《信号调理电路》

1、测控电路与器件,目录,第1章 信号调理电路 第2章 常用控制器件 第3章 控制电机 第4章 常用电气控制线路 第5章 可编程序控制器及应用 第6章 模拟量控制电路 第7章 开关量控制电路 第8章 信号显示,第1章 信号调理电路,信号放大 信号变换电路 信号运算电路 滤波电路 调制与解调电路 数据采集电路,1.1 信号放大,生产现场的各种物理量经过传感器或变送器变为电信号，这些电信号往往比较小，需经过放大后才能送给A/D转换器变为数字量送给计算机 。 因生产现场不同，放大器的工作环境千差万别，传感器的输出信号大小和输出阻抗不同，对系统的精度、速度和稳定性要求不同，因而需要不同的放大器。 本节主要

2、介绍比例放大器、仪用放大器、隔离放大器、可变增益放大器等。,返回,通用方法, Ri很大，Ro很小，K很大。 虚短在深度负反馈的条件下，运放的两输入端的电压差为零 即：uiuu0，即uu 虚断流入和流出输入端的电流都为0。 即： I=I0,运算放大器的理想特性：,1.1.1 比例放大器,同相放大器,图1-1 同相放大器的基本形式,同相放大器具有输入阻抗高，输出阻抗低，增益高的特点。,基本形式如图1-1所示：,增益为：,1.1.1 比例放大器,同相放大器,同相放大器的特点：输入阻抗高。,输入阻抗为：,式中：ri为运放的开环输入阻抗，A为运放的开环增益，F为电路的反馈系数。,1.1.1 比例放大器,

3、同相放大器,同相放大器的特点：输出阻抗很小，几乎接近于0。,输出阻抗为：,式中：r0为运放的开环输出阻抗，A为运放的开环增益，F为电路的反馈系数。,1.1.1 比例放大器,反相放大器,反向放大器具有输入阻抗低，输出阻抗低，但性能稳定的特点。,基本形式如图1-4所示：,增益为：,图1-4 反相放大器的基本形式,1.1.1 比例放大器,基本差分放大器,图1-7 基本差分放大器,采用电路结构完全对称的差分放大，有利于抑制共模干扰（提高电路的共模抑制比）和减小温度漂移。,利用电路的线性叠加原理，先计算输入信号uI1作用的输出uO1:,再计算输入信号uI2作用的输出uO2:,1.1.1 比例放大器,基本

4、差分放大器,图1-7 基本差分放大器,如果电路能做到完全对称，即,则有:,1.1.1 比例放大器,基本差分放大器,由于基本差分放大器的输入阻抗较低，它的应用受到很大的限制，通常它用于构成下面要介绍的仪用放大器。 集成化的差分放大器具有更好的性能，主要是共模抑制比和温度性能。这类芯片也有很多，如INAl05，INAl06，INAll7。,1.1.2 仪用放大器,仪用放大器是一种在传感器接口电路中，经常要用到的差分放大器。 这类放大器具有高输入阻抗、高共模抑制比，精度高、稳定性好，经常用于精密仪器电路和测控电路中，故称为仪用放大器。 图1-8所示为并联差分输入仪用放大器（三运放电路）。,图1-8三

5、运放仪用放大器,1.1.2 仪用放大器,电路分析：,图1-8三运放仪用放大器,1.1.2 仪用放大器,电路分析：,图1-8三运放仪用放大器,差模增益为：,共模增益为：,由三运放组成的差分放大器具有高共模抑制比、高输入阻抗和可变增益等一系列优点，它是目前测控系统和仪器仪表中最典型的前置放大器。,1.1.3 隔离放大器,所谓隔离放大器，是指前级放大器与后级放大器之间没有电的联系，而是利用光或磁来耦合信号。 它可以提高系统的抗干扰性能、安全性能和可靠性，现代测控系统经常采用隔离放大器。 目前用得较多的是利用光来耦合信号。用光来耦合信号的器件叫光电耦合器，其内部有作为光源的半导体二极管和作为光接收的光

