信号调理电路

1、第第3 3章章 检测信号的调理检测信号的调理信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。抗变换。2.有些传感器输出的电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉有些传感器输出的电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。噪声，提高信噪比。3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量信号进行变换处

2、理。量信号进行变换处理。4.检测信号调理的主要作用：检测信号调理的主要作用： 放大、滤波、隔离、信号放大、滤波、隔离、信号变换。变换。3.1 3.1 信号放大电路信号放大电路 放大的实质是放大的实质是功率控制功率控制作用作用, ,用一个小的功率信用一个小的功率信号变化去控制产生相应大的功率变化号变化去控制产生相应大的功率变化. .一一. .基本放大电路基本放大电路 1. 同相放大器 Kf= uo / ui = 1+R2 / R1 R3= R1 / R2 Zi = K zin/(1+ R2 / R1)+R3 uoR3uiR1R2-+N12.反相放大器Kf= uo / ui = -Rf / R1R

3、3= R1 / R23.交流放大器 (1)交流反相放大电路Kf= R2 / R1R3= R2 C1：隔直电容C3：旁路电容，防止振荡C3R3C1R1uoR3uiR1R2-+N1C1C3 (2) 同相交流放大电路C1：隔直电容R3 ：C1的放电回路uoR3uiR1R2-+N1C1(3) 交流电压跟随电路同相放大电路的特例为减小失调电流，R3= R2 uoR3uiR2-+N1C1放大电路关键器件放大电路关键器件- -运算放大器运算放大器运放特点运放特点: 输入阻抗高、输出阻抗低、高放大倍数、使用方便、输入阻抗高、输出阻抗低、高放大倍数、使用方便、运放组成的闭环负反馈放大电路其电压放大倍数只与外接电

4、阻运放组成的闭环负反馈放大电路其电压放大倍数只与外接电阻有关、可靠性高的优点。有关、可靠性高的优点。理想运放分析要点理想运放分析要点:假设运放为理想运放，输入阻抗无穷大、开环放大倍数为无穷假设运放为理想运放，输入阻抗无穷大、开环放大倍数为无穷大、输出阻抗为零，不计偏置电流和失调电压。大、输出阻抗为零，不计偏置电流和失调电压。 （1）虚断）虚断 （2）虚短）虚短测量常用运放：测量常用运放： OPO7 uA741 LM324 LM358 等等放大电路关键器件放大电路关键器件- -运算放大器运算放大器实际运放的设计指标考虑实际运放的设计指标考虑: (1) 输入失调电压输入失调电压 (2) 输入偏置电

5、流输入偏置电流 为了减小和削弱以上影响为了减小和削弱以上影响, 设计电路时须采取的措施设计电路时须采取的措施: (1)保证所使用的电阻尽可能取最小值保证所使用的电阻尽可能取最小值; (2)保证连接在运放两个输入端的电阻值匹配保证连接在运放两个输入端的电阻值匹配; (3)选取低输入失调电压的运放选取低输入失调电压的运放; (4)设计时尽量避免选用大于设计时尽量避免选用大于1M以上的电阻以上的电阻; (5)注意运放的增益带宽积是否满足要求注意运放的增益带宽积是否满足要求; （6）运放的供电方式）运放的供电方式常用运放的基本类型常用运放的基本类型: (1) 通用运放通用运放 (2) 高速运放高速运放

6、 (3) 低损耗运放低损耗运放 (4) 高精度运放高精度运放 (5) 宽带运放宽带运放 (6) 大功率运放大功率运放二二. 测量（仪器）放大电路测量（仪器）放大电路 基本基本放大电路放大电路能够对微弱信号进行放大，适用于不受干能够对微弱信号进行放大，适用于不受干扰的场合。由于检测装置的传感器工作环境恶劣，传感器的输扰的场合。由于检测装置的传感器工作环境恶劣，传感器的输出线上有较大的干扰信号，基本放大电路的同相端和反向端的出线上有较大的干扰信号，基本放大电路的同相端和反向端的电路结构不对称，削弱了对共模干扰信号的抑制能力。电路结构不对称，削弱了对共模干扰信号的抑制能力。 因此通常采用因此通常采用

