第十章检测电路设计及信号调理

第十章传感器检测电路设计

10.1信号调理电路

10.2线性化10.3信号变换技术

10.4滤波与阻抗匹配

10.5噪声及干扰抑制技术

2014/10/24测试技术洪冶15.1信号调理电路5.1.1放大电路1、几个基本概念等效电路共模电压、差模电压（常模电压）差模放大倍数、共模放大倍数共模抑制比2014/10/24测试技术洪冶25.1.1放大电路（续）2、集成运算放大器3、比例放大电路2014/10/24测试技术洪冶35.1.1放大电路（续）2014/10/24测试技术洪冶45.1.1放大电路（续）4、仪用放大电路2014/10/24测试技术洪冶55.1.3调制与解调调制是指利用某种信号来控制或改变普通为高频振荡信号的某个参数（幅值、频率或相位）的过程。当被控制的量是高频振荡信号的幅值时，称为幅值调制或调幅；当被控制的量为高频振荡信号的频率时，称为频率调制或调频；当被控制的量为高频振荡信号的相位时，则称为相位调制或调相。2014/10/24测试技术洪冶6将控制高频振荡的低频信号称调制波，载送低频信号的高频振荡信号称为载波，而将经过调制过程所得的高频振荡波称已调制波。从时域上讲，调制过程即是使载波的某一参量随调制波的变化而变化，而在频域上，调制过程则是一个移频的过程。解调则是从已调制波信号中恢复出原有低频调制信号的过程。调制与解调(MODEM)是一对信号变换过程,在工程上常常结合在一起使用。2014/10/24测试技术洪冶7幅值调制原理： 设x(t)为被测信号，y(t)为高频载波信号，若选择余弦信号：y(t)=cos2πf0t，则已调制信号xm(t)为x(t)与y(t)的乘积：xm(t)=x(t)cos2πf0t。由傅里叶变换性质知： 则有（4.25）2014/10/24测试技术洪冶8调幅的过程在频域上就相当于一个移频的过程。

图4.14幅值调制原理（a）时域（b）频域2014/10/24测试技术洪冶9调制信号为正弦信号

设调制信号为x(t)=ASsinωSt， 载波信号为y(t)=ACsinωCt,

则经调制后的已调制波为 采用三角积化和差公式： 将上式应用于公式（4.26）得(4.26)(4.27)(4.28)2014/10/24测试技术洪冶10已调制波信号的频谱是一个离散谱，仅仅位于频率ωc-ωs和ωc+ωs处，即以载波信号ωc为中心，以调制信号ωs为间隔的左右两频率（边频）处。其幅值大小则等于As与Ac乘积之半。图4.15正弦信号的幅值调制2014/10/24测试技术洪冶11幅值调制装置实质上是一个乘法器，经常采用电桥来作调制装置，其中以高频振荡电源供给电桥作为装置的载波信号，则电桥输出ey便为调幅波。图例中电桥的电压为5V，频率为3000Hz。若测量的应变量其频率变化比如为0～10Hz，电桥输出信号的频谱在2990和3010Hz之间。图4.16电桥调幅装置应用2014/10/24测试技术洪冶12幅值调制的解调同步解调法原理：

将调幅波再经一乘法器与原载波信号相乘，则调幅波的频谱在频域上将再次被进行移频。由于载波信号的频率仍为f0，因此，再次移频的结果是使原信号的频谱图形出现在0和的2f0频率处。由于在解调过程中所乘的信号与调制时的载波信号具有相同的频率与相位，因此这一解调的方法称为同步解调。时域分析上有：(4.34)2014/10/24测试技术洪冶13图4.19同步解调原理2014/10/24测试技术洪冶14整流检波原理： 对调制信号偏置一个直流分量A，使偏置后的信号具有正电压值。对该信号作调幅后得到的已调制波xm(t)的包络线将具有原信号形状。对该调幅波xm(t)作简单的整流（全波或半波整流）和滤波便可恢复原调制信号。2014/10/24测试技术洪冶15图4.20调制信号加偏置的调幅波（a）偏置电压足够大（b）偏置电压不够大2014/10/24测试技术洪冶16相敏解调原理：相敏解调或相敏检波能用来鉴别调制信号的极性，利用交变信号在过零位时其正、负极性发生突变，使调幅波相位与载波信号相比较也相应地产生180°相位跳变，从而既能反映原信号的幅值又能反映其相位。2014/10/24测试技术洪冶17图4.21二极管相敏检波器及其工作原理(a)R(t)>0,0~π(b)R(t)>0,π~2π(c)与(d)R(t)<02014/10/24测试技术洪冶18图4.22相敏解调过程的波形转换情形

