传感器电路

第11章 传感器电路
E＋
U1 D1 － A ＋
RP E－ ＋ －
D2 U2
~
图11.16 电平转换电路
第11章 传感器电路


11.2.3 采样-保持电路 采样-保持电路通过逻辑指令控制, 使电路对输入信号进行采样,并使电路的 输出级跟踪输入量。通过保持指令,使输 入量在电路中一直保留着,直到下一个新 的采样指令到来。在需要对输入信号瞬 时采样和存储的场合,都需要采样保持电 路,如峰值检波、瞬时量的测量和模拟信 号的采样电路。
A
[(
f0
) 1] j
f (1 K A ) f0
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Rf R1 C Ui R R C C R － A ＋ Uo
图11.14 有源带阻滤波器
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Kf
0
1
f / f0
图11.15 有源带阻滤波器的幅频曲线
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11.2.2 电平转换电路 对于一些采样器件,输入的电压必 须限制在一定的范围内。所以,需要将电 平调整为合适值。图11.16是最基本的电 平转换电路。 图中的电位器Rp 用来调整信号的 电平偏移。U1 、U2 为采样器件对输入电 平的上下限。选择合适的A,使得信号范 围在U1~U2 之间。D1 、D2 用于限定输入 范围,起到过压保护的作用。电平转换电 路的形式是多样的,应该根据具体的要求 设计。
Uo Rf1 R1 Ui
(11.2)
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Rf2 Uo1 Io2 R Ii Ui Ii1 RP R1 － A1 ＋ A2
Ii2 R2 － ＋ RP Rf1
Uo
图11.4 自举型高输入阻抗放大器
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同理
U o 0 0 U o1 Ii 2 R2 Rf 2 U o1 Rf 2Rf 1 R1R2 Ui
C1 R1 1 a 1 ,Q C2 R2 a KA
Rf 1 R1C1 , KA R2C2 Rf 2
其典型的幅频特性曲线如图11.13所示。
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Rf1 Rf2 － A ＋ Ui R2 C1 C2 R1 Uo
图11.12 有源带通滤波器
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Kf
(11.3)
(11.4)
所以
Io2
U o1 U i ( R f 1R f 2 R1R2 )U i R R1R2 R
(11.5)
1 R f 1R f 2 R1R2 I i I i1 I i 2 ( )U i R1 R1R2 R
(11.6)
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因此输入阻抗为
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11.1.3 电荷放大器 电荷放大器,顾名思义是用来放大 电荷的。其输出的电压正比于输入电荷。 它要求放大器的输入阻抗非常高,以至于 电荷损失很少。通常,电荷放大器利用高 增益的放大器和绝缘性能很好的电容来实 现,如图11.5所示。 图11.5中,电容Cf 是反馈电容,将输 出信号Uo反馈到反向输入端。当A为理想 Q Uo （11.9） Ct 放大器时,根据虚地原理,反向端接地,所 以,Ui=0。有Q=(0-Uo)Cf,即
K fv KA( f0 ) f 2 1 f [1 ( ) ] j ( )( ) f0 Q f0
(11.12)
其中,f0=1/(2πRC),Q=1/(3-KA),KA=Rf/R1。其幅 频特性曲线,如图11.11所示。 同样,KA必须小于3,否则会引起自激振荡。
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Kf 10 0 －10 －20 －30 －40 Q＝2 Q＝1
Q＝0.5
0
0.2 0.3 0.5
1
f / f0
图11.8 有源低通滤波器的幅频曲线
