第2章 前向通道设计

1、电子系统设计电子系统设计BTR2.1 概述概述第第2章前向通道设计章前向通道设计一、一、 前向通道结构形式前向通道结构形式放大A/D主控电路放大V/F主控电路模拟电压信号放大A/D主控电路I/V放大V/F主控电路I/V模拟电流信号放大整形主控电路频率信号放大整形主控电路开关信号传感器输出信号前向通道结构结构形式取决于被测对象输出信号的数量、类型、大小等电子系统设计电子系统设计BTR多输入通道的前向通道结构传感器放大A/D主控电路传感器放大多路开关多路选择控制传感器A/D主控电路传感器多路开关增益选择控制可编程增益放大多路选择控制电子系统设计电子系统设计BTR二、二、 前向通道设计特点前向通道设

2、计特点v 组成前向通道的电路大多属于模拟电路，有以下一些特点：单元电路类型较多：传感、电源、放大、变换、处理、脉冲产生、调制、解调等；电路工作于线性状态，有工作点选择、工作点的稳定性，运行范围的线性度要求；不仅有功能规定，还有精度指标的规定；设计中的重点之一是输入单元与信号源之间的匹配，包括阻抗匹配、线性范围匹配、负载能力匹配、高低电平匹配，以及信号时序匹配等；调试难度大，特别对于高频、高精度或微弱信号系统更是这样。这类系统中的元器件布置、连线、接地、供电、去耦等对性能指标影响很大。自动化设计进展比较缓慢。电子系统设计电子系统设计BTR三、三、 前向通道设计内容前向通道设计内容v 信号的拾取：

3、传感器的选择是至关重要。v 信号的调节：除了小信号放大、滤波、整形外，还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正、量程切换等诸多方面的任务。v 模拟/数字转换电路选择：大多数的应用场合都采用A/D转换电路，包括多路模拟开关的选用、采样/保持电路、A/D转换器的选择等。v 抗干扰措施：前向通道是干扰侵袭的主要渠道，必须充分考虑到干扰的抑制与隔离。电子系统设计电子系统设计BTRv传感器组成 敏感元件； 转换元件； 测量电路。2.2 传感器传感器一、一、 传感器组成与分类传感器组成与分类应该说明的是：u并不是所有的传感器都可以明显地将这三部分区分开。 传感器是指将各种非电量按一定规律转换成便于

4、处理与传输的电量的装置。电子系统设计电子系统设计BTRv传感器分类按检测的物理量分：光、温度、磁、超声波、湿度、压力、位移、速度、加速度等；按转换原理分：热电式、光电式、压电式、电磁式等；按材料的半导体物理现象分：力敏、热敏、光敏、气敏等；按组成分：敏感元件、传感器、测量仪表。电子系统设计电子系统设计BTR表示测量结果与被测量的真值之间的一致程度的参数。两者之差称为绝对误差，绝对误差与真值之比称相对误差；精确度常用等级来表示，如0.1，0.5，1.0级的传感器，表示它们的精确度分别为0.1%，0.5%和1%；测量仪表常用下式表示精确度： = 1.0X0.5FS，式中X为视值，FS为满量程值。二

5、、二、 传感器传感器主要主要参数参数 1. 静态参数静态参数 v精确度(准确度) v灵敏度 传感器的输出变化量Y与引起此变化的输入变化量X之比，灵敏度可能与激励值有关。电子系统设计电子系统设计BTRv分辨率 指传感器的指示装置对相邻两个值有效辨别的能力，即为最小检测量。一般认为模拟式指示装置的分辨率为标尺最小分度值的一半，数字式指示装置的分辨率为末位数的一个字码。v滞后 由于外加输入量的方向(正行程和反行程)不同，传感器对同样的输入值给出不同的输出值，此两者之差的绝对值称回程误差。v零值误差 当输入为零时，传感器输出偏离零位的值。电子系统设计电子系统设计BTR2. 动态参数动态参数 v时间常数

6、v上升时间tr 常用的动态参数有时间常数、上升时间tr 、稳定时间ts 、过冲量 、频带宽度BW 。 在恒定输入条件下，传感器输出从零到稳态值的63%的时间(只适用于一阶系统)。 在恒定输入条件下，传感器输出从稳态值的10%90%所经历的时间。电子系统设计电子系统设计BTRv稳定时间tsv过冲量 在恒定输入条件下，传感器输出上下波动进入稳态值规定百分比以内(如1%)所经历的最小时间。 在恒定输入条件下，传感器输出超过稳态值的最大值。过冲只在二阶以上系统且阻尼较小时才会发生。v频带宽度BW 在同一幅值不同频率信号输入条件下，传感器输出幅值下降到额定值的12的频率定义为上限频率fH和下限频率fL，

7、两者之差定义为带宽BW。电子系统设计电子系统设计BTR此类传感器可用于测量压力、拉力、应力、推力、旋转力、长度、厚度、位移、速度、加速度、重量等。三、三、 力传感器力传感器 v作用 v常用力学量传感器 电阻应变式传感器，它将机械构件上应力的变化转换为电阻的变化； 压电式压力传感器，它是利用某些材料（如压电晶体等）的压电效应原理制成； 电容式传感器，它是利用电容两极板之间的距离或面积发生变化时引起电容量变化的原理； 电感式传感器，它是利用线圈自感、互感的变化来检测被测物理量； 压阻式传感器，它是利用半导体电阻率与应力之间的相互关系来实现检测的。电子系统设计电子系统设计BTR电阻应变式传感器又称作

