信号转换处理电路

1、 第三章：信号转换与处理电路 调制解调调制解调 放大电路放大电路 信号处理电路信号处理电路 采样保持采样保持 滤波电路滤波电路 信号转换电路信号转换电路 u/i转换转换 逻辑电平转换逻辑电平转换 a/d、d/a转换转换 u/f、f/u转换转换主要内容：主要内容： 第三章：信号转换与处理电路 信号通常微弱并伴有干扰信号，为剔除干扰信号和提取测信号通常微弱并伴有干扰信号，为剔除干扰信号和提取测试信号中的有用信息，就必须通过滤波、放大、调制、变试信号中的有用信息，就必须通过滤波、放大、调制、变换等方法对信号进行加工变换，改变信号形式，突出信号换等方法对信号进行加工变换，改变信号形式，突出信号中的有用

2、信息成分。中的有用信息成分。传感器的共同特点是把非电量转换为电量，但电量的形式传感器的共同特点是把非电量转换为电量，但电量的形式有多种，如电阻、电感、电容、电压、电流、频率、相位有多种，如电阻、电感、电容、电压、电流、频率、相位等多种形式。当传感器与其他系统相接时，就必须符合各等多种形式。当传感器与其他系统相接时，就必须符合各自的要求，因此，还必须对被测信号进行相应的转换。本自的要求，因此，还必须对被测信号进行相应的转换。本章从信号的调制与解调、信号放大、信号处理、信号转换章从信号的调制与解调、信号放大、信号处理、信号转换等方面介绍信号变换与处理电路。等方面介绍信号变换与处理电路。为什么需要信

3、号转换和处理电路？为什么需要信号转换和处理电路？ 第三章：信号转换与处理电路 调制与解调调制与解调 在测试技术中，在测试技术中，调制是工程测试信号在传输过程中常用的一种调理调制是工程测试信号在传输过程中常用的一种调理方法，主要是为了解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题方法，主要是为了解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。例如，。例如，被测物理量，如温度、位移、力等参数，经过传感器交换以后，多为低被测物理量，如温度、位移、力等参数，经过传感器交换以后，多为低频缓变的微弱信号，对这样一类信号，直接送入直流放大器或交流放大频缓变的微弱信号，对这样一类信号，直接送入直流放大器或交流放大器放大会

4、遇到困难，因为，采用级间直接耦合式的直流放大器放大，将器放大会遇到困难，因为，采用级间直接耦合式的直流放大器放大，将会受到零点漂移的影响。当漂移信号大小接近或超过被测信号时，经过会受到零点漂移的影响。当漂移信号大小接近或超过被测信号时，经过逐级放大后，被测信号会被零点漂移淹没。逐级放大后，被测信号会被零点漂移淹没。 调制就是用一个信号去控制另一个作为载体的信号，让后者的某一调制就是用一个信号去控制另一个作为载体的信号，让后者的某一特征参数按前者变化。常以一个高频正弦信号或脉冲信号作为载体，这特征参数按前者变化。常以一个高频正弦信号或脉冲信号作为载体，这个载体称为载波信号。用来改变载波信号的某一

5、参数，如幅值、频率、个载体称为载波信号。用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位的信号称为调制信号。经过调制的载波信号叫已调信号。已调制信相位的信号称为调制信号。经过调制的载波信号叫已调信号。已调制信号一般都便于放大和传输。从已经调制的信号中提取反映被测量值的测号一般都便于放大和传输。从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称为解调，量信号，这一过程称为解调，解调的目的则是为了恢复原来信号。解调的目的则是为了恢复原来信号。 第三章：信号转换与处理电路 调制分类：调制分类：在信号调制中常以一在信号调制中常以一个高频正弦信号作为个高频正弦信号作为载波信号。一个正弦载波信号。一个

6、正弦信号有幅值、频率、信号有幅值、频率、相位三个参数，可以相位三个参数，可以对这三个参数进行调对这三个参数进行调制，分别称为制，分别称为调幅、调幅、调频和调相调频和调相。 载波、调制信号及调幅、调频波 第三章：信号转换与处理电路 一一. 幅值调制与解调幅值调制与解调 1. 调幅原理调幅原理调幅是将一个高频简谐信号调幅是将一个高频简谐信号(载波信号载波信号)与测试信号与测试信号(调制信号调制信号)相乘，相乘，使载波信号随测试信号的变化而变化。调幅的目的是为了便于缓变信使载波信号随测试信号的变化而变化。调幅的目的是为了便于缓变信号的放大和传送。常用的方法是线性调幅，即让调幅波的幅值随调制号的放大和

7、传送。常用的方法是线性调幅，即让调幅波的幅值随调制信号信号x按线性规律变化。调幅波的表达式可写为按线性规律变化。调幅波的表达式可写为s()cosuxut coswt 载波信号；载波信号； u 偏置电压；偏置电压； x 测量信号。测量信号。 第三章：信号转换与处理电路 载波信号载波信号测量信号测量信号足够大的偏置电压足够大的偏置电压偏置电压为偏置电压为0加上偏置电压，可以直接采用包络加上偏置电压，可以直接采用包络检波，否则，需要相敏检波检波，否则，需要相敏检波 第三章：信号转换与处理电路 调制原理调制原理图3 调幅过程 第三章：信号转换与处理电路 (a) 偏置电压足够大 (b) 偏置电压不够大

8、图图4 调制信号加偏置的调幅波调制信号加偏置的调幅波2. 调幅波的解调调幅波的解调从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波，因此解调的目的是为了恢从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波，因此解调的目的是为了恢复被调制的信号。为了解调可以使调幅波和载波相乘，再通过低通滤波器滤波。复被调制的信号。为了解调可以使调幅波和载波相乘，再通过低通滤波器滤波。包络检波包络检波若所加的偏置电压未能使若所加的偏置电压未能使信号电压都在零线的一侧，信号电压都在零线的一侧，则对调幅波只是简单地整则对调幅波只是简单地整流就不能恢复原调制信号，流就不能恢复原调制信号，如图如图4(b)所示，这就需要所示，这就需

