第十六章测量信号的调理

1、 第16章 测量信号的调理16.116.1概述概述16.216.2调制与解调调制与解调16.3 16.3 滤波滤波16.3.1 16.3.1 滤波器的一般特性滤波器的一般特性16.3.2 16.3.2 典型的滤波器电路典型的滤波器电路16.4 16.4 模数转换技术模数转换技术16.4.1 16.4.1 逐次逼近式模数转换原理逐次逼近式模数转换原理16.4.2 16.4.2 增量调制式模数转换原理增量调制式模数转换原理16.5 16.5 电压电压/ /电流电流/ /频率变换技术频率变换技术16.5.1 16.5.1 电压电压频率转换技术频率转换技术16.5.2 16.5.2 电压电压电流转换技

2、术电流转换技术16.6 16.6 电压和电流放大变换技术电压和电流放大变换技术16.7 16.7 信号调理中的干扰与补偿信号调理中的干扰与补偿16.7.1 16.7.1 干扰类型干扰类型16.7.2 16.7.2 接地问题接地问题16.7.3 16.7.3 隔离放大器隔离放大器 16.116.1概述概述信号调理电路是测量系统的组成部分，它的输入是传感器的输信号调理电路是测量系统的组成部分，它的输入是传感器的输出电信号，输出为适合于传输、显示、记录或者能更好地满足后续出电信号，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。例如传感器的输出电信号如果不在标准设备或装置要

3、求的信号。例如传感器的输出电信号如果不在（-10V+10V），那么在接入模，那么在接入模- -数变换器时，必须首先经过信号数变换器时，必须首先经过信号调理电路。信号调理电路通常具有放大、电平移动、阻抗匹配、滤调理电路。信号调理电路通常具有放大、电平移动、阻抗匹配、滤波、调制、解调等功能。另外，从数据域的角度考虑，可以认为信波、调制、解调等功能。另外，从数据域的角度考虑，可以认为信号调理电路可以实现数据域之间的转换。号调理电路可以实现数据域之间的转换。 传感器输出信号通常可以分为两类。一类为模拟量，例如压力、温度、传感器输出信号通常可以分为两类。一类为模拟量，例如压力、温度、加速度等的测量；另一

4、类为数字量，例如用光电或电磁传感器测量转速加速度等的测量；另一类为数字量，例如用光电或电磁传感器测量转速等的测量。对模拟量信号进行调整匹配时，传感器的信号调理环节相对等的测量。对模拟量信号进行调整匹配时，传感器的信号调理环节相对复杂一些，通常需要经过放大电路、调制与解调电路、滤波电路、采样复杂一些，通常需要经过放大电路、调制与解调电路、滤波电路、采样保持电路、保持电路、A/D及及D/A转换电路等。而对数字量信号进行调整匹配时，通转换电路等。而对数字量信号进行调整匹配时，通常只需使信号通过比较器电路及整形电路、控制计数器计数即可。常只需使信号通过比较器电路及整形电路、控制计数器计数即可。CPU总

5、线控 制 系 统传感器放大器滤 波采样保持存储器ADCCPU 总线 控 制 系 统计数器存储器整形电路传感器 测试系统的第二个环节为信号的调理，被测物理量经传感环节被测试系统的第二个环节为信号的调理，被测物理量经传感环节被转换为电阻、电容、电感，或电压、电流、电荷等电参量的变化，由转换为电阻、电容、电感，或电压、电流、电荷等电参量的变化，由于在测量过程中不可避免地遭受有各种内外干扰因素的影响，也是为于在测量过程中不可避免地遭受有各种内外干扰因素的影响，也是为了用被测信号，最后驱动显示记录和控制等仪器或进一步将信号输入了用被测信号，最后驱动显示记录和控制等仪器或进一步将信号输入计算机进行数据处理

