传感与检测技术_10常用的检测电路综述

1、第第1010章章 常用的检测电路常用的检测电路v本书的前些章节针对不同传感器的特点，介绍了相关的一些检测电路。v本章从测量系统角度出发，介绍测量系统中常用的信号放大电路，信号处理电路，信号转换电路和系统抗干扰技术 10.1 10.1 信号放大电路信号放大电路v基本测量放大器 测量放大器的结构如图10.1所示 图10.1 测量放大器结构v三运放测量放大器 由二级放大器串联组成，前级是二个对称同相放大器,后级是差动放大器; 如图10.2 所示图10.2 三运算放大器构成的测量放大器v根据运算放大器的基本分析方法，在图10.2中: (10.1) (10.2) (10.3) 所以输出电压: (10.4

2、)21,iBiAuuuu)(2020121221uuRRRuuii)(2121210201iiuuRRuu)(21 ()(212102010iitfuuRRRRuuRRuv设 ,则输出为: (10.5) 当 时，由于 , 中电流为零则 ,输出电压 .v实用测量放大器 在实际应用要求较高的场合常采用集成测量放大器, AD521集成测量放大器管脚说明和基本应用电路如图10.3所示。 21iiwuuudfuRRRRu1210)21(021iiiuuu0iBAuuu00201iuuu0u2Rv该测量放大器的放大倍数按下面公式计算： (10.6) 图10.3 AD521管脚及应用电路gSRRVVG10v

3、图10.4给出了传感器与检测电路几种不同的耦合方式下的接地方法: 图10.4 AD521输入信号耦合方式 放大电路的增益通过数字逻辑电路由程序来控制，这种电路称为可编程增益放大电路，简称PGA（Programmable Gain Amplifier）。 v程控增益放大器 程控增益放大器的原理如图10.5所示 图10.5程控测量放大器v单片集成程控放大器LH0084 LH0084程控增益放大器由测量放大器构成，是一种通用性很强的放大器.其原理如图10.6所示 图10.6 LH0084原理图为保证线路正常工作，必须满足:程控增益放大器总的增益Gv为： (10.7)LH0084程控增益控制关系如表1

4、0.1。)2()1(vVvGGG765432,RRRRRR表10.1 LH0084程控增益放大器v程控放大器量程自动切换 程控放大器的量程由程序控制进行自动切换,其过程如图10.7可知: 图10.7 量程自动切换程序框图v隔离放大器的结构及工作原理 隔离放大器组成:输入部分、输出部分、信号耦合器和隔离电源组成; 如图10.8所示。 图10.8 隔离放大器示意图 隔离放大器总电压增益： 式中 输入部分电压增益； 输出部分电压增益 v变压器耦合式 AD204变压器耦合隔离放大器的原理图,图10.9所示10001OUTINGGGINGOUTG图10.9 变压器耦合隔离放大器v光电耦合式 图10.10

5、所示为隔离放大器ISO100内部结构图，它由两个运放 和两个恒流源 以及光电耦合器组成。 REF21I ,REFI21, AA图10.10 隔离放大器ISO100内部结构vISO100的基本接法如图10.11所示 图10.11 ISO100的基本接法10.2 信号处理电路v一阶低通有源滤波器一阶有源低通滤波器由RC网络和运算放大器构成，如图10.12（a）所示 图10.12 一阶低通滤波器及其幅频特性由图10.12（a）可得 (10.9)又由虚短，则 (10.10)令 ，代入上式得 (10.11)式中： 为通带电压增益, 为上限截止频率。 RCjuCjRCjuUii1111RCjuRRuif1

6、)1 (10RCf210001ffjGuuGupiup11RRGfpu0fv二阶低通有源滤波器 二阶低通有源滤波器电路如图10.13(a)所示,图(b)为其幅频特性; 图10.13 二阶低通有源滤波器及其幅频特性v分析如下: (10.12) (10.13) (10.14)v联立以上三式得 (10.15)201)(311)1/(1)1/(1RCjRCjRCjuCjRCjRCjRCjuuiiRCjuCjRCjuU11110101fRRRuU11020)(31RCjRCjGuuGupiu令 ，代入上式可得 (10.16)令 时,则 解得: (10.17)RCf2100203)(1ffjffGGupu

7、pff 037.0ffp23)(1020ffjffppv高通有源滤波器 高通有源滤波器允许高频信号通过，抑制或衰减低频信号。 一阶RC高通滤器电路如图10.14(a)所示 图10.14 简单的高通滤波器及其幅频v分析上图,可知: 解得高通滤波器电路的传递函数为 (10.18) 一阶RC有源高通滤波器幅频特性如图10.14（b）所示。下限截止频率为 upuGCRjCRjjUjUjG1)()()(10RCfL21v二阶高通有源滤波器电路如图10.15（a）所示,图(b )为其幅频特性 . 它的传递函数为 (10.19) (10.20)图10.15 二阶高通幽有源滤波器电路2)1(1)3(1)(CR

