第3章 检测信号的处理(1)

1、第第3章章 检测信号的处理检测信号的处理工业仪表常用标准信号：工业仪表常用标准信号：电压：电压： 0-5V，0-10V, 1-5V电流：电流： 0-10mA 0-20mA 4-20mA 第第3章章 检测信号的处理检测信号的处理u3.1 放大器放大器u3.2 滤波器滤波器u3.3 信号转换电路信号转换电路u3.4 非线性特性的线性化非线性特性的线性化第第3章章 检测信号的处理检测信号的处理u3.1 放大器放大器 放大器将传放大器将传感器输出的微弱感器输出的微弱电信号放大到足电信号放大到足以进行各种转换以进行各种转换处理或推动各种处理或推动各种执行机构。执行机构。第第3章章 检测信号的处理检测信号

2、的处理u3.2 滤波器滤波器滤波器滤波器可以可以从测量信号中分离出有用信号，滤除噪声信从测量信号中分离出有用信号，滤除噪声信号，提高测量系统的信噪比。号，提高测量系统的信噪比。第第3章章 检测信号的处理检测信号的处理u信号转换电路信号转换电路 实现不同类型信号的相互转换，使具有不同输实现不同类型信号的相互转换，使具有不同输入入 、输出的器件可以互连。、输出的器件可以互连。 U/IU/I第第3章章 检测信号的处理检测信号的处理u3.4 非线性特性的线性化非线性特性的线性化在测控系统中，大多数传在测控系统中，大多数传感器的输入与输出之间并感器的输入与输出之间并非线性关系。如果非线性非线性关系。如果

3、非线性误差过大，需对非线性器误差过大，需对非线性器件的特性进行校正或补偿，件的特性进行校正或补偿，使其输入量与校正后的输使其输入量与校正后的输出量之间呈线性关系出量之间呈线性关系。3 3. .1 1 放大器放大器3.1.1 测量放大器的基本要求测量放大器的基本要求 n增益高且稳定增益高且稳定 n共模抑制比高共模抑制比高n失调与漂移小失调与漂移小n频带宽频带宽n线性度好线性度好n转换速率高转换速率高n阻抗匹配好阻抗匹配好n功耗低功耗低n抗干扰能力强抗干扰能力强n性价比高性价比高 举例：仪表放大器举例：仪表放大器AD620参数参数l 增益增益G：110,000l CMR: 100db(最小值，最小

4、值，G=10)l 失调电压：失调电压：50V(最大值）最大值）l 失调漂移：失调漂移：0.6V/（最大值）（最大值）l 带宽：带宽：120kHz(G=100)l 最大非线性度：最大非线性度：40ppml 0.01%建立时间：建立时间：15sl 高输入阻抗：高输入阻抗：10G|2pFl 低功耗：最大工作电流低功耗：最大工作电流1.3mAl 目前市场价：目前市场价：15元人民币左右元人民币左右 根据电路实现方式不同，测量放大器分为三类：根据电路实现方式不同，测量放大器分为三类：n采用晶体三极管、结型场效应管等分立元件组成采用晶体三极管、结型场效应管等分立元件组成n采用通用集成运算放大器组成采用通用

5、集成运算放大器组成n采用单片专用集成放大器组成采用单片专用集成放大器组成3 3. .1 1 放大器放大器 根据电路功能和要求不同，测量放大器包括：根据电路功能和要求不同，测量放大器包括：n 3.1.2 三运放式差动放大器三运放式差动放大器n 3.1.3 单片集成放大器单片集成放大器n 3.1.4 可编程增益放大器可编程增益放大器n 3.1.5 隔离放大器隔离放大器3 3. .1 1 放大器放大器3.1.2 三运放式差动放大器（仪表放大器）三运放式差动放大器（仪表放大器） 3 3. .1 1 放大器放大器21?ooudUUAUUU3.1.2 三运放式差动放大器（仪表放大器）三运放式差动放大器（仪