6、，因此经传感后的信号尚需经过放大、变换、滤计算机进行数据处理，因此经传感后的信号尚需经过放大、变换、滤波、运算分析等一系列的加工处理，以抑制干扰噪声，提高信噪比，波、运算分析等一系列的加工处理，以抑制干扰噪声，提高信噪比，使之利于进一步的传输和在后续环节中的处理，信号的调理涉及的范使之利于进一步的传输和在后续环节中的处理，信号的调理涉及的范围很广，本章将集中讨论一些常用的信号的调理环节，如电桥、调制围很广，本章将集中讨论一些常用的信号的调理环节，如电桥、调制与解调、信号的滤波、电压电流频率变换、与解调、信号的滤波、电压电流频率变换、A/D转换转换、 信号放大、干信号放大、干扰与抗干扰等方面的内

7、容。扰与抗干扰等方面的内容。 16.216.2调制与解调调制与解调调制是指利用某种信号来控制或改变普通为高调制是指利用某种信号来控制或改变普通为高频振荡信号的某个参数的过程，这些参数包括幅值、频振荡信号的某个参数的过程，这些参数包括幅值、频率或相位。当被控制的量是高频振荡信号的幅值频率或相位。当被控制的量是高频振荡信号的幅值时，称为幅值调制或调幅，当被控制的量为高频振时，称为幅值调制或调幅，当被控制的量为高频振荡信号的频率时，称为频率调制或调频，而当被控荡信号的频率时，称为频率调制或调频，而当被控制的量为高频振荡信号的相位时，则称为相位调制制的量为高频振荡信号的相位时，则称为相位调制或调相。解

8、调则是从已调制波信号中恢复出原有低或调相。解调则是从已调制波信号中恢复出原有低频调制信号的过程。调制与解调是一对信号变换过频调制信号的过程。调制与解调是一对信号变换过程。程。 控制高频振荡的低频信号称调制波，包括正余弦信号、控制高频振荡的低频信号称调制波，包括正余弦信号、一般周期信号、瞬态信号、随机信号等。载送低频一般周期信号、瞬态信号、随机信号等。载送低频信号的高频振荡信号称为载波，例如正弦信号、方信号的高频振荡信号称为载波，例如正弦信号、方波信号等。经过调制过程所得的高频振荡波称已调波信号等。经过调制过程所得的高频振荡波称已调制波。根据被控制参数如幅值、频率的不同，则分制波。根据被控制参数

9、如幅值、频率的不同，则分别有调幅波、调频波等不同的称谓。从时域上讲，别有调幅波、调频波等不同的称谓。从时域上讲，调制过程即是使载波的某一参量随调制波的变化而调制过程即是使载波的某一参量随调制波的变化而变化，而在频域上调制过程则是一个移频的过程。变化，而在频域上调制过程则是一个移频的过程。本节将以正余弦波为载波信号介绍调制与解调。本节将以正余弦波为载波信号介绍调制与解调。 16.2.1 16.2.1 幅值调制幅值调制幅值调制是高频载波信号和一个被测信号相乘，使载波信号的幅值随幅值调制是高频载波信号和一个被测信号相乘，使载波信号的幅值随被测信号变化。被测信号变化。设设x(t)为被测信号，为被测信号

10、，y(t)为高频载波信号，若选择余弦为高频载波信号，若选择余弦信号：信号： ，则已调制信号，则已调制信号xm(t)为为x(t)与与y(t)的乘积：的乘积： 。由傅里叶变换性质知：。由傅里叶变换性质知： 则有则有 从式从式可以看出，可以看出，调幅的过程在频域上就相当于一个移频的过程。调幅的过程在频域上就相当于一个移频的过程。0( )cos2y tf t0( )( )cos2mxtx tf t( ) ( )( )* ( )x t y tX fY f00011( )cos2( )* ()( )* ()22x tf tX fffX fff 当调制信号为正弦信号时，当调制信号为正弦信号时， 设调制信号为

11、设调制信号为 ，其中，其中As为调制信号幅值，为调制信号幅值，s为调制信号频率。为调制信号频率。载波信号为载波信号为 ，其中其中Ac为载波信号幅值，为载波信号幅值，c为载波信号频率为载波信号频率。则经调制后。则经调制后的信号为的信号为采用三角积化和差公式采用三角积化和差公式得得 从式子可以看出，从式子可以看出，已调制波信号的频谱是一个离散谱，位于已调制波信号的频谱是一个离散谱，位于频率频率 和和 处，即以载波信号处，即以载波信号c为中心，以调制信号为中心，以调制信号s为间隔的左右两频率（边频）处。其幅值大小则等于为间隔的左右两频率（边频）处。其幅值大小则等于As与与Ac乘积之半。乘积之半。 经