6、敏二极管和三极管。 如图1-9给出了常见的几种光电耦合器的内部电路。,1.1.3 隔离放大器,不同类型光电耦合器件传输特性比较：（图1-10）,选用硅光敏三极管和达林顿型时，应合理选择工作点，并将其工作范围限制在近似的线性传输区； 在要求低失真和宽频带的高性能传输时，宜采用光敏二极管型。,硅光敏二极管型：良好的传输线性和较宽的线性范围，但传输增益最小； 硅光敏三极管型：传输线性较差，传输增益较大； 达林顿型：传输线性最差，但传输增益最大。,因此：,1.1.3 隔离放大器,下图为采用光电耦合器的光电隔离放大器：,图1-11光电偶合放大电路,图1-12线形光电偶合放大电路,1.1.4 可变增益放大

7、器,为了增加测控系统的动态范围和改变电路的灵敏度以适应不同的工作条件，经常需要改变放大器的增益。 通过改变反馈网络的反馈系数，即电阻的比例，同相放大器和反相放大器都很容易改变增益。 图1-14所示是一个可变增益的同相放大器的原理图。,1.1.4 可变增益放大器,增益:,显然，改变变阻器RP的阻值可以改变放大器的增益。 该电路可以连续地改变放大器的增益。,1.2 信号变换电路,电压电流变换器(VCC) 电流电压变换器(CVC) 电压频率变换电路 频率电压变换电路 电压比较器 限幅放大器,返回,1.2.1 电压/电流变换器和电流/电压变换器,电压电流变换器(VCC)用来将电压信号变换为与电压成正比

8、的电流信号。 VCC按负载接地与否可分为负载浮地型和负载接地型两类。,电压/电流变换器,(1)负载浮地型电压电流变换器,常用的接法：,反相式负载浮地型VCC中，输入电压uI加在反相输入端，负载阻抗ZL接在反馈支路中，故输入电流等于反馈支路中的电流，即,(1)负载浮地型电压电流变换器,负载阻抗中的电流iL与输入电压uI成正比，而与负载阻抗ZL无关。,同相式负载浮地型VCC中，输入电压uI加在同相输入端，负载阻抗ZL接在反馈支路中，故输入电流等于反馈支路中的电流，即,电流放大式负载浮地型VCC，在这个电路中，负载电流大部分由运算放大器提供，只有很小一部分由信号源提供，且有,(1)负载浮地型电压电流

9、变换器,图1-21负载接地型VCC,(2)负载接地型电压电流变换器,常用接法：,利用叠加原理，有：,如果,(2)负载接地型电压电流变换器,高性能型：,电路中A1为普通运算放大器，A2为仪器放大器(如AD620)。假定A2的增益为K，则有：,图1-22高性能负载接地型VCC,电流电压变换器(CVC),电流电压变换器(CVC)用来将电流信号变换为成正比的电压信号。 图1-23所示为电流电压变换器的原理图。,电流电压变换器(CVC),若将电流源接人运算放大器的反相输入端，并忽略运算放大器本身的输入电流，则有,电流电压变换器(CVC),若被测电流iS很小，为了要有一定的输出电压数值应该取较大的RF阻值

10、，但RF越大，必然带来两个问题：一是大阻值的电阻不容易找到，精度也差；二是输出端的噪声也越大。 在实际应用中，常采用如下图所示电路：,1.2.2 电压/频率变换与频率/电压变换,电压/频率变换电路（VFC）：也称为频率调制（FM）、压控振荡器（VCO）、准模/数转换电路。 频率/电压变换电路（FVC）：也称为鉴频器、准数/模转换电路。,1. 电压/频率变换电路,绝大多数的电压频率变换电路都可采用图1-26的原理框图来说明。,图中模拟开关在比较器输出的控制下将输入信号输入到积分器，积分器通常采用线性积分电路，积分器的输出与参考电压UR相比较，当积分器的输出达到时，比较器翻转，其输出控制模拟开关切