2014/10/24测试技术洪冶19相敏解调器解调的波形转换过程： 当调制信号R(t)为正时(图4.22(c)中的0~t1时间内)，检波器相应输出为ey1。从图4.21(a)和(b)中可以看到，无论在0~π或π~2π时间里，电流if流过负载Rf的方向不变，即此时输出电压ey1为正值。 当R(t)=0时（图4.22(b)中的t1点），负载电阻Rf两端电位差为零，因此无电流流过Rf，此时输出电压ey1=0。 当调制信号R(t)为负时(图4.22(b)中的t1～t2段)，调幅波ey相对于载波e0的极性正好相差180°，此时从图4.21(c)和(d)中可看到，电流流过Rf的方向与前相反，即此时输出电压ey1为负值。2014/10/24测试技术洪冶20分析：通过相敏检波可得到一个幅值和极性均随调制信号的幅值与极性改变的信号，它真正地重现了原被测信号。在电路设计时应注意的是，变压器B副边的输出电压应大于变压器A副边的输出电压。相敏检波的应用：动态应变仪。图4.24动态应变仪方框图2014/10/24测试技术洪冶21225.2线性化5.2.1为何进行线性化检测系统中希望输入输出特性是线性化的。实际传感器大多数是非线性化的。减少计算量，提高运算速度；满足线性刻度；使用方便。235.2线性化5.2.2线性化的方法数字式线性化：单片机、嵌入式系统、专用芯片；灵活，适用性强，速度有限，难以满足动态检测场合。模拟式线性化：在信号调理电路中加入模拟非线性环节。按使用元件分：无源线性化、有源线性化245.2线性化硬件线性化的特点实时性强、简便、经济、可靠，应用广泛。5.2.3无源线性化电路用简单的无源器件（如电阻）与敏感器件并联或串联，只要电阻值选择合适，就可以将非线性校正到满意的程度。如湿敏电阻的线性化255.2线性化电阻RHaRHbRHcabc相对湿度RH%HaHbHcRHRR’h湿敏电阻的线性化265.2线性化并联后的总电阻为使a，b，c三点一线应满足即满足275.2线性化解得：电阻RHaRHbRHcabc相对湿度RH%HaHbHc湿敏电阻修正后的特性曲线285.2线性化也可以直接对输出电压进行线性化：ViRHRVo串联电阻线性化电路这种方法所需元件少、成本低，非常简便。但校正范围窄，校正准确度不高，主要用于被测量变化不大的场合。否则，要采用较复杂的无源电路。295.2线性化用较复杂的无源电路仍以湿敏电阻为例，下图是不同敏感区的敏感元件进行组合来进行线性化的电路R1R2RH2RH1RH305.2线性化电阻湿敏电阻的线性化效果相对湿度RH%HaHbHcHd电阻abc相对湿度RH%HaHbHcHd315.2线性化用传感器特性曲线上线性较好的一段改善线性400030002000振弦式传感器的特性曲线振弦式传感器的特性曲线中，频率的平方与张力的成正比，通过施加预紧力，调整到中间一段测量，非线性显著减小。325.2线性化5.2.4有源线性化电路无源线性化的缺点是降低了灵敏度。有源线性化：运用运放、场效应管或晶体管等有源器件实现线性化。因运放有很高的增益、极高的输入阻抗、灵活多变的接法，可获得各种各样函数变换。原则上，任何敏感器件的变换特性都可以校正为足够好的直线特性。电路复杂、调整不便、成本较高。335.2线性化几种有源线性化电路非线性反馈电路多放大器反馈电路电桥传感器非线性校正电路分段式电路345.2线性化非线性反馈电路原理：利用非线性反馈，使反馈之路的非线性和有源敏感器件的变换特性的非线性相互抵消，从而实现线性化。也可以用运算放大器构成的函数运算器进行线性化。例：硅光电池的输出电压为：355.2线性化利用运放构成对数电路，使输出电压为：365.2线性化运放构成的对数电路原理图如VoR2+-+RDVIR’iDiR375.2线性化PN结的伏安特性为：常温（25度）时，可以近似为385.2线性化运放构成的对数电路的输出为：395.2线性化多放大器反馈电路通过多级运算放大器，将信号调理电路的输出信号反馈到相关放大器的输入端，从而构造一个与传感器特性相近的函数运算器，以实现较理想的线性校正。例如：热电阻的特性表达式一般是二次多项式，温度变化较大时，非线性严重，下图为实用铂电阻TRRA102B的非线性校正电路，采用正反馈，非线性由2%变为0.1%。405.2线性化+-+1KVo+-+10K+-+9.5K1K22K3K1K24K10K10KW2W1W3RT1μF415.2线性化电桥传感器非线性校正电路原理：对电桥传感器电路，利用电桥输出对电源电压敏感的特性，将电路信号反馈到电桥的供桥电源端，是电源电压随输出信号变化而变化，从而使输入输出成线性关系。电路：如下图425.2线性化电桥传感器非线性校正电路+-+1KVo++-10K4.3KRRR(1+X）R-15VWβVoDZVref10K10KVc=Vref+βVoLM324AD521435.2线性化设电桥四臂电阻为R，传感器阻值为Rx=（1+x）R，桥路电压为V，则桥路输出为：前置放大器AD521输出的一部分与稳压管的基准电压一起，经运放后反馈到电桥的电源端，使电桥的电源随Vo变化。若使AD521的增益AV与β乘积为2，则有445.2线性化分段式电路原理：对传感器的特性曲线呈缓慢、单调变化的情况，将其特性曲线划分成若干段，每段用一段直线近似代替。段间切换有开关二极管控制。参见下图455.2线性化输出经折线逼近可以得到：465.2线性化电路R2+-+RuR0R1R2R3R4D1D2D3D4r1r2r3r4UcUoUiRr475.2线性化电路原理：四个二极管串联四个不同的电阻，即可实现分段逼近线性化。如：D1串联反向电压Uc1=R1Uc/(r1+R1)，

