第二章检测系统常见信号处理电路

第2章检测系统中常用信号调理电路的实现Chapter2SignalProcessingCircuit§2.1检测系统概述§2.2常用信号调理电路的实现§2.1检测系统概述SummaryofDetectionSystem——能力目标——能准确的描述检测系统的一般构成。能理解检测系统的一般设计步骤。[训练任务1]认识和牢记检测系统构成1.自动检测系统的组成（ComponentofDetectionSystem）热电偶温度测量系统举例

一个完整的检测系统或检测装置通常是由电源、传感器、信号处理电路、显示记录装置、传输通道等几部分组成。自动检测系统的组成1.自动检测系统的设计步骤（DesigningStepsofDetectionSystem）系统分析1）明确实现的功能和需要完成的测量任务。2）了解设计任务所规定的性能指标。3）了解测量系统的使用条件和应用环境。[训练任务2]理解检测系统的一般设计步骤系统总体方案设计1）确定系统的控制方式。2）输入输出及外围设备的选择。3）系统结构选择。

硬件设计1）检测元件的选择（传感器的选型）2）微型计算机的选择(常用PC或单片机)。3）模拟量输入通道的设计(通道结构形式A/D选择、采样/保持器选择)。4）硬件调试。

软件设计1）软件总体结构(模块间应尽量独立)。2）软件开发平台(LabVIEW、VC++、VB等)。3）软件程序设计。4）软件调试。5）软件的运用、维护和改进。系统集成1)硬件系统、软件系统集成在一起联调。2)找出硬件系统和软件系统间不匹配的地方。3)反复修改和调试。4)移至现场运行进一步调试。5)根据运行的实际问题再调试修改。——能力目标——能明确信号调理电路在检测系统中所处的位置。能熟练描述常见信号调理电路的作用。能看懂常见传感器输出信号的调理电路。能根据实际情况和后续电路要求，

选用合适的信号调理电路。§2.2

常用信号调理电路的实现

信号调理往往是把来自传感器的信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。通常，传感器输出信号是相当小的电压、电流或电阻变化，不符合后续电路要求，因此必须进行调理。调理就是将来自传感器的信号放大、滤波、转换或加工，使其适合于后续电路的输入。[训练任务1]掌握信号调理电路作用与位置被测量x敏感元件转换元件电子测量x可用非电量、间接电量、电量电量y传感器

传感器组成框图电量/电量A/D信号调理电路数字信号处理（计算机处理）信号调理电路所处位置常见信号调理电路（1）放大电路（2）滤波电路（3）各类转换电路（4）信号加工电路[训练任务2]熟悉用于信号调理的放大电路基本组成：各类运算放大器要设计出好的放大电路，必须选择合适的运放，构建合理的放大电路。运算放大器的选型:掌握放大器基本参数的测量。[直流失调电压Vos、直流失调电流闭环增益Ios(可用Vdos代替),差分放大器的共模抑制比(CMRR),带宽增益积(GBW)

]一、放大器基本参数的测量通常为三端形式运放基本电路复习：“虚短”与“虚断”正输入端(+)负输入端(-)输出端上下引脚是电源输入,一般都省略不画。

同向放大器差分放大器反向放大器理想运算放大器有几个特性（实际越接近越好）A.Vn、Vp端输入电阻无穷大也就是说放大器不会从输入信号端吸收能量。B.无噪音、无失真，带宽无穷大。C.放大器只对差分信号（Vn-Vp）起放大作用，而且放大倍数是无穷大，对共同出现在Vn、Vp的信号完全抑制（抑制共模）。D.输入电压、输出电压、电流无穷大。E.无最大电源电压限制。电源抑制比无穷，也就是说输出不随电源波动而变化。

电阻:0805封装片式,+/-5%精度放大器正输入端MUX是电子开关,控制增益200KΩ200KΩ200KΩ200KΩ51KΩ51KΩ25KΩ25KΩ放大器负输入端运算放大器主要参数分直流和交流1、输入失调电压Vos(VIO)：定义：零输入时为使放大器输出也为零，须在输入端施加的差分电压。主要直流指标测量应用意义：反映了运放内部电路的对称性，对称性越好，输入失调电压越小。直流放大时中间零点偏移越小，越容易处理。2、输入失调电流Ios