8、应变片。如图是应变片的外形和安装图。当电阻丝被拉伸或压缩时，它的阻值就发生相应变化。将应变片接成桥路，通过测量电路完成检测任务。v电阻应变式传感器的原理 电子系统设计电子系统设计BTR是指能检测光信号并能把光信号转变成电信号的元件。四、四、 光传感器光传感器 v作用 v分类 光电发射效应光电管、光电倍增管、超正析象管；光电导效应硫化镉光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等；光电势效应太阳电池、硒光电池等。电子系统设计电子系统设计BTR光敏电阻是利用光电导制成的光电元件。某些半导体材料(如硒、硫化镉等)在某一波长光线的照射下，本身的电阻就会改变。v光敏电阻工作原理v光敏电阻主要参数亮电阻RL：光敏电

9、阻在有光线照射时(规定条件)的阻值；暗电阻RD：光敏电阻在室温条件下，全暗后经过一段时间所具有的阻值；最大功率损耗PMAX：环境温度为25时的功率；最大外加电压VMAX：在黑暗中可连续施加元件的最大电压。1. 光敏电阻光敏电阻电子系统设计电子系统设计BTRv光敏电阻实例v光敏电阻应用照相机自动测光、光电控制、光控灯、光控音乐IC、工业控制、电子玩具等。型号最大电压VMAX最大功耗PMAX光谱峰值亮电阻RL暗电阻RD响应时间tr tfGL5528150V100mW540nm1020k1M20mS 30mS电子系统设计电子系统设计BTR光敏晶体管有光敏二极管和光敏三极管；光敏二极管PN结无光照射反

10、偏时电流很小，当有光照射时，因PN结吸收能量使少数载流子浓度大增，电流增大；光敏三极管除了将光信号变为电流信号外，同时又将电流信号加以放大。v光敏晶体管工作原理2. 光电晶体管光电晶体管电子系统设计电子系统设计BTR当光线射到光敏二极管时，光敏二极管通过电流，使继电器吸合，对其它设备进行控制。v光电开关电子系统设计电子系统设计BTR放A1的作用是将光照度引起的电流变化转变为电压信号输出；A2则是电压/电流变换器，使电路输出电流与照射到光敏二极管的光强度成正比；如果用输出电流去控制执行机构，可以制成光自动控制装置。v照度计电子系统设计电子系统设计BTR光断续器是将近红外发光二极管与光敏三极管相对

11、放置并封装起来的器件；主要有透射式和反射式两种封装形式。v光断续器（光电断路器）u透射式：发光二极管窗口与光敏三极管的窗口正好相对，常用来检测物体的有无、物体的移动和转速等。u反射式：发射孔和接收孔位于同一侧，常用于生产流水线的产品计数、智能电动小车循迹或躲避障碍物的传感器。电子系统设计电子系统设计BTRv光敏晶体管主要参数型号正向压降VF(V)反向电流IR(A)集电极暗电流ICEO(A)集电极亮电流IL (mA)饱和压降VCE(V)响应时间tr tf (s)HT1511.25(IF=20mA)10(VR=3V)2(VCE=20V)4(VCE=5V IF=8 mA)0.4(IF=8mA Ic=

12、0.4mA)5 5(IF=20mA VCE=5V Rc=100)ST1781.25(IF=20mA)10(VR=3V)1(VCE=20V)0.4(VCE=5V IF=8 mA)0.4(IF=8mA Ic=0.15mA)10 10(IF=20mA VCE=5V Rc=100)电子系统设计电子系统设计BTRv光敏晶体管应用红外线遥控器；生产流水线产品计数；集中抄表系统数据采集；位置、速度测量系统；传真机、碎纸机等办公设备。1+5VR1180R23.3kR34.7kR420k4093VO9014电子系统设计电子系统设计BTR温度是最常遇到的物理量，因此测温传感器使用非常广泛而且种类繁多。v分类（按测

13、温原理）体积热膨胀：如水银温度计、双金属温度计等；热电阻：如铂、铜、镍等金属热电阻，半导体热敏电阻等；热电偶：如铜康铜热电偶；PN结温度传感器：如热敏半导体二极管；集成温度传感器：如LM35、AD590，DS1820等。五、五、温度温度传感器传感器 电子系统设计电子系统设计BTR是一种用双金属片作为感温组件的温控器，属于体积膨胀式温度传感器；正常工作时，双金属片处于自由状态，触点处于闭合/断开状态；当温度达到动作温度时，双金属片受热产生内应力而迅速动作，打开/闭合触点，切断/接通电路，从而起到控温作用；广泛应用于家电领域和办公设备中。1. 突跳式温控器突跳式温控器电子系统设计电子系统设计BTR

14、铂、铜、镍等金属的电阻随温度而变化，因此可通过测电阻值的变化测出温度的变化。通常把这些金属做成细丝绕在线圈架上；用金属丝做成的温度传感器性能稳定，精度高(可达0.15级)，线性好，测温范围广(铂-2591064，镍-50300，铜0120)，它们的缺点是反应慢、灵敏度差、价格贵等，一般用于工业测量；半导体材料制成的热敏电阻，其阻值随温度变化比较显著，具有升温迅速、可靠、成本低廉的优点，所以获得了广泛的应用，特别是在家电领域中。2. 热电阻式热电阻式温度传感器温度传感器电子系统设计电子系统设计BTR热电偶的工作原理是基于热电效应。即两种不同材料的金属两端连接起来，组成一个闭合回路，如果两端结点温

