第5章信号调理电路
信号调理电路工作原理
信号调理电路工作原理信号调理电路工作原理信号调理电路是一种用于优化和改善信号质量的电路，它在电子设备中起到至关重要的作用。
在本文中，我们将深入探讨信号调理电路的工作原理。
什么是信号调理电路？信号调理电路是一种用于处理传感器信号、放大信号、滤波信号等的电路。
它可以帮助我们从原始信号中提取所需的信息，并减少噪音和失真。
信号调理电路的组成信号调理电路由多个组件组成，包括：1.放大器：用于放大输入信号的电压或电流。
放大器可以增加信号的幅度，提高信噪比。
2.滤波器：用于去除信号中的杂散噪声和不必要的频率成分。
滤波器根据信号频率特性，通过滤波器形成期望的输出信号。
3.转换器：用于将输入信号从一种形式转换为另一种形式，例如模数转换器将模拟信号转换为数字信号，或者数字模数转换器将数字信号转换为模拟信号。
4.压缩器：用于压缩信号的动态范围，以适应特定应用的需求。
压缩器能够对信号进行动态范围的调整，使得信号在不同场景下得到最佳的表现。
5.校准电路：用于调整和校准传感器输出的电路。
校准电路能够对传感器输出的信号进行校准，以保证准确性和可靠性。
信号调理电路的工作原理信号调理电路的工作原理主要包括以下几个步骤：1.采集信号：首先，信号调理电路会采集传感器或其他信号源发出的原始信号。
这个原始信号可能被噪音、失真等干扰所影响。
2.放大信号：接下来，信号调理电路会使用放大器放大输入信号的幅度。
这样做可以增加信号的强度，提高信噪比，并将信号范围调整到合适的水平。
3.滤波信号：信号调理电路还会使用滤波器来滤除干扰信号和不必要的频率成分。
这可以帮助提取我们所需的特定信号，并减少对后续处理环节的影响。
4.转换信号：根据应用需求，信号调理电路可能会将信号从一种形式转换为另一种形式。
例如，模数转换器可以将模拟信号转换为数字信号，以便进行后续数字处理。
5.压缩信号：如果信号的动态范围太大，信号调理电路可能会使用压缩器来压缩信号的幅度范围。
这样可以确保信号在不同场景下得到适当的展示和处理。
什么是信号调理电路它在仪器仪表中的应用有哪些
什么是信号调理电路它在仪器仪表中的应用有哪些信号调理电路是指将待测信号进行放大、滤波、调节等处理，并将其转换为适合模拟或数字处理的形式的电路。
在仪器仪表中，信号调理电路起着至关重要的作用，可以有效地提取和处理信号，确保测量结果的准确性和可靠性。
本文将从信号调理电路的定义、原理、分类和在仪器仪表中的应用等方面进行探讨。
一、信号调理电路的定义信号调理电路是一种专门用于放大、滤波、调节信号的电路。
它可以对原始信号进行采样、放大、滤波、线性化等处理，以使信号具备更好的稳定性、准确性和可靠性。
二、信号调理电路的原理信号调理电路的原理基于电子元器件的特性和电路设计的原则。
其中，放大电路利用放大器放大信号的幅值，使得信号能够足够强大以便于后续处理；滤波电路通过选择性地通过或阻断不同频率的信号，去除噪声和无用的信号成分；调节电路通过改变电压、电流或其他信号的特性，使得信号适应处理的要求。
这些原理的综合运用，能够有效地处理各种类型的信号。
三、信号调理电路的分类根据信号的性质和处理要求，信号调理电路可分为放大电路、滤波电路和调节电路等多种类型。
1. 放大电路：放大电路主要用于增加信号的幅值，使得信号能够达到合适的水平以便于后续处理。
常见的放大电路包括电压放大电路、电流放大电路和功率放大电路等。
2. 滤波电路：滤波电路用于去除信号中的噪声和无用成分，以保留所需的信号。
根据滤波特性的不同，滤波电路可以分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。
3. 调节电路：调节电路根据需要改变信号的某些特性，例如调节电压、频率、相位等。
它可以用于校准、线性化和调整信号的参数等。
四、信号调理电路在仪器仪表中的应用信号调理电路广泛应用于各种仪器仪表中，以提高测量系统的性能并满足特定的应用要求。
以下列举几个典型的应用案例：1. 传感器信号调理：传感器常常输出微弱的信号，容易受到噪声和干扰的影响。
通过对传感器信号进行放大、滤波和线性化等处理，可以提高信号质量，减小误差并增强测量系统的稳定性。
【学习】第五章信号调理电路
一般采用音频交流电压（5～10kHZ）作为电桥电源。 这时，电桥输出将为调制波，外界工频干扰不易从线路 中引入，并且后接交流放大电路简单无零漂。
采用交流电桥时，必须注意影响测量误差的一些因素。
如：电桥中元件之间的互感影响；无感电阻的残余阻抗； 邻近交流电路对电桥的感应作用；泄漏电阻以及元件之间、 元件与地之间的分布电容等。
整理课件
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§2 调频与解调
（1）调频
调频（频率调制）是利用信号电 压的幅值控制一个振荡器，振荡 器输出的是等幅波，但其振荡频 率偏移量和信号电压成正比。
当信号电压为零时，调频波的频率等于中心频率（载波频 率）；信号电压为正值时频率提高，负值时则降低。所以调 频波是随信号而变化的疏密不等的等幅波。
-fm
fm
－f0
f0
时域分析
频域分析
由脉冲函数的卷积性质知：一个函数与单位脉冲函数卷积的结
果，就是将其以坐标原点为中心的频谱平移到该脉冲函数处。
即调制后的结果就相当于把原信号的频谱图形由原点平移至
载波频率 f 0 处，幅值减半。
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从调幅原理看，载波频率 f 0 必须高于原 信号中的最高频率 f m 才能使已调波仍 保持原信号的频谱图形，不致重叠。
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g(t)1 2x(t)1 2x(t)co4sf0t
