信号检测与处理电路

7.2.1

测量放大器常用于热电偶、应变电桥、流量计、生物电测量以及其它具有较大共模干扰的直流缓变微弱信号的检测。7.2

信号检测系统中的放大电路b.共模抑制比高a.

输入抗阻高主要特点第1页/共143页1.

三运放测量放大器b.电阻R3、R4、R5、R6要精密配合（R3=R5、R4=R6）。a.运放A1、A2的特性一致性。对电路要求(1)原理图A1A2A3+_b1b2+_i––+++–第2页/共143页由图可知(2)电路分析A1A2A3+_b1b2+_i––+++–第3页/共143页A1A2A3+_b1b2+_i––+++–第4页/共143页放大器具有很高的抑制共模信号的能力令输出uO与共模信号uIc无关第5页/共143页2.

单片集成测量放大器AD521工作原理与三运放测量放大器类似性能指标(2)输入阻抗3109

。(3)增益带宽大于2MHz。(4)电压放大倍数0.1~10,000。(5)电源电压±(5~18)V。(6)

过载能力较强，动态特性好。(1)共模抑制比120dB。第6页/共143页(1)引脚说明1234567891011131214OUTOFFSETV––INRG+INSENSEREFRSCOMPOFFSETRSV+RG第7页/共143页(2)基本连接方式图123456781011121314AD521+–第8页/共143页7.2.2隔离放大器特点信号传递的主要方式1.电磁耦合2.光电耦合输入回路与输出回路之间是电绝缘的第9页/共143页二极管——二极管型二极管——三极管型1.光电耦合隔离放大器光敏二极管IoIiIiIo发光二极管发光二极管光敏三极管第10页/共143页b.采用负反馈技术。光电耦合器的特点a.耦合器中的发光和光敏元件都是非线性器件b.非线性器件传输模拟信号将会导致信号失真克服非线性失真通常采取的措施a.给非线性器件施加合适的直流偏置，在小范围内线性传输信息。第11页/共143页一种典型的光电耦合隔离放大器

CA1O1A2+15V+5V–15V–15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1第12页/共143页

CA1O1A2+15V+5V–15V–15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1电压并联负反馈第13页/共143页

CA1O1A2+15V+5V–15V–15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1电压串联负反馈电压并联负反馈第14页/共143页

CA1O1A2+15V+5V–15V–15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1串联负反馈的判断电压串联负反馈电压并联负反馈第15页/共143页工作原理O1、O2特性相同R1=R4+RWR1=R4+RW

CA1O1A2+15V+5V–15V–15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1第16页/共143页uCE2uCE1=uCE2uCE1O1、O2特性相同R1=R4+RWR1=R4+RW

CA1O1A2+15V+5V–15V–15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1第17页/共143页uO=uCE1uI=uCE2uO

=uIuCE2uCE1=uCE2uCE1

CA1O1A2+15V+5V–15V–15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1第18页/共143页实现信号隔离实现信号传输两地独立两地独立输入、输出级之间是电气绝缘的uO

=uI

CA1O1A2+15V+5V–15V–15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1第19页/共143页放大器原理图2.变压器隔离放大器+-1A调制器隔离电源解调器振荡器+-2A输入屏蔽输出屏蔽uOuI第20页/共143页+-1A调制器隔离电源解调器振荡器+-2A输入屏蔽输出屏蔽uOuI调制给输入侧提供能量两侧电源独立解制输入、输出侧间电气绝缘第21页/共143页变压器隔离放大器AD277原理图和引脚+-1A调制器隔离电源解调器振荡器+-2A输入屏蔽输出屏蔽16151114101213(+VCC)126873495(+15V)(-15V)(–VEE)第22页/共143页传感器放大器滤波器增益调整采样保持A/D