6、表放大器） 3 3. .1 1 放大器放大器差动放大器是把两个输入信号分差动放大器是把两个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反别输入到运算放大器的同相和反相两个输入端，然后在输出端取相两个输入端，然后在输出端取出两个信号的出两个信号的差模成分差模成分，而尽量，而尽量抑制两个信号的抑制两个信号的共模成分共模成分。3.1 3.1 放大器放大器3.1.2 三运放式差动放大器（仪表放大器）三运放式差动放大器（仪表放大器） 3 3. .1 1 放大器放大器12/ 2/ 2idicidicuuuuuu 3.1.2 三运放式差动放大器（仪表放大器）三运放式差动放大器（仪表放大器） 3.1 3.1 放大器放

7、大器3.1.2 三运放式差动放大器（仪表放大器）三运放式差动放大器（仪表放大器） PPPORRUUUURRURRU112121111)()1(3 3. .1 1 放大器放大器虚短虚短运放的电压放大倍数很大运放的电压放大倍数很大(80dB以上以上），而输出电压有限（），而输出电压有限（10-14V)，因此运放的差模输入电压很小（，因此运放的差模输入电压很小（不足不足1mV), 即同相输入端与反相即同相输入端与反相输入端的电位接近相等，近似短路。输入端的电位接近相等，近似短路。 U+ = U-虚断虚断由于运放的输入阻抗很高由于运放的输入阻抗很高(1M以上以上），因此流入运放两个输入），因此流入运放

8、两个输入端的电流十分微弱（端的电流十分微弱（不足不足1A)，两输入端接近开路，称为虚断。，两输入端接近开路，称为虚断。3.1.2 三运放式差动放大器（仪表放大器）三运放式差动放大器（仪表放大器） PPPORRUUUURRURRU112121111)()1(3 3. .1 1 放大器放大器差动放大器差动放大器21foutusRUAUUR12OUTsffsfUUUURRRUURRUU3.1.2 三运放式差动放大器（仪表放大器）三运放式差动放大器（仪表放大器） 3 3. .1 1 放大器放大器 第一级第一级放大增益？放大增益？ 第二级第二级放大增益？放大增益？第二级放大增益第二级放大增益020201

9、fuRUAUUR3.1.2 三运放式差动放大器（仪表放大器）三运放式差动放大器（仪表放大器） 3 3. .1 1 放大器放大器 第一级第一级放大增益？放大增益？ 第二级第二级放大增益？放大增益？020201fuRUAUUR21020112020112121PPPuPRUUUURRRUURRRAUUR（）1212*(1)fuuuPRRRAAARR3.1.2 三运放式差动放大器（仪表放大器）三运放式差动放大器（仪表放大器） PPPORRUUUURRURRU112121111)()1(改变改变Rp可调节放大器增益可调节放大器增益3 3. .1 1 放大器放大器01221(1)fuPRURRAUURR

10、5.102510.210VmV3 3. .1 1 放大器放大器12(1)1001010150015fuPRRRARR（）3.1 放大器放大器6.102610.210VmV12(1)1001010160014fuPRRRARR（）3.1 放大器放大器12(1)1001010143316fuPRRRARR（）4.435443.510VmV 3.1 放大器放大器3.1.3 单片集成放大器单片集成放大器 在差动放大电路中，由于各分立运算放大器的参数不在差动放大电路中，由于各分立运算放大器的参数不一致，加之电阻难以完全匹配，往往造成共模抑制比降低，一致，加之电阻难以完全匹配，往往造成共模抑制比降低，增益

11、出现非线性。一些集成电路制造厂家将差动放大电路增益出现非线性。一些集成电路制造厂家将差动放大电路中的运算放大器集成到一块芯片上，生产出了单片集成放中的运算放大器集成到一块芯片上，生产出了单片集成放大器大器，如，如AD521，AD522，AD612，AD620等。等。与分立放与分立放大器相比，该类集成芯片具有性能优异、体积小、结构简大器相比，该类集成芯片具有性能优异、体积小、结构简单、低成本等优点，因而得到了广泛使用。下面以美国单、低成本等优点，因而得到了广泛使用。下面以美国Analog Devices公司生产的公司生产的AD620为例来介绍单片集成放为例来介绍单片集成放大器的应用。大器的应用。