11、换到uF，是与uI相反的电压,且幅值较高；或者模拟开关把积分器短路，使积分器的输出迅速回零。,1. 电压/频率变换电路,假定uI0，在对uI积分时积分器的输出：,比较器翻转后控制模拟开关使积分器迅速回零，这个期间需时间为T2。在设计电路时使T2T1，则比较器输出的频率：,假定在积分期间uI保持不变，在经过T1时间后，uC=UR，比较器翻转，此时有：,图1-27所示为一实际VFC电路。,电路由积分器、电压比较器和恢复单元（模拟开关）等 部分组成。 当电源接通后，比较器A2的反相端加有电压+UB,所以输出压uO2=-uO2,max，它使电压输出级处于截止状态，uO为负值-uO,max，同时由于uO

12、为负值，所以二极管VD导通，负电压使作为开关的场效应晶体管VT2处于截止状态。,当加入输入电压uI后，A1反相积分，输出电压负向增加，当略小于-UB值时，比较器A2翻转，输出电压由-uO2,max跳变至+uO2,max，该电压使输出级VT1饱和导通,uO为+uO,max。同时+uO2,max使二极管VD截止，场效应晶体管VT2导通，积分器中的电容C1通过VT2迅速放电至零值，此时比较器A2的反相端的电压又恢复为+UB，使比较器的输出电压再次变为-uO2,max，并再度进行反相积分，只要输入电压维持在某一电平，上述过程将持续不断地进行，从而产生一定频率的脉冲振荡。,式中I为电容C1的充电电流值，

13、由图可知，I=uI/RI，因此振荡周期和频率为：,该恢复型VFC的输出频率与输入电压有较好的线性关系，调节电阻，电容C1，和基准电压UB，可以调整该VFC的输出频率和变换灵敏度。现已有集成的VFC，其性能也相当可观。,由于该电路的积分器放电时间常数为RonCl很小，所以该电路的振荡周期T主要决定于反相积分的时间Tl，该时间发生uO1下降到-uB时，故振荡周期可由下式计算：,与电压频率变换(VFC)相反，频率电压变换(FVC)用来将输入信号的频率变换成与之成比例的电压输出，若令k为频率=电压变换系数，则有,2. 频率/电压变换电路,图1-29给出了采用模拟变换方式的FVC电路及工作波形。,2.

14、频率/电压变换电路,图1-29模拟变换式FVC,1.2.3 比较器和限幅放大器,当运算放大器处于开环或正反馈时，它会工作在非线性状态。 如下图所示：,1. 电压比较器,1.2.3 比较器和限幅放大器,工作在非线性状态的运算放大器具有以下一些特点： （1）当同相输入端电压大于反向输入端电压时，输出电 压为高电平，即 U+U-时，UO=U+O，max （2）当同相输入端电压大于反向输入端电压时，输出电 压为高电平，即 U+U-时，UO=U-O，max,1. 电压比较器,1.2.3 比较器和限幅放大器,电压比较器用来对输入信号进行鉴别和比较，以判别其大小还是小于给定信号。 在现代测控电路中，往往采用

15、集成电压比较器。采用集成电压比较器的优点是速度快、精度高和输出为逻辑电平。 实际比较器的电路框图如下图所示：,图1-30电压比较器的电路框图,1. 电压比较器,1.2.3 比较器和限幅放大器,uP与uN是待比较的输入信号，比较器的核心是开环的运算放大器A。电路的输出为：,图1-30电压比较器的电路框图,1. 电压比较器,最简单的比较器如下图所示：,1. 电压比较器,（1）比较器的输入电路,a. 最简单的比较器,所有输入信号相加后与UR相比较。,1. 电压比较器,（1）比较器的输入电路,b. 求和比较器,用来鉴别输入信号的变化率是大于还是小于某一给定值。,1. 电压比较器,（1）比较器的输入电路

16、,c. 斜率比较器,因此： 当iF0时，UO0。,令iF=0，则有：,1. 电压比较器,（1）比较器的输入电路,c. 斜率比较器,因此：,迟滞比较器是一个具有迟滞回环特性的比较器，它在单门限电压比较器的基础上引入了正反馈网络。 左图为迟滞比较器的电路图，其传输特性如右图所示。,1. 电压比较器,（2）比较器的反馈电路,设运放是理想的并利用叠加原理，则有,1. 电压比较器,（2）比较器的反馈电路,根据输出电压vO的不同值（VOH或VOL），可求出上门限电压VT+和下门限电压VT分别为：,设从 vI=0、vO=vOH和vp=vT+开始讨论。 当vI由零向正方向增加到接近vp=vT+前，vO一直保持