转换器计算机系统总线控制电路提取测量信号放大测量信号抑制干扰信号去除无用信号信号加工处理系统第23页/共143页7.3.1滤波器的基础知识功能:允许信号中某一部分频率的分量通过。通带:能够通过信号的频率范围。阻带:不能够通过信号的频率范围。截止频率:通带和阻带之间的分界频率。7.3有源滤波器第24页/共143页滤波器的分类a.根据处理的信号不同分为b.根据使用的滤波元件不同分为数字滤波器模拟滤波器RC型LC型RLC型第25页/共143页c.根据工作频率不同分为低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器全通滤波器第26页/共143页fA0理想滤波器的幅频特性低通fA0通带高通带阻带通通带通带通带通带Af0fA0第27页/共143页0fA0.707实际低通滤波器的幅频特性实际特性理想特性阻带过渡带通带第28页/共143页d.

根据滤波器的阶数分

一阶滤波器二阶滤波器高阶滤波器e.

根据采用的元器件不同分无源滤波器有源滤波器滤器的阶数越高，性能越好。第29页/共143页组成:由电阻、电容、电感等无源器件组成。体积和重量比较大，电感还会引起电磁干扰。(a)

无源滤波器电路简单高频性能好工作可靠优点通带信号有能量损耗负载效应比较明显缺点CRRL无源高通滤波器第30页/共143页(b)有源滤波器电路体积小、重量轻。通带内的信号可以放大。精度高、性能稳定、易于调试。负载效应小。组成：由电阻、电容和有源器件（如集成运放）组成。优点可以多级相连，用低阶来构成高阶滤波器。第31页/共143页通带范围小。需要直流电源。适用于低频、低压、小功率等场合。缺点第32页/共143页1.一阶低通有源滤波器7.3.2低通有源滤波器(1)电路组成(2)电路分析a.电路的传递函数+__+–+第33页/共143页式中Z1(s)Z2(s)故+__+–+第34页/共143页令——滤波器的通带增益+__+–+第35页/共143页b.

滤波器的频率特性令s=jw，得滤波器的频率特性第36页/共143页式中即因电路的频率特性与f的一次方有关故称之为一阶RC有源滤波器第37页/共143页c.

滤波器的幅频特性由得d.相频特性第38页/共143页讨论幅频和相频特性(a)(b)(c)wc、fc分别称为滤波器的截止角频率、截止频率。滤波器具有低通的特性。第39页/共143页3dB020lg|A(jw)|/dB幅频特性曲线–20dB/十倍频幅频特性曲线由第40页/共143页(3)一阶滤波器特点a.

电路简单。b.

过渡带的衰减慢，衰减速率20dB/十倍频。第41页/共143页2.二阶有源低通滤波器(1)电路组成(2)电路分析a.电路的传递函数无限增益多路反馈型二阶有源低通滤波器12+_+_._+第42页/共143页对节点1、2列节点电压方程节点1节点212+_+_._+第43页/共143页由上两式得其中电路的品质因数滤波器的特征角频率第44页/共143页式中为滤波器的通带增益b.

滤波器的频率特性令s=jw，得滤波器的频率特性第45页/共143页c.滤波器的幅频特性由得d.滤波器的相频特性第46页/共143页e.幅频特性分析当

<<

n时，由式知当

>>

n时，电路具有低通滤波器特性第47页/共143页当

=

n时由式知或第48页/共143页幅频特性曲线10–310Q=105210.7070.5–40第49页/共143页这种滤波器称为切比雪夫（Chebyshev）型滤波器a.特性有峰值。

10–310Q=105210.7070.5–40当时b.

Q值越大，尖峰越高。c.当时，电路将产生自激振荡。d.过渡带衰减速度较快。

第50页/共143页c.

Q值越小，幅频特性下降得越早。a.

特性无峰值。b.

通带有衰减。当时10–310Q=105210.7070.5–40第51页/共143页c.幅频特性最平坦a.无峰值这种滤波器称为最大平坦或巴特沃斯（Butterworth）型滤波器。当时10–310Q=105210.7070.5–40b.

