第2章 信号调理电路-主讲放大滤波

1、第三章第三章 智能仪器智能仪器的数据采集技术的数据采集技术 智能仪器的数据采集系统简称智能仪器的数据采集系统简称DAS（Data Acquisition System），是指将温），是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行采度、压力、流量、位移等模拟量进行采集、量化转换成数字量后，以便由计算集、量化转换成数字量后，以便由计算机进行存储、处理、显示或打印的装置。机进行存储、处理、显示或打印的装置。第一节第一节 数据采集系统的组成结构数据采集系统的组成结构 传感器传感器模拟信号调理模拟信号调理数据采集电路数据采集电路微机系统微机系统图图3.1 数据采集系统的基本组成数据采集系统的基本组成 实际的数

2、据采集系统往往需要同时实际的数据采集系统往往需要同时测量多种物理量或同一种物理量的多个测量多种物理量或同一种物理量的多个测量点。因此，多路模拟输人通道更具测量点。因此，多路模拟输人通道更具有普遍性。按照系统中数据采集电路是有普遍性。按照系统中数据采集电路是各路共用一个还是每路各用一个，多路各路共用一个还是每路各用一个，多路模拟输人通道可分为集中采集式和分散模拟输人通道可分为集中采集式和分散采集式两大类型。采集式两大类型。 一、集中采集式一、集中采集式 图图3.2 集中式数据采集系统的典型结构集中式数据采集系统的典型结构 二、分散采集式二、分散采集式(分布式分布式)(a) 分布式单机数据采集结构

3、分布式单机数据采集结构 通信接口通信接口上位机上位机数据数据采集站采集站1数据数据采集站采集站2数据数据采集站采集站3数据数据采集站采集站N模拟信号和数字信号模拟信号和数字信号(b) 网络式数据采集结构网络式数据采集结构图图3.3 分布式数据采集系统的典型结构分布式数据采集系统的典型结构第二节第二节 模拟信号调理模拟信号调理 在一般测量系统中信号调理的任务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、误零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和

4、量程切换等，这些操作统称为差修正和量程切换等，这些操作统称为信号调理（信号调理（Signal Conditioning），相应），相应的执行电路统称为信号调理电路。的执行电路统称为信号调理电路。 传感传感器器前置放前置放大大低通低通陷波陷波高通高通至采集至采集电路电路图图3.4 典型调理电路的组成框图典型调理电路的组成框图 一、传感器的选用一、传感器的选用 传感器是信号输人通道的第一道环节，也是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确选用传感器，首先要明确所设计的测试系统需要

5、什么样的传感器需要什么样的传感器系统对传感器的技术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行对比，从中挑选合乎要求的性能价格比最高的传感器。的传感器。(一一) 对传感器的主要技术要求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。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转换精度符合

6、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，转换速度应符合整而分配给传感器的精度指标，转换速度应符合整机要求。机要求。3. 能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如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。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。能满足用户对可靠性和可维护性的要求。(二二) 可供选用的传感器类型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对于一种被测量，常常有多种传感器可以测量，量，例如测量温度的传感

7、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。在都能满足测在都能满足测量范围、精度、速度、使用条件等情况下，应量范围、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，尽可能行取舍，尽可能选择性能价格比高的传感器。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图3.5 大信号输出传感器的使

8、用大信号输出传感器的使用 2. 数字式传感器：数字式传感器一般是数字式传感器：数字式传感器一般是采用频率敏感效应器件构成，也可以是采用频率敏感效应器件构成，也可以是由敏感参数由敏感参数R、L、C构成的振荡器，或构成的振荡器，或模拟电压输入经模拟电压输入经 V/F转换等转换等. .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。 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图3.6 频率量及开关量输出传感器的使用频率量及开关量输出传感器的使用 3. 集成传感器：集成传感器是将传感器集成传感器：集成传感器是将传感器与信号调理电路做

9、成一体。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。号调理任务，简化通道结构。 4. 光纤传感器：这种传感器其信号拾取、光纤传感器：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，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从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰。干扰。 二、运用二、运用前置放大器的依据的依据 多数传感器