7、测量放大电路测量放大电路作为信号调理电路的作为信号调理电路的前置放大级前置放大级。 测量放大电路的测量放大电路的特点特点：高共摸抑制比、高速度、宽频带、：高共摸抑制比、高速度、宽频带、高精度、高稳定性、高输入阻抗、低输出阻抗、低噪音高精度、高稳定性、高输入阻抗、低输出阻抗、低噪音-+3A2A1A1R2RSR1R2RSR-NIVGRNIV+负载负载(外接外接)外接地外接地TUOV(外接外接)(a) 经典的前置放大器经典的前置放大器 电路结构：电路结构： 对称输入级对称输入级，由运放，由运放A1、A2组成组成 差动输出级差动输出级，由运放，由运放A3组成组成对称输入级对共模干扰信号具有很强的抑制能

8、力对称输入级对共模干扰信号具有很强的抑制能力差动输出级将电路差动输出级将电路双端输入双端输入方式变换成方式变换成单端对地输出单端对地输出方式方式放大输入信号的差值 图中图中RG是外接电阻，专用来调整放大器是外接电阻，专用来调整放大器增益。因此，放大器的增益增益。因此，放大器的增益G与这个外接电与这个外接电阻阻RG有着密切的关系。增益公式为：有着密切的关系。增益公式为： 目前这种测量放大器的集成电路芯片有目前这种测量放大器的集成电路芯片有多种，如多种，如AD521/522、INA104等。等。)21 (12ININOUTGSRRRRVVVGINA104的基本电路的基本电路 三三. 程控增益放大电

9、路（程控增益放大电路（PGA） 在多路检测系统中，多路被测信号常常共用一在多路检测系统中，多路被测信号常常共用一个测量放大器，而各路的输入信号大小往往不同个测量放大器，而各路的输入信号大小往往不同,但都要放大到但都要放大到A/D转换器的同一量程范围。因此，转换器的同一量程范围。因此，对应于各路不同大小的输入信号，测量放大器的对应于各路不同大小的输入信号，测量放大器的增益也应不同。具有这种性能的放大器称为增益也应不同。具有这种性能的放大器称为可变可变增益放大器增益放大器或或可编程放大器可编程放大器，如下图所示。，如下图所示。 3A2A-NIN负载负载(外接外接)外接地外接地TUOV16K16K1

10、6K16K24816326412825680K26.67K11.43K5.33K2.58K1.27K314630-+1AIV+可变增益放大器可变增益放大器 把测量放大电路中的外接电阻把测量放大电路中的外接电阻RG换成一组精换成一组精密的电阻网络，每个电阻支路上有一个开关，通密的电阻网络，每个电阻支路上有一个开关，通过支路开关依次通断就可改变放大器的增益，根过支路开关依次通断就可改变放大器的增益，根据开关支路上的电阻值与增益公式，就可算得支据开关支路上的电阻值与增益公式，就可算得支路开关自上而下闭合时的放大器增益分别为路开关自上而下闭合时的放大器增益分别为2、4、8、16、32、64、128、2

11、56倍。显然，这一组开倍。显然，这一组开关如果用多路模拟开关关如果用多路模拟开关(类似类似CD4051)就可方便地就可方便地进行进行增益可变的计算机数字程序控制增益可变的计算机数字程序控制。此类集成。此类集成电路芯片有电路芯片有AD612/614等。等。四四. 隔离放大器隔离放大器 隔离放大电路定义隔离放大电路定义 隔离放大电路的输入、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的接地端。隔离放大器的应用于场合隔离放大器的应用于场合 隔离放大电路主要用于便携式测量仪器和某些测控系统（如生物医学人体测量、自动化试验设备、工业过程控制系统等）中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑

12、制能力传送信号。它对消除来自大地回路的各种干扰和噪声具有积极的作用。 1、组成及符号输入放大器R1R1R2RisoCisoR2uo隔离器输 出放大器uducuiso2、原理框图a) 变压器耦合浮置电源输入调制放 大 器耦合变压器输出解调放 大 器输出输入b) 光电耦合浮置电源光耦合器输 入放大器输 出放大器输出输入LEDVAD293/294AD2773、AD277变压器耦合隔离放大器隔离电源振荡器调制器输入屏蔽解调器输出屏蔽26873419515V15V13121016U100k100k1M141115U -+N1-+N23.2 3.2 信号滤波电路信号滤波电路 一、滤波器概述一、滤波器概述