17、 不变。当vI增加到略大于vp=vT+，则vO由VOH下跳到VOL，同时使vP下跳到vp=vT-。VI再增加，vO保持vO=vOL不变。 若减小vI，只要vIvp=vT-，则vO将始终保持vO=vOL不变，只有当vIvp=vT-时， vO才由vOL跳到VOH。 其传输特性如图所示。,1. 电压比较器,（2）比较器的反馈电路,传输特性：,下图所示为采用稳压二极管的输出端箝位电路。,1. 电压比较器,（3）比较器的输出箝位,当uIUR时，输出电压uO为正，并且被箝定在稳压二极管的稳定电压UW上； 当uIUR时，输出电压uO为负，并且被箝定在稳压二极管的正向压降UD上。,2. 限幅放大器,限幅放大器

18、的功能是输入信号较小时，限幅放大器处于线形放大工作状态，输出跟随输入线形变化；当输入信号达到某一电平时，输出将不随输入信号的增加而变化，而维持在一定值上，即处于限幅工作状态。其输入输出特性如图1-37(b)所示 。,2. 限幅放大器,下图为采用稳压二极管的反馈式限幅放大电路。,当输入信号uI较小、输出电压的绝对值|uO|UZ+UD，则稳压二极管的支路导通，输出电压uO随输入电压uI的增加被箝定在UZ+UD上，而不随输入电压的变化而变化。,1.3 信号运算电路,加法运算电路 减法运算电路 积分运算电路 微分运算电路 特征值运算电路,返回,加法运算电路,若干个电压信号的相加可以通过一个反相运算放大

19、器来实现，如图1-38所示。,输入电压u1，u2，un通过电阻接入反相输入端，由于此点为虚地点，故根据节点电流原理可得如下关系式：,a.反相加法运算电路,加法运算电路,如果取：,则有：,a.反相加法运算电路,加法运算电路,若干个电压信号的相加也可以通过一个同相运算放大器来实现，如图1-39所示。,通常令：,b.同相加法运算电路,可得：,减法运算电路,减法运算电路如图1-40所示。,利用线性叠加原理，有：,图1-40电路减法运算,积分运算电路,积分电路的应用很为广泛，它不仅用作积分运算，而且利用它的充放电过程还可以实现延时、定时，以及产生各种波形。 典型的积分电路如图1-41所示。,积分运算电路

20、,在积分电路中，负反馈回路中是一个积分电容C，而不是电阻，这种积分电路称为反相积分电路，其输出电压为：,微分运算电路,通过变换图1-41中电阻和电容的位置，就可得到如图1-42所示的微分运算电路。,根据节点电流原理，由电路可得：,1.3.3 特征值运算电路,在测控仪器中，经常需要获得某些特征值，如信号瞬时值、正负峰值、绝对值、算术平均值和有效值等。而获得这些特征值的电路，相应地有绝对值运算电路、峰值运算电路、均值运算电路、有效值运算电路等，这些电路统称为特征值运算电路。,1. 绝对值运算电路,取绝对值就是对信号进行全波或半波整流。 绝对值电路的传输特性曲线应具有如图1-43所示的形式。,1.

21、绝对值运算电路,常使用整流二极管对信号进行全波或半波整流。但是整流二极管的非线性会带来严重影响，特别是在小信号的情况下。 为了精确地实现绝对值运算，必须采用线性整流电路。图1-44所示为全波线性绝对值电路。,图1-44 全波线性绝对值电路,由A1和R1、R2、D1、D2构成半波整流电路，有： （1）uI0时：Dl导通、D2截止、uA=0： （2）uI0时：D1截止、D2导通、uA=-R2uI/R1。 输入信号uI为交流信号时，uA的输出波形如图1-45所示。,1. 绝对值运算电路,A2、R3、R4和R5则构成的一个反相加法电路，把uA和uI相加后输出。,1. 绝对值运算电路,如果令：,则有：,