(IIO)：定义：零输入时，为使放大器输出也为零，须在输入端施加的差分电流。应用意义：同样反映了运放内部电路的对称性，对称性越好,输入失调电流越小。特别是运放外部采用较大的电阻（例如10k或更大时）,输入失调电流对精度的影响可能超过输入失调电压对精度的影响。输入失调电流越小,直流放大时中间零点偏移越小,越容易处理。输入直流误差（Vdos）的测量定义：输入直流误差是Vos、Vios（Ios在电阻上的压降）共同作用的结果，Vdos是Vos、Vios的叠加，简化的电路如下图测量时将VIneg和VIpos用50Ω负载电阻分别短路到地，输入端电压为零，用万用表毫伏档测量不同增益下的Vdos。测量电路如下图：1、不同增益配置下放大器带宽的测量：不同增益配置下放大器带宽是不同的,放大器的增益和带宽互相矛盾的,增益和带宽的乘积(GBW)是个常数。通常放大器数据手册给出的是单位增益带宽。主要交流指标测量应用意义:选择放大器时,增益和带宽要同时考虑。即要满足放大需求,又要满足被放大信号频率要求。测量电路如下图：调节信源使电压输出稳定在0.5Vp-p的正弦波，仅变化频率。

2、差分放大器交流共模抑制比CMRR(CMRAC)定义：

Aud差分增益，Auc共模增益应用意义：共模抑制比表征放大器选择性放大差模电压，同时抑制共模电压的能力。

测量AUC电路如下图：正弦信号同时加在差分放大器的VIneg、VIpos。理论上Vout应该是零，CMRR趋于无穷。但实际由于受到电阻的匹配精度，放大器本身及电路结构因素影响,输出端会有小幅输出,且随输入信号频率的增加CMRR会恶化。二、放大的三种基本电路形式信号调理电路中放大电路的三种基本电路形式（1）直线型（2）平衡型（3）差动型（1）直接型串接、单向、开环每级都会引入噪声和干扰，使系统不稳定。要求每级对有用信号具有良好的选择性（外加选择性电路）。优点：简单缺点：S/N信噪比小（2）平衡型闭环（负反馈电路）β电路较简单（电阻分压器）稳定性比直接型高。S/N信噪比（某一频段内）可趋向于无穷大。（3）差动型KKK3y1y2ynnn3xx-x闭环两个对称电路，要求差动对称性好S/N信噪比大大提高(至少6倍),保证系统的精度和稳定度差放对称上节课小结一.自动检测系统组成：电源、传感器、信号处理电路、显示记录装置、传输通道等设计步骤：1.系统总体方案设计2.硬件设计3.软件设计4.系统集成二.常见信号调理电路1.放大2.滤波3.各类转换4.信号加工1.

放大器基本参数的测量直流失调电压Vos,直流失调电流闭环增益Ios(可用Vdos代替),差分放大器的共模抑制比(CMRR),带宽增益积(GBW)

