第五章-信号调理电路 检测系统的构成讲解
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。
检测系统的基本组成分解
串联制的缺点
• 一台仪表损坏或增减将影响其他仪表
• 仪表的输出端处于高电位工作，仪表可 靠性差 • 检查各台表的电路电位困难
3) 数据采集
作用：对信号调理后的连续模拟信号 离散化并转换成与模拟信号电压幅度 相对应的一系列数值信息，同时以一 定的方式把这些转换数据及时传递给 微处理器或依次自动存储。
性能指标
(1)输入模拟电压信号范围，单位:V； (2)转换速度（率），单位:次/秒； (3)分辨率，通常以模拟信号输入为满度 时的转换值的倒数来表征； (4)转换误差，通常指实际转换数值与理 想A/D转换器理论转换值之差。
供电方式
• 交流供电 缺点：每块表附加电源变压器、整流器及 稳压线路 • 直流集中供电 好处：省去电源变压器、整流器及稳压部 分；可以采取防停电措施；无工频交流 电，为仪表防暴提供了有利条件
典型的仪表系统
基地式系统 基地式仪表 常规仪表 控制系统 单元组合仪表： 调、变、执、算 (DDZ-II、III、 QDZ) 第 1代 DDC控制 变、执 (DDZ-II、III) 集中型计算 机控制系统 变、执 (DDZ-II、III) 第2 代 FCS 将全厂最基础的现场 级仪表和装置均通过 现场总线连接起来， 实现全数字化通讯。 现场仪表：总线仪表 第 4代 *
• 信号下限：从零开始；活零点（判断断 线与是否工作，半导体在好的工组段； 两线制）
变送器信号传输方式
信号与电源的传输方式： 1）四线制传输 供电电源与输出信号分别用两根导线 2）二线制传输 两根导线作为电源和输出信号的公用传 输线
信号调理电路
Vo AVi A(V+ - V- )
3
Vi V2
Vo
A：放大倍数
理 想 运 •高增益 A很大，1000倍以上 放 •高输入电阻 r 很大，兆欧以上 i 的 特 •低输出电阻 ro很小，可以忽略 点
运算法则：1、U 4、 ro
同相 输入端
A→∞
v2 - v1
ri→∞ 故： I 0 i ro→0
运算放大器
• 运算放大器是信号调理电路的常用器件，掌 握运算放大器的特性及其工作方式，对于掌 握信号调理电路的工作原理非常重要。
• 运算放大器是一个集成电路芯片，将其连接
成不同的工作方式，便可实现多种数学运算 故称为运算放大器，简称运放。
运算放大器
E+
电路符号
+Vcc uN uP
-
uo
+
-Vcc
R2
运算放大器总结
工作方式
R1 10k
i -
R2 100k +10V
i1
R2
ui
R3 10k
a
uib
uo
-10V
R1 R3 i2 R4 +
+
uia
uo
单端输入方式
一端接输入信号，而另 一端接地（或通过电阻 接地） 同相输入 反相输入
差动输入方式（双端输入）
输入信号uib和uia同时加在 同相端和反相端
ui uib - uia
运算放大器总结
工作方式
+10V
i R2 100k R1 10k +10V -
ui
Vr
+
uo
ui
R3 10k
【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
33
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34
§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。
整理课件
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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。
工程测试技术基础第五章信号调理
5.3调制与解调
动手做： 用个人测试实验室中数字 信号发生器、波形运算器 等软件芯片，设计一个非 抑制调幅与解调系统。
5.3调制与解调
4 频率调制
调频是利用信号x(t)的幅值调制载波的频 率，或者说，调频波是一种随信号x(t)的电压 幅值而变化的疏密度不同的等幅波.
