信号转换电路PPT课件

1 附加内容信号调理电路 1数据采集系统中信号调理电路作用2物理量变换电路3电压比较电路4相位计5峰值检波器6有源RC滤波器7电压频率转换电路 2 一数据采集系统中信号调理电路作用 接口作用信号调理电路首先要完成信号的电平和极性等的转换 以便与A D转换器所需要的电平极性匹配 其次要完成对信号的放大 然后还有对信号进行极性转换 同时还有阻抗变换的作用 以隔离后面的负载对信号源的影响 抑制干扰并提高信噪比由于被采集信号比较微弱 容易受到干扰 因此采用信号调理电路尽量抑制干扰和噪声 滤波去除被采集信号的高频噪声 3 1 电压 电流转换器 图8 19电压 电流转换器 a 负载浮置 b 负载接地 二物理量变换电路 4 按理想运放分析 则流过RL的电流是 若负载RL的一端接地 则可用图8 19 b 所示的电路 根据图中符号写出 利用线性叠加原理 5 若要求iL与uo无关 则需要满足R3 R2 R R1 这样 负载上流过的电流是 可见 负载电流与输入电压成正比 6 2 电流 电压转换器 图8 20电流 电压转换器 Uo iSRf 7 3 压电转换 图8 21压电转换电路 8 再令只有同相侧输入时 输出电压为uo2 由于 uo uo1 uo2 求得 9 4 热电转换 10 5 光电转换 1 硅光电二极管放大电路 图8 23硅光电二极管放大电路 11 2 光电耦合电路 图8 24光电耦合放大电路 12 电压比较电路 比较器用通用运算放大器和专用集成比较器的区别 1 比较器的一个重要指标是它的响应时间 它一般低于10 20ns 响应时间与放大器的上升速率和增益 带宽积有关 因此 必须选用这两项指标都高的运算放大器作比较器 并在应用中减小甚至不用相位补偿电容 以便充分利用通用运算放大器本身的带宽来提高响应速度 2 当在比较器后面连接数字电路时 专用集成比较器无需添加任何元器件 就可以直接连接 但对通用运算放大器而言 必须对输出电压采取嵌位措施 使它的高 彽输出电位满足数字电路逻辑电平的要求 三电压比较电路 13 1电压比较电路 1 电平比较电路 单阈值比较器 a 差动比较电路 14 b 求和比较电路 阈值可变 优点 阈值可变缺点 振零现象 15 二 滞回比较电路 正反馈阈值 两个阈值 在反向输入单门限比较器的基础上引入了正反馈网络 组成了具有双门限值的反向输入迟滞比较器 门限电压的估算 16 门限电压的估算 17 三 窗口比较电路 单方向多个阈值 18 2 比较器的应用 图8 27比较器用于波形变换 a 电路 b 输入正弦波 c uo波形 d u 波形 e UL波形 1 波形变换 i CduC dt 19 四相位计 可测量两个正弦波电压之间的相角 只要把两个电压都转换成脉冲 可测出由两个正弦波转换成的两个脉冲的间隔时间 这个时间间隔与相位差成比例 这种相位计能测量0 到360 的相角 20 五峰值检波器 图8 33峰值检波器特性 21 1 单向峰值检波器 图8 34单向峰值检波器 22 2 峰 峰值检波器 图8 35峰 峰值检波器组成方框图 23 六有源RC滤波器 低通滤波器 1 基本特性 图8 36低通滤波器的特性 24 2 一阶低通滤波器 图8 37一阶低通滤波器 a 电路 b 幅频特性 25 式中 0 1 RFCF或f0 1 2 RFCF f0是滤波器的截止频率 幅频特性和相频特性分别为 26 一阶低通滤波器的优点是电路简单 只需一个电容器 缺点是幅频特性偏离理想特性甚远 阻带区衰减太慢 衰减斜率仅为 20dB 十倍频程 3 二阶低通滤波器 图8 38二阶低通滤波器 a 电路 b 幅频特性 27 28 由上述关系式可得 式中 固有振荡角频率为 阻尼系数为 29 幅频特性为 在有源滤波器的应用中 一般取阻尼系数 1 当 1 时 幅频特性出现共振峰 将式 8 52 的分母对 微分 并令它等于零 便可求得出现共振峰时的角频率为 8 52 p叫作峰值角频率或谐振角频率 