信号调理电路

信号调理电路的设计与仿真--开放性实验室培训系列教程电气与信息工程学院周维龙2信号调理电路1、概述2、电平调整

3、线性化4、信号变换5、滤波与阻抗匹配

6、模拟数字转换电路3概述1、检测系统的构成力位移速度加速度压力流量温度电阻式电容式电感式压电式热电式光电式磁电式电桥

放大器滤波器调制器解调器运算器

阻抗变换器

笔式记录仪光线示波器磁带记录仪电子示波器半导体存储器显示器磁卡数据处理器

频谱分析仪

FFT

实时信号分析仪

电子计算机

被测对象

传感器

中间变换测量装置

显示及记录装置

实验结果处理装置

激发装置

4概述2、信号调理的基本概念信号调理：对传感器输出信号进行操作，将其转换成满足后续传输与处理系统要求的信号信号调理与检测电路关系：界限不很清楚，有时二者合二为一。如有些教材将电阻抗-电压转换电路（电阻、电感、电容等检测电路）归为信号调理电路。5概述3、信号调理的类型电平调整（放大或衰减）线性化（非线性信号调正成线性信号）信号形式变换（如电压电流变换）滤波与阻抗匹配（滤波电路、传感器内部阻抗或电缆阻抗引起重大误差的处理）6电平调整1、为何进行电平调整检测系统中虽然可以采用输出标准信号的变送器，但在具体设计中也常用传感器加电平调整的方案。原因有三：变送器虽然方便但成本较高，缺乏调节环节；在检测系统设计与调试过程中，为了得到理想的传函常常调整传感器/放大器的传函；变送器量程也是标准的，不能全满足工程要求。7电平调整2、无源电平调整该电路可以实现信号的衰减R1ViVoR2无源电平调整电路8电平调整注意：两个电阻的稳定性直接影响电平调整效果作为传感器电路的负载希望电阻大些，作为后续电路的输入希望电阻小些，折中考虑大阻值（如MΩ）的电阻精度与噪声均较差常用于精度要求较低的场合，否则用有源调整电路9电平调整3、有源电平调整有源电平调整电路普遍采用运算放大器，如反相放大电路、同相放大电路等。ViVoR2反相放大电路+-+RiRfRp10电平调整有源电平调整的特点可以实现放大或衰减，调整方便；满足了阻抗匹配要求；放大电路的带宽有限，一般厂家给增益带宽积，如30MHz，若G=1000，则带宽小于30KHz；放大器本身的噪声影响；放大器参数影响：输入失调电流、输入失调电压11电平调整4、有源电平调整实例某差动压力传感器的输出为33mV~58mV，数据采集卡输入范围为0.5V~4.5V，因此中间需要电平调整电路。调整电路应具有如下特性：33mV~58mV调整成0.5V~4V（留0.5V余量）12电平调整Vi1Vo双运放电压调整电路R2+-+R1R2R2+-+VrefR3R4Vi213电平调整双运放电压调整电路的输出为选取电阻值，使，则电路具有较高CMRR，双运放电压调整电路的输出简化为：14电平调整双运放电压调整电路的增益为改变增益且保证CMRR不变，须同时调整两个电阻值。15线性化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。16线性化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17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。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18线性化电阻RHaRHbRHcabc相对湿度RH%HaHbHcRHRR’h湿敏电阻的线性化19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203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21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。22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R1R2RH2RH1RH23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%HaHbHcHd24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。25线性化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。26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27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：28线性化利用运放构成对数电路，使输出电压为：29线性化运放构成的对数电路原理图如VoR2+-+RDVIR’iDiR30线性化PN结的伏安特性为：常温（25度）时，可以近似为31线性化运放构成的对数电路的输出为：32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%。33线性化+-+1KVo+-+10K+-+9.5K1K22K3K1K24K10K10KW2W1W3RT1μF34信号制式：被测量电压→4～20mA。信号变换1、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。电压-电流变换器：输出负载中的电流正比于输入电压的电路。35信号变换几种电压－电流转换电路浮地电压-电流变电路：R2+-+uiR1RLR2ILR2+-+uiR1RLR2ILI136信号变换具有放大作用的浮地电压-电流变电路：R2+-+uiR1RLR2ILR3R4R2+-+uiR1RLR3ILIR2R437信号变换接地负载电压-电流变电路：R2+-+uiR1RLR3ILR2R5R4R2+-+uiR1R2R3IL+-+R5RLR438信号变换差动电压-电流变电路：R2+-+ui2R1RLR2ILui1R2+-+ui1R1RLR2ILR3R4ui2R539信号变换2、电流－电压转换电流-电压变换：输入电流转换成输出电压，因为传递系数为电阻，也称为转移电阻放大器。如光电检测：光敏二极管将光信号转换成电流，传感器的检测电路需要将其转换成电压。R2+-+RfRPuOc光I40信号变换

注意：电流传感器输出的电流一般较小，特别是微弱信号的检测，必须分析运放失调电流和失调电压所带来的误差放大器。通常选用失调电流小、失调电压小、噪声低的运放。41信号变换

电流经过长距离导线传输的电流电压转换：输入0~10mA输出5000.01μF1K+-+uO100Ii输入阻抗较小，信号源内阻不能太大，电压输出±10V，可以进行大电流转换，但注意电阻的发热问题。42信号变换

小电流、高输入阻抗电流-电压转换电路：+-+uO10KIi输入阻抗大，可以进行小电流转换，电阻一般在100~1MΩ之间，过小则分布电阻影响大，过大则噪声大，精确度变差。43信号变换

纳安小电流电流-电压转换电路：如输入电流：10nA，第一级输出10mV，第二级增益为100，输出为1V，避免了采用大电阻。+-+uO10KIi+-+99K1K44电压－频率转换：模拟输入电压转换成与之成正比的振荡频率。特点：具有良好的精确度、线性、积分输入等，电路简单、外围元件性能要求不高、环境适应能力强、转换速度不低于一般的双积分型AD器件，抗干扰，节省系统接口资源，可长距离传输，成本低，可逆。常用器件：TC9401，AD650信号变换3、电压－频率转换45信号变换组成：积分放大器、电压比较器、单稳触发器、模拟开关、1mA电流源、输出级。AD650电压－频率转换原理46信号变换工作过程：单稳态触发器输出为低电平时，模拟开关控制全部电流流向放大器的输出端，称为积分阶段。单稳态触发器被触发输出为高电平时，模拟开关控制全部电流流向放大器的求和输入端，称为复位阶段47滤波与阻抗匹配

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48滤波与阻抗匹配

49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。50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滤波与阻抗匹配

51滤波与阻抗匹配

有源滤波器

一阶有源低通滤波器

52二阶有源低通滤波器滤波与阻抗匹配

电压并联正反馈

，通带宽度增加

53滤波与阻抗匹配

54滤波与阻抗匹配

一阶高通滤波电路55滤波与阻抗匹配

二阶高通滤波电路56滤波与阻抗匹配

带通滤波电路57滤波与阻抗匹配

带阻滤波电路58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59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）601、模拟－数字转换双积分式A/D转换模拟数字转换电路

特点：精确度高，速度慢61模拟数字转换电路

62逐次比较式A/D转换模拟数字转换电路

63模拟数字转换电路

特点：速度快，应用较广64跟踪比较型A/D转换模