第3章 檢測信號的處理(1)

1、第第3章章 檢測信號的處理檢測信號的處理工業(yè)儀表常用標(biāo)準(zhǔn)信號：工業(yè)儀表常用標(biāo)準(zhǔn)信號：電壓：電壓： 0-5V，0-10V, 1-5V電流：電流： 0-10mA 0-20mA 4-20mA 第第3章章 檢測信號的處理檢測信號的處理u3.1 放大器放大器u3.2 濾波器濾波器u3.3 信號轉(zhuǎn)換電路信號轉(zhuǎn)換電路u3.4 非線性特性的線性化非線性特性的線性化第第3章章 檢測信號的處理檢測信號的處理u3.1 放大器放大器 放大器將傳放大器將傳感器輸出的微弱感器輸出的微弱電信號放大到足電信號放大到足以進行各種轉(zhuǎn)換以進行各種轉(zhuǎn)換處理或推動各種處理或推動各種執(zhí)行機構(gòu)。執(zhí)行機構(gòu)。第第3章章 檢測信號的處理檢測信號

2、的處理u3.2 濾波器濾波器濾波器濾波器可以可以從測量信號中分離出有用信號，濾除噪聲信從測量信號中分離出有用信號，濾除噪聲信號，提高測量系統(tǒng)的信噪比。號，提高測量系統(tǒng)的信噪比。第第3章章 檢測信號的處理檢測信號的處理u信號轉(zhuǎn)換電路信號轉(zhuǎn)換電路 實現(xiàn)不同類型信號的相互轉(zhuǎn)換，使具有不同輸實現(xiàn)不同類型信號的相互轉(zhuǎn)換，使具有不同輸入入 、輸出的器件可以互連。、輸出的器件可以互連。 U/IU/I第第3章章 檢測信號的處理檢測信號的處理u3.4 非線性特性的線性化非線性特性的線性化在測控系統(tǒng)中，大多數(shù)傳在測控系統(tǒng)中，大多數(shù)傳感器的輸入與輸出之間并感器的輸入與輸出之間并非線性關(guān)系。如果非線性非線性關(guān)系。如果

3、非線性誤差過大，需對非線性器誤差過大，需對非線性器件的特性進行校正或補償，件的特性進行校正或補償，使其輸入量與校正后的輸使其輸入量與校正后的輸出量之間呈線性關(guān)系出量之間呈線性關(guān)系。3 3. .1 1 放大器放大器3.1.1 測量放大器的基本要求測量放大器的基本要求 n增益高且穩(wěn)定增益高且穩(wěn)定 n共模抑制比高共模抑制比高n失調(diào)與漂移小失調(diào)與漂移小n頻帶寬頻帶寬n線性度好線性度好n轉(zhuǎn)換速率高轉(zhuǎn)換速率高n阻抗匹配好阻抗匹配好n功耗低功耗低n抗干擾能力強抗干擾能力強n性價比高性價比高 舉例：儀表放大器舉例：儀表放大器AD620參數(shù)參數(shù)l 增益增益G：110,000l CMR: 100db(最小值，最小

4、值，G=10)l 失調(diào)電壓：失調(diào)電壓：50V(最大值）最大值）l 失調(diào)漂移：失調(diào)漂移：0.6V/（最大值）（最大值）l 帶寬：帶寬：120kHz(G=100)l 最大非線性度：最大非線性度：40ppml 0.01%建立時間：建立時間：15sl 高輸入阻抗：高輸入阻抗：10G|2pFl 低功耗：最大工作電流低功耗：最大工作電流1.3mAl 目前市場價：目前市場價：15元人民幣左右元人民幣左右 根據(jù)電路實現(xiàn)方式不同，測量放大器分為三類：根據(jù)電路實現(xiàn)方式不同，測量放大器分為三類：n采用晶體三極管、結(jié)型場效應(yīng)管等分立元件組成采用晶體三極管、結(jié)型場效應(yīng)管等分立元件組成n采用通用集成運算放大器組成采用通用

5、集成運算放大器組成n采用單片專用集成放大器組成采用單片專用集成放大器組成3 3. .1 1 放大器放大器 根據(jù)電路功能和要求不同，測量放大器包括：根據(jù)電路功能和要求不同，測量放大器包括：n 3.1.2 三運放式差動放大器三運放式差動放大器n 3.1.3 單片集成放大器單片集成放大器n 3.1.4 可編程增益放大器可編程增益放大器n 3.1.5 隔離放大器隔離放大器3 3. .1 1 放大器放大器3.1.2 三運放式差動放大器（儀表放大器）三運放式差動放大器（儀表放大器） 3 3. .1 1 放大器放大器21?ooudUUAUUU3.1.2 三運放式差動放大器（儀表放大器）三運放式差動放大器（儀