9、要采用采用相敏检波技术相敏检波技术。 第三章：信号转换与处理电路 (a) (b) (c) (d) 图图5 包络检波原理包络检波原理1) 包络检波包络检波包络检波是一种对调幅信号进行解调的方法，其原理是利用二极管所具有包络检波是一种对调幅信号进行解调的方法，其原理是利用二极管所具有的单向导电性能的器件，截去调幅信号的下半部，再用滤波器滤除其高频的单向导电性能的器件，截去调幅信号的下半部，再用滤波器滤除其高频成分，从而得到按调幅波包络线变化的调制信号成分，从而得到按调幅波包络线变化的调制信号(b) 第三章：信号转换与处理电路 包络检波电路图：包络检波电路图： 图6 二极管包络检波 图7 晶体管包络

10、检波 第三章：信号转换与处理电路 2）相敏检波电路图）相敏检波电路图（具体分析详见第（具体分析详见第4章）章） 图8 相敏检波相敏检波器相敏检波器(与滤波器配合与滤波器配合)可以可以将调幅波还原成原应变信号波形，将调幅波还原成原应变信号波形，即起解调作用。采用相敏检波时，即起解调作用。采用相敏检波时，对原信号可不必再加偏置。交变对原信号可不必再加偏置。交变信号在过零线时符号信号在过零线时符号(+、)发生发生突变，调幅波的相位突变，调幅波的相位(与载波比较与载波比较)也相应地发生也相应地发生180的相位跳变。的相位跳变。利用载波信号与之相比，便既能利用载波信号与之相比，便既能反映出原信号的幅值又

11、能反映其反映出原信号的幅值又能反映其极性。极性。载波相载波相位为位为0载波相载波相位为位为180 第三章：信号转换与处理电路 例：例：动态电阻应变仪是电桥调幅与相敏检波的典型实例。如图动态电阻应变仪是电桥调幅与相敏检波的典型实例。如图9所示，所示，电桥由振荡器供给等幅高频振荡电压，经过放大、相敏检波和滤波取出电桥由振荡器供给等幅高频振荡电压，经过放大、相敏检波和滤波取出被测信号。该种电路称作动态电阻应变仪，是因为它最早用于应变测量。被测信号。该种电路称作动态电阻应变仪，是因为它最早用于应变测量。实际上电感、电容传感器所接交流电路电桥都采用该种电路。实际上电感、电容传感器所接交流电路电桥都采用该

12、种电路。图图9 动态电阻应变仪方框图动态电阻应变仪方框图 第三章：信号转换与处理电路 二二. 频率调制与解调频率调制与解调 1. 频率调制频率调制由于调频信号在传输过程中不易受到干扰，并且调频和调相也很容易实现数字由于调频信号在传输过程中不易受到干扰，并且调频和调相也很容易实现数字化，所以在测量、通信和电子技术的许多领域中得到了越来越广泛的应用。化，所以在测量、通信和电子技术的许多领域中得到了越来越广泛的应用。调频就是用调制信号去控制高频载波信号的频率。常用的是线性调频，即让调调频就是用调制信号去控制高频载波信号的频率。常用的是线性调频，即让调频信号的频率按调制信号的线性函数变化。频信号的频率

13、按调制信号的线性函数变化。(a) 锯齿波调频锯齿波调频 (b)正弦波调频正弦波调频图图10 调频信号的波形调频信号的波形 第三章：信号转换与处理电路 2、调频方法、调频方法常用的调频方法有常用的调频方法有直接调频法、电参数调频法、电压调频等直接调频法、电参数调频法、电压调频等。直接调频法是利用被测参数的变化直接引起传感器输出信号频率的改变，直接调频法是利用被测参数的变化直接引起传感器输出信号频率的改变，图图11所示的就是一个典型例子，是用于测量力的振弦式传感器的原理图，所示的就是一个典型例子，是用于测量力的振弦式传感器的原理图，其中振弦其中振弦3的一端与支撑相连，另一端与膜片的一端与支撑相连，

14、另一端与膜片1相连。在外加激励作用下，相连。在外加激励作用下，振弦振弦3按固有频率按固有频率 c振动，且振动，且 c随张力随张力ft的变化而变化。振弦的变化而变化。振弦3在磁场在磁场2内内振动时产生感应电动势，它就是受张力振动时产生感应电动势，它就是受张力ft调制的调频信号。调制的调频信号。图图11 振弦式调频传感器振弦式调频传感器 图图12 电参数调频电路电参数调频电路1膜片；膜片；2磁场；磁场；3振弦；振弦；4支承支承012flc 第三章：信号转换与处理电路 2. 频率解调频率解调调频波是以正弦波频率的变化来反映被测信号的幅值变化。因此调频波的解调是调频波是以正弦波频率的变化来反映被测信号

15、的幅值变化。因此调频波的解调是先将调频波变化成调频调幅波，然后进行幅值检波。调频波的解调由鉴频器完成。先将调频波变化成调频调幅波，然后进行幅值检波。调频波的解调由鉴频器完成。通常鉴频器由线性变换电路与幅值检波构成。通常鉴频器由线性变换电路与幅值检波构成。下图所示是一种采用变压器耦合的谐振回路鉴频法。也是常用的鉴频法。下图所示是一种采用变压器耦合的谐振回路鉴频法。也是常用的鉴频法。11112flc当当ef的频率与的频率与l1c1构成的谐振电路的构成的谐振电路的频率越接近时，产频率越接近时，产生谐振，输出电压生谐振，输出电压越大。从而将频率越大。从而将频率转换为电压。转换为电压。 第三章：信号转换

