传感与检测技术 教学课件 ppt 作者 刘传玺 第4章 信号的转换与调理

第四章 信号的转换与调理 山东科技大学 第四章 信号的转换与调理 v第一节 信号的放大与隔离 v第二节 调制与解调 v第三节 信号调理电路 v第四节 信号转换电路 v第五节 线性化处理 Date山东科技大学 第一节 信号的放大与隔离 v一、 测量放大器 v在典型的工业环境中，传感器到放大器的距离有时在3m以 上，为了测量由远距离处的传感输送的低电平信号，采用 的放大器就应有足够的共模抑制比、电压增益、输入阻抗 和稳定性。 v共模信号和差模信号是指差动放大器双端输入时的输入信 号。 v共模信号：双端输入时，两个信号同相。 v差模信号：双端输入时，两个信号的相位相差180度。 v任何两个信号都可以分解为共模信号和差模信号。 Date山东科技大学 （一）三运放测量放大电路 v如图4-1所示为并联差动输入测量仪用放大器电路。由于 该电路结构简单、性能较完善，广泛地应用在仪器仪表和 测控系统中。 UO2 A1 V o R6 R1 A3 R3 Ui2 RG R2 Ui1 R5 R4 A2 UO1 图4-1 并联差动输入仪用放大器 Date山东科技大学 v电路中，输入级由两个同相放大器并联构成。 v设同相放大器的输入阻抗为rin+，则 v差动输入阻抗rind 2 rin+， 共模输入阻抗rinc rin+ 2。 v由于运放输入阻抗高，设运放两输入端的电压相等，所以 v即 v代入（4-1）式，可得放大器前级的差模增益AVD1和共模 增益AVC1： Date山东科技大学 v由（4-4）式可以看出，前级电路不需要匹配电阻，理论 上放大器的共模抑制比为无穷大。但这是双端输出的情况 ，对后级电路而言，共模信号是按系数为1的比例由第一 级传输到第二级：Ui1 Ui2 UiC ，则UO1 UO2 UiC 。所以，三运放总的的差模增益AVD为（R3 R5， R4 R6 ）： 三运放电路的共模增益表达式与基本差动放大器相同。 Date山东科技大学 （二）集成测量放大器 v1、典型的程控仪用放大器集成电路芯片 vAD512,AD522，AD612，AD614,AD620，AD623：美国 AD公司生产 vINA114/118：BB公司生产的高精度仪用放大器。 vMAX4195/4196/4197：MAX公司生产 v2、仪用放大器的工作原理 v仪用放大器是在运算放大器的基础上演变而来的模拟集成 专用器件，其内部有如图4-1所示的三运放结构。 Date山东科技大学 v现以INA114集成仪用放大器为例说明仪用放大器的工作原 理。 vINA114是一种通用仪用放大器,尺寸小,精度高,价格便宜. 如图4-2所示，为INA114的内部结构图： Date山东科技大学 v可以看到： R1 = R2 = R3 = R4 = 25K ，所以，INA114的 输出为： v 即：Rf = R1 时，Vo = VS2 - VS1 。应当注意的是，由 于电路存在共模电压，应当选用共模抑制比较高的集成运 放，才能保证一定的运算精度。 Date山东科技大学 3、仪用放大器的特性参数 v仪用放大器的一部分特性参娄数是与运放相同的，但是它 所特殊性有的特性参数，主要有： v（1）增益方程式：仪用放大器所要求的增益与放大器增 益控制电阻的关系式 v（2）增益范围：使放大器正常工作的增益范围。低增益 时放大器稳定度好，高增益时性能（噪声和漂移）变差 v（3）非线性度：实际的输出和输入的关系曲线与一条理 想直线的偏差，用满度输出的百分数表示 v（4）失调电压：使输出电压为零而需要在输入端外加的 电压。 v（5）输入偏流：保证直流放大器的输入晶体管正常工作 所需要的偏置电流 Date山东科技大学 v（6）共模抑制比：当两个输入端具有等量电压变化时所 测出的输出电压的变化 v由于大多数仪用放大器的前端结构对共模式信号不放大， 因而CMRR随增益增大而增大。