第7章 测量信号调理

第7章测量信号调理

7.1

信号放大7.2信号滤波7.3

信号线形变换关闭信号放大7.17.1.2

隔离放大器7.1.1

仪用放大器仪用放大器仪用放大器基本结构1

仪用放大器集成电路27.1.1仪用放大器基本结构7.1.11）三运放电路由三运放电路组成的仪用放大器有两级组成（如图7.1.1所示），第一级是两个对称的同相放大器，第二级是差动放大器——减法器。如果Al、A2和A3都是理想运放。则v1＝v2，v3＝v4，仪用放大器基本结构1仪用放大器基本结构7.1.11）三运放电路由三运放电路组成的仪用放大器有两级组成（如图7.1.1所示），第一级是两个对称的同相放大器，第二级是差动放大器——减法器仪用放大器基本结构1vo+_+_+_R3R4R1R2R5R6RBv1v2v3v4vO1vO2A1A2A3IB图7.1.1三运放电路图仪用放大器基本结构7.1.1如果Al、A2和A3都是理想运放。则v1＝v2，v3＝v4，仪用放大器基本结构1仪用放大器基本结构7.1.1仪用放大器基本结构1因此仪用放大器第一级放大倍数：输出电压

仪用放大器基本结构7.1.1

为了提高电路的抗共模干扰能力和抑制漂移的影响，应根据上下对称的原则选择电阻参数。R1＝R2，R3＝R4，R5＝R6，仪用放大器基本结构1由(7-3)式可知，在共模电压作用下，输出电压为零，电阻RB两端是不会产生电位差的，因此仪用放大器具有很高的共模抑制能力。二级放大倍数：仪用放大器基本结构7.1.1

仪用放大器基本结构1仪用放大器总的放大倍数：

若取R3＝R4，R5＝R6，

仪用放大器基本结构7.1.1(2）双运放电路双运放电路如图7.1.2所示，根据电路线性叠加原理，分别计算电路在输入信号v1和v2作用下的输出信号vO1和vO2，则vO＝vO1＋vO仪用放大器基本结构1vo+_+_R3R2R4v1v2A1A2R1v01图7.1.2双运放电路仪用放大器基本结构7.1.1仪用放大器基本结构1仪用放大器集成电路7.1.2（1）概述理想运放的CMRR值（共模抑制比）应该是无穷大的，但大多数集成运算放大器的CMRR值实际上在80dB以上。目前市场上所有的仪用放大器的共模抑制比在200Hz处就开始衰减，因而不能满足某些系统在宽带干扰抑制方面的应用要求。（2）仪用放大器AD8221AD8221可广泛用于精确数据采集、生物医学信号分析和航空航天仪器系统中。由于它具有低失调电压、低失调电压温漂、低增益漂移、高增益精度等特点，因而非常适用于要求直流特性比较高的应用领域，例如桥式电路信号测量等。另外，它还可应用于生产过程控制、医疗仪器、应变仪和传感器接口等电路中。仪用放大器集成电路2仪用放大器集成电路7.1.2仪用放大器集成电路2

应用电路-利用AD8221作精确应变测量+_350Ω0.1μFRAD8221－IN350Ω350Ω350Ω5V2.5V10μF图7.1.3桥路信号测量电路图隔离放大器概述1光电耦合器27.1.2光电隔离放大器3新型光电隔离放大器36504概述7.1.2采用变压器耦合的隔离放大器有:BB公司（BURR-BROWN公司）的ISO212、3656；AD公司（AnalogDevices公司）的AD202、AD204、AD210、AD215；采用电容耦合的隔离放大器有:BB公司的ISO102，ISO103，ISO106，ISO107，ISO113，ISO120，ISO121，ISO122，ISO175；采用光电耦合的隔离放大器有:BB公司的ISO100，ISO130，3650，3652概述1光电耦合器7.1.2(1)光电耦合器原理及特性在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电一光一电的转换。(2)光电耦合器可作为线性耦合器使用。在发光二极管上提供一个偏置电流，再把信号电压通过电阻耦合到发光二极管上，这样光电晶体管接收到的是在偏置电流上增、减变化的光信号，其输出电流将随输入的信号电压作线性变化。光电耦合器2光电隔离放大器7.1.2光电耦合器件具有非线性电流传输的特性，如果直接用于模拟量的传输，则线性度和精度都很差。于是很多国外器件公司相继推出线性光耦隔离放大器件，它利用发光二极管LED与两个光电二极管进行耦合，一路反馈到输入端，一路耦合到输出端，经过激光调整精心匹配，线性度和稳定度都很好。光电隔离放大器3R1OE图7.1.4性能优良的线性光电耦合放大器+_R2vIR3vCC+VCCR4C_+vOA2A1新型光电隔离放大器36507.1.2（1）3650是Ｂ-Ｂ公司生产的新型光电隔离放大器，尺寸小、价格低、具有较宽的带宽且性能可靠。由于采用了直流模拟调制技术，从而避免了大多数隔离放大器模块在信号传送和接收所存在的电磁干扰问题。（2）光电隔离放大器3650应用说明电源失调电压的调节电源新型光电隔离放大器36504信号滤波7.27.2.2

