模拟信号调理电路.ppt

6.1 传感器的选用 6.2 运用前置放大器的依据 6.3 常用放大器 6.4 信号调制与解调 6.5 信号滤波电路 6.6 信号转换电路 6.7 A/D转换电路 第六章 模拟信号调理 在一般测量系统中信号调理的任务 较复杂，除了实现物理信号向电信号的 转换、小信号放大、滤波外，还有诸如 零点校正、线性化处理、温度补偿、误 差修正和量程切换等，这些操作统称为 信号调理（Signal Conditioning），相 应的执行电路统称为信号调理电路。 传感器是信号输人通道的第一道环节，也 是决定整个测试系统性能的关键环节之一。要 正确选用传感器，首先要明确所设计的测试系 统需要什么样的传感器系统对传感器的技 术要求；其次是要了解现有传感器厂家有哪些 可供选择的传感器，把同类产品的指标和价格 进行对比，从中挑选合乎要求的性能价格比最 高的传感器。 6.1传感器的选用 (一) 对传感器的主要技术要求 1. 具有将被测量转换为后续电路可用电量的功 能，转换范围与被测量实际变化范围相一致。 2. 转换精度符合整个测试系统根据总精度要求 而分配给传感器的精度指标，转换速度应符合整 机要求。 3. 能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如 耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干 扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等。 4. 能满足用户对可靠性和可维护性的要求。 (二) 可供选用的传感器类型 对于一种被测量，常常有多种传感器可以 测量，例如测量温度的传感器就有：热电偶、热 电阻、热敏电阻、半导体PN结、IC温度传感器、 光纤温度传感器等好多种。在都能满足测量范围 、精度、速度、使用条件等情况下，应侧重考虑 成本低、相配电路是否简单等因素进行取舍，尽 可能选择性能价格比高的传感器。 1. 大信号输出传感器 :为了与A/D输入要求相适应，传感 器厂家开始设计、制造一些专门与A/D相配套的大信号输出 传感器。 传感器 传感器 传感器 小信号放 大 信号修正与变换 滤波A/ D 微机 微机 I/V转换 V/F 光电耦 合 小电流 小电压 大电 压 大电 流 图6.1 大信号输出传感器的使用 数字式传感器一般是采用频率敏感效应 器件构成，也可以是由敏感参数R、L、C构成 的振荡器，或模拟电压输入经 V/F转换等， 因此，数字量传感器一般都是输出频率参量 ，具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远 距离传送等优点。 2. 数字式传感器 传感器放大整形光电隔离计算机 传感器整形光电隔离计算机 频率量 输出 开关量 输出 图6.2 频率量及开关量输出传感器的使用 集成传感器是将传感器与信号调理电路做成 一体。例如，将应变片、应变电桥、线性化处理 、电桥放大等做成一体，构成集成压力传感器。 采用集成传感器可以减轻输人通道的信号调理任 务，简化通道结构。 3. 集成传感器 这种传感器其信号拾取、变换、传输都是通 过光导纤维实现的，避免了电路系统的电磁干扰 。在信号输入通道中采用光纤传感器可以从根本 上解决由现场通过传感器引入的干扰。 4. 光纤传感器 多数传感器输出信号都比较小，必须选用前 置放大器进行放大。 判断传感器信号“大”还是“小”和要不要 进行放大的依据又是什么？ 放大器为什么要“前置”,即设置在调理电路 的最前端？ 前置放大器的放大倍数应该多大？ 6.2 运用前置放大器的依据 VIN 前置放大器K0后级电路K VIS VIN0 VOS VON 图6.3 前置放大器的作用 VIN 前置放大器K0后级电路K VIS VIN0 VOS VON 图6.3 两种调理电路的对比 由于 K1,所以， ，这就是说， 调理电路中放大器设置在滤波器前面有利于 减少电路的等效输入噪声。 在智能仪器的信号调理通道中，针对被 放大信号的特点，并结合数据采集电路的现 场要求，目前使用较多的放大器有仪用放大 器、程控增益放大器以及隔离放大器等。 6.3 信号调理通道中的常用放大器 放大器(Amplifier)是信号调理电路中的重要元件， 合理选择使用放大器是系统设计的关键。智能仪器常 工作于恶劣环境中，要求放大电路兼有高输入阻抗、 高共模抑制比、低功耗等特性。