12、3.1 放大器放大器3.1.3 单片集成放大器单片集成放大器内部增益电阻内部增益电阻R1和和R2已调整至绝对值已调整至绝对值24.7k，因此利用一个外部电阻便可实现对增益的设定。因此利用一个外部电阻便可实现对增益的设定。3.1 放大器放大器3.1.3 单片集成放大器单片集成放大器对于对于G=1,RG引脚不接引脚不接 3.1 放大器3.1.3 单片集成放大器单片集成放大器5.49k Au=9.9980.11010VmV 3.1 放大器3.1.3 单片集成放大器单片集成放大器499 Au=100110010VmV 3.1 放大器3.1.3 单片集成放大器单片集成放大器98.8 Au=5015.01

13、50110VmV 3.1 放大器3.1.4 可编程增益放大器可编程增益放大器如何自动改变放大增益? 3.1 放大器3.1.4 可编程增益放大器可编程增益放大器 运算放大器运算放大器 电阻网络电阻网络 模拟开关模拟开关 译码驱动电路译码驱动电路放大电路的增益通过数字逻辑电路由给定的程序来控制放大电路的增益通过数字逻辑电路由给定的程序来控制电阻网络电阻网络 3.1 放大器3.1.4 可编程增益放大器可编程增益放大器电阻网络电阻网络美国微芯公司生产的美国微芯公司生产的MCP6S2x系列系列G2G1G0=000111对应对应8种增益种增益 1，2，4，5，8，10，16，32 运算放大器运算放大器 电

14、阻网络电阻网络 模拟开关模拟开关 译码驱动电路译码驱动电路 3.1 放大器3.1.4 隔离放大器隔离放大器 将电路的将电路的输入侧和输出侧在电气上完全隔离输入侧和输出侧在电气上完全隔离的放大电路称的放大电路称为隔离放大器。为隔离放大器。隔离放大器隔离放大器的的输入输入、输出和电源电路之间没有输出和电源电路之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共接地端。直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共接地端。l变压器耦合（电磁耦合）变压器耦合（电磁耦合） 线性度高、隔离性好、共模抑制能力强，但工作频带窄线性度高、隔离性好、共模抑制能力强，但工作频带窄、体积大、成本高。、体积大、成本高。l光电

15、耦合光电耦合 成本低、质量轻、结构简单、转换速度快、工作频带宽成本低、质量轻、结构简单、转换速度快、工作频带宽，但线性度不如变压器耦合，主要用于开关量控制。，但线性度不如变压器耦合，主要用于开关量控制。 3.1 放大器3.1.4 隔离放大器隔离放大器 3.1 放大器3.1.4 隔离放大器隔离放大器被测信号在输入级放大后由高频信号调制成调幅波，再通过隔被测信号在输入级放大后由高频信号调制成调幅波，再通过隔离变压器传送至输出级，经解调、滤波和放大后输出。离变压器传送至输出级，经解调、滤波和放大后输出。 3.1 放大器3.1.4 隔离放大器隔离放大器光电耦合光电耦合被测信号在输入级放大后由光电耦合器

16、中的发光被测信号在输入级放大后由光电耦合器中的发光二极管转换成光信号，再由光敏二极管、光敏三极管等光电器二极管转换成光信号，再由光敏二极管、光敏三极管等光电器件转换成电压或电流信号，最后经由放大电路放大后输出。件转换成电压或电流信号，最后经由放大电路放大后输出。 3.1 放大器3.1.4 隔离放大器隔离放大器光电耦合光电耦合被测信号在输入级放大后由光电耦合器中的发光被测信号在输入级放大后由光电耦合器中的发光二极管转换成光信号，再由光敏二极管、光敏三极管等光电器二极管转换成光信号，再由光敏二极管、光敏三极管等光电器件转换成电压或电流信号，最后经由放大电路放大后输出。件转换成电压或电流信号，最后经