在高增益时放大器带宽下 降，差动输入级的相位差将导致共模误差 v二、 隔离放大器 v所谓隔离放大器，是指前级放大器与后级放大器之间没有 电的联系，而是利用光或磁来耦合信号，目前一般采用变 压器或光耦合传递信号。 Date山东科技大学 （一）光耦合器件 v目前用的较多的是利用光来耦合信号。用光来耦合信号的 器件叫光电耦合器，其内部有作为光源的半导体发光二极 管和作为光接收的光敏二极管或三极管。图4-3给出了常 见的几种光电耦合器的内部电路。 iF iO iFiO ( ) iF Oi c e iFiO e c Date山东科技大学 v图4-4所示为采用光电耦合器的光电隔离放大器。前级电 路把输入电压信号转换成与之成正比的电流信号，经光电 耦合器耦合到后级，光电耦合器中的硅光敏三极管输出电 流信号，运放A2把电流信号转换成电压信号。 VCC VCC A1 Vi R2 R1 A2 R3 T OE VO E Date山东科技大学 v图4-5中的电路采用两个光电耦合器，这样可得到较高的 线性。 Date山东科技大学 （二）变压器耦合器件 v图4-7为284型隔离器 Date山东科技大学 v284型隔离放大器为提高微电流和低频信号的测量精度,减 小漂移,其电路采用调制式放大,其内部分为输入、输出和 电源三个彼此相互隔离的部分,并由低泄漏高频载波变压器 耦合在一起。通过变压器的耦合,将电源电压送入输入电路 并将信号从输出电路送出。输入部分包括双极型前置放大 器、调制器； 输出部分包括解调器和滤波器,一般在滤波 器后还有缓冲放大器。 Date山东科技大学 v 隔离放大器由输入放大器、输出放大器、隔离器以及隔 离电源等几部分组成，如图4-8（a）所示。图4-8（b）为 隔离放大器的电路符号。 Date山东科技大学 v 隔离放大器结构主要采用电磁（变压器、电容）耦合和 光电耦合。 v如采用变压器耦合的隔离放大器AD210。 vAD210是三端口、宽带宽隔离放大器,具有完整的隔离功能 ，通过模块内部的变压器耦合提供信号隔离和电源隔离。 v此外，AD210可提供故障保护，防止测量系统的其它部分 受到损害。 v图4-9给出了精密宽带三端隔离放大器AD210的原理框图 。 Date山东科技大学 图4-9 AD210功能框图 Date山东科技大学 三、 程控增益放大器 v在实际电路中，往往需要分段改变放大器增益。把RW换 成阻值不同的若干个电阻并用开关切换，就成了实际电路 中常用的可变增益放大器。图4-10给出了同相可变增益放 大器的实用形式（请注意模拟开关的公共端接地或输出端 ，目的是减少模拟开关漏电的影响）。 Date山东科技大学 v现代测控系统都是采用微处理器或微控制器作为系统的控 制核心，因而可变增益放大器总是采用数控放大器的形式 。用模拟开关代替图4-10中可变电阻或波段开关可得到数 控增益放大器。如图4-11、4-12所示。 Date山东科技大学 v集成化的可变增益放大器有很多品种。单端输入的可变增 益放大器有PGA100、PGA103；差动输入的可变增益放 大器有PGA204、PGA205等等。 v程控放大器是智能仪器的常用部件之一，在智能仪器中， 可变增益放大器的增益由仪器内置计算机的程序控制。这 种由程序控制增益的放大器，称为程控放大器。 图4-13 程控放大器原理框图 Date山东科技大学 图4-14增益调控放大器 程控增益IA(Instrument Amplifier)的增益 由使用者对每个通道输入 信号大小预先作出估计， 编成软件存入计算机。 通道切换时，由计算机 将相应的增益代码送入程 控增益IA，即可得到预期 结果. Date山东科技大学 第二节 调制与解调 v对应于信号的三要素：幅值、频率和相位，根据载波的幅 值、频率和相位随调制信号而变化的过程，调制可以分为 调幅、调频和调相。其波形分别称为调幅波、调频波和调 相波，如图4-15所示。 Date山东科技大学 一、 调幅与解调 v 调幅是将一个高频振荡信号（载波信号）与测试信号（ 调制信号）相乘，使载波信号随测试信号的变化而变化。 