第8章信号检测与处理电路

1、模 拟 电 子 技 术信号检测与处理电路信号检测与处理电路第第 8 8 章章8.2 有源滤波电路有源滤波电路8.3 电电 压比较器压比较器 8.1 信号检测系统中的放大电路信号检测系统中的放大电路 模 拟 电 子 技 术8. 1信号检测系统中的放大电路8.1.1 精密仪用放大器精密仪用放大器 8.1.2 电荷放大器电荷放大器 8.1.3 采样保持电路采样保持电路 8.1.4 精密整流电路精密整流电路模 拟 电 子 技 术8.1.1 精密仪用放大器精密仪用放大器 1精密仪用放大器的特点精密仪用放大器的特点 2精密仪用差分放大器电路精密仪用差分放大器电路模 拟 电 子 技 术1精密仪用放大器的特点

2、精密仪用放大器的特点 在实际信号检测系统中，通常前端都用传感器获取在实际信号检测系统中，通常前端都用传感器获取信号，即把被测物理量通过传感器转换为电信号，然信号，即把被测物理量通过传感器转换为电信号，然后进行放大。后进行放大。 但是，根据传感器的基本原理，作为信号源的传感但是，根据传感器的基本原理，作为信号源的传感器，多数的等效电阻均不是常量，它们随所测物理量器，多数的等效电阻均不是常量，它们随所测物理量和环境的变化而变。和环境的变化而变。 这样，对于放大电路而言，相当于信号源内阻是这样，对于放大电路而言，相当于信号源内阻是变量，根据前述源电压放大倍数的表达式变量，根据前述源电压放大倍数的表达

3、式 usiiusARRRA模 拟 电 子 技 术 可以看出：放大器的放大能力 将随或被测物理量和环境的变化而变化。为保证放大器对不同测试物理量具有稳定的放大倍数，或者说为了降低 对放大倍数的影响，就必须使得放大器的输入电阻 ， 越大，因信号源内阻变化而引起的放大误差就愈小。 此外，从传感器所获得的信号常为差模小信号，并含有较大共模部分，其数值有时远大于差模信号。因此，要求放大器应具有较强的抑制共模信号的能力。 综上所述，精密仪用放大器除具备足够大的放大倍数外，还应具有高输人电阻和高共模抑制比。 sRsRsiRR iR模 拟 电 子 技 术2精密仪用差分放大器电路精密仪用差分放大器电路 （1）电

4、路组成和工作原理）电路组成和工作原理 （2）应用举例）应用举例 （3）集成仪用放大器）集成仪用放大器 模 拟 电 子 技 术（1）电路组成和工作原理）电路组成和工作原理 u 精密仪用放大器的电路多种多样，最常用精密仪用放大器的电路多种多样，最常用的为由三个集成运放组成的差分测量放大电路，的为由三个集成运放组成的差分测量放大电路，其它种类电路大多由该类电路演变而来。其它种类电路大多由该类电路演变而来。u 差分测量放大器电路如图差分测量放大器电路如图8-18-1所示，由两个所示，由两个高阻型集成运放高阻型集成运放A1、A2和低失调集成运放和低失调集成运放A3组成。由于组成。由于A1、A2各自组成同

5、相输入的电压串各自组成同相输入的电压串联负反馈电路，故具有较高输入阻抗。联负反馈电路，故具有较高输入阻抗。 A3组组成成后级差分放大电路。后级差分放大电路。模 拟 电 子 技 术 图图8-1所示电路中，由于所示电路中，由于A1、A2组成了对组成了对称的差分式放大电路，因此，可把的中点看称的差分式放大电路，因此，可把的中点看成零电位，相当于虚地。这样成零电位，相当于虚地。这样A1、A2各自构各自构成了同相比例放大电路。故其输出为：成了同相比例放大电路。故其输出为：图图8-1 差分测量电路差分测量电路模 拟 电 子 技 术1211)2/1 (iouRRu2212)2/1 (iouRRu第二级A3组

6、成为差分放大电路，因而有：)(21 ()(212121iiFooFouuRRRRuuRRu（8-1） 可见，图8-1所示电路放大了差模信号，抑制了共模信号。当输入信号中含有共模噪声时，也将被抑制; 差模放大倍数越大，共模抑制比越高时,效果就越好。同时，调节可改变电路和放大倍数。为了减小误差，要求采用精密电阻。由于测量放大电路具有较高精度和良好性能，在微弱信号检测中得到广泛应用。 2Riciiuuu21当 时,由于 icBAuuu, 2R中电流为零,icoouuu21, 输出电压 0ou。模 拟 电 子 技 术（2）应用举例）应用举例 图8-2所示为一实际测量温度的电路，由电阻温度变换器 和 组