13、1、功能定义、功能定义 滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统，具有滤除噪声和分离各种不同信号的功能（信号分离电路）。 2、类型、类型 按处理信号形式处理信号形式分：模拟滤波器和数字滤波器 按选频特性选频特性分：低通、高通、带通、带阻 按电路组成电路组成分：LC无源、RC无源、由特殊元件构成的无源滤波器、RC有源滤波器 按传递函数的微分方程阶数微分方程阶数分：一阶、二阶、高阶3、滤波器的基本参数、滤波器的基本参数 通带增益通带增益A0 谐振频率谐振频率f0、 截止频率截止频率fp 频带宽度频带宽度BW 品质因素品质因素Q、 阻尼系数阻尼系数二、模拟滤波器的传递函数与频率特性二、模拟滤波器

14、的传递函数与频率特性（1）模拟滤波器的传递函数 模拟滤波电路的特性可由传递函数来描述。传递函数是输出与输入信号电压或电流拉氏变换之比。 经分析，任意个互相隔离的线性网络级联后，总的传递函数等于各网络传递函数的乘积。这样，任何复杂的滤波网络，可由若干简单的一阶与二阶滤波电路级联构成。（2）模拟滤波器的频率特性 模拟滤波器的传递函数H(s)表达了滤波器的输入与输出间的传递关系。若滤波器的输入信号Ui是角频率为w的单位信号，滤波器的输出Uo(jw)=H(jw)表达了在单位信号输入情况下的输出信号随频率变化的关系，称为滤波器的频率特性函数，简称频率特性频率特性。 频率特性H(jw)是一个复函数，其幅值

15、A(w)称为幅频特性幅频特性，其幅角(w)表示输出信号的相位相对于输入信号相位的变化，称为相频特性相频特性。 （3）滤波器的主要特性指标 特征频率：特征频率： 通带截频通带截频fp=wp/(2)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。 阻带截频阻带截频fr=wr/(2)为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗(增益的倒数)下降到一人为规定的下限。 转折频率转折频率fc=wc/(2)为信号功率衰减到1/ (约3dB)时的频率，在很多情况下，常以fc作为通带或阻带截频。 固有频率固有频率f0=w0/(2)为电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率。

16、 2 增益与衰耗增益与衰耗 滤波器在通带内的增益并非常数。 对低通滤波器通带增益Ao一般指w=0时的增益；高通指w时的增益；带通则指中心频率处的增益。 对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒数。 通带增益变化量Ao指通带内各点增益的最大变化量，如果Ao以dB为单位，则指增益dB值的变化量。 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对角频率为w0信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的一项指标。 阻尼系数的倒数称为品质因数品质因数，是评价带通与带阻滤波器频率选择特性的一个重要指标，Q= w0/w。式中的w为带通或带阻滤波器的3dB带宽， w0为中心频率，在很多

17、情况下中心频率与固有频率相等。 群时延函数群时延函数 当滤波器幅频特性满足设计要求时，为保证输出信号失真度不超过允许范围，对其相频特性(w)也应提出一定要求。在滤波器设计中，常用群时延函数d(w)/dw评价信号经滤波后相位失真程度。群时延函数d(w)/dw越接近常数，信号相位失真越小。 20lgA/dB-101-40-20020=2.5=1.67=1.25 =0.8=0.5=0.33=0.2=0.1lg(/0)-60a) 幅频特性=0.2=0.1-101-180o-90o=2.5=1.67=1.25=0.8=0.5=0.33lg(/0)/()0b) 相频特性二阶低通滤波器二阶低通滤波器b)图4

18、-4lg(/0)=2.5-101090180=1.67=1.25 =0.8=0.5=0.33=0.2=0.1/()20lgA/dB)lg(/0)-20020=0.1=0.2=0.33=0.5=0.8=1.25=1.67=2.5-101-40a) 幅频特性b) 相频特性二阶高通滤波器二阶高通滤波器三、三、RCRC有源滤波电路有源滤波电路 有源滤波器是指采用有源器件和电阻、电容组成的滤波器，有源滤波器中的有源器件可以用晶体管，也可是运算放大器，特别是运放组成的有源RC滤波器可以做到体积小，重量轻，损耗小，并且可以提供一定的增益（放大），还可以起到缓冲作用。 因此在低频（1MHz）场合得到极为广泛的

