智能测控系统设计2_信号调理及抗干扰(东南大学)

1、智能测控系统设计第三章第三章 信号调理电路与抗干扰信号调理电路与抗干扰 3.1 常用放大器3.2 可编程增益放大器（PGA）3.3 模拟滤波器3.4 电压/电流变换器3.5 电压/频率变换器3.6 前置放大器的噪声3.7 干扰的耦合方式及抑制措施 3.8 干扰的叠加方式及抑制措施3.9 电源干扰的滤除 智能测控系统设计3.1 3.1 常用放大器常用放大器 通常情况下，集成运算放大器可以实现大部分的信号调理功能，因此应用最为广泛。选择运算放大器，需要根据以下几个考量：1.信号调理电路对运放的性能要求，从而选择参数合适的运放，如输入阻抗、漂移、响应速度等；2.使用环境的要求，从而选择等级合适的运放

2、，如工业级、军用级等；3.其它考虑，如信号隔离、多运放、封装、价格等；4.对于专用功能的信号调理电路，应尽量选择专用芯片，以简化设计。智能测控系统设计运放的主要性能参数运放的主要性能参数输入阻抗：输入阻抗：输入阻抗越大越好，高频时输入电容变得重要。输出阻抗：输出阻抗：输出阻抗越小越好。输入偏流：输入偏流：两个输入端电流的平均值。偏流会引起运放不平衡而产生输出。偏流越小越好。场效应输入级偏流最小。输入失调电流：输入失调电流：为使输出为零，一个输入端比另一个输入端需要更大的电流，这个电流为输入失调电流。输入失调电压：输入失调电压：为使输出为零，在一个输入端上加上一个小的电压（另一个输入端接零伏），

3、这个电压为输入失调电压。温度效应：温度效应：温度引起的输入失调电流和输入失调电压的漂移。转换速率：转换速率：单位时间内电压变化的最大值。增益带宽积：增益带宽积：增益带宽积增益带宽单位增益频率。共模抑制比：共模抑制比：差动增益/共模增益，以分贝表示。噪声：噪声：运放内部噪声的大小，用输入噪声电压密度和输入噪声电流密度来表示。智能测控系统设计运放的主要性能参数列举运放的主要性能参数列举智能测控系统设计通用单运放通用单运放CF741, LM741, A741, AD741, MC1741, HA17741T, PC741等。等。军用级：军用级：-55125-55125，工业级：，工业级： -2585

4、-2585，民，民用级：用级：070070。如无特殊要求，一般应选用通用型运放，根据环境温度选择如无特殊要求，一般应选用通用型运放，根据环境温度选择相应级别器件，如同一电路中有多个运放，则选择双运放或相应级别器件，如同一电路中有多个运放，则选择双运放或四运放。四运放。智能测控系统设计通用四运放通用四运放CF324, LM3241, A324, PC324CF324, LM3241, A324, PC324等等 使用四运放可以简化电路排版，减小电路面积。使用四运放可以简化电路排版，减小电路面积。 智能测控系统设计高输入阻抗运放高输入阻抗运放CF355/356/357, LF355/356/357

5、CF355/356/357, LF355/356/357，CF3140CF3140。结型场效。结型场效应管输入级，输入电阻高应管输入级，输入电阻高(10(101212 ) )，速率高，速率高( (最大最大50V/50V/ s s) )。 智能测控系统设计低漂移运放低漂移运放OP07, A714等。输入失调电压及其温漂、输入失等。输入失调电压及其温漂、输入失调电流及其温漂都较小。调电流及其温漂都较小。 性能好，价格低，性能好，价格低，应用广泛。应用广泛。 智能测控系统设计高精度高速运放高精度高速运放OP17（引脚同（引脚同CF357）OP27（引脚同（引脚同OP07）智能测控系统设计静电计级放大

