信号调理电路概论

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。放大器A2、A3、A4必须提供高共模抑制比，所以仅测量差分电压。这些放大器也必须具有低值输入失调电压漂移和输入偏置电流，以使得从传感器能精确地读数。

在电路的输出端接入一个小绿灯，来判定电路的电压是否超出题目要求范围，并由示波器显示激励源的波形

3设计方框图

4各部分电路设计及参数计算

4.1各部分电路设计

4.1.1电压跟随器

电压跟随器，就是输出电压与输入电压是相同的，也就是说，电压跟随器的电压放大倍数恒小于且接近1。电压跟随器的特点就是，输入阻抗高，而输出阻抗低，一般来说，输入阻抗要达到几兆欧姆是很容易做到的。输出阻抗低，通常可以到几欧姆，甚至更低。在电路中，电压跟随器一般做缓冲级及隔离级。因为，电压放大器的输出阻抗一般比较高，通常在几千欧到几十千欧，如果后级的输入阻抗比较小，那么信号就会有相当的部分损耗在前级的输出电阻中。在这个时候

，就需要电压跟随器来从中进行缓冲。起到承上启下的作用。应用电压跟随器的另外一个好处就是，提高了输入阻抗，这样，输入电容的容量可以大幅度减小，为应用高品质的电容提供了前提保证。

电压跟随器

4.1.2 桥式电路

桥式电路

R1，R4为固定电阻，R2，R3为可变电阻，且R2，R3的阻值远远大于R1，R4，信号由电路图上端输入，由1,4点分别输出，下端接地。

上图中，输入为共模方式，共模方式大约为激励电压的一半。

即

V i=V id/2

其中

V1=V i*R3/（R1+R3）

V4=V i*R4/ (R2+R4)

4.1.2仪用放大电路

仪用放大器是由A1、A2按同相输入接法组成第一差分放大器，运放A3组成第二级差分放大器。在第一级电路中，V1、V2分别加到A1和A2的同相端，R1和R2组成的反馈网一级电路中，引入了负反馈，两运放A1、A2的输入端形成虚短和虚断，因而有V R1=V1-V2和V R1/R1=(V3-V4)/(2R3+R1)，可以得到：

V3-V4=(2R2+R1)V R1/R1=(1+2R2/R1)(V1-V2)

根据式V0=R4(Vi1-Vi2)/R1得：

V0=-R4(V3-V4)/R3=-R4(1+2R2/R1)(V1-V2)/R3

于是电路的增益为

A v=V0/(V1-V2)=-R4(1+2R2/R1)/R3

5工作过程分析

此次设计的信号调理电路主要用于将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。主要目的是（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

电路信号源幅度为100mV，内阻10kΩ，频率范围在50Hz~10kHz。通过电压跟随器，输入电压被几乎无损的传输到桥式电路。

桥式电路的共模电压大约为激励电压的一半，被测信号仅仅是桥臂之间微小的差分电压。桥式电路的两臂分别有一个最大组织为1kΩ的可变电阻，通过调节电阻大小，可以改变其电压，从而改变桥臂间的电压差。

差分电压作为下一级仪用放大器的输入电压，进行调理放大，放大器A2，A3按同相输入接法组成第一级差分放大电路，运放A4组成第二级差分放大电路，在第一级电路中，桥式电路两臂电压分别加到A2，A3的同相端，R5，R6，R7组成的反馈网络引入了负反馈。

输出端接100Ω的负载，使信号传输的损失尽量小，同时接一个指示灯，用于判断信号是否超出上下限，当电路正常工作时，指示灯闪烁，示波器显示信号波形，万用表显示输出电压的大小。