12、常采用电桥来作调制装置，其中以高频振荡电源供给电桥作经常采用电桥来作调制装置，其中以高频振荡电源供给电桥作为装置的载波信号，则电桥输出便为调幅波。为装置的载波信号，则电桥输出便为调幅波。( )sinssx tAt( )sinccy tAt( )( )sinsinmssccxx t y tAt At11sinsincos()cos()22cos()cos()2scmcscsA Axttcscs 16.2.2 16.2.2 幅值调制的解调幅值调制的解调 1同步解调同步解调 同步解调是在解调过程中所乘的信号与调制时的载波信号具有相同的同步解调是在解调过程中所乘的信号与调制时的载波信号具有相同的频率与

13、相位。频率与相位。下面介绍同步解调的原理。下面介绍同步解调的原理。 设设 x ( t ) 为 被 测 信 号 ，为 被 测 信 号 ， y ( t ) 为 高 频 载 波 信 号 ， 若 选 择 余 弦 信为 高 频 载 波 信 号 ， 若 选 择 余 弦 信号：号： ，则已调制信号，则已调制信号xm(t)为为x(t)与与y(t)的乘积：的乘积： 。将调幅波再经一乘法器，即与原载波信号将调幅波再经一乘法器，即与原载波信号 相乘，则调幅波的频谱相乘，则调幅波的频谱在频域上将进行两次移频。由于载波信号的频率仍为在频域上将进行两次移频。由于载波信号的频率仍为f 0，因此，再次移频，因此，再次移频的结

14、果是使原信号的频谱图形出现在的结果是使原信号的频谱图形出现在0和和2f 0频率处。时域分析上有：频率处。时域分析上有： 可以看出，只需将频率为可以看出，只需将频率为的信号滤去，即可得到原信号，但是信号的的信号滤去，即可得到原信号，但是信号的幅值成了原信号的一半。通过后续放大电路可以对此进行补偿。尽管幅值成了原信号的一半。通过后续放大电路可以对此进行补偿。尽管同步同步解调法的原理简单，但是要求线性性能良好的乘法器，否则引起信号的失解调法的原理简单，但是要求线性性能良好的乘法器，否则引起信号的失真。真。0( )cos2y tf t0( )( )cos2mxtx tf t0( )cos2y tf t

15、000( )1( )cos2cos2( )cos422x tx tf tf tx tf t 2整流检波整流检波 整流检波的原理：对调制信号偏置一个直流分量整流检波的原理：对调制信号偏置一个直流分量A，使偏置后的，使偏置后的信号具有正电压值。对该信号作调幅后得到的已调制波信号具有正电压值。对该信号作调幅后得到的已调制波xm(t)的包络的包络线将具有原信号形状。对该调幅波线将具有原信号形状。对该调幅波xm(t)作简单的整流（全波或半波作简单的整流（全波或半波整流）和滤波便可恢复原调制信号。整流检波整流）和滤波便可恢复原调制信号。整流检波法的关键是准确地加法的关键是准确地加减偏置电压，若所加偏置电压

16、未能使调制信号电压位于零位的同一减偏置电压，若所加偏置电压未能使调制信号电压位于零位的同一侧，在调幅之后便不能简单地通过整流滤波来恢复原信号，采用相侧，在调幅之后便不能简单地通过整流滤波来恢复原信号，采用相敏解调可解决这一问题。敏解调可解决这一问题。 3相敏解调相敏解调 相敏解调也叫相敏检波，其的工作原理：利用交变信号在过零位相敏解调也叫相敏检波，其的工作原理：利用交变信号在过零位时其正、负极性发生突变，使调幅波相位与载波信号相比较也相应时其正、负极性发生突变，使调幅波相位与载波信号相比较也相应地产生地产生180相位跳变，从而既能反映原信号的幅值又能反映其相相位跳变，从而既能反映原信号的幅值又