调幅的目的是为了便于缓变信号的放大和传送，然后再通 过解调从放大的调制波中取出有用的信号。所以调幅过程 就相当于频谱“搬移”过程。而解调的目的是为了恢复被调 制的信号。 v 把调幅波再次与原载波信号相乘，则频域图形将再一次 进行“搬移”,其结果如图4-16所示。 Date山东科技大学 Date山东科技大学 v最常见的解调方法是整流检波和相敏检波。若把调制信号 进行偏置，叠加一个直流分量，使偏置后的信号都具有正 电压，那么调幅波的包络线将具有原调制信号的形状，如 图4-17所示。 Date山东科技大学 v若所加的偏置电压未能使信号电压都为正，则从图4-17可 以看出，只有简单的整流不能恢复原调制信号，这时需要 采用相敏检波方法。如图4-18所示为应变仪电路中常用的 环形相敏检波电路。 Date山东科技大学 v 图4-19是动态电阻应变仪的方框图。电桥由振荡器供 给等幅高频振荡电压（一般频率为10kHz或15kHz），被 测量（应变）通过电阻应变片调制电桥输出，电桥输出为 调幅波，经过放大，最后经相敏检波与低通滤波取出所测 信号。 Date山东科技大学 二、调频与解调 v（一）频率调制的基本原理 设调频波的瞬时频率为： 式中：0 为载波频率；D 为频率偏移，与调制信号的幅值成正比。 设调制信号x(t)为幅值为X0、频率为 m 的余弦波，其初始相位为0， 载波信号为: ，0m （ Date山东科技大学 调频时载波的幅度Y0和初始相位角j0不变，瞬时频率 (t)围绕 着0随调制信号电压作线性的变化，因此， 式中，D f是由调制信号X0决定的频率偏移，D=kX0。 k为比例常数，其大小由具体的调频电路决定。 由上式可见，频率偏移与调制信号的幅值成正比，与调制信号 的频率无关，这是调频波的基本特征之一。 Date山东科技大学 v调频是利用信号电压的幅值控制一个振荡器，振荡器输出 的是等幅波，但其振荡频率偏移量和信号电压成正比。信 号电压为正值时调频波的频率升高，为负值时则降低；信 号电压为零时，调频波的频率就等于中心频率。如图4-20 所示。 Date山东科技大学 （二）直接调频式测量电路 v 在测量系统中，常利用电抗元件组成调谐振荡器，以电 抗（电感或电容）作为传感器参量，以它感受被测量的变 化，作为调制信号的输 入，振荡器原有的信号振荡信号作 为载波。当有调制信号输入时，振荡器输出的即为被调制 了的调频波。当电容和电感并联组成振荡器的谐振 回路时 ，电路的谐振频率将为： v 若在电路中以电容为调谐参数，对上式进行微分，有： v所以，在0附近有频率偏移： Date山东科技大学 （三）调频波的解调 v调频波是以正弦波频率的变化来反映被测信号的幅值变化 的，因此，调频波的解调是先将调频波变换成调频调幅波 ，然后进行幅值检波。 调频波的解调由鉴频器完成。鉴频 器通常由线性变换电路与幅值检波电路组成，如图4-21所 示。 Date山东科技大学 第三节 信号调理电路 v一、采样-保持器 v要求输入到A/D转换器的模拟量在整个转换过程中保持不 变，但转换之后，又要求A/D转换器的输入信号能够跟随 模拟量变化。能够完成上述任务的器件叫做采样-保持器（ Sample/Hold），简写为S/H。 vS/H有两种工作方式，一种是采样方式，另一种是保持方 式。在采样方式中，采样-保持器的输出跟随模拟量输入电 压变化。在保持状态时，采样-保持器的输出将保持在命令 发出时刻的模拟量输入值，直到保持命令撤销（即再度接 到采样命令）时为止。此时，采样-保持器的输出重新跟踪 输入信号变化，直到下一个保持命令到来为止。描述上述 采样-保持过程的示意曲线图，如图4-22所示。 Date山东科技大学 v采样-保持器的主要用途是： v（1）保持采样信号不变，以便完成A/D转换； v（2）同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量； v（3）减少D/A转换器的输出毛刺，从而消除输出电压的峰 值及缩短稳定输出值的建立时间； v（4）把一个D/A转换器的输出分配到几个输出点，以保证 输出的稳定性。 