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2) 高通滤波器 与低通滤波器相反,高通滤波器用 于衰减低频信号,而让频率较高的信号通 过。图11.9是阻容高通滤波器和它的幅频 K 特性。
K fv R1 Rf 2 2 2 (1 R C ) (3 ) j RC R1
（11.10）
我们令f0=1/(2πRC),Q=1/(3-KA),KA=Rf/R1,所以
K fv
KA f 2 1 f [1 ( ) j ( )( ) f0 Q f0
(11.11)
其幅频特性曲线,如图11.8所示。
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滤波器通常可分为低通滤波器、 高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器 等。 1)低通滤波器 低通滤波器用于衰减高频信号,而 让频率较低的信号过去。图11.6是阻容滤 波器和它的幅频特性。
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K R ＋ － 1
1
~
E
C
2
0
1
f / f0
图11.6 阻容低通滤波器和幅频特性曲线
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虽然阻容滤波器电路简单,但是它 的缺点是明显的。其在通频带内,增益随 着频率的增大而下降。所以,为了改善在 上界频率附近的频响特性,通常可以采用 R1 有源滤波,如图11.7所示的电路。
R Ui R C － A ＋
C
图11.7 有源低通滤波器
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该电路中,电信号经过阻容低通滤 波器后,经过同相放大,一部分通过电阻反 馈到同相输入端。该低通滤波器的高端 Rf 的频响有较好的改善。它的传输函数为
1
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基准 电压 －Ui Ur K2
K1
R － ＋
积分器 比较器 － ＋
K
控制 开关
C
n位计数器 … 时钟脉冲 发生器 D1 D0
Dn －1
数字输出
图11.18 双积分型A/D转换器原理
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假设从T1 时刻开始，开关K连接 K2侧，一直到t1时刻，期间由于积分器上 加上基准电压Ur，输出电压Uo(t)为
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场效应管的电路,虽然可以用自生 偏置来获得静态工作电压。但是,为了使 场效应管工作在线性区,通常用分压电路 来获得静态工作电压。在图11.2中的电路 中,电源电压E经过R1 和R2 分压,通过Rg 耦 合,作为场效应管的偏置电压。
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我们来观察一下图11.2中电路的输 入阻抗。这是一个跟随电路。我们观察 Rg 两端的电压,交变信号通过电容C1 耦合 到电阻Rg的一端,同时,由于是跟随设计,所 以场效应管G的源极的电压和栅极的电压 大小近似相等,相位相同。这个信号通过 C2 耦合到电阻Rg 的另一端。这样,Rg 两端 的电压接近相同,所以流过Rg 的电流很小。 也就是说,场效应管的输入阻抗并没有因 为分压电路的存在而降低。
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传 感 器
输出
图11.1 变压器匹配
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11.1.2 高输入阻抗放大器 在实际应用中,很多传感器的阻抗 很高,如压电换能器,光敏二极管、压电加 速度计等。要进行高精度的测量,传感器 和输入电路必须很好地匹配。这就要求 放大器有较高的输入阻抗,其数量级在MΩ 以上。由于场效应管或集成运算放大器 的本身的输入阻抗非常高,所以通常用场 效应管或集成运算放大器来实现高阻抗 放大器。下面通过两个例子,介绍高阻抗 匹配的方法。
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11.1 11.2 11.3 11.4 11.5