据傅里叶变换性质可得：
G (f) 1 2X (f) 1 4X (f 2 f0 ) 1 4X (f 2 f0 )
若用一个低通滤波器滤去中心
频率为 2 f 0 的高频成分，那
么将可以复现原信号的频谱 （幅值减小为一半），若用放 大处理来补偿幅值减小，可得 到原调制信号。
信号调理电路
信号调理电路信号调理电路就是信号处理电路，把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的的数字信号。
是指利用内部的电路，如滤波器、转换器、放大器等来改变输入的讯号类型并输出。
在实际应用中工业信号有些是高压，过流，浪涌等，不能被系统正确识别，必须调整理清。
信号调理电路原理信号调理电路往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。
模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。
但是传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。
调理就是放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器（ADC）的输入。
然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到微控制器或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。
信号调理电路技术1.放大放大器提高输入信号电平以更好地匹配模拟－数字转换器（ADC）的范围，从而提高测量精度和灵敏度。
此外，使用放置在更接近信号源或转换器的外部信号调理装置，可以通过在信号被环境噪声影响之前提高信号电平来提高测量的信号－噪声比。
2.衰减衰减，即与放大相反的过程，在电压（即将被数字化的）超过数字化仪输入范围时是十分必要的。
这种形式的信号调理降低了输入信号的幅度，从而经调理的信号处于ADC范围之内。
衰减对于测量高电压是十分必要的。
3.隔离隔离的信号调理设备通过使用变压器、光或电容性的耦合技术，无需物理连接即可将信号从它的源传输至测量设备。
除了切断接地回路之外，隔离也阻隔了高电压浪涌以及较高的共模电压，从而既保护了操作人员也保护了昂贵的测量设备。
4.多路复用通过多路复用技术，一个测量系统可以不间断地将多路信号传输至一个单一的数字化仪，从而提供了一种节省成本的方式来极大地扩大系统通道数量。
多路复用对于任何高通道数的应用是十分必要的。
5.过滤滤波器在一定的频率范围内去处不希望的噪声。
信号调理电路
与传统无线电不同，软件无线电要求尽可能地以数字形式处理无线信号，因此必须将A/D和D/A转换器尽可 能地向天线端推移，这就对A/D和D/A转换器的性能提出了更高的要求。主要体现在两个方面。
（1）采样速率。依据采样定理，A/D转换器的抽样频率fs应大于2Wa（Wa为被采样信号的带宽）。在实际中， 由于A/D转换器件的非线性、量化噪声、失真及接收机噪声等因素的影响，一般选取fs>2.5Wa。
（2）分辨率。采样值的位数的选取需要满足一定的动态范围及数字部分处理精度的要求，一般分辨率80dB 的动态范围要求下不能低于12位。
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信号调理电路
把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或 其他目的的数字信号的电路
01 简介
目录
02 信号调理
03 调理技术组成
04 信号滤波
05 信号隔离
06 模数转换
基本信息
信号调理电路（signal conditioning circuit）是指把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计 算显示读出或其他目的的数字信号的电路。
信号调理电路工作原理
信号调理电路工作原理一、引言信号调理电路是指对输入信号进行处理和调整，使其能够适应后续电路的工作要求。
它是电子系统中非常重要的一部分，能够对信号进行放大、滤波、增益控制等操作，以保证信号在传输过程中的稳定性和准确性。
本文将从信号调理电路的基本原理、常见的调理方法以及应用案例等方面进行介绍。
二、信号调理电路的基本原理信号调理电路的基本原理是通过对输入信号进行各种操作，以使得信号能够适应后续电路的工作要求。
其核心思想是根据输入信号的特点和要求，选择合适的电路结构和参数，对信号进行放大、滤波、增益控制等处理，以达到信号传输的目的。
三、常见的信号调理方法1. 放大放大是信号调理电路中最常见的操作之一。
通过放大电路，可以将输入信号的幅度增大，以增强信号的强度和稳定性。
常见的放大电路有运算放大器、差分放大器等。
2. 滤波滤波是对信号进行频率选择性处理的方法。
通过滤波电路，可以去除输入信号中的杂波和干扰信号，保留需要的有效信号。
常见的滤波电路有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。
3. 增益控制增益控制是调节信号放大倍数的方法。
通过增益控制电路，可以根据需要调整信号的放大倍数，以满足不同信号传输要求。
常见的增益控制电路有可变增益放大器、自动增益控制器等。
4. 去噪去噪是对输入信号中的噪声进行消除或减弱的方法。
通过去噪电路，可以提高信号的信噪比，使得信号更加清晰和可靠。
常见的去噪电路有降噪滤波器、自适应滤波器等。
四、信号调理电路的应用案例1. 传感器信号调理在传感器应用中，信号调理电路起到了至关重要的作用。