16、与处理电路 信号放大电路信号放大电路 对信号的放大有很多种电路可以实现，但工程对信号的放大有很多种电路可以实现，但工程测试中所遇到的信号，多为测试中所遇到的信号，多为100khz以下的低以下的低频信号，在大多数的情况下，都可以用放大器频信号，在大多数的情况下，都可以用放大器集成芯片来设计放大电路。集成芯片来设计放大电路。 第三章：信号转换与处理电路 一一. 基本放大电路（参数计算参见模拟电路）基本放大电路（参数计算参见模拟电路） 1. 比例放大器比例放大器反相与同相放大电路是集成运算放大器两种最基本的应用电路，许多集成运反相与同相放大电路是集成运算放大器两种最基本的应用电路，许多集成运放的功能

17、电路都是在反相和同相两种放大电路的基础上组合和演变而来的。放的功能电路都是在反相和同相两种放大电路的基础上组合和演变而来的。 ffrrar 1) 反向比例放大器反向比例放大器反馈电阻反馈电阻rf值不能太大，否则会产生较大值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千的噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。欧。rr的取值应远大于信号源的取值应远大于信号源ui的内阻。的内阻。(放大倍数小，噪声大，输入阻抗小放大倍数小，噪声大，输入阻抗小)rr 第三章：信号转换与处理电路 高输入阻抗反相放大器高输入阻抗反相放大器a提供补偿电流，减小提供补偿电流，减小a从信号源吸从信号源吸取的电流，可

18、以大幅度地提高主放大取的电流，可以大幅度地提高主放大器的等效输入阻抗器的等效输入阻抗rinirinirvr rrirr输入阻抗输入阻抗上式表明：只要上式表明：只要r稍大于稍大于rr，就能获，就能获得很高的输入阻抗，可高达得很高的输入阻抗，可高达100m 。但但r绝对不能小于绝对不能小于rr，否则输入阻抗为，否则输入阻抗为负，会产生严重自激。负，会产生严重自激。改进电路：改进电路： 第三章：信号转换与处理电路 输入阻抗输入阻抗ir 输出阻抗输出阻抗o0r 同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。抗很低的特点，广泛用于前置放大级。r

19、r2) 同相比例放大器同相比例放大器同相比例放大器电路图如图所示：同相比例放大器电路图如图所示： 第三章：信号转换与处理电路 22f1p21rrarr3) 差动比例放大器差动比例放大器由于差动放大器具有双端输入单端输出、共模抑制比较高的由于差动放大器具有双端输入单端输出、共模抑制比较高的特点，通常用作传感放大器或测量仪器的前端放大器。特点，通常用作传感放大器或测量仪器的前端放大器。 第三章：信号转换与处理电路 2. 电桥放大器电桥放大器如电阻传感器、电感传感器、电容传感器等都是通过电桥的方式，将被如电阻传感器、电感传感器、电容传感器等都是通过电桥的方式，将被测非电量转换成电压或电流信号，并用放

20、大器作进一步放大，所以电桥测非电量转换成电压或电流信号，并用放大器作进一步放大，所以电桥放大器放大器是非电量测试系统中常见的一种放大电路是非电量测试系统中常见的一种放大电路。rfrfo111/ 1/2144vrvrvrr输入信号输入信号与输出电与输出电压压v0之间为近似线之间为近似线性：非线性性：非线性 第三章：信号转换与处理电路 电桥电路放大器的改进电路电桥电路放大器的改进电路图图20 线性放大式电桥放大器线性放大式电桥放大器前述的电桥放大器中，只有当前述的电桥放大器中，只有当很小很小时时 与与才成线性关系。当才成线性关系。当很大时，很大时，非线性就很明显，以致给实际测量非线性就很明显，以致

21、给实际测量带来不便。图带来不便。图3.20采用负反馈技术，采用负反馈技术，能使能使在很大范围内变化时，电路输在很大范围内变化时，电路输出电压的非线性偏差保持在出电压的非线性偏差保持在0.1%以以内。内。ovfo2(1)2rurvr 第三章：信号转换与处理电路 其中电容其中电容c1、c2及及c3为隔直电容，因此交流为隔直电容，因此交流电压放大器无直流增益电压放大器无直流增益11urar f3、交流放大器、交流放大器 第三章：信号转换与处理电路 二二. 测量放大电路测量放大电路 在精密测量和控制系统中，需要把来自各种传感器的电信号在共在精密测量和控制系统中，需要把来自各种传感器的电信号在共模条件下

22、按一定的倍数精确地放大，这些电信号往往是微弱的差模条件下按一定的倍数精确地放大，这些电信号往往是微弱的差值信号，这就要求放大电路具有很大的共模抑制比，极高的输入值信号，这就要求放大电路具有很大的共模抑制比，极高的输入电阻，放大倍数能在大范围内可调，且误差小、稳定性好等特点，电阻，放大倍数能在大范围内可调，且误差小、稳定性好等特点，这样的放大电路称之为这样的放大电路称之为测量放大电路，又称为精密放大电路或仪测量放大电路，又称为精密放大电路或仪用放大电路用放大电路。典型的测量放大电路如图。典型的测量放大电路如图22所示，图中所有电阻均所示，图中所有电阻均采用精密电阻。采用精密电阻。 第三章：信号转

23、换与处理电路 图图22 三运放结构的测量放大器三运放结构的测量放大器该电路具有很高的共模抑该电路具有很高的共模抑制比。只要制比。只要a3的两输入端的两输入端所接的电阻对称，所接的电阻对称，v3和和v6共模成分则可以互相抵消。共模成分则可以互相抵消。cmr2cmr1cmrcmr2cmr1nna kkka kk 测量放大电路具有以下的特点：测量放大电路具有以下的特点：(1) 测量放大器是一种带有精密差动电测量放大器是一种带有精密差动电压增益的器件。压增益的器件。(2) 具有高输入阻抗、低输出阻抗。具有高输入阻抗、低输出阻抗。(3) 具有强抗共模干扰能力、低温漂、具有强抗共模干扰能力、低温漂、低失调