D2串联反向电压Uc2=R2Uc/(r2+R2)，

D3串联反向电压Uc3=R3Uc/(r3+R3)，

D4串联反向电压Uc4=R4Uc/(r4+R4)当输入信号Ui很小时，Ru=R0，随着Ui的增大，四个二极管依次导通，实现分段拟合。5.3信号变换技术

5.3.1测量电桥1、基本概念特点：灵敏度高线性好测量范围宽容易实现温度补偿分类：直流电桥

交流电桥电阻应变式测力称重传感器电感式、差动变压器式、电容式传感器2014/10/24测试技术洪冶485.3.1测量电桥（续）(1)(2)(3)(4)(5)2014/10/24测试技术洪冶495.3.1测量电桥（续）2、电桥放大器电源浮置的电桥放大器差分输入式电桥放大器2014/10/24测试技术洪冶505.3.2电压－电流转换为了减少长线传输过程中线路电阻和负载电阻的影响，可以将直流电压变换成直流电流后进行传输。信号制式：被测量电压→4～20mA。2014/10/24测试技术洪冶515.3.3电压－频率转换

电压－频率转换将模拟输入电压转换成与之成正比的振荡频率。可提高信号传输的抗干扰能力，还可节省系统接口资源。2014/10/24测试技术洪冶525.3.4模拟－数字转换