15、度不同，则回路中形成一定大小的电流；热电偶有以下特点：测温范围广(-2692800)。由于它的输出是一电势信号，所以测量时一般不需外加电源，构造简单、使用方便、不易损坏。其缺点是终端要补偿，灵敏度较低。3. 热电偶传感器热电偶传感器电子系统设计电子系统设计BTR集成温度传感器实质上是一种半导体集成电路。它利用晶体管的be结压降VBE与温度T之间呈线性关系实现对温度的检测；集成温度传感器线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便，得到广泛应用；集成温度传感器输出型式分为电压输出、电流输出和数字量输出三种。u常见集成温度传感器：型号测温范围封装输出型式温度系数LM35-55+150TO-46 T

16、O-92 (3端)电压型10mV/AD590-55+150TO-52(2端)电流型1A/DS1820-55+125PR35 (3端)数字量0.5温度/字4. 集成温度传感器集成温度传感器电子系统设计电子系统设计BTRv LM35封装基本电路v AD590封装基本电路+15V100950AD590VO = 1mV/K+15V27kAD581VO = 100mV/KAD590+-36k2k91k10k-15V电子系统设计电子系统设计BTR特点u采用单总线结构，通过一根I/O口线与主控CPU进行数据和命令的传送；u内含温度传感器、ROM、RAM和I/O接口等，可以免去外加的运算放大器和A/D转换器等

17、器件，使检测电路得到简化；u测量结果可以由用户程序设定为9、10、11或12位二进制数，对应温度分辨率分别为0.5、0.25、0.125和0.0625；u有体积小、功耗低、性能稳定、测量精度高等优点，因此在温度测控系统中有着广泛的应用。v DS18B20封装电子系统设计电子系统设计BTR对磁敏感的传感器称为磁性传感器；磁性传感器主要有干簧管、磁敏二极管、磁敏三极管、磁阻传感器及霍尔元件等；霍尔元件以磁场作媒介，可直接检测磁场、电流，还可检测位移、振动、速度、加速度、压力、功率等多种物理量；霍尔元件的主要优点是：可以实现非接触式测量；当磁场采用永磁体产生时，不需要附加电源；尺寸小、价格便宜、应用

18、电路简单、可靠性高。六、六、 磁性传感器磁性传感器 电子系统设计电子系统设计BTRv霍尔元件工作原理 在用半导体材料做成的薄片上，制作四个欧姆接触电极a、b、c、d，当在Z轴方向上加一个磁感应强度为B的磁场，若a、b端输入控制电流I，则在c、d端就会产生电压VH(霍尔电势)，这种现象称为霍尔效应；如果磁场B固定不变，则VH可反映电流I的变化；如果控制电流I固定不变，则VH可反映磁场B的变化；如果磁场B由移动磁铁产生，则VH可反映移动磁铁的位置；在测量系统中，霍尔元件常用于大电流测量。电子系统设计电子系统设计BTRvSS495A 封装形式把霍尔元件、温度补偿电路、放大器及稳压电源等做在一个芯片上

19、然后封装起来就构成了霍尔传感器；霍尔传感器可分为线性和开关型两种。1. 线性霍尔传感器线性霍尔传感器线性型霍尔传感器的输出电压与外加磁感应强度之间是线性关系。v霍尔传感器霍尔传感器电子系统设计电子系统设计BTRv输出特性v典型应用电路v构成电流检测器+VS1输出RLH23电子系统设计电子系统设计BTRvSS111A 封装形式2. 开关型霍尔传感器开关型霍尔传感器开关型霍尔传感器的输出电压只有2种状态。稳压电源AH+VSGNDVO123v内部电路组成包括稳压电源、霍尔元件、放大器、滞回比较器及OC输出管等。电子系统设计电子系统设计BTRv工作原理类似于施密特反向器；当外加磁感应强度超过BOP时，

20、传感器输出低电平；而当外加磁感应强度低于BRP时，传感器输出为高电平。VOH0.4VVOBOPBRP0BHBv基本应用电路+VS1RL12kH23VOS N电子系统设计电子系统设计BTRv转速或转数测量装置v液位检测和控制装置电子系统设计电子系统设计BTR超声波传感器一般采用压电陶瓷晶片制成，它可以将加在其上的电信号，转换为超声机械波向外辐射；也可以将作用在其上的超声机械波，转换为相应的电信号；超声波检测装置包含有一个发射器和一个接收器。七、七、超声波传感器超声波传感器v外形与符号T40-16：发射器；R40-16：接收器。电子系统设计电子系统设计BTR1. 基本特性基本特性v频率特性超声发射

21、器的中心频率f0处所产生的超声机械波最强，产生的超声声压能级也最高；超声波接收器在f0处最尖锐，输出电信号的幅度最大，接收灵敏度也最高；超声接收器的频率特性曲线和输出端外接电阻R有很大关系，如果R很大，频率特性是尖锐共振的；如果R较小频率特性曲线变得平滑，并且最大灵敏度向稍低的频率移动。电子系统设计电子系统设计BTRv指向特性当 = 0时声压最大，角度逐渐增大时，声压减小；超声传感器的指向角一般为4080。电子系统设计电子系统设计BTR2. 应用电路应用电路v发射电路用与非门组成的超声波发射电路u调制信号由G2输入；uG1、G2和电阻R、电容C组成多谐振荡电路，电路的振荡频率f0近似等于1/(