24、电压和高稳定增益等特点。低失调电压和高稳定增益等特点。(4) 在检测微弱信号的系统中被广泛用在检测微弱信号的系统中被广泛用作前置放大器。作前置放大器。 第三章：信号转换与处理电路 程控增益放大器程控增益放大器(pga)是自动检测系统和智能仪器中实现是自动检测系统和智能仪器中实现量程增益自量程增益自动转换动转换和调整信号电平的重要器件。和调整信号电平的重要器件。程控放大器由运算放大器、模拟开关驱动电路和电阻网络组成。基本程控放大器由运算放大器、模拟开关驱动电路和电阻网络组成。基本形式有同相输入和反相输入两类。形式有同相输入和反相输入两类。三、程控增益放大器三、程控增益放大器f123rrrfrar

25、r 由、并 联 构 成t1t/r1003nniiarr为，由 个电阻串联构成 第三章：信号转换与处理电路 四四. 隔离放大电路隔离放大电路 隔离放大电路是一种特殊的测量放大电路，隔离放大电路是一种特殊的测量放大电路，其输入回路与输出回路之间是电绝缘的，其输入回路与输出回路之间是电绝缘的，没有直接的电耦合，即信号在传输过程中没有直接的电耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端没有公共的接地端。隔离放大电路主要用隔离放大电路主要用于便携式测量仪器和某些测控系统于便携式测量仪器和某些测控系统(如生物如生物医学人体测量、自动化实验设备、工业过医学人体测量、自动化实验设备、工业过程控制系统等程控制系统等

26、)中，能在噪声环境下以高阻中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。抗、高共模抑制能力传送信号。 在隔离放大器中，信号的耦合方式主要有在隔离放大器中，信号的耦合方式主要有两种：一种是通过两种：一种是通过光电耦合光电耦合，称为光电耦，称为光电耦合隔离放大器合隔离放大器(如美国如美国 b-b 公司生产的公司生产的 iso100 )；另一种是通过；另一种是通过电磁耦合电磁耦合，即经过，即经过变压器传递信号，称为变压器耦合隔离放变压器传递信号，称为变压器耦合隔离放大器大器(如美国如美国 ad 公司生产的公司生产的 ad277 )。图图26 隔离放大器的隔离放大器的组成和符号组成和符号 第三章

27、：信号转换与处理电路 光电耦合隔离放大器器光电耦合隔离放大器器光耦构成的隔离放大器，其发光耦构成的隔离放大器，其发光管需要用电流来驱动。当输光管需要用电流来驱动。当输入信号较小时，驱动电流也较入信号较小时，驱动电流也较小，发出的光微弱到可能不足小，发出的光微弱到可能不足以被光电管检测到。这样在以被光电管检测到。这样在vin=0附近就存在一个附近就存在一个死区死区。为防止被测信号有可能落在这为防止被测信号有可能落在这一区间，一区间，在信号进入隔离放大在信号进入隔离放大器前应由偏置电路将原始信号器前应由偏置电路将原始信号抬高抬高，使得综合之后的信号不，使得综合之后的信号不可能落在这一区间。可能落在

28、这一区间。 第三章：信号转换与处理电路 电磁耦合隔离放大器电磁耦合隔离放大器变压器耦合隔离放大器本身构变压器耦合隔离放大器本身构成一个电磁辐射源。如果周围成一个电磁辐射源。如果周围其它的电路对电磁辐射敏感，其它的电路对电磁辐射敏感，就应设法予以屏蔽。例如就应设法予以屏蔽。例如的振荡频率为的振荡频率为，公司根据它的封装专，公司根据它的封装专门为它设计了门为它设计了屏蔽罩屏蔽罩 第三章：信号转换与处理电路 普通的差动放大器和测量放大器，虽然也能抑制共模干扰，但却普通的差动放大器和测量放大器，虽然也能抑制共模干扰，但却不允许共模电压高于放大器的电源电压。而隔离放大器不仅有很不允许共模电压高于放大器的

29、电源电压。而隔离放大器不仅有很强的共模抑制能力，而且还能承受上千伏的高共模电压。因此，强的共模抑制能力，而且还能承受上千伏的高共模电压。因此，隔离放大器一般用于隔离放大器一般用于信号回路具有很高的共模电压的场合信号回路具有很高的共模电压的场合。隔离放大器的应用场合：隔离放大器的应用场合： 第三章：信号转换与处理电路 信号处理电路信号处理电路 一一. 采样保持采样保持 模拟信号进行模拟信号进行a/d转换时，从启动转换到转换结束输出数字量，转换时，从启动转换到转换结束输出数字量，需要一定的转换时间，即需要一定的转换时间，即a/d转换器的孔径时间。转换器的孔径时间。在这个转换在这个转换时间内，模拟信

30、号要基本保持不变，否则转换精度没有保证，时间内，模拟信号要基本保持不变，否则转换精度没有保证，特别是在输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差。特别是在输入信号频率较高时，会造成很大的转换误差。要防要防止这种误差的产生，必须在止这种误差的产生，必须在a/d转换开始时将输入信号的电平转换开始时将输入信号的电平保持住，而在保持住，而在a/d转换结束后又能跟踪输入信号的变化。能完转换结束后又能跟踪输入信号的变化。能完成这种功能的电路叫采样保持电路，由采样保持电路构成的器成这种功能的电路叫采样保持电路，由采样保持电路构成的器件叫采样保持器，采样保持器在保持阶段相当于一个件叫采样保持器，采样保持器在保持