程控放大器、测量放 大器、隔离放大器等是智能仪器中常用的放大器。 在通用测量仪器中，为了适应不同的工作条件，在整个 测量范围内获得合适的分辨率，提高测量精度，常采用可变 增益放大器。智能仪器含有微处理器，用仪器内置的程序控 制放大器的增益称为程控增益放大器（Programmable-Gain Amplifer），简称程控放大器( PGA ）。 6.3.1 程控放大器 程控反相放大器、程控同相放大器等程控反相放大器、程控同相放大器等 （1）程控反相放大器 由理想运放条件，有 6.4 一般反相放大电路 如图6.5所示，虚线框为模拟开关，模拟开关的闭合 位置受控制信号C1、C2的控制，反馈电阻又随开关位 置而变，从而实现放大器的增益由程序控制。当放大 倍数小于1时，程控反相放大器构成程控衰减器。 6.5 反相程控放大电路 (2)程控同相放大器 6.6 一般同相放大电路 同相放大器的增益 改变Rf或R1，同样可改变放大器的增益，但同相放 大器只能构成增益放大器，不能构成衰减放大器。 6.7 程控同相放大电路 图6.7为利用8选1集成模 拟开关CD4051构成程控 同相放大器的原理电路， 图中，C、B、A为通道 选择输入端，其状态由程 序（D2、D1、D0的状态 ）控制，C、B、A不同 的编码组合决定开关与哪 一通道接通，从而选择 R0R7之间的某个电阻 接入电路。实现程控增益 的功能。 CBA：000 3集成程控放大器 集成程控放大器种类繁多，如单端输入的 PGA103 PGA100；差分输入的PGA204、 PGA205等。本节介绍BURRBROWN公司的 PGA202/203程控放大器，它应用灵活方便，又 无需外围芯片。 （2）内部结构 GA202/203采用双列直插封装，根据使用温度范 围的不同，分为陶瓷封装(2585)和塑料封 装(070)两种。引脚排列和内部结构如图6.8 所示： 图6.8 PGA202/203引脚排列和内部结构图 其中，A0、A1为增益 数字选择输入端，与 TTL、CMOS电平兼容 ，可以和任何单片机的 I/O口直接相连，其增益 选择及增益误差见表2.1 。 表2.1增益选择及误差 除表中提供的几种增益外，PGA202/203外接如图 6.9所示的缓冲器及衰减电阻，改变电阻R1与R2的比 值，可获得更多不同的增益 图6.9 改变外接电阻获得可变增益图 增益与电阻的关系为 （3）PGA202基本用法 PGA202不需任何外部调整元件就能可靠工作。但为了 保证效果更好，在正、负电源端分别连接一个1F的旁路钽电 容到模拟地，且尽可能靠近放大器的电源引脚，如图6.10所示 ，由于11脚、4脚上的连线电阻都会引起增益误差，因此11、 4脚连线应尽可能短。 图6.10 PGA202的基本用法 PGA202/203与比较器、二进制加减计数器连接 可构成自动增益控制电路，如图6.11所示。 图6.11 利用PGA202自动增益控制电路 将PGA202和PGA203两片级联，如图6.12所示，A3、 A2、A1、A0组合可有16种状态，可在18000范围内选择 16种增益 。 图6.12 PGA202/203级联电路 A0A1A2A3 0 1 0 1 放大倍数是 多少？ 6.3.2 仪用放大器 在智能仪器中，常常需要精确放大带有一定共模干扰的微 弱的差模信号，要求放大电路输入阻抗和共模抑制比高、误差 小、稳定性好。这种用来放大传感器输出的微弱电压或电流信 号的放大电路称为仪用放大电路（测量放大电路）。 1仪用放大器原理 仪用放大器(Instrumentation Amplifier)由 3个运算放大器组成，如下图6.13所示 图6.13 仪用放大器原理 由上图得到运放的放大倍数 如何得到？ 推到过程 P17 将前述的可编程增益放大器PGA202/203的输入端接上运放 （如OPA27）及电阻网络，可组成低噪声的差分仪用放大器 ，如图6.14所示。图中使用PGA203由于电阻网络的存在，所 得到的放大倍数分别是100、200、400、800，即在原 PGA203增益的基础上增加了100倍。适当改变200的电阻， 还可得到其他放大倍数。 图6.14由OPA27及PGA203构成的可变增益仪用放大器 推导过程 2 .集成仪用放大器 集成仪用放大器有美国Analog Device 公司的522、 AD512、AD620、AD623 、AD8221，BB公司的 INA114、118；MAXIM公司的MAX4195、4196、 4197等。