RC有源滤波电路7.2.1

概述概述滤波器类型1滤波器的主要特性指标27.2.1滤波器传递函数3

滤波器特性的逼近4滤波器类型

7.2.1

1.滤波器类型（1）按处理信号形式分：模拟滤波器和数字滤波器（2）按功能分：低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、带阻滤波器(BEF)，全通滤波器。（3）按电路组成分：LC无源滤波器、RC无源滤波器、由特殊元件构成的无源滤波器、RC有源滤波器(4)按传递函数的微分方程阶数分：一阶滤波器、二阶滤波器、高阶滤波器滤波器类型1滤波器的主要特性指标7.2.1（1）特征频率：①通带截止频率②阻带截止频率③转折频率④固有频率（2）增益与衰耗（3）阻尼系数与品质因数（4）灵敏度（5）群时延函数滤波器的主要特性指标2滤波器传递函数7.2.1高阶滤波器的传递函数可以由多个二阶函数（n为偶数）或一个一阶函数和多个二阶函数（n为奇数）乘积求得。所以二阶滤波器为基本滤波器。滤波器传递函数3滤波器特性的逼近7.2.1理想滤波器要求幅频特性A(w)在通带内为一常数，在阻带内为零，没有过渡带，还要求群延时函数在通带内为一常量，实际上无法实现的。因此工程实践中往往选择适当逼近方法，实现对理想滤波器的最佳逼近。测控系统中常用的三种逼近方法为：巴特沃斯逼近法；切比雪夫逼近法；贝赛尔逼近法。滤波器特性的逼近4RC有源滤波电路压控电压源型RC有源滤波电路1无限增益多路反馈型滤波电路27.2.2双二阶环滤波电路3有源滤波器集成电路4压控电压源型RC有源滤波电路7.2.2（1）低通滤波电路压控电压源型RC有源滤波电路1+R0Rvo(t)C1C2R2R1+_图7.2.1低通滤波电路压控电压源型RC有源滤波电路7.2.2（2）高通滤波器压控电压源型RC有源滤波电路1vo(t)R0RC2C1R1R2-++_图7.2.2高通滤波电路压控电压源型RC有源滤波电路7.2.2（3）带通滤波器压控电压源型RC有源滤波电路1vi(t)R0Rvo(t)C1C2R1R2R3+_图7.2.3带通滤波器压控电压源型RC有源滤波电路7.2.2（4）带阻滤波器压控电压源型RC有源滤波电路1R1C3R0Rvo(t)vi(t)C2C1R3R2+_图7.2.4带阻滤波器无限增益多路反馈型滤波电路7.2.2无限增益多路反馈型滤波电路由两部分构成：理论上具有无限增益的运算放大器和多路反馈网络。主要有以下几种类型：（1）低通滤波电路(图7.2.5)

（2）高通滤波器(图7.2.6)无限增益多路反馈型滤波电路2双二阶环滤波电路7.2.2（1）具有低通与带通滤波功能的双二阶环滤波器双二阶环滤波电路3R1R0R2C1R3R4R5vi(t)C2v3(t)v2(t)v1(t)+_+_+_图7.2.8具有低通与带通滤波功能的双二阶环滤波电路A1A2A3双二阶环滤波电路7.2.2