17、能反映其相位。位。通过相敏检波可得到一个幅值和极性均随调制信号的幅值与极通过相敏检波可得到一个幅值和极性均随调制信号的幅值与极性改变的信号，它真正地重现了原被测信号。性改变的信号，它真正地重现了原被测信号。相敏检波的典型应用相敏检波的典型应用是动态应变仪是动态应变仪。 16.3 16.3 滤波滤波 滤波是选取信号中感兴趣的成分，抑制或衰减掉其它不需要的成分。滤波是选取信号中感兴趣的成分，抑制或衰减掉其它不需要的成分。能实施滤波功能的装置是滤波器。从信号的输入和输出角度，滤波可分能实施滤波功能的装置是滤波器。从信号的输入和输出角度，滤波可分为两类：对输入量滤波（简称输入滤波）和对输出量滤波（简称

18、输出滤为两类：对输入量滤波（简称输入滤波）和对输出量滤波（简称输出滤波）。从选频的方式，滤波可分为四类：低通滤波器、高通滤波器、带波）。从选频的方式，滤波可分为四类：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器如图。通滤波器、带阻滤波器如图。 16.3.1 16.3.1 滤波器的一般特性滤波器的一般特性 对于一个理想的线性系统来说，若要满足不失真测试的条件，该对于一个理想的线性系统来说，若要满足不失真测试的条件，该系统的频率响应函数应为：系统的频率响应函数应为： 。若一个滤波器的频率响若一个滤波器的频率响应函数应函数 具有如下形式：具有如下形式： 则该滤波器称为理想低通滤波器。则该滤波器称为

19、理想低通滤波器。 020( )jf tH fA e( )H f020( )0jf tcAeffH f其他 当理想低通滤波器输入阶跃函数时，即当理想低通滤波器输入阶跃函数时，即 滤波器的响应为滤波器的响应为 其中其中 101( )0200tx ttt tfsitxthtyc2221*2()0sin2()cf tctsif tdtt 结合低通滤波器，下面介绍滤波器常用的一些技术指标的含义。结合低通滤波器，下面介绍滤波器常用的一些技术指标的含义。（1）建立时间：输出从零（图中）建立时间：输出从零（图中a点）到稳定值点）到稳定值A0 (b点点)经过的时间。经过的时间。输入信号突变处必然包含有丰富的高频

20、分量，低通滤波器阻挡住了高输入信号突变处必然包含有丰富的高频分量，低通滤波器阻挡住了高频分量。通带越宽，衰减的高频分量便越少，信号便有较多的分量更频分量。通带越宽，衰减的高频分量便越少，信号便有较多的分量更快通过，因此导致较短的建立时间；反之则长。一个低通滤波器的阶快通过，因此导致较短的建立时间；反之则长。一个低通滤波器的阶跃响应的建立时间跃响应的建立时间Te和它的带宽和它的带宽B成反比，即成反比，即BTe=常数。常数。（2）带宽：表示它的频率分辨能力，通带窄，则分辨力高。这一结论表带宽：表示它的频率分辨能力，通带窄，则分辨力高。这一结论表明：滤波器的高分辨力与测量时快速响应是矛盾的。明：滤波

21、器的高分辨力与测量时快速响应是矛盾的。 对于对于带通滤波器，有下列一些常用的技术指标。带通滤波器，有下列一些常用的技术指标。(1)截截止频率：幅频特性值等于止频率：幅频特性值等于 所对应的频率点。所对应的频率点。(2)带带宽：上下两截止频率之间的频率范围，又称宽：上下两截止频率之间的频率范围，又称-3dB带宽。带宽。(3)纹纹波幅度：通带中幅频特性值的起伏变化值，图中用波幅度：通带中幅频特性值的起伏变化值，图中用d表示表示。(4)品品质因子：中心频率质因子：中心频率f0与带宽与带宽B之比，即之比，即 。(5)倍倍频程选择性：上截止频率频程选择性：上截止频率fc2与与2fc2之间或下截止频率之间

