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文档简介

7.1 电子系统概述,7 信号检测与处理电路,信号检测系统基本框图,提取测信号,放大测量信号抑制干扰信号,进一步去除无用信号,联系处理系统的桥梁,信号加工处理系统,7.2.1 测量放大器,应用:热电偶、应变电桥、流量计、生物电测量等,7.2 信号检测系统中的放大电路,共模抑制比高,输入抗阻高,常用于测量直流缓变微弱信号,1. 三运放测量放大器,b. 电阻R3、R4、R5、R6要精密配合( R3= R5、 R4 =R6),a. 运放A1、A2的特性一致性,对电路要求:,(1)基本电路图,由图可知,(2)电路分析,输出信号共模信号uIc无关,令,因此,放大器具有很高的抑制共模信号的能力。,2. 单片集成测量放大器AD521,集成化的三运放测量放大器。,性能指标:,(2) 输入阻抗3109。,(3) 增益带宽大于2MHz。,(4) 电压放大倍数0.11000,(5) 电源电压 (518)V。,(6) 过载能力较强,动态特性好。,(1) 共模抑制比120dB。,(1) 引脚说明,(2) 基本连接方式图,7.2.2 隔离放大器,特点:,信号传递的主要方式:,电磁耦合,即经过变压器传递信号,光电耦合,输入回路与输出回路之间是电绝缘的。,二极管三极管型,1. 光电耦合隔离放大器,光电耦合器原理图,二极管二极管型,Io,b. 采用负反馈技术,光电耦合器的特点,a.耦合器中的发光和光敏元件都是非线性器件。,b.非线性器件传输模拟信号将会导致信号失真。,克服非线性失真采取的主要措施,a. 给非线性器件施加合适的直流偏置,在小范围内线性传输信息。,一种典型的光电耦合隔离放大器,电压并联负反馈,电压串联负反馈,电压并联负反馈,串联负反馈的判断,电压串联负反馈,电压并联负反馈,工作原理,O1、O2特性相同,uCE2,uCE1= uCE2,uCE1,O1、O2特性相同,uO= uCE1,uI= uCE2,uO = uI,uCE2,uCE1= uCE2,uCE1,实现信号隔离,实现信号传输,输入、输出级之间是电气绝缘的,uO = uI,放大器原理图,2. 变压器隔离放大器,调 制,给输入侧提供能量,两侧电源独立,恢复原低频信号,输入、输出侧间电气绝缘,变压器隔离放大器AD277原理图和引脚,7.3.1 滤波器的基础知识,功能:只允许某一部分频率的信号顺利的通过。,通带:能够通过信号的频率范围。,阻带:不能够通过信号的频率范围。,截止频率:通带和阻带之间的分界频率。,7.3 有源滤波器,滤波器的分类,a. 根据处理的信号不同,b. 根据使用的滤波元件不同,数字滤波器,模拟滤波器,RC型,LC型,RLC型,c. 根据工作频率不同,低通滤波器,高通滤波器,带通滤波器,带阻滤波器,全通滤波器,理想滤波器的幅频特性,低通,通 带,高通,带阻,带通,通 带,通 带,0.707,实际低通滤波器的幅频特性,实际特性,理想特性,阻带,过渡带,通带,一阶滤波器,二阶滤波器,高阶滤波器,无源滤波器,有源滤波器,滤器的阶数越高,性能越好。,组成: 由电阻、电容、电感等无源器件组成。,体积和重量比较大,电感还会引起电磁感应。,(a) 无源滤波器,电路简单,高频性能好,工作可靠,通带信号有能量损耗,负载效应比较明显,(b) 有源滤波器:,电路体积小、重量轻,通带内的信号可以放大,精度高、性能稳定、易于调试,负载效应小,组成:由电阻、电容和有源器件(如集成运放)组成,可以多级相联,用低阶来构成高阶滤波器,通带范围小,需要直流电源,适用于低频、低压、小功率等场合。,1. 一阶低通有源滤波器,7.3.2 低通有源滤波器,(1) 电路组成,(2) 电路性能分析,a. 电路的传递函数,式中,Z1(s),Z2(s),故,令,滤波器的截止角频率,滤波器的通带增益,b. 