第六章 模拟信号调理电路3
信号调理电路.
V IN -
+
R2
A1
-
放大
输入 信号
RG (外接)
R 1
的差
R 1
值
RS
(外接)
A3
V O UT
负载
R2
RS
A2
V IN+
外接地
(a) 经典的前置放大器
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
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
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。
C1：隔直电容 R3 ：C1的放电回路
R2
R1 ui N1
R3
(3) 交流电压跟随电路
R2
同相放大电路的特例
为减小失调电流，R3= R2
ui C1
-∞ +
uo
+ N1
模拟信号调理与处理电路设计
音频信号调理与处理电路设计
音频信号调理与处理电路概述
音频信号调理与处理电路是用于改善音频信号质量、增强音频效果并确保音频设备正常工 作的电路。
音频信号调理电路
包括前置放大器、滤波器、均衡器和压缩器等，用于调整音频信号的幅度、频率和动态范 围，以满足后续处理或播放的需求。
音频信号处理电路
包括效果器、混响器和均衡器等，用于添加特效、调整音色和改善音质，以提供更好的听 觉体验。
视频信号调理与处理电路设计
1 2 3
视频信号调理与处理电路概述
视频信号调理与处理电路是用于改善视频信号质 量、增强视频效果并确保视频设备正常工作的电 路。
视频信号调理电路
包括同步分离器、行场再生电路和钳位电路等， 用于恢复和调整视频信号的同步和幅度，以确保 图像的稳定性和清晰度。
视频信号处理电路
包括彩色校正器、亮度/对比度调整器和噪声抑 制器等，用于调整色彩、亮度和对比度，以及降 低噪声和改善画质。
用于固定和连接被测电路，确保测试过程 中的稳定性和可靠性。
测试方法与步骤
电源供电
为模拟信号调理与处理电路提供稳定的电源，确 保电路正常工作。
输出信号测量
使用示波器等测量仪器，对调理与处理后的输出 信号进行测量，记录相关数据。
ABCD
输入信号设置
根据需要设置输入信号的频率、幅度等参数，以 测试不同条件下的电路性能。
模块化设计
将模拟信号调理与处理电路划分为多个独立的功能模块，便于模块间 的组合和替换，提高设计的灵活性和可维护性。
THANKS
[ 感谢观看 ]
信号噪声抑制
01
噪声抑制
通过技术手段降低信号中的噪声成 分，提高信号质量。
模拟信号调理电路设计与优化
模拟信号调理电路设计与优化一、引言模拟信号调理电路是将原始模拟信号通过各种技术手段进行放大、滤波、放大和线性度修正等处理，以便使信号适应后续数字转换或传输的要求。
本文旨在探讨模拟信号调理电路的设计与优化方法，以提高信号质量和系统性能。
二、模拟信号调理电路的基本组成1. 信号输入模拟信号调理电路的第一步是信号输入，通常是通过传感器、采集模块等获取实际世界中的模拟信号。
此时，需考虑信号的幅值范围、频率特性和噪声等因素。
2. 前置放大器前置放大器用于增加信号的幅值，提高信号与噪声的比值。
在设计前置放大器时，需要考虑放大倍数、频率带宽和噪声等参数，并选择合适的放大器类型和电路拓扑。
3. 滤波器滤波器用于去除信号中的噪声和不需要的频率成分。
根据信号特性和应用需求，可以选择低通、高通、带通或带阻滤波器，并进行滤波器的参数调整和优化。
4. 线性度修正电路线性度修正电路用于处理信号的非线性特性，使信号输出与输入之间保持更好的线性关系。
在设计线性度修正电路时，需考虑非线性失真的原因和类型，选择适当的补偿电路并进行参数调整。
5. 后置放大器后置放大器用于增加信号的幅值，以满足后续的数字转换或传输要求。
在设计后置放大器时，需根据信号幅值范围和输出要求选择合适的放大器类型和电路拓扑，并进行增益和带宽的优化调整。
6. 输出接口输出接口是将处理后的模拟信号转换为数字信号或传输给后续系统的关键部分。
根据应用需求，可以选择模数转换器、数模转换器、通信接口等，并进行电平匹配和滤波设计。
三、模拟信号调理电路的设计方法1. 系统分析在进行模拟信号调理电路设计前，需对待处理信号进行系统分析。
包括