22、或下截止频率fc1与与2fc1间幅频特间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程的衰减量，以性的衰减值，即频率变化一个倍频程的衰减量，以dB表示。表示。 (6)滤滤波器因数：也称为矩形系数，滤波器幅频特性的波器因数：也称为矩形系数，滤波器幅频特性的-60dB带宽与带宽与-3dB带带宽的比，即宽的比，即 ，对理想滤波器有对理想滤波器有=1。对普通使用的滤波器，。对普通使用的滤波器， 一般为一般为15。 0( 3)2AdB0fQB6 03d Bd BBB 16.3.2 16.3.2 典型的滤波器电路典型的滤波器电路 1.无源滤波器的电路组成无源滤波器的电路组成 用电阻、电容、电感等无源器件组成的滤波

23、器称为无源滤波器。无源用电阻、电容、电感等无源器件组成的滤波器称为无源滤波器。无源滤波器具有结构简单、噪声小、动态范围大等优点。缺点是：（滤波器具有结构简单、噪声小、动态范围大等优点。缺点是：（1）存在损）存在损耗电阻，信号在传递过程中能量损耗大。（耗电阻，信号在传递过程中能量损耗大。（2）当外接负载电阻改变时，对）当外接负载电阻改变时，对滤波器的通带增益、截止频率等的特性参数影响较大。（滤波器的通带增益、截止频率等的特性参数影响较大。（3）在低频应用时，）在低频应用时，由于电容元件较大，增大了滤波器的体积。最简单的一阶无源低通和高通由于电容元件较大，增大了滤波器的体积。最简单的一阶无源低通和

24、高通滤波器如图所示，称为滤波器如图所示，称为RC无源滤波器。无源滤波器。 对对RC无源滤波器的上述缺点，可借助于无源滤波器的上述缺点，可借助于RC有源滤波器解决。有源滤波器解决。RC有源有源滤波器由电阻、电容和集成运算放大器组成。利用有源器件的放大和隔离滤波器由电阻、电容和集成运算放大器组成。利用有源器件的放大和隔离作用，使滤波器在通带内有一定的增益和很强的负载能力。下一部分将介作用，使滤波器在通带内有一定的增益和很强的负载能力。下一部分将介绍有源滤波器。绍有源滤波器。 2.有源滤波器有源滤波器 常见的有源滤波器包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。常见的有源滤波器包括低通滤波器、高通滤波

25、器、带通滤波器等。图为一阶低通滤波器，设上限截止频率为图为一阶低通滤波器，设上限截止频率为fH，通带放大倍数为，通带放大倍数为Ap，传，传递函数为则递函数为则L(s)，则，则2121( )1RL sRR Cs2112HfR C21pRAR 图为一阶高通滤波器，设下限截止频率为图为一阶高通滤波器，设下限截止频率为fL，通带放大倍数为，通带放大倍数为AP，传递函数为传递函数为H(s)，则，则21( )1R CsHsR Cs1112LfR C21pRAR 图为带通滤波器，设上限截止频率为图为带通滤波器，设上限截止频率为fH，下限截止频率为，下限截止频率为fL，通带，通带放大倍数为放大倍数为AP，传递

26、函数为，传递函数为B(s)，则，则21112221211221122( )(1)(1)()1R CsB sRCsR C sR CsRC R C sRCR C s2112HfR C1112LfRC21pRAR 16.4 16.4 模数转换技术模数转换技术 模数转换模数转换（常称为（常称为A/D转换）技术用于将模拟信号转换成数字信号。转换）技术用于将模拟信号转换成数字信号。模拟信号是在时间上和幅值上都连续的信号。数字信号是按一定的时间间模拟信号是在时间上和幅值上都连续的信号。数字信号是按一定的时间间隔对连续信号取样，并加以量化编码后得到的数字代码。大部分传感器输隔对连续信号取样，并加以量化编码后得