滤波器的频率特性,令 s=jw,式中,称为滤波器的截止频率,即,因电路的频率特性与f 的一次方有关,故称之为一阶RC低通有源滤波器,c. 滤波器的幅频特性,d. 相频特性,3dB,幅频特性曲线,-20dB/十倍频,(3) 一阶滤波器特点,a. 电路简单,b. 过渡带输出的衰减慢,衰减速率20dB /十倍频,2. 二阶有源低通滤波器,(1) 电路组成,(2) 电路分析,a. 电路的传递函数,无限增益多路反馈型,对节点1、2列方程得:,对节点1,对节点2,由上两式得,其中,电路的品质因数,滤波器的特征角频率,式中,为滤波器的通带增益,b. 滤波器的频率特性,令 s=jw,c. 滤波器的幅频特性,d. 滤波器的相频特性,e. 幅频特性分析,当n时,,由式,知,当n时,,电路具有低通滤波器特性,可见品质因数也影响滤波器频率特性,当=n时,,幅频特性曲线,这种滤波器称为切比雪夫(Chebyshev)型滤波器。,a. 特性有峰值。,b. Q值越大,尖峰越高 。,c. 当 时,电路将产生自激振荡。,d. 过渡带衰减速度较快。,c. Q值越小,通带有衰减衰减严重。,a. 特性无峰值。,b. 通带有衰减。,c. 幅频特性最平坦,a. 无峰值,b. 通带内的减最小,巴特沃斯(Butterworth)型滤波器的幅频特性,当,-40dB/十倍频,1一阶高通有源滤波器,7.3.3 高通有源滤波器,(1) 低通与高通电路的对偶关系,b. 电路分析,(2) 一阶高通滤波器,a. 高通滤波电路,(a) 传递函数,式中,通带增益,截止角频率,滤波器的频率特性,令,(b) 频率特性,滤波器的截止频率,(c) 滤波器的幅频特性,由,得,幅频特性曲线,2二阶高通有源滤波器,(1) 电路组成,(2) 电路分析,压控电压源型电路,等效虚线内的电路,等效电路,对节点3、2列方程,节点3,节点2,a. 传递函数,由以上两式电路的传递函数为,其中,品质因数,通带增益,特征角频率,b. 频率特性,令,c. 幅频特性,幅频特性曲线,7.3.4 带通和带阻有源滤波器,1 二阶带通有源滤波器,(1) 电路组成,(2) 电路分析,等效虚线内的电路,等效电路,对节点3、2列方程,节点3,节点2,中心频率,通带增益,品质因数,a. 电路的传递函数,得滤波器的频率特性,c. 频幅特性,b. 频率特性,将s=j 代入式,讨论:,电路具有带通特性,由,在截止频率上,即,求解上式得,d. 通频带,故 滤波器的通频带宽,可见,Q值越大,通频带越窄,选择性越强,带通滤波器的幅频特性,2二阶带阻有源滤波器,(1)电路组成,列节点电压方程,节点2,(1)电路分析,a. 传递函数,节点3,节点4,式中,其中:,故 传递函数,得滤波器的频率特性,将s=j 代入式,b. 频率特性,c. 滤波器的幅频特性,讨论:,可见电路具有带阻特性,令,即,解之得截止角频率,上限,d. 滤波器的阻带,下限,故 滤波器的阻带宽为,带通滤波器的幅频特性,功能:用来比较输入电压相对大小的电路。,输出端的信号状态只有高电平和低电平。,7.4 电压比较器,被比较的输入电压,比较电压(基准电压或参考电平),工作原理 输入信号偏离参考电压时,输出电压将发生跃变。,将输出电压发生跃变的现象称为比较器翻转。,7.4.1 单门限比较器,1. 零电平比较器,(2) 电路特点,a. 运放工作于开环状态,c. 输出电压uOVCC,(1) 电路组成,a. 当 时,,b. 当 时,,(3) 工作原理,(4) 传输特性,0,理想特性,实际特性,不灵敏区,(5) 电路存在的问题,a. 输出电压基本由电源电压确定。,b. 输出电平易受电源波动、饱和深度的影响。,c. 输出电平不易改变。,改进型的零电平比较器,限流电阻,双向限幅稳压管,输入保护电路,(3) 工作原理,(4) 传输特性,2非零电平比较器,电路简单,灵敏度高,抗干扰能力差,比较电压UR,输入电压,输出电压,单门限比较器抗干扰性能差的波形图,7.4.2 多门限比较器,1 迟滞比较器,1)反相输入迟滞比较器,给电路提供双极性参考电平,加速输出翻转过程,电路引入正反馈,反馈电压,输出电压,a. 