信号调理电路

b) 图4-4
b) 相频特性
二阶高通滤波器
三、RC有源滤波电路
有源滤波器是指采用有源器件和电阻、 电容组成的滤波器，有源滤波器中的有源器 件可以用晶体管，也可是运算放大器，特别 是运放组成的有源RC滤波器可以做到体积 小，重量轻，损耗小，并且可以提供一定的 增益（放大），还可以起到缓冲作用。 因此在低频（1MHz）场合得到极为广 泛的应用，由于受有源器件带宽的限制，有 源滤波器一般不能用于高频场合，高频场合 一般采用无源滤波器，另外需要提供电源。
α=0.1 α=0.2
α=0.33 1 lg(ω/ω0)
α=2.5
a) 幅频特性
-20
α=1.67 α=1.25 α=0.8 α=0.5 -40 /(°) 180° α=2.5 90°α=1.67 α=1.25 α=0.8 0° -1 0
α=0.1 α=0.2 α=0.33 α=0.5 1 lg(ω/ω0)
第3章 检测信号的调理
信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。 1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、 记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻 抗变换。 2.有些传感器输出的电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉 噪声，提高信噪比。 3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测 量信号进行变换处理。 4.检测信号调理的主要作用： 放大、滤波、隔离、信号 变换。
1、RC无源低通滤波电路
RC低通滤波器的典型电路和幅频 特性如图所示。设输入和输出信号电 压分别为u x 和 u y ，电路时间常 数 RC 。滤波器为一阶系统，其频率 响应函数和幅频特性分别为 ：
1 H ( j ) 1 j 1 A() 1 () 2
-3dB截止频率 C 1
常用运放的基本类型: (1) 通用运放 (2) 高速运放 (3) 低损耗运放 (4) 高精度运放 (5) 宽带运放 (6) 大功率运放
二. 测量（仪器）放大电路
基本放大电路能够对微弱信号进行放大，适用于不受干 扰的场合。由于检测装置的传感器工作环境恶劣，传感器的输 出线上有较大的干扰信号，基本放大电路的同相端和反向端的 电路结构不对称，削弱了对共模干扰信号的抑制能力。
α=0.2
α=0.33 α=0.5
1 lg(ω/ω0)
0
-20
a) 幅频特性
-40
-60 /(°) α=0.1 α=0.2 α=0.33 α=0.5 lg(ω/ω0)
-1 0°
0
1
α=2.5 -90o α=1.67 α=1.25 α=0.8 -180o
b) 相频特性
二阶低通滤波器
20 20lgA/dB) 0 -1 0
振荡器
3.2 信号滤波电路
一、滤波器概述 1、功能定义 滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处 理系统，具有滤除噪声和分离各种不同信号的功 能（信号分离电路）。 2、类型
• 按处理信号形式分：模拟滤波器和数字滤波器 • 按选频特性分：低通、高通、带通、带阻 • 按电路组成分：LC无源、RC无源、由特殊元件构成的 无源滤波器、RC有源滤波器 • 按传递函数的微分方程阶数分：一阶、二阶、高阶
a) 变压器耦合
b) 光电耦合
AD293/294 AD277
3、AD277变压器耦合隔离放大器
2 6 8 7 3 4 输入屏蔽 输出屏蔽 100kΩ 调制器 解调器
1MΩ 100kΩ
13 12
-
∞
+
∞
+ + N2 10 －U 14 11 15 ＋U 16
+ N1
＋15V 1 9 5 －15V
隔离 电源
R1
R2
ui C1 R3
∞ +
uo
+ N1
(3) 交流电压跟随电路 同相放大电路的特例
R2
为减小失调电流，R3= R2
ui C1 R3
-
∞
+
uo
+ N1
放大电路关键器件-运算放大器
运放特点: 输入阻抗高、输出阻抗低、高放大倍数、使用方便、 运放组成的闭环负反馈放大电路其电压放大倍数只与外接电阻 有关、可靠性高的优点。
1、组成及符号
R2
R1 ud uc uiso R1 隔离器 －