22、2.2RC)；uG3为驱动器，为超声波发射器提供驱动所需的电压、电流信号。&STRS47kR12kC1000G174HC00G2G3调制输入NE555 34 8762 1 5VCCR12kR23kR310kC14700pST调制输入C20.01用555集成定时器组成的超声波发射电路u调制信号由555的4脚输入；u电路的振荡频率f0近似等于1.44 / (R1 + 2R2) C；u信号经555的3脚输出送超声波发射器。电子系统设计电子系统设计BTRv接收电路由运算放大器组成u信号通过电容C1的耦合送入运放同向端；uR2、R3组成分压电路，使运放同相端的电位为1/2电源电压；u运放将信号比例放大后

23、输出。用CMOS非门组成uCMOS非门当做放大器，它具有输入阻抗高、功耗低、成本低、电路简单等优点；uCf为防止高频自激而设，容量约取1000pF，具体数值在调整时确定。+-+12VR1100kR2100kR3100kC10.01C24.7R41kR51MVOSR+1SRVOViCfRf 电子系统设计电子系统设计BTR水银开关又称倾侧开关，是震动开关的一种，以一接有电极的小巧容器储存有一小滴水银；因为重力的关系，水银水珠会向容器中较低的地方流去。如果水银同时接触到两个电极的话，两个电极便会闭合，否则，两个电极处于断开状态。八、八、震动传感器震动传感器1. 水银开关水银开关v基本构造图（a）是玻

24、璃外壳水银开关，缺点是玻璃外壳容易破碎；图（b）是塑料外壳水银开关，克服了玻璃外壳容易破碎的缺点；图（c）是金属外壳水银开关，可承受较大的冲击加速度。电子系统设计电子系统设计BTRv主要参数开关允许电流：一般合金丝电极最大允许电流为0.31 A ；使用温度：可以在-35+90温度范围之内使用；开关接触电阻：水银开关电极间的接触电阻100m 。v主要应用广泛应用于杠杆开关、继电器、安全报警及工程机械等方面；在高温情况下使用有一定的危险性；对人体及环境均有毒害，使用时避免破出，不用时也不要随意丢弃。电子系统设计电子系统设计BTR震动开关也叫振动开关、弹簧开关、震动传感器、摇晃开关，是在感应震动力时

25、产生触发动作，并使电路启动工作的电子开关；在平时不受振动时弹簧和触发接脚间是不导通的，受到振动后，弹簧抖动接触到触发接脚从而通电产生触发信号；广泛用于玩具、鞋灯、防盗报警器、电子秤等各种电子产品上。2. 震动开关震动开关电子系统设计电子系统设计BTR大多数传感器与系统之间的传输信号是模拟电压信号或模拟电流信号。要充分发挥传感器的特性，除了要正确选择传感器以外，还要设计合理的传感器接口电路。在设计传感器接口电路时主要涉及的问题有：模拟信号传输、信号转换、非线性校正与温度补偿，以及干扰抑制问题。1. 模拟信号传输模拟信号传输九、九、传感器接口传感器接口电子系统设计电子系统设计BTRv电压信号传输

26、当传送距离较远时，由于导线电阻的增大，则要求系统输入端的输入阻抗增大； 增大输入阻抗又易于引入干扰，因此电压信号一般不适合作远距离传输； 为了尽可能提高信噪比，现在的集成传感器多把敏感元件与放大器集成在一起，将模拟电压信号放大后进行传输。电子系统设计电子系统设计BTRv电流信号传输 电流信号适合于远距离传送。因为这样可使用高输出阻抗的传感器，从而形成一个相当于电流源信号传输回路； 电流信号传输的国际标准是420mA的直流电流，供电电压为24V； 420mA电流传输可以采用专用集成芯片，如B-B公司的XT101型小信号双线变送器，AD公司生产的AD694等。电子系统设计电子系统设计BTR传感器的

27、输出信号在传输过程中，经常需要进行各种转换。2. 信号转换信号转换v电压转换成电流信号如前所述，可采用XT101 、 AD694 等。v电压、电流转换成频率信号 把模拟信号转换成频率信号来传送可提高系统的精度和抗干扰能力。因为这相当于将模拟传输方式改成数字传输方式；电压/频率转换集成芯片有LM331、 AD654等。v传输回路的阻抗变换 在电压信号传输中，当传感器的输出阻抗比较高时，在传输过程中会产生信号衰减。为此在传感器输出端可接入一个高输入阻抗和低输出阻抗的匹配器；常用电路有带自举电路的射极输出器、场效应管的源极输出器或用运算放大器组成的阻抗匹配器等。电子系统设计电子系统设计BTR3. 非

28、线性校正和温度补偿非线性校正和温度补偿 许多传感器输出的电信号与被测物理量之间是非线性关系，会影响测量精度，因此需将此类信号作线性化处理；线性化处理可用硬件（加非线性器件）或软件（查表）来实现。4. 信号传输中的干扰抑制信号传输中的干扰抑制 传感器的输出信号通常比较小，在信号传输中干扰影响特别严重，因此要充分考虑对干扰的消除和抑制；常用的措施：差分传输方式；隔离传输方式；屏蔽和滤波；对通断信号可接入具有迟滞特性的电路。电子系统设计电子系统设计BTR2.3 信号放大与变换电路信号放大与变换电路一、一、 集成运算放大器应用基础集成运算放大器应用基础 集成运放是模拟系统中一个应用非常广泛的单元电路，