19、应用，由于受有源器件带宽的限制，有源滤波器一般不能用于高频场合，高频场合一般采用无源滤波器，另外需要提供电源。1、低通滤波电路、低通滤波电路 滤波器参数为+-+NR0Ruo(t)ui(t)C1C2R2R1通带增益通带增益固有频率固有频率2、高通滤波器、高通滤波器uo(t)R0Rui(t)C2C1R1R2+-+N通带增益通带增益固有频率固有频率3、带通滤波器、带通滤波器ui(t)R0Ruo(t)C1C2R1R2R3+-+N通带通带增益增益固有固有频率频率4、带阻滤波器、带阻滤波器R1C3R0Ruo(t)ui(t)C2C1R3R2+-+N通带通带增益增益固有固有频率频率四、四、RCRC无源滤波电路

20、无源滤波电路 无源滤波器是指用无源器件，如电感L、电容C和电阻R组成的滤波电路。通常采用LC谐振电路或RC网络作为滤波器件。LC滤波谐振电路，其能量形式是每半周中电场能量与磁场能量相互转换，作为虚功率积蓄存在，损失小，选择性好。但在低频场合需要LC的值很大，大电感不仅体积大而且价格高，不适合在低频滤波电路中使用。 1、RC无源低通滤波电路无源低通滤波电路xuyuRC RC低通滤波器的典型电路和幅频特性如图所示。设输入和输出信号电压分别为 和 ，电路时间常数 。滤波器为一阶系统，其频率响应函数和幅频特性分别为 ： jjH11)(2)(11)(A-3dB截止频率 12C2、RC无源高通滤波电路无源

21、高通滤波电路 RC高通滤波器的典型电路和幅频特性如图所示。分析电路特性可知，该电路能让高于截止频率的信号通过。RC高通滤波器也是一阶系统，时间常数 RC，其频率响应函数和幅频特性分别为： jjjH1)(2)(1)(A -3dB截止频率 12C 理想滤波器要求幅频特性A(w)在通带内为一常数，在阻带内为零，没有过渡带，还要求群时延函数在通带内为一常量，实际上无法实现的。因此工程实践中往往选择适当逼近方法，实现对理想滤波器的最佳逼近。 测控系统中常用的三种逼近方法为：巴特沃斯逼近法；切比雪夫逼近法；考尔逼近法。五、五、滤波器的逼近特性滤波器的逼近特性1、巴特沃斯逼近、巴特沃斯逼近 这种逼近的基本原

22、则是使幅频特性在通带内最为平坦，并且单调变化。其频率特性：2 2、切比雪夫逼近、切比雪夫逼近 这种逼近方法的基本原则是允许通带内有一定的波动量，其频率特性：滤波器的设计主要包括以下五个过程： 确定滤波器特性确定滤波器特性(低通、带通）低通、带通） 选择电路结构选择电路结构 选择有源器件选择有源器件 计算无源元件参数计算无源元件参数 计算传递函数和频率特性，修正设计计算传递函数和频率特性，修正设计六、滤波器设计六、滤波器设计集成有源滤波集成有源滤波芯片介绍芯片介绍单片集成五阶巴特沃斯低通滤波器单片集成五阶巴特沃斯低通滤波器MAX280内部开关电容网络RCRclkCclk(外部缓冲放大器)uo1(

23、t)uo2(t)14632587-5v+5 v(33pF)内部时钟电路ui(t)3.3 3.3 信号变换电路信号变换电路 为了信号传输和处理的需要，还必须对检测到为了信号传输和处理的需要，还必须对检测到信号的波形形式进行变换，常见的波形变换电路有信号的波形形式进行变换，常见的波形变换电路有V/I及及I/V变换、变换、 V/F及及F/V变换、变换、绝对值变换绝对值变换电路、电路、比较电路比较电路、波形整形电路波形整形电路、极值选择电路极值选择电路等，实现等，实现这些波形变换的电路主要是基于集成电路来完成。这些波形变换的电路主要是基于集成电路来完成。一、一、V/I及及I/V变换电路变换电路 为了减