y (t) A c2 o[f0 s x ( (t)* t ])
y (t) [A 0* x (t)c ]o 2 fs t()
调制
缓变信号
放大
高频信号
放大高 频信号
解调
放大缓 变信号
5.3调制与解调 幅度调制与解调过程（波形分析）
x(t) z(t)
乘法器
x m(t)
放大器
z(t)
乘法器
滤波器
x(t)
5.3调制与解调 幅度调制与解调过程（频谱分析）
x(t) z(t)
3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要 对传感器测量信进行调制解调处理。
第五章、测试信号调理技术
5.2 信号放大
分类
直流放大器
特点 低频保留,高频截止
放大器
交流放大器 直流电桥 交流电桥
高频保留,低频截止
电荷放大器
5.2 信号放大电路
1 直流放大电路
1) 反相放大器
电压增益:
Av
RF R1
t
5.3调制与解调
a) 幅度凋制(AM)
y (t) [A * x (t)c ]o 2 fs t( )
b) 频率调制(FM)
y (t) A c2 o[fs 0 x ((t)* t])
c) 相位调制(PM)
y(t)A co 2 fs t[(0 x(t)])
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。
电路中的信号调理与检测
电路中的信号调理与检测在电子领域中，信号调理与检测是非常重要的一部分。
它们在各种电路中起着关键的作用，帮助我们获取、处理和分析信号，在不同应用中实现精确的控制和测量。
首先，我们来讨论信号调理。
电路中的信号往往需要经过一系列的调理才能被有效地处理。
信号调理的主要目的是消除干扰并增强信号质量。
在实际应用中，信号往往会受到来自外部环境的各种干扰，例如噪声、电磁干扰等。
为了解决这些问题，我们需要使用各种信号调理技术，如滤波、放大、增益控制等。
滤波是最常见的信号调理技术之一。
它通过选择性地通过或阻塞一定频率范围内的信号来削弱或消除干扰。
常见的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。
低通滤波器可以通过消除高频噪声来提高信号质量，而高通滤波器则可以削弱低频噪声。
带通滤波器和带阻滤波器则可以在指定的频率范围内增强或抑制信号。
通过合理选择滤波器类型和参数，我们可以根据不同需求对信号进行调理。
除了滤波，放大也是信号调理的重要手段之一。
放大器可以增加信号的幅度，从而提高信号的强度和可靠性。
常见的放大器有运算放大器、差分放大器、功放等。
运算放大器是最常见的放大器之一，它具有高开环增益和输入输出之间的线性关系。
通过选择合适的反馈电阻或电容，我们可以根据需要调整放大器的增益，实现对信号的精确放大。
除了信号调理，信号检测也是电路中的重要环节。
信号检测的主要目的是确定信号的存在和参数，例如频率、幅度、相位等。
对于连续信号，我们通常使用一些传统的检测方法，如幅度检测和频谱分析。
幅度检测可以通过采样和测量信号的幅值来确定信号的强度和变化。
频谱分析则可以将信号分解成不同频率分量，帮助我们研究和理解信号的频域特性。
对于数字信号，我们通常使用数字信号处理技术进行检测和处理。
数字信号处理涉及到信号的数字化、滤波和变换等过程。
通过AD转换器，我们可以将连续信号转换为数字信号，并利用数字滤波器对信号进行滤波。
此外，我们还可以使用快速傅里叶变换等技术对信号进行频谱分析和频域处理。
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。
信号的调理和检测系统的集成
传感器输出电信号普通都比较微弱，功率 较小。信号调理电路会将传感器输出转换 为电流、电压和频率等便于测量电信号， 输出功率最少要到达mV级。惯用信号调理 电路有电桥电路、放大电路、调制与解调 电路和滤波电路等。
信号的调理和检测系统的集成
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13.1.1 电桥
电桥作用是将传感 器输出电阻、电容和电 感等电参量改变转换成 为电压或电流信号，在 信号调理电路中应用较 为广泛。电桥电路按照 激励电源类型能够分为 直流电桥和交流电桥两 种。
2) 半桥交流电桥输出电压为：
3) 全桥交流电桥输出电压为：
信号的调理和检测系统的集成
第6页
3.电容电桥和电感电桥
信号的调理和检测系统的集成