图4-22 采样保持器的工作方式 Date山东科技大学 vLF198/298/398是由双极型绝缘栅场效应管组成的采样-保 持电路。它具有采样速度快，保持下降速度慢，以及精度 高等特点。LF198的逻辑输入有两个控制端全部为具有低 输入电流的差动输入，允许直接与TTL，PMOS， CMOS 电平相连。其门限值为1.4V。LF198供电电源可以从5V 到18V 。LF198/298/398的原理及引脚图，如图4-23和图 4-24所示。 Date山东科技大学 图4-24 LF198/LF298/LF398引脚排列图 Date山东科技大学 vLF198/298/398芯片各引脚功能如下： v（1）：Vin模拟量电压输入。 v（2）：Vout模拟量电压输出。 v（3）逻辑（logic）和逻辑参考（logic reFerence）：逻 辑及逻辑参考电平，用来控制采样-保持器的工作方式。当 引脚8为高电平时，通过控制逻辑电路A3使开关S闭合， 电路工作在采样状态。反之，当引脚8为低电平时，则开 关S断开，电路进入保持状态。它可以接成差动形式（对 LF198而言），也可以将参考电平直接接地，然后，在引 脚8端用一个逻辑电平控制。 v（4）偏置（OFFSET）：偏差调整引脚。可用外接电阻 调整采样-保持器的偏差。 v（5）CH：保持电容引脚。用来连接外部保持电容。 v（6）V+,V-：采样-保持电路电源引脚。电源变化范围为 5V到18V。 Date山东科技大学 二、 滤波电路 v（一）理想滤波器 理想滤波器是指通带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内的 频率成分都衰减为零的滤波器，其通带和阻带之间有明显的分 界线。也就是说，理想滤波器在通带内的幅频特性应为常数， 相频特性的斜率为常值；在通带外的幅频特性应为零。理想低 通滤波器的频率响应函数为： Date山东科技大学 （二）低通滤波器 v低通滤波器的功能是让直流信号及低于指定截止频率的低 频分量通过，而使大于截止频率的高频分量有很大衰减。 低通滤波器一般用截止频率 、阻带频率 、直流增益 、通带波纹和阻带衰减等参数来表示。图4-25为低通滤波 器幅频特性。选择不同的传递函数，低通滤波器的幅频特 性和衰减率均不一样。 v图4-26是利用反馈原理实现的一阶超低通滤波器。这个电 路的时间常数可达数百秒。用于超低频范围的自动控制、 信号检测及信号处理过程的惯性环节或作超低频积分器， 可有效地避免积分漂移，有较高的积分精度。 Date山东科技大学 Date山东科技大学 v图4-27为一阶RC低通滤波器的电路及其幅频、相频特性 。 Date山东科技大学 （三）高通滤波器 v高通滤波器的功能是让高于指定截止频率 的频率分量 通过，而使直流及在指定阻带频率 以下的低频分量有 很大衰减，同样，与低通滤波器情况相似，没有理想的幅 频特性。图4-28为一实际的高通滤波器的幅频特性。理论 上讲，高通滤波器在 处也应是通带。但实际上由 于寄生参数的影响及有源器件带宽的限制，当频率增至一 定值时，幅值将下降。 v图4-29为正增益单放大器组成的单端反馈二阶高通滤波器 。 Date山东科技大学 图4-30为RC高通滤波器的电路及其幅频、相频特性。 Date山东科技大学 （四）带通滤波器 v带通滤波器是只允许通过某一频段的信号，而在此频段两 端以外的信号将被抑制或衰减。其特性曲线如图4-31所示 。带通滤波器电路如图4-32所示。 Date山东科技大学 （五）带阻滤波器 v带阻滤波器的特性与带通滤波器相反，是专门用来抑制或 衰减某一频段的信号，而让该频段以外的信号通过。带阻 滤波器的特性如图4-33所示。图中实线是理想特性，虚线 是实际特性。 v由此可见，如从输入信号中减去经带通滤波器处理过的信 号，就可以得到带阻信号。因此，可将带通滤波器和减法 电路结合起来，就是一个带阻滤波器，其方框如图4-34所 示。 