27、到的数字代码。大部分传感器输出的都是模拟信号。为了使测量结果的显示和读出更直观和准确，同时方出的都是模拟信号。为了使测量结果的显示和读出更直观和准确，同时方便数据的传输、存储或将信号送入计算机作进一部的数据处理，因此需要便数据的传输、存储或将信号送入计算机作进一部的数据处理，因此需要通过模数转换将模拟信号转换成数字信号。通过模数转换将模拟信号转换成数字信号。 A/D转换系统通常由三部分组成：低通滤波、采样转换系统通常由三部分组成：低通滤波、采样-保持、保持、A/D转换。模转换。模拟信号首先经低通滤波器去除不需要的高频成分，然后通过采样拟信号首先经低通滤波器去除不需要的高频成分，然后通过采样-保

28、持电路保持电路以一定的时间间隔送至以一定的时间间隔送至A/D转换器，采样间隔的设计要符合采样定理，最后转换器，采样间隔的设计要符合采样定理，最后A/D转换器将模拟输入量化转化为指定位数的二进制数据。量化是一种运算，转换器将模拟输入量化转化为指定位数的二进制数据。量化是一种运算，它用数字量它用数字量的最小单位去度量采样得到的样值，用整数表示出样值为最小的最小单位去度量采样得到的样值，用整数表示出样值为最小单位的多少倍。单位的多少倍。 目前，集成化的目前，集成化的模数转换产品很多，其性能指标不同，通常用如下几模数转换产品很多，其性能指标不同，通常用如下几个参数来表示。个参数来表示。 （1）分辨率：

29、通常用输出的二进制数码的位数来表示。位数越多，量化）分辨率：通常用输出的二进制数码的位数来表示。位数越多，量化分层越细，量化误差越小，分辨率越高。若一个分层越细，量化误差越小，分辨率越高。若一个A/D变换器的输入模拟电压变换器的输入模拟电压变化范围为变化范围为05V，则输出为，则输出为8位数字量的系统可以分辨的最小模拟电压为位数字量的系统可以分辨的最小模拟电压为 （2）精度：）精度：A/D变换器的精度是模拟误差和数字误差的和，模拟误差来变换器的精度是模拟误差和数字误差的和，模拟误差来自于比较器的直流转化的变化，数字误差来自于量化误差。自于比较器的直流转化的变化，数字误差来自于量化误差。 （3）

30、转换速度：用完成一次转换所需要的时间表示。转换时间短，表示）转换速度：用完成一次转换所需要的时间表示。转换时间短，表示转换速度高。转换速度高。 （4）输入模拟电压范围：通常，单极性工作时，模拟输入电压范围为）输入模拟电压范围：通常，单极性工作时，模拟输入电压范围为05V或或010V，双极性输入时为，双极性输入时为-5+5V。 A/D变换器的原理包括增量调整型变换器的原理包括增量调整型模数模数转换、逐次逼近式转换、逐次逼近式模数转模数转换、双换、双积分式积分式模数转模数转换等，下面介绍几种常用的换等，下面介绍几种常用的A/D变换器的原理。变换器的原理。8152 02m V 16.4.1 16.4

31、.1 逐次逼近式模数转换原理逐次逼近式模数转换原理 逐次逼近式逐次逼近式模数转模数转换主要由控制回路、换主要由控制回路、D/A转换器和比较器组转换器和比较器组成。图为逐次逼近式成。图为逐次逼近式模数转模数转换的工作原理。换的工作原理。 假设数字输入为假设数字输入为5位二进制数，转换开始时，控制回路首先将最高位置位二进制数，转换开始时，控制回路首先将最高位置成成1，其余位清为，其余位清为0，即数字输入为，即数字输入为10000，这个数字量被，这个数字量被D/A转换器转换成转换器转换成模拟量模拟量UD/A。UD/A可以表示为可以表示为 式中式中d4、d3、d2、d1、d0为二进制各个位的数，为二进

32、制各个位的数， 为为D/A转换的最转换的最低位的当量电压。低位的当量电压。UD/A送到比较器，与模拟输入量送到比较器，与模拟输入量U0比较。当比较。当UD/AU0时，时，说明数字量不够大，最高位上的说明数字量不够大，最高位上的1应该保留。当应该保留。当UD/AU0时，说明数字量过时，说明数字量过大，最高位上的大，最高位上的1应该变为应该变为0。同理将次高位置。同理将次高位置1，然后比较，然后比较UD/A和和U0的大小，的大小，确定次高位为确定次高位为0还是还是1，这样逐渐比较下去，直到最后一位，比较完毕，各，这样逐渐比较下去，直到最后一位，比较完毕，各位保留下来的数值就是所求的数字量。位保留下