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13.1.2 放大 1.基本应用电路 （1）反相放大器（2）同相放大器
信号的调理和检测系统的集成
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（3）差动放大器
信号的调理和检测系统的集成
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起源于系统外部其它电气设备所产生电火花、机械 干扰、热干扰、化学干扰或各种电操作干扰，称为人为干 扰（或工业干扰）。人为干扰主要是放电噪声干扰和电气 设备干扰。
信号的调理和检测系统的集成
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1.放电噪声干扰 2.电气设备干扰 13.3.2 干扰传输路径 1.静电感应干扰 2.电磁感应干扰 3.附加热电势和化学电势 4.振动 5.辐射电磁耦合干扰 6.电源线干扰 7.公共阻抗干扰 8.泄漏电阻干扰
（4）交流放大器
信号的调理和检测系统的集成
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2. 测量放大器
信号的调理和检测系统的集成
第11页
3. 增益调控测量放大器
信号的调理和检测系统的集成
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4.隔离放大器
信号调理电路解读
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。
第5章信号调理电路PPT课件
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5.2.5 程控增益放大电路
是通过数字逻辑电路或计算机编程来改变增益的方法，也称为 可编程增益放大电路，简称PGA 结构形式多种多样，分为单运放、多运放、仪表放大器和单片 集成程控增益放大电路 多路模拟开关
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
A2A1A0为地址选择端，COM为公共端， GND为接地端，当A2A1A0 ＝000时，开关 S0闭合，通道I0与公共端COM接通，其他 开关断开；当 A2A1A0 ＝001时，开关S1闭 合，通道I1与公共端COM接通，其他开关 断开；…，依此类推。当禁止端EN=0时， 通道I0～I7均不通。
• 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 (R3j 1C3)R2(R4j1C4)R1
即 R3R2 R4R1
R2 R1 C3 C4
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信号调理电路
Signal Conditioning Circuit
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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。
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5章信号调理电路
Uo
42
5.3线性化
电路原理：四个二极管串联四个不同的电阻， 即可实现分段逼近线性化。
如：D1串联反向电压Uc1=R1Uc/(r1+R1)， D2串联反向电压Uc2=R2Uc/(r2+R2)， D3串联反向电压Uc3=R3Uc/(r3+R3)， D4串联反向电压Uc4=R4Uc/(r4+R4)
当输入信号Ui很小时，Ru= R0，随着Ui的增大， 四个二极管依次导通，实现分段拟合。
K ln V0 KI
31
5.3线性化
运放构成的对数电路原理图如
iD
D
VI R iR R’
-
+
+ R2
Vo
32
5.3线性化
PN结的伏安特性为：
iD ISekqTVD 1
常温（25度）时，可以近似为
q
iDISek T VD ISeVD/VT 33
5.3线性化
运放构成的对数电路的输出为：
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
电平调整（放大或衰减） 线性化（非线性信号调正成线性信号） 信号形式变换（如电压电流变换） 滤波与阻抗匹配（滤波电路、传感器内 部阻抗或电缆阻抗引起重大误差的处理）