6、器静电计级放大器OPA128OPA128，具有超低偏置电流。，具有超低偏置电流。典型值典型值150fA (f=10150fA (f=10-15-15) )。智能测控系统设计斩波稳零运放斩波稳零运放ICL7650, ICL7650, 5G7650, 5G7650, F7650F7650，超，超低失调，低失调，超低漂移，超低漂移，高输入阻高输入阻抗，高增抗，高增益，性能益，性能稳定。稳定。参数见前面的表 智能测控系统设计变压器耦合隔离运放变压器耦合隔离运放AD202, AD204, AD210, AD293, AD289, AD295, AD298等。等。用于输入通道隔离，防止强电强磁干扰或损坏，

7、消除大共模电压。用于输入通道隔离，防止强电强磁干扰或损坏，消除大共模电压。 一般，变压器耦合精度一般，变压器耦合精度高，光电耦合速度高。高，光电耦合速度高。智能测控系统设计AD210AD210隔离放大器隔离放大器主要技术指标：增益范围主要技术指标：增益范围1100；共模电压；共模电压2500V；输入阻抗；输入阻抗1012 ；输入偏；输入偏置 电 流 温 漂置 电 流 温 漂 3 0 n A （ 最 大 ） ； 频 响（ 最 大 ） ； 频 响 1 5 k H z （ G = 1 0 0 ） ； 失 调 电 压） ； 失 调 电 压( 15 45/G)mV(最大最大)；失调电压温漂；失调电压温漂

8、( 10 50/G) V/；隔离电源输出；隔离电源输出 15V， 5mA；电源；电源+15Vdc 5%。功能框图：。功能框图： 53.325.48.9智能测控系统设计AD210AD210应用示例应用示例智能测控系统设计光电耦合隔离放大器光电耦合隔离放大器ISO100智能测控系统设计ISO100ISO100应用示例应用示例精密电桥隔离放大器精密电桥隔离放大器 智能测控系统设计仪器放大器仪器放大器 高精度差动放大器，输入阻抗高，共模抑制比大，输入失调电压、电流小，输入偏置电流小，温漂小，时漂小。 G=(1+2R1/RG) RS/R3 智能测控系统设计AD625AD625仪器放大器仪器放大器 主要技

9、术指标：主要技术指标：增益范围110000；失调电压1050V（根据等级不同）；失调电压温漂0.11V/；输入偏置电流1030nA；输入偏置电流温漂50pA/；输入电阻1G；频响150kHz(G=100)，25kHz(G=1000)；电源618V 智能测控系统设计AD625AD625内部结构内部结构 智能测控系统设计AD625AD625构成的放大器构成的放大器智能测控系统设计可编程增益放大器（可编程增益放大器（PGA）有的应用场合，需要在软件控制下进行量程切换等操作，这时需要选择PGA。下面以AD526为例说明其工作。智能测控系统设计AD526同相比例放大器同相比例放大器智能测控系统设计AD5

10、26管脚管脚智能测控系统设计3 33 3 模拟滤波器模拟滤波器滤波器的主要参数：滤波器的主要参数：谐振频率谐振频率f f0 0: :没有损耗时的固有频率；没有损耗时的固有频率；转折频率（截止频率）：转折频率（截止频率）：-3dB对应的频率值；对应的频率值；通带增益通带增益kp：通带内放大倍数；：通带内放大倍数；频带宽度频带宽度 f：-3dB通带宽度或阻带宽度；通带宽度或阻带宽度；品质因素品质因素Q：带通滤波器的谐振频率与带宽之比；：带通滤波器的谐振频率与带宽之比；阻尼系数阻尼系数 ：Q的倒数。的倒数。 智能测控系统设计常用滤波器的类型常用滤波器的类型npkH20)/(1)()/(1)(022n

11、pckH)arccoscos(0ncn巴特沃斯滤波器：通带特性平坦，但衰减差。切比雪夫滤波器：过渡带陡，但通带内有纹波。为常数。)(1)(22npUkH椭圆滤波器：通带阻带等纹波。Un()为雅可比椭圆函数。智能测控系统设计智能测控系统设计通用运放构成的低通滤波器通用运放构成的低通滤波器智能测控系统设计通用运放构成的低通滤波器通用运放构成的低通滤波器智能测控系统设计通用运放构成的低通滤波器通用运放构成的低通滤波器智能测控系统设计通用运放构成的高通滤波器通用运放构成的高通滤波器低通滤波器低通滤波器中电阻电容中电阻电容交换位置交换位置智能测控系统设计通用运放构成的高通滤波器通用运放构成的高通滤波器低