33、来的数值就是所求的数字量。 逐次逼近式逐次逼近式模数转模数转换的优点是转换速度快，完成一次转换仅需要几微换的优点是转换速度快，完成一次转换仅需要几微秒至几十微秒，缺点是抗干扰能力差。秒至几十微秒，缺点是抗干扰能力差。43210/432105(22222)2REFDAUUddddd52R E FU 16.4.2 16.4.2 增量调制式模数转换原理增量调制式模数转换原理 增量调整型增量调整型模数模数转换由积分器、过零比较器、低通数字滤波器、转换由积分器、过零比较器、低通数字滤波器、D/A转换器组成。图为增量调整型转换器组成。图为增量调整型模数转模数转换的工作原理。换的工作原理。 积分器对输入信号

34、与来自数模转换器的反馈信号的差值信号进行积积分器对输入信号与来自数模转换器的反馈信号的差值信号进行积分，积分输出的信号分，积分输出的信号UC为过零比较器的输入。当为过零比较器的输入。当UC0时，过零比较器时，过零比较器的输出为的输出为1，当，当UC0时，过零比较器的输出为时，过零比较器的输出为0，最后得到的数字量为，最后得到的数字量为数字滤波器对过零比较器的输出平滑滤波的结果。数字滤波器对过零比较器的输出平滑滤波的结果。 增量调整型增量调整型模数模数转换器的优点是量化的信噪比高、抗误码性能好。转换器的优点是量化的信噪比高、抗误码性能好。 16.5 16.5 电压电压/ /电流电流/ /频率变换

35、技术频率变换技术 在一些检测系统中，采用分布式检测方案，即传感器及其调理在一些检测系统中，采用分布式检测方案，即传感器及其调理电路处于检测现场，数据处理和存储设备在控制室内，为了避免电路处于检测现场，数据处理和存储设备在控制室内，为了避免电压信号在远程传输中的损失，并且提高抗干扰能力，常将电压电压信号在远程传输中的损失，并且提高抗干扰能力，常将电压转换成频率信号或电流信号，再进行传输。本节将介绍电压转换成频率信号或电流信号，再进行传输。本节将介绍电压频频率转换技术和电流频率转换技术。率转换技术和电流频率转换技术。 16.5.1 16.5.1 电压电压频率转换技术频率转换技术 电压电压频率转换（

36、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）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化为数字量外，还可率。它的用途除了用于提高抗干扰能力而将模拟量转化为数字量外，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。泛应用。 图为一种图为一种U/F转换电路。运放与电容转换电路。运放与电容C组成了积分器。场效应管组成了积分器。场效应管FET为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，电积分器的复原开关。当积分电容充电至电压比较器

37、的下限阈值电平时，电压比较器翻转，输出一个信号使压比较器翻转，输出一个信号使FET导通，这时，电容导通，这时，电容C通过开关迅速放电。通过开关迅速放电。使积分器复原至比较器的上限阈值电平，比较器再次翻转，输出信号使开使积分器复原至比较器的上限阈值电平，比较器再次翻转，输出信号使开关关FET截止。于是积分器再次开始积分过程。截止。于是积分器再次开始积分过程。 设设T为积分时间，为积分时间，tc为放电时间，从图可以看出，为放电时间，从图可以看出， ， ，当当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时，积分结束，此时电容上的电压等于比较器下限阈值电压压 ，所以，所以 充放电频率为充放

38、电频率为 ，当充放电频率低，并且放电迅速时，可忽，当充放电频率低，并且放电迅速时，可忽略略tc，这时，这时 可见输出频率与输出电压成正比，满足可见输出频率与输出电压成正比，满足V-F的转换条件。的转换条件。cVIRccI tQVCCccTI TVVCTcR C VVI RT1cfTt1TVfTRC V 16.5.2 16.5.2 电压电压电流转换技术电流转换技术 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。信号的量程通常为路电阻和负载电阻变化的影响。信号的量程通常为4mA20mA。图为一种。