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
模拟电子技术基础知识信号调理电路的设计与分析
模拟电子技术基础知识信号调理电路的设计与分析电子技术基础知识：信号调理电路的设计与分析随着现代电子技术的发展，信号调理电路在电子设备中起着至关重要的作用。
它可以将输入信号进行处理和优化，使之符合要求，进而提高系统的性能和稳定性。
本文将介绍信号调理电路的基本原理、设计方法和分析技巧。
一、信号调理电路的基本原理信号调理电路是指对输入信号进行放大、滤波、调幅、调频、调相等操作，以满足信号传输和处理的要求。
其基本原理涉及放大器、滤波器、调制器等电路组件的功能和相互作用。
1. 放大器放大器是信号调理电路中最基本的组件之一，可以对小信号进行放大，提高信号的幅度。
常见的放大器有运放放大器和功率放大器。
2. 滤波器滤波器可以对输入信号进行频率选择，剔除无关频率成分或者衰减幅度较大的频率成分，从而获得需求的频率范围内的信号。
3. 调制器调制器是将原始信号转换为另一种信号形式的装置。
调制器常见的类型有调幅调制器、调频调制器和调相调制器等，它们可以将信号调制到不同的载波上，以便信号传输和处理。
二、信号调理电路的设计方法信号调理电路的设计需要根据具体应用场景和要求进行。
下面介绍几种常见的设计方法：1. 传统设计方法传统设计方法是指根据电路的传输特性和信号处理要求，选择合适的电路拓扑结构和元器件参数来设计电路。
这种方法需要掌握电路的基本原理和设计方法，利用电路分析工具进行电路仿真和优化，满足指定的性能指标和约束条件。
2. 系统级设计方法系统级设计方法将整个信号调理系统作为一个整体进行设计，考虑各个模块之间的交互和优化。
这种方法需要对整个系统的需求和性能指标有清晰的认识，采用系统级仿真工具进行建模和优化，从而实现更好的整体性能。
3. 自适应设计方法自适应设计方法是根据输入信号的变化来自动调整电路的参数和结构，以适应不同的输入条件和工作环境。
这种方法适用于需要实时监测和调整的场景，提高了系统的灵活性和适应性。
三、信号调理电路的分析技巧为了准确评估信号调理电路的性能和优化设计，需要掌握一些分析技巧：1. 信噪比分析信噪比是衡量信号质量的重要指标，表示信号与噪声的比例关系。
现代测控电子技术-信号调理电路
（3）输入阻抗问题 基本微分器的输入阻抗为 ，高频时阻抗偏低， 这是微分器的缺点。 以上三类问题，尤其是前两类问题，如不采用电 路上的措施是无法使基本微分器实用的。因而真正实 用的微分器必须对基本微分器作出改进。
2）原理性微分放大器的补偿
补偿的原则是使阻尼系数ξ趋近于一。
（1）简单的补偿方法 在基本微分放大器的输入回路中串入一只电阻Rf，
积分器的输出电压和输出电流要受到运放额 定输出电压和额定输出电流的限制。
具体设负载电流为iL，则
例3.1.1 已知基本积分器的输入回路电阻 Rf=10kΩ，积分电容CF=0.1μF，积分器的最大负载 电流为±2.5mA，运放的额定值为Vomax=10V， Iomax=5mA。问：
(1)当输入电压为直流电压时，输入电压的最
在低频段，由于ω<<AoωBW，这时积分放大器的 频率特性为
图3.1.4 积分放大器的对数幅频特性
此时积分器犹如一个一阶惯性环节，其直流增
益为Ao，时间常数为AoτF，与理想积分器相比，存 在误差，该误差是由开环增益Ao的非理想性（不为 无穷大）引起的。
在高频段，由于
，此时积分器的频率
特性为
与理想特性相比，高频段多了一个惯性环节， 原因是运放的增益带宽积不为无穷,导致高频段幅 频特性的下降速率由–20dB/十倍频程改为–40dB/十 倍频程。
解2： 令
结果说明交流输入信号的频率受到交流信号幅值 的制约，幅度越大，频率要求越高。
2） 积分器的误差分析
（1）失调和漂移引起的误差——积分漂移 等效电路图如图3.1.2所示。
图3.1.2 考虑失调及漂移的积分放大器
对运放反相端应用KCL 有 解之得
由此可得积分器的输出误差为
信号调理电路
3.6 信号调理电路由传感器直接输出的信号一般是非常微弱的，不能直接被测量电路所利用，所以要根据不同形式的传感器采取不同的方式对信号进行处理，例如对微弱的信号放大、滤波、变换等等，最终将传感器最初的输出信号调理成能被测量电路所利用的信号。
3.6.1 仪器放大器仪器放大器（或称数据放大器）是用于测量两个输入端信号之差的集成模块，其放大增益可设定。
仪表放大器具有输入阻抗高、失调和温漂小、增益稳定、输出阻抗低等特点，主要用于作热电偶、应变电桥、分流器及生物传感器的接口电路，这种放大器能够将叠加在大共模电压上的小的差模信号进行前置放大。
