传感与检测技术 教学课件 ppt 作者 刘传玺 第4章 信号的转换与调理

第四章信号的转换与调理山东科技大学第四章信号的转换与调理第一节信号的放大与隔离第二节调制与解调第三节信号调理电路第四节信号转换电路第五节线性化处理1/11/2023山东科技大学第一节信号的放大与隔离一、测量放大器在典型的工业环境中，传感器到放大器的距离有时在3m以上，为了测量由远距离处的传感输送的低电平信号，采用的放大器就应有足够的共模抑制比、电压增益、输入阻抗和稳定性。共模信号和差模信号是指差动放大器双端输入时的输入信号。共模信号：双端输入时，两个信号同相。差模信号：双端输入时，两个信号的相位相差180度。任何两个信号都可以分解为共模信号和差模信号。1/11/2023山东科技大学（一）三运放测量放大电路

如图4-1所示为并联差动输入测量仪用放大器电路。由于该电路结构简单、性能较完善，广泛地应用在仪器仪表和测控系统中。UO2A1V

oR6R1A3R3Ui2RGR2Ui1R5R4A2UO1图4-1并联差动输入仪用放大器1/11/2023山东科技大学电路中，输入级由两个同相放大器并联构成。设同相放大器的输入阻抗为rin+，则差动输入阻抗rind

＝2

rin+，共模输入阻抗rinc

＝rin+／2。由于运放输入阻抗高，设运放两输入端的电压相等，所以即代入（4-1）式，可得放大器前级的差模增益AVD1和共模增益AVC1：1/11/2023山东科技大学由（4-4）式可以看出，前级电路不需要匹配电阻，理论上放大器的共模抑制比为无穷大。但这是双端输出的情况，对后级电路而言，共模信号是按系数为1的比例由第一级传输到第二级：Ui1＝Ui2

＝UiC

，则UO1＝UO2＝UiC

。所以，三运放总的的差模增益AVD为（R3＝R5，R4＝R6）：三运放电路的共模增益表达式与基本差动放大器相同。1/11/2023山东科技大学（二）集成测量放大器1、典型的程控仪用放大器集成电路芯片AD512,AD522，AD612，AD614,AD620，AD623：美国AD公司生产INA114/118：BB公司生产的高精度仪用放大器。MAX4195/4196/4197：MAX公司生产2、仪用放大器的工作原理仪用放大器是在运算放大器的基础上演变而来的模拟集成专用器件，其内部有如图4-1所示的三运放结构。1/11/2023山东科技大学现以INA114集成仪用放大器为例说明仪用放大器的工作原理。INA114是一种通用仪用放大器,尺寸小,精度高,价格便宜.如图4-2所示，为INA114的内部结构图：1/11/2023山东科技大学可以看到：R1=R2=R3=R4=25K，所以，INA114的输出为：

即：Rf

=R1时，Vo=VS2-VS1。应当注意的是，由于电路存在共模电压，应当选用共模抑制比较高的集成运放，才能保证一定的运算精度。

1/11/2023山东科技大学3、仪用放大器的特性参数

仪用放大器的一部分特性参娄数是与运放相同的，但是它所特殊性有的特性参数，主要有：（1）增益方程式：仪用放大器所要求的增益与放大器增益控制电阻的关系式（2）增益范围：使放大器正常工作的增益范围。低增益时放大器稳定度好，高增益时性能（噪声和漂移）变差（3）非线性度：实际的输出和输入的关系曲线与一条理想直线的偏差，用满度输出的百分数表示（4）失调电压：使输出电压为零而需要在输入端外加的电压。（5）输入偏流：保证直流放大器的输入晶体管正常工作所需要的偏置电流1/11/2023山东科技大学（6）共模抑制比：当两个输入端具有等量电压变化时所测出的输出电压的变化由于大多数仪用放大器的前端结构对共模式信号不放大，因而CMRR随增益增大而增大。在高增益时放大器带宽下降，差动输入级的相位差将导致共模误差二、

隔离放大器所谓隔离放大器，是指前级放大器与后级放大器之间没有电的联系，而是利用光或磁来耦合信号，目前一般采用变压器或光耦合传递信号。1/11/2023山东科技大学（一）光耦合器件

