第9章 信号处理电路.ppt

第9章信号处理电路 9 1信号放大电路9 2信号滤波电路9 3信号转换电路 在检测系统中 被测的非电信号经传感器后变换为电信号 如电压 电流和电阻等 但传感器输出的电信号往往都是很微弱且输出阻抗高 输出信号在包含被测信号的同时 又不可避免被噪声所干扰 因此 传感器输出的信号不一定能直接利用 有时必须进行信号处理 信号处理电路是检测系统的组成部分 中间变换装置 它是传感器与后续电路 设备的接口 它的输入是传感器的输出信号 输出为适合于传输 显示 记录或者能更好地满足后续标准设备或装置要求的信号 功能 放大 滤波 隔离 标准化输出 线性化处理 温度补偿 误差修正 量程切换等 9 1信号放大电路 信号放大电路是传感器信号处理电路最常用的电路 传感器的输出电压或电流一般都比较小 电压为微伏级或毫伏级 电流为微安级或毫安级 通常采用集成运算放大器 OperationAmplifier 构成放大电路 集成运算放大器是内部具有差分放大器的集成电路 有两个输入端和一个输出端 端为同相输入端 表示输出信号与输入信号相位相同 端为反相输入端 表示输出信号与输入信号相位相反 理想运算放大器具有如下特点 1 开环放大倍数无穷大 2 输入阻抗无穷大 3 输入间的电流 电压等于零 一 基本运算放大器 1 反相放大器 反相放大器电路的闭环增益为 2 同相放大器 同相放大器电路的闭环增益为 3 差动放大器 差动放大器 根据理想运放条件和虚断的概念 可得 通常取R1 R3 R2 R4 又有UP UN 所以可得电路的增益为 可见 差动放大器的输出电压与输入电压差成正比 4 电荷放大器 如图 由于放大器的直流输入电阻很高 传感器的输出电荷Q只对电容Cf充电 Cf上的充电电压即为电荷放大器的输出电压 二 测量放大器 运算放大器对微弱信号的放大 仅适用于信号回路不受干扰的情况 然而 传感器的工作环境往往比较恶劣 在传感器的输出端上经常产生比较大的干扰信号 有时是完全相同的 即共模干扰 对简单的反相输入或同相输入接法 由于电路结构的不对称 抵御共模干扰的能力很差 故不能用在精密测量场合 因此需要引入另一种形式的放大器 即测量放大器 又称仪用放大器 数据放大器 它广泛用于传感器的信号放大 特别是微弱信号及具有较大共模干扰的场合 测量放大器由三个运放放大器组成 期中A1 A2两个同相放大器组成前级 为对称结构 输入信号加在A1 A2的同相输入端 A3是增益为1的差动放大器 RG为增益调节电阻 测量放大器中只有RG为外接电阻 测量放大器是在单运放基础上发展起来的专用集成放大器 其差动输入阻抗高 共模抑制比高 偏置电流低 有良好的温度稳定性及噪声单端输出和增益调整方便等优点 因此适用于传感器电路中 目前 国内外已有不少厂家生产了许多型号的单片测量放大器芯片 供用户选用 如美国AnalogDevices公司生产的AD612 AD614 AD521和AD522等 国内生产的有ZF603 ZF604等 三 程控增益放大器 当传感器的输出与自动测试装置或系统相连时 特别是在多路信号检测时 各检测点因所用的传感器不同 即使同一类型传感器 根据使用条件的不同 输出信号电平也有较大的差异 通常从微伏到伏 变化范围很宽 由于A D转换器的输入电压通常规定为0 10V或者 5V 因此若将上述传感器的输出电压直接作为A D转换器的输入电压 就不能充分利用A D转换器的有效位 影响测量范围和测量精度 因此必须根据输入信号电平的大小 改变测量放大器的增益 使各输入通道均用最佳增益进行放大 为满足此需要 在含有微机的检测系统中通常采用一种新型的可编程增益放大器PGA ProgrammableGainAmplifier 它是通用性很强的放大器 其特点是硬件设备少 放大倍数可根据需要通过编程进行控制 目前 测控系统中使用的可编程增益放大器主要有 浮点放大器型 增益电阻切换型和D A转换型 1 浮点放大型 它是通过数控开关来增加或减少串接放大器的节数 以此改变放大器的总增益 如图 这种数控增益放大器在数字地震仪中称为浮点放大器 图 a 中的每节放大器的增益均为22 开关K0 K7称为增益开关 受增益逻辑电路控制 任何时刻只有一个开关接通 因此K0 K7单独接通时 浮点放大器的增益分别为40 41 47 图 b 中 增益逻辑电路通过5节放大器中的一节或几节用开关旁路或接入的办法来改变整个放大器的增益 5节放大器全被旁路时总增益为20 5节放大器全被接入时总增益为25 2 增益电阻切换型 这种放大器是采用可编程控制的多路开关来切换放大器中决定增益的电阻 以此改变放大器的增益 