31、阶段相当于一个“模拟信模拟信号存储器号存储器”。 第三章：信号转换与处理电路 采样保持器是一种具有信号输入、信号采样保持器是一种具有信号输入、信号输出以及由外部指令控制的模拟门电路。输出以及由外部指令控制的模拟门电路。它主要由模拟开关它主要由模拟开关k、电容、电容ch和缓冲放和缓冲放大器大器a组成组成.常用采样保持器有常用采样保持器有ad582、lf398等。等。采样保持器的工作原理采样保持器的工作原理 第三章：信号转换与处理电路 采样（跟踪）的时候，要求满足采样（跟踪）的时候，要求满足“奈奎斯特抽样定理奈奎斯特抽样定理”即采样频率即采样频率至少为信号最高频率的至少为信号最高频率的2倍。否则产

32、倍。否则产生频谱混叠。生频谱混叠。奈奎斯特抽样定理奈奎斯特抽样定理 第三章：信号转换与处理电路 二二. 滤波电路滤波电路 滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。（有模拟滤波器和数字滤波器之分，这里介绍模拟滤波项重要措施。（有模拟滤波器和数字滤波器之分，这里介绍模拟滤波器。）器。）1. 滤波器的分类滤波器的分类滤波器的种类繁多，根据滤波器的选频作用，一般将滤波器分为四滤波器的种类繁多，根据滤波器的选频作用，一般将滤波器分为四类，即类，即低通、高通、带通和带阻滤波器低通、高通、带通和带阻滤波器； 第三章：信号

33、转换与处理电路 带通和带阻滤波器带通和带阻滤波器四种滤波器在通带与阻带之间都存在四种滤波器在通带与阻带之间都存在一个过渡带，其幅频特性是一条斜线，一个过渡带，其幅频特性是一条斜线，在此频带内，信号受到不同程度的衰减。在此频带内，信号受到不同程度的衰减。这个过渡带是滤波器所不希望的，但也这个过渡带是滤波器所不希望的，但也是不可避免的。是不可避免的。 第三章：信号转换与处理电路 2. 理想滤波器理想滤波器理想滤波器是一个理想化的模型，在物理上是不能实现的，对其进理想滤波器是一个理想化的模型，在物理上是不能实现的，对其进行深入了解对掌握滤波器的特性是十分有帮助的。行深入了解对掌握滤波器的特性是十分有

34、帮助的。h()otd1cc()h (t)ottdctdc理想低通滤理想低通滤波器是不可波器是不可能实现的，能实现的，同样其他理同样其他理想滤波器也想滤波器也不能实现，不能实现，只能逼近理只能逼近理想。想。 第三章：信号转换与处理电路 1) 无源无源rc滤波器滤波器rc滤波器电路简单，抗干扰性强，滤波器电路简单，抗干扰性强，有较好的低频性能，并且选用标准有较好的低频性能，并且选用标准阻容元件也容易实现，因此检测系阻容元件也容易实现，因此检测系统中有较多的应用。统中有较多的应用。(1) 一阶一阶rc低通滤波器。（二阶可低通滤波器。（二阶可以串联两个一阶）以串联两个一阶）ooi000dd()()()

35、()1()()1iiurcuutjwrcujwujwujwujwh jwujwjwrc两边进行傅里叶变换：(w=2 f)3. 实际滤波器实际滤波器21( )()1()( )arctan()a wh jwwrcwwrc 第三章：信号转换与处理电路 (2) 一阶一阶rc高通滤波器。（计算略）高通滤波器。（计算略） 第三章：信号转换与处理电路 (3) rc带通滤波器。带通滤波器可以看作为带通滤波器。带通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤波器低通滤波器和高通滤波器的串联的串联，其电路及其幅频、相频特性如图所示。，其电路及其幅频、相频特性如图所示。 1221121( )1( 2)1( 2)fa fff这

36、时极低和极高的频率成分这时极低和极高的频率成分都完全被阻挡，不能通过，都完全被阻挡，不能通过，只有位于频率通带内的信号只有位于频率通带内的信号频率成分能通过。频率成分能通过。 第三章：信号转换与处理电路 (4) rc无源带阻滤波器无源带阻滤波器222222()1()()41r cjwh jwr cjwrcjw 第三章：信号转换与处理电路 3) 有源滤波器有源滤波器(1) 一阶有源滤波器。前面所介绍的一阶有源滤波器。前面所介绍的rc调谐式滤波器仅由电阻、电容等无源调谐式滤波器仅由电阻、电容等无源元件构成，通常称之为无源滤波器。元件构成，通常称之为无源滤波器。一阶无源滤波器过渡带衰减缓慢，选择一阶

37、无源滤波器过渡带衰减缓慢，选择性不佳，性不佳，虽然可以通过串联无源的虽然可以通过串联无源的rc滤波器，以提高阶次，增加在过渡带滤波器，以提高阶次，增加在过渡带的衰减速度，但受级间耦合的影响，效果是互相削弱的，而且信号的幅值也的衰减速度，但受级间耦合的影响，效果是互相削弱的，而且信号的幅值也将逐渐减弱。为了克服这些缺点，需要采用有源滤波器。将逐渐减弱。为了克服这些缺点，需要采用有源滤波器。有源滤波器采用有源滤波器采用rc网络和运算放大器组成，网络和运算放大器组成，其中运算放大器是有源器件，其中运算放大器是有源器件，既可起到级间隔离作用，又可起到对信号的放大作用既可起到级间隔离作用，又可起到对信号