6、表放大器） 3 3. .1 1 放大器放大器差動放大器是把兩個輸入信號分差動放大器是把兩個輸入信號分別輸入到運算放大器的同相和反別輸入到運算放大器的同相和反相兩個輸入端，然后在輸出端取相兩個輸入端，然后在輸出端取出兩個信號的出兩個信號的差模成分差模成分，而盡量，而盡量抑制兩個信號的抑制兩個信號的共模成分共模成分。3.1 3.1 放大器放大器3.1.2 三運放式差動放大器（儀表放大器）三運放式差動放大器（儀表放大器） 3 3. .1 1 放大器放大器12/ 2/ 2idicidicuuuuuu 3.1.2 三運放式差動放大器（儀表放大器）三運放式差動放大器（儀表放大器） 3.1 3.1 放大器放

7、大器3.1.2 三運放式差動放大器（儀表放大器）三運放式差動放大器（儀表放大器） PPPORRUUUURRURRU112121111)()1(3 3. .1 1 放大器放大器虛短虛短運放的電壓放大倍數(shù)很大運放的電壓放大倍數(shù)很大(80dB以上以上），而輸出電壓有限（），而輸出電壓有限（10-14V)，因此運放的差模輸入電壓很?。ǎ虼诉\放的差模輸入電壓很?。ú蛔悴蛔?mV), 即同相輸入端與反相即同相輸入端與反相輸入端的電位接近相等，近似短路。輸入端的電位接近相等，近似短路。 U+ = U-虛斷虛斷由于運放的輸入阻抗很高由于運放的輸入阻抗很高(1M以上以上），因此流入運放兩個輸入），因此流入運放

8、兩個輸入端的電流十分微弱（端的電流十分微弱（不足不足1A)，兩輸入端接近開路，稱為虛斷。，兩輸入端接近開路，稱為虛斷。3.1.2 三運放式差動放大器（儀表放大器）三運放式差動放大器（儀表放大器） PPPORRUUUURRURRU112121111)()1(3 3. .1 1 放大器放大器差動放大器差動放大器21foutusRUAUUR12OUTsffsfUUUURRRUURRUU3.1.2 三運放式差動放大器（儀表放大器）三運放式差動放大器（儀表放大器） 3 3. .1 1 放大器放大器 第一級第一級放大增益？放大增益？ 第二級第二級放大增益？放大增益？第二級放大增益第二級放大增益020201

9、fuRUAUUR3.1.2 三運放式差動放大器（儀表放大器）三運放式差動放大器（儀表放大器） 3 3. .1 1 放大器放大器 第一級第一級放大增益？放大增益？ 第二級第二級放大增益？放大增益？020201fuRUAUUR21020112020112121PPPuPRUUUURRRUURRRAUUR（）1212*(1)fuuuPRRRAAARR3.1.2 三運放式差動放大器（儀表放大器）三運放式差動放大器（儀表放大器） PPPORRUUUURRURRU112121111)()1(改變改變Rp可調(diào)節(jié)放大器增益可調(diào)節(jié)放大器增益3 3. .1 1 放大器放大器01221(1)fuPRURRAUURR

10、5.102510.210VmV3 3. .1 1 放大器放大器12(1)1001010150015fuPRRRARR（）3.1 放大器放大器6.102610.210VmV12(1)1001010160014fuPRRRARR（）3.1 放大器放大器12(1)1001010143316fuPRRRARR（）4.435443.510VmV 3.1 放大器放大器3.1.3 單片集成放大器單片集成放大器 在差動放大電路中，由于各分立運算放大器的參數(shù)不在差動放大電路中，由于各分立運算放大器的參數(shù)不一致，加之電阻難以完全匹配，往往造成共模抑制比降低，一致，加之電阻難以完全匹配，往往造成共模抑制比降低，增益

11、出現(xiàn)非線性。一些集成電路制造廠家將差動放大電路增益出現(xiàn)非線性。一些集成電路制造廠家將差動放大電路中的運算放大器集成到一塊芯片上，生產(chǎn)出了單片集成放中的運算放大器集成到一塊芯片上，生產(chǎn)出了單片集成放大器大器，如，如AD521，AD522，AD612，AD620等。等。與分立放與分立放大器相比，該類集成芯片具有性能優(yōu)異、體積小、結(jié)構(gòu)簡大器相比，該類集成芯片具有性能優(yōu)異、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、低成本等優(yōu)點，因而得到了廣泛使用。下面以美國單、低成本等優(yōu)點，因而得到了廣泛使用。下面以美國Analog Devices公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的AD620為例來介紹單片集成放為例來介紹單片集成放大器的應(yīng)用。大器的應(yīng)用。