传感器常常输出微弱的信号，需要通过信号调理电路进行放大和滤波，以提高信号的可靠性和准确性。
2. 通信系统中的信号调理在通信系统中，信号调理电路用于对输入信号进行放大、滤波和增益控制等处理。
通过信号调理电路，可以保证信号在传输过程中的稳定性和完整性，提高通信质量。
3. 生物医学信号调理生物医学领域中的信号调理电路常常用于对生物信号进行处理和分析。
信号调理电路说明
信号调理电路说明信号特征：肌电信号的特征为频率低，能量主要的集中频段为3~60HZ；幅度小，为uF级信号；人体阻抗环境下会不断变化，最高可达2MΩ，所以要求一级放大的输入阻抗非常高；在提取过程中伴有非常大的从人体引入的50HZ工频干扰，而且刚好在我们所需要分析的信号的频段内，这就对了我们的前级采集电路提出了很高的要求。
芯片选型：仪表放大器由于其内部精密匹配的电阻可以提供非常高的共模抑制比，且输入阻抗大，满足我们的要求，我们采用了TI公司的INA128及AD公司的AD8221两种芯片具体实现。
由于系统为锂电池供电，所以要求芯片必须有轨到轨输入输出，为精密运算放大器，具有低噪声和低失调电压，且最好可以满足低电压供电，我们验证后采用了TI公司的LMP7704四通道运放以满足我们系统要求。
1、一级差模放大及共模抑制由于需要非常高的共模抑制以降低50HZ工频共模信号的干扰，且需要将双端输入转为单端输出，由于仪表放大器可以很好的满足上述两个要求，我们一级放大器拟采用仪表放大。
我们实际实验了两种方案，一种是TI公司的INA128，一种是AD公司的AD8221，验证后发现，AD8221在使用的过程中稳定性更高，效果更显著，所以我们采用AD8221仪表放大作为我们的一级放大电路，如图1.3.1所示。
图1.3.12、二级仪表放大由于一级放大之后低频噪声仍十分明显，我们的二级放大依旧采用仪表放大。
我们需要的信号为交流信号，在两级之间需要隔直电路，实际验证之后发现隔直电路之后INA128的效果较AD8221效果更好，所以采用INA128作为我们的二级放大，如图1.3.2所示。
图1.3.23、直流偏置调节电路由于采集到的信号为交流信号，经放大、滤波、降噪后直接输入到AD采集，但AD不能采集负电压信号，所以我们需要给信号提供合适的直流偏置以满足AD的要求。
由于AD采集的电压范围为0~3.3V，所以我们提供的直流偏置大概为1.6V左右，通过加法器实现，如图1.3.3所示。
模拟电子技术基础知识信号调理电路的设计原则与分析方法
模拟电子技术基础知识信号调理电路的设计原则与分析方法信号调理电路作为模拟电子技术中的重要组成部分，广泛应用于各种电子设备中，起到了信号处理和优化的作用。
本文将介绍信号调理电路的设计原则与分析方法，并分析其在模拟电子技术中的应用。
一、设计原则1. 信号调理电路的功能需求：在设计信号调理电路之前，首先要明确信号调理电路需要实现的功能，比如滤波、放大、信号匹配等。
根据具体的需求确定信号调理电路的设计方案。
2. 信号调理电路的输入输出：对于任意一个信号调理电路，需要确定其输入信号和输出信号的特性。
如输入信号的幅度范围、频率范围，输出信号的幅度范围、频率范围等。
这有助于确定电路中各个元器件的选择和参数设计。
3. 信号调理电路的线性性能：信号调理电路在输入信号的幅度范围内应保持线性增益特性，即输出信号的幅度与输入信号的幅度成正比。
这要求设计过程中要注重电路的线性度分析和设计。
4. 信号调理电路的稳定性：信号调理电路在不同工作条件下应保持稳定的特性，即在输入信号的变化、温度变化等情况下，电路的输出应保持一致。
需要选取合适的元器件，做好温度补偿和负反馈等措施，以确保电路的稳定性。
5. 信号调理电路的功耗：在设计信号调理电路时，要考虑功耗的因素，尽量选择低功耗的元器件，并合理设计功耗分配。
这有助于提高电路的效率和使用寿命。
二、分析方法1. 信号调理电路的频率响应分析：通过对信号调理电路的频率响应进行分析，可以了解电路在不同频率下的增益、相位等特性。
一般可以使用示波器、频谱分析仪等工具进行频率响应测试，在测试结果的基础上进行调整和改进。
2. 信号调理电路的幅度响应分析：根据输入信号的幅度和输出信号的幅度，可以分析信号调理电路的幅度响应特性。
通过对输入-输出曲线的绘制和观察，可以了解电路的增益、线性度等特性。
3. 信号调理电路的稳定性分析：通过对信号调理电路的稳定性进行分析，可以了解电路在不同工作条件下的响应情况。
可以通过改变输入信号的幅度、频率、温度等条件，观察电路输出的变化情况，判断电路的稳定性。
信号调理电路的原理、功能
什么是信号调理？信号调理电路的原理，信号调理模块的功能[导读] 信号调理电路往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。
模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。
但是传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。
信号调理电路原理信号调理电路往往是把来自的模拟信号变换为用于、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。
模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。
但是传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。
调理就是放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。
然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。