24、少长线传输过程中线路电阻和负载电阻的影响，可为了减少长线传输过程中线路电阻和负载电阻的影响，可以将传感器的输出信号转换成统一直流标准信号。采用直流标以将传感器的输出信号转换成统一直流标准信号。采用直流标准信号具有的优点准信号具有的优点: (1) 传输过程中，不受交流感应的影响传输过程中，不受交流感应的影响,抗干扰能力强；抗干扰能力强； （2）直流信号不受线路寄生参数影响；）直流信号不受线路寄生参数影响； （3）直流信号便于与）直流信号便于与A/D转换；转换；统一直流标准信号：统一直流标准信号： 电压信号：电压信号：05V 电流信号电流信号：010mA，420mA 采用直流标准电流信号，由于其恒

25、流特性，可以不受传输采用直流标准电流信号，由于其恒流特性，可以不受传输导线长度的影响，传感器输出电压信号通常需要变送器处理转导线长度的影响，传感器输出电压信号通常需要变送器处理转换成电流信号输出。换成电流信号输出。目前广泛采用的目前广泛采用的420mA标准信号标准信号。1、V/I变换电路变换电路 通常，传感器的输出信号多数为电压信号，为了将电压信号变成电流，需采用/变换。/变换器的作用是将电压变换为标准的电流信号，它不仅要求具有恒流性能，而且要求输出电流随负载电阻变化所引起的变化量不超过允许值。 A. 010mA的电压电流（的电压电流（/）变换器）变换器 运算放大器接成同号放大器，此变换电路属

26、于电流串联负反馈电路，具有较好的恒流性能；为电流反馈电阻，为负载电阻，它小于。三极管和组成电流输出级，用来扩展电流。根据电流串联负反馈关系，有： sr=sc 可见，输出电流Isc仅与输入电压Usc和反馈电阻R3有关，与负载电阻R无关，说明它具有较好的恒流性能。 合理选择R3,可得到相应关系B. 420mA的电压电流（的电压电流（/）变换器）变换器 UbUst VI变换电路由运算放大器A和三极管T1、T2组成。运算放大器除了放大作用外，还兼有比较的作用，它将输入电压Ust和反馈电压Up进行比较。T1为倒相放大级，T2为电流输出级。Ub为偏置电压，加在A的同相端，用以进行零点迁移。输出电流I0流经

27、R3得到反馈电压Up，此电压经R5、R4加到A的两个输入端，形成A的差动输入信号，由于具有深度电流串深度电流串联负反馈联负反馈，因此有较好的恒流性能。 1510551RRRRIRRRUUstH反相端 认为R4、R5R3R，则可认为I0为流过R3的全部电流。利用叠加原理，可求出在Ust、I0和Ub作用下，运算放大器A的同相及反相端电压UH和UT：45224230)(RRRURRRRRIUbT同相端考虑理想运放：UHUT 令 ，则有： )(3240bstUURRRI（）当的开环增益及输入阻抗足够大时，输出电流0与输入电压st之间为线性关系，并且只与电路电阻1（2）、（）及有关，与的参数及负载电阻无

28、关，说明它具有恒流性能。（）输出电流与输入电压st间的变换系数决定于电路参数，可根据st及的范围来决定电路参数。AD694 AD694是标准单路输入V/I转换芯片，供电电压为4.5V36V，可为现场执行机构提供符合工业标准的420mA电流环路输出。输入信号可由一个输入放大器进行缓冲。输入的电压信号范围根据对应管脚连接的不同可为02V或010V。其他范围可通过外加电阻来编程实现。4mA的逻辑零电流也可以通过TTL电路控制相应的管脚使输出电流变为0mA。 AD694具有内部电压基准，可用作外接芯片的参考电压，这样既简化了电路设计，又节省了空间。另外，AD694有较强驱动能力，是需要免除噪声的420

29、mA信号传递以操作电子管、传动装置和其他控制器件的理想选择。2、I/V变换电路变换电路-+A2R1RVI(a) 无无 源源 I I/ /V V变变 换换 电电 路路(b) 有有 源源 I I/ /V V变变 换换 电电 路路图图 2-2 电电 流流 / /电电 压压 变变 换换 电电 路路+3R5R4R2R1RIDCCV+-+5V 无源无源I/V变换电路变换电路是利用无源器件是利用无源器件电阻来实现，加上电阻来实现，加上RC滤波和二极管限幅等保护，如图（滤波和二极管限幅等保护，如图（a）所示，其中）所示，其中R2为为精密电阻精密电阻。对于对于0- 10 mA输入信号，可取输入信号，可取R1=1