29、按集成运放应用特点可把它们分为通用集成运放和专用集成运放两大类。v通用集成运放 参数是按工业上的普通用途设定的，各方面性能都较差或中等，价格低廉； 常用的有A741、A747、LM358、LM324、NE5532、AD508等。1. 集成运放的分类集成运放的分类电子系统设计电子系统设计BTRv低漂移高精度型 特点是失调、漂移都很小，噪声很低、共模抑制比大； 工作速度往往较低； 典型产品有OP-07、OP-27、OP-37、A725、ICL7650等。 v高速型 增益带宽乘积大、转换速率高； 常用于处理频带宽、变化速度快的信号； 常用产品有LF357、LM318、OP-17、OP-37等。 v高

30、输入阻抗型 输入阻抗高（可达l012以上）、输入偏流小（低至几个pA）； 常用于积分及保持电路等； 常用产品有LF353、LF357、CA3140、TL081/082/084等。 电子系统设计电子系统设计BTRv高压型 供电电源、输入信号范围和输出信号范围较大； 如LM343，其供电电源及输入、输出信号电压达34V 。v低功耗型 本身功率损耗较小； 可用于电池供电系统； 如PC253功耗仅为1.8mW，而通用运放A741有50mW功耗。 v大功率型 输出信号有较大功率驱动能力； 可用于直接驱动功率负载； 如A791可输出高达1000mA驱动电流。 电子系统设计电子系统设计BTR 输入失调电压V

31、OS：集成运放输入为0时输出并不为0，为使输出回到0，需在输入端加入一非0的补偿电压，称为输入失调电压，其值影响系统的零点误差； 输入失调电压温漂VOS/T：输入失调电压的温度系数，反映输入失调电压随温度而变化的程度； 差模输入电阻RIN：输入差模电压变化量与引起的输入电流变化量之比，差模输入电阻越大，运放从信号源索取的电流越小； 共模抑制比CMRR：表示了集成运放对共模信号(通常是一种干扰信号)的抑制能力，这一指标在微弱信号放大场合非常重要； 摆率(转换速率)SR：是表示运放所允许的输出电压VO对时间变化率的最大值，反映了集成运放对信号变化速度的响应能力； 增益带宽乘积GBW：开环差模增益与

32、上限截止频率的乘积，GBW通常是一个常数，从中可推出该运放在实际工作条件下所具有的带宽。2. 集成运放的主要参数集成运放的主要参数电子系统设计电子系统设计BTRv集成运放实例型号输入失调电压VOS (mV)输入失调电压温漂VOS/T(V/)差模输入电阻RIN(M)共模抑制比CMRR(dB)摆率SR (V/S)增益带宽乘积GBW(MHz)A741 2152900.50.3NE55320.550.3100910OP-070.060.5331200.30.6LM318431007015LF357351061005020电子系统设计电子系统设计BTR 为简化分析，通常将集成运算放大器看成一个理想运算放

33、大器，即：开环差模电压增益AVD，输入电阻RIN； 当集成运放构成负反馈放大器，且工作在线性范围内，则：V+V-，I+I-0；v例： I+0 V-V+0 I-0 (Vi-0)/R1(0-Vo)/R2 Vo-(R2 /R1)Vi3. 集成运放电路分析集成运放电路分析电子系统设计电子系统设计BTR 若无特殊要求，应尽量选用通用型运算放大器； 对手册中给出的运放性能指标应有全面的认识，不要盲目片面追求指标的先进； 各种参数指标是在一定的测试条件下测出的，如果使用条件和测试条件不一致，则指标的数值也将会有差异； 做弱信号放大时，应特别注意选用低失调、低噪声系数、高精度的运算放大器，同时应保证运放同相端

34、与反相端对地的等效直流电阻的匹配与平衡等； 用于直流放大时，必须妥善进行调零； 为了消除运算放大器的高频自激，应参照推荐电路在规定的消振引脚之间接人适当电容消振，同时应尽量避免两级以上放大级级连，以减小消振困难。4. 集成运放选用要点集成运放选用要点电子系统设计电子系统设计BTR二、二、 常用放大电路常用放大电路v带偏移的放大电路1. 反相输入比例放大器反相输入比例放大器21312/ RRRVRRVioSiRioVKVVRRVRRV)1 (1212v电阻取值限制R1取值不能太小，否则信号源输出电流较大，一般在1k以上；R2取值不能太大，否则易受潮湿环境影响，一般在1M以下； 因此该电路不可能有

35、较大的单级增益。电子系统设计电子系统设计BTRv带偏移的放大电路2. 正相输入比例放大器正相输入比例放大器32132/)1 (RRRVRRVioSiRioVKVVRRVRRV3232)1 ( 不但具有放大作用，还可对信号起到平移的作用。电子系统设计电子系统设计BTRv特点3. 增益大于增益大于1的反相放大器的反相放大器)/()1 (542135412RRRRRVRRRRVio 单级电路获得较大的放大倍数。4. 反相加法器反相加法器432154332211/)(RRRRRRRVRVRVVo 实现对多个输入信号按权相加与放大的功能。电子系统设计电子系统设计BTR5. 差动放大电路差动放大电路432

