信号转换和调理

便于信号传输与处理信号转换与调理目标：

第3章信号转换与调理1.传感器输出信号很微弱，无法直接驱动显示统计仪表，需要进行放大。

4.能量转换型传感器输出是电信号，但混杂有干扰噪声，需要进行滤波，提升信噪比。2.传感器输出信号不但微弱，而且改变迟缓(频率低)，若用交流放大器放大，需要进行调制解调处理。

3.能量控制型传感器输出是电参量，需要转换成电信号才能进行处理(电桥)。

5.传感器输出信号若送给计算机进行分析与处理时，必须进行A/D转换；为了实现远距离传输，必须进行V/I或V/F转换。信号转换和调理第1页1.电压-电流转换

作用：减小传输导线阻抗对信号衰减

（1）负载浮地型V/I转换电路

优点：与负载电阻RL无关，含有恒流特征。缺点：负载必须悬浮，不能接地，不适合用于一些应用场所。3.1信号转换与放大

3.1.1信号转换第3章信号转换与调理信号转换和调理第2页（2）负载接地型V/I转换电路

(取)3.1.1信号转换信号转换和调理第3页案例：AD694在啤酒发酵温度控制系统中应用

LM35温度传感器对发酵罐内温度进行采样，信号放大后经A/D转换送至微处理器。微处理器依据含糊积分控制算法运算结果将控制信号输出至D/A转换器，再放大为0-10V电压信号，最终利用AD694进行V/I转换，得到4-20mA电流信号，自动调整冷却阀门开度，使冷却夹套内冷媒带走多出反应热，实现发酵罐温度控制。

3.1.1信号转换信号转换和调理第4页利用AD694进行V/I转换电路：

输入量程选择引脚4悬空，表示输入电压范围为0-10V，4mA偏置电流选择引脚9接地，表示输出电流范围4-20mA。因为感性负载电流输出引脚11与地之间跨接0.01μF电容，二极管VD1和VD2预防负载电压过高或过低时损坏AD694。

3.1.1信号转换信号转换和调理第5页要求:（1）电流源内阻RS很大，减小输入失调电压影响；（2）IS>>Ib——运放输入偏置电流。2.电流-电压转换简单方法：在输出电路中串接精密电阻，经过测量电阻两端电压即可完成转换，但对后续电路会产生负载效应。（1）反相输入型Uo∞-+A+IS

RSR2R1I3.1.1信号转换信号转换和调理第6页（2）同相输入型要求：R4=R2//R3比如：4~20mA→0~10V

取R1=250Ω，I=4~20mA→

Ui=1~5V→Uo=0~10V

，，，，Uo∞-+A+UbR3R1I

R4R2Ui3.1.1信号转换信号转换和调理第7页3.电压-频率转换

当Uo1=0>UREF时，输出Uo为高电平，V1截止，积分器对Ui积分，使Uo1减小。当Uo1<UREF时，Uo将跃变为低电平，V1导通，C1快速放电，使Uo1增大，如此重复电路产生自激振荡。3.1.1信号转换

作用：实现远距离传输(调频)信号转换和调理第8页案例：LM331在香烟包装机温度检测中应用

热电偶输出电压信号放大后再利用LM331转换为频率信号，频率信号经远距离传输经过光电隔离送入微处理器，微处理器对该频率信号进行处理，输出控制信号经功率放大后驱动可控硅，利用过零触发方式控制加热器电源通断。