1、采样与量化2014/10/24测试技术洪冶535.3.4模拟－数字转换（续）

2、双积分式A/D转换2014/10/24测试技术洪冶545.3.4模拟－数字转换（续）

3、逐次比较式A/D转换2014/10/24测试技术洪冶555.3.4模拟－数字转换（续）

3、逐次比较式A/D转换2014/10/24测试技术洪冶565.3.4模拟－数字转换（续）

4、增量调制型A/D转换2014/10/24测试技术洪冶57585.4滤波与阻抗匹配

5.4.1滤波器的基本概念滤波器的类型：低通、高通、带通、带阻、全通通带增益A0谐振频率f0、截至频率fp

频带宽度BW品质因素Q、阻尼系数ξ2014/10/24测试技术洪冶59605.4滤波与阻抗匹配

615.4滤波与阻抗匹配

频带宽度BW：允许信号通过的频率段。品质因数Q：

谐振频率与带宽之比。阻尼系数ξ

：

品质因数倒数的一半，ξ=0.5Q-1滤波器的主要参数：通带增益A0:输出电压与输入电压之比。截至频率fp：没有谐振峰时，增益下降到时的频率；有谐振峰时，幅频特性从峰值回到起始值时的频率。谐振频率是滤波器自身的固有频率。62无源滤波器：利用R、L、C器件组成的滤波器。特点：设计简单，频率特性计算容易滤波器的特性对元器件的误差非常敏感截至频率较低时，R、C取值较大，尺寸较大阻带内，幅频特性衰减慢无法提供增益电阻值可能较大，导致滤波器的输出阻抗很高5.4滤波与阻抗匹配

635.4滤波与阻抗匹配

有源滤波器

一阶有源低通滤波器

64二阶有源低通滤波器5.4滤波与阻抗匹配

电压并联正反馈

，通带宽度增加

655.4滤波与阻抗匹配

665.4滤波与阻抗匹配

一阶高通滤波电路675.4滤波与阻抗匹配

二阶高通滤波电路685.4滤波与阻抗匹配

带通滤波电路695.4滤波与阻抗匹配

带阻滤波电路705.4滤波与阻抗匹配

全通滤波电路幅频特性为常数，与频率无关有移相作用715.4滤波与阻抗匹配

5.4.2滤波器的选用与设计初步原则：优先采用无源滤波器，无法满足要求时用有源滤波器。优先采用低阶滤波器，无法满足要求时用高阶滤波器。方法步骤：确定通带频率、增益、衰减（滚降）速度等参数。确定满足所需特性的传递函数，从经典滤波器中选择，如巴特沃思、切比雪夫等。通过电路设计与调试实现传递函数72例：二阶RC有源低通滤波器设计5.4滤波与阻抗匹配

73二阶RC有源低通滤波器的品质因数5.4滤波与阻抗匹配

品质因数越高，高频衰减也越快，但系统的极点越靠近虚轴，系统的稳定性越差。为分析方便，不妨设增益为1，n2=R1/R2，则：745.4滤波与阻抗匹配

为了得到较高的品质因数，n=1即R1=

R2

，C2>C1

755.4滤波与阻抗匹配

设计过程：选择合适的电阻值计算两个电容值若C1

的值太大，重新选一个大一些的电阻若C2的值太小，重新选一个小一些的电阻若C2的值太小，C1

的值又太大，则滤波器到了性能极限选择最接近的标准元件值，重新计算，给出全部参数。765.4滤波与阻抗匹配

注意：很多情况下，要做的工作是选择滤波器，而不是设计滤波器。如：MAX280（单片集成5阶巴特沃斯低通滤波器）

MAX263/264（单片集成通用有源滤波器）5.4.3阻抗匹配

ImpedanceMatching

传输线的核心问题之一是功率传输，在低频中间有最大功率传输定理。只要负载满足

时，可达到电源最大功率输出，即资用功率Pa

(8-1)(8-2)本讲，我们要把上述定理推广到传输线问题中。图8-1共轭匹配与最大功率输出定理一、匹配网络特性进一步推广低频电路问题。现在有一匹配网络(它可以是传输线段，也可以是任意的Network。但满足无耗条件)，处于电源与负载之间。如图所示［定理］互易匹配网络无耗。在系统匹配时,有则［证明］对于无耗网络可写出