目前用的较多的是利用光来耦合信号。用光来耦合信号的器件叫光电耦合器，其内部有作为光源的半导体发光二极管和作为光接收的光敏二极管或三极管。图4-3给出了常见的几种光电耦合器的内部电路。iFiOiFiO()iFOiceiFiOec1/11/2023山东科技大学图4-4所示为采用光电耦合器的光电隔离放大器。前级电路把输入电压信号转换成与之成正比的电流信号，经光电耦合器耦合到后级，光电耦合器中的硅光敏三极管输出电流信号，运放A2把电流信号转换成电压信号。VCCVCCA1ViR2R1A2R3TOEVOE1/11/2023山东科技大学图4-5中的电路采用两个光电耦合器，这样可得到较高的线性。1/11/2023山东科技大学（二）变压器耦合器件

图4-7为284型隔离器1/11/2023山东科技大学284型隔离放大器为提高微电流和低频信号的测量精度,减小漂移,其电路采用调制式放大,其内部分为输入、输出和电源三个彼此相互隔离的部分,并由低泄漏高频载波变压器耦合在一起。通过变压器的耦合,将电源电压送入输入电路并将信号从输出电路送出。输入部分包括双极型前置放大器、调制器；输出部分包括解调器和滤波器,一般在滤波器后还有缓冲放大器。1/11/2023山东科技大学

隔离放大器由输入放大器、输出放大器、隔离器以及隔离电源等几部分组成，如图4-8（a）所示。图4-8（b）为隔离放大器的电路符号。1/11/2023山东科技大学

隔离放大器结构主要采用电磁（变压器、电容）耦合和光电耦合。如采用变压器耦合的隔离放大器AD210。AD210是三端口、宽带宽隔离放大器,具有完整的隔离功能，通过模块内部的变压器耦合提供信号隔离和电源隔离。此外，AD210可提供故障保护，防止测量系统的其它部分受到损害。

图4-9给出了精密宽带三端隔离放大器AD210的原理框图。1/11/2023山东科技大学图4-9AD210功能框图1/11/2023山东科技大学三、程控增益放大器在实际电路中，往往需要分段改变放大器增益。把RW换成阻值不同的若干个电阻并用开关切换，就成了实际电路中常用的可变增益放大器。图4-10给出了同相可变增益放大器的实用形式（请注意模拟开关的公共端接地或输出端，目的是减少模拟开关漏电的影响）。1/11/2023山东科技大学现代测控系统都是采用微处理器或微控制器作为系统的控制核心，因而可变增益放大器总是采用数控放大器的形式。用模拟开关代替图4-10中可变电阻或波段开关可得到数控增益放大器。如图4-11、4-12所示。1/11/2023山东科技大学集成化的可变增益放大器有很多品种。单端输入的可变增益放大器有PGA100、PGA103；差动输入的可变增益放大器有PGA204、PGA205等等。程控放大器是智能仪器的常用部件之一，在智能仪器中，可变增益放大器的增益由仪器内置计算机的程序控制。这种由程序控制增益的放大器，称为程控放大器。图4-13程控放大器原理框图1/11/2023山东科技大学图4-14增益调控放大器程控增益IA(InstrumentAmplifier)的增益由使用者对每个通道输入信号大小预先作出估计，编成软件存入计算机。通道切换时，由计算机将相应的增益代码送入程控增益IA，即可得到预期结果.1/11/2023山东科技大学第二节调制与解调对应于信号的三要素：幅值、频率和相位，根据载波的幅值、频率和相位随调制信号而变化的过程，调制可以分为调幅、调频和调相。其波形分别称为调幅波、调频波和调相波，如图4-15所示。1/11/2023山东科技大学一、调幅与解调

调幅是将一个高频振荡信号（载波信号）与测试信号（调制信号）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号的放大和传送，然后再通过解调从放大的调制波中取出有用的信号。所以调幅过程就相当于频谱“搬移”过程。而解调的目的是为了恢复被调制的信号。