30、00，R2=500，这样，这样当输入电流在当输入电流在0 -10 mA量程变化时，输出的电压就为量程变化时，输出的电压就为0 -5 V范围；范围；对于对于4 -20 mA输入信号，可取输入信号，可取R1=100，R2=250，这样，这样当输入电流为当输入电流为4 -20 mA时，输出的电压为时，输出的电压为1 - 5 V。-+A2R1RVI(a) 无无源源I I/ /V V变变换换电电路路(b) 有有源源I I/ /V V变变换换电电路路图图 2-2 电电流流/ /电电压压变变换换电电路路+3R5R4R2R1RIDCCV+-+5V 有源有源I/V变换电路变换电路是利用有源器件是利用有源器件运算

31、放大器和运算放大器和电阻电容组成，如图（电阻电容组成，如图（b）所示。利用同相放大电路，把）所示。利用同相放大电路，把电阻电阻R1上的输入电压变成标准输出电压。该同相放大电上的输入电压变成标准输出电压。该同相放大电路的放大倍数为路的放大倍数为 若取若取R1=200，R3=100k，R4=150k，则输入电流，则输入电流 I 的的0 10 mA就对应电压输出就对应电压输出V的的0 5 V； 若取若取R1=200，R3=100k，R4=25k，则，则4 20 mA的输入电流对应于的输入电流对应于1 5 V的电压输出。的电压输出。3411RRIRVG-+A2R1RVI(a) 无无源源I I/ /V

32、V变变换换电电路路(b) 有有源源I I/ /V V变变换换电电路路图图 2-2 电电流流/ /电电压压变变换换电电路路+3R5R4R2R1RIDCCV+-+5V专用专用I/V转换电路转换电路二、二、V/F及及F/V变换电路变换电路1. V/F 转换概述定义：V/f (电压/频率)转换器能把输入电压信号转换成相应的频率信号，即它的输出信号频率与输入信号电压值成比例，故又称为电压控制(压控)振荡器(VCO)。应用：在调频，锁相和A/D变换等许多技术领域得到非常广泛的应用。指标：额定工作频率和动态范围，灵敏度或变换系数，非线性误差，灵敏度误差和温度系数等特征：频率信号便于远距离传输,不受电磁场的影

33、响,主要用于非快速而又远距离的测量中2. V/F 转换器的原理 -U V - + + N1 - + + N2 R2 -E ui R1 R3 C R4 R5 R6 R7 R8 R9 uC uP VS1 VS2 VS3 uo 积分复原型（常用形式：精度低） 组成：积分器、电平检测比较器和积分复原开关等 O U1 U2 uT uo T1 T2 t uC U2 U1 t t O O uP 电平检测器是具有双阈值电平的比较器，当积分电容充电到下限值电平时，电平检测器的输出使积分复原开关导通，使电容迅速放电，积分器的输出复原到上限阈值电平时，开关重新截止，积分器再次积分。这种电路适用于精度要求不高的场合。

34、 电荷平衡型（精度高）Ifus c 1us c 2us c 30000I10Emttttt Ij Em 当K断开时，输入电压Ui产生输入电流If给积分电容CF充电，积分器的输出电压USC1下降，当USC1下降到-Em时，比较器输出发生翻转，并触发单稳定时电路，产生一个宽度为tos的脉冲，并使K导通，恒流源Ij使积分电容放电（IjIf），当tos结束时，K断开，放电停止。积分电容充放电电荷必须相等，因此：)(1IfIjtQosIfTQ1221QQ ostTT 1RUiIf 放电电荷：充电电荷：已知：所以：iososURIjttTFT11集成V/F转换器LM131/231/331 CL 精 密电流

