻Ri=R1，輸出電阻趨于0。特點(diǎn)是性能穩(wěn)定，抗高頻干擾能力強(qiáng)，提高輸入阻抗與提高增益之間存在矛盾1.直流放大電路—同相放大電路

特點(diǎn)是抑制共模干擾能力差、輸入阻抗高、輸出阻抗低，抗高頻干擾能力強(qiáng)，廣泛用于前置放大級(jí)。差動(dòng)放大電路

4.2.1典型放大電路2.交流放大電路引入深度電壓并聯(lián)負(fù)反饋后，放大電路的增益為：3.電壓跟隨器特點(diǎn)：輸入阻抗高，輸出阻抗低作用：緩沖、隔離和提高帶載能力。在電路中可以起到阻抗匹配的作用，能夠使得后一級(jí)的放大電路更好的工作4.2.1典型放大電路4.2.2電荷放大電路輸出電壓與輸入電荷成比例關(guān)系，也稱(chēng)為電荷/電壓轉(zhuǎn)換電路則當(dāng)忽略傳感器的泄漏電阻Ra和集成運(yùn)算放大器的輸入電阻Ri，并且不考慮虛線(xiàn)部分電路時(shí)，有而則4.2.3儀表放大電路集成儀表放大器AD620是專(zhuān)門(mén)精密差分電壓的放大器，它源于運(yùn)算放大器，且優(yōu)于運(yùn)算放大器。具有高共模抑制比、高輸入阻抗、低噪聲、低線(xiàn)性誤差、低失調(diào)漂移、增益設(shè)置靈活和使用方便等特點(diǎn)4.2.3儀表放大電路集成儀表放大器AD620AD620特點(diǎn)是體積小、功耗低、噪聲低和輸入偏置電流低，通過(guò)外接電阻可以實(shí)現(xiàn)增益的調(diào)節(jié)，工作電源范圍為±(2.3~18)V，為雙對(duì)稱(chēng)電源供電，一般常用±12V。AD620可作為電橋和熱電偶的放大電路，增益要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，不同類(lèi)型的熱電偶的增益選擇不同。4.2.4程控增益放大電路是通過(guò)數(shù)字邏輯電路或計(jì)算機(jī)編程來(lái)改變?cè)鲆娴姆椒ǎ卜Q(chēng)為可編程增益放大電路，簡(jiǎn)稱(chēng)PGA結(jié)構(gòu)形式多種多樣，分為單運(yùn)放、多運(yùn)放、儀表放大器和單片集成程控增益放大電路多路模擬開(kāi)關(guān)A2A1A0為地址選擇端，COM為公共端，GND為接地端，當(dāng)A2A1A0

＝000時(shí)，開(kāi)關(guān)S0閉合，通道I0與公共端COM接通，其他開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；當(dāng)A2A1A0

＝001時(shí)，開(kāi)關(guān)S1閉合，通道I1與公共端COM接通，其他開(kāi)關(guān)斷開(kāi)；…，依此類(lèi)推。當(dāng)禁止端EN=0時(shí)，通道I0～I(xiàn)7均不通。4.2.4程控增益放大電路1.單運(yùn)放程控增益放大電路

2.儀表放大器程控增益放大電路3.集成程控增益放大電路—LH0084當(dāng)引腳6與10相連、13引腳接地時(shí)當(dāng)7與10相連、12接地時(shí)當(dāng)8與10相連、11接地時(shí)4.2.5放大電路應(yīng)用實(shí)例2.光敏信號(hào)放大電路

1.高精度壓力放大電路

4.2.5放大電路應(yīng)用實(shí)例3.霍爾傳感器放大電路

4.3信號(hào)的轉(zhuǎn)換電路是將電壓、電流、電阻和頻率等各類(lèi)信號(hào)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換的電路4.3.1阻抗與電壓的轉(zhuǎn)換2.電容/電壓轉(zhuǎn)換電路—運(yùn)算放大電路法1.電阻/電壓轉(zhuǎn)換電路2.電容/電壓轉(zhuǎn)換電路—諧振電路法4.3.1阻抗與電壓的轉(zhuǎn)換電壓和電流的相互轉(zhuǎn)換