信号调理电路技术1.放大提高输入信号电平以更好地匹配模拟-数字转换器(ADC)的范围，从而提高测量精度和灵敏度。
此外，使用放置在更接近信号源或转换器的外部信号调理装置，可以通过在信号被环境噪声影响之前提高信号电平来提高测量的信号-噪声比。
2.衰减衰减，即与放大相反的过程，在电压(即将被数字化的)超过数字化仪输入范围时是十分必要的。
这种形式的信号调理降低了输入信号的幅度，从而经调理的信号处于ADC范围之内。
衰减对于测量高电压是十分必要的。
3.隔离隔离的信号调理设备通过使用变压器、光或电容性的耦合技术，无需物理连接即可将信号从它的源传输至测量设备。
除了切断接地回路之外，隔离也阻隔了高电压浪涌以及较高的共模电压，从而既保护了操作人员也保护了昂贵的测量设备。
4.多路复用通过多路复用技术，一个测量系统可以不间断地将多路信号传输至一个单一的数字化仪，从而提供了一种节省成本的方式来极大地扩大系统通道数量。
信号调理电路
1．信号调理电路信号调理电路是接口板的重要组成部分，信号精度决定了系统控制性能的优劣。
如果直接采用DSP2812的采样模块进行设计存在以下缺点：只能接收0~3V 的单极性信号输入，对于交流信号需要另外设计限幅抬压电路；同一排序器内各通道串扰严重；12位的转换精度难以满足高性能系统的要求。
综合考虑后，本文选用合众达的DSP2812M电力应用控制板，其AD输入范围为-10V至+10V，12路16位高精度外扩A/D模块能够很好满足用户对采样的需求。
为了最大程度地让信号无失真地进行传输，我们采用的传感器均为电流型，下图为接口电路板上的信号调理电路图。
为了最大限度利用控制板采样电压为正负10V，电流信号由取样电阻转换成电压信号后，经过稳压管（保证输入电压小于10V，保护AD芯片），再加一级运放将电压信号放大至10V后，输入2812控制板，这样既能很好利用开发板也能提高采样精度和准确度。
a）负载电流取样电路原理图b）APF输出电流取样电路原理图c）APF直流侧电压取样电路原理图反向比例运算放大电路放大倍数A=120/1/R R u u i +=RC 滤波电路的时间常数τ=RC=10k ⨯0.1⨯10-6=1ms 。
2．保护电路系统工作过程中，由于外部原因造成逆变模块直流侧电压的抬高甚至电压的飙升，进而影响到系统的补偿性能，甚至危及系统的安全。
同时，如果逆变器的输出补偿电流大于所要补偿的电流值造成过补，也会对整个系统的补偿性能和安全带来危害。
为确保上述状况发生后装置的安全，设置了大功率逆变模块过压过流保护电路，其原理图如图4.13所示a ）直流侧电压过压保护检测电路b ）APF 输出电流过流保护检测电路图4.13 保护电路原理图电压电流信号经电流传感器和电压传感器及取样电路一并转化为输入信号在-10V 到+10V 的电压信号，考虑到采用有效值芯片的成本较高，该论文选择使用整流电路将传感器检测的三路APF 电流信号进行整流后变换成一直流电压信号，后端接一大电容平波，再与LM393比较器芯片进行比较，如果任何一路电流、电压值超过安全设定则保护电路驱动继电器跳闸。
第五章信号调理电路及指示记录装置
2)交流电桥
当电桥的四个桥臂有电容或电感时，必须采用交流电桥，
供桥电源为交流电压。采用复数表示，交流电桥的平衡条
件为：
Z1Z3 Z 2 Z 4
用复数表示：
Z1 Z1e j1 Z2 Z2e j2 Z3 Z3e j3 Z4 Z4e j4
纯电阻时，电压与电流同相位；电感阻抗时，阻抗角大 于0，电压相位超前电流；电容阻抗时，阻抗角小于0，电 压相位滞后电流。
2. 频率调制与解调
调频就是用调制信号(缓变的被测信号)去控 制载波信号的频率，使其随调制信号的变化而 变化。
经过调频的被测信号寄存在频率中，不易衰 落，也不易混乱和失真，使得信号的抗干扰能 力得到很大的提高；
同时，调频信号还便于远距离传输和采用数 字技术。由于调频信号的这些优点使得调频和 解调技术在测试技术中得到了广泛应用。
③ 相敏检波解调
相敏检波解调方法能够使已调幅的信号在幅值和极性上
完整地恢复成原调制信号。
相敏滤波器输 出波形的包络线即 是所需要的信号, 应在输出端再接一 个适当频带的低通 滤波器，即可得到 与原信号波形一致， 但已经放大了的信 号，达到解调的目 的。
4) 幅值调制与解调的应用 工程技术上的典型应用：常用Y6D型动态应变仪。
1) 调频基本原理
调频就是利用信号电压的幅值控制一个振荡器产生的信号 频率。振荡器输出的是等幅波，其振荡频率变化值和信号电 压成正比。信号电压为零时，调频波的频率就等于中心频率； 信号电压为正值时，调频波的频率升高，负值时则降低。所 以调频波是随时间变化的疏密不等的等幅波。
x(t) X0 cos 2fmt
3)幅值调制的解调 从调幅波中将恢复原测量信号，常用的解调方法
有同步解调、整流检波解调和相敏检波解调。
传感器信号调理电路
对于数字测量系统，除了使传感器输出信号（包括电压、 动态范围、信号源内阻、带宽等参数指标）适合于转换 为离散数据流外，信号调理的作用还在于满足模拟传感 器与数字DAQS之间的接口要求：(1)信号隔离，(2)信号
的预处理，(3)去除无用信号。
传感器输入的信号是一种原始的待处理电信号， 一般不方便直接使用，需要进行加工处理，这就是 传感器的信号调理。信号调理电路将传感器输出的 微弱信号转换为电压、电流或频率等便于测量的电 信号，输出信号精度较高。
1 概述
在数据采集中, 经常会遇到一些微弱的微伏级信号， 例如热电偶的输出信号，需要用放大器加以放大。
运算放大器
第一个使用真空管设 计的放大器大约在 1930年前后完成，这 个放大器可以执行加 与减的工作。 60年代 晚期，仙童半导体推 出了第一个被广泛使 用的集成电路运算放 大器，型号为μ A709.