8、jCRjGGjGupupu22)()3(1)()(CRjCRjGGCRjjGupupuv工作原理 采样保持电路:模拟开关K、模拟信号存储电容C和缓冲放大器A等三部分组成。 其原理电路如图10.16所示。图10.16 采样保持电路原理图v电路的采样过程如图10.17所示 图10.17 采样-保持电路波形图v模拟开关 模拟开关用于接通和断开输入信号，并由逻辑指令控制，当指令为“l”时，模拟开关K接通，输出跟踪输入变化；当指令为“0”时，输出保持接通最后时刻的采样值。 v采样保持电路 (1) 同相型采样保持电路图10.18同相型采样保持电路(2) 反相型采样保持电路 反相型采样保持电路如图10.19

9、所示 图10.19 反相型采样保持电路10.3 信号转换电路v模/数转换器 AD转换可分为直接法和间接法。 直接法是把电压直接转换为数字量，如逐次比较型的AD转换器。 间接法是把电压先转换成某一中间量，再把中间量转换成数字量。 (1) 逐次比较型模/数转换器 逐次比较型AD转换就是将输入模拟信号与不同的参考电压做多次比较，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量的对应值.v逐次比较型AD转换器简化框图如图10.20所示 它由DA转换、数码设定、电压比较和控制电路组成 图10.20 逐次比较型A/D转换框图（2）双积分型模/数转换电路 双积分型AD转换电路如图10.21所示, 当t=T2时，

10、U0(t)=0,如图（b）所示.图10.21 双积分型A/D转换器原理图v转换过程分两步，首先接通S1，对输入电压(-Ui)积分，积分电路输出电压为: (10.21) 然后在T1时，开关切换到S2位置，对基准参考电压Ur反向积分，积分电路输出电压为： （10.22） 当t=T2时，U0(t)=0，如图10.21（b），此时得： (10.23) 1001)()(TRCUdtUtUiTiRCTtUTRCUdtURCTRCUtUriTri)(1)(111101riUTTTU112 设时钟脉冲频率为, 当t=T1时,则时间T1为： 此时开始对标准参考电压Ur反向积分，时间间隔T= T1T2，计数值为N

11、，则 ，所以： cnf112TcfNTT21rniUNU12v数/模转换器 数/模（D/A）转换器是通过电阻网络，把数字 按其数码权值转换成模拟量的输出. D/A转换器有两种类型:权电阻网络和T形电阻网络 (1) 权电阻数/模转换器 图10.22是4位二进制权电阻DA转换器原理图 v由上图可得： （10.24） （10.25） 在上述电路中，权电阻分别为R、2R、4R、 。若数字量多于四位，可通过增加模拟开关和权电阻来增加其位数。 iiREFREFREFREFREFREFlDRVDDDDRVRVDRVDRVDRVDiiiii22)2222(222223001122333302112033210

12、301022iiinFREFDRRVVRn 12(2) T形电阻数/模转换器 T形电阻D/A转换器原理如图10.23所示,该电路电阻形状成T形，故称T形网络. 图10.23 T型电阻D/A转换器 由图10.23可知,根据叠加原理，运算放大器总输入的等效电压是各支路等效电压之和，即: (10.26) 若取RF3R，运算放大器的输入端电流为: (10.27) 运算放大器的输出电压V0为: (10.28)2/ )2*2*2*2*(00112233DDDDVVREFe)2*2*2*22*(2300112334DDDDRVIREFr)2*2*2*2*(20011223340DDDDVRIVREFFrv电

13、压/频率转换器 (1) 转换原理 V/F转换器原理如图10.24所示 图10.24 V/ F转换电路示意图 1)当输入电压Ux Uc时，放大器A输出为“1”状 态，此时将单稳触发器置“1”，触发器驱动开关S接通恒流源，使I0对电容CL充电; 2)Uc上升，在Uc=Ux +U时，电压比较器A输出为“0”状态，单稳触发器置“0”，使开关S 断开，I0停止对电容CL充电; 3)电容CL通过电阻RL放电，Uc下降。当UcUx时，放大器A及触发器又回复“1”状态，如此反复的进行，其输出波形如图10.24(b)所示. (2) 用V/F转换实现A/D转换 在V / F转换基础上，配合一个频率计数器，可把转换

14、后输出的频率信号转换成数字量，实现A / D转换。 图10.25所示为用V / F转换实现AD转换的结构框 图。 图10.25 用V/F实现A/D转换的结构框图v频率电压转换器 频率电压(F/V)转换器是一种将频率或周期信号，经整形、滤波后，转换成直流电压输出的数字/模拟转换器频率/电压转换器的基本电路 主要由输入隔离电路、单稳电路、稳幅电路和积分电路组成。(1) 图10.26是F/V转换器常用的电路之一;图10.26 F/V转换电路 输入隔离电路: 通过脉冲变压器MB将信号源与F/V内部电路隔离，使频率/电压转换过程在不同“地”中进行，从而提高抗干扰能力; 单稳电路: 为了保证脉冲的宽度而设

