模拟信号的转换和处理

eo


由开关电容实现的一阶低通滤波器
T
的时间常数为 C1 C1 = T , C Cf f 开关频率
29

+ V1
－

+ V2
－
开关S在V1和V2之间切 换，频率为fc。
C
相高电平，S处于
位置1， Q1 CV1
相高电平，S处于
S + V1
－
2 + V2
－
1 C
位置2， Q2 CV2
一阶同相有源滤波器
C
Vout
Vin R1
－
R2 +
Z2 Vin ( ) R1
Vout
一阶反相有源滤波器
1 R2 R2 sC Z2 1 1 sR C 2 R2 sC R2 R1 Vout Vin 1 sR2C
23
二阶有源滤波器(低通滤波器)
C1
vi
R1
R2 + C2
2.
后，一方面可以解决远距离传输问题，另一方面也可
以避免直流放大器中的种种问题。
34
一、幅值调制与解调方法
幅值调制(又称调幅，AM)的原理是用被测信号
(调制信号)与高频载波相乘，使载波信号的幅值随着
被测信号的变化而变化，而载波的频率不发生变化。
xm x(t ) y(t )
x(t )
调制器
x(t) y(t )
C1
C2 + R2
`
当C1=C2=C时，
－
A
1 ０ ＝ C R1R2
R1 1 2 Q R2
1 R1＝ 2Q0C 2Q R2 0C
27
有源高阶滤波器
采用有源滤波器形式，容易地实现由低阶滤波器串连构成 高阶滤波器。
28
MOS型开关电容等效电路
R1

eA

C
eB


H (s) 1 R1C1s
INA128内部原理
6
仪表放大器作为桥路放大器应用举例
7
隔离放大器
仪表放大器只能承受有限的共模电压(一般约 10V)，当共模电压较高时，一般要用隔离放大器。 隔离放大器在输入端和输出端之间提供隔离、放 大功能，消除输入输出信号之间的耦合干扰。 信号放大器的输入输出之间可采用变压器绕组的 磁耦合、光电耦合或串联电容器耦合等办法实现。
信号的变换与处理
第一节 信号的放大 第二节 信号滤波器
第三节 调制与解调
1
第一节 信号的放大
集成运算放大器：分为通用型、高输入阻抗型、高精 度型、低漂移型、低功耗型等。
放大类型：反相输入、同相输入和差动输入。
Rf vi R1
－ ＋
Rf
v0
R1
－ ＋
v0
R
/
R
Rf v0 Avf vi R1
利用移频法。
解调中所乘的信号要与原载波信号具有相同的频率
39
和相位，称为同步解调。这种调制方法又称为抑制调幅。
40
同步解调的原理： 假设载波为频率f 0的余弦信号 cos 2 f 0t 则x(t ) y (t ) X ( f ) Y ( f ) 1 1 由于 cos 2 f 0t ( f f0 ) ( f f0 ) 2 2 1 1 则x(t ) cos 2 f 0t X ( f ) ( f f0 ) X ( f ) ( f f0 ) 2 2 1 1 X ( f f0 ) X f f0 2 2
调制器实质是一个 乘法器。
35
y(t)(carrier)
载 波
调 制 信 号
已 调 信 号
36
调幅信号的时域－频域关系
1 设载波为 cos 2 f 0t ( f f 0 ) ( f f 0 ) 根据 2 x(t )y (t ) X ( ) Y ( )可知，调幅后信号x(t )的频谱 图形由原点向左右搬移f 0频段。
8
变压器耦合隔离放大器
线性度高、隔离效果好。带宽较窄，1KHz以下，体积 大，工艺复杂，成本高，常见的有AD202、AD210、AD277、 3656和GF289等。
9
光耦合隔离放大器
结构简单，成本低，带宽可达到60kHz，但线性度、 隔离性能和温度稳定性较差。常见型号：ISO100，BGF01。
12
一、滤波器的分类
根据构成滤波器的元件类型：可分为RC、LC或晶体 谐振滤波器。 根据构成滤波器电路的性质：分为无源滤波器和有 源滤波器。
根据滤波器所处理信号的性质：分为模拟滤波器和 数字滤波器。
13
根据滤波器的频率筛选特性，将滤波器分为下面四类： 低通滤波器(LPF)；高通滤波器(HPF)；带通滤波器(BPF)； 带阻滤波器(BEF)。
分别代入1 10，2 1000，可分别求出 1 1 0.9950， H (2 ) 0.0995 2 1 0.01 1 10 (1 ) arctan(0.0110) 5.681 H (1 )
(2 ) arctan(0.011000) 83.85
4
测量放大器(仪表放大器)
R1 R2，R3 R4，R5 R6
U 01 2 R1 A1 1 U i1 RW
U 02 2 R2 A2 1 Ui 2 RW
R5 A3 R3
2 R1 R5 A 1 RW R3
5
线性好、共模抑制比高、输入阻抗高、噪声低。
R2 R/
R1 R2 R，Rf R/ Rf v0 vi 2 vi1 R
3
增益可调整的差动放大器
RF 1
RF 2
Rn
V1 V2
V1