仪表放大器的增益可任意设定，一般有两种方法，一是通过数字量直接控制，另一种是通过外部电位器调节，目前有各种型号的仪器放大器可供选择使用。
仪表放大器的功能框图如图3.6.1所示。
图3.6.1仪表放大器有它自己参考端，这些参考端均于地线相连，可以驱动以地为参考的负载。
此外仪表放大器的输入地和输出地都汇集在一点，该点又与电源地相连，这样可以减小电路中接地环路电阻，从而减少因接地电阻带来的影响。
下面以AD620为例介绍其典型应用。
AD620是低成本仪表放大器，用户仅通过外接一个电阻，就可以在1~1000倍的增益范围内任意设置放大倍数。
该器件具有宽的供电电源范围±2.3V~±18V ，较低的功耗（≤1.3mA ），输入失调电压小于50μV ，输入失调电压温漂小于0.6μV/℃，具有低的噪声输入。
其管脚排列如图3.6.2所示。
G REFOUT +Vcc R图 3.6.21、8脚是外接电阻端子，以调节放大倍数；7、4脚是正、负电源端子；2、3脚是输入电压端；6脚是输出电压端；5脚是参考端，若该端接地，则6脚输出为对地之间的电压。
AD620仪表放大器的放大倍数表达式为：14.49+=GR kG 1 基本放大器电路图3.6.3是AD620组成的基本放大器，根据放大倍数的要求，可以决定出电阻R G 的值。
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。
检测系统的基本组成讲解
1 检测技术的发展趋势
1.不断提高检测系统的测量精度、量程范围、延 长使用寿命、提高可靠性：
检测技术的发展趋势
2.应用新技术和新的物理效应，扩大检测领域
检测技术的发展趋势
3.发展集成化、功能化的传感器 4.采用计算机技术，使检测技术智能化 5.发展网络化传感器及检测系统
2.检测系统的基本组成
7) 输入设备
定义：输入设备是操作人员和检测仪表或检 测系统联系的另一主要环节，用于输入设置 参数、下达有关命令等。最常用的输入设备 是各种键盘、拨码盘、条码阅读器等。
8)稳压电源
一个检测仪表或检测系统往往既有模拟电路 部分，又有数字电路部分，通常需要多组幅 值大小要求各异但均需稳定的电源。这类电 源在检测系统使用现场一般无法直接提供， 通常只能提供交流220 V工频电源或+24V直 流电源。
4) 信号处理
作用：信号处理模块是现代检测仪表、检测 系统进行数据处理和各种控制的中枢环节， 其作用与功能和人的大脑相类似。
5) 信号显示
作用：显示被测参量的瞬时值、累积值或 其随时间的变化情况； 分类：指示式、数字式和屏幕式。
6) 信号输出
作用：把测量值及时传送给控制计算机、 可编程控制器（PLC）或其它执行器、打 印机、记录仪等，从而构成闭环控制系统 或实现打印（记录）输出。
直流电压信号
• 应用电压信号作为联络信号时，如一个 发送仪表的输出电压要同时输送给几个 接收仪表，则几台接收仪表应并联连接。 要求仪表内阻及导线电阻足够小。因此 电压信号不适于作远距离传输。
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R1= R4， R2= R3， R5= R6
16
5.2电平调整
电路的输出为
Vo
21
R4 R3
2
R4 RG
Vi 2
Vi1
Vref Vshift
17
5.3线性化
5.3.1为何进行线性化 检测系统中希望输入输出特性是线性化的。 实际传感器大多数是非线性化的。 减少计算量，提高运算速度； 满足线性刻度； 使用方便。
电阻
RHa RHb RHc
a b c
用简单的无源器件（如电阻）与敏感器件并 联或串联，只要电阻值选择合适，就可以将非 线性校正到满意的程度。
如湿敏电阻的线性化
20
5.3线性化
电阻
RHa RHb RHc
a
b c
RH
Ha Hb Hc 相对湿度RH% 湿敏电阻的线性化
R R’h
21
5.3线性化
并联后的总电阻为
RH'
RRH R RH
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
电平调整（放大或衰减） 线性化（非线性信号调正成线性信号） 信号形式变换（如电压电流变换） 滤波与阻抗匹配（滤波电路、传感器内 部阻抗或电缆阻抗引起重大误差的处理）
整电路
7
5.2电平调整
5.2.3有源电平调整
有源电平调整电路普遍采用
Rf
运算放大器，如反相放大电
路、同相放大电路等。
Vo
Rf Ri
Vi
Vi Ri Rp