10、输出信号都比较小，必须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。选用前置放大器进行放大。判断传感器信号判断传感器信号“大大”还是还是“小小”和要和要不要进行放大的依据又是什么？不要进行放大的依据又是什么？放大器为什么要放大器为什么要“前置前置”,即设置在调理即设置在调理电路的最前端？电路的最前端？前置放大器的放大倍数应该多大？前置放大器的放大倍数应该多大？VIN前置放大器前置放大器K0后级电路后级电路KVISVIN0VOSVONKVVONIN/2200)()(KVKKVVININON图图3.7 前置放大器的作用前置放大器的作用 20200)(KVVKKVVININONIN2020

11、)(KVVVINININ20011KVVININ图图3.8 两种调理电路的对比两种调理电路的对比 21202021)()(INININININVVKKVKVV21202120)()(KVVKVKVVINININININ 由于由于 K1,所以，所以， ，这就是，这就是说，调理电路中放大器设置在滤波器前说，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。面有利于减少电路的等效输入噪声。 ININVV三、信号调理通道中的常用放大器三、信号调理通道中的常用放大器 在智能仪器的信号调理通道中，针在智能仪器的信号调理通道中，针对被放大信号的特点，并结合数据采集对被放大信号的特点，并结合数据采

12、集电路的现场要求，目前使用较多的放大电路的现场要求，目前使用较多的放大器有器有仪用放大器仪用放大器、程控增益放大器程控增益放大器以及以及隔离放大器隔离放大器等。等。 (一一) 仪用放大器仪用放大器 图图3.9 仪用放大器的基本结构仪用放大器的基本结构 仪用放大器上下对称，即图中仪用放大器上下对称，即图中R1=R2，R4R6，R5R7。则放大器闭环增益为：。则放大器闭环增益为：假设假设R4=R5，即第二级运算放大器增益为，即第二级运算放大器增益为1，则可以推出仪用放大器闭环增益为：，则可以推出仪用放大器闭环增益为：由上式可知，通过调节电阻由上式可知，通过调节电阻RG，可以很方，可以很方便地改变仪

13、用放大器的闭环增益。当采用便地改变仪用放大器的闭环增益。当采用集成仪用放大器时，集成仪用放大器时，RG一般为外接电阻。一般为外接电阻。 451/)/21 (RRRRAGf)/21 (1GfRRA 在实际的设计过程中，可根据模在实际的设计过程中，可根据模拟信号调理通道的设计要求，并结合拟信号调理通道的设计要求，并结合仪用放大器的以下主要性能指标确定仪用放大器的以下主要性能指标确定具体的放大电路。具体的放大电路。 1. 非线性度非线性度 它是指放大器实际输出输入关系曲线它是指放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。与理想直线的偏差。2. 温漂温漂 温漂是指仪用放大器输出电压随温温漂是指仪用放大

14、器输出电压随温度变化而变化的程度。度变化而变化的程度。3. 建立时间建立时间 建立时间是指从阶跃信号驱动瞬间至仪用放建立时间是指从阶跃信号驱动瞬间至仪用放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需的时间。需的时间。4. 恢复时间恢复时间 恢复时间是指放大器撤除驱动信号瞬间至放恢复时间是指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和状态恢复到最终值所需的时间。大器由饱和状态恢复到最终值所需的时间。放大器的建立时间和恢复时间直接影响数据采集系统的采样速率。5. 电源引起的失调电源引起的失调电源引起的失调是指电源电压每变化电源引起的失调是指电源电压每变化1%，引起放大

15、，引起放大器的漂移电压值。仪用放大器一般用作数据采集系器的漂移电压值。仪用放大器一般用作数据采集系统的前置放大器，对于共电源系统，该指标则是设统的前置放大器，对于共电源系统，该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一。计系统稳压电源的主要依据之一。 6. 共模抑制比共模抑制比当放大器两个输入端具有等量电压变化值当放大器两个输入端具有等量电压变化值UI时时，在放大器输出端测量出电压变化值，在放大器输出端测量出电压变化值UCM，则，则共模抑制比共模抑制比CMRR可用下式计算：可用下式计算：ICMUUCMRRlg20l图3.11INA114电路结构与基本接法 GRG501lINA114基本测量电路 （