－ uo 输入 放大器 输 出 ＋ Riso 放大器 R2
Ciso
＋
2、原理框图
浮置电源 浮置电源
－ － V 输 出 输出 输出解调 输出 输入 输 入 输入调制 输入 放大器 放 大 器 放大器 LED 放 大 器 ＋ ＋ 光耦合器 耦合变压器
1、低通滤波电路 • 滤波器参数为
通带增益 固有频率
R1 ui(t) R2 C2 C1 ∞ + + -N R R0
uo(t)
2、高通滤波器
C1 C2 R1 + ∞ + uo(t)
通带增益
u i (t )
R2 R
- N R0
固有频率
3、带通滤波器
通带 增益 固有 频率
R1 C1 ui(t) C2 R3 R R2
理想运放分析要点: 假设运放为理想运放，输入阻抗无穷大、开环放大倍数为无穷 大、输出阻抗为零，不计偏置电流和失调电压。 （1）虚断 （2）虚短 测量常用运放： OPO7 uA741 LM324 LM358 等
放大电路关键器件-运算放大器
实际运放的设计指标考虑: (1) 输入失调电压 (2) 输入偏置电流 为了减小和削弱以上影响, 设计电路时须采取的措施: (1)保证所使用的电阻尽可能取最小值; (2)保证连接在运放两个输入端的电阻值匹配; (3)选取低输入失调电压的运放; (4)设计时尽量避免选用大于1M以上的电阻; (5)注意运放的增益带宽积是否满足要求; （6）运放的供电方式
增益与衰耗 滤波器在通带内的增益并非常数。 • ①对低通滤波器通带增益Ao一般指w=0时的 增益；高通指w→∞时的增益；带通则指中心 频率处的增益。 • ②对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定 义为增益的倒数。 • ③通带增益变化量△Ao指通带内各点增益的 最大变化量，如果△Ao以dB为单位，则指增 益dB值的变化量。
3.1 信号放大电路
放大的实质是功率控制作用,用一个小的功率信 号变化去控制产生相应大的功率变化.
一.基本放大电路 1. 同相放大器 • Kf= uo / ui = 1+R2 / R1 • R3= R1 // R2 • Zi = K zin/(1+ R2 / R1)+R3 • →∞
R1 R2
∞
+
因此通常采用测量放大电路作为信号调理电路的前置放大级。
测量放大电路的特点：高共摸抑制比、高速度、宽频带、 高精度、高稳定性、高输入阻抗、低输出阻抗、低噪音
V
IN -
+
R
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
R
S
A1
-
放大 输入 信号 的差 值
(外接) R
G
R R
(外接)
1
A3
V O UT
1
负载 R A2 V
I N+
2
R
S
外接地 (a) 经典的前置放大器
uo
+ N1
R3
ui
2.反相放大器 Kf= uo / ui = -Rf / R1 R3= R1 // R2
3.交流放大器
(1)交流反相放大电路 Kf= –R2 / R1 R3= R2 C1：隔直电容 C3：旁路电容，防止振荡 C3R3>C1R1
C3 R3 R2
ui C1 R1
-
∞
+
uo
+ N1
(2) 同相交流放大电路 C1：隔直电容 R3 ：C1的放电回路
（2）模拟滤波器的频率特性 • 模拟滤波器的传递函数H(s)表达了滤波器的输 入与输出间的传递关系。若滤波器的输入信号 Ui是角频率为w的单位信号，滤波器的输出 Uo(jw)=H(jw)表达了在单位信号输入情况下的 输出信号随频率变化的关系，称为滤波器的频 率特性函数，简称频率特性。 • 频率特性H(jw)是一个复函数，其幅值A(w)称为 幅频特性，其幅角∮(w)表示输出信号的相位相 对于输入信号相位的变化，称为相频特性。
四. 隔离放大器
隔离放大电路定义 隔离放大电路的输入、输出和电源电路之间没 有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共 的接地端。 隔离放大器的应用于场合
隔离放大电路主要用于便携式测量仪器和某些测控系 统（如生物医学人体测量、自动化试验设备、工业过程控 制系统等）中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能 力传送信号。它对消除来自大地回路的各种干扰和噪声具 有积极的作用。