2.放大的三种基本电路形式(1)直线型(2)平衡型(3)差动型三个运放组成,A3的差动输入端分别是两个运放(A1、A2)的同相输入端,因此输入阻抗很高。＋－＋－＋－A1U1RWU2A2Rf1Rf2Uo1RRUo2RLA3RiUo三、组合放大电路在调理电路中的应用测量放大器采用对称电路结构,且被测信号直接加入到输入端上,从而保证了较强的抑制共模信号的能力。差动跟随器(其增益近似为1)应用：下图是什么形式的放大电流电压转换器，试画出此类转换器的框图。若转换系数A(放大倍数)均为1.5倍，则当输入电压为Ui=2.5v时，干扰信号电压为Un1=Un2=0.1v，Un3=0V,试估求输出电压U0。利用改变反馈电阻的办法来实现量程变换的可变换增益放大器电路。当开关S1闭合,S2和S3断开时,放大倍数为:程控增益放大器R3R2R1S3S2S1UoR＋－UiR¡选择不同的开关闭合,即可实现增益的变换。如果利用软件对开关闭合情况进行选择,即可实现程控增益变换。当S2闭合,而其余两个开关断开时,其放大倍数为:[训练任务3]熟悉用于信号调理的滤波电路滤波通过传感器获得的信号中，混淆有许多其他频率的干扰。由于干扰的存在，有时得到不正确的测量值，有时有用的信号被淹没在干扰噪声中。为了突出有用信号，抑制噪声干扰，我们就要对传感器获得的信号进行滤波。滤波的实质：对信号频率进行选择。完成滤波功能的装置：滤波器。当信号通过滤波器时,信号中某些频率成分得以通过,其他频率成分的信号受到衰减或抑制。滤波器按功能分：1.低通滤波器;2.高通滤波器;3.带通滤波器;4.带阻滤波器.从0～f2频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大地衰减。1)低通滤波器——低频通过，高频衰减衰减严重与低通滤波相反,从频率f1～∞，其幅频特性平直。它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于f1的频率成分将受到极大地衰减。2)高通滤波器——低频衰减，高频通过衰减严重它的通频带在f1～f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成分受到衰减。3)带通滤波器——通带内通过，通带外衰减4)带阻滤波器——通带内衰减，通带外通过与带通滤波相反，阻带在频率f1～f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过实际滤波器,在通带和阻带之间存在一个过渡带。在过渡带内的频率成分不会被完全抑制,只会受到不同程度的衰减。当然,希望过渡带越窄越好,也就是希望对通带外的频率成分衰减得越快、越多越好。在测试系统中,常用RC滤波器。因为在检测领域中,信号频率通常相对来说不很高。而RC滤波器电路简单,抗干扰性强,有较好的低频性能，并且选用标准的阻容元件,所以在工程测试的领域中最经常用到的滤波器是RC滤波器。实际测试系统中的常用滤波电路RC低通滤波器的电路及其幅频、相频特性如下图所示。1)一阶RC低通滤波器uiuo

RC高通滤波器的电路及其幅频、相频特性如下图所示。

当f很小时,A(f)=0,信号完全被阻挡,不能通过；2)一阶RC高通滤波器当f很大时,A(f)=1,信号不受衰减的通过。uiuo带通滤波器可以看作低通滤波器和高通滤波器的串联，其电路及幅频、相频特性如下图所示。

极低和极高的频率成分都完全被阻挡,不能通过；只有位于频率通带内的信号频率成分能通过。3)RC带通滤波器uiuo当高、低通两级串联时,应消除两级耦合时的相互影响,因为后一级成为前一级的“负载”,而前一级又是后一级的信号源内阻。实际上两级间常用射极输出器或者用运算放大器进行隔离。所以实际的带通滤波器常常是有源的。有源滤波器由RC调谐网络和运算放大器组成。运算放大器既可起级间隔离作用，又可起信号幅值的放大作用。在低通滤波器后面接一个放大器,构成有源低通滤波器其增益与时间常数RC无关实际使用的有源滤波器举例信号调理电路中转换电路举例：（1）A/D转换测量电压电路（2）R/U、L/U、C/U转换电路（3）电压/电流、电流/电压转换电路[训练任务4]熟悉信号转换电路1、A/D转换测量电压电路作用：A/D转换器可以说是数字系统的和现实世界之间的一道门，在系统中是至关重要的，它的功能就是将现实中模拟的连续的信号经采样、量化及编码转换成离散的数字系统能处理的数字信号。应用：A/D电路基本上是混合集成电路。就是模拟和数字电路联系非常紧密两部分制作同一块硅片上，对制作工艺的要求就很高。使用A/D转换器必须了解的概念和几个参数。采样保持：ADC内部电路以一定的时间间隔去读取输入的模拟电压,把这个电压保持在一个电容上,电容上电压在一个个时间间隔内保持不变。采样开关S的控制信号CPs的频率