16、见PDF资料）lAD620仪表放大器l仪表用集成运放芯片TL081、TL082、TL084。(二二) 程控增益放大器程控增益放大器 程控放大器是智能仪器的常用部件之程控放大器是智能仪器的常用部件之一，在许多实际应用中，特别是在通用测一，在许多实际应用中，特别是在通用测量仪器中，为了在整个测量范围内获取合量仪器中，为了在整个测量范围内获取合适的分辨力，常采用可变增益放大器。在适的分辨力，常采用可变增益放大器。在智能仪器中，可变增益放大器的增益由仪智能仪器中，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。制增益的放大

17、器，称为程控放大器。 程控增益放大器基本原理图1RRUUGifinout，闭合不同的开关Si，接入不同的反馈电阻， 便能改变放大器的增益。选择开关Si可用场效应管或集成模拟开关实现。对于测量精度要求高的场合，就可选用专用的仪表放大器，通过数字编码控制模拟开关切换反馈电阻，以实现增益控制。 （见PDF资料）lAD8253程控放大器(三三) 隔离放大器隔离放大器 隔离放大器主要用于要求共模抑制比隔离放大器主要用于要求共模抑制比高的模拟信号的传输过程中，例如输入数高的模拟信号的传输过程中，例如输入数据采集系统的信号是微弱的模拟信号，而据采集系统的信号是微弱的模拟信号，而测试现场的干扰比较大对信号的传

18、递精度测试现场的干扰比较大对信号的传递精度要求又高，这时可以考虑在模拟信号进入要求又高，这时可以考虑在模拟信号进入系统之前用隔离放大器进行隔离，以保证系统之前用隔离放大器进行隔离，以保证系统的可靠性。系统的可靠性。 由于隔离放大器采用了浮离式设计，消除了输由于隔离放大器采用了浮离式设计，消除了输入、输出端之间的耦合，因此具有以下特点：入、输出端之间的耦合，因此具有以下特点：1. 能保护系统元件不受高共模电压的损害，防能保护系统元件不受高共模电压的损害，防止高压对低压信号系统的损坏。止高压对低压信号系统的损坏。2. 泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须提供

19、偏流返回通路。提供偏流返回通路。3. 共模抑制比高，能对直流和低频信号（电压共模抑制比高，能对直流和低频信号（电压或电流）进行准确、安全的测量。或电流）进行准确、安全的测量。图3.12 GF289集成隔离放大器 滤波器是一种能使有用信号通过，滤除信号中无用频率，即抑制无用信号的电子装置。 (淘宝买成品搜索：有源滤波模块淘宝买成品搜索：有源滤波模块)滤波器的用途滤波器的用途 例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。 有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。它是在运算放大器的基础上增加一些放大器。它是在运算放大器的基础上增加一些R

20、、C等无源元件而构成的。等无源元件而构成的。 低通滤波器（低通滤波器（LPF） 高通滤波器（高通滤波器（HPF） 带通滤波器（带通滤波器（BPF） 带阻滤波器（带阻滤波器（BEF）有源滤波电路的分类有源滤波电路的分类 低通滤波器的主要技术指标（1）通带增益Avp 通带增益是指滤波器在通频带内的电压放大通带增益是指滤波器在通频带内的电压放大倍数，性能良好的倍数，性能良好的LPF通带内的幅频特性曲线通带内的幅频特性曲线是平坦的，阻带内的电压放大倍数基本为零。是平坦的，阻带内的电压放大倍数基本为零。 （2）通带截止频率fp 其定义与放大电路的上限截止频率相同。其定义与放大电路的上限截止频率相同。通带