V2
RP

A
RW
Rg 2
VO
Rg1
RF 1 RF 2 Rg1 Rg 2 RF Rn RP RF RF A 2(1 ) RW Rn
2Q C1＝ 0 R 1 C2 2Q0 R
25
有源高通滤波器
R1 C1
C2 + R2
`
－
A
V0 ( s ) s2 H s Vi ( s ) s 2 0 s 2 0 Q 1 R1C1 R1C2 1 0 R1R2C1C2 Q R2C2 R2C1
26
R1
f2
1 2
17
例3：已知RC低通滤波器的R 10k ，C 1uF。试求: (1)滤波器的截止频率f c； (2)当输入为x(t ) 10sin10t 2sin1000t时，滤波器输出 表达式。
R Ux C Uy
18
源自文库
1 1 解：（） 1 fc 15.9Hz 3 6 2 RC 2 3.14 10 10 110 1 (2)滤波器频响H ( j ) 1 j RC 1 H ( ) ， ( ) arctan( RC ) 2 1 ( RC )
Y( f )
1 2
1 2
f0
f0
f
37
1 1 x(t ) y (t ) ( f f 0 ) ( f f 0 ) 2 2
38
幅值调制的解调
解调是从已调制信号中恢复原低频缓变信号的过程。
调幅波的解调一般可用同步解调、整流检波或相敏
检波实现。
1)同步解调
同步解调是用已调制波和原载波信号相乘，仍然是
B60 dB B30 dB
16
二、RC滤波器(低通滤波器)
R Ux C Uy
RC
dU y dt
U y Ux
1 H (s) ， RC s 1
A( ) 1 1
2

