第3章 检测信号的处理(1)

第3章检测信号的处理工业仪表常用标准信号：电压：0-5V，0-10V,1-5V电流：0-10mA0-20mA4-20mA

第3章检测信号的处理3.1放大器3.2滤波器3.3信号转换电路3.4非线性特性的线性化第3章检测信号的处理3.1放大器放大器将传感器输出的微弱电信号放大到足以进行各种转换处理或推动各种执行机构。第3章检测信号的处理3.2滤波器滤波器可以从测量信号中分离出有用信号，滤除噪声信号，提高测量系统的信噪比。第3章检测信号的处理信号转换电路实现不同类型信号的相互转换，使具有不同输入、输出的器件可以互连。

U/IU/I第3章检测信号的处理3.4非线性特性的线性化在测控系统中，大多数传感器的输入与输出之间并非线性关系。如果非线性误差过大，需对非线性器件的特性进行校正或补偿，使其输入量与校正后的输出量之间呈线性关系。§3.1放大器3.1.1测量放大器的基本要求增益高且稳定共模抑制比高失调与漂移小频带宽线性度好转换速率高阻抗匹配好功耗低抗干扰能力强性价比高举例：仪表放大器AD620参数增益G：1~10,000CMR:100db(最小值，G=10)失调电压：50μV(最大值）失调漂移：0.6μV/℃（最大值）带宽：120kHz(G=100)最大非线性度：40ppm0.01%建立时间：15μs高输入阻抗：10GΩ||2pF低功耗：最大工作电流1.3mA目前市场价：15元人民币左右根据电路实现方式不同，测量放大器分为三类：采用晶体三极管、结型场效应管等分立元件组成采用通用集成运算放大器组成采用单片专用集成放大器组成§3.1放大器根据电路功能和要求不同，测量放大器包括：3.1.2三运放式差动放大器3.1.3单片集成放大器3.1.4可编程增益放大器3.1.5隔离放大器§3.1放大器3.1.2三运放式差动放大器（仪表放大器）§3.1放大器3.1.2三运放式差动放大器（仪表放大器）§3.1放大器差动放大器是把两个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相两个输入端，然后在输出端取出两个信号的差模成分，而尽量抑制两个信号的共模成分。§3.1放大器3.1.2三运放式差动放大器（仪表放大器）§3.1放大器3.1.2三运放式差动放大器（仪表放大器）§3.1放大器3.1.2三运放式差动放大器（仪表放大器）§3.1放大器虚短——运放的电压放大倍数很大(80dB以上），而输出电压有限（10-14V)，因此运放的差模输入电压很小（不足1mV),即同相输入端与反相输入端的电位接近相等，近似短路。U+=U-虚断——由于运放的输入阻抗很高(1MΩ以上），因此流入运放两个输入端的电流十分微弱（不足1μA)，两输入端接近开路，称为虚断。3.1.2三运放式差动放大器（仪表放大器）§3.1放大器差动放大器3.1.2三运放式差动放大器（仪表放大器）§3.1放大器第一级放大增益？第二级放大增益？第二级放大增益3.1.2三运放式差动放大器（仪表放大器）§3.1放大器第一级放大增益？第二级放大增益？3.1.2三运放式差动放大器（仪表放大器）改变Rp可调节放大器增益§3.1放大器§3.1放大器§3.1放大器§3.1放大器§3.1放大器3.1.3单片集成放大器

在差动放大电路中，由于各分立运算放大器的参数不一致，加之电阻难以完全匹配，往往造成共模抑制比降低，增益出现非线性。一些集成电路制造厂家将差动放大电路中的运算放大器集成到一块芯片上，生产出了单片集成放大器，如AD521，AD522，AD612，AD620等。与分立放大器相比，该类集成芯片具有性能优异、体积小、结构简单、低成本等优点，因而得到了广泛使用。下面以美国AnalogDevices公司生产的AD620为例来介绍单片集成放大器的应用。§3.1放大器3.1.3单片集成放大器内部增益电阻R1和R2已调整至绝对值24.7kΩ，因此利用一个外部电阻便可实现对增益的设定。§3.1放大器3.1.3单片集成放大器对于G=1,RG引脚不接§3.1放大器3.1.3单片集成放大器5.49kΩAu=9.998§3.1放大器3.1.3单片集成放大器499ΩAu=100§3.1放大器3.1.3单片集成放大器98.8ΩAu=501§3.1放大器3.1.4可编程增益放大器如何自动改变放大增益?§3.1放大器3.1.4可编程增益放大器运算放大器电阻网络模拟开关译码驱动电路放大电路的增益通过数字逻辑电路由给定的程序来控制电阻网络§3.1放大器3.1.4可编程增益放大器电阻网络美国微芯公司生产的MCP6S2x系列G2G1G0=000~111对应8种增益1，2，4，5，8，10，16，32运算放大器电阻网络模拟开关译码驱动电路§3.1放大器3.1.4隔离放大器将电路的输入侧和输出侧在电气上完全隔离的放大电路称为隔离放大器。隔离放大器的输入、输出和电源电路之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共接地端。变压器耦合（电磁耦合）