fs≥2fimax

(fimax为输入信号的最高频率)这样就能将采样保持后的输入信号不失真地恢复出来。该定理称为乃奎斯特采样定理。量化及编码:根据采集进来的电压大小(保持电容上的电压)用一个数字信号来表示。输出码型可以是二进制原、补码、八进制、十六进制等。采样率：也就是采样时钟的频率，也就是A/D转换的速度用SPS(SimplePerSecond)来表示。表示一秒钟采集数据的多少。符合采样定理：采样率要大于等于信号中最高频率分量的两倍。以下是模拟信号和经量化编码之间的关系：输入模拟信号a经过b采样量化后输出c的数字信号一个简化的4BitA/D电路系统框图如下：参考电压参考电压：AD转换器总是将输入的模拟信号和参考电压进行比对,来确定未知输入电压的大小。分辨率：也就是输出的二进制码的最大数。设输出二进制位宽为n,参考电压Vref,输入电压Vin,输出二进制记为BIN,则这几个量满足关系式输入到A/D的电压最大值和参考电压相同。(S为AD的分辨率)需要掌握的几点应用：（1）已知模拟输入信号及要求采样的分辨率大小，能选取合适的A/D：

分析输入信号的幅度大小,确定A/D的位宽；求出可以达到的分辨率；

根据输入信号的最高频率,确定A/D的采样频率是否可以符合要求。例：已知输入信号是大小为-3~3V，频率为1k~100K的交流信号,要求分辨率达到0.07V。问现有位数为4BIT,最高采样率为300K的A/D,是否可以使用？若可以,计算该A/D可达到的最佳分辨率。300KHz>2×100KHz（2）已知A/D的位宽、参考电压，熟练进行模拟信号大小与数字信号间的换算：

分析输入信号的最大输入幅度,确定参考电压，确定A/D的位数；求出可以达到的分辨率；

根据输入信号大小,确定A/D输出的数字编码；根据A/D的输出,求得输入信号的大小。例：已知输入信号是大小为0~5V，现有位数为8BIT的A/D，计算该A/D的分辨率。用万用表测得输入电压大小分别为3V,求A/D显示；若A/D显示00101001，求输入电压为多少？00101001=1×20+1×23+1×25=41解：(1)(2)(3)=0.82V例：已知输入信号是大小为-5~5V，现有位数为8BIT的A/D，计算该A/D的分辨率。用万用表测得输入电压大小分别为3V、-4V，求A/D显示；A/D显示00101001，10010011（第一位为符号位），求输入电压为多少？00101001=1×20+1×23+1×25=41解：(1)(2)(3)=1.64V=01001101=1010011010010011=-(1×20+1×21+1×24)=-19=-0.76V上节课小结常见信号调理电路1.放大2.滤波3.各类转换4.信号加工1.低通滤波器;2.高通滤波器;3.带通滤波器;4.带阻滤波器.2.滤波器常用RC滤波器（1）A/D转换测量电压电路（2）R/U、L/U、C/U转换电路（3）电压/电流、电流/电压转换电路3.各类转换采样、量化及编码（1）A/D转换2、R/U转换电路（1）直流电桥转换电路（供电电源为直流电源）作用：将电阻的变化转换成电压的变化。应用1：作转换元件，如在电桥中接入热敏电阻、应变电阻片等敏感元件。应用2：作转换电路，如将NTC热敏电阻接入起温度补偿作用。缺点：对R的精度要求高，同时需要后接相应的运算放大器。(2)交流阻抗电桥转换电路(供电电源为交流电源)作用：将交流阻抗的变化转换成包含了幅度和相位交流电压信号。应用：作转换电路，如将电感或电容传感器接入电桥中，通过交流阻抗电桥转换为相应的交流信号的幅度大小。（3）运放组成的R/U转换电路作用：利用反向放大器及外围电路将电阻变化转换成所需的电压范围。应用：在已知电阻变化范围、后端所需电压范围的情况下，调整起来较方便，应用广泛。电位器调节电位器RADJ就可以调节输出电压V1