2）可实现高通、带阻与全通滤波的双二阶环电路图7.2.9所示为可实现高通、带阻与全通滤波的双二阶环电路，通过对电路参数设置，可实现不同功能。令R03开路，R01=R02R2/R3

，电路实现高通滤波功能；令R01=R02R2/R3

，R03=R02R5/R4，电路实现带阻滤波功能；令R01=R02R2/(2R3)

，R03=R02R5/R4

，电路实现全通滤波功能。双二阶环滤波电路3双二阶环滤波电路7.2.2双二阶环滤波电路3vo(t)vi(t)R01R1R2C1R3R4R5R02R03C2+_+_+_图7.2.9可实现高通、带阻与全通滤波的双二阶环电路A1A2A3双二阶环滤波电路7.2.23）低通、高通、带通、带阻与全通滤波电路图7.2.10所示为可实现低通、高通、带通、带阻与全通滤波功能的双二阶环电路，通过对电路参数设置，可实现不同功能。双二阶环滤波电路3vi(t)vH(t)vB(t)vL(t)vX(t)R01R02R04R03R1R2R05R06R07R0C2C1图7.2.10具有低通、高通、带通、带阻与全通滤波功能的双二阶环电路+_+_+_+_有源滤波器集成电路7.2.2目前电子市场上已有多种有源滤波器集成电路，例如美国MAXIM公司的MAX274/275，MAX26X系列（引脚可编程的通用及带通滤波器）；BB公司的UAF42有源滤波器；美国LTC(linearTechnologyCorp)公司的LTC1562等。有源滤波器集成电路4信号线性变换7.37.3.2

电压频率变换7.3.1

电压电流变换电压电流变换负载浮置的电压-电流转换电路1负载接地的电压—电流变换器27.3.1负载浮置的电压-电流转换电路7.3.1（1）如图7.3.1所示为实现电压-电流转换的基本原理电路。根据运算放大器的特性，可以求得负载浮置的电压-电流转换电路1（2）这种电路的缺点是负载电流全部要由输入信号源提供。为减小输入电压提供的电流可将负载改接到放大的输出端，如图7.3.2所示.负载浮置的电压-电流转换电路7.3.1负载浮置的电压-电流转换电路1

(3)采用加大运算放大器输入阻抗和采用同相运算放大器，将输入信号接入同相端，可以减小负载从输入信号源汲取的电流，如图7.3.3所示。

ZLR1vOvI←I1←IL图7.3.3负载浮置的同相运算放大电路+_负载接地的电压-电流转换电路7.3.1负载接地的电压-电流转换电路2因为实际应用中常常要求负载电阻一端接地，以便与后续电路相连，所以可以采用单个或两个运算放大器电路运算放大器的电路组成负载接地的电压—电流变换器。R2R1vO→I1↓IL图7.3.4负载接地的单运放电压—电流变换器+_R3R4ZLvLvI↓I3负载接地的电压-电流转换电路7.3.1负载接地的电压-电流转换电路2根据电路的叠加原理，输出电压为由图7.3.4可知，电压频率变换积分复原型电压频率变换器1电荷平衡型电压频率变换器27.3.2电压频率变换器集成电路3积分复原型电压频率变换器7.3.2积分复原型电压频率变换器2积分复原型电压频率变换器由积分器、比较器和积分复原模拟开关等部分组成。积分复原型电压频率变换器基本工作原理相似，主要差别在于复位方法、复位时间长短。图7.3.5所示为积分复原型电压频率变换器原理图。

模拟开关积分器比较器参考电压vR输入信号vIvF图7.3.5积分复原型电压频率变换器原理图vO积分复原型电压频率变换器7.3.2积分复原型电压频率变换器2输入信号vI经过积分器积分，积分后的电压vO与比较器的参考电压vR比较，vO=vR，比较器翻转，比较器输出控制模拟开关切换到vF

，模拟开关使积分器复原为零。假定vI>0，则积分器输出经过一段时间T1

后，

比较器翻转，积分器经过一段时间T2后复原为零。比较器输出频率由公式（7.3.9）可知，变换电路的输出频率f0与输入电压vI成正比。电荷平衡型电压频率变换器7.3.2电荷平衡型电压频率变换器2积分复原型电压频率变换器提高精度的主要方法是缩小复位时间。若要使非线性