7、成测量桥路。当电桥平衡时， ，相当于共模信号，故输出 。这表明测量放大器有较高的共模抑比和较小的温漂。 若测量桥臂 感受到温度变化后，产生与 相应的微小信号变化 ，相当于差模信号，能进行有效地放大。相反如果取 一端对地信号，用一般单管组成的直流放大电路进行放大，则其输出难以反映微小变化量的放大信号，因放大后的 将 淹没了。tRR21ssuu0outRtR1su11ssuu1su1su模 拟 电 子 技 术图图8-2 温度测量电路温度测量电路模 拟 电 子 技 术 图8-1所述测量放大电路中，A1、A2运放特性难以匹配，电阻值也不可能特别精确，因此放大还有一定的误差。目前采用混合集成工艺，可将高

8、性能集成运放和精密电阻都集成在一个单片电路中，使电阻的阻值和运放特性匹配达到极高精度和相对温度的稳定性。 常用集成精密测量放大器型号有：LH0036、LH0037、LH0038C、LF352、AD521、AD522；超高精度有：INAl01、IN104；低功耗型：INl02；精密型：LMl63、LM363。数字可控增益：LH0086。低漂移型：3626、3629等。 图8-3所示是型号为INA102的集成仪用放大器，图中各电容均为相位补偿电容。第一级电路由A1和A2组成，与图8-1所示电路中的A1和A2对应，第二级电路的电压放大倍数为1。（3）集成仪用放大器）集成仪用放大器 模 拟 电 子 技

9、 术 图图8-3 INA102集成仪用放大器集成仪用放大器 模 拟 电 子 技 术 INA102是高精度单片仪表放大器，设计用于低静态功率条件下的信号放大。 INA102使用方便，只需简单地选择连接适当的引脚，就可得到增益1（管脚6和7相连）、10（管脚2、6和7相连）、100（管脚3、6和7相连）或1000（管脚4和7，5和6相连）。 当要求共模抑制比高于芯片自身共模抑制比时，芯片引脚外部提供调节以满足要求，在输出部分完成平衡滤波。1NA102可用于各种信号源的放大，如应变计量器(重量计的应用)、热电偶、桥路传感器，还可用于远程传感器放大、低电平信号放大、多通道系统、电池供电设备等。 INA

10、102的输入电阻可达 ，共模抑制比为100 ，输出电阻为 ，小信号带宽为 ；当电源电压为 时，最大共模输入电压为 。M410dB1 . 0kHz300V15V5 .12模 拟 电 子 技 术8.1.2 电荷放大器电荷放大器 常见的压电式加速度传感器、压力传感器、CCD等传感器属于电容性传感器，这类传感器的阻抗非常高，呈容性，输出电压很微弱；它们工作时，将产生正比于被测物理量的电荷量，且具有较好的线性度。 积分运算电路可以将电荷量转换成电压量，电路如图8-4所示。电容性传感器可等效为因存储电荷而产生的电动势 与个输出电容 串联。 、 和电容上的电量 之间的关系为： tututCtCq模 拟 电

11、子 技 术ttCqu （8-3） 在理想运放情况下，根据“虚短”和“虚断”的基本概念，0uu，为虚地。将传感器对地的杂散电容C短路，消除因C而产生的误差。输出电压为：tftttfouCCuCjCju11（8-2） 模 拟 电 子 技 术 将（8-2）式代入上式可得：foCqu为防止因fC长时间充电导致集成运放饱和，常在 fCfRfRffRC1fffCR2/1上并联电阻。如图8-5所示。并联电阻后，为了使，传感器输出信号频率不能过低，应大于。 +-+ Cf Rf传感器uO图图8-5 改进后的电荷放大器改进后的电荷放大器 模 拟 电 子 技 术 在实用电路中，为了减少传感器输出电缆的在实用电路中，

12、为了减少传感器输出电缆的电容对放大电路的影响，一般常将电荷放大器装电容对放大电路的影响，一般常将电荷放大器装在传感器内；而为了防止传感器在过载时有较大在传感器内；而为了防止传感器在过载时有较大的输出，则在集成运放输入端加保护二极管。的输出，则在集成运放输入端加保护二极管。 模 拟 电 子 技 术 在数据采集系统中，通常要将连续变化的模拟信号转换成离散的数字信号，这个过程称为A/D转换。 在A/D转换前，需要及时地跟踪采样模拟信号，在A/D转换过程中，需要保持采样值不变，直至A/D转换结束，然后开始下一个采样阶段。 实现这种功能的电路叫做采样保持电路(Sample and Hold，简称S/H)