如图即为由比例运算放大器和多路开关组合而成的数控增益放大器 同样 测量放大器配接可编程多路开关 也可以组成可编程增益放大器 某些测量放大器将设定增益所需的电阻 多路开关及其控制电路与运放都集成在同一组件中 构成集成程控增益测量放大器 如 美国AD公司生产的LH0084和AM542 四 隔离放大器 在自动检测系统中 人们希望在输入通道中把工业现场传感器输出的模拟信号与检测系统的后续电路隔离开来 即无电的联系 这样可以避免工业现场送出的模拟信号带来的共模电压及各种干扰对系统的影响 目前 对于模拟信号的隔离广泛采用隔离放大器 普通的差动放大器和测量放大器 虽然也能抑制共模干扰 但却不能允许共模电压高于放大器的电源电压 而隔离放大器不仅有很强的共模抑制能力 而且也能承受上千伏的高共模电压 因此 隔离放大器一般用于信号回路具有很高 数百伏甚至数千伏 的共模电压的场合 隔离放大器按耦合方式的不同 可以分为变压器耦合 电容耦合和光电耦合三种 隔离放大器的符号如图所示 光电耦合器具有体积小 使用寿命长 工作温度范围宽 抗干扰性能强 无触点且输入与输出在电气上完全隔离等特点 光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电 光 电转换器件 它由发光源和受光器两部分组成 把光源和受光器组装在同一密闭的壳体内 彼此间用透明绝缘体隔离 发光源的引脚为输入端 受光器的引脚为输出端 常见的发光源为发光二极管 受光器为光敏二极管 光敏三极管等 光电耦合隔离方法是通过光信号的传送实现耦合的 输入和输出之间没有直接的电气联系 具有很强的隔离作用 在实际中应用很广泛 但是光电耦合器件具有非线性电流传输的特性 如果直接用于模拟量的传输 则线性度和精度都很差 于是 很多国外的公司相继推出线性光耦隔离放大器 它利用发光二极管LED与两个光电二极管进行耦合 一路反馈到输入端 一路耦合到输出端 经过激光调整精心匹配 线性度和稳定度都很好 性能优良的线性光电耦合放大器 9 2信号滤波电路 允许一定频率范围的信号顺利通过 抑制或削弱 即滤除 那些不需要的频率分量的过程称为滤波 滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统 具有滤除噪声和分离各种不同信号的功能 几乎所有的数据采集应用都会受到一定程度的噪声 如50Hz或60Hz 来自于电线或机械设备 的干扰 滤波器在一定的频率范围内去除不希望的噪声 对于滤波器 信号能够通过它的频率范围称为频率通带 被它抑制或极度衰减掉的信号频率范围称为频率阻带 通带与阻带的交接点称为截止频率 滤波器按功能可分为 1 低通滤波器 LPF Low PassFilter 2 高通滤波器 HPF High PassFilter 3 带通滤波器 BPF Band PassFilter 4 带阻滤波器 BEF BandEliminationFilter 1 一阶低通滤波器 如图所示 设上限截止频率为fH 通带放大倍数为AP 传递函数为L s 则 一阶低通滤波器 2 一阶高通滤波器 如图所示 设下限截止频率为fL 通带放大倍数为AP 传递函数为H s 则 一阶高通滤波器 3 带通滤波器 如图所示 设上限截止频率为fH 下限截止频率为fL 通带放大倍数为AP 传递函数为B s 则 带通滤波器 9 3信号转换电路 传感器输出的微弱信号经放大后还要根据后续的测量仪表 数据采集器 计算机外围接口电路等仪器对输入信号的要求 将信号进行相应的各种变换 如 电压 电流变换 电压 频率变换 模拟 数字变换 数字 模拟变换等等 1 电压 电流转换 把直流信号电压变换成直流电流后 再进行传输 可以减小传输中线路电阻和负载电阻变化的影响 信号的量程通常为4mA 20mA 如图 为一种简单的电压 电流转换电路 RL为负载电阻 信号电压在运放同相端输入 利用理想运放条件 流过负载RL的电流与流过电阻R1和R2的电流相等 且反相端电位与同相端电位相等 由此可得电流为 可见 输入电压V变换为电流信号I输出 变换系数可由R2调节 简单的电压 电流转换电路 2 电流 电压转换 最简单的I V转换可以利用一个电阻将电流信号转换为电压信号 如用500 的精密电阻 将0 10mA的电信号转换为0 5V的电压信号 对于不存在共模干扰的0 10mA的直流信号 可用如图所示的电阻式I V转换 其中RC构成低通滤波网络 RW用于调整输出电压值 3 电压 频率转换 电压 频率转换 U F 是将模拟输入电压转换成与之成正比的振荡频率 它的用途除了用于提高抗干扰能力而将模拟量转换为数字量外 