36、112122434121/)(RRRRVRRRVRRRRRRVo 当R2/R1R4/R3时：)(1212VVRRVo 可以实现对输入的差值信号进行放大的功能。电子系统设计电子系统设计BTRv特点6. 带驱动的反相放大器带驱动的反相放大器 放大器各表达式与反相放大器相同，但此电路可以输出更大电流。21312/ RRRVRRVio电子系统设计电子系统设计BTR 测量放大器又称仪表放大器、数据放大器或桥路放大器； 测量放大器具有全面高性能指标，如高增益、高共模抑制比、高精度（低失调、低漂移）、高输入阻抗、低输出阻抗等； 常用于热电偶、应变电桥、流量计量、生物测量以及其他有较大共模干扰的微弱差值信号的

37、放大； 常用测量放大器按性能分类有：通用型如AD620、INA114、INA131等，高精度型如AD522、INA128、AD624等，低噪声低功耗型如INA102、INA103等，以及可编程型如AD526、PGA102、PGA204等。三、三、测量放大器测量放大器电子系统设计电子系统设计BTRv原理 A1和A2构成第一级，由于A1和A2均为同相输入，因此放大电路具有很高的等效输入阻抗； 第二级A3接成差动形式（减法器），可把双端输入信号转换成单端输出； 由于内部电路完全对称，因此可获得很高的共模抑制比。+-R110kVO输入-+-R110kRGR210kR210kR210kR210kR310

38、0kR3100kR410kVIN+VIN-A1A2A3电子系统设计电子系统设计BTRv数据放大器参数v差模增益GVDRRA121型号输入失调电压VOS (mV)输入失调电压温漂VOS/T(V/)差模输入电阻RIN(M)共模抑制比CMRR(dB)摆率SR (V/S)增益带宽乘积GBW(MHz)A741 2152900.50.3NE55320.550.3100910OP-070.060.5331200.30.6LM318431007015LF357351061005020AD6200.030.31041301.21电子系统设计电子系统设计BTR 电压/电流转换器又称跨导型放大器，常用于远距离传送信

39、号时，消除导线电阻的影响和外界干扰造成的误差； 电压/电流转换器以所接负载形式不同可以两种类型：浮动型和接地型。四、四、电压电压/电流转换器电流转换器1. 浮动负载转换器浮动负载转换器 负载的两个端点都不受约束； 无论何种负载，输出电流表达式都成立； 图（a）输出电压的有限范围，图（b）iO必须来自源vi本身。iOvRi1+-Vi+负载RiOVL-+-Vi-RiOVL+负载VOVO电子系统设计电子系统设计BTRv原理)(1)(1233412432112211iiLooiLiooiVVRIRRRRVRVVRVVIVVRRVVRVVRVV则：表达式代入，且满足将又 可见，负载电流IL与RL无关，满

40、足了恒流的要求； 常用集成电压/电流转换器有XT101、 AD694 等。2. 接地负载转换器接地负载转换器电子系统设计电子系统设计BTR 输入电流信号ii流过采样电阻RS ，并在采样电阻两端产生输出电压信号：vO = RSii ； 当输入信号是一个非理想的电流源时，造成输出电压vO的衰减。五、五、电流电流/电压转换器电压转换器v简单电路 vOiiRSRORSiivo电子系统设计电子系统设计BTR 输入电流ii流过电阻R，产生输出电压信号vO = -Rii ； 运算放大器在输入和输出端都消除了负载效应。v用运放来实现的电路v高灵敏度I/V转换器 高灵敏度的应用可能会要求不现实的大阻值电阻； 这

41、个电路是靠倍乘因子k是来增加R的。这样就可以从一个合理的R值出发，然后乘以所需要的k值来实现高灵敏度。vO = -kRii RRRRk2121+-iiRvo+-iiRvoR1R2v1电子系统设计电子系统设计BTR1. 积分电路积分电路dttVRCtVio)(1)(2. 差动积分电路差动积分电路)()()()(1)(23232121tVRRRtVdttVtVCRtVo六、六、积分、微分、滤波电路积分、微分、滤波电路 对输入信号按时间积分的电路。 对输入的差分信号按时间积分的电路。 集成运算放大器除了可以构成信号放大电路外，还可以构成各种类型的信号处理电路。电子系统设计电子系统设计BTR3. 微分

42、电路微分电路dttdVRCtVio)()(4. 一阶惯性环节一阶惯性环节1212)()()()(1)(1)(RtVdttdVCRtVdttVCRdttVCRtViooioo或 对输入信号按时间微分的电路。 等效为一阶低通滤波电路。电子系统设计电子系统设计BTR5. 压控低通有源滤波电路压控低通有源滤波电路 截止频率（或中心频率）调节方便； 可提供通带内一定的增益； 输出阻抗低； 便于级联组合成高阶滤波器，或组合成带通或带阻滤波器； 受运放带宽的限制，RC有源滤波器仅适用于低频范围。2121121CCRRfovRC有源滤波器特点 改善了二阶低通有源滤波器的通带特性； 直流增益A1+ R3 /R4

43、应小于3，否则会产生自激振荡； 截止频率：v压控低通有源滤波电路特点电子系统设计电子系统设计BTR6. 压控高通有源滤波电路压控高通有源滤波电路 将压控低通有源滤波电路中的R1与C1、R2与C2位置互换，就构成高通有源滤波电路； 截止频率：2121121CCRRfo电子系统设计电子系统设计BTR7. 无限增益低通滤波电路无限增益低通滤波电路2132121CCRRfo 这种滤波电路不会因为直流增益A = -R2 / R1过大而产生自激振荡； 截止频率：电子系统设计电子系统设计BTR8. 无限增益高通滤波电路无限增益高通滤波电路 将无限增益低通滤波电路中的电阻与电容互换，就构成无限增益高通有源滤波