15、置的; 稳幅电路: 使T5输出矩形脉冲幅值稳定不变，以提高测量精度。图中稳压二极管DW4、DW5是为T7发射极提供稳定偏置电压。 积分电路: 由高线性、高分辨率积分器构成。 (2) 集成频率/电压转换器 集成F / V转换器将由离散元件构成的F / V转换器电路集成在一个芯片上。 图10.27为由比较器LM331构成的F/ V转换的实用电路。图10.27集成F / V转换器 v在远距离测控系统，为减少传输导线阻抗对信号衰减，常用电压/电流（V / I）转换电路将电压转换成电流信号传输。 图10.28是利用集成运算放大器构成的电压/电流转换电路 图10.28 电压/电流转换电路 由于电路引入负反

16、馈，U+=U-=0，负载电阻RL的电流为： 图10.29所示为另一种个V/I转换电路,由运算放大器A1和A2组成 LiRuiiIlL图10.29 输出接地的V /I转换电路v图中 利用叠加原理可求出在 作用下,运算放大器A1的同相输入端电压 为： (10.29)所以运算方法器A1的输出电压为： (10.30)由于A2电压跟随器，所以有： RRRRR432102,UUi1PUi34402343121120111URRRURRRRRURRuPi344023431URRRURRRup202PUU 由“虚断”原则得： (10.31) 将式10.29和式10.30代入上式得: (10.32) 由上式可以

17、看出它具有恒流特性。 图10.30是将ZF2B20高精度电压电流转换器芯片接成输入电压范围是010 v，输出电流范围420 mA 的V/I转换电路。 020120RUURUiPLP00RUii图10.30 010V/420mAV/I转换电路10.4 抗干扰技术常用抗干扰技术:隔离技术、滤波技术、软件 技术等 从干扰的来源看,干扰信号可分为两大类: 测量系统外部因素产生的干扰，称为“外部干扰”; 测量系统内部各部件之间的互相干扰，称为“内部干扰” v外部干扰 外部干扰是由使用条件和外界环境因素引起的干扰，它主要来源于自然干扰及测量系统周围电气设备的干扰。 自然干扰主要来源:闪电、雷击、宇宙辐射、

18、太阳黑子活动等，它主要对通讯设备、导航设备有较大影响。 电气设备产生的干扰:电磁场、电火花、电弧焊接、高频加热、可控硅整流等强电系统所造成的干扰。 v内部干扰 内部干扰是指测量装置内部元件引起的各种干扰; 主要包括: 电阻中的电子热运动引起的热噪声；半导体内载流子的随机运动引起的散粒噪声；两种导电材料之间不完全接触产生的接触噪声；因布线不合理、寄生电容、泄漏电阻等耦合形成寄生反馈电流干扰；多点接地造成的电位差引起的干扰等。 v干扰信号耦合方式 干扰信号进入测量系统有多种耦合方式，归纳起来有以下形式： (1) 电容性耦合 测量电路的电容性耦合方式如图10.31所示: 图10.31 测量电路的电容

19、性耦合v图中：A为干扰导体，它具有的电压为: , 为分布电容, 为测量电路的输入阻抗。 上的干扰电压 为 当 时,上式可简化为：(2) 互感性耦合 互感性耦合实质是电磁耦合，它是由于两个电路之间存在互感，使得当一个电路的电流变化时，通过磁电耦方式影响到另一个电路 NEmCiZiZNUNimimNEZjwCZjwCU11|imZjwCNimNEZjwCUv互感性耦合干扰多发生在强信号平行导线间和检测系统内部线圈或变压器漏磁等场合; 其等效电路如图10.32所示。 图10.32 互感耦合等效电路 为干扰电流,M为两电路间互感， 造成的干扰电压 为：(3) 共阻耦合 下面介绍两种阻抗耦合干扰 1)

20、通过电源电阻形成的共阻抗耦合干扰 当几个电子线路共用一个电源时，其中一个电路的电流流过电源内阻抗时，就会造成对其他电路的干扰。 图10.33中表示两个放大器电路由同一直流电源E供电所引起的干扰情况。 NININUNNjwMIU图10.33 电源内阻产生的共阻抗干扰图10.34 单元电路接地 由于电源具有内阻抗 ,当通道1放大器在输入信号 作用时,其输出电流 流经电源内阻 ,在 上产生电压 ， 经电路传输到通道2放大器，就形成干扰电压，相当于电源波动干扰。 2) 通过公共接地线的共阻抗耦合干扰 地线不是一点接地（等电位)在地线电阻上产生干扰电压。如图10.34所示。 分析如下：设 单元电路工作电流最大,通过公共地线BA段接地,并在BA段阻抗上形