1 1 2 f
2
arctan( ) arctan(2 f )
带通滤波器可以看作是低通滤波器和高通滤波器
串联组成，串联后所得的下截止频率为原高通滤波器
的截止频率，上截止频率为原低通滤波器的截止频率。 设计一个600Hz~5KHz的带通滤波器。 先设计一个600Hz的高通滤波器，再设计一个5KHz 的低通滤波器，让信号在高通滤波器中滤掉600Hz以 下的频率，然后经过低通滤波器滤波器滤掉5KHz以上 的频率，剩下的就是600Hz—5KHz的频率信号。
32
33
调制解调的应用
1. 应用传感器测量过程中，感器器输出的经常是一 些很低频率的电信号，一般不能直接采用交流放大 器处理。如果直接采用直流放大，很容易受到工频 干扰、接地阻抗等因素的影响，影响精度。
另一方面，低频信号无法实现远距离传送，不能 实现远距离无线测量。 采用调制—解调技术将低频信号变为受控高频信号
Q Q1 Q2 =C(V1 V2 )
Q C I = (V1 V2 ) TC TC
V1 V2 TC 1 R I C CfC
fc f s
30
MAXIM 公司开关电容滤波器
MAX260,261,262 可编程通用有源滤波器
MAX280
MAX7480
5阶开关电容低通滤波器
通频带 A2 ( f ) A3 ( f ) A4 ( f )
1
1
1
1
0
f2
f
0
f1
f
0
f1
f2
f
0
f1
f2
f
a)低 通 滤 波
b)高 通 滤 波
c)带 通 滤 波
d)带 阻 滤 波
四类滤波器的幅频特性
14
实际滤波器的基本参数
纹波幅度：在一定范围内，滤波器的幅频特性的波动 幅度。 截止频率：幅频特性值衰减-3dB对应的频率。
调幅波再次与原载波信号相乘，得 1 1 1 x(t ) cos 2 f 0t cos 2 f 0t X f 2 f0 X ( f ) X f 2 f0 4 2 4 1 通过低通滤波器将频率为2 f 0的信号除去，可得到 x(t ) 2 41 这就是同步解调的意义。
21
三、有源滤波器(低通滤波器) RC滤波器的电阻会产生功率损耗，不仅会衰减不 需要的信号，也会衰减有用的信号。低频信号经常采 用有源滤波器。
Vin R + C
－
Vout
R2 1 Vo Vin (1 ) RCs 1 R3 R2 1 R3 H (s) 1 sRC
22
R2 R3
10
隔离放大器符号
外形封装 (ISO124隔离放大器)
11
第二节
滤波器
滤波器：选择频率功能的装置，使一部分频率范围内 的信号通过，另一部分频率范围内的信号衰 减。
作用： 1. 去除无用信号、噪声、干扰信号以及信号处 理过程中引入的信号； 2. 分离不同频率的有用信号； 3. 对测量仪器或控制系统的频率特性进行补偿。
因此，y(t ) 10 0.995 sin(10t 5.681 ) 2 0.0995 sin(1000t 83.85 ) 9.95sin(10t 5.681 ) 0.199sin(1000t 83.85 )
19
RC高通滤波器
C Ux R Uy
Rf v0 Avf 1 vi R1
2
差动放大电路
差动放大器将两个输入端之间的电压差进行放大， 而两输入端与其电源的参考点均不相连。差动放大器最 适合电阻电桥信号的处理。 R R
Rf
v
1
R f R1
v0
f
R f R1
vi1
vi1 vi2
R1
VV+
－ +
v0
R/ v v / i2 R2 R
8阶低通巴特沃斯开关电容滤波器
31
第三节
调制与解调
调制：利用一个信号(通常为低频测量信号)来控制另 外一个信号(通常为高频振荡信号)的某个参数 (幅值、频率或相位)的过程。
分类：根据高频信号被控参量的不同，调制分为幅值 调制(简称调幅AM)、频率调制(调频FM)和相位 调制(调相PM)。
调制信号：低频信号 载波信号：高频振荡信号
1 Uy U y dt U x RC
H (s)
A( )
， RC s 1
2
s

1

2 f 1 2 f
2
1 arctan( ) arctan( ) 2 f
1
f1
1 2
20
RC带通滤波器
带宽B(-3dB带宽)：上下两个截止频率之间的频率范 围。 B=f2-f1 中心频率(f0)： f0
品质因数：Ｑ=f0/B
15
f1 f 2
倍频选择性：在上截止频率f2与2f2之间，或者下截止 频率f1与f1/2之间幅频特性的衰减量，即 频率变化一个倍频程的衰减量。 滤波器因数 ：滤波器幅频特性的－60dB带宽和-3dB带 宽的比值。滤波器选择性的另一种表示 方法，
`
－
A
vo
H s
V0 ( s ) Vi ( s ) s 2
2 0
0
Q
s 02
1 0 R1R2C1C2
C2 R2 C2 R1 1 Q C1 R1 C1 R2
24
C1
vi
R1
R2 + C2
`
－
A
vo
当R1=R2=R时，
1 ０ ＝ R C1C2
C2 1 2 Q C1