Date山东科技大学 v图4-35为带阻滤波器具体电路，组成反相输入型带通滤波 器，也就是的输出电压是输人电压的反相带通电压。组成 加法运算电路，显然，将与在输入端相加，则在的输出端 就得到了带阻信号输出。 Date山东科技大学 （六）数字滤波器 v数字滤波实际上是利用相应的数学运算对信号进行频率选 择。其中如果只是为了消除随机噪声的数字滤波又称为数 据的平滑处理或平滑滤波，对数字信号进行频率选择则称 为数字滤波。详细内容参考有关资料。 Date山东科技大学 第四节 信号转换电路 v一、电压-电流变换器 v电压-电流变换器的作用是将输入的电压信号转换成电流 信号输出。 v利用单位增益运算放大器与精密运算放大器可以组成差动 输入U-I变换电路，该电路的特点是负载电流与负载电阻 无关，仅与两输入电压之差成比例，其电路结构如图4-36 所示。 Date山东科技大学 v此电路可看成差动输入三信号的加减运算电路，其中R为 输出采样电阻，RL为负载电阻，R1=R3、R2=R4，I0RL 为负载端电压，负载端电压经运算放大器隔离后送运放A1 的基准端，由此可推导出输出电流与输入差动电压的关系 为 v输出电流I0与负载RL无关。 v单位增益运算放大器可采用美国BB公司生产的INA105， 使用INA105 时连接正负电源应通过尽可能靠近管脚的1 F的旁路电容，并可通过基准端接调整电路调整运放的失 调电压。 v图4-37是采用INA105组成差动输人U-I变换器电路。图中 的输出电流与输人差动电压的关系为 输出电流I0与负载RL无关，且当R=200时，电路的性能最好。 Date山东科技大学 图4-37 INA105 差动输人U-I 变换电路 Date山东科技大学 二、电流-电压变换器 v电流-电压变换器的作用是 将输入的电流信号变换成 电压信号。图4-38是采用 RCV420组成的精密I-U变 换器电路，它能将4 20mA输人电流转换成0 5V的电压输出。即当输人 电流为4mA时，变换器输 出电压为0V；当输人电流 为20mA时，输出电压为 5V。其单位电流的电压变 化率为 Date山东科技大学 三、V/F 转换器 v1、通用运放V/F转换电路 v如图4-9是一个由运放组成的V/F转换电路，N1、电阻、电 容构成积分器、N2是比较器，UZ为稳压管电压。 Date山东科技大学 Up两个典型值U1与U2分别为 V/F转换器输出信号波形 如图4-40所示。 Date山东科技大学 2、集成V/F转换器 v模拟集成V/F转换器具有精度高、线性度好、温度系数低 、功耗低及动态范围宽等一系列优点，目前已广泛应用于 数据采集、自动控制和数字化及智能化测量仪器中。 vLM131由输入比较器、定时比较器和RS触发器构成的单 稳定时器、基准电源电路、精密电流源、电流开关及集电 极开路输出管等部分组成。LM131系列转换器功能框图如 图4-41所示。 Date山东科技大学 Date山东科技大学 图4-42和4-43分别是LM131用作V/F转换器的简化电路及振荡波形图 图4-42 LM131用作V/F转换器的简化电路 Date山东科技大学 图4-43 LM131用作V/F转换器的振荡波形 Date山东科技大学 v原理分析如下：（1） 时，比较器输出高电平， Q=1，V导通，U0=0；开关S闭合， 对 充电， 逐渐 上升；与引脚5相连的芯片内放电管截止，U经 对 充 电， 上升，直至 。 v（2）当 ，Q=0，V截止，=+E；开关S断开 ， v 通过 放电， 下降； 通过芯片内放电管迅 速放电到零。当 ，开始新周期。 Date山东科技大学 四、F/V 转换器 v定义：把频率变化的信号线性地 转换成电压变化的信号。 v一般来说F/V转换器主要包括电 平比较器、单稳触发器和低通滤 波器三部分。 v输入信号通过比较器转换成快速 上升/下降的方波信号去触发单稳 触发器，产生定宽、定幅度的输 出脉冲序列。