35、源 电 流开 关 RS 触发器 基 准电 源 - + 基准比较器 - + 输入比较器 - + 定时比较器 R Rt Ct iS RS 4 5 6 7 8 1 2 3 偏流 S R Q 复位 输出保护 驱动 定时 域值 比较输入 +U 1.9V 电流输出 基准电压 频率输出 Q 2R RL V uo +- -1 +1 # 单稳 态定 时器 Q iS uo 4 3 5 7 6 1 2 8 RL CL ui RS S Rt Ct +U u6 u5 +E V # Q 器 输入 比较 b) 约10mV O O T to t t u6 ui uo 典型应用典型应用V/F变换变换-LM331ttLiSout

36、CRRVRf09.2典型应用典型应用F/V变换变换-LM331改变电路连接形式，可使改变电路连接形式，可使LM331工作在工作在F/V变换场合变换场合finVoVo=is*tos*fin集成V/F转换器VFC32VFC32芯片封装图VFC32应用简图kpFCmAIfINout7 . 6)44(11INI为输入电流三、绝对值变换电路三、绝对值变换电路 绝对值变换电路能将绝对值变换电路能将双极性信号变为单极性的信双极性信号变为单极性的信号号，主要用在信号检波等方面。，主要用在信号检波等方面。 半导体二极管具有单向导电特性，可以作为检波半导体二极管具有单向导电特性，可以作为检波元件使用。但由于二极管

37、存在死区电压，因此当输入元件使用。但由于二极管存在死区电压，因此当输入小信号时，误差很大。如果把二极管置于运算放大器小信号时，误差很大。如果把二极管置于运算放大器的反馈回路中，可以使检波性能十分精确。的反馈回路中，可以使检波性能十分精确。绝对值电绝对值电路就是一种带有二极管反馈回路的运算放大器，实现路就是一种带有二极管反馈回路的运算放大器，实现对信号的检波对信号的检波，故又称，故又称精密整流电路精密整流电路。 1线性检波线性检波(半波整流半波整流)电路电路 ouou 常用的半波整流电路如图 (a)所示。它具有反相结构，反相输入端为虚地。当输入电压ui为正极性时，放大器输出 为负，VD2导通，V

38、Dl截止，输出电压 为零。当输入电压ui为负极性时，放大器输出为正，VDl导通，VD2截止，电路处于反相比例运算状态。改变VD1和VD2的方向可以实现正半周检波。 只要运算放大器的输出电压 ，在数值上大于整流二极管的正向导通电压，VDl和VD2中总有一个处于导通状态，另有一处于截止状态，电路就能正常检波。 ou 所以这个电路能检波的最小输入电压为UDA。，式中UD为二极管正向压降，Ao运算放大器开环电压增益。可见二极管正向压降的影响被削弱了A0倍，从而使检波特性大大改善。 2绝对值绝对值(全波整流全波整流)电路电路 (1)简单绝对值电路简单绝对值电路 在半波整流电路的基础上，加一级加法运算放大

39、器，就组成了简单的绝对值电路，如图所示。 图中R1=R2,2R5=R4=R6,R3=R1/R2,R7=R4/R5/R6。 21RR 6452RRR 这种电路的缺点是要达到高精度，必须严格的匹配电阻，使,。 (2)改进的绝对值电路改进的绝对值电路 21RR (a)电路匹配电阻，(b)ui0时的等效电路；(c) ui0时的等效电路 图a中二极管VD1和VD3都处于反馈回路中，它们的正向压降对整流电路灵敏度的影响被减小A0(运算放大器的开环电压增益)倍，因此不会引入较大误差。二极管VD2，VD4的作用是防止运算放大器A1和A2在VDl和VD3断开时进入饱和，使下半周再次来到时，电路能立即投入工作。

40、负向检波电路正向检波电路四、比较器电路四、比较器电路 比较器用通用运算放大器和专用集成比较器的区别？比较器用通用运算放大器和专用集成比较器的区别？ （1）比较器的一个重要指标是它的响应时间，它一般低于10-20ns。响应时间与放大器的上升速率和增益-带宽积有关。因此，必须选用这两项指标都高的运算放大器作比较器，并在应用中减小甚至不用相位补偿电容，以便充分利用通用运算放大器本身的带宽来提高响应速度。 （2）当在比较器后面连接数字电路时，专用集成比较器无需添加任何元器件，就可以直接连接，但对通用运算放大器而言，必须对输出电压采取嵌位措施，使它的高、彽输出电位满足数字电路逻辑电平的要求。 1.电平比