12、3.1 放大器放大器3.1.3 單片集成放大器單片集成放大器內(nèi)部增益電阻內(nèi)部增益電阻R1和和R2已調(diào)整至絕對值已調(diào)整至絕對值24.7k，因此利用一個外部電阻便可實現(xiàn)對增益的設(shè)定。因此利用一個外部電阻便可實現(xiàn)對增益的設(shè)定。3.1 放大器放大器3.1.3 單片集成放大器單片集成放大器對于對于G=1,RG引腳不接引腳不接 3.1 放大器3.1.3 單片集成放大器單片集成放大器5.49k Au=9.9980.11010VmV 3.1 放大器3.1.3 單片集成放大器單片集成放大器499 Au=100110010VmV 3.1 放大器3.1.3 單片集成放大器單片集成放大器98.8 Au=5015.01

13、50110VmV 3.1 放大器3.1.4 可編程增益放大器可編程增益放大器如何自動改變放大增益? 3.1 放大器3.1.4 可編程增益放大器可編程增益放大器 運算放大器運算放大器 電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò) 模擬開關(guān)模擬開關(guān) 譯碼驅(qū)動電路譯碼驅(qū)動電路放大電路的增益通過數(shù)字邏輯電路由給定的程序來控制放大電路的增益通過數(shù)字邏輯電路由給定的程序來控制電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò) 3.1 放大器3.1.4 可編程增益放大器可編程增益放大器電阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò)美國微芯公司生產(chǎn)的美國微芯公司生產(chǎn)的MCP6S2x系列系列G2G1G0=000111對應(yīng)對應(yīng)8種增益種增益 1，2，4，5，8，10，16，32 運算放大器運算放大器 電

14、阻網(wǎng)絡(luò)電阻網(wǎng)絡(luò) 模擬開關(guān)模擬開關(guān) 譯碼驅(qū)動電路譯碼驅(qū)動電路 3.1 放大器3.1.4 隔離放大器隔離放大器 將電路的將電路的輸入側(cè)和輸出側(cè)在電氣上完全隔離輸入側(cè)和輸出側(cè)在電氣上完全隔離的放大電路稱的放大電路稱為隔離放大器。為隔離放大器。隔離放大器隔離放大器的的輸入輸入、輸出和電源電路之間沒有輸出和電源電路之間沒有直接的電路耦合，即信號在傳輸過程中沒有公共接地端。直接的電路耦合，即信號在傳輸過程中沒有公共接地端。l變壓器耦合（電磁耦合）變壓器耦合（電磁耦合） 線性度高、隔離性好、共模抑制能力強，但工作頻帶窄線性度高、隔離性好、共模抑制能力強，但工作頻帶窄、體積大、成本高。、體積大、成本高。l光電

15、耦合光電耦合 成本低、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換速度快、工作頻帶寬成本低、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換速度快、工作頻帶寬，但線性度不如變壓器耦合，主要用于開關(guān)量控制。，但線性度不如變壓器耦合，主要用于開關(guān)量控制。 3.1 放大器3.1.4 隔離放大器隔離放大器 3.1 放大器3.1.4 隔離放大器隔離放大器被測信號在輸入級放大后由高頻信號調(diào)制成調(diào)幅波，再通過隔被測信號在輸入級放大后由高頻信號調(diào)制成調(diào)幅波，再通過隔離變壓器傳送至輸出級，經(jīng)解調(diào)、濾波和放大后輸出。離變壓器傳送至輸出級，經(jīng)解調(diào)、濾波和放大后輸出。 3.1 放大器3.1.4 隔離放大器隔離放大器光電耦合光電耦合被測信號在輸入級放大后由光電耦合器

16、中的發(fā)光被測信號在輸入級放大后由光電耦合器中的發(fā)光二極管轉(zhuǎn)換成光信號，再由光敏二極管、光敏三極管等光電器二極管轉(zhuǎn)換成光信號，再由光敏二極管、光敏三極管等光電器件轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，最后經(jīng)由放大電路放大后輸出。件轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，最后經(jīng)由放大電路放大后輸出。 3.1 放大器3.1.4 隔離放大器隔離放大器光電耦合光電耦合被測信號在輸入級放大后由光電耦合器中的發(fā)光被測信號在輸入級放大后由光電耦合器中的發(fā)光二極管轉(zhuǎn)換成光信號，再由光敏二極管、光敏三極管等光電器二極管轉(zhuǎn)換成光信號，再由光敏二極管、光敏三極管等光電器件轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，最后經(jīng)由放大電路放大后輸出。件轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，最后經(jīng)

17、由放大電路放大后輸出。 3.2 濾波器 濾波器是一種能使有用信號通過，濾除信號中濾波器是一種能使有用信號通過，濾除信號中無用頻率信號的電子裝置。無用頻率信號的電子裝置。 濾波器的用途濾波器的用途 濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定頻濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分 3.2 濾波器3.2.1 濾波器的類型濾波器的類型低通低通高通高通 低通濾波器（低通濾波器（LPF） 高通濾波器（高通濾波器（HPF） 帶通濾波器（帶通濾波器（BPF） 帶阻濾波器（帶阻濾波器（BEF） 3.2 濾波器3.2.1 濾波器的類型濾波器的