13、。8.1.3 采样保持电路采样保持电路模 拟 电 子 技 术1电路工作原理电路工作原理 基本采样保持电路如图基本采样保持电路如图8-6（a）图所示，它由模拟）图所示，它由模拟电子开关电子开关S、保持电容、保持电容 、输出缓冲器、输出缓冲器A及开关控制逻及开关控制逻辑电路等组成。辑电路等组成。 S接通时为采样节拍，接通时为采样节拍，S断开时为保持节拍。对理断开时为保持节拍。对理想想S/H电路，当模拟开关电路，当模拟开关S闭合（电路进入采样期）时，闭合（电路进入采样期）时，输出输出 应等于输入信号应等于输入信号 ，当模拟开关，当模拟开关S断开（电路进断开（电路进入保持期）时，输出入保持期）时，输出

14、 应保持开关断开时刻的应保持开关断开时刻的 而始而始终不变。终不变。ouhCouiuiu模 拟 电 子 技 术（a）基本）基本S/H电路电路 （b）相应曲线）相应曲线图图8-6 基本基本S/H电路及相应曲线电路及相应曲线模 拟 电 子 技 术 实际采样保持电路中，上述要求是很难实现的。 如图8-6（b）图所示，设在 时刻，开关闭合，电路进入采样期，输出 随着 被输入信号 充电而逐渐上升，直到 时刻才等于 ，并在以后的时间里继续跟踪输入信号的变化。 称为捕捉时间，显然捕捉时间和信号源的输出电阻、模拟开关的导通电阻、保持电容的容量有关。 0touhCiuiu1tiu01tttAC模 拟 电 子 技

15、 术 为了使信号源与S/H电路之间有良好的隔离，减小信号源内阻对捕捉时间的影响，通常信号先经一电压跟随器，然后在接入S/H电路，如图8-7所示。 图中，A1为输入缓冲器，A2为输出缓冲器，结型场效应管VT为电子开关， 是它的控制电压。当时，VD1截止，VT导通，电路工作在采样期；当 时，VDl导通而VT截止，电路工作在保持期。 在这个电路中， A1 、 A2各构成跟随器形式，整个电路是开环的，具有较高的工作速度。但是，由于场效应管栅漏沟道电容将夺取保持电容上的部分电荷，从而造成一定的电压误差。为了提高整个电路的精度，不得不适当地加大的容量，而这又会降低工作速度。 2实用的采样保持电路实用的采样

16、保持电路cU)(minoffGSicUUU模 拟 电 子 技 术图图8-7 开环型开环型S/H电路电路在要求精度较高的情况下，可采用如图8-8所示的反馈型S/H电路。图中VD1和VT的作用与图8-7所示电路相同。图图8-8 反馈型反馈型S/H电路电路模 拟 电 子 技 术ou2RouiufAouiuou1ou1ou在采样期，VT导通，输出电压通过反馈到输人缓冲放大器A1的反相端，若不等于，则差值将放大，直至等于。因此，可以消除模拟开关不理想及运放失调等因素带来的精度误差。在此阶段，由于VD2、VD3两端电压近似相等，所以均不导通。在保持期，维持不变，但因VT断开将使A1处于开环状态，如果没有V

17、D2或VD3，A1的输出将趋于饱和值。VD2、VD3的作用就是防止Al进入饱和状态。因为当增大到一定值时，VD2或VD3强制导通，使A1变成跟随器，避免了饱和。模 拟 电 子 技 术 由于硅二极管的起始导通电压约为0.7V，因此，在用二极管组成的普通整流电路中，当被整流的信号电压在1V以下时，将会产生很大的整流误差，面对小于二极管起始导通电压的交流信号，就无法整流。用二极管和运算放大器组成的精密整流电路，可以克服上述缺点。如图8-9（a）所示电路.8.1.4 精密整流电路精密整流电路（a）精密整流电路）精密整流电路 （b）波形图）波形图图图8-9 精密整流电路及波形图精密整流电路及波形图模 拟

18、 电 子 技 术iuiuoufRouiuouifouRRu1fRR 1iouu 在图8-9（a）所示的电路中，设被整流电路为正弦信号，当为正值时，运放输出端电压为负值，这时VD2导通而VD1截止。在电阻上无电流流过，故输出为零。当为负值时，运放输出端电压为正值，这时VD1导通而VD2截止，图8-9（a）组成了反向比例运算电。当时，。其输入与输出波形如图8-9（b）所示。这是一个精密半波整流电路，有时也称为理想二极管电路。 路，则输出电压（a）精密全波整流电路）精密全波整流电路 （b）波形图）波形图图图8-10 精密全波整流电路及波形图精密全波整流电路及波形图模 拟 电 子 技 术iuiouu2