群时延函数 • 当滤波器幅频特性满足设计要求时，为保证 输出信号失真度不超过允许范围，对其相频 特性∮(w)也应提出一定要求。在滤波器设计 中，常用群时延函数d∮(w)/dw评价信号经 滤波后相位失真程度。群时延函数 d∮(w)/dw越接近常数，信号相位失真越小。
20lgA/dB
20
α=0.1 0 -1 α=2.5 α=1.67 α=1.25 α=0.8
阻尼系数与品质因数 • 阻尼系数是表征滤波器对角频率为w0信号 的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的一 项指标。 • 阻尼系数的倒数称为品质因数，是评价带通 与带阻滤波器频率选择特性的一个重要指标， Q= w0/△w。式中的△w为带通或带阻滤波 器的3dB带宽， w0为中心频率，在很多情 况下中心频率与固有频率相等。
I N -
+ 2 4 8 16 32 64 128 256 A
1
16K
16K
80K
26.67K
11.43K 5.33K 2.58K 1.27K
(外接)
A
3
V
O UT
负载
630Ω
314Ω
16K A V
I N + 2
16K
外接地
可变增益放大器
把测量放大电路中的外接电阻RG换成一组精 密的电阻网络，每个电阻支路上有一个开关，通 过支路开关依次通断就可改变放大器的增益，根 据开关支路上的电阻值与增益公式，就可算得支 路开关自上而下闭合时的放大器增益分别为2、4、 8、16、32、64、128、256倍。显然，这一组开 关如果用多路模拟开关(类似CD4051)就可方便地 进行增益可变的计算机数字程序控制。此类集成 电路芯片有AD612/614等。
（3）滤波器的主要特性指标 • 特征频率： • ①通带截频fp=wp/(2)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。 • ②阻带截频fr=wr/(2)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。 • ③转折频率fc=wc/(2)为信号功率衰减到1/ 2 (约 3dB)时的频率，在很多情况下，常以fc作为通带或 阻带截频。 • ④固有频率f0=w0/(2)为电路没有损耗时，滤波器 的谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率。
电路结构： 对称输入级，由运放A1、A2组成 差动输出级，由运放A3组成 对称输入级对共模干扰信号具有很强的抑制能力 差动输出级将电路双端输入方式变换成单端对地输出方式
图中RG是外接电阻，专用来调整放大器 增益。因此，放大器的增益G与这个外接电 阻RG有着密切的关系。增益公式为：
VOUT RS 2 R1 G (1 ) VIN VIN R2 RG
3、滤波器的基本参数
通带增益A0
频带宽度BW
谐振频率f0、
品质因素Q、
截止频率fp
阻尼系数ξ
二、模拟滤波器的传递函数与频率特性
（1）模拟滤波器的传递函数 • 模拟滤波电路的特性可由传递函数来描述。 传递函数是输出与输入信号电压或电流拉氏 变换之比。 • 经分析，任意个互相隔离的线性网络级联后， 总的传递函数等于各网络传递函数的乘积。 这样，任何复杂的滤波网络，可由若干简单 的一阶与二阶滤波电路级联构成。
目前这种测量放大器的集成电路芯片有 多种，如AD521/522、INA104等。
INA104的基本电路
三. 程控增益放大电路（PGA）
在多路检测系统中，多路被测信号常常共用一
个测量放大器，而各路的输入信号大小往往不同,
但都要放大到A/D转换器的同一量程范围。因此，
对应于各路不同大小的输入信号，测量放大器的 增益也应不同。具有这种性能的放大器称为可变 增益放大器或可编程放大器，如下图所示。
+
∞ + -N R0 uo(t)
4、带阻滤波器
通带 增益 固有 频率
C1 R1 C2 R2 R3 + ui(t) C 3 ∞
+ -N uo(t)
R R0
四、RC无源滤波电路
无源滤波器是指用无源器件，如电感L、 电容C和电阻R组成的滤波电路。通常采用 LC谐振电路或RC网络作为滤波器件。LC滤 波谐振电路，其能量形式是每半周中电场能 量与磁场能量相互转换，作为虚功率积蓄存 在，损失小，选择性好。但在低频场合需要 LC的值很大，大电感不仅体积大而且价格高， 不适合在低频滤波电路中使用。