调理电路与信号处理电路

集成运放的基本应用
反相放大器
RF R1
闭环增益：A VF＝－ 输入电阻：R i＝R 1 输出电阻：R O ≈ 0
平衡电阻：R P＝R 1 // RF
集成运放的基本应用
同相放大器
RF 闭环增益：A VF＝1+ R1 输入电阻：R i＝ric
VO Vi RP
RF R1
输出电阻：R O ≈ 0 平衡电阻：R P＝R 1 // RF
• 当4个桥臂的电阻值变化同号时，即
R1＋∆R1、 R2＋∆R2、 R3＋∆R3、 R4＋∆R4 且R1=R2=R3=R4>> ∆R
1 ∆R1 ∆R 2 ∆R 3 ∆R 4 eo = ( − + − )ex 4 R R R R
桥臂阻值变化对输出电压的影响规律
相邻两桥臂电阻变化引起的输出电压为两桥臂各阻 值变化引起的电压之差； 相对两桥臂电阻变化引起的输出电压为两桥臂各阻 值变化引起的电压之和； 和差特性的应用：连接导线的自动补偿。
集成运放的基本应用
弱信号检测放大器
R 1＝ R 2， R 3＝ R 4， R 5＝ R 6， R 7＝ R F A V D＝ VO R ＋R4 RF ＝ 1＋ 3 ＝4641 V 2－ V1 R R5
集成运放的基本应用
窗比较器
OP07管脚图
试验箱管脚定义
＋5V －12V ＋12V ＋5V －12V ＋12V
集成运放的基本应用
差动放大器
RF R3 RF VO = − V1 + 1 + V2 R1 R1 R2 + R3 当R1＝R 2，RF＝R3时为差动放大器， 差模电压增益：A VD＝ VO R R ＝ F＝ 3 V2－V1 R1 R 2
输入电阻：R id＝R1＋R 2＝2R 1 当R1＝R 2＝R 3＝R F时为减法器，输出电压 VO＝V2－V1
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。
信号处理电路
信号转换与调理电路的目的
• 消除传感器输出信号中包含的干扰 和噪声信号，放大有用信号。 • 用于驱动显示、记录和控制仪器。 • 将信号转换到一定范围以便于后续 处理。
主பைடு நூலகம்内容
电桥电路 调制解调电路 滤波电路 放大电路 整流电路 模数转换电路 等等
电桥
• 电桥：将电阻、电容、电感等参数的变化 转换为电压或电流输出的一种测量电路。 • 特点：简单可靠，具有很高的精度和灵敏 度，在仪器测量电路中广泛应用。 • 分类：直流电桥和交流电桥
集成运放
集成运算放大器（简称运放）是一种高增益多级直 接耦合放大器，其内部结构如下图：
集成运放的理想化条件
1.无限大的差模输入电阻、趋于零的输出电阻 2.无限大的差模电压增益和共模抑制比 3.无限大的频带宽度以及趋于零的失调和飘移 当vO为有限值，则输入的差模电压（v＋ -v－）就必趋于零，即 v＋ -v－ = vO →0 AVD
调制与解调
• 调制：利用某种信号来控制或改变高频振荡 信号的某个参数（幅值、频率或相位）的过 程。 • 分类：调幅（被控制量是高频振荡信号的幅 值）、调频和调相。 • 控制高频信号的低频信号称为调制波；载送 低频信号的高频信号称为载玻；经过调制的 载玻称为已调制波。
为何要进行调制处理？
调制的意义
交流电桥
交流电桥的结构右图 其激励源是交流信号， 其激励源是交流信号，桥臂 可以是电阻， 可以是电阻，也可以是电容 和电感 电桥的平衡条件是： 电桥的平衡条件是：
z1＊z3=z2＊z4。 z1＊z3=z2＊z4。 式中
z i = Z ie
jϕ i
交流电桥平衡的两个条件： 交流电桥平衡的两个条件： 相对桥臂阻抗模的乘积相 阻抗角的和相等。 等；阻抗角的和相等。
直流电桥的连接方式
连接方式有半桥单臂、半桥双臂和全桥式，如下图。
半桥单臂
半桥双臂
全桥式
半桥单臂工作原理
对于半桥单臂式，当R1变化△R时， eo变为：
实践中常取R1=R2=R3=R4=R0，则
e0=?