12、通滤波器低通滤波器中电阻电容中电阻电容交换位置交换位置智能测控系统设计通用运放构成的高通滤波器通用运放构成的高通滤波器智能测控系统设计集成开关电容滤波器集成开关电容滤波器开关电容滤波器基本原理：用开关电容网络代替RC网络。这样，既容易在集成电路内实现，又容易通过开关频率调整滤波器截至频率。CR确定以后确定以后电阻由电阻由T决定决定智能测控系统设计集成有源滤波器芯片集成有源滤波器芯片LMF40LMF40截止频率截止频率0.140kHz智能测控系统设计LMF40LMF40的振荡器的振荡器可以构造一个可以构造一个RC振荡器振荡器智能测控系统设计单电源工作的连接单电源工作的连接双电源工作的连接双电源工

13、作的连接LMF40的典型连接的典型连接调节信号频率改调节信号频率改变滤波器的截止变滤波器的截止频率频率(分频比分频比)智能测控系统设计3 34 4 电压电压/ /电流变换器电流变换器 电压/电流变换器AD694 电压/电流变换器XTR110 模拟信号传输：模拟信号传输：70年代年代010mA；70年代后期年代后期90年代年代420mA二线制传输线。电流传输的优点：二线制传输线。电流传输的优点：a.抗抗干扰强；干扰强；b.导线长度不影响（即与电阻无关）；导线长度不影响（即与电阻无关）；c.可可进行断线检查；进行断线检查；d.信号还原成电压容易。信号还原成电压容易。变送器420mA24V智能测控系

14、统设计电压电压/电流变换器电流变换器AD694A1：缓冲放大器；：缓冲放大器；A2、VT1、R1：V/I变换变换器；器；A3等：电流放大器；等：电流放大器；A4：参考电压：参考电压u1010V时时4悬空悬空5接地，接地，i1=00.8mA；u102V时时4接地接地5悬空，悬空，i1=00.8mA。i0=i4=20i3i3i1+i2=i1+200Ai0=4mA+20i1=420mA智能测控系统设计AD694应用示例应用示例智能测控系统设计3.5 电压频率变换器（V/F）通过电压/频率变换器，可以将模拟信号变换成频率信号，从而实现模数变换、数字信号传递、光电隔离等功能，也有利于信号的长距离传输。智

15、能测控系统设计复位过程复位过程积分过程积分过程基基 本本 原原 理理智能测控系统设计复位过程复位过程积分过程积分过程基基 本本 原原 理理复位过程：开关在S端，对应单稳态正脉冲(暂态)，电容积累电荷。qc= VCint=(1mA-IIN)TOS积分状态：开关在另一端，对应单稳态触发器的稳态。-qc= icTI= -IINTITI= qc/IIN= TOS(1mA/IIN-1)f=1/(TI +TOS)= IIN/(TOS1mA)= VIN/(RIN TOS1mA)智能测控系统设计AD650AD650应用电路应用电路智能测控系统设计各各种种VF变变换换器器的的性性能能智能测控系统设计其它各种专用

16、模拟调理电路其它各种专用模拟调理电路例如：1. AD698型线性位移差分变压器(LVDT)专用信号调理电路 2. TCA205205A接近开关专用IC芯片 3. 超声波测距专用集成电路SB5227 4. 宽带应变信号调理器1B31 5. 压力信号调理器MAX1450 6. 集成电流检测放大器MAX472 7. 多功能传感信号调理器AD693 8. 离子型烟雾检测报警集成电路MC14468 9. 液位传感器LM1042 10.单片加速度传感器MMA1220D 11. TDC-GP2超声波流量计专用芯片 智能测控系统设计3.6 前置放大器的噪声（其它课程讲）前置放大器的噪声（其它课程讲）前置放大器