把调幅波再次与原载波信号相乘，则频域图形将再一次进行“搬移”,其结果如图4-16所示。1/11/2023山东科技大学1/11/2023山东科技大学最常见的解调方法是整流检波和相敏检波。若把调制信号进行偏置，叠加一个直流分量，使偏置后的信号都具有正电压，那么调幅波的包络线将具有原调制信号的形状，如图4-17所示。

1/11/2023山东科技大学若所加的偏置电压未能使信号电压都为正，则从图4-17可以看出，只有简单的整流不能恢复原调制信号，这时需要采用相敏检波方法。如图4-18所示为应变仪电路中常用的环形相敏检波电路。

1/11/2023山东科技大学

图4-19是动态电阻应变仪的方框图。电桥由振荡器供给等幅高频振荡电压（一般频率为10kHz或15kHz），被测量（应变）通过电阻应变片调制电桥输出，电桥输出为调幅波，经过放大，最后经相敏检波与低通滤波取出所测信号。1/11/2023山东科技大学二、调频与解调

（一）频率调制的基本原理设调频波的瞬时频率为：式中：ƒ0为载波频率；Dƒ为频率偏移，与调制信号的幅值成正比。

设调制信号x(t)为幅值为X0、频率为ƒm的余弦波，其初始相位为0，载波信号为:，ƒ0＞ƒm（

1/11/2023山东科技大学调频时载波的幅度Y0和初始相位角j0不变，瞬时频率ƒ(t)围绕着ƒ0随调制信号电压作线性的变化，因此，式中，Dƒf是由调制信号X0决定的频率偏移，Dƒƒ=kƒX0。kƒ为比例常数，其大小由具体的调频电路决定。由上式可见，频率偏移与调制信号的幅值成正比，与调制信号的频率无关，这是调频波的基本特征之一。1/11/2023山东科技大学调频是利用信号电压的幅值控制一个振荡器，振荡器输出的是等幅波，但其振荡频率偏移量和信号电压成正比。信号电压为正值时调频波的频率升高，为负值时则降低；信号电压为零时，调频波的频率就等于中心频率。如图4-20所示。1/11/2023山东科技大学（二）直接调频式测量电路

在测量系统中，常利用电抗元件组成调谐振荡器，以电抗（电感或电容）作为传感器参量，以它感受被测量的变化，作为调制信号的输入，振荡器原有的信号振荡信号作为载波。当有调制信号输入时，振荡器输出的即为被调制了的调频波。当电容和电感并联组成振荡器的谐振回路时，电路的谐振频率将为：