21、与阻带之间称为过渡带，过渡带越窄，说通带与阻带之间称为过渡带，过渡带越窄，说明滤波器的选择性越好。明滤波器的选择性越好。 pppj11 21 1ffARCfAuu空载：ppLpLLpj1 )( 21 ffAACRRfRRRAuuu带载：空载时空载时带负载时带负载时 负载变化，通负载变化，通带放大倍数和截带放大倍数和截止频率均变化。止频率均变化。 无源滤波电路的滤波参数随负载变化；有源滤波电路的无源滤波电路的滤波参数随负载变化；有源滤波电路的滤波参数不随负载变化，可放大。滤波参数不随负载变化，可放大。 无源滤波电路可用于高电压大电流，如直流电源中的滤无源滤波电路可用于高电压大电流，如直流电源中的

22、滤波电路；有源滤波电路是信号处理电路，其输出电压和电波电路；有源滤波电路是信号处理电路，其输出电压和电流的大小受有源元件自身参数和供电电源的限制。流的大小受有源元件自身参数和供电电源的限制。 用电压跟随用电压跟随器隔离滤波电器隔离滤波电路与负载电阻路与负载电阻4. 教学基本要求：电路的识别，幅频特性的分析计算：电路的识别，幅频特性的分析计算 求解传递函数时，只需将放大倍数中的求解传递函数时，只需将放大倍数中的 j用用 s 取代即可；取代即可； s 的方次称为阶数。的方次称为阶数。12p1RRAuRCf21pppj1ffAAuu频率趋于频率趋于0时的放大时的放大倍数为通带放大倍数倍数为通带放大倍

23、数决定于决定于RC环节环节表明进入高频段表明进入高频段的下降速率为的下降速率为20dB/十倍频十倍频经拉氏变换得经拉氏变换得传递函数：传递函数：sRCRRsCRsCRRsUsUsAu11)1 ( 11)1 ()()()(121fio一阶电路一阶电路 电路特点是电路简单，阻带衰减太慢，选择性较差。)21( j1 1ppp12pRCfffAARRAuuu 为了使过渡带变窄，需为了使过渡带变窄，需采用多阶滤波器，即增加采用多阶滤波器，即增加RC环节。环节。M22Pi1121Mj1)j1)j1(j1)j1(j1UCRCUUCRCRCRCU j3)(11)1 (02012ffffRRAu截止频率截止频率

24、 fp 0.37f0RCf 21 0特征频率特征频率C1=C2 为使输出电压在高频段以更快的速率下降，改善滤波效果，再加一节RC低通滤波环节，称为二阶有源滤波电路, 比一阶低通滤波器的滤波效果更好。缺点：在通带截止频率 之间幅频特性下降的还不够快。0pff 引入正反馈引入正反馈为使 fp=f0，且在f=f0时幅频特性按40dB/十倍频下降。 f0时，时，C1断路，正反馈断路，正反馈断开，放大倍数为通带放大断开，放大倍数为通带放大倍数。倍数。 f ， C2短路，正反馈不短路，正反馈不起作用，放大倍数起作用，放大倍数0 。 C1=C2ppp30uuuffuAQAAA 列列P、M点的节点电流方程，点

25、的节点电流方程，整理可得：整理可得：pp0 32 uffuuAAA时，当0p20p3 j)(1ffAffAAuuup0uffuAAQ二阶压控型二阶压控型LPFLPF的传递函数的传递函数sCRsVsVsVAsVv11)()()()(N)()(po上式表明，该滤波器的通带增益应小于上式表明，该滤波器的通带增益应小于3 3，才，才能保障电路稳定工作。能保障电路稳定工作。0)()()()()()(+)NoNNiRsVsVsCsVsVRsVsVN节点的电流节点的电流方程：方程： 2ppio)3(1sCRsCRAAsVsVsAvvv联立求解以上三式，可得联立求解以上三式，可得LPF的传递函数的传递函数3.频率响应频率响应 由传递函数可以写出频率响应的表达式由传递函数可以写出频率响应的表达式0p20p)-j(3)(1ffAffAAvvv当当 时，上式可以化简为时，上式可以化简为 )j(3pp)(-0vvffvAAA0ff 定义有源