17、由放大电路放大后输出。 3.2 滤波器 滤波器是一种能使有用信号通过，滤除信号中滤波器是一种能使有用信号通过，滤除信号中无用频率信号的电子装置。无用频率信号的电子装置。 滤波器的用途滤波器的用途 滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分率成分通过，而极大地衰减其他频率成分 3.2 滤波器3.2.1 滤波器的类型滤波器的类型低通低通高通高通 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） 3.2 滤波器3.2.1 滤波器的类型滤波器的

18、类型带通带通带阻带阻 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） 3.2 滤波器3.2.1 滤波器的类型滤波器的类型 3.2 滤波器3.2.1 滤波器的类型滤波器的类型根据处理信号不同：根据处理信号不同：l模拟滤波器模拟滤波器 l数字滤波器数字滤波器根据组成滤波器电路元器件不同：根据组成滤波器电路元器件不同：nLC无源滤波器无源滤波器由电感、电容组成，选频特性好，信号能量损耗小，但体积大、不易于集由电感、电容组成，选频特性好，信号能量损耗小，但体积大、不易于集成，测控系统内应用较少。成，测控系统内应用较

19、少。nRC无源滤波器无源滤波器由电阻、电容组成，选频特性差，电由电阻、电容组成，选频特性差，电 阻对信号功率有损耗，只用于低性能阻对信号功率有损耗，只用于低性能滤波器。滤波器。nRC有源滤波器有源滤波器 （普遍采用普遍采用）在在RC无源滤波器基础上引入运算放大器等具有能量放大作用的有源元件，无源滤波器基础上引入运算放大器等具有能量放大作用的有源元件，补偿电阻上损失的能量，具有良好的选频特性。补偿电阻上损失的能量，具有良好的选频特性。n基于特殊元件的无源滤波器基于特殊元件的无源滤波器机械滤波器，压电陶瓷等，选频特性好、稳定性高，但由于其品种系列有机械滤波器，压电陶瓷等，选频特性好、稳定性高，但由

20、于其品种系列有限，不便于调整。限，不便于调整。 3.2 滤波器3.2.1 滤波器的类型滤波器的类型根据处理信号不同：根据处理信号不同：l模拟滤波器模拟滤波器l数字滤波器数字滤波器RC有源滤波器是一种具有源滤波器是一种具有特定频率响应的放大有特定频率响应的放大器。它是在运算放大器器。它是在运算放大器的基础上增加一些的基础上增加一些R、C无源元件而构成。无源元件而构成。根据组成滤波器电路元器件不同：根据组成滤波器电路元器件不同：nLC无源滤波器无源滤波器nRC无源滤波器无源滤波器nRC有源滤波器有源滤波器 （普遍采用普遍采用）n基于特殊元件的无源滤波器基于特殊元件的无源滤波器 3.2 滤波器3.2

21、.2 滤波器的基本参数滤波器的基本参数n 截止频率截止频率fcp 工程上以信号功率衰减到工程上以信号功率衰减到1/2的频率作为通带与阻带的边界点，称为的频率作为通带与阻带的边界点，称为转折频率，又称为截止频率。转折频率，又称为截止频率。n 通带增益通带增益Kpp 低通滤波器，通带增益一般指低通滤波器，通带增益一般指0时的增益时的增益；p 高通滤波器，通带增益一般指高通滤波器，通带增益一般指时的增益时的增益；p 带通滤波器，通带增益一般指中心频率处的增益；带通滤波器，通带增益一般指中心频率处的增益；p 带阻滤波器，一般给出阻带衰减，定义为增益的倒数。带阻滤波器，一般给出阻带衰减，定义为增益的倒数。n 品质因素品质因素Q p 谐振频率与带宽之比谐振频率与带宽之比n 阻尼系数阻尼系数 3.2 滤波器3.2.3 二阶二阶RC有源滤波器有源滤波器低通滤波器低通滤波器 高通滤波器高通滤波器n 压控电压源型压控电压源型n 无限增益多路反馈型无限增益多路反馈型n 双二阶环型双二阶环型 3.2 滤波器3.2.3 二阶二阶RC有源滤波器有源滤波器带通滤波器带通滤波器 带阻滤波器带阻滤波器 3.2 滤波