3.1.1信号转换信号转换和调理第9页利用LM331进行V/F转换电路：

Rt、Ct、A2、V1和RS触发器组成单稳定时器。

R1和C1组成低通滤波器，降低输入电压干扰，提高转换精度。RS用于调整充电电流IS。3.1.1信号转换信号转换和调理第10页案例：LM331在齿轮转速测量中应用

4.频率-电压转换3.1.1信号转换信号转换和调理第11页5.模拟信号-数字信号转换双积分型：对输入信号交流干扰有较强抑制能力，精度较高，缺点是转换速度较慢。逐次迫近型：转换速度较快，精度较高，而且电路较为简单，所以应用最为广泛，种类也最多。并行比较型：转换速度最快，但难以到达很高分辨率，且电路复杂，功耗大，成本高。A/D转换过程：采样、量化和编码采样：在时间上离散，用模拟信号与脉冲序列相乘实现。量化：在幅值上离散，利用四舍五入规则，用有限个某一最小当量整数倍数值来代替采样值。编码：编码与量化同时完成，通惯用二进制码表示。3.1.1信号转换信号转换和调理第12页A/D转换器技术指标：分辨率：对应一个数字输出模拟输入电压有一定范围，若超出这个幅度范围，数字输出就会发生改变，能分辨输入模拟电压最小改变量叫做分辨率。通常用一个单位分辨率(LSB)或输出二进制位数来表示。或量化误差：经过量化将连续量转换成离散量，必定存在类似于四舍五入产生误差，最大量化误差=±LSB/2。3.1.1信号转换信号转换和调理第13页转换精度：实际ADC在量化值上与理想ADC量化值差值，可用绝对误差或相对误差表示。因为实际ADC量化值除了含有量化误差外，还有非线性误差、使用元件和噪声等产生误差。A/D转换器技术指标：转换时间：完成一次转换所需要时间，转换速率是转换时间倒数。双积分型转换速率较低，转换时间为毫秒级，可用于温度、压力或流量等迟缓改变信号检测。逐次迫近型属于中速ADC转换器，可用于多通道数据采集或声频数字转换等领域。并行转换型转换速率很高，适合用于雷达、数字通信、实时光谱分析、实时信号统计或视频数字转换等。3.1.1信号转换信号转换和调理第14页案例：AD1674与89C51接口电路

3.1.1信号转换信号转换和调理第15页6.数字信号-模拟信号转换案例：DAC1208与89C51接口电路

转换结果经过IOUT1和IOUT2以电流形式输出，运算放大器A作用是将输出电流转换为电压，输出电压为单极性方式，且3.1.1信号转换信号转换和调理第16页DAC1208双极性电压输出方式：

当被控对象需要双极性电压时，可用两个运算放大器A1和A2，输出电压为当参考电压UREF为正时，若输入数字量最高位d11为“1”，则输出电压uo2为正；若d11为“0”，则uo2为负。

3.1.1信号转换信号转换和调理第17页案例：DAC1208在程控低通滤波器中应用

DAC1208参考电压UREF由电压跟随器A1提供，频率特征为：低通滤波器截止频率

与输入12位数字量D相关，利用微处理器改变D值即可改变截止频率。3.1.1信号转换信号转换和调理第18页放大器性能要求：开环增益足够大，闭环增益可调；输入阻抗高(与传感器输出阻抗相匹配)，输出阻抗低；共模抑制比高：CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc；足够带宽和转换速率；漂移小、噪声低、输入失调电压低、输入失调电流小。3.1.2信号放大

3.1信号转换与放大信号转换和调理第19页1.反相放大器特点：性能稳定，但输入阻抗低。而且提高输入阻抗与提升增益之间存在矛盾。3.1.2信号放大R3UiR1R2∞A-++Uo信号转换和调理第20页特点：输入阻抗高，但精度低，易受干扰。

2.同相放大器R2R3UiR1∞A-++Uo3.1.2信号放大信号转换和调理第21页3.差动放大器取R1=R3，R2=R4，则R3UoR4Ui2R1R2Ui1∞+-+AUid=Ui2﹣Ui1

Uic=(Ui1+Ui2)/2特点：CMRR高，但输入阻抗较低，增益调整困难。3.1.2信号放大信号转换和调理第22页4.仪用放大器A1A2：两个对称同相放大器，以提升输入阻抗；A3：差动放大器，以抵消前级共模干扰，而且还将双端输入转换为单端输出，适应对地负载需要。3.1.2信号放大信号转换和调理第23页3.1.2信号放大信号转换和调理第24页集成仪用放大器INA114内部结构：3.1.2信号放大信号转换和调理第25页案例：INA114与测量电桥连接3.1.2信号放大RPUoINA11418327654+5V-5Vu信号转换和调理第26页案例：INA114在光功率自动控制电路中应用

光功率自动控制电路作用：克服供电电源波动或光源老化等原因影响，确保光源输出功率稳定。3.1.2信号放大信号转换和调理第27页当激光器LD因某种原因功率增大时，耦合至光敏二极管PIN光电流也同百分比增大，从而使电阻R1上电位升高。此时INA114输出电压Uo降低，即U1也降低，流过LD电流I也对应降低，从而到达降低LD辐射功率。

3.1.2信号放大信号转换和调理第28页5.程控增益放大器3.1.2信号放大信号转换和调理第29页案例：AD526在超声波测距中应用

微处理器依据输入信号幅值自动调整AD526增益，确保在整个测量范围处理后回波信号含有适当动态范围。

模拟开关：确保在发射超声波时接收电路关闭，防止干扰。

3.1.2信号放大信号转换和调理第30页3.3调制与解调目标：处理微弱缓变信号放大以及信号传输问题。

第3章信号转换与调理信号转换和调理第31页

先将微弱缓变信号(被测信号)用高频载波加载到高频交流信号中，然后用交流放大器进行放大，最终再从放大器输出信号中取出放大缓变信号。3.3调制与解调案例：交流电桥含有调幅作用信号转换和调理第32页3.3调制与解调信号转换和调理第33页3.3.1调幅及其解调