38、的放大作用，而，而rc网络则通常作网络则通常作为运算放大器的负反馈网络。为运算放大器的负反馈网络。 第三章：信号转换与处理电路 图图43 一阶有源低通滤波器一阶有源低通滤波器一阶有源滤波器虽然在隔离、增益性能一阶有源滤波器虽然在隔离、增益性能方面优于无源网络，但是它仍存在着过方面优于无源网络，但是它仍存在着过渡带衰减缓慢的严重弱点，所以就需寻渡带衰减缓慢的严重弱点，所以就需寻求过渡带更为陡峭的高阶滤波器。求过渡带更为陡峭的高阶滤波器。 第三章：信号转换与处理电路 信号处理电路信号处理电路 (2) 二阶有源低通滤波器。多路负反馈型：二阶有源低通滤波器。多路负反馈型： 它是把滤波网络接在运算它是把

39、滤波网络接在运算放大器的反相输入端，其线路结构如图放大器的反相输入端，其线路结构如图44所示。图中所示。图中y1y5是各元件是各元件的导纳。这是其原型形式，适当地将的导纳。这是其原型形式，适当地将y1y5分别用电阻、电容来代替分别用电阻、电容来代替即可组合出二阶低通、高通、带通和带阻等不同类型的滤波器，如图即可组合出二阶低通、高通、带通和带阻等不同类型的滤波器，如图45所示为多路负反馈二阶低通滤波器。所示为多路负反馈二阶低通滤波器。 第三章：信号转换与处理电路 图图44 多路负反馈型滤波器图多路负反馈型滤波器图 图图45 多路负反馈二阶低通滤波器多路负反馈二阶低通滤波器把较为复杂的把较为复杂的

40、rc网络与运算放大器组合就可以网络与运算放大器组合就可以得到二阶有源滤波器。这种滤波器有多路负反馈得到二阶有源滤波器。这种滤波器有多路负反馈型、有限电压放大型和状态变量型等几种类型。型、有限电压放大型和状态变量型等几种类型。 第三章：信号转换与处理电路 有限电压放大型：有限电压放大型： 有限电压放大型是将滤波网络接在运算放大器的有限电压放大型是将滤波网络接在运算放大器的同相输入端，这种电路可以得到较高的输入阻抗。同相输入端，这种电路可以得到较高的输入阻抗。按上述同样方法，将按上述同样方法，将y1y5分别用电阻、电容代替即可组合出不同的分别用电阻、电容代替即可组合出不同的滤波特性。滤波特性。图图

41、46 有限电压放大型滤波器有限电压放大型滤波器 图图47 有限电压放大型二阶低通滤波器有限电压放大型二阶低通滤波器 第三章：信号转换与处理电路 状态变量型：状态变量型是许多仪器中常用的一种有源滤波器，它有状态变量型：状态变量型是许多仪器中常用的一种有源滤波器，它有多种类型的电路。多种类型的电路。三个运放的输出三个运放的输出u2、u3、u4分别对输入信号分别对输入信号u1提供提供高通、带通和低通三种输出，所以常称这种滤波器为高通、带通和低通三种输出，所以常称这种滤波器为“万能滤波器万能滤波器”。而且它还可以通过相应的元件参数调节来达到改变各滤波器参数的目而且它还可以通过相应的元件参数调节来达到改

42、变各滤波器参数的目的，使用很方便。的，使用很方便。图图48 状态变量型有源滤波器状态变量型有源滤波器 第三章：信号转换与处理电路 4. 数字滤波器数字滤波器数字滤波器是由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种装置。其功能是对数字滤波器是由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种装置。其功能是对输入离散信号的数字代码进行运算处理，以达到改变信号频谱的目的。由于电输入离散信号的数字代码进行运算处理，以达到改变信号频谱的目的。由于电子计算机技术和大规模集成电路的发展，数字滤波器已可用计算机软件实现，子计算机技术和大规模集成电路的发展，数字滤波器已可用计算机软件实现，也可用大规模集成数字硬件实时实现。数

43、字滤波器是一个离也可用大规模集成数字硬件实时实现。数字滤波器是一个离 散时间系统散时间系统(按预按预定的算法，将输入离散时间信号转换为所要求的输出离散时间信号的特定功能定的算法，将输入离散时间信号转换为所要求的输出离散时间信号的特定功能装置装置)。应用数字滤波器处理模拟信号时，首先须对输入模拟信号进行限带、。应用数字滤波器处理模拟信号时，首先须对输入模拟信号进行限带、抽样和抽样和a/d转换。数字滤波器输入信号的抽样率应大于被处理信号带宽的转换。数字滤波器输入信号的抽样率应大于被处理信号带宽的2倍，倍，其频率响应具有以抽样频率为间隔的周期重复特性，且以折叠频率即其频率响应具有以抽样频率为间隔的周

44、期重复特性，且以折叠频率即1/2抽样抽样频率点呈镜像对称。为得到模拟信号，数字滤波器处理的输出数字信号须经频率点呈镜像对称。为得到模拟信号，数字滤波器处理的输出数字信号须经a/d转换、平滑。转换、平滑。数字滤波器具有高精度、高可靠性、可程控改变特性或复用、数字滤波器具有高精度、高可靠性、可程控改变特性或复用、便于集成等优点。便于集成等优点。数字滤波器在语言信号处理、图像信号处理、医学生物信号数字滤波器在语言信号处理、图像信号处理、医学生物信号处理以及其他应用领域都得到了广泛应用。数字滤波器有低通、高通、带通、处理以及其他应用领域都得到了广泛应用。数字滤波器有低通、高通、带通、带阻和全通等类型。

45、它可以是时不变的或时变的、因果的或非因果的、线性的带阻和全通等类型。它可以是时不变的或时变的、因果的或非因果的、线性的或非线性的。应用最广的是线性、时不变数字滤波器。图或非线性的。应用最广的是线性、时不变数字滤波器。图49所示的是模拟滤波所示的是模拟滤波与数字滤波这两种滤波器对阶跃输入的响应特性。与数字滤波这两种滤波器对阶跃输入的响应特性。 第三章：信号转换与处理电路 图图49 模拟滤波与数字滤波对阶跃输入的响应特性模拟滤波与数字滤波对阶跃输入的响应特性 第三章：信号转换与处理电路 各种各样传感器的共同特点是把非电量转换为电量，但电量的形式有多种，如电阻、各种各样传感器的共同特点是把非电量转换