若在电路中以电容为调谐参数，对上式进行微分，有：所以，在ƒ0附近有频率偏移：1/11/2023山东科技大学（三）调频波的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的，因此，调频波的解调是先将调频波变换成调频调幅波，然后进行幅值检波。调频波的解调由鉴频器完成。鉴频器通常由线性变换电路与幅值检波电路组成，如图4-21所示。1/11/2023山东科技大学第三节信号调理电路一、采样-保持器要求输入到A/D转换器的模拟量在整个转换过程中保持不变，但转换之后，又要求A/D转换器的输入信号能够跟随模拟量变化。能够完成上述任务的器件叫做采样-保持器（Sample/Hold），简写为S/H。S/H有两种工作方式，一种是采样方式，另一种是保持方式。在采样方式中，采样-保持器的输出跟随模拟量输入电压变化。在保持状态时，采样-保持器的输出将保持在命令发出时刻的模拟量输入值，直到保持命令撤销（即再度接到采样命令）时为止。此时，采样-保持器的输出重新跟踪输入信号变化，直到下一个保持命令到来为止。描述上述采样-保持过程的示意曲线图，如图4-22所示。1/11/2023山东科技大学采样-保持器的主要用途是：（1）保持采样信号不变，以便完成A/D转换；（2）同时采样几个模拟量，以便进行数据处理和测量；（3）减少D/A转换器的输出毛刺，从而消除输出电压的峰值及缩短稳定输出值的建立时间；（4）把一个D/A转换器的输出分配到几个输出点，以保证输出的稳定性。图4-22采样保持器的工作方式1/11/2023山东科技大学LF198/298/398是由双极型绝缘栅场效应管组成的采样-保持电路。它具有采样速度快，保持下降速度慢，以及精度高等特点。LF198的逻辑输入有两个控制端全部为具有低输入电流的差动输入，允许直接与TTL，PMOS，CMOS电平相连。其门限值为1.4V。LF198供电电源可以从±5V到±18V。LF198/298/398的原理及引脚图，如图4-23和图4-24所示。1/11/2023山东科技大学图4-24LF198/LF298/LF398引脚排列图1/11/2023山东科技大学LF198/298/398芯片各引脚功能如下：（1）：Vin模拟量电压输入。（2）：Vout模拟量电压输出。（3）逻辑（logic）和逻辑参考（logicreFerence）：逻辑及逻辑参考电平，用来控制采样-保持器的工作方式。当引脚8为高电平时，通过控制逻辑电路A3使开关S闭合，电路工作在采样状态。反之，当引脚8为低电平时，则开关S断开，电路进入保持状态。它可以接成差动形式（对LF198而言），也可以将参考电平直接接地，然后，在引脚8端用一个逻辑电平控制。（4）偏置（OFFSET）：偏差调整引脚。可用外接电阻调整采样-保持器的偏差。（5）CH：保持电容引脚。用来连接外部保持电容。（6）V+,V-：采样-保持电路电源引脚。电源变化范围为±5V到±18V。1/11/2023山东科技大学二、滤波电路（一）理想滤波器理想滤波器是指通带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器，其通带和阻带之间有明显的分界线。也就是说，理想滤波器在通带内的幅频特性应为常数，相频特性的斜率为常值；在通带外的幅频特性应为零。理想低通滤波器的频率响应函数为：

1/11/2023山东科技大学（二）低通滤波器低通滤波器的功能是让直流信号及低于指定截止频率的低频分量通过，而使大于截止频率的高频分量有很大衰减。低通滤波器一般用截止频率、阻带频率、直流增益、通带波纹和阻带衰减等参数来表示。图4-25为低通滤波器幅频特性。选择不同的传递函数，低通滤波器的幅频特性和衰减率均不一样。图4-26是利用反馈原理实现的一阶超低通滤波器。这个电路的时间常数可达数百秒。用于超低频范围的自动控制、信号检测及信号处理过程的惯性环节或作超低频积分器，可有效地避免积分漂移，有较高的积分精度。1/11/2023山东科技大学1/11/2023山东科技大学图4-27为一阶RC低通滤波器的电路及其幅频、相频特性。1/11/2023山东科技大学（三）高通滤波器高通滤波器的功能是让高于指定截止频率的频率分量通过，而使直流及在指定阻带频率以下的低频分量有很大衰减，同样，与低通滤波器情况相似，没有理想的幅频特性。图4-28为一实际的高通滤波器的幅频特性。理论上讲，高通滤波器在处也应是通带。但实际上由于寄生参数的影响及有源器件带宽的限制，当频率增至一定值时，幅值将下降。图4-29为正增益单放大器组成的单端反馈二阶高通滤波器。1/11/2023山东科技大学图4-30为RC高通滤波器的电路及其幅频、相频特性。

1/11/2023山东科技大学（四）带通滤波器带通滤波器是只允许通过某一频段的信号，而在此频段两端以外的信号将被抑制或衰减。其特性曲线如图4-31所示。带通滤波器电路如图4-32所示。

1/11/2023山东科技大学（五）带阻滤波器带阻滤波器的特性与带通滤波器相反，是专门用来抑制或衰减某一频段的信号，而让该频段以外的信号通过。带阻滤波器的特性如图4-33所示。图中实线是理想特性，虚线是实际特性。由此可见，如从输入信号中减去经带通滤波器处理过的信号，就可以得到带阻信号。因此，可将带通滤波器和减法电路结合起来，就是一个带阻滤波器，其方框如图4-34所示。1/11/2023山东科技大学图4-35为带阻滤波器具体电路，组成反相输入型带通滤波器，也就是的输出电压是输人电压的反相带通电压。组成加法运算电路，显然，将与在输入端相加，则在的输出端就得到了带阻信号输出。1/11/2023山东科技大学（六）数字滤波器