1.電壓/電流轉(zhuǎn)換電路

集成電壓/電流轉(zhuǎn)換芯片AD694引腳名稱(chēng)功能1FB緩沖放大器輸出引腳，輸入信號(hào)一般不直接加在該引腳上2-SIG緩沖放大器的負(fù)引腳輸入3+SIG緩沖放大器的正引腳輸入42VFS輸入量程選擇引腳。接地：

0~2V；懸空：0~10V5COM公共端64mAADJ4mA偏置電流微調(diào)端。該引腳上電壓不允許超過(guò)1V710V

(FORCE)10V參考電壓輸出端。采用10V參考電壓時(shí)，要求電源電壓大于12.5V82V(SENSE)2V參考電壓輸出端。腳7與腳8短接時(shí)，得到2V參考電壓。采用2V參考電壓時(shí)，要求電源電壓+4.5V~+36V94mA(ON/OFF)4mA偏置電流選通端。接地，輸出4~20mA；接≥3V電壓，輸出0~20mA10ALARM輸出開(kāi)路或越限(腳11電壓高于Vs-2V)報(bào)警端。報(bào)警時(shí)，引腳被拉低，最大灌入電流20mA12Iout電流輸出端。使用外接NPN晶體管輸出時(shí)，接晶體管基極。13Vs電源電壓，+4.5V~+36V14BWADJ帶寬調(diào)節(jié)端。在腳13、14之間接適當(dāng)電容與內(nèi)部900Ω電阻構(gòu)成低通濾波15VosADJ輸入緩沖放大器偏置調(diào)節(jié)端。16VosADJ同上工作電壓是+4V~+36V，輸入電壓范圍為0V~2V，或0V~10V；輸出電流范圍為0~20mA或4~20mA。集成電壓/電流轉(zhuǎn)換芯片AD694輸入量程選擇引腳4懸空，表示輸入電壓范圍為0~10V，4mA偏置電流選擇引腳9接地，表示輸出電流范圍4～20mA4.3.2電壓和電流的相互轉(zhuǎn)換

2.電流/電壓轉(zhuǎn)換電路

集成電流/電壓轉(zhuǎn)換芯片—MAX472

A、B、C三點(diǎn)的電位相等，因此有isenseRsense=iOUTRG1，得：

電壓和頻率的轉(zhuǎn)換1.電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路

電壓頻率轉(zhuǎn)換電路能把輸入電壓轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào)輸出，輸出頻率與輸入電壓信號(hào)成比例，也稱(chēng)為電壓控制振蕩器（壓控振蕩器，VCO）(1)積分復(fù)原型T2<<T1，所以T=T1+T2≈T1，輸出脈沖的頻率fo

K閉合t0期間放掉的電荷量△Q1為(2)電荷平衡型

K斷開(kāi)t1期間，ui對(duì)電容充電電荷量△Q2=t1×i，而△Q1=△Q2，有：輸出脈沖uo的頻率fo為：(3)集成電壓/頻率轉(zhuǎn)換芯片—LM331輸出脈沖uo的頻率fo為：2.頻率/電壓轉(zhuǎn)換電路

輸出電壓uo和輸入頻率fi的關(guān)系為：4.4濾波電路

濾波電路（也稱(chēng)濾波器）就是一種選頻裝置，可使信號(hào)中特定的頻率成分通過(guò)，而極大的衰減其他頻率成分。濾波電路的功能是：①濾除測(cè)試系統(tǒng)中由于各種原因引入的噪聲和干擾；②濾除信號(hào)調(diào)制過(guò)程中的載波等無(wú)用信號(hào)；③用于分離各種不同的頻率信號(hào)，提取感興趣的頻率成分；④對(duì)系統(tǒng)的頻率特性進(jìn)行補(bǔ)償。濾波器的分類(lèi)

1.按處理信號(hào)的形式分

分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩類(lèi)2.按采用的元件分

分為無(wú)源濾波器和有源濾波器兩類(lèi)3.按信號(hào)選通的頻率范圍分

分低通、高通、帶通和帶阻濾波器4.4濾波電路

低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器4.4.2濾波器的基本參數(shù)