46、为电量，但电量的形式有多种，如电阻、电感、电容、电压、电流、频率、相位等多种形式。电感、电容、电压、电流、频率、相位等多种形式。变送器是从传感器发展而来的，凡是能输出标准信号的传感器就称之为变送器，标变送器是从传感器发展而来的，凡是能输出标准信号的传感器就称之为变送器，标准信号是指物理量的形式和数量范围都符合国际标准的信号。由于直流信号具有不准信号是指物理量的形式和数量范围都符合国际标准的信号。由于直流信号具有不受线路中电感、电容及负载性质的影响，不存在相移问题等优点，受线路中电感、电容及负载性质的影响，不存在相移问题等优点，所以国际电工委所以国际电工委员会员会(iec)将电流信号将电流信号4

47、ma20ma(dc)和电压信号和电压信号1v5v(dc)确定为过程控制系统确定为过程控制系统中模拟信号的统一标准。中模拟信号的统一标准。有了统一的信号形式和数字范围，就便于把各种变送器和其他仪表组成检测系统或有了统一的信号形式和数字范围，就便于把各种变送器和其他仪表组成检测系统或调节系统，无论什么仪表或装置，只要有同样标准的输入电路或接口，就可以从各调节系统，无论什么仪表或装置，只要有同样标准的输入电路或接口，就可以从各种变送器获得被测变量的信号。这样，兼容性和互换性大为提高，仪表的配套也极种变送器获得被测变量的信号。这样，兼容性和互换性大为提高，仪表的配套也极为方便。为方便。输出为非标准信号

48、的传感器，必须和特定的仪表或装置相配套，才能实现检测或调输出为非标准信号的传感器，必须和特定的仪表或装置相配套，才能实现检测或调节功能。为了加强通用性和灵活性，某些传感器的输出可以靠相应的转换器把非标节功能。为了加强通用性和灵活性，某些传感器的输出可以靠相应的转换器把非标准信号转换成标准信号，使之与带有标准信号的输入电路或接口配套，不同的标准准信号转换成标准信号，使之与带有标准信号的输入电路或接口配套，不同的标准信号也可借助相应的转换器互相转换。例如信号也可借助相应的转换器互相转换。例如4ma20ma与与010ma，1v5v与与4ma20ma，05v与与 010ma等的相互转换。等的相互转换。

49、 第三章：信号转换与处理电路 一一. u/i转换电路转换电路电压与电流的相互转换实质上是恒压源恒流源的相互转换，一般来说，电压与电流的相互转换实质上是恒压源恒流源的相互转换，一般来说，恒流源的内阻远大于负载电阻，因此，原则上讲，恒流源的内阻远大于负载电阻，因此，原则上讲，将电压转换为电流将电压转换为电流必须采用输出阻抗高的电流负反馈电路，而将电流转换为电压则必须必须采用输出阻抗高的电流负反馈电路，而将电流转换为电压则必须采用输出阻抗低的电压负反馈电路。采用输出阻抗低的电压负反馈电路。1. 由运放构成的电压由运放构成的电压-电流电流(u/i)转换电路转换电路图图50(a)所示是一个简单的电压所示

50、是一个简单的电压-电流转换电路。它类似于一个同相放电流转换电路。它类似于一个同相放大器，大器，rl的两端都不接地，利用虚地的概念，可得出输出电流与电的两端都不接地，利用虚地的概念，可得出输出电流与电压的关系为压的关系为io12virr调节调节r2就可以改变输入电压与电流就可以改变输入电压与电流之间的转换系数。之间的转换系数。 第三章：信号转换与处理电路 通常所用的运放其输出最大电流约通常所用的运放其输出最大电流约为为20ma，为扩大输出电流，运放，为扩大输出电流，运放的输出端可增加一个三极管驱动电的输出端可增加一个三极管驱动电路，如图路，如图50(b)所示，它是一个输所示，它是一个输入为入为0

51、1v，输出为，输出为010ma的电压的电压-电流转换电路。电流转换电路。(b)01v变为变为010ma的的u/i转换电路转换电路 目前，国内外已经生产出传感器专用的集成电压目前，国内外已经生产出传感器专用的集成电压- -电流变换芯片，电流变换芯片，常用的电压常用的电压- -电流转换集成电路如电流转换集成电路如ad639、ad694、xtr110、zf2b20、am462等，为实际应用带来了方便。等，为实际应用带来了方便。 第三章：信号转换与处理电路 常用的逻辑电平有常用的逻辑电平有ttl、cmos、lvttl、lvcmos、ecl、pecl、lvds、gtl、btl、etl、gtlp；rs-2

52、32、rs-422、rs-485等。等。当两种不同类型的逻辑电平在同一系统中混合使用时，由于它们间当两种不同类型的逻辑电平在同一系统中混合使用时，由于它们间电电平的有效区间不一致，一般不能直接连接平的有效区间不一致，一般不能直接连接，也就是说，必须进行逻辑，也就是说，必须进行逻辑电平转换。电平转换。逻辑电平转换器的类型很多，通常有逻辑电平转换器的类型很多，通常有ttlmos，mosttl，eclttl，ttlecl，ttlcmos，cmosttl，ttlhtl，htlttl，eclmos，mosecl，ttlrs-232c，rs-232cttl等。等。电平转换通常具有驱动能力，有时也称之为驱动