18、類型帶通帶通帶阻帶阻 低通濾波器（低通濾波器（LPF） 高通濾波器（高通濾波器（HPF） 帶通濾波器（帶通濾波器（BPF） 帶阻濾波器（帶阻濾波器（BEF） 3.2 濾波器3.2.1 濾波器的類型濾波器的類型 3.2 濾波器3.2.1 濾波器的類型濾波器的類型根據(jù)處理信號不同：根據(jù)處理信號不同：l模擬濾波器模擬濾波器 l數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器根據(jù)組成濾波器電路元器件不同：根據(jù)組成濾波器電路元器件不同：nLC無源濾波器無源濾波器由電感、電容組成，選頻特性好，信號能量損耗小，但體積大、不易于集由電感、電容組成，選頻特性好，信號能量損耗小，但體積大、不易于集成，測控系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用較少。成，測控系統(tǒng)內(nèi)應(yīng)用較

19、少。nRC無源濾波器無源濾波器由電阻、電容組成，選頻特性差，電由電阻、電容組成，選頻特性差，電 阻對信號功率有損耗，只用于低性能阻對信號功率有損耗，只用于低性能濾波器。濾波器。nRC有源濾波器有源濾波器 （普遍采用普遍采用）在在RC無源濾波器基礎(chǔ)上引入運算放大器等具有能量放大作用的有源元件，無源濾波器基礎(chǔ)上引入運算放大器等具有能量放大作用的有源元件，補償電阻上損失的能量，具有良好的選頻特性。補償電阻上損失的能量，具有良好的選頻特性。n基于特殊元件的無源濾波器基于特殊元件的無源濾波器機械濾波器，壓電陶瓷等，選頻特性好、穩(wěn)定性高，但由于其品種系列有機械濾波器，壓電陶瓷等，選頻特性好、穩(wěn)定性高，但由

20、于其品種系列有限，不便于調(diào)整。限，不便于調(diào)整。 3.2 濾波器3.2.1 濾波器的類型濾波器的類型根據(jù)處理信號不同：根據(jù)處理信號不同：l模擬濾波器模擬濾波器l數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器RC有源濾波器是一種具有源濾波器是一種具有特定頻率響應(yīng)的放大有特定頻率響應(yīng)的放大器。它是在運算放大器器。它是在運算放大器的基礎(chǔ)上增加一些的基礎(chǔ)上增加一些R、C無源元件而構(gòu)成。無源元件而構(gòu)成。根據(jù)組成濾波器電路元器件不同：根據(jù)組成濾波器電路元器件不同：nLC無源濾波器無源濾波器nRC無源濾波器無源濾波器nRC有源濾波器有源濾波器 （普遍采用普遍采用）n基于特殊元件的無源濾波器基于特殊元件的無源濾波器 3.2 濾波器3.2

21、.2 濾波器的基本參數(shù)濾波器的基本參數(shù)n 截止頻率截止頻率fcp 工程上以信號功率衰減到工程上以信號功率衰減到1/2的頻率作為通帶與阻帶的邊界點，稱為的頻率作為通帶與阻帶的邊界點，稱為轉(zhuǎn)折頻率，又稱為截止頻率。轉(zhuǎn)折頻率，又稱為截止頻率。n 通帶增益通帶增益Kpp 低通濾波器，通帶增益一般指低通濾波器，通帶增益一般指0時的增益時的增益；p 高通濾波器，通帶增益一般指高通濾波器，通帶增益一般指時的增益時的增益；p 帶通濾波器，通帶增益一般指中心頻率處的增益；帶通濾波器，通帶增益一般指中心頻率處的增益；p 帶阻濾波器，一般給出阻帶衰減，定義為增益的倒數(shù)。帶阻濾波器，一般給出阻帶衰減，定義為增益的倒數(shù)。n 品質(zhì)因素品質(zhì)因素Q p 諧振頻率與帶寬之比諧振頻率與帶寬之比n 阻尼系數(shù)阻尼系數(shù) 3.2 濾波器3.2.3 二階二階RC有源濾波器有源濾波器低通濾波器低通濾波器 高通濾波器高通濾波器n 壓控電壓源型壓控電壓源型n 無限增益多路反饋型無限增益多路反饋型n 雙二階環(huán)型雙二階環(huán)型 3.2 濾波器3.2.3 二階二階RC有源濾波器有源濾波器帶通濾波器帶通濾波器 帶阻濾波器帶阻濾波器 3.2 濾波