在

≤

n的频域下降量最小第52页/共143页巴特沃斯（Butterworth）型滤波器的幅频特性当此时的特征角频率wn才是截止角频率wc。10–310–40–40dB/十倍频第53页/共143页1．一阶高通有源滤波器7.3.3

高通有源滤波器(1)

低通与高通电路的对偶关系C换成RR换成C····第54页/共143页b.电路分析(2)

一阶高通滤波器a.电路组成(a)传递函数Z1(s)Z2(s)+__++_第55页/共143页式中通带增益截止角频率+__++_第56页/共143页滤波器的频率特性令(b)频率特性由得滤波器的截止频率第57页/共143页(c)

滤波器的幅频特性由得幅频特性曲线o十倍频第58页/共143页2．二阶高通有源滤波器

(1)电路组成(2)电路分析压控电压源型电路二阶高通有源滤波器

+_

+_+_A第59页/共143页等效方框内的电路等效电路

A03

2

+

+

––

+_

+_+_A第60页/共143页对节点3、2列节点电压方程

节点3节点2a.传递函数

A03

2

+

+

––第61页/共143页由以上两式电路的传递函数为

其中品质因数通带增益特征角频率第62页/共143页b.频率特性

令由得c.幅频特性第63页/共143页幅频特性曲线10–3Q=105210.7070.5第64页/共143页7.3.4

带通和带阻有源滤波器1．二阶带通有源滤波器(1)电路组成(2)电路分析

32

+

__++A第65页/共143页等效方框内的电路等效电路

32

+

__++A

32

__++A0第66页/共143页对节点3、2列节点电压方程

节点3节点2

32

__++A0第67页/共143页中心频率通带增益品质因数a.电路的传递函数第68页/共143页得滤波器的频率特性c.频幅特性

b.频率特性将s=j

代入式第69页/共143页幅频特性分析当时，(a)当

时，(b)当时，(c)电路具有带通特性称为中心角频率第70页/共143页知在截止频率上满足即求解上式得d.通频带由第71页/共143页故滤波器的通频带宽Q值越大，通频带越窄，滤波器的选择性越强。第72页/共143页Q=105210.50–20–40/wow10.1dBAjA/|)(|lg200带通滤波器的幅频特性第73页/共143页2．二阶带阻有源滤波器(1)电路组成C2CR32RCR/24+_+_+_双T选频网络第74页/共143页列节点电压方程节点2(2)电路分析a.传递函数节点3C2CR32RCR/24+_+_+_第75页/共143页节点4式中

C2CR32RCR/24+_+_+_第76页/共143页其中：故传递函数第77页/共143页得滤波器的频率特性将s=j

代入式b.

频率特性第78页/共143页c.

滤波器的幅频特性幅频特性分析当时，(a)当

时，(b)当时，(c)电路具有带阻特性为中心角频率第79页/共143页解之得截止角频率

上限d.

滤波器的阻带下限令

第80页/共143页故滤波器的阻带宽为第81页/共143页带通滤波器幅频特性11000.1-50Q小Q大第82页/共143页功能——

用来比较输入电压相对大小输出端的信号状态——

高电平和低电平7.4

电压比较器输入电压比较电压（基准电压或参考电平）输入端的信号工作原理——

输入电压偏离参考电压时，输出电压将发生从高到低（或从低到高）的跃变（称之为比较器翻转）。第83页/共143页7.4.1

单门限电压比较器1.零电平比较器

(2)电路特点b.，a.运放工作于开环状态c.输出电压uO≈±VCC(1)电路组成Rb2b1+_+__+第84页/共143页a.当时，b.当

时，(3)工作原理(4)

传输特性O

与零电平（电位）进行比较，故称为零电平比较器。

Rb2b1+_+__+第85页/共143页O理想特性实际特性不灵敏区第86页/共143页(5)

电路存在的问题a.输出电压基本由电源电压确定。b.