22、2. 均值运算电路,在测控电路中有两种求平均值的情况。一种是求若干信号的加权平均值，它可用相加电路实现。另一种是求一个信号在某一时段内的平均值。 对于截止频率为fP的低通滤波器，当输入信号频率ffP时，低通滤波器的输出电压与输入电压的比很小。对于不对称的交流电而言，无论如何不会有ffP的情况，因为输入信号的傅里叶变换常数项不为零，而是信号的算术平均值，即,2. 均值运算电路,将傅里叶级数的所有其他项之和记为uI(t) ，则uI(t)与输入电压uI(t)有相同的形状，只是相当于在纵轴方向平移了uI，则输入电压可写为：,这时，只要将fP选得足够低，就能满足ffP的条件，经过低通滤波器时，uI(t)

23、被积分，而直流部分线性通过，则输出电压可写成：,当RC取足够大时，则有：,3. 峰值运算电路,峰值运算电路的基本原理就是利用二极管单向导电特性，使电容单向充电，记忆其峰值。 为了克服二极管管压降的影响，可以采用图1-46所示的电路，将二极管D1放在反馈回路中。,图1-46峰值运算电路,3. 峰值运算电路,当输入电压uIuC时，A1输出为正，D1截止、D2导通，电容C充电，使得uC=uI。这样电容C一直充电到输人电压的最大值。 后级电压跟随器具有较高的输入阻抗，电容C可以保持峰值较长时间。,图1-46峰值运算电路,4. 有效值运算电路,交变信号u(t)的有效值被定义为平方平均值或方均根值。,为了

24、使有效值U不随T而变化，T的选取应大于信号中谐波分量的最大周期。 对于正弦信号有：,也就是说，对于正弦信号，可以通过测量其幅值求得有效值。,4. 有效值运算电路,对于其他输入信号，可以通过图1-47(a)所示电路来获得有效值。,图中A1构成同相积分器。A2实现开方，电路的输出与有效值成正比。,1.4 滤波电路,滤波电路的功能是从众多的信号中选出需要的信号。 根据电路工作时是否需要电源，滤波电路分为无源滤波器和有源滤波器； 根据电路选取信号的特点，滤波器可分为四种：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。,1. 无源滤波器,无源滤波器主要由电感、电容和电阻构成，所以又称RLC滤波电路。

25、RLC滤波电路可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。,（1）低通滤波器（LPF）,当低通滤波器输入0f1频率范围的信号时，经滤波器后输出0f0频率范围的信号，也就是说，只有f0频率以下的信号才能通过滤波器。这里的f0频率称为截止频率，又称转折频率，低通滤波器只能通过频率低于截止频率f0的信号。,低通滤波器的功能是选取低频信号，低通滤波器意为“低频信号可以通过的电路”。 以下图为例说明低通滤波器的性质。,（1）低通滤波器（LPF）,图(a)为RC低通滤波器。当电路输入各种频率的信号时，因为电容C对高频信号阻碍小，高频信号经电容C旁路到地；电容C对低频信号阻碍大，低频信号不会旁路，

26、而是输出到后级电路。,下图为几种常见的低通滤波器。,（1）低通滤波器（LPF）,如果单级RC低通滤波器滤波达不到效果，可采用图(b)所示的多级RC滤波器，这种滤波器能更彻底地滤掉高频信号，使选出的低频信号更纯净。,下图为几种常见的低通滤波器。,（1）低通滤波器（LPF）,图(c)所示为RL低通滤波器。当电路输入各种频率的信号时，因为电感对高频信号阻碍大，高频信号很难通过电感L；而电感对低频信号阻碍小，低频信号很容易通过电感去后级电路。,下图为几种常见的低通滤波器。,（2）高通滤波器（HPF）,当高通滤波器输入0f1频率范围的信号时，经滤波器后输出f0f1频率范围的信号，也就是说，只有f0频率以

27、上的信号才能通过滤波器。高通滤波器只能通过频率高于截止频率f0的信号。,高通滤波器的功能是选取高频信号。 以下图为例说明高通滤波器的性质。,（2）高通滤波器（HPF）,图(a)为RC高通滤波器。当电路输入各种频率的信号时，因为电容C对高频信号阻碍小，对低频信号阻碍大，故低频信号难于通过电容C，高频信号很容易通过电容去后级电路。,下图为几种常见的高通滤波器。,（2）高通滤波器（HPF）,图(b)为RL高通滤波器。当电路输入各种频率的信号时，因为电感对高频信号阻碍大，对低频信号阻碍小，故低频信号很容易通过电感L旁路到地，高频信号不容易被电感旁路而只能去后级电路。,下图为几种常见的高通滤波器。,（2