17、的联接前置放大器的联接使用带宽使用带宽信号源信号源噪声源噪声源有噪声的放大器有噪声的放大器输出输出A0Rs源电阻含传感器输出电阻和放大器输入电阻等效噪声图等效噪声图Es2低通滤波低通滤波信号源信号源4KTRs无噪声的放大器无噪声的放大器输出输出A0Rsen2in2源电阻噪声噪声电压源噪声电流源智能测控系统设计输出端总噪声电压为输出端总噪声电压为2/102/122)(4BARieKTREsnnsino 带宽输出端信噪比为输出端信噪比为2/12/1220)(4BRieKTREEAENSsnnssinoso ）（定义噪声因子定义噪声因子NF为为dBNSNSNFPoutin)()/()/(log10

18、则可得则可得ssnnsnnssssKTRRieBRieKTREBKTRENF4)(1log10)(4/4/log10222222NFNF与与RsRs有关，与频率有关，与频率f f有关（因有关（因e en n、i in n是是f f的函数）的函数）噪声因子噪声因子智能测控系统设计NF一般测量得到。某放大器的一般测量得到。某放大器的NF图如下图如下利用利用NF图可以：图可以：1.选选择择NF最小的最小的Rs和和f；2.计算计算Eini；3.根据检测根据检测对象选择放大器或进对象选择放大器或进行阻抗匹配。行阻抗匹配。利用利用NF计算输入端计算输入端噪声电压：噪声电压：20/2/12/12/12210

19、4)(4NFssnnsiniBKTRBRieKTRE噪声因子噪声因子智能测控系统设计为了抑制前置放大器的噪声：为了抑制前置放大器的噪声：1、对噪声进行分析计算；、对噪声进行分析计算；2、对噪声进行测试；、对噪声进行测试；3、选用低噪声运算放大器；、选用低噪声运算放大器；4、根据、根据NF选择合适的选择合适的Rs、f；4、进行阻抗匹配。、进行阻抗匹配。智能测控系统设计3.7 干扰的耦合方式及抑制措施干扰的耦合方式及抑制措施 电容性耦合（静电耦合）干扰及抑制措施电容性耦合（静电耦合）干扰及抑制措施 互感耦合（电磁耦合）干扰及抑制互感耦合（电磁耦合）干扰及抑制 措施措施 共阻抗耦合干扰及抑制措施共阻

20、抗耦合干扰及抑制措施 漏电流耦合干扰及抑制措施漏电流耦合干扰及抑制措施 智能测控系统设计电容性耦合干扰及抑制措施电容性耦合干扰及抑制措施又称静电耦合，由二个电路之间的寄生电容引起。又称静电耦合，由二个电路之间的寄生电容引起。 AB干扰干扰CmaUnUZi电路电路aimaimimnUZCjUZCjZCjU1与寄生电容Cm成正比,应通过合理布线、适当防护措施以减小Cm；与Zi成正比,一般应减小放大电路的输入阻抗；与成正比,对高频信号,电容性耦合更严重；与Ua成正比,说明高压小电流干扰是通过电容性耦合实现的；采用电流传输可避免电压干扰。智能测控系统设计 计算示例：设计算示例：设Ua=5V，f=1MH

21、z，Cm=0.01pF，Zi=0.1M ，则：，则：Un=31.4mVUn=31.4mV，如测量电路放大倍数为，如测量电路放大倍数为100100，则则Uo=3.14VUo=3.14V。说明干扰引起的输出很大。说明干扰引起的输出很大。 智能测控系统设计抑制电容耦合的方法抑制电容耦合的方法AB屏蔽体接测量电路屏蔽体接测量电路,构成等电位构成等电位,屏蔽体屏蔽体内部无电力线。内部无电力线。(a)CA：干扰源：干扰源B：测量电路：测量电路C：屏蔽体：屏蔽体A屏蔽体屏蔽体C包围干包围干扰源接大地扰源接大地(b)BCC中 正 电 荷中 正 电 荷被排斥到大被排斥到大地地智能测控系统设计AB屏 蔽 体 包