41、较电路（单阈值比较器） 图中：UR=0，就构成过零点比较器（鉴零器）缺点：缺点：在阈值电平附近受到干扰容易出现振铃现象。因此更多应用滞回比较器 2.滞回比较电路（正反馈阈值） 两个阈值： a) b) ui Uo U1 O U2 -1 +1 # ui Uo UR R R2 R1 单方向单阈值图a为下行特性的滞回比较器，在各种保护电路中广泛使用。采用555也可以构成这种比较器。设计要求设计要求：滞回宽度U2-U1影响比较的灵敏度，需要根据应用要求进行选取。 3.窗口比较电路 -1 +1 # & -1 +1 # ui VS E R1 RP R2 Uo1 Uo2 Uo UZ N2 N1 UR

42、2 UR 1 “1” “0” O U UR2 UR1 ui Uo 单方向多个阈值窗口比较器主要用来判定信号是否在某一范围，在越限故障检测电路中广泛使用。五、极值选择电路五、极值选择电路 最大值选择电路 精度高精度低 最小值选择电路 精度高精度低3.4 信号运算电路信号运算电路一、峰值运算电路一、峰值运算电路 最基本的峰值检测器都是利用二极管的单向导电特性,使电容充电并保持信号的峰值,为了避免二极管的管压降影响峰值运算,可以采用线性整流电路。 图中A1是线性检波电路，A2为电压跟随器，C为峰值记忆电容，当Vi为正(增加)时，D1截止，D2导通，电容C被充电，由于输出电压经过Rf反馈到A1反向端，

43、使Vc=Vi,使整个电路为电压跟随器。当Vi减小时，D1导通，D2截止，输出电压保持正峰值不变。D1和D2反接，可组成负峰值检测电路。峰峰值运算电路峰峰值运算电路 图中A1构成正峰值检测电路，A2构成负峰值检测电路，两个0.1u电容为峰值记忆电容。当Vi为正时，A1运放工作检测正峰值，上面0.1u电容C被充电，当Vi为负时，A2运放工作检测负峰值，下面0.1u电容C被充电，两个电容上的电压和为峰峰值。二、有效值运算电路二、有效值运算电路1. 有效值检测方法有效值检测方法 一个随时间变化的物理量y的有效值Y定义为： TdtyTY021（1）利用晶体二极管的特性曲线，在起始部分比较接近抛物线（二次

44、型曲线），采用折线逼近法，实现有效值的检测。由于一般晶体二极管正向特性有较大的电压一灵敏区，反向又有漏电流，所以不可能获得准确的测量结果;（2）利用真空热电偶具有较精确的抛物线特性来实现有效值检测。但热电偶的惯性大，反应慢，且过载能力差，易烧毁；（3）采用计算机技术实现有效值检测，首先通过AD转换器对被测的模拟量进行数字化处理，然后再根据上式对已被量化的离散值进行运算，从而得出被测量的有效值。（4）采用能实现有效值测量的采用能实现有效值测量的专用集成电路专用集成电路，如：AD536、AD636、AD637、AD736、AD737等真有效值变换电路。 典型真有效值转换集成电路的技术指标典型真有效

45、值转换集成电路的技术指标 AD736是经过激光修正的单片精密真有效值转换器。其主要特点是准确度高、灵敏性好（满量程为200mVRMS）、测量速率快、频率特性好（工作频率范围可达0460kHz）、输入阻抗高、输出阻抗低、电源范围宽且功耗低，最大的电源工作电流为200A。用它来测量正弦波电压的综合误差不超过0.3%。 +Vs：正电源端，电压范围为2.816.5V；-Vs：负电源端，电压范围为-3.2-16.5V；Cc：低阻抗输入端，用于外接低阻抗的输入电压（200mV），通常被测电压需经耦合电容与此端相连，通常耦合电容的取值范围为1020F。当此端作为输入端时，第2脚VIN应接到COM；VIN：高阻抗输入端，适合于接高阻抗输入电压，一般以分压器作为输入级，分压器的总输入电阻可选10M，以减少对被测电压的分流。该端有两种工作方式可选择：第一种为输出AC+DC方式。该方式将1脚（Cc）与8脚（COM）短接，其输出电压为交