通过A1产生可调的基准电压Rx反相放大器反相放大器基准电压V1若已知Rx和后端电压Vout范围，定出V1和RrefRref是参考电阻，R3阻值取很大对测量影响很小3、电流I/U电压转换电路（1）简单的I/U转换电路最简单形式:在电流信号输出端接一个标准电阻R。

简单的I/U转换中，标准电阻的阻值相对电流源的内阻不能很大，否则容易引起转换误差。Ix（2）放大器式I/U转换为改善转换误差情况，采用放大器式结构。

电流Ix应远大于运放输入偏置电流，不适合如光电池、光电阻输出阻抗很高的传感器。电流源内阻（3）T型网络放大器式I/U转换输出阻抗很高,近似看成电流数值极小的电流源,应采用T型网络组成的微电流放大电路。Ix（4）差动式I/U转换为抑制电流信号的共模干扰,放大器输入接成差动形式。

为提高转换增益，并具有高的共模抑制比，可采用将几个运放组合起来的方式进行I/U转换。（5）组合式I/U转换（差动放大器实现I/U转换）2R1（1）负载浮地U/I转换电路为抑制外来杂散电压信号的干扰，将U信号转换成具有恒流特性的I信号来传输。RL两端不接地(浮地)4.U/I电路输出电流与负载RL无关,适用于大功率。（2）差动输入U/I转换电路输出电流与负载RL无关。掌握频率和周期的测量方法(P97)实际应用中，对于转速、位移、流量等非电量，先由传感器转换成脉冲电信号（通常为连续的脉冲波信号），然后利用单片机采用测量周期或频率的方法来实现测量。单片机测量频率和周期，通常利用定时/计数器来完成，基本的测量方法和原理有两种：1）测频法：在限定时间内检测脉冲个数。2）测周法：测试限定的脉冲个数之间的时间。两种方法原理类似，但实际应用时，需要根据待测频率范围、系统时钟周期、计数器长度，精度要求进行全面考虑。具体测量时，需要考虑和注意以下几点：1）系统时钟：

测量频率的系统时钟本身精度要高,一般使用外部晶振系统，不使用单片机内部系统时钟。2）使用定时/计数器位数

位数越长,可产生限定时间越长或限定时间内记录脉冲个数越多,可以提高测量精度。3）被测频率范围

被测频率最高值不能超过单片机MCU系统时钟频率的1/2。被测频率较低时,采用测周法；被测频率较高时,采用测频法。4）软件中要考虑采用多次测量取平均的算法，减少测量误差。计数法测量fAfB倍频器分频器

门控

记数窄脉冲主门t=TA/aT=NtN计数器门控脉冲T=bTB

×a

÷b图3.14

计数法工作原理门控宽脉冲一主门输入周期为t的计数窄脉冲另一主门输入周期为T的门控脉冲。[训练任务5]掌握计数法测量频率和周期的方法t＝TA/a倍频器(×a)：t0UA分频器(÷b)：t0UBt0UBT＝bTBt0UA门控：控制主门开、关时间主门：完成计数的闸门计数器：计数、记录、显示T＝NtTN四块电路fAfB倍频器分频器

门控记数窄脉冲主门t=TA/aT=NtN计数器门控脉冲T=bTB

×a

÷b图3.14计数法工作原理门控宽脉冲

×a÷b

门控

宽控开关窄计数，二入一出经主门，越宽越窄高精度。三端口，1、测量频率fx

放大整形

门控主门

a

b图3.15测量频率fx

分频器fx:被测频率fxfc:晶震的固有频率(已知)b:分频系数(已知)a:倍频系数（已知）bTcTx/afcbTc2、测量周期Tx

倍频器

门控主门

a

b整形放大器图3.16

测量周期Tx

TxTx:被测周期fc:晶震的固有频率(已知)b:分频系数(已知)a:倍频系数（已知）fcbTxTc/abTx主门的