(8-3)一、匹配网络特性图8-2匹配网络

容易导出一、匹配网络特性也即另一方面由网络输出端向电源看，计及图8-3匹配网络

(8-4)一、匹配网络特性和(上面已应用了网络互易条件)可知

(8-5)考虑到，可知一、匹配网络特性对比式(8-4)和(8-5)马上得到匹配网络定理如果网络是一段特性阻抗为Z０的传输线，则

可达到无反射的行波匹配。也分别称为电源和负载的阻抗匹配。需要注意：匹配的概念与匹配区域相关，以后将清楚看到，在匹配区域外，实际上是存在反射波的。

(8-6)一、匹配网络特性图8-4阻抗匹配二、电阻性负载匹配

阻抗匹配大致分成两类：电阻性负载匹配和任意负载匹配。电阻性负载指的是Zl=Rl≠Z０，最常见的是采用线匹配，有

容易得到匹配段的特性阻抗

再次注意到：只有匹配区才无反射波。

(8-7)(8-8)二、电阻性负载匹配图8-5匹配段

［定理］电抗性阻抗通过(8-9)二、电阻性负载匹配变换成纯阻

图8-6

因为这个问题前面已经讨论过，此处不再证明。

(8-10)三、电抗性负载匹配这里的电抗性负载匹配指的是直接用传输线段和并联支节匹配带电抗性负载(Note，不是纯电抗)。1.单枝节匹配匹配对象：任意负载其中调节参数：枝节距负载距离d和枝节长度l。分析枝节匹配的方法均采用倒推法——由结果推向原因。

三、电抗性负载匹配另外，由于短路枝节并联，我们全部采用导纳更为方便。结果要求并联网络关系有(8-11)(8-12)利用和系统的|Γ|不变性，沿等|Γ|圆转到。专门把的圆称为匹配圆。三、电抗性负载匹配图8-7单枝节匹配

单枝节匹配通常有两组解。

三、电抗性负载匹配［例1］Z０=50Ω的无耗传输线，接负载Zl=25+j75Ω采用并联单枝节匹配

图8-8三、电抗性负载匹配1.负载归一化2.采用导纳计算(对应0.412)3.将向电源(顺时针)旋转，与匹配圆(g=1)相交两点4.求出枝节位置三、电抗性负载匹配5短路枝节长度由于短路表示，且是电抗，所以要看单位外圆，如图8-9所示。图8-9

三、电抗性负载匹配共有两组解答，一般选长度较短的一组。

2.双枝节匹配刚才已经注意到：单枝节匹配中枝节距离d是要改变的，为了使主馈线位置固定，自然出现了双枝节匹配。双枝节匹配网络是由两个可变并联短路枝节，中间有一个已知固定距离d=1/8λ（个别也有1/4λ或3/8λ）构成。

三、电抗性负载匹配匹配对象：任意负载调节参数：双枝节长度l１和l２分析的方法同样采用倒推法，假定已经匹配，则十分明显，在匹配圆轨迹。通过传输线(也即向负载方向转90°)，构成轨迹。(在双枝节匹配中,专门称为辅助圆)。

三、电抗性负载匹配也即按等圆旋转到辅助圆上，由此算出。

图8-10双枝节匹配

三、电抗性负载匹配图8-11双枝节辅助圆

三、电抗性负载匹配［例2］解决如图的特殊双枝节匹配。

Z０=50Ω

图8-12

［解］1.采用Z０=50Ω的归一化三、电抗性负载匹配2.并联枝节应用导纳处理3.通过λ/8距离(向电源方向)4.按等电导圆交辅助圆于(本来应该有两个解，这里只讨论其中一个)。则可得三、电抗性负载匹配5.由向负载90°与匹配圆交于另一组解这里未作讨论。于是三、电抗性负载匹配图8-13三、电抗性负载匹配

3.关于“死区”双枝节的一个主要问题是，对于某些负载无法匹配，即所谓“死区”问题。具体若，则＞2则无法匹配。一般地

是“死区”。(8