《信号调理电路》PPT课件.ppt

1 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 2 5 1概述 5 1 1检测系统的构成 3 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 4 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 5 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 6 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 7 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 8 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 9 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30MHz 若G 1000 则带宽小于30KHz 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 10 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33mV 58mV 数据采集卡输入范围为0 5V 4 5V 因此中间需要电平调整电路 调整电路应具有如下特性 33mV 58mV调整成0 5V 4V 留0 5V余量 11 5 2电平调整 12 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 13 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 14 5 2电平调整 15 5 2电平调整 电路的输出为 选取电阻值 使 输出简化为 16 5 2电平调整 Vi1 Vo 具有正负零位电压调整的三运放电压调整电路R1 R4 R2 R3 R5 R6 R1 R2 Vref R3 R4 Vi2 RG Vshift R5 R6 17 5 2电平调整 电路的输出为 18 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 19 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 20 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 21 5 3线性化 22 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 23 5 3线性化 解得 24 5 3线性化 也可以直接对输出电压进行线性化 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 25 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 26 5 3线性化 电阻 27 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 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 28 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 29 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 30 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 31 5 3线性化 利用运放构成对数电路 使输出电压为 32 5 3线性化 运放构成的对数电路原理图如 33 5 3线性化 PN结的伏安特性为 常温 25度 时 可以近似为 34 5 3线性化 运放构成的对数电路的输出为 35 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 36 5 3线性化 37 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 38 5 3线性化 电桥传感器非线性校正电路 39 5 3线性化 设电桥四臂电阻为R 传感器阻值为Rx 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Vo变化 若使AD521的增益AV与 乘积为2 则有 40 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 41 5 3线性化 输出经折线逼近可以得到 42 5 3线性化 电路 43 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 D1串联反向电压Uc1 R1Uc r1 R1 D2串联反向电压Uc2 R2Uc r2 R2 D3串联反向电压Uc3 R3Uc r3 R3 D4串联反向电压Uc4 R4Uc r4 R4 当输入信号Ui很小时 Ru R0 随着Ui的增大 四个二极管依次导通 实现分段拟合 44 信号制式 被测量电压 4 20mA 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 45 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 46 5 4信号变换 具有放大作用的浮地电压 电流变电路 47 5 4信号变换 接地负载电压 电流变电路 48 5 4信号变换 差动电压 电流变电路 49 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 50 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 51 5 4信号变换 电流经过长距离导线传输的电流电压转换 输入阻抗较小 信号源内阻不能太大 电压输出 10V 可以进行大电流转换 但注意电阻的发热问题 52 5 4信号变换 小电流 高输入阻抗电流 电压转换电路 输入阻抗大 可以进行小电流转换 电阻一般在100 1M 之间 过小则分布电阻影响大 过大则噪声大 精确度变差 53 5 4信号变换 纳安小电流电流 电压转换电路 如输入电流 10nA 第一级输出10mV 第二级增益为100 输出为1V 避免了采用大电阻 54 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 55 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 1mA电流源 输出级 AD650电压 频率转换原理 56 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 57 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 58 5 5滤波与阻抗匹配 59 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A0 输出电压与输入电压之比 截至频率fp 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 60 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 61 5 5滤波与阻抗匹配 有源滤波器 一阶有源低通滤波器 62 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 63 5 5滤波与阻抗匹配 64 5 5滤波与阻抗匹配 一阶高通滤波电路 65 5 5滤波与阻抗匹配 二阶高通滤波电路 66 5 5滤波与阻抗匹配 带通滤波电路 67 5 5滤波与阻抗匹配 带阻滤波电路 68 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 69 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 70 例 二阶RC有源低通滤波器设计 5 5滤波与阻抗匹配 71 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 n2 R1 R2 则 72 5 5滤波与阻抗匹配 为了得到较高的品质因数 n 1即R1 R2 C2 C1 73 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C1的值太大 重新选一个大一些的电阻若C2的值太小 重新选一个小一些的电阻若C2的值太小 C1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 74 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 75 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 76 5 6模拟数字转换电路 77 逐次比较式A D转换 5 6模拟数字转换电路 78 5 6模拟数字转换电路 特点 速度快 应用较广 79 跟踪比较型A D转换 5 6模拟数字转换电路 80 并行比较型A D转换 5 6模拟数字转换电路 特点 速度最快 结构复杂 81 A D转换精确度 5 6模拟数字转换电路 82 A D转换速度与应用 5 6模拟数字转换电路 83 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 84 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 85 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