输出电平易受电源波动、饱和深度的影响。c.输出电平不易改变。Rb2b1+_+__+第87页/共143页改进型的零电平比较器限流电阻

双向限幅稳压管输出电压

输入保护电路RDZ+_+_+_D1D2传输特性O第88页/共143页2．非零电平比较器

电路简单灵敏度高抗干扰能力差单门限电压比较器的特点O传输特性RDZ+_+_+_UR第89页/共143页tOOt干扰干扰比较电压UR输入电压输出电压误动作误动作单门限比较器抗干扰性能差的波形图第90页/共143页7.4.2

多门限电压比较器1．迟滞比较器1)反相输入迟滞比较器Dz+_+_第91页/共143页给电路提供双极性参考电平加速输出翻转过程引入正反馈正反馈的作用Dz+_+_第92页/共143页反馈电压输出电压a.工作原理Dz+_+_第93页/共143页uOuI传输特性O如果uI<UR当uO=UZ时(a)传输特性Dz+_+_第94页/共143页uOuI传输特性O此时(b)当uI>UR=KUZ时，只要uI>UR传输特性Dz+_+_第95页/共143页uOuI传输特性O(c)当uO=–UZ时如果uI>URDz+_+_第96页/共143页uOuI传输特性O此时(d)当uI<UR=–KUZ时,只要uI<UR，Dz+_+_第97页/共143页O反相输入迟滞比较器传输特性第98页/共143页迟滞比较器的特点(1)提高了电路抗干扰能力(2)降低了电路的灵敏度(3)不能分辨2KUZ范围内变化的信号O不能分辨区第99页/共143页OttO说明迟滞比较器抗干扰性能的波形图输入信号输出信号干扰干扰第100页/共143页(2)同相输入迟滞比较器

a.电路b.特性分析由图可知Dz+_b1b2第101页/共143页根据比较器的特性，当时电路翻转。

令Dz+_b1b2第102页/共143页得比较器的翻转电平为即当uI=±KUZ时uO=0Dz+_b1b2第103页/共143页O只要Uo=+UZuI>–KUZ传输特性当时(a)Dz+_b1b2即第104页/共143页O只要Uo=–UZuI<KUZ传输特性当时(b)Dz+_b1b2第105页/共143页O输出维持原状态Uo=–UZ|uI|<KUZ传输特性当

时(c)Dz+_b1b2第106页/共143页O输出维持原状态Uo=UZ|uI|<KUZ传输特性当时Dz+_b1b2第107页/共143页O同相输入迟滞比较器传输特性具有逆时针旋转的特性第108页/共143页c.

特性平移的迟滞比较器图中Dz+_b1b2第109页/共143页即令得电路的翻转电平为Dz+_b1b2第110页/共143页迟滞回环沿着坐标横轴平移传输特性O第111页/共143页2.窗口比较器(1)电路A1D1D2A2––++T第112页/共143页D1导通D2截止A1输出高电平A2输出低电平当时(a)输出电压2.工作原理（设）晶体管T饱和导通A1D1D2A2––++T第113页/共143页A2输出高电平当时(b)输出电压A1输出低电平D1截止D2导通晶体管T饱和导通A1D1D2A2––++T第114页/共143页晶体管T截止A2输出低电平当时(c)输出电压A1输出低电平D1截止D2截止A1D1D2A2––++T第115页/共143页工业控制系统，测量温度、压力、液面等的范围。窗口比较器的主要应用O传输特性第116页/共143页LM111系列的封装形式和引脚排列7.4.3

集成电压比较器+_12345678OUTGNDIN–IN+BALBAL/S+VCC–VCC第117页/共143页LM111系列典型应用电路具有选通的接法

RT123456785选通+5V+_3kWC基本应用电路23456781Wk3+第118页/共143页电路2373KW•–+LM111系列实现的施密特电路传输特性O第119页/共143页[例1]在图示电路中，设各运放都具有理想特性。试求：