被测信号调幅高频调幅信号放大放大高频调幅信号解调放大被测信号1.双边带调幅:

直接将高频载波与被测信号(调制波)相乘，载波信号幅值随被测信号发生改变。3.3调制与解调信号转换和调理第34页双边带调幅与同时解调过程(波形分析——时域分析)乘法器放大器x(t)y(t)xm(t)乘法器滤波器y(t)x(t)xo(t)3.3.1调幅及其解调信号转换和调理第35页双边带调幅与同时解调过程(频域分析)乘法器放大器x(t)y(t)xm(t)乘法器滤波器y(t)x(t)xo(t)3.3.1调幅及其解调信号转换和调理第36页双边带调幅与同时解调过程(数学分析)乘法器放大器x(t)y(t)xm(t)乘法器滤波器y(t)x(t)xo(t)3.3.1调幅及其解调信号转换和调理第37页2.偏置调幅:

把被测信号x(t)进行偏置，叠加一个直流分量A，使偏置后信号都含有正电压，然后再与高频载波相乘得到调幅波。A3.3.1调幅及其解调信号转换和调理第38页偏置调幅波形分析：3.3.1调幅及其解调信号转换和调理第39页偏置调幅解调低通滤波二极管检波(包络检波)3.3.1调幅及其解调信号转换和调理第40页调幅波波形失真：（1）过调失真：对于偏置调幅，要求其直流偏置必须足够大，不然x(t)相位将发生180o。3.3.1调幅及其解调信号转换和调理第41页（2）重合失真：双边带调幅波是由一对每边为fm双边带信号组成。当载波频率f0较低时，正频端下边带将与负频端上边带相重合。要求：

f0＞10fm

003.3.1调幅及其解调信号转换和调理第42页y(t)xo(t)3.相敏检波作用：（1）同时解调（2）判断极性3.3.1调幅及其解调信号转换和调理第43页

当y(t)>0时，V1截止，V2导通，运算放大器A2反相输入端接地，调幅波xm(t)从A2同相输入端输入。3.3.1调幅及其解调信号转换和调理第44页

当y(t)<0时，V1导通，V2截止，运算放大器A2同相输入端接地，调幅波xm(t)从A2反相输入端输入。3.3.1调幅及其解调信号转换和调理第45页

当x(t)>0时，调幅波xm(t)与载波y(t)同频同相，相敏检波器输出xo(t)为正。

当x(t)<0时，调幅波xm(t)与载波y(t)同频反相，相敏检波器输出xo(t)为负。波形分析：3.3.1调幅及其解调信号转换和调理第46页差动电阻、电容、电感传感器后接仪表方框图

3.3.1调幅及其解调信号转换和调理第47页3.3.2调频及其鉴频

调频是利用被测信号x(t)幅值控制高频载波频率，即调频波是一个随被测信号x(t)幅值而改变疏密程度不一样等幅波。调频实质是电压-频率转换过程。

3.3调制与解调1.调频原理

信号转换和调理第48页3.3.2调频及其鉴频信号转换和调理第49页压控振荡器(VCO)调频：

3.3.2调频及其鉴频信号转换和调理第50页

当Uy=+UD(稳压管稳压值)时，乘法器输出Uz>0，电容C充电，反相积分器A2输出U2减小。当U2<-UD时，正反馈放大器A1翻转，Uy=-UD；当Uy=-UD时，乘法器输出Uz<0，电容C放电，反相积分器A2输出U2增大。当U2>+UD时，正反馈放大器A1又翻转，Uy=+UD。由此可见，压控振荡器输出信号Uy为方波，其频率与被测信号Ux成正比。设Ux是恒值正电压，则

3.3.2调频及其鉴频信号转换和调理第51页2.鉴频原理采取变压器耦合谐振回路进行鉴频，把频率改变转换为电压幅值改变。鉴频实质是频率-电压转换过程。3.3.2调频及其鉴频信号转换和调理第52页频率－电压线性变换部分将等幅调频波uf转换为幅值随频率改变调频调幅波ua。幅值检波部分检测幅值改变，得到叠加了偏置电压调制波uo，去掉uo中直流偏置电压即可取得原被测信号(调制信号)。3.3.2调频及其鉴频信号转换和调理第53页调频优点：抗干扰能力强

调频波通常要求频带很宽，为调幅所要求带宽20倍；调频电路比调幅电路复杂，因为频率调制是一个非线性调制。因为调频波所携带信息包含在频率改变中，并非幅值改变，而干扰波干扰作用则主要表现在幅值中。