-
R4
R6
A2
器A3，将双端 Ui2
+
U4
输入变为对地
测量放大器原理电路
的单端输入。
2 测量放大器的电路原理
测量放大器的增益
K U0 Ui1 Ui2
Ui1
+
U3 R3 U5
R5
A1
(U3 U 4 )U0
-
R1
-
(Ui1 Ui2 )(U3 U 4 ) IG RG
R2
A3
UO
+
U3 Ui1 IG R1
而同比例运算放大器可以得到较大的
输入电阻，较低的输出电阻
R2
-∞ +
uo
+ N1
R3 ui
测量放大器
测量放大器是一种带有精密差动电压增益的 器件，具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗 共模干扰能力、低温漂、低失调电压和高稳 定增益等特点，在检测微弱信号的系统中， 被广泛用作前置放大器。
第五章信号调理电路
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。 28
5.3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
RL IL
R1
ui
-+
R2 + R2
R1
I1 - +
ui
R2 + R2
IL
Ui RL
45
5.4信号变换
具有放大作用的浮地电压-电流变电路：
R2
R2
R1 ui
-
RL
+
R3 + R2
IL R4
R1 I-
RL
+
ui
R3 + R2
IL
R4
1 R2
IL
R4 R1
Ui
1 R1 R2
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。
f Hz
4000 3000 2000
F1 F 0 F2
FN
振弦式传感器的特性曲线 27
5.3线性化
5.3.4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
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。
3
5.1概述
5.1.3信号调理的类型
信号调理电路
摘要信号调理简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。
是指利用内部的电路(如滤波器、转换器、放大器等…)来改变输入的讯号类型并输出之。
把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或其他目的的数字信号。
但由于传感器信号不能直接转换为数字数据，这是因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数字信号之前必须进行调理。
调理就是放大，缓冲或定标模拟信号等。
信号调理将把数据采集设备转换成一套完整的数据采集系统，这是通过直接连接到广泛的传感器和信号类型来实现的。
信号调理简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。
若信号很小，则要经过放大将信号调理到采集卡能够识别的范围，若信号干扰较大，就要考虑采集之前作滤波了。
关键词：放大器，传感器，滤波，信号采集1设计任务描述1.1设计题目：信号调理电路1.2设计要求1.2.1设计目的（1）掌握传感器信号调理电路的构成，原理与设计方法（2）熟悉模拟元件的选择，使用方法1.2.2基本要求（1）输出幅度在0-3V，线性反应输入信号的幅值（2）信号的频率范围在50Hz-10KHz（3）匹配的信号源一般复读在100mv，内阻10KΩ左右（4）匹配的负载在100kΩ左右，信号传输的损失尽量小1.2.3发挥部分（1）超出上下限的保护电路及指示（2）电桥信号采集（3）其他2设计思路这次我们小组课程设计的题目是信号调理电路。
信号调理往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。
在初始阶段用一个电压跟随器来发出信号，利用一个电桥收集信号并发出差分电压，选择放大器与传感器正确接口，使放大器与传感器特性匹配，测量应变片传感器通常要通过桥网络，用高精度和非常低漂移(随温度)的精密电压基准驱动放大器A1。
这可为桥提供非常精确、稳定的激励源。
因为共模电压大约为激励电压的一半，所以被测信号仅仅是桥臂之间小的差分电压。
如何设计电路的信号调理电路
如何设计电路的信号调理电路在电子领域中，信号调理电路是一项重要的设计任务。
信号调理电路的设计过程旨在将输入信号转换为适合特定应用的输出信号。
本文将介绍如何设计电路的信号调理电路，包括电路设计流程、常用信号调理电路的类型以及设计注意事项。
一、电路设计流程信号调理电路设计的流程通常包括以下几个步骤：1. 确定信号类型和特性：首先需要明确输入信号的类型和特性，例如模拟信号还是数字信号，信号的频率范围、幅度范围等。
2. 信号采样与滤波：根据信号的特性，选择合适的采样率和滤波器来抽取所需频率范围内的信号，并去除掉可能存在的噪声。
3. 放大与衰减：对于过小的信号，可以采用放大电路将信号增强，而对于过大的信号，则需要采用衰减电路进行降低。
4. 增益与补偿：根据输出信号与输入信号的幅度关系，进行增益与补偿的设计，以使得输出信号能够达到所需的幅度。
5. 偏置与参考电平：根据具体应用需求，设计偏置电路或者参考电平电路，用于保持电路的工作在合适的工作区间内。
6. 线性化与校准：针对非线性的信号调理电路，需要进行线性化设计与校准，以确保输出信号的准确度和稳定性。
二、常用信号调理电路的类型1. 模拟滤波器：包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等，用于抑制或增强不同频率范围内的信号成分。
2. 放大器：根据输入信号的幅度要求，设计合适的放大器电路来放大信号的幅度。
3. 数据转换器：将模拟信号转换为数字信号或者将数字信号转换为模拟信号的电路，例如模数转换器和数模转换器。