它对应的最大幅值为 8 54 30 当 1 时 式 8 52 变为 幅频特性没有峰值 当 n时 有 按 3dB定义截止频率时 1 时的截止角频率 0就是固有振荡角频率 n 即 31 当 1 时 幅频特性有峰值 按规定截止角频率是幅频特性从峰值回到起始值时的角频率 为此令式 8 52 分母等于1 可求得截止角频率 的大小也决定了峰值和起始值之差 由式 8 54 可得 32 2 高通滤波器 1 基本特性 图8 39高通滤波器幅频特性 33 2 二阶高通滤波器 图8 40二阶高通滤波器 a 电路 b 幅频特性 34 其幅频特性为 8 60 35 式中 若取C1 C2 C 上式简化为 36 与二阶低通滤波器一样 为了改善衰减特性 阻尼系数一般取 幅频特性将出现共振峰 将式 8 60 分母对 微分 并令它等于0 可求得出现共振峰的角频率 p为 当时 所以截止角频率仍与式 8 56 相同 即 0 n 37 当 1 时 幅频特性有峰值 按规定可令式 8 60 右边分母为1 求得截止角频率为 若已知Af n和 其设计方法和步骤如下 按电容量的标称值选择电容C1 C2 C Af 1 10范围内 根据截止频率初选C值 38 按Af和运放输入端平衡电阻要求 确定Rf RF 即根据Af 1 RF Rf和R2 Rf RF可导出 39 3 带通滤波器 1 基本特性 图8 41带通滤波器的幅频特性 40 式中 2为高端3dB角频率 1为低端3dB角频率 带通滤波器的品质因数定义为 41 2 典型二阶带通滤波器 图8 42典型二阶带通滤波器 a 电路 b 幅频特性 42 幅频特性是 由图8 42 a 不难写出频率特性表达式为 43 式中 44 4 带阻滤波器 1 基本特性 图8 43带阻滤波器的幅频特性 45 2 二阶带阻滤波器 图8 44二阶带阻滤波器 a 方框图 b 电路 46 带通滤波器A1在中心频率 0的增益为 Af Af R3 2R1 所以A1的输出信号为 为了通过减法器将它完全抑制掉 必须使 8 72 47 其幅频特性是 48 在满足式 8 72 的情况下 上式中各参数为 49 5 移相滤波器 1 基本性质 图8 45移相滤波器的特性 a 相频特性 b 角频率为 1时的输入 输出波形 50 移相滤波器的频率特性可写成 式中 Af C 常数 Af j f 一阶相移滤波器的移相范围是0 180 而二阶移相滤波器的移相范围较大为0 360 所以用得较多 51 2 二阶移相滤波器 图8 46二阶移相滤波器 a 电路 b 相频特性 52 假设图中元件值满足以下关系式 则频率特性为 53 式中 54 七电压频率转换电路 V f转换器定义 V f 电压 频率 转换器能把输入信号电压转换成相应的频率信号 即它的输出信号频率与输入信号电压值成比例 故又称为电压控制 压控 振荡器 VCO 应用 在调频 锁相和A D变换等许多技术领域得到非常广泛的应用 指标 额定工作频率和动态范围 灵敏度或变换系数 非线性误差 灵敏度误差和温度系数等 55 积分复原型组成 积分器 比较器和积分复原开关等 56 电压频率转换电路 电荷平衡型 57 电压频率转换电路 集成V F转换器 58 电压频率转换电路 集成V F转换器 59 f V转换电路 通用f V转换电路包括三个部分 电平比较器 单稳态触发器和彽通滤波器 60 f V转换电路 61 单稳态触发器的工作特点 具有一个稳态和一个暂稳态两种工作状态 在外加触发脉冲作用下 能从稳态翻转到暂稳态 在暂稳态维持一定时间后 再自动返回稳态 暂稳态维持时间的长短取决于电路的参数 62 单稳态触发器的应用 单稳态触发器是一种脉冲整形电路 多用于脉冲波形的整形 延时和定时 1 脉冲整形 对于幅度和宽度都不规则的脉冲信号 只要这些脉冲的幅度都大于单稳态触发器的触发电平 则经过单稳态触发器可以将不规则的脉冲波形变成幅度和宽度都相同的脉冲波形 2 用于定时 利用单稳态触发器暂稳态期间输出的高