28、）高通滤波器（HPF）,图(c)是一种效果更好的高通滤波器。电容C1、C2对高频信号阻碍小、对低频信号阻碍大，低频信号难于通过，高频信号很容易通过；另外，电感L对高频信号阻碍大、对低频信号阻碍小，低频信号很容易被旁路掉，高频信号则不容易被旁路掉。这种滤波器的电容C1、C2对低频信号有较大的阻碍，再加上电感对低频信号的旁路，低频信号很难通过该滤波器，低频信号分离较彻底。,下图为几种常见的高通滤波器。,（3）带通滤波器（BPF）,当带通滤波器输入0f1频率范围的信号时，经滤波器后输出fLfH频率范围的信号，这里fL称为下限截止频率，fH称为上限截止频率。带通滤波器只能通过在下限截止频率fL和上限截

29、止频率fH之间的信号（含fL、fH信号），如果fL=fH=f0，那么这种带通滤波器就可以选择单一频率的f0信号。,带通滤波器的功能是选取某一段频率范围内的信号。 以下图为例说明带通滤波器的性质。,（3）带通滤波器（BPF）,图(a)是一种由RC元件构成的带通滤波器。其中R1、C1构成低通滤波器，它的截止频率为fH，可以通过fH频率以下的信号；C2、R2构成高通滤波器，它的截止频率为fL，可以通过fL频率以上的信号；结果只有fLfH频率范围的信号通过整个滤波器。,下图为几种常见的带通滤波器。,（3）带通滤波器（BPF）,图(b)是一种由LC串联谐振电路构成的带通滤波器。L、C谐振频率为f0，它对

30、频率为f0的信号阻碍小，对其他信号阻碍很大，故只有频率为f0的信号可以通过。 该电路选取单一频率的信号，如果想让f0附近频率的信号也能通过，就要降低谐振电路的Q值，Q值越低，LC电路的通频带越宽，能通过f0附近更过频率的信号。,下图为几种常见的带通滤波器。,（3）带通滤波器（BPF）,图(c)是一种由LC并联谐振电路构成的带通滤波器。L、C谐振频率为f0，它对频率为f0的信号阻碍大，对其他频率的信号阻碍小，故其他频率的信号被旁路，只有频率为f0的信号不会被旁路，而去后级电路。,下图为几种常见的带通滤波器。,（4）带阻滤波器（BEF）,当带通滤波器输入0f1频率范围的信号时，经滤波器后输出0fL

31、、fHf1频率范围的信号，而fLfH频率范围内的信号不能通过。带阻滤波器只能通过在下限截止频率fL以下和上限截止频率fH以上的信号（不含fL、fH信号），如果fL=fH=f0，那么这种带通滤波器就可以选择频率f0以外的所有信号。,带阻滤波器的功能是选取某一段频率范围以外的信号。带阻滤波器又叫陷波器，它的功能与带通滤波器恰好相反。 以下图为例说明带阻滤波器的性质。,（4）带阻滤波器（BEF）,图(a)是一种由RC元件构成的带阻滤波器。其中R1、C1构成低通滤波器，它的截止频率为fL，可以通过fL频率以下的信号；C2、R2构成高通滤波器，它的截止频率为fH，可以通过fH频率以上的信号；结果只有fL

32、以下和fH以上范围的信号可以通过滤波器。,下图为几种常见的带阻滤波器。,（4）带阻滤波器（BEF）,图(b)是一种由LC并联谐振构成的带阻滤波器。 L、C谐振频率为f0，它对频率为f0的信号阻碍很大，而对其他频率的信号阻碍小，故只有频率为f0的信号不能通过，其他频率的信号都能通过。 该电路可以阻止单一频率的信号，如果想让f0附近频率的信号也不能通过，可以降低谐振电路的Q值，Q值越低，LC电路的通频带越宽，可以阻止f0附近更多频率的信号通过。,（4）带阻滤波器（BEF）,图(c)是一种由LC串联谐振电路构成的带阻滤波器。L、C谐振频率为f0，它对频率为f0的信号阻碍很小，对其他信号阻碍很大，故只