22、围屏 蔽 体 包 围电路接大地电路接大地(c)屏蔽体与大地相连屏蔽体与大地相连,同时与电路地线相同时与电路地线相连连,这样可消除寄生这样可消除寄生电容引起的反馈电容引起的反馈(d)CA：干扰源：干扰源B：测量电路：测量电路C：屏蔽体：屏蔽体C中正电荷被中正电荷被排斥到大地排斥到大地智能测控系统设计互感耦合干扰及抑制措施互感耦合干扰及抑制措施 又称电磁耦合，由二个电路之间存在互感引起。又称电磁耦合，由二个电路之间存在互感引起。可以看出：可以看出：RsRisUnUaIManIMjU与Ia成正比，说明大电流低电压干扰源主要是通过互感耦合实现；与成正比，高频干扰大；与M成正比，要避免信号线与干扰线平行

23、，以减小互感M；采用电流传输可避免电压干扰；干扰电压与Ri无关。智能测控系统设计aInU计算示例：设计算示例：设Ia=10mAIa=10mA；f=10kHzf=10kHz，M=0.1M=0.1 H，则则Un=62.8Un=62.8 V oUaI智能测控系统设计抑制互感耦合的方法抑制互感耦合的方法 AB对于低频磁场干扰，用对于低频磁场干扰，用高导磁率材料；对于高高导磁率材料；对于高频磁场干扰，用高导电频磁场干扰，用高导电率材料，利用涡流效应率材料，利用涡流效应阻碍干扰磁场穿透。阻碍干扰磁场穿透。智能测控系统设计共阻抗耦合干扰及抑制措施共阻抗耦合干扰及抑制措施电源内阻耦合电源内阻耦合 AB共阻抗共

24、阻抗退耦滤波退耦滤波电路电路共地线耦合共地线耦合 ABC1nU2nUABC一点一点接地接地智能测控系统设计 输出阻抗耦合输出阻抗耦合 BAnUAB消除输出阻抗干扰消除输出阻抗干扰智能测控系统设计漏电流耦合干扰及抑制措施漏电流耦合干扰及抑制措施 AB干扰干扰RaUnUZi电路电路mVURZZUaiin149设绝缘电阻为设绝缘电阻为R=1010 ，Zi=108 ，Ua=15V 放大放大电路电路A干扰干扰R1R2B输入输入C地环路把地环路把信号线包信号线包起来起来AB干扰干扰R1aUZi电路电路R2C智能测控系统设计3.8 干扰的叠加方式及抑制措施干扰的叠加方式及抑制措施 共模干扰及抑制措施共模干扰

25、及抑制措施 差模干扰及抑制措施差模干扰及抑制措施 智能测控系统设计共模干扰及抑制措施共模干扰及抑制措施cU共模共模干扰干扰抑制方法：抑制方法：浮地：电路浮地：电路参考地不接机壳或大地，参考地不接机壳或大地，切断干扰电流的通路。切断干扰电流的通路。 cU参考地不参考地不接大地接大地当输入电路不对称当输入电路不对称时共模电压会转换时共模电压会转换成差模电压成差模电压智能测控系统设计 隔离隔离 cU平衡传输平衡传输（对称传输）（对称传输） ZiUnRs不平衡不平衡传输线传输线1/2ZiUn11/2Rs平衡传输平衡传输Un21/2Rs1/2ZiUn1和和Un2基基本相等本相等两根传输线对地阻两根传输线对地阻抗平衡设置抗平衡设置两根传输线对地两根传输线对地阻抗不平衡阻抗不平衡智能测控系统设计差模干扰及抑制措施差模干扰及抑制措施 sUiUnU抑制差模干扰方法：抑制差模干扰方法：信号传输线最多在一端接大地（也可以不接大地，浮置）信号传输线最多在一端