19、0)2()2()2(221iiiioioouuuuuRuRuRuiu02ou0iouuiu 将理想二极管电路和加法器结合，就构成如图8-10（a）所示的精密全波整流电路。图中运放Al和VD1、VD2构成理想二极管电路，运放A2组成一反相加法器。显然，当为正时，VD1导通而VD2截止，理想二极管电路的输出，而加法器的输出。当为负时，VD2导通而VD1截止，理想二极管电路的输出，加法器的输出。因此，无论为正或负，电路的输出总是为正，所以称该电路为绝对值电路。从图8-10（b）所示的输入输出信号波形图上，也可看出这是全波整流形式。模 拟 电 子 技 术8. 2有源滤波有源滤波电路电路8.2.2 有源

20、高通滤波有源高通滤波电路电路8.2.3 有源带通滤波有源带通滤波电路电路8.2.1 有源低通滤波有源低通滤波电路电路模 拟 电 子 技 术滤波电路滤波电路 有用频率信号通过，无用频率信号被抑制的电路。有用频率信号通过，无用频率信号被抑制的电路。分类：分类：按处理按处理方法分方法分硬件滤波硬件滤波软件滤波软件滤波按所处理按所处理信号分信号分模拟滤波器模拟滤波器数字滤波器数字滤波器按构成按构成器件分器件分无源滤波器无源滤波器有源滤波器有源滤波器引言引言模 拟 电 子 技 术按频率按频率特性分特性分低通滤波器低通滤波器高通滤波器高通滤波器带通滤波器带通滤波器带阻滤波器带阻滤波器理想滤波器的频率特性理

21、想滤波器的频率特性fuAlg20fuAlg20fuAlg20fuAlg20通通通通通通 阻阻 通通阻阻 通通 阻阻阻阻阻阻低通低通高通高通带通带通带阻带阻按传递按传递函数分函数分一阶滤波器一阶滤波器二阶滤波器二阶滤波器N 阶滤波器阶滤波器: :模 拟 电 子 技 术滤波电路的主要参数滤波电路的主要参数1.通带电压放大倍数通带电压放大倍数upAppf2.通带截止频率通带截止频率3.特征频率特征频率00f4.通带（阻带）宽度通带（阻带）宽度12bwppfff5.等效品质因数等效品质因数Q模 拟 电 子 技 术8.2.1 有源低通滤波有源低通滤波电路电路( (LPFLow Pass Filter)

22、) 通带放大倍数通带放大倍数)1(j1j11fioRRCRCUUAu 一、一阶一、一阶 LPFRf8CR1RoUiUHfj1ffAu 其中，其中， Auf = 1 + Rf /R1fH = 1/2 RC 上限截止频率上限截止频率Hf j11f/fAAuu 2Hf)/(11lg20lg20ffAAuu )/( arctanHff fH归一化归一化幅频特性幅频特性fdB/lg20fuuAA0 3 20 dB /十倍频十倍频模 拟 电 子 技 术二、二、 二阶二阶 LPF1. 简单二阶简单二阶 LPF8CR1RCRRfoUiUPU通带增益：通带增益：Auf = 1 + Rf/R1问题：问题：在在 f

23、 = fH 附近，输出幅度衰减大。附近，输出幅度衰减大。40 dB/ 十倍频十倍频 40f / fH0 10 2010 301dB/lg20fuuAA改进思路：改进思路：在提升在提升 fH 附近的输出幅度。附近的输出幅度。模 拟 电 子 技 术2. 实用二阶实用二阶 LPF8CR1RfRCRoUiURCf 212nn Q = 1 / (3 Auf)Q 等效品质因数等效品质因数 40f / fn0 3 10 2010 30Q = 0.707Q = 1Q = 2Q = 51dB/lg20fuuAAn2nfioj)(1 QAUUAuu 正反馈提升了正反馈提升了 f n 附近的附近的 Au。Good!