33、有频率为f0的信号被旁路到地，其他频率的信号不会被旁路，而是去后级电路。,2. 有源滤波器,有源滤波器一般由有源器件（运算放大器）和RC原件构成。 它的优点是不采用大电感和大电容，故体积小、质量小，并且对选取的信号有放大作用；其缺点是因为运算放大器频率带宽不够理想。 所以，有源滤波器常用在几千赫兹频率以下的电路中，高频电路中采用LC无源滤波电路效果更好。,（1）一阶低通滤波器,一阶低通滤波器如下图所示：,图(a)所示电路中，R1、C1构成低通滤波器，它选出低频信号后，再送到运算放大器放大，运算放大器与R2、R3构成同相放大电路。 该滤波器的截止频率为：,（1）一阶低通滤波器,图(b)所示电路中

34、，R1、C1构成负反馈电路。因为电容C1对高频信号阻碍很小，所以从输出端经C1反馈到输入端的高频信号很多，由于是负反馈，反馈信号将输入的高频信号抵消，而C1对低频信号阻碍大，负反馈到输入端的低频信号很少，低频信号抵消少，大部分低频信号送到运算放大器输入端，并经放大后输出。 该滤波器的截止频率为：,（2）一阶高通滤波器,一阶高通滤波器如下图所示：,C1、R1构成高通滤波器，高频信号很容易通过电容C1并送到运算放大器输入端，运算放大器与R2、R3构成同相放大电路。 该滤波器的截止频率为：,（3）二阶带通滤波器,二阶带通滤波器如下图所示：,R1、C1构成低通滤波器，它可以通过频率fH以下的信号（含f

35、H频率的信号）；C2、R2构成高通滤波器，可以通过频率fL以上的信号（含fL频率的信号）。结果只有fLfH频率的信号送到运算放大器放大而输出。,（4）二阶带阻滤波器,二阶带阻滤波器如下图所示：,R1、C1、R2构成低通滤波器，它可以通过频率fL以下的低频信号（不含fL频率的信号）； C2、C3、R3构成高通滤波器，可以通过频率fH以上的信号（不含fH频率的信号）。结果只有0fL以及大于fH以上频率的信号送到运算放大器放大而输出。,1.5 调制与解调电路,调制的目的 调制的分类 振幅的调制与解调 频率调制与解调,返回,调制的目的和分类,在非电量测量仪器中可以测量的非电量信号都具有较低的频谱分量，

36、一般在零频(直流)到几十千赫范围内变化的。当被测信号比较弱时，由于在信号传送过程中易受同频率干扰信号的干扰，如工频干扰放大器的低频噪声、直流漂移等。所以不宜采用直接放大的形式对信号进行传送，经常采用调制-解调方法，提高电路的抗干扰能力，提高信噪比。,调制的目的和分类,调制解调的作用在于通过某种调制方法，将原始的低频信号的频谱调制到另一个具有高频的频谱上，经调制后高频调制波载有原始输入信号的全部信息，经过有效放大后使调制波信号增强，然后采用解调技术，又从调制波中解调出原始的输入信号来，这时的信号已经是放大了的输入信号。 调制：将低频信号装载到高频信号上的过程； 解调：从高频信号中将低频信号取出的

37、过程。,调制的目的和分类,通常调制分为线性调制和非线性调制两类。 线性调制：将调制信号与载波(正弦的或非正弦的)相乘的调制方式； 非线性调制：线性调制方式以外的其他方式的调制。 常见的双边带振幅调制就属于线性调制，而频率调制和相位调制(统称角调制)就是属于非线性调制：原则上，调制波的解调方法也依赖于所采用的调制方法，达到同样解调的具体方式可能有多种，解调器电路也是多样的。,1.5.1 振幅的调制与解调,振幅的调制和解调过程可用如图1-54所示的方框图表示。它是由调制器、交流放大器和解调三个基本环节组成。,1.5.1 振幅的调制与解调,原始的输入信号是调制信号x(t)，c(t)是频率较高的载波信

