传感器及测量技术之放大及滤波器

1、5.6 5.6 放大与滤波放大与滤波5.6.15.6.1信号的放大与转换信号的放大与转换5.5.25.5.2滤波滤波5.6.15.6.1信号的放大与转换信号的放大与转换 根据被测对象的特性，对测试系统中的放大器有根据被测对象的特性，对测试系统中的放大器有一些特殊的要求：一些特殊的要求：1 1、精度高，线性度好；、精度高，线性度好；2 2、高输入阻抗；、高输入阻抗；3 3、低漂移；、低漂移；4 4、抗干扰能力强。、抗干扰能力强。 下面介绍几种常用的放大器。下面介绍几种常用的放大器。1. 测量放大器测量放大器43RR 65RR 21RR ui1ui2R1RPR2R3R4R6uoR5- -+ +A2

2、- -+ +A3- -+ +A1ui1ui2uo1uo2 测量放大器是一种两极串联放大器，前级由两个同相放大测量放大器是一种两极串联放大器，前级由两个同相放大器组成，对称结构，抑制共模干扰；后级是差动放大器，器组成，对称结构，抑制共模干扰；后级是差动放大器，切断共模干扰。切断共模干扰。 其特点是：高线性度、高的共模抑制比与低噪声、高输入其特点是：高线性度、高的共模抑制比与低噪声、高输入阻抗。阻抗。ui1ui2R1RPR2R3R4R6uoR5- -+ +A2- -+ +A3- -+ +A1ui1ui2uo1uo22.2.程控放大器程控放大器多档程控放大器，通过两位程控信号多档程控放大器，通过两位

3、程控信号C C1 1和和C C2 2来控制模拟开关来切换反馈电阻来控制模拟开关来切换反馈电阻RfRf ，可实现四个档的闭环增益值可实现四个档的闭环增益值R Rf0f0/R/R、R Rf1f1/R/R、R Rf2f2/R/R和和R Rf3f3/R/R。特点：特点：电路简单、容易实现，闭环增益取决于接入的反馈电阻阻值。电路简单、容易实现，闭环增益取决于接入的反馈电阻阻值。 可编程增益放大器的增可编程增益放大器的增益可通过数字逻辑电路益可通过数字逻辑电路来控制。来控制。 测量放大测量放大器器3. 3. 隔离放大器隔离放大器 由输入放大器、输出放大器和隔离器等组成。变压器耦由输入放大器、输出放大器和隔

4、离器等组成。变压器耦合是将电信号转换成磁信号进行传输，实现合是将电信号转换成磁信号进行传输，实现电电磁磁电电的转的转换，但体积较大；而光电耦合是将电信号转换成光信号进行换，但体积较大；而光电耦合是将电信号转换成光信号进行传输，实现传输，实现电电光光电电的转换，具有体积小、使用寿命长、的转换，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，应用非常广泛。气上完全隔离等特点，应用非常广泛。 由于光电耦合器件具有非线性电流传输的特性，如果直由于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

5、传输，则线性度和精度都很差，故采用两个接用于模拟量的传输，则线性度和精度都很差，故采用两个特性完全对称特性完全对称的光电耦合器进行耦合，可实现非线性补偿。的光电耦合器进行耦合，可实现非线性补偿。 两个两个特性完全对称特性完全对称的光电耦合器，一路反馈到输入放大的光电耦合器，一路反馈到输入放大器器A1，一路耦合到输出放大器，一路耦合到输出放大器A2，可实现非线性补偿。由于，可实现非线性补偿。由于输入放大器与输出放大器之间不能有任何电的联系，所以不输入放大器与输出放大器之间不能有任何电的联系，所以不能共用电源，也不能共地。能共用电源，也不能共地。（1）线性光电耦合放大器）线性光电耦合放大器（3 3

6、）. AD277. AD277变压器耦合隔离放大器变压器耦合隔离放大器A1差动输入，浮置电源供电；差动输入，浮置电源供电；A2增益可调。增益可调。A1A2变压器耦合。变压器耦合。隔离隔离电源电源振荡器振荡器调制器调制器输入屏蔽输入屏蔽解调器解调器输出屏蔽输出屏蔽26873419515V15V13121016U141115U- -+ +A11M 100k 100k - -+ +A25.6.2 滤波滤波 1. 滤波器的功能：滤波器的功能：选择频率的作用。提取选择频率的作用。提取(通过通过)有用有用 的测量信号，滤除的测量信号，滤除(抑制掉抑制掉)噪声和无用信号。噪声和无用信号。表面粗糙度测量表面粗

7、糙度测量(滤掉工件的表面形状误差滤掉工件的表面形状误差)工件表面轮廓：工件表面轮廓：测量信号波形：测量信号波形：粗糙度波形：粗糙度波形：带通带通OA( )pK pKr1 c1 p2 p1 c2 r2 带阻带阻OA( )pK pK p1 c1 r1 p2 c2 r2 低通低通r OA( )Kp pKp c 高通高通OA( )r pK pK p c 2. 滤波器的分类滤波器的分类(按功能分按功能分)（1）特征频率）特征频率 通带截频：通带截频：fp为通带与过渡带边界点的频率，在该点信号为通带与过渡带边界点的频率，在该点信号 增益下降到一个人为规定的下限。增益下降到一个人为规定的下限。 阻带截频：阻

8、带截频：fr为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号 衰耗衰耗(增益的倒数增益的倒数)下降到一人为规定的下限。下降到一人为规定的下限。 转折频率：转折频率：fc为信号功率衰减到为信号功率衰减到1/2(3dB)时的频率，通常时的频率，通常 以以fc作为通带的截止频率，即作为通带的截止频率，即fp = fc 。 固有频率：固有频率：f0为为电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，复电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，复 杂电路往往有多个固有频率。杂电路往往有多个固有频率。 3. 滤波器的主要特性指标滤波器的主要特性指标 （2）增益与衰耗增益与衰耗 滤波器在通带内的增益并

9、非常数。滤波器在通带内的增益并非常数。 对低通滤波器通带增益对低通滤波器通带增益Kp一般指一般指f=0时的增益；高通指时的增益；高通指 f时的增益；带通则指中心频率时的增益；带通则指中心频率f0处的增益。处的增益。 对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒 数，即衰耗数，即衰耗=1/ Kp 。 通带增益变化量通带增益变化量Kp指通带内各点增益的最大变化量，指通带内各点增益的最大变化量， 若若Kp以以dB为单位，则指增益为单位，则指增益dB值的变化量。值的变化量。 （3）阻尼系数与品质因数）阻尼系数与品质因数 阻尼系数阻尼系数：是表征滤波器

10、对频率为是表征滤波器对频率为f0信号的阻尼作用，信号的阻尼作用， 是滤波器中表示能量衰耗的一项指标。是滤波器中表示能量衰耗的一项指标。 品质因数品质因数Q ：阻尼系数的倒数称为品质因数，是评价带通阻尼系数的倒数称为品质因数，是评价带通 与带阻滤波器频率选择特性的一个重要指标。与带阻滤波器频率选择特性的一个重要指标。 f 带通或带阻滤波器的带通或带阻滤波器的3dB带宽；带宽； f0 中心频率，在很多情况下中心频率，在很多情况下中心频率与固有频率相等中心频率与固有频率相等。 01fQf RC滤波电路滤波电路 1.一阶一阶RC滤波电路滤波电路 （1）一阶无源一阶无源RC滤波电路滤波电路 电路简单，性能较差，存在负载效应，只能构成低通电路简单，性能较差，存在负载效应，只能构成低