24、Auf = 3 时时Q 电路产生电路产生自激自激振荡振荡 uA40 dB/十倍频十倍频特征频率：特征频率：当当 Q = 0.707 时，时，fn = fH模 拟 电 子 技 术例例8.2.1 已知已知 R = 160 k ，C = 0.01 F， R1 = 170 k ，Rf = 100 k ，求该滤波器的，求该滤波器的 截止频率、通带增益及截止频率、通带增益及 Q 值。值。8CR1RfRCRoUiU 解解:RCf 21n z( 5 .99 1001. 0106012163nf特征频率特征频率模 拟 电 子 技 术588. 1170100111ff RRAuQ = 1/(3 Auf) = 1/

25、(3 1.588) = 0.708Q = 0.707 时，时， fn = fH上限截止频率：上限截止频率：fH = 99.5 Hz模 拟 电 子 技 术8.2.2 有源高通滤波有源高通滤波电路电路( (HPFHigh Pass Filter) )8CR1RfRCRoUiU通带增益：通带增益： Auf = 1 + Rf / R1RCf 21nQ = 1/(3 Auf)f / fn0 3 10 2010 30 40Q = 0.707Q = 1Q = 2Q = 51dB/lg20fuuAAAuf = 3 时时，Q ， uA电路产生电路产生自激自激振荡振荡二阶低通、高通，为防止自激，应使二阶低通、高通

26、，为防止自激，应使 Auf fLiU8CR1RfRC1R3R2oULPFBPF要求要求 R3 C1 RC中心频率：中心频率：RCf 210等效品质因素：等效品质因素： Q = 1/(3 Auf)通频带：通频带：BW = f0 /Q最大电压增益：最大电压增益： Au0 = Auf /(3 Auf)= 2R= C= R模 拟 电 子 技 术8CR1RfRC1R3R2iUoU例例8.2.3 已知已知 R = 7.96 k ，C = 0.01 F， R3 = 15.92 k ，R1= 24.3 k ，Rf = 46.2 k 求该电路的中心频率、带宽求该电路的中心频率、带宽 BW及通带及通带最大增益最大

27、增益 Au0。模 拟 电 子 技 术 解解 RCf 210 zk( 21001. 0107.9621639 . 23 .242 .46111ff RRAuQ = 1/(3 Auf)= 1/(3 2.9) = 10BW = f0 /Q= 2 000 /10 = 200 (Hz)Au0 = Auf /(3 Auf) = 2.9 /(3 2.9 ) = 29模 拟 电 子 技 术8.3电压比较器电压比较器8.3.1单限单限 电压比较器电压比较器8.3.3迟滞比较器迟滞比较器8.3.2窗口比较器窗口比较器模 拟 电 子 技 术电压比较电压比较器器( (Comparer) )功能：功能：类型类型基本比较

28、器基本比较器简单比较器简单比较器( (单门限单门限) )窗口比较器窗口比较器( (双门限双门限) )迟滞比较器迟滞比较器( (施密特触发器施密特触发器) )比较电压信号比较电压信号( (被测试信号与标准信号被测试信号与标准信号) )大小大小8.3.1单限电压比较器单限电压比较器 1. 过零电压比较器过零电压比较器（1）电路组成）电路组成8uIuO模 拟 电 子 技 术OuIuOuI 0UOmax UOmaxUOHUOL（2）工作原理）工作原理（3）转换条件）转换条件uu（4）阈值（门限电压）阈值（门限电压）THU（5）电压传输特性）电压传输特性（6）输入端的保护电路）输入端的保护电路 和输出端

29、的限幅电路和输出端的限幅电路模 拟 电 子 技 术模 拟 电 子 技 术2. 同相输入单门限比较器同相输入单门限比较器8uIUREF UZ（1）计算阈值）计算阈值（2）画出电压传输特性）画出电压传输特性OuIuOUZUREFuI UREF门限门限电压电压 UT模 拟 电 子 技 术特点特点:1) )工作在非线性区工作在非线性区2) )不存在虚短不存在虚短 ( (除了除了uI = UREF 时时) ) 3) )存在虚断存在虚断门限电压门限电压 UT = UREF模 拟 电 子 技 术电路组成电路组成计算阈值计算阈值画电压传输特性画电压传输特性举例举例:模 拟 电 子 技 术应用举例应用举例模 拟

30、 电 子 技 术8.3.2窗口比较器窗口比较器uO88U1U2uIV1V2uO1uO2模 拟 电 子 技 术设设 U1 U2 ，比较器采用单电源，比较器采用单电源uIuO1 uO2 V1 V2uO U1U2 uI U1UOmax截止截止 导通导通UZ0UOmax0导通导通 截止截止UZ00截止截止 截止截止0UZOuIuOU1U2模 拟 电 子 技 术 三极管三极管 值分选电路值分选电路885 V2.5 VV1V2V+15 V10 k 20 k 20 k 430 k 1 M 5 k 1.5 k 3CG50 100，LED 不亮。不亮。分析电路是否满足要求：分析电路是否满足要求： 100，LED