其中，INA114是一种通用仪用放大器，尺寸 小、精度高、价格低。 图6.16 INA114内部结构图 图6.17 INA114的基本连接方法 在靠近电源引脚处连接的去耦合电容主要用于 噪声或高阻电源场合，其输出 其中G为增益 “50k”是两个内部反 馈电阻之和，这两个电 阻为金属膜电阻，已用 激光调整到精确的值。 增益的精确度和漂移额 定值中包含了这两个电 阻的精确度和温度系数 ；为外部电阻，其稳定 性和温漂也对增益有影 响。从左式可见，增益 越高，需要的阻值越低 ，所以接线电阻也很重 要，线路上增加的插座 会使增益误差额外地增 加，并且很可能是不稳 定的误差。 6.3.3 隔离放大器 隔离放大器(Isolation Amplifier)输出 端和输入端各自具有不同的电位参考点、即 输入端和输出端没有直接的电耦合，而是通 过光、变压器或电容等耦合元件耦合。输入 端和输出端的绝缘电压一般达1000V以上， 绝缘电阻达数十。因此输入端的干扰不 会直接到达输出端，多路通道使用隔离放大 器时相互之间不会影响。当仪器工作环境噪 声较大而信号较小时，采用隔离放大器可保 护电子仪器设备和人身安全，提高共模抑制 比，获得较精确的测量结果。 隔离放大器的符号如图6.18所示 图6.18 隔离放大器的符号 按耦合器件的不同，可分为光电耦合、变压器耦 合和电容耦合三种。 1、光电耦合隔离放大器 光电耦合隔离放大器以光为耦合媒介，输入与输出在电 气上完全隔离，通过光信号的传递实现电信号的传递。 图6.19为光电隔离放大器基本原理，输入级激励发光管，由 光电管将光信号耦合到输出级，实现信号的传输，保证了输 入和输出间的电气隔离。其输入、输出级之间不能有电的连 接，即前、后级不能共用电源和地线。 图6.19 光电隔离放大器基本原理 采用光电耦合原理的隔离放大器有BURR-BROWN公 司（以下简称BB公司）的ISO100、ISO130、3650、 3652、惠普公司(HP)的HCPL7800/7800A/7800B等。 为简化电路、节省空间、降低成本、提高性能，有一 些隔离放大器提供了内置DC/DC变换器，给使用者提 供更大的灵活性，如BB公司的 IS0212、ISO213、 Analog Devices公司(以下简称AD公司)的AD202， AD204、AD210、AD215等。本节介绍BB公司生产 的光电隔离放大器3650，其电路原理如下图2.20所示 图6.20 光电隔离放大器3650的电路原理图 理想运算放大器A1和光电二极管、发光二极管构成负反馈回 路，用于减小非线性和时间温度的不稳定性。 VD1、VD3分别为输入端和输出端的两个性能匹配的光电二 极管，它们从发光二极管VD2接收到的光量相等 即 由理想运放特性知 输出回路中，放大器A2与内置电阻 （ ）构成I/V转换 电路，有 可见，输出与输入成线性关系。只要VD1、 VD3一致性得到 保证，信号的耦合就不会受光电器件的影响。 2、变压器耦合隔离放大器 变压器耦合隔离放大器的输入部分和输出部分采 用变压器耦合，信息传送通过磁路实现。典型的隔离 放大器原理如图6.21所示 图6.21隔离放大器原理图 输入级将传感器送来的信 号滤波和放大，并调制成交 流信号，通过隔离变压器耦合 到输出级；输出级把 交流信号 解调成直流信号，再经滤波和 放大，输出直流电压。放大器 的两个输入端浮空，能够有效 地 起测量放大器的作用。 变压器耦合的隔离放大器有BB公司的ISO212、3656， AD公司的AD202、AD204、AD210、AD215等。其中 AD202/AD204是一种微型封装的精密隔离放大器，具有精 度高、功耗低、共模性能好、体积小和价格低等特点。 AD202功能框图如图2.22所示，芯片由放大器、调 制器、解调器、整流和滤波、电源变换器等组成。 图6.22 AD202内部结构图 3、电容耦合隔离放大器 采用电容耦合的隔离放大器如BB公司的ISO102、ISO103 、ISO106、ISO107、ISO113、ISO120、ISO121、ISO122 等。其中，1SO122采用常规的双列式封装，价格便宜、使用 方便。主要技术指标如下： 额定隔离电压1500V（交流60Hz连续） 隔离阻抗 输入电压范围12. 5V 输入电阻200k 输出电源范围12. 5V 返 回上 页下 页 ISO122的原理框图如图2.23所示。输入和输