第七章 信号检测与处理电路

第七章信号检测与处理电路一、教学要求

知识点

教学要求

学时掌握理解了解

信号检测系统的基本组成√

检测系统中的放大电路

测量放大器的电路结构和工作

原理

√

隔离放大器的电路结构和工作

原理

√

有源滤波

器

滤波器的基础知识√

低通、高通有源滤波器特性和

分析方法

√ √

带通、带阻有源滤波器电路结

构与特性

√

电压比较器的特性和分析方法√

二、重点和难点

本章的重点和难点

本章的重点是：测量放大器的电路结构和工作原理、滤波器的基础知识、低通和高通有源滤波器特性和

分析方法、电压比较器的特性和分析方法。本章的难点是：二阶有源滤波器、迟滞比较器的电路分析。

三、教学内容

7.1 信号检测系统的基本组成

一般信号检测系统的前向通道主要包含传感器、放大器、滤波器、采样保持器和模数转换器等电路模块。

将被测物理量转换成相应的电信号的部件称为传感器。传感器输出的电信号一般都比较微弱，通常需要利用放大电路将信号放大。然而，与被测信号同时存在的还会有不同程度的噪声和干扰信号，有时被测信号可能会被淹没在噪声及干扰信号之中，很难能分清哪些是有用信号，哪些是干扰和噪声。因此，为了提取出有用的信号，而去掉无用的噪声或干扰信号，就必须对信号进行处理。

在信号处理电路中，应根据实际情况选用合理的电路。例如，当传感器的工作环境恶劣，输出信号中的有用信号微弱、共模干扰信号很大，而传感器的输出阻抗又很高，这时应采用具有高输入阻抗、高共模抑制比、高精度、低漂移、低噪声的测量放大器；当传感器工作在高电压、强电磁场干扰等场所时，还必须将检测、控制系统与主回路实现电气上的隔离，这时应采用隔离放大器；对于那些窜入被测信号中的差模干扰和噪声信号，通常需要根据信号的频率范围选择合理的滤波器来滤除。

另外，在信号检测系统中，有时还需要对某些被测模拟信号的大小先做

出判断后，再根据实际情况进行必要的处理，这一任务可利用电压比较器来完成。

在数字化检测系统中，A/D转换器和采样/保持电路也是常用部件

7.2检测系统中的放大电路

测量放大器和隔离放大器是信号检测系统中常用的放大电路。

1．测量放大器

测量放大器又称为数据放大器或仪表放大器，它具有高输入抗阻、高共模抑制比等特点，常用于热电偶、应变电桥、流量计、生物电测量以及其它有较大共模干扰的直流缓变微弱信号的检测。

三运放测量放大器是测量放大器的典型电路结构，只要电路参数对称性好，就可实现高共模抑制比的特性。然而，电路中的运放及电阻要作到完全对称确实比较困难，这就影响了其性能的进一步提高。因此，在要求较高的场合，应采用单片集成测量放大器。例如国产的ZF601，美国AD 公司的AD521、AD522，以及美国国家半导公司的LH0038等。

2．隔离放大器

隔离放大器是一种特殊的测量放大电路，其输入回路与输出回路之间是电绝缘的，没有直接的电耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。在隔离放大器中，信号的耦合方式主要有两种：一种是通过光电耦合，称为光电耦合隔离放大器（如美国B-B公司生产的ISO100）；另一种是通过电磁耦合，即经过变压器传递信号，称为变压器耦合隔离放大器（如美国AD公司生产的AD277）。

7.3 滤波器的基础知识

1．滤波器的功能

滤波器的功能就是允许某一部分频率的信号顺利的通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制，它实质上是一个选频电路。

滤波器中，把信号能够通过的频率范围，称为通频带或通带；反之，信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带；通带和阻带之间的分界频率称为截止频率；理想滤波器在通带内的电压增益为常数，在阻带内的电压增益为零；实际滤波器的通带和阻带之间存在一定频率范围的过渡带。

2．滤波器的分类

（1）按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。

（2）按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。

低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。

高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。

带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。

带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。

（3）按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种。

无源滤波器：仅由无源元件（R、L和C）组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是：电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感L 较大时滤波器的体积和重量都比较大，在低频域不适用。

有源滤波器：由无源元件（一般用R和C）和有源器件（如集成运算放大器）组成。这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽（由于不使用电感元件）；缺点是：通带范围受有源器件（如集成运算放大器）的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。

3. 滤波器的主要参数

（1）通带增益：滤波器通带内的电压放大倍数。

（2）特征角频率和特征频率：它只与滤波用的电阻和电容元件的参数有关，通常。对于带通（带阻）滤波器，称为带通

（带阻）滤波器的中心角频率或中心频率，是通带（阻带）内电压增益最大（最小）点的频率。

（3）截止角频率和截止频率：它是电压增益下降到（即

）时所对应的角频率。必须注意不一定等于。带通和带阻滤波器

有两个，即和。

（4）通带（阻带）宽度：它是带通（带阻）滤波器的两个之差

值，即。

（5）等效品质因数：对低通和高通滤波器而言，值等于时滤波器电路电压增益的模与通带增益之比，即；对带通（带阻）滤波器而言，值等于中心角频率与通带（阻带）宽度之比，即。

4. 有源滤波器的阶数

有源滤波器传递函数分母中“”的最高“方次”称为滤波器的“阶数”。阶数越高，滤波器幅频特性的过渡带越陡，越接近理想特性。一般情况下，