线性度高、隔离性好、共模抑制能力强，但工作频带窄、体积大、成本高。光电耦合

成本低、质量轻、结构简单、转换速度快、工作频带宽，但线性度不如变压器耦合，主要用于开关量控制。§3.1放大器3.1.4隔离放大器§3.1放大器3.1.4隔离放大器被测信号在输入级放大后由高频信号调制成调幅波，再通过隔离变压器传送至输出级，经解调、滤波和放大后输出。§3.1放大器3.1.4隔离放大器光电耦合——被测信号在输入级放大后由光电耦合器中的发光二极管转换成光信号，再由光敏二极管、光敏三极管等光电器件转换成电压或电流信号，最后经由放大电路放大后输出。§3.1放大器3.1.4隔离放大器光电耦合——被测信号在输入级放大后由光电耦合器中的发光二极管转换成光信号，再由光敏二极管、光敏三极管等光电器件转换成电压或电流信号，最后经由放大电路放大后输出。§3.2滤波器

滤波器是一种能使有用信号通过，滤除信号中无用频率信号的电子装置。

滤波器的用途滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分．§3.2滤波器3.2.1滤波器的类型低通高通低通滤波器（LPF）高通滤波器（HPF）带通滤波器（BPF）带阻滤波器（BEF）§3.2滤波器3.2.1滤波器的类型带通带阻低通滤波器（LPF）高通滤波器（HPF）带通滤波器（BPF）带阻滤波器（BEF）§3.2滤波器3.2.1滤波器的类型§3.2滤波器3.2.1滤波器的类型根据处理信号不同：模拟滤波器数字滤波器根据组成滤波器电路元器件不同：LC无源滤波器由电感、电容组成，选频特性好，信号能量损耗小，但体积大、不易于集成，测控系统内应用较少。RC无源滤波器由电阻、电容组成，选频特性差，电阻对信号功率有损耗，只用于低性能滤波器。RC有源滤波器（普遍采用）在RC无源滤波器基础上引入运算放大器等具有能量放大作用的有源元件，补偿电阻上损失的能量，具有良好的选频特性。基于特殊元件的无源滤波器机械滤波器，压电陶瓷等，选频特性好、稳定性高，但由于其品种系列有限，不便于调整。§3.2滤波器3.2.1滤波器的类型根据处理信号不同：模拟滤波器数字滤波器RC有源滤波器是一种具有特定频率响应的放大器。它是在运算放大器的基础上增加一些R、C无源元件而构成。根据组成滤波器电路元器件不同：LC无源滤波器RC无源滤波器RC有源滤波器（普遍采用）基于特殊元件的无源滤波器§3.2滤波器3.2.2滤波器的基本参数截止频率fc工程上以信号功率衰减到1/2的频率作为通带与阻带的边界点，称为转折频率，又称为截止频率。通带增益Kp低通滤波器，通带增益一般指ω＝0时的增益；高通滤波器，通带增益一般指ω→∞时的增益；带通滤波器，通带增益一般指中心频率处的增益；带阻滤波器，一般给出阻带衰减，定义为增益的倒数。品质因素Q谐振频率与带宽之比阻尼系数α§3.2滤波器3.2.3二阶RC有源滤波器低通滤波器高通滤波器压控电压源型无限增益多路反馈型双二阶环型§3.2滤波器3.2.3二阶RC有源滤波器带通滤波器带阻滤波器§3.2滤波器3.2.3二阶RC有源滤波器◆低通滤波器通带增益①当输入信号Ui频率较大时：

C2的电抗趋近于0，即U+趋近于0，所以U0趋近于0②当输入信号Ui频率较小时：

C1，C2的电抗趋近于无穷大，相当于断路，其它元件构成同相负反馈放大电路。正反馈负反馈§3.2滤波器3.2.3二阶RC有源滤波器1kHz10V§3.2滤波器3.2.3二阶RC有源滤波器1kHz10V§3.2滤波器3.2.3二阶RC有源滤波器100Hz10V200Hz10V§3.2滤波器3.2.3二阶RC有源滤波器300Hz10V