44、电路； 截止频率：3221121CCRRfo电子系统设计电子系统设计BTR1. 电压比较器电压比较器七、七、电压比较器与施密特触发器电压比较器与施密特触发器 放大、积分、滤波等电路都工作在线性状态，电压比较器和施密特触主要工作在饱和与截止状态； 主要作用是对模拟系统中采集的频率量或开关量做放大与整形。 电压比较器的作用是将它的一个输入端上的电压vP，与另一个输入端上的电压vN进行比较； 根据：vP vN输出可以是一个低电压VOL或高电压VOH 。+-CMPVOVCCVEEVPVNVDVOVOHVOLVD0电子系统设计电子系统设计BTR 比较器的速率用响应时间来表征，也称为传播延迟tPD ，是从

45、输入某一预定的阶跃电压信号开始，到完成输出转换的50所需要的时间； 当速率不再是重要因素时，运算放大器可以成为一个极好的比较器。v比较器响应速率+-CMPVOViViVOD-100mVt0VOtPD50t0VOHVOLv运放构成比较器的缺点 由于运算放大器的转换速率限制，输出是要延迟一段时间，例如采用741运算放大器，tR = Vsat / SR = (13 V) / (0.5V/s) = 26s； 输出饱和电平对于数字电路的接口来说通常无法接受。电子系统设计电子系统设计BTR 当vP vN时，Q处于截止状态，漏电流一般为0.2 nA，可忽略不计； 三极管Q的集电极和发射极都连接到了器件的引脚

46、上，因此可以对Q进行自定偏置。vLM311工作原理 另一类高增益放大器就是集成电压比较器。电子系统设计电子系统设计BTRvLM311典型应用 输入信号范围取决于VCC和VEE，当VCC = +15V，VEE = -15V时，VP、VN允许范围为-14.7+13.8V； 输出信号范围取决于VCC(logic) 和VEE(logic) ，当VCC(logic) = 5 V和VEE(logic) = 0 V时，VO可以兼容TTL和CMOS 电平。+1VOVCCRCVPVNVEE-VCC(logic)VEE(logic)23478311+1VORCVP VN-VCC(logic)VEE(logic)2

47、37311v其他电压比较器 LM393：双电压比较器，LM339：四电压比较器； LT1016、LT1719 ：高速的电压比较器。电子系统设计电子系统设计BTR2. 施密特触发器施密特触发器 在运算放大器上用一个分压器来提供正直流反馈，构成反相施密特触发器； 可以把这个电路看成一个反相型阈值检测器， 它有两个可能的阈值； 观察电压转移曲线可以发现，在曲线垂直部分上的移动只能按顺时针方向进行； 这种有两个单独的跃变点的VTC称为磁滞现象，将磁滞宽度定义为： VT = VTH VTL。v反相施密特触发器OHTHVRRRV211OLTLVRRRV211)(211OLOHTVVRRRV电子系统设计电子

48、系统设计BTR 把vI接在了同相输入端上，构成同相施密特触发器； 电压转移曲线在垂直线段上的移动必须按照逆时针方向进行； 磁滞宽度：v同相施密特触发器OLTHVRRV21OHTLVRRV21)(21OLOHTVVRRV电子系统设计电子系统设计BTR 消除抖动：v施密特触发器的应用u 比较器抖动：u 利用磁滞现象消除抖动：电子系统设计电子系统设计BTR2.4 信号的模信号的模/数转换数转换 载有信息的变量通常是以模拟量的形式表示的。为了便于处理、传输和存储，需要将这些信息转换为用数字量形式； 与模/数转换电路相关的还有采样/保持电路和多路模拟开关等。 在多路和多参数的采集、控制系统中，通常采用公

49、共的采样/保持电路及A/D转换电路，有时甚至可将某些放大电路共用；u 每一路都单独采用各自的输入回路，不仅成本比单路成倍增加，而且会导致系统体积庞大；u 由于模拟器件、阻容元件参数特性不一致，每路单独采用一个回路对系统的校准也会带来很大困难。 要实现这种设计，往往要采用多路模拟开关。一、一、多路模拟开关多路模拟开关电子系统设计电子系统设计BTR 干簧管或继电器：动作速度慢，可靠性差，寿命短； 多路数据选择器：传输过程电压幅度有一定变化，用于对多路数字信号选择； 多路模拟开关：CMOS多路模拟开关传输非线性失真小，精度高，功耗低，可用于模拟信号传输。 CMOS传输门。1. 多路开关的类型多路开关

50、的类型 2. 多路模拟开关多路模拟开关原理原理 电子系统设计电子系统设计BTR 通道数量；u 通道数量需要满足信号采集和控制路数的要求；u 通道越多，漏电流越大，通道间的干扰也越多。 泄漏电流：泄漏电流越小越好； 切换速度：对于传输快速度化的信号，要求切换速度高； 开关电阻：与开关串联的负载为低阻抗时，应选择导通电阻足够低的多路模拟开关； 其他：参数的漂移性、每路电阻的一致性及开关的使用寿命等。3. 多路模拟开关的主要参数多路模拟开关的主要参数电子系统设计电子系统设计BTR型号CD4066CD4051CD4052CD4053CD4067CD4097通道数量4个独立8选1双4选1三2选116选1