调频缺点：要求频带宽、电路复杂3.3.2调频及其鉴频信号转换和调理第54页案例：旋转机械扭矩测量(调幅)3.3调制与解调信号转换和调理第55页案例：铁路机车调度信号检测(调频)调制频率8.5Hz，绿灯调制频率23.5Hz，红灯3.3调制与解调信号转换和调理第56页3.4滤波器

滤波器是一个选频装置，使信号中特定频率成份经过，而极大地衰减其它频率成份。工件表面粗糙度测量，滤掉表面形状误差。第3章信号转换与调理信号转换和调理第57页3.4.1滤波器分类(按所选频率分)

3.4滤波器高通c1低通c2信号转换和调理第58页带阻c1c2带通c1c23.4.1滤波器分类信号转换和调理第59页3.4.2滤波器特征

理想滤波器是指在通带内信号幅值为一常数A0，相位与频率成线性关系。阻带区频率成份都衰减为零，其通带和阻带之间有竖直分界限。A(f)fcf-fcoA0ffc-fco其它1.理想滤波器

3.4滤波器信号转换和调理第60页2.实际滤波器

理想滤波器是不存在，实际滤波器幅频特性并非为常数，通带和阻带之间也没有严格界限，存在过渡带。

ofA(f)3.4.2滤波器特征信号转换和调理第61页（1）波纹幅度d：通带内幅频特征波动量；offc1fc2A00.707A0BQ=f0/B2dA(f)f0（2）截止频率fc：A(f)=0.707A0所对应频率；

3.4.2滤波器特征信号转换和调理第62页（4）倍频程选择性W：频率改变一倍幅值衰减量。

（5）滤波器因数

：-60dB带宽与-3dB带宽比值。

（3）带宽B和品质因数Q：上下截止频率之差称为带宽。中心频率和-3dB带宽B之比称为品质因数。3.4.2滤波器特征信号转换和调理第63页3.4.3RC有源滤波器

RC有源滤波器由RC无源滤波网络和运算放大器组成。运算放大器作用：

（1）放大信号；（2）减小负载效应(级间隔离)3.4滤波器1.一阶有源低通滤波器信号转换和调理第64页3.4.3RC有源滤波器当时，——理想状态当时，——积分步骤上截止频率：通带增益：信号转换和调理第65页上截止频率：通带增益：通带外侧高频衰减率为-20dB/十倍频程。

3.4.3RC有源滤波器信号转换和调理第66页2.二阶有源低通滤波器通带外侧高频衰减率为-40dB/十倍频程。

（1）由两个一阶低通滤波器简单组合

3.4.3RC有源滤波器信号转换和调理第67页（2）压控电压源型低通滤波器

由运算放大器A和电阻Rf、R3组成电压源受控于同相端电压，故称为压控电压源型滤波器。3.4.3RC有源滤波器信号转换和调理第68页（3）无限增益多路反馈型低通滤波器

该电路以高增益运算放大器和多反馈回路为关键，故称为无限增益多路反馈型滤波器。

3.4.3RC有源滤波器信号转换和调理第69页3.二阶有源带通滤波器3.4.3RC有源滤波器信号转换和调理第70页当，时，K1闭合，K2断开，ui向C充电，充电电荷为：4.开关电容滤波器利用开关和电容代替电路中与频率相关电阻。（1）开关电容单元电路当，时，K1断开，K2闭合，C向外放电，放电电荷为：3.4.3RC有源滤波器信号转换和调理第71页在一个时钟脉冲周期TCLK内电容单元转移电荷为：流过电容单元平均电流为：当TCLK很小时，开关电容单元等效电阻为：3.4.3RC有源滤波器信号转换和调理第72页（2）开关电容低通滤波器由等效电路可得上截止频率为：改变时钟脉冲频率fCLK即可调整滤波器截止频率。

3.4.3RC有源滤波器信号转换和调理第73页恒带宽与恒带宽比滤波器：

实际滤波器中心频率是可调，依据中心频率与带宽之间数值关系，可分为两种。（1）恒带宽比带通滤波器(高频分辨率低)

（2）恒带宽带通滤波器(分辨率高)

3.4滤波器信号转换和调理第74页若将低通滤波器中RC交换位置，则变为高通滤波器，低通滤波器和高通滤波器是最基本形式，其它滤波器都能够分解为这两种类型滤波器。滤波器串联／并联：

低通滤波器和高通滤波器并联为带阻滤波器3.4滤波器低通滤波器和高通滤波器串联为带通滤波器信号转换和调理第75页产品：LineDa:LTC1564MAXIM:MAX74xx3.4滤波器信号转换和调理第76页超门限报警

案例：旅游索道钢缆检测3.4滤波器信号转换和调理第77页由案例提炼经典试验：钢管无损探伤

滤除信号中零漂和低频晃动，便于门限报警3.4滤波器信号转换和