数字滤波实际上是利用相应的数学运算对信号进行频率选择。其中如果只是为了消除随机噪声的数字滤波又称为数据的平滑处理或平滑滤波，对数字信号进行频率选择则称为数字滤波。详细内容参考有关资料。1/11/2023山东科技大学第四节信号转换电路

一、电压-电流变换器电压-电流变换器的作用是将输入的电压信号转换成电流信号输出。利用单位增益运算放大器与精密运算放大器可以组成差动输入U-I变换电路，该电路的特点是负载电流与负载电阻无关，仅与两输入电压之差成比例，其电路结构如图4-36所示。1/11/2023山东科技大学此电路可看成差动输入三信号的加减运算电路，其中R为输出采样电阻，RL为负载电阻，R1=R3、R2=R4，I0RL为负载端电压，负载端电压经运算放大器隔离后送运放A1的基准端，由此可推导出输出电流与输入差动电压的关系为输出电流I0与负载RL无关。单位增益运算放大器可采用美国BB公司生产的INA105，使用INA105时连接正负电源应通过尽可能靠近管脚的1ｕF的旁路电容，并可通过基准端接调整电路调整运放的失调电压。图4-37是采用INA105组成差动输人U-I变换器电路。图中的输出电流与输人差动电压的关系为输出电流I0与负载RL无关，且当R=200Ω时，电路的性能最好。1/11/2023山东科技大学图4-37INA105差动输人U-I变换电路1/11/2023山东科技大学二、电流-电压变换器电流-电压变换器的作用是将输入的电流信号变换成电压信号。图4-38是采用RCV420组成的精密I-U变换器电路，它能将4～20mA输人电流转换成0～5V的电压输出。即当输人电流为4mA时，变换器输出电压为0V；当输人电流为20mA时，输出电压为5V。其单位电流的电压变化率为1/11/2023山东科技大学三、V/F转换器

1、通用运放V/F转换电路如图4-9是一个由运放组成的V/F转换电路，N1、电阻、电容构成积分器、N2是比较器，UZ为稳压管电压。1/11/2023山东科技大学Up两个典型值U1与U2分别为

V/F转换器输出信号波形如图4-40所示。1/11/2023山东科技大学2、集成V/F转换器模拟集成V/F转换器具有精度高、线性度好、温度系数低、功耗低及动态范围宽等一系列优点，目前已广泛应用于数据采集、自动控制和数字化及智能化测量仪器中。LM131由输入比较器、定时比较器和RS触发器构成的单稳定时器、基准电源电路、精密电流源、电流开关及集电极开路输出管等部分组成。LM131系列转换器功能框图如图4-41所示。1/11/2023山东科技大学1/11/2023山东科技大学图4-42和4-43分别是LM131用作V/F转换器的简化电路及振荡波形图

图4-42LM131用作V/F转换器的简化电路1/11/2023山东科技大学图4-43LM131用作V/F转换器的振荡波形1/11/2023山东科技大学原理分析如下：（1）时，比较器输出高电平，Q=1，V导通，U0=0；开关S闭合，对充电，逐渐上升；与引脚5相连的芯片内放电管截止，U经对充电，上升，直至。（2）当，Q=0，V截止，=+E；开关S断开，通过放电，下降；通过芯片内放电管迅速放电到零。当，开始新周期。1/11/2023山东科技大学四、F/V转换器

定义：把频率变化的信号线性地转换成电压变化的信号。一般来说F/V转换器主要包括电平比较器、单稳触发器和低通滤波器三部分。

输入信号通过比较器转换成快速上升/下降的方波信号去触发单稳触发器，产生定宽、定幅度的输出脉冲序列。将此脉冲序列经低通滤波器平滑，可得到比例于输入信号频率的输出电压Vo。转换原理见图4-44所示。1/11/2023山东科技大学1、通用F/V转换电路

通用转换电路F/V包括三个部分：电平比较器、单稳态触发器和低通滤波器，如图4-45所示。1/11/2023山东科技大学通用F/V转换电路的输入、输出波形如图4-46所示。1/11/2023山东科技大学3、集成F/V转换电路