1.增益A0

指通帶內(nèi)的幅頻特性的幅值2.通帶截止頻率fpfp=ωp/2π為通帶與過(guò)渡帶邊界點(diǎn)的頻率，在該點(diǎn)信號(hào)增益下降到一個(gè)人為規(guī)定的下限。3.阻帶截止頻率frfr=ωr/2π為阻帶與過(guò)渡帶邊界點(diǎn)的頻率，在該點(diǎn)信號(hào)衰耗(增益的倒數(shù))下降到一人為規(guī)定的下限。4.轉(zhuǎn)折頻率fcfc=ωc/2π為信號(hào)增益下降了3dB時(shí)的頻率，常作為截止頻率。5.帶寬B

兩截止頻率之間的頻率范圍。即低通和高通濾波器B=fc，帶通和帶阻濾波器B=fc2

-fc1。6.品質(zhì)因數(shù)Q

對(duì)于帶通和帶阻濾波器來(lái)說(shuō)，Q=f0/B。越大，則濾波器的選擇性越好。7.倍頻程選擇性指在fc2與2fc2之間，或在fc1與fc1/2之間，幅頻特性的衰減值，用dB表示。它反映了濾波器對(duì)通頻帶以外的頻率成分的衰減能力。4.4.3模擬濾波器

1.無(wú)源濾波器(1)無(wú)源RC低通濾波器

時(shí)間常數(shù)τ=RC。將s=j2f代入得1.無(wú)源濾波器(2)無(wú)源RC高通濾波器

時(shí)間常數(shù)τ=RC。將s=j2f代入得4.4.3模擬濾波器

4.4.3模擬濾波器

1.無(wú)源濾波器(3)無(wú)源RC帶通濾波器

4.4.3模擬濾波器

2.有源濾波器(1)有源低通濾波器

二階有源低通濾波器

可改寫(xiě)為其中二階有源高通濾波器

其中二階有源帶通濾波器

其中頻率特性為幅頻特性為將ω=ωn代入得通帶增益為得品質(zhì)因數(shù)為：4.4.4濾波器的應(yīng)用

帶通濾波器用于信號(hào)的頻譜分析和信號(hào)中特定頻率成分的提??；低通濾波器用于濾出信號(hào)中的高頻干擾和噪聲；高通濾波器用于聲發(fā)射檢測(cè)儀中剔除低頻干擾噪聲；帶阻濾波器用作電渦流測(cè)振儀中的陷波器4.5調(diào)制與解調(diào)

調(diào)制就是用一個(gè)信號(hào)（稱(chēng)為調(diào)制信號(hào)）去控制另一個(gè)作為載體的信號(hào)（稱(chēng)為載波信號(hào)），讓后者的某一特征參數(shù)按前者變化。從已經(jīng)調(diào)制的信號(hào)中恢復(fù)出調(diào)制信號(hào)的過(guò)程稱(chēng)為解調(diào)。以高頻正弦信號(hào)作為載波信號(hào)時(shí)，可以對(duì)幅值、頻率和相位這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)制，分別稱(chēng)為幅值調(diào)制(AM)，即調(diào)幅；頻率調(diào)制(FM)，即調(diào)頻；相位調(diào)制(PM)，即調(diào)相幅值調(diào)制與解調(diào)1.幅值調(diào)制幅值調(diào)制（調(diào)幅）就是用被測(cè)低頻緩變信號(hào)與高頻信號(hào)相乘，使高頻信號(hào)的幅值隨被測(cè)信號(hào)的變化而變化，輸出的已調(diào)制波的過(guò)程。常用的方法是線(xiàn)性調(diào)幅，將被測(cè)信號(hào)x(t)和載波信號(hào)y(t)=sinω0(t)通過(guò)乘法器后，輸出xm(t)=x(t)y(t)=x(t)sinω0(t)即為調(diào)幅波1.幅值調(diào)制調(diào)幅的過(guò)程相等于頻譜“搬移”的過(guò)程2.幅值調(diào)制的解調(diào)

(1)包絡(luò)檢波法2.幅值調(diào)制的解調(diào)

(2)同步解調(diào)法

2.幅值調(diào)制的解調(diào)

(3)相敏檢波法

當(dāng)調(diào)制信號(hào)(被測(cè)信號(hào))x(t)為正時(shí)，調(diào)幅波xm(t)和載波y(t)同相位，若同為正半周期時(shí)同為負(fù)半周期