4. 传感器接口电路：将传感器输出的信号进行放大、滤波和处理，使其能够被微控制器、信号处理器等其他设备获取和处理。
5. 偏置电路：用于为某些特定应用提供合适的偏置电平，以确保电路能够正常工作。
6. 校准电路：对于需要高精度输出的信号调理电路，设计校准电路来消除误差和非线性，提高信号的准确度和稳定性。
三、设计注意事项在设计信号调理电路时，需要注意以下几点：1. 确定需求和参数：在设计之前，明确所需的信号调理电路的功能和参数要求，例如输入信号范围、输出信号范围、噪声要求等。
信号调理电路
分析
32
全波整流电路
33
放大电路
• 放大电路的核心部件为运算放大器 • 运算放大器的主要参数：
输入失调电压 增益带宽积GWB 转换速率 开环增益 输入输出阻抗 共模抑制比 等等
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输入失调电压
一个理想的运放，当两输入端加上相同的直流电压和 两输入端短路时，其输出端的直流电压应等于零。但 由于电路参数的不对称性，输出电压并不为零，这就 叫运放的零点偏移或失调。
Fc1处增益为多少
• 主要特征参数：上下截止频率、带宽、纹波幅度、倍频 程选择性等。
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滤波器的特征参数
• 截止频率：幅频特性值为A0／√2（－3dB）所 对应的频率点，即半功率点。 • 带宽：上下截止频率之间的频率范围， 又称 －3dB带宽。 • 纹波幅度：通带中幅频特性值的变化值，δ越 小越好。 • 倍频程选择性：表示从阻带到通带的过渡带曲 线的倾斜度，等于上截止频率fc2与2fc2之间幅 频特性的衰减值。
11
直流电桥的特点
采用直流电源作激励电源，电源稳定性高。 输出eo为直流量，可直接用于直流仪表，精度高。 电桥与后接仪表的连接导线不会形成分布参数，对 导线连接的方式要求低。 另外，电桥的平衡电路简单，仅需调节电阻阻值。 缺点：输出为直流量，直流放大电路易受温漂和接 地电位的影响。因此仅适合于静态量的测量。 静态测量和动态测量可互相转换。例如：钢板测厚
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无源滤波器和有源滤波器
直接由R、C、L等构成的滤波器为无源滤波器，其所有 输出能量均来自输入。 优点：结构简单，噪声低，动态范围宽，无需电源。 缺点：倍频程选择性差，级间负载效应严重。
有源滤波器是基于运算放大器的R、C、L调谐网络，需 要电源供电。 优点：参数易于调节，频率范围宽，输入阻抗高输出 阻抗低，利于多级串联。
信号调理电路工作原理与应用
信号调理电路工作原理与应用电子设备中常常需要对各种信号进行调理，以便在后续处理中能够得到准确而可靠的结果。
信号调理电路作为一种重要的功能模块，起到了连接传感器和信号处理器之间的桥梁作用。
本文将深入探讨信号调理电路的工作原理和应用。
一、工作原理1. 信号调理电路的基本组成信号调理电路通常由模拟信号调理和数字信号调理两部分组成。
模拟信号调理：主要包括信号放大、滤波、放大器等模块。
其中，信号放大模块负责将微弱的传感器信号放大到适合后续处理器的输入幅度。
滤波模块则用于滤除噪声和不希望的频率成分，以保留感兴趣的信号。
另外，放大器模块还可以对信号进行增益的调节，以适应不同的输入信号强度。
数字信号调理：数字信号调理主要包括模数转换（A/D转换）、数字滤波、数字放大器等模块。
其中，模数转换模块将模拟信号转换为数字信号，以方便数字处理。
数字滤波器则可对采样后的信号进行滤波处理，以去除噪声和不需要的频率分量。
数字放大器则可对信号进行数字放大，以适应后续处理器的输入要求。
2. 信号调理电路的工作原理信号调理电路的工作原理可以概括为以下几个步骤：(1) 传感器感知环境中的物理量，并产生微弱的模拟信号。
(2) 模拟信号经过信号放大模块，进行放大处理，使其达到适合后续处理器的输入幅度。
(3) 放大后的信号经过滤波模块，滤除噪声和不需要的频率分量，保留感兴趣的信号。
(4) 经过模拟信号调理后，信号可进一步经过A/D转换，转换为数字信号。
(5) 数字信号经过数字滤波、数字放大器等模块的处理后，变得更加准确和可靠，以便后续的数字处理。
二、应用领域信号调理电路广泛应用于各种领域，例如：1. 传感器信号处理传感器广泛应用于工业自动化、环境监测、医疗器械等领域。
而信号调理电路可以将传感器输出的微弱信号放大、滤波，以保证传感器信号的准确性和稳定性。
2. 无线通信系统无线通信系统中的信号调理电路用于放大和滤波接收到的信号，以提高信号质量和通信距离。
信号调理电路的原理、功能
什么是信号调理？信号调理电路的原理，信号调理模块的功能[导读] 信号调理电路往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。
模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。
但是传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。
信号调理电路原理信号调理电路往往是把来自传感器的模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。
模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。
但是传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。
调理就是放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。
然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到微控制器或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。