53、器。电平转换通常具有驱动能力，有时也称之为驱动器。二二. 逻辑电平转换逻辑电平转换 第三章：信号转换与处理电路 1. 逻辑电平中几个概念的含义逻辑电平中几个概念的含义(1) 输入高电平输入高电平(vih)： 保证逻辑门的输入为高电平时所允许的最小输入高电平，当输保证逻辑门的输入为高电平时所允许的最小输入高电平，当输入电平高于入电平高于vih时，则认为输入电平为高电平。时，则认为输入电平为高电平。(2) 输入低电平输入低电平(vil)：保证逻辑门的输入为低电平时所允许的最大输入低电平，当输入：保证逻辑门的输入为低电平时所允许的最大输入低电平，当输入电平低于电平低于vil时，则认为输入电平为低电平

54、。时，则认为输入电平为低电平。 (3) 输出高电平输出高电平(voh)：保证逻辑门的输出为高电平时的输出电平的最小值，逻辑门的：保证逻辑门的输出为高电平时的输出电平的最小值，逻辑门的输出为高电平时的电平值都必须大于此输出为高电平时的电平值都必须大于此voh。 (4) 输出低电平输出低电平(vol)：保证逻辑门的输出为低电平时的输出电平的最大值，逻辑门的：保证逻辑门的输出为低电平时的输出电平的最大值，逻辑门的输出为低电平时的电平值都必须小于此输出为低电平时的电平值都必须小于此vol。 (5) 阈值电平阈值电平(vt)： 数字电路芯片都存在一个阈值电平，就是电路刚刚勉强能翻转动作数字电路芯片都存在

55、一个阈值电平，就是电路刚刚勉强能翻转动作时的电平。它是一个界于时的电平。它是一个界于vil、vih之间的电压值。之间的电压值。对于对于cmos电路的阈值电平，基本上是电路的阈值电平，基本上是1/2的电源电压值，但要保证稳定的输出，则必的电源电压值，但要保证稳定的输出，则必须要求输入高电平须要求输入高电平 vih，输入低电平，输入低电平 vih vt vil vol (6) ioh：逻辑门输出为高电平时的负载电流：逻辑门输出为高电平时的负载电流(为拉电流为拉电流)。 (7) iol：逻辑门输出为低电平时的负载电流：逻辑门输出为低电平时的负载电流(为灌电流为灌电流)。 (8) iih：逻辑门输入为

56、高电平时的电流：逻辑门输入为高电平时的电流(为灌电流为灌电流)。 (9) iil：逻辑门输入为低电平时的电流：逻辑门输入为低电平时的电流(为拉电流为拉电流)。 第三章：信号转换与处理电路 2. 常用集成电路输入输出端的电平范围常用集成电路输入输出端的电平范围为了弄清逻辑电平转换原理，首先必须弄清不同集成电路输入输出端为了弄清逻辑电平转换原理，首先必须弄清不同集成电路输入输出端的电平范围。由表的电平范围。由表1和表和表2可见：可见：ttl、cmos的输入输出逻辑电平的的输入输出逻辑电平的有效区间范围并不完全吻合。有效区间范围并不完全吻合。符 号名 称最 大 值最 小 值voh输出高电平5v2.4

57、vvol输出低电平0.4v0vvih输入高电平5v2.0vvil输入低电平0.8v0v表表1 74lsh门的输入输出参数门的输入输出参数 第三章：信号转换与处理电路 表表2 cmos电路的典型逻辑电平电路的典型逻辑电平符符 号号名名 称称电源电压电源电压vdd电压范围电压范围voh输出高电平5v10v4.95v5v9.95v10vvol输出低电平5v10v00.05v00.05vvih输入高电平5v10v3.5v5v7v10vvil输入低电平5v10v01.5v03v 第三章：信号转换与处理电路 3. 逻辑电平转换应用举例逻辑电平转换应用举例1) cmos与晶体管的连接与晶体管的连接利用利用c

58、mos驱动晶体管，可以达到驱动较大负载的功能。如图所示，驱动晶体管，可以达到驱动较大负载的功能。如图所示，由由r1，r2提供晶体管提供晶体管vt1的导通电平，利用的导通电平，利用vt2实现电流放大，从而实现电流放大，从而驱动负载驱动负载rl工作，工作，rl可以是继电器、显示灯等器件。可以是继电器、显示灯等器件。cmos与晶体管的连接与晶体管的连接ohbe1be21bbe1be22/vvvrivvr式中，式中，voh为为cmos输出高电平；输出高电平；vbe1、vbe2为晶体管为晶体管vt1、vt2 b、e极之间的正向压降，其值通常可极之间的正向压降，其值通常可取取0.7v；r2是为改善电路开关

59、性能是为改善电路开关性能而引入的，其值一般取而引入的，其值一般取4k 10k 。 第三章：信号转换与处理电路 2) ttlcmos转换转换由于由于ttl电路输出高电平的规范值为电路输出高电平的规范值为2.4v，在电源电压为，在电源电压为5v时，时，cmos电路输入高电平电路输入高电平vih3.5v，这样就造成了，这样就造成了ttl与与cmos电路接电路接口上的困难。解决的办法是在口上的困难。解决的办法是在ttl电路输出端与电源之间接一上拉电电路输出端与电源之间接一上拉电阻阻r，如图所示。电阻，如图所示。电阻r的取值由的取值由ttl的高电平输出漏电流的高电平输出漏电流ioh来决定，来决定，不同系

60、列的不同系列的ttl应选用不同的应选用不同的r值。一般有：值。一般有： 74系列：系列：4.7k r390 74h系列：系列：4.7k r270 74l系列：系列：27k r1.5k 74s系列：系列：4.7k r270 74ls系列：系列：12k r820 ttl和和cmos电源电压相同电源电压相同 第三章：信号转换与处理电路 如果如果cmos电路的电源电压高于电路的电源电压高于ttl电路的电源电压电路的电源电压ttlcmos转换接口转换接口 ttl到到cmos的电平转换可用的电平转换可用cd4504、 cc40109及及bh017 第三章：信号转换与处理电路 232c接口采用接口采用eia