集成F/V转换电路原理如图4-47所示。1/11/2023山东科技大学五、A/D转换电路（一）A/D转换器A/D转换器实现模拟量数字化的过程。这一过程包括采样、量化和编码三个阶段。(a)采样(b)量化编码1/11/2023山东科技大学采样：依据采样定理按照一定的时间间隔从连续的模拟信号中抽取一系列的时间离散样值。采样频率须满足：量化：将幅度连续取值的模拟信号变为只能取有限个某一最小当量的整数倍数值的过程称为量化。量化误差：通过量化将连续量转换成离散量，必然存在类似于四舍五入产生的误差，最大误差可达到1LSB的1/2。分辨率：对应一个数字输出的模拟输入电压有一定的幅度范围，若超过这个幅度范围，数字输出就会发生变化，这样能分别的电压范围叫做分辨率。通常用LSB（LeastSignificantBit）表示。1/11/2023山东科技大学编码：一般编码与量化是同时完成的，通常所用的码制是二进制原码。n位二进制编码(d1d2…dn)为：1/11/2023山东科技大学（二）AD转换器的类型A/D转换器种类繁多，一般可分为直接与间接型两类。直接型：又称比较型，它将模拟输入电压与基准电压比较后直接得到数字输出（逐次逼近式A/D、并行式A/D）。间接型：又称积分型，它先将模拟电压转换成时间间隔或频率信号，然后再把时间或频率转换成数字量输出，通常比直接型要慢1000倍左右（双积分式A/D)。1/11/2023山东科技大学1、双积分式A/D转换器双积分式A/D转换器结构及原理图分别见图4-49和图4-50所示。图4-49双积分式A/D转换器结构1/11/2023山东科技大学图4-50双积分式A/D转换器原理图1/11/2023山东科技大学2、逐次逼进式A/D转换器逐次逼近式A/D转换器结构框图如图4-51所示。1/11/2023山东科技大学转换原理：第一步：置逐次逼近寄存器的最高位为1，即100000第二步：经D/A转换为US，与输入电压Ui进行比较：若US>Ui，表示数字码大，第一位置0；若US<Ui，表示数字码小，保留第一位为1；第三步：置次高位为1；……….优点：转换速度高，精度高，电路结构简单，应用广泛，尤其在实时控制系统中应用最多。1/11/2023山东科技大学3、并行比较式A/D转换器并行比较式A/D转换器转换原理如图4-52所示。

1/11/2023山东科技大学以2位并行比较器为例：Ui>UR/2时，N2输出“1”电平，d1=1；Ui>3UR/4时，N3输出“1”电平，d0=1；UR/2>Ui>UR/4时，N2输出“0”电平，d1=0，N1输出“1”电平，d0=1；优点：是转换速度高，缺点是难以达到高分辨率，组成电路复杂，价格昂贵。1/11/2023山东科技大学六、D/A转换电路对n位D/A转换器，设其输入是n位二进制数字输入信号Din(d1,d2,…dn)，其中di(i=0,1,…,n)表示数字输入第i位的数码，取0或1，数字量Din表示为：Din=d1×2-1+d2×2-2+…+dn×2-n如果D/A转换器的基准电压位UR，则理想D/A转换器的输出电压Uo可表示为：Uo=URDin=UR(d1×2-1+d2×2-2+…+dn×2-n)1/11/2023山东科技大学1、加权电阻网络电路

加权电阻网络D/A转换电路如图4-53所示。缺点：权电阻规格太多，高低位权电阻及权电流的差值过大，一般用于二进制位数不多的情况下。1/11/2023山东科技大学2、R-2R梯形电阻网络1/11/2023山东科技大学第五节线性化处理一、非线性校正方法非线性校正方法通常有两种：开环节式非线性校正法和非线性反馈校正法。这里重点介绍开环节式非线性校正法。具有开环式非线性校正的测量仪表，其结构原理见图4-55所示框图。1/11/2023山东科技大学被测物理量x经传感器转换成电量u1，这种转换通常是非线性的。u1经放大器放大后变为电量u2，放大器一般是线性的。此处线