信号调理电路技术1.放大放大器提高输入信号电平以更好地匹配模拟-数字转换器(ADC)的范围，从而提高测量精度和灵敏度。
此外，使用放置在更接近信号源或转换器的外部信号调理装置，可以通过在信号被环境噪声影响之前提高信号电平来提高测量的信号-噪声比。
2.衰减衰减，即与放大相反的过程，在电压(即将被数字化的)超过数字化仪输入范围时是十分必要的。
这种形式的信号调理降低了输入信号的幅度，从而经调理的信号处于ADC范围之内。
衰减对于测量高电压是十分必要的。
3.隔离隔离的信号调理设备通过使用变压器、光或电容性的耦合技术，无需物理连接即可将信号从它的源传输至测量设备。
除了切断接地回路之外，隔离也阻隔了高电压浪涌以及较高的共模电压，从而既保护了操作人员也保护了昂贵的测量设备。
4.多路复用通过多路复用技术，一个测量系统可以不间断地将多路信号传输至一个单一的数字化仪，从而提供了一种节省成本的方式来极大地扩大系统通道数量。
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平衡条件 (R3 jL3 )R2 (R4 jL4 )R1
即
R3 R2 R4 R1
L3 R2 L4 R1
10
•5.1.3 交流电桥
交流电桥的误差分析
①电桥中元件之间互感影响； ②无感电阻的残余电抗； ③邻近交流电路对电桥的感应作用； ④电容的泄漏电阻及元件之间、元件
与地之间的分布电容等
5.3.2 电压和电流的相互转换
2.电流/电压转换电路
uo i1R iR
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uo
(1
R2 R1
)VP
(1
R2 R1
)R3i
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集成电流/电压转换芯片—MAX572
A、B、C三点的电位 相等，因此有 isenseRsense=iOUT RG1， 得：
uo
iOUT ROUT
Rsense ROUT RG1
忽略二阶增量并考虑电桥的初始平衡有
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Uo
E
(R1
R1 R4 R2 )( R3
（R1 R4 ) R1
R2 R2
R3 R3
R46) R4
•5.1.2 直流电桥
由R1 R5 =R2R3有
R2 R4 R1 R2 R3 R4
故
Uo
E R1R2 （R1 (R1 R2 ) 2 R1
R2 R2
• 提高R2的值可提高放大倍数，一般为几十 千欧至几百千欧
• 平衡电阻R3=R1//R2 • 输入电阻Ri= R1，输出电阻趋于0。 • 特点是性能稳定，抗高频干扰能力强，提
高输入阻抗与提高增益之间存在矛盾12
1.直流放大电路—同相放大电路 特点是抑制共模干扰能力差、输入 阻抗高、输出阻抗低，抗高频干扰 能力强，广泛用于前置放大级。
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4
5.1.2 直流电桥
1.电桥的调零电路
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5
5.1.2 直流电桥
2.不平衡直流电桥
设电桥工作时，四个桥臂的电阻值分别变化了△R1、△R2、
△R3和△R5，则
Uo
E
(R1 R1 )( R4 R4 ) (R2 R2（) R3 R3） (R3 R3 R4 R4 )( R1 R1 R2 R2 )
1.电压/电流转换电路
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集成电压/电流转换芯片AD695
工作电压是+5V~+36V，输入电压范围为0V~2V，或0V~10V；输出电 流范围为0~20mA或5~20mA。
引脚 名 称
功
能
1 FB 2 -SIG 3 +SIG 5 2V FS 5 COM
缓冲放大器输出引脚，输入信号一般不直接加在该引脚上 缓冲放大器的负引脚输入 缓冲放大器的正引脚输入 输入量程选择引脚。接地： 0~2V；悬空：0~10V 公共端
1.无源滤波器
5.5.3 模拟滤波器
(1)无源RC低通滤波器
H (s) Uo(s) 1 1
两截止频率之间的频率范围。即低通和高通滤波器B=fc，带通和带阻滤波器 B= fc2 - fc1。 6.品质因数Q
对于带通和带阻滤波器来说，Q=f0/B。越大，则滤波器的选择性越好。 7.倍频程选择性
指在202fc02/4与/6 2 fc2之间，或在fc1与fc1/2之间，幅频特性的衰减值，用dB表示。37 它反 映了滤波器对通频带以外的频率成分的衰减能力。
1.增益A0 指通带内的幅频特性的幅值
2.通带截止频率fp fp=ωp/2π为通带与过渡带边界点的频率，在该点信号增益下降到一个人为规
定的下限。 3.阻带截止频率fr
fr=ωr/2π为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗(增益的倒数)下降到 一人为规定的下限。 5.转折频率fc
fc=ωc/2π为信号增益下降了3dB时的频率，常作为截止频率。 5.带宽B
信号调理电路
Signal Conditioning Circuit
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1
信号调理电路
电桥 信号的放大电路 信号的转换电路 滤波电路 调制与解调
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2
5.1 电 桥
测量电桥有以下几个特点： (1)能把电阻、电容、电感等电抗参数的变化，变换成 电压或电流的变化，便于信号的放大和处理。 (2)能测量出微弱的阻抗变化量。 (3)可以通过采用对称差动式传感器结构组成差动半桥 或全桥来实现非线性误差的补偿，并提高电桥输出的 灵敏度。