还可以提供一种节省系统接口资源的选择 在两线式高抗扰数据传输方面有广泛应用 如图 运放与电容C组成了积分器 场效应管FET为积分器的复原开关 当积分电容充电至电压比较器的下限阈值电平时 电压比较器翻转 输出一个信号使FET导通 这时 电容C通过开关迅速放电 使积分器复原至比较器上限阈值电平 比较器再次翻转 输出信号使开关FET截止 于是积分器再次开始积分过程 设T为积分时间 tc为放电时间 当t T时 积分结束 此时电容上的电压等于比较器下限阈值电压 所以 充放电频率为 当充放电频率低 并且放电迅速时 可忽略tC 这时 抗干扰技术 检测系统的干扰来自机械 化学 热 光 温度 电磁等方面 对电测系统 电磁干扰是最主要的 一 噪声与干扰 定义 噪声指检测系统的传感 处理 传输通道中除有用信号以外的成分 干扰指具有一定幅值和一定强度 能够影响检测系统正常工作的噪声 二 分类 常见的噪声干扰源有一下四种 1 机械干扰指机械振动或冲击使电子测量装置中的元件发生振动 改变了系统的电气参数 造成可逆或不可逆的影响 2 化学及湿度干扰化学物品及其他腐蚀性气体侵入检测装置内部 腐蚀电气元件 产生电化学噪声 环境湿度增大会使绝缘电阻下降 使电介质的介电常数增大 使金属材料生锈等 3 热干扰各种电子元件都有一定的温度系数 温度变化时 电路参数会随之改变 引起误差 接触热电动势 在电路中 电子元件本身产生的 具有随机性 宽频带的噪声称为固有噪声 影响最大的有以下四种 电阻热噪声 任何电阻即使不与电源相接 它的两端也有一定的噪声电压产生 这个噪声电压是由于电阻中的电子无规则的热运动引起的 散粒噪声 散粒噪声存在于电子管和半导体两种元器件中 在电子管里 散粒噪声来自阴极电子的随机发射 在半导体内 散粒噪声是通过晶体管基区载流子的随机扩散以及电子 空穴对的随机发生及复合形成的 接触噪声 接触噪声是由两种材料之间不完全接触 从而形成电导率的起伏而产生的 它发生在两个导体连接的地方 如继电器的接点 电位器的滑动触点等 电 磁干扰 在工业生产中大量的用电设备会产生火花放电 并向周围辐射出各种频率的电磁波 广播 电视 雷达及通讯设备等也会发射出功率强大的电磁波 4 固有噪声干扰 三 噪声形成干扰的三要素 噪声对检测装置或系统形成干扰 必须同时具备三要素 1 噪声源 作用是产生噪声 2 噪声接收电路 作用是接收噪声 通常是检测系统中对噪声敏感的电路 3 噪声传输通道 作用是传递噪声 即把噪声源产生的噪声传递到噪声接收电路 四 干扰的作用方式 各种噪声源对测量装置的干扰一般都作用在输入端 并通过多种耦合方式进入仪表 根据干扰作用方式及有用信号的联系 可将其分为差模干扰和共模干扰 1 差模干扰差模干扰又称串模干扰 指干扰信号与有用信号按电压源的形式串联 或按电流源的形式并联 起来作用在输入端的干扰 2 共模干扰共模干扰又称对地干扰 它是相对于公共的电位基准点 通常是接地点 在检测仪表的两个输入端上同时出现的干扰 造成共模干扰的主要原因是被测信号的参考接地点和检测装置输入信号的参考接地点不同 因此就会产生一定的电压差值 虽然它不直接影响测量结果 但是当信号输入电路参数不对称时 它会转化为差模干扰 对测量产生影响 共模干扰的电压值一般都比较大 其幅值可达几伏甚至更高 共模干扰对测量影响更为严重 3 共模干扰抑制比 CMRR CommonModeRejectionRatio 共模干扰只有转换成差模干扰才能对检测装置产生干扰作用 所以它对检测装置的影响大小直接取决于共模干扰转换成差模干扰的大小 为了衡量检测系统对共模干扰的抑制能力 引入 共模干扰抑制比 这一概念 它指作用于检测系统的共模干扰信号与使该系统产生同样输出所需的差模信号之比 用CMRR表示 共模抑制比是检测装置对共模干扰抑制能力的量度 其值越高 说明装置对共模干扰的抑制能力越强 五 抗干扰技术 一 屏蔽技术 利用金属材料制成容器 将需要防护的电路包在其中 可以防止电场或磁场的干扰 此种方法称为屏蔽 屏蔽可分为静电屏蔽 电磁屏蔽和低频磁屏蔽等 1 静电屏蔽根据电学原理 在静电场中 密闭的空心导体内部无电力线 即内部各点等电位 用铜或铝等良导体金属材料制作的封闭金属容器 与地线连接 把需要屏蔽的电路置于其中 可以使外部干扰电场的电力线不影响内部的电路 反之 内部电路产生的电力线也无法外逸去影响外电路 2 电磁屏蔽电磁屏蔽也是采用良导体金属材料做屏蔽罩 基于电涡流原理 使高频干扰电磁场在屏蔽金属内产生电涡流 消耗干扰磁场的能量 并利用涡流磁场抵消高频干扰磁场 从而使屏蔽罩内部的电路免受高频电