-+ +
R2
Vo
反相放大电路
8
5.2电平调整
有源电平调整的特点
可以实现放大或衰减，调整方便； 满足了阻抗匹配要求；
放大电路的带宽有限，一般厂家给增益带宽积， 如30MHz，若G=1000，则带宽小于30KHz ；
R3 R2
双运放电压调整电路的输出简化为：
Vo
R4 R3
1Vi2
Vi1 Vref
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
12
5.2电平调整
双运放电压调整电路的增益为
G R4 1 R3
改变增益且保证CMRR不变，须同时调整两个电阻值。 能否只调整一个电阻值就达到目的？
13
5.2电平调整
R2
RG
R4
Vref
使a，b，c三点一线应满足
即满足
RH' a RH' b RH' b RH' c
RRHa RRHb RRHb RRHc R RHa R RHb R RHb R RHc22
5.3线性化
解得：
R RHb RHb RHc 2RHaRHc
RHa RHc 2RHb
放大器本身的噪声影响； Et 4kTRf
放大器参数影响：输入失调电流、输入失调电压9
5.2电平调整
5.2.4有源电平调整实例
某差动压力传感器的输出为33mV~58mV，数据 采集卡输入范围为0.5V~4.5V，因此中间需要电 平调整电路。
调整电路应具有如下特性： 33mV~58mV调整成0.5V~4V（留0.5V余量）
笔式记录仪 光线示波器 磁带记录仪 电子示波器 半导体存储器 显示器 磁卡
数据处理器 频谱分析仪
FFT 实时信号分析仪 电子计算机
被测对象 传感器 激发装置
中间变换 测量装置
显示及 记录装置
实验结果 处理装置
2
5.1概述
5.1.2信号调理的基本概念
信号调理：对传感器输出信号进行操作，将其 转换成满足后续传输与处理系统要求的信号
10
5.2电平调整
R2
R4
Vref
R1
Vi1 Vi2
-+ +
R2
R3
-+ +
R2
双运放电压调整电路
Vo
11
5.2电平调整
双运放电压调整电路的输出为
Vo
R4 R3
R2 R1
1Vi1
R4 R3
1Vi 2
R4 R2 R3 R1
Vref
选取电阻值，使 R4 R1 ，则电路具有较高CMRR，
Vref
选取电阻值，使 R4 R1 R2 R3 输出简化为：
Vo
1
R4 R3
2
R4 RG
Vi2
Vi1 Vref
15
5.2电平调整
Vshift R5
R6
R2
RG
R4
Vref
R1
Vi1 Vi2
-+ +
R2
R3
-+ +
R2
-+
+ R2
Vo
具有正负零位电压调整的三运放电压调整电路
第五章 信号调理
5.1概述 5.2电平调整 5.3线性化 5.4信号变换 5.5滤波与阻抗匹配 5.6模拟数字转换电路
1
5.1概述
5.1.1检测系统的构成
力 位移 速度 加速度 压力 流量 温度
电阻式 电容式 电感式 压电式 热电式 光电式 磁电式
电桥 放大器 滤波器 调制器 解调器 运算器 阻抗变换器
R1
Vi1 Vi2
-+ +
R2
R3
-+ +
R2
增益可调的双运放电压调整电路
Vo
14
5.2电平调整
电路的输出为
Vo
R4 R3
R4 RG
R4 R2 R3 RG
R4 R2 R3 R1
Vi1
R4 R3
R4 RG
R4 R2 R3 RG
1Vi 2
R4 R2 R3 R1
18
5.3线性化
5.3.2线性化的方法 数字式线性化：单片机、嵌入式系统、专用芯片；
灵活，适用性强，速度有限，难
以满足动态检测场合。
模拟式线性化：在信号调理电路中加入模拟非线
性环节。
按使用元件分：无源线性化、有源线性化
19
5.3线性化
硬件线性化的特点
实时性强、简便、经济、可靠，应用广泛。 5.3.3无源线性化电路
5.2电平调整
5.2.2无源电平调整
该电路可以实现信号的衰减
Vo
R2 R1 R2
Vi
Vi
R1
Vo
R2
无源电平调整电路
6
5.2电平调整
注意： 两个电阻的稳定性直接影响电平调整效果 作为传感器电路的负载希望电阻大些，作为
后续电路的输入希望电阻小些，折中考虑 大阻值（如MΩ）的电阻精度与噪声均较差 常用于精度要求较低的场合，否则用有源调
4
5.2电平调整
5.2.1为何进行电平调整 检测系统中虽然可以采用输出标准信号的变送器， 但在具体设计中也常用传感器加电平调整的方案。 原因有三：
变送器虽然方便但成本较高，缺乏调节环节；
在检测系统设计与调试过程中，为了得到理想的 传函常常调整传感器/放大器的传函；
变送器量程也是标准的，不能全满足工程要求。 5