51、双8选1电源电压（V）318数字320模拟20VP-P数字320模拟20VP-P数字320模拟20VP-P318318导通电阻（）250470470470470470通道电阻差（）251515151515泄露电流（nA）0.050.010.010.010.10.1平均传输延迟时间（ns）203030303030封装DIP14、SOP14DIP16、SOP16DIP16、SOP16DIP16、SOP16DIP24、SOP24DIP24、SOP24应该说明的是： 处理微小电压信号时，由于信号十分微弱，因而集成化多路模拟开关往往不能有效地传递所需信号； 使用继电器一类的接点开关是比较方便和比较理想的

52、。4. 常用多路模拟开关常用多路模拟开关电子系统设计电子系统设计BTR 采样/保持电路是数据采集系统中常用的一个部件，常用于逐次逼近型A/D转换器的前端，用于保证A/D转换的精度。 当开关闭合时，电容CH充电达到输入信号电平； 当开关断开后，电容器保持这个电平。二、二、采样采样/保持电路保持电路1. 工作原理工作原理电子系统设计电子系统设计BTR 捕获时间TACuTAC 为接到采样命令（ t0 ）到vo能在规定的误差范围内跟踪vi的时间（t1）之间的时间；u 采样脉冲宽度必须大于捕获时间TAC 。 孔径时间（TAP）u 又称断开延时时间，指发出保持命令（ t2 ）到开关真正断开（ t3 ）这一

53、小段延迟时间；u 在孔径时间内，输入模拟信号的任何变化都会引入误差，称作孔径误差。 保持电压下降u 在保持期间，电容器 CH 的电荷缓慢泄放，造成输出电压下降。2. 主要参数主要参数电子系统设计电子系统设计BTRCH品种u 外接保持电容 CH 要选用低泄露电流的高质量的电容器，如聚苯乙烯电容、聚四氟乙烯电容、云母电容等；CH电容值uCH电容值要根据输入信号的频率和转换精度要求来选择，CH太大有利于保持但不利于跟踪，太小则有利于跟踪却不利于保持；u 例如，查阅AD582数据手册，当CH = 100pF时，TAC = 6S， = 0.1；当CH = 1000pF时，TAC = 25S， = 0.0

54、1。3. 应用中的几点说明应用中的几点说明电子系统设计电子系统设计BTR 根据采样定理：u 采样频率必须大于模拟信号频谱中最高频率成分的两倍以上。 考虑到采集精度：u 转换期间信号的变化范围不能超过允许值，会对输入信号的最高频率有十分严格的限制。【例】：有一数据采集系统，10位逐次逼近式A/D转换器，转换时间Tconv 10s，试分析接入采样/保持器的作用。【解】：1. 根据采样定理，fi（max） 1/（2Tconv）= 50kHz；2. 考虑转换精度，要求转换误差不大于1LSB，则：kHzHzTfVVfTLSBVfdtdVtfSinVVconvNiMAXNFSFSiconvFSiMAXii

55、FSi50312121|22即：，则若：，则设：4. 是否要接入采样是否要接入采样/保持电路的说明保持电路的说明 电子系统设计电子系统设计BTR3. 若在A/D之前接入采样/保持器，设TAP = 1ns ，则：kHzTfVVfTdtdVTAPNiMAXNFSFSiAPMAXiAP310212|即：4. 若采样/保持器用AD582 ，且根据精度要求选取CH = 100pF ，则TAC = 6s ，0.1，则： Tconv = TAC + TAP + Tconv10 + 6s = 16 s再次运用采样定理： fi（max） 1/(2Tconv)31.25kHz5. 综合（3）、（4）分析： fi（

56、max） 31.25kHz 常用采样/保持器芯片有：AD582、AD583、LF198、LF298、LF398等。v常用采样/保持器电子系统设计电子系统设计BTR A/D转换器是把模拟量转换成数字量的电路，是联系模拟系统与数字系统的桥梁。 按其变换原理分，主要有并行比较型、逐次逼近型和双积分型等几种；u 并行比较型：转换速度最高，但高分辨率ADC价格昂贵，多用于低分辨率高转换速度应用场合；u 逐次逼近型：转换速度快、价格适中，在对速度要求不是特别高的应用场合应用最为广泛；u 双积分型：转换时间较长，但对交流干扰信号具有很强的抑制能力，在精度要求高而转换速度慢的数字测量设备和仪表中广泛使用。三、

57、三、 A/D转换器（转换器（ADC）1. ADC分类分类电子系统设计电子系统设计BTR 分辨率u 是指ADC的输出数码变化一个LSB时，输入模拟量的最小变化量，是对微小变化模拟量的分辨能力；u 分辨率VFS/2N，工程上常用相对满量程的百分值来表示，即：分辨率1/2N100。例如上述的10位分辨率为0.1%，因此，也可直接用输出的位数来表示分辨率。 精度（误差）u 量化误差：由于ADC的输出位数有限而造成的，一般为1/2LSB；u 零误差：也称偏移误差，指的是产生零代码的非零平均模拟输入值；u 满量程误差：也称增益误差，指的是ADC在输出满量程时的误差；u 线性误差：也称非线性度，它表示了实际ADC输出各代码中点连线与理想直线的偏离程度；u 滞后误差：是指使输出数码变化相同数量时，输入模拟量增加或减小的量的差别。2. ADC的的主要技