将此脉冲序列经低 通滤波器平滑，可得到比例于输 入信号频率的输出电压Vo。转换 原理见图4-44所示。 Date山东科技大学 1、通用F/V 转换电路 v通用转换电路F/V包括三个部分：电平比较器、单稳态触 发器和低通滤波器，如图4-45所示。 Date山东科技大学 v通用F/V转换电路的输入、输出波形如图4-46所示。 Date山东科技大学 3、集成F/V 转换电路 v集成F/V转换电路原理如图4-47所示。 Date山东科技大学 五、A/D转换电路 v（一） A/D转换 器 vA/D转换器实现 模拟量数字化的 过程。这一过程 包括采样、量化 和编码三个阶段 。 (a)采样 (b)量化编码 Date山东科技大学 v采样：依据采样定理按照一定的时间间隔从连续的模拟信 号中抽取一系列的时间离散样值。采样频率须满足： v量化：将幅度连续取值的模拟信号变为只能取有限个某一 最小当量的整数倍数值的过程称为量化。 v量化误差：通过量化将连续量转换成离散量，必然存在类 似于四舍五入产生的误差，最大误差可达到1LSB的1/2。 v分辨率：对应一个数字输出的模拟输入电压有一定的幅度 范围，若超过这个幅度范围，数字输出就会发生变化，这 样能分别的电压范围叫做分辨率。通常用LSB（Least Significant Bit）表示。 Date山东科技大学 v编码：一般编码与量化是同时完成的，通常所用的码制是二 进制原码。n位二进制编码(d1d2dn)为： Date山东科技大学 （二）AD转换器的类型 vA/D转换器种类繁多，一般可分为直接与间接型两类。 v直接型：又称比较型，它将模拟输入电压与基准电压比较 后直接得到数字输出（逐次逼近式A/D、并行式A/D）。 v间接型：又称积分型，它先将模拟电压转换成时间间隔或 频率信号，然后再把时间或频率转换成数字量输出，通常 比直接型要慢1000倍左右（双积分式A/D)。 Date山东科技大学 1、双积分式A/D转换器 v双积分式A/D转换器结构及原理图分别见图4-49和图4-50 所示。 图4-49 双积分式A/D转换器结构 Date山东科技大学 图4-50 双积分式A/D转换器原理图 Date山东科技大学 2、 逐次逼进式A/D转换器 v逐次逼近式A/D转换器结构框图如图4-51所示。 Date山东科技大学 v转换原理： v第一步：置逐次逼近寄存器的最高位为1，即100000 v第二步：经D/A转换为US，与输入电压Ui进行比较：若 USUi，表示数字码大，第一位置0；若USUR/2时，N2输出“1”电平，d1=1； vUi3UR/4时，N3输出“1”电平，d0=1； vUR/2UiUR/4时，N2输出“0”电平，d1=0，N1输 出“1”电平，d0=1； v优点：是转换速度高，缺点是难以达到高分辨率 ，组成电路复杂，价格昂贵。 Date山东科技大学 六、D/A转换电路 v对n位D/A转换器，设其输入是n位二进制数字输入信号Din (d1,d2,dn)，其中di(i=0,1,n)表示数字输入第i位的数 码，取0或1，数字量Din表示为： vDin = d12-1+d22-2+dn2-n v如果D/A转换器的基准电压位UR，则理想D/A转换器的输 出电压Uo可表示为： vUo= UR Din=UR(d12-1+d22-2+dn2-n) Date山东科技大学 1、加权电阻网络电路 v加权电阻网络D/A转换电路如图4-53所示。 缺点：权电阻规格太多，高低位权电阻及权电流的差值过大， 一般用于二进制位数不多的情况下。 Date山东科技大学 2、R-2R梯形电阻网络 Date山东科技大学 第五节 线性化处理 v一、非线性校正方法 v非线性校正方法通常有两种：开环节式非线性校正法和非 线性反馈校正法。这里重点介绍开环节式非线性校正法。 具有开环式非线性校正的测量仪表，其结构原理见图4-55 所示框图。 Date山东科技大学 v被测物理量x经传感器转换成电量u1，这种转换通常是非 线性的。u1经放大器放大后变为电量u2，放大器一般是线 性的。此处