39、图为一种简单的电压简单的电压电流转换电路。电流转换电路。RL为负载电阻，信号电压在运放同相端输入。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，流过负载利用理想运放条件，流过负载RL的电流与流过电阻的电流与流过电阻R1和和R2的电流相等，且的电流相等，且反相端电位与同相端电位相等，由此可求得电流为：反相端电位与同相端电位相等，由此可求得电流为： 可见，输入电压变换为电流信号输出，变换系数可由可见，输入电压变换为电流信号输出，变换系数可由R2调节。调节。12VIRR 一般常用运放最大输出电流约为一般常用运放最大输出电流约为20mA，输出电流大时，运放功耗大。，输出电流大时，运放功耗大。

40、为降低运放功耗，可在运放输出接三极管推动负载工作。图为降低运放功耗，可在运放输出接三极管推动负载工作。图16.18为一种接为一种接入三极管的电压入三极管的电压电流转换电路，电流转换电路，RL为负载电阻，当为负载电阻，当R2Rf+RL时，可认时，可认为流过为流过Rf和和RL的电流相等，都为的电流相等，都为i0，可以推得电流，可以推得电流i0与输入电压的关系为与输入电压的关系为 可见可见i0与输入电压成正比，与与输入电压成正比，与 RL 无关，具有恒流特性。无关，具有恒流特性。2101fRuiRR 16.6 16.6 电压和电流放大变换技术电压和电流放大变换技术 传感器的输出电压或电流一般来说都比

41、较小，电压为毫伏级或微伏级，传感器的输出电压或电流一般来说都比较小，电压为毫伏级或微伏级，电流为微安级或毫安级。通常采用集成运算放大器（电流为微安级或毫安级。通常采用集成运算放大器（Operation Amplifier）构成的放大电路将其放大或变换到伏级电压输出。构成的放大电路将其放大或变换到伏级电压输出。 通常传感器的输出包括共模（通常传感器的输出包括共模（Common mode）信号和差模）信号和差模（Differential mode）信号，如果将传感器的输出等效为电压源，则应包括）信号，如果将传感器的输出等效为电压源，则应包括共模电压和差模电压。通常共模电压是无用的信号，必须进行抑制

42、，而差共模电压和差模电压。通常共模电压是无用的信号，必须进行抑制，而差模电压是需要进行放大的有用信号。在一些场合，共模信号往往比差模信模电压是需要进行放大的有用信号。在一些场合，共模信号往往比差模信号大许多倍，因此，要求放大器有极大的差模放大倍数和极小的共模放大号大许多倍，因此，要求放大器有极大的差模放大倍数和极小的共模放大倍。换言之，有极大的共模抑制比倍。换言之，有极大的共模抑制比CMRR（Common mode repression ratio）。）。CMRR定义为：定义为：2 0 lgDCAC M R RA 集成运算放大器是内部具有差分放大器的集成电路，有两个输入端和集成运算放大器是内部

43、具有差分放大器的集成电路，有两个输入端和一个输出端，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，符号表示如图所示。端为反相输入端，表示输出信号与输入信号相位相反，符号表示如图所示。理想运算放大器具有如下特点：（理想运算放大器具有如下特点：（1）共模抑制比为无穷大。（）共模抑制比为无穷大。（2）输入阻）输入阻抗为无穷大。（抗为无穷大。（3）对差模信号的开环放大倍数为无穷大。）对差模信号的开环放大倍数为无穷大。 实际的集成运算放大器是高增益（实际的集成运算放大器是高增益（104107）、高输入阻抗（几千欧）、高输入阻抗（几千欧姆姆几十兆欧姆）、低输出阻抗（几十兆欧姆）、低输出阻抗（10MHz）,多采用多点并联接地。另外，要想使接地阻抗进一步降低，可多采用多点并联接地。另外，要想使接地阻抗进一步降低，可以通过表面电镀的方法。以通过表面电镀的方法。1231()AVIII Z