38、号，是由测量设备内部提供的高频电压，它可以是正弦波电压也可以是脉冲电压。调制器的作用是实现调制信号x(t)对载波c(t)的振幅调制，输出信号称为调幅波。交流放大器对调幅波进行高频放大。解调器将从放大了的调幅波中解调出输入的原始调制信号。,1. 振幅调制,假设： 载波为： 被测信号即调制信号为： 振幅调制就是采用调制信号和载波相乘的调制方式。 则，乘法器的输出为调幅波，即,1. 振幅调制,假设： 载波为： 被测信号即调制信号为： 振幅调制就是采用调制信号和载波相乘的调制方式。 则，乘法器的输出为调幅波，即,1. 振幅调制,图1-55分别给出了调制信号、载波和调幅波的波形图。,调幅波可以被看做频率

39、为c而振幅按Xmsint变化的调幅信号，这时调幅波已不是频率为c的正弦波了，它是由两个正弦波组成。,1. 振幅调制,利用三角公式做如下推导，则可以将调幅波分解为两个正弦量的和，即,可见，频率为的信号去调制角频率为c的载波，调制后的调幅波既不包含与调制信号频率相同的正弦量，也不包含频率为载波频率c（简称载频）的正弦量，而是在载频c两侧出现两个频率为（c-）和（c+）的正弦量，其振幅减小了一半。,1. 振幅调制,在非电量测量仪器中，一些参数变换经常接成电桥电路，电桥输入电压经常是正弦电压uc(t)=Umsinct，是调制电路的载波电压。电桥的输出电压为,当被测非电量x(t)=0时，Z1=Z2=Z3

40、=Z4=Z，电桥处于平衡状态； 若被测非电量为x(t)时，桥臂Zl和Z2做差动变化，这时电桥的输出电压为：,电桥电路,2. 调幅波的解调,从调幅波中检出输入信号的过程就是解调。 当信号中的直流分量大于交流分量的幅值，即调制指数mx1时，可以采用简单的解调方法，如用图1-59的二极管包络检波电路。,图1-59 二极管包络检波电路,2. 调幅波的解调,一般信号在恒定分量大于交变分量的情况下是不常见的，也不是唯一的，经常是输入信号x(t)出现正、负极性的交替变换，即调制指数mx1。 右图为一般情况下调幅波波形的示意图。 如果这是仍然采用上述的二极管包络检波，则检出的信号波形变成图（c）所示那样，不管

41、调幅波的极性是如何随信号极性的变化而变化，均对调幅波做正极性检波，这样就失去了原来信号波形的本来面目。,图1-60 mxl调幅波解调示例,2. 调幅波的解调,为了从调幅波中检出输入信号的真实波形，必须采用同步解调法。 同步解调法是以载波极性作为控制信号做同步解调的方法。当输入信号x(t)为正时，将调幅波的正半周检出，去掉负半周，或将负半周倒向作正半周。前者为半波解调，后者为全波解调。而当输入信号x(t)为负极性时，就应检出调幅波的负半周，而去掉正半周，或既取出负半周又将正半周作负半周。经这种同步解调之后的信号由低通滤波器滤掉高频分量，则可以解调出原始输入信号的完整波形来，如图1-60(d)所示。,1.5.2 频率调制与解调,频率调制的功能是用低频信号去调制高频等幅信号，得到幅度不变但频率随低频信号变化的高频调频信号。 随着数字式仪表的日益增多，被测量信号通过频率调制的形式出现的也越来越多。最普通的方法，可以将传感器输出的电压信号输入至电压/频率(VF)变换器，这时，变换器输出的是一个被调制信号进行了频率调制的调频波。,1.5.2 频率调制与解调,另一种通行方法是，利用电抗元件组成调谐振荡器。电抗元件(L或C)作为传感器参量它感受被测量的变化，作为调制信号输入，振荡器原有的振荡信号作为载波。当有调制信号输入时，振荡器输出的即是被调制了的调频波。如图1-61(a)所示。,1.5