差动放大电路
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5.2.1 典型放大电路
2.交流放大电路
引入深度电压并联负反馈后，放大电路的增益为：
Au
R2 R1
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Au
uo ui
1
R2 R3
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5.2.1 典型放大电路
3.电压跟随器 • 特点：输入阻抗高，输出阻抗低 • 作用：缓冲、隔离和提高带载能力。在电路中可以起到阻抗
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3
5.1.1 电桥的分类
1.按电桥的工作状态分类 按电桥的工作状态分类，可分为平衡电桥和不平衡 电桥。 2.按电桥的激励电源分类 按电桥的激励电源分类，电桥分为直流电桥和交流 电桥。而直流电桥又分为恒压源电桥和恒流源电桥。 3.按电桥的工作桥臂的个数分类 按电桥的工作桥臂的个数来分，电桥可分为单臂电 桥、半桥（双臂）和全桥。
ui1 ui2 uo1 uo2
Rg
Rg R1 R2
uo
R4 R3
(uo1
uo2 )
uo
R4 R3
(1
R1 R2 Rg
)(ui1
ui2 )
集成仪表放大器AD620
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G 1 49.4k Rg
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5.2.3 仪表放大电路
集成仪表放大器AD620
AD620特点是体积小、功耗低、噪声低和输入偏置电流低，通过外 接电阻可以实现增益的调节，工作电源范围为±(2.3~18)V，为双对 称电源供电，一般常用±12V。AD620可作为电桥和热电偶的放大 电路，增益要根据实际情况进行选择，不同类型的热电偶的增益选 择不同。
Au 2
R11 R13 R9
4
Au 2
R11
R13 R9
R1251 10
5.2.5 放大电路应用实例
1.高精度压力放大电路
2.光敏信号放大电路
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5.2.5 放大电路应用实例
3.霍尔传号的转换电路
是将电压、电流、电阻和频率等各类信号进行相互转换的电路
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5.2 信号的放大电路
放大电路应具有如下性能 :
①稳定而足够的放大倍数； ②高输入阻抗以与传感器的输出阻抗匹配； ③高共模抑制比以抑制共模干扰； ④低输入失调电压和电流、低温漂和低噪声
5.2.1典型放大电路
1.直流放大电路—反相放大电路
Au
uo ui
R2 R1
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Ua
R6 R6 R7
UZ
ui R1C
T1
U1
U2
T2<< T1，所以T= T1+ T2≈T1，输 出脉冲的频率fo
1
1
fo
T
R1C(U1 U 2 ) ui
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(2)电荷平衡型
K闭合t0期间放掉的电荷 量△Q1为 Q1 t0 (Is i) K断开t1期间，ui对电容充 电电荷量△Q2= t1×i，而 △Q1=△Q2，有：
6 5mA ADJ 5mA偏置电流微调端。该引脚上电压不允许超过1V
7
10V (FORCE)
10V参考电压输出端。采用10V 参考电压时，要求电源电压大于12.5V
8
2V
(SENSE)
2V 参考电压输出端。脚7与脚8短接时，得到2V 参考电压。采用2V 参考电压时，要求电源电压 +5.5V~+36V
t1
t0 (Is i
i)
(Is i
1)t0
输出脉冲uo的频率fo为：
fo
1 T
t0
1 t1
i Ist0
ui I st0 R1
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(3)集成电压/频率转换芯片—LM331
输出脉冲uo的频率fo为：
fo
1 T
Rsui 2.09 RtCt RL
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2.频率/电压转换电路
• 测量精度高，其精度取决于电位器的精度。
• 输出与供桥电源电压无关，可避免由于电源
电压的不稳定而带来的干扰。
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5.1.3 交流电桥
交流电桥平衡条件：
即： 幅值平衡
相角平衡
平衡条件
(R3
1
jC3 )R2
(R4
1
jC4 )R1
即 R3 R2 R4 R1
R2 R1 C3 C4
15 BW ADJ 带宽调节端。在脚13、15 之间接适当电容与内部900Ω电阻构成低通滤波
15 Vos A20D2J0/4/6 输入缓冲放大器偏置调节端。
27
16 Vos ADJ 同上
集成电压/电流转换芯片AD695
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输入量程选择引脚5悬空，
表示输入电压范围为
0~10V，5mA偏置电流 选择引脚9接地，表示输 出电流范围5～20mA28
9
5mA (ON/OFF)
5mA偏置电流选通端。接地，输出5~20mA；接≥3V电压，输出0~20mA
10 ALARM 输出开路或越限(脚11电压高于Vs-2V)报警端。报警时，引脚被拉低，最大灌入电流20mA
12 Iout 13 Vs
电流输出端。使用外接NPN晶体管输出时，接晶体管基极。 电源电压，+5.5V~+36V