一般△R<<R0，故
• 对于半桥双臂有： • 对于全桥式有：
∆R eo = ex 2R0
∆R eo = ex R0
• 用电桥实现铂电阻 测温非常方便。 • 半桥单臂电路即可。 • 可以剔除直流分量， 便于放大处理。
直流电桥的特点
采用直流电源作激励电源，电源稳定性高。 采用直流电源作激励电源，电源稳定性高。 为直流量，可直接用于直流仪表，精度高。 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， 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。 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。 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， 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。 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： 静态测量和动态测量可互相转换。例如：钢板测厚
交流电桥的特点
优点：电源频率一般为5k 10kHz， 5k优点：电源频率一般为5k-10kHz，此时电桥的输出 为调制波，工频干扰不易引入电桥线路中； 为调制波，工频干扰不易引入电桥线路中；交流放 大电路设计简单，没有零漂问题。 大电路设计简单，没有零漂问题。 缺点： 缺点：
影响测量精度的因素较多：元件间的互感耦合、对地电 影响测量精度的因素较多：元件间的互感耦合、 相邻交流电路对电桥的感应影响等。 容、相邻交流电路对电桥的感应影响等。 采用交流电源作激励电源， 采用交流电源作激励电源，要求其电压波形和频率必须 具有很好的稳定性，否则会影响电桥的平衡。 具有很好的稳定性，否则会影响电桥的平衡。 电源电压波形畸变时，高次谐波也会导致电桥不平衡。 电源电压波形畸变时，高次谐波也会导致电桥不平衡。 电桥的平衡必须满足幅值和阻抗角两个条，调节复杂。 电桥的平衡必须满足幅值和阻抗角两个条，调节复杂。 另外，即使是纯电阻电桥， 另外，即使是纯电阻电桥，由于导线之间的分布电容也 会影响到电桥的平衡。 会影响到电桥的平衡。
几种低通滤波器
• 几种低通滤波器如右 图：电器式、机械式、 液压式 • 以RC电路为例，其输入 －输出微分方程为：
RC deo + eo = ei dt eo 1 H (s) = (s) = ei τs + 1
• 传递函数 • 幅频特性见下页图
1 eo 1 jwC = = ei R + 1 jwRC + 1 jwC eo 20 lg(| |) = −20 lg( ( wτ ) 2 + 1) = −3 ei arctan(− wRC ) = arctan(− wτ ) = −π / 4 当 w = 1/τ 当w = 1/τ
同时，由于差模输入电阻趋于无穷，因而流进集成运放输入端 的电流也就必趋于零，即 i→0
运放主要性能参数（直流）
输入失调电压：一个理想的运放，当两个输入端加相 同的电压或直接接地时，其输出电压应为零，但实际 上不为零。为使输出电压为零，在两个输入端间加有 补偿直流电压VIO，该VIO称为输入失调电压。 输入失调电流：当运放的输出电压为零时，将两输入 端偏置电流的差称为输入失调电流，即 IIO＝ IB＋－ IB－ 其中IB＋为同相输入端基极电流，IB－为反相输入端基 极电流。
交流电桥举例
电容电桥如右图： 电容电桥如右图：两个桥臂为 纯电阻，另两个桥臂为电容， 纯电阻，另两个桥臂为电容， R1和R4可视为电容介质损耗的 R1和R4可视为电容介质损耗的 等效电阻。 等效电阻。 平衡条件为： 平衡条件为：
( R1 + 1 1 ) R3 = ( R 4 + )R2 jωC1 j ωC 4
• 某些传感器变换后得到的信号为低频信 号，直接进行直流放大会带来零漂和级 间耦合问题，造成信号失真。 • 直流信号的传输很容易被干扰。 • 防止所发射的信号间的串扰。主要是无 线广播或数据服务信号。
滤波与整流
• 滤波：抑制或衰减 不需要的部分，只 选取信号中需要的 部分。 • 实现方式：电的、 机械的、气动液压 式等。几种低通滤 波器如右图
直流电桥
• 直流电桥结构形式如右图 • R1、R2、R3和R4组成电桥 的4个臂。 • 在a和c接入直流激励电源 ex，在b和d上输出检测电 压eo。 • 原理：一个或数个电阻值 变化会引起eo的变化。
eo与电阻值的关系 eo与电阻值的关系
• eo与电阻值的关系如下
R2
• 电桥的平衡条件：R1＊R3=R2＊R4
简单的一阶系 统，频率衰减 慢，倍频程选 择性仅为6dB ／倍频程。可 通过RC电路级 联方式改善。
相频特性为负，何含义？ 倍频程选择性在图上的含义？
RC级联电路
多个RC网络的级联 可以提高滤波网络的 阶次，提高衰减速度。 但必须考虑各个环节 之间的负载效应，可 通过运放构成的有源 滤波器解决。
滤波器的分类
• 按选频方式分：低通滤波器、高通滤波器、带通 滤波器和带阻滤波器，如下图
滤波器的分类
• 按信号处理性质分： 模拟滤波器：模拟器件组成 数字滤波器：数字滤波 • 滤波器的性质分： 无源滤波器：L、C等储能元件构成 有源滤波器：包含运算放大器
滤波器的特征参数
• 理想滤波器与实际滤波器的幅频特性如下图
面包板
＋5V
＋5V
CH1 CH3 AGND AGND GND