传感器的匹配 信号处理电路 信号传输 抗干扰设计 实际传感器电路举例
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11.1 传感器的匹配



11.1.1 变压器匹配 利用变压器可以很方便地进行阻抗 匹配,在一定的带宽范围内,无畸变地传输电 压信号。具体电路应该根据传感器信号的 情况而定。 例如,动圈式麦克风的输入通常用一 个小型的变压器来匹配,如图11.1所示。

C
1
＋ R －
~
1
E R
2
0
1
f / f0
图11.9 阻容高通滤波器和特性曲线
第11章 传感器电路

和阻容低通滤波器相同,虽然阻容 高通滤波器电路简单,但是在其通频带内, 幅频特性曲线不是特别理想。增益随着 频率的下降而下降。所以,为了改善其下 界的频率附近的频响,可以采用如图11.10 所示的电路。
Ui 1 Ri 1 R f 1R f 2 R1R2 Ii R1 R1R2 R
我们令Rf1=R2,Rf2=2R1，则
(11.7)
RR1 Ri 1 1 R R1 R1 R

1
(11.8)

当R=R1时,Ri趋于无穷。输入电流 R Ri Ii实际由A2提供。当然,实际应用时,R和R1 R 存在一定的偏差。若 为0.01%时,R1=10kΩ时,则输入阻抗高达 100MΩ。一般的反向放大电路是达不到 的。
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采样-保持电路主要由模拟开关、 电容和缓冲器组成,如图11.17所示。模拟 开关在逻辑指令的控制下,用于决定当前 是采样还是保持。电容用于存储模拟信 号。缓冲器放大器由射随电路组成,提供 高的输入阻抗和低的输出阻抗。
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模拟开关 K Ui C 逻辑指令
缓冲放 大器 存储电容
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Rf R1 C Ui R C R － A ＋
Uo
图11.10 有源高通滤波器
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Kf Q＝1 Q＝0.5 Q＝2
0
1
f / f0
图11.11 有源高通滤波器的幅频曲线
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该电路经过阻容高通滤波器后,经 过同相放大,一部分信号通过电阻反馈到 输入端。该高通滤波器的低端的频响有 较好的改善。它的传输函数为 f 2
0
1
f / f0
图11.13 有源带通滤波器的幅频曲线
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4)带阻滤波器 与带通滤波器相反,带阻滤波器是 使某一个频段的信号被阻隔,其余部分可 以通过。最典型的是双T桥带阻滤波器, 如图11.14所示。其幅频特性如图11.15所 f 2 示。 ( ) 1 KA f0 K fv该电路的电压增益为 (11.14) f 2 4 1 K
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＋E R1 C1 Ui Rg R2 C2 G
Rs
图11.2 场效应管的自举反馈电路
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＋E R1 C1 Ui Rg路
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在实际应用中,通常还采用运算放 大器来实现放大器的高阻抗输入。图11.4 为自举型高输入阻抗放大器。图中A1 ,A2 为理想放大器。我们来分析一下该电路 的原理。根据虚地原理,放大器A1 的“-” 端电位与“+”端相同,为0;而从“-”到“+” Ui 0 0 Uo 的电流为0。放大器A2的情况与A1(11.1) 相同。 I i1 R1 Rf 1 这样,就有
Uo
图11.17 采样保持电路原理示意图
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11.2.4 A/D转换电路 A/D转换电路,是指把模拟电信号 转化成为数字量的电路。根据采样的原理, 可以分为双积分型、跟踪型、逐次逼近型 和并列型等。在此介绍双积分型和并列型 两种。双积分型的原理如图11.18所示。 开关K在时间0~T1T内,连接KU侧,积分器的 1 U o (t ) ( Ui )dt 1 i T1 输出电压为Uo(t)。可以看出 CR CR 0
UiT1 1 t1 UiT1 U r (t1 T1 ) U o (t ) T1 U rdt CR CR CR CR
这是一个放电的过程,积分器的输出电压逐渐下降。 假设到了T2时刻，积分器的输出电压Uo比0低,比较 器反转,输出低电平,与门被封,计数器停止计数。即把
T2代入上式中的t1，有Uo(T2)=0。则输入电压Ui和基准

3) 带通滤波器 带通滤波器的特点是让在某一个 频率段的信号通过。图11.12是典型的有 源带通滤波器电路。jQ( f f 0 ) 1 a f0 f 其增益为 K fv K A （11.13）
其中
a K A 1 jQ ( f f 0 ) f0 f
R1C1 1 ,Q R2C2 a
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Cf － A ＋
q
~
Ui
Uo
图11.5 电荷放大器示意图
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11.2 信号处理电路


11.2.1 滤波电路 滤波电路可以由电感、电容、电阻 这些无源器件组成,成为无源滤波器;也可以 将无源器件和放大器结合,组成有源滤波器。 有源滤波器可以只用阻容器件实现,因此体 积小。由于采用集成放大器,带宽和增益控 制非常方便。