工作原理,如果 uI UR,传输特性,此时,(b) 当uIUR=KUZ时,,传输特性,(c) 当uO=-UZ时,如果 uI UR,此时,(d) 当uIUR =-KUZ时,只要 uIUR ,,反相输入迟滞比较器传输特性,迟滞比较器的特点,(1) 提高了电路抗干扰能力。,(2) 降低了电路的灵敏度,(3) 不能分辨2KUZ 范围内变化的信号。,不能分辨区,说明迟滞比较器抗干扰性能的波形图,输入信号,输出信号,(2) 同相输入迟滞比较器,a.电路,b.特性分析,由图可知,根据比较器的特性,当 时电路翻转。,令,得比较器的翻转电平为,即当uI=KUZ时uO=0,只要,即,传输特性,只要,传输特性,输出维持原状态,传输特性,输出维持原状态,传输特性,同相输入迟滞比较器传输特性,具有逆时针旋转的特性,c. 特性平移的迟滞比较器,图中,即,令,得电路的翻转电平为,z,迟滞回环沿着坐标横轴平移,传输特性,设 UR0,右移,2. 窗口比较器,(1) 电路,D1导通, D2截止,A1输出高电平,A2输出低电平。,输出电压,2. 工作原理,晶体管T饱和导通,A2输出高电平,输出电压,A1输出低电平,D1截止, D2导通,晶体管T饱和导通,晶体管T截止,A2输出低电平,输出电压,A1输出低电平,D1截止, D2截止,用于工业控制系统,测量温度、压力、液面等的范围。,窗口比较器的主要应用,传输特性,LM111系列的封装形式和引脚排列,7.4.3 集成电压比较器,LM111系列典型应用电路,LM111系列实现的施密特电路,例1 在图示电路中,设各运放都具有理想特性。试求:,练习题,(c) 整个电路的上、下限截止频率fH和fL之值。,解 由图可知,运放A1A3构成三运放测量放大器,运放A4构成一阶低通滤波器,电容器C2 和负载RL构成高通滤波器。,(a) 写出uO3与ui的关系,(b) 电路的中频电压放大倍数,所以,Au1=Uo3/Ui=-3,(c) 整个电路的上、下限截止频率分别为,例2 在图示电路中,已知稳压管DZ1 、DZ2的击穿电压分别为UZ1=3.4V, UZ2=7.4V ,正向压降皆为UD1= UD2=0.6V ,运放A具有理想的特性。画出uI由-6V变至+6V,再由+6V变至-6V时电路的电压传输特性曲线。,解 (a) 由图可知电路的输出电压极限值,(b) 运放反相输入端电压,同相输入端电压,当输入电压uI由-6V 向+6V方向变化时,如果同相输入端的电压u+ 低于UR,输出电压uO为Uomin ;,当同相输入端的电压u+略高于UR时,比较器翻转,输出电压uO为Uomax 。,UH=5.3V,设此时的输入电压为UH,当uI由+6V向-6V 方向变化时,如果u+ 高于UR,输出电压uO为Uomax ;,当u+略低于UR时,比较器再次翻转,输出电压uO为Uomin 。,设此时的输入电压为UL,由此可画出电路的传输特性,例3 在图示电路中,设运算放大器A具有理想的特性,其最大输出电压,稳压管 的稳定电压为 ,试画出电路的电压传输特性曲线。,解 由图可知,当稳压管DZ击穿后,由于其动态电阻很小,电路引入深度负反馈。,故运放的“虚短” 仍然成立。,电路的输出电压,此时,电阻R3两端的电压为,当 时,输出高电平电压,当 时,输出低电平电压,由于运放的同相输入端电压,当 时电路的低电平阈值电压为,即当 时, ;,当 时, ;,由此可画出电压传输特性。,例4 电路如图所示,已知集成运A1 、A2 的性能理想。,(1) 写出 与 、 关系式。,(2) 设t=0 时,uO=12V ,uC(0)=0V。当uI1=-10V, uI2=0V时,

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