(a)Au1=Uo3/Ui···(b)电路的中频电压放大倍数Aum=Uo/Ui;···练习题A1A2A3R1R2R3R4R5R6R7uIuO2uO1uOA4R9C2330kW27kW110kW15mFRLR11C1uO3R810kW10kW3.33kW+_+++____+10kW10kW33kW3.33kW3.33kW

;第120页/共143页(c)整个电路的上、下限截止频率fH和fL之值。[解]由图可知，运放A1~A3构成三运放测量放大器，运放A4构成一阶低通滤波器，电容器C2

和负载RL构成高通滤波器。

A1A2A3R1R2R3R4R5R6R7uIuO2uO1uOA4R9C2330kW27kW110kW15mFRLR11C1uO3R810kW10kW3.33kW+_+++____+10kW10kW33kW3.33kW3.33kW

第121页/共143页(a)写出uO2与ui的关系

A1A2A3R1R2R3R4R5R6R7uIuO2uO1uOA4R9C2330kW27kW110kW15mFRLR11C1uO3R810kW10kW3.33kW+_+++____+10kW10kW33kW3.33kW3.33kW

第122页/共143页(b)电路的中频电压放大倍数所以，Au1=Uo3/Ui=3···········A1A2A3R1R2R3R4R5R6R7uIuO2uO1uOA4R9C2330kW27kW110kW15mFRLR11C1uO3R810kW10kW3.33kW+_+++____+10kW10kW33kW3.33kW3.33kW

第123页/共143页(c)整个电路的上、下限截止频率分别为A1A2A3R1R2R3R4R5R6R7uIuO2uO1uOA4R9C2330kW27kW110kW15mFRLR11C1uO3R810kW10kW3.33kW+_+++____+10kW10kW33kW3.33kW3.33kW

第124页/共143页[例2]在图示电路中，已知稳压管DZ1、DZ2的击穿电压分别为UZ1=3.4V,UZ2=7.4V,正向压降皆为UD1=UD2=0.6V，运放A具有理想的特性。画出uI由–6V变至+6V，再由+6V变至–6V时电路的电压传输特性曲线。A+_第125页/共143页[解](a)由图可知电路的输出电压极限值

A+_第126页/共143页(b)运放反相输入端电压同相输入端电压

当输入电压uI由–6V向+6V方向变化时，如果同相输入端的电压u+

低于UR，输出电压uO为Uomin

；A+_第127页/共143页由得当同相输入端的电压u+略高于UR时，比较器翻转，输出电压uO为Uomax

。UH=5.3V设此时的输入电压为UHA+_第128页/共143页当uI由+6V向–6V方向变化时，如果u+

高于UR，输出电压uO为Uomax

；当u+略低于UR时，比较器再次翻转，输出电压uO为Uomin

。设此时的输入电压为UL由得A+_第129页/共143页由此可画出电路的传输特性uOuIOUHULUominUomax传输特性A+_第130页/共143页[例3]在图示电路中，设运算放大器A具有理想的特性，其最大输出电压稳压管的稳定电压为,试画出电路的电压传输特性曲线。A+_第131页/共143页[解]由图可知，当稳压管DZ击穿后，由于其动态电阻很小，电路引入深度负反馈。故运放的“虚短”仍然成立。电路的输出电压此时，电阻R3两端的电压为A+_第132页/共143页由知当时，输出高电平电压

当时，输出低电平电压

A+_•第133页/共143页由于运放的同相输入端电压当时电路的低电平阈值电压为故当时电路的高电平阈值电压为A+_•第134页/共143页即当时，；当时，；由此可画出电压传输特性。UHULuOuIUOHUOLO电压传输特性A+_•第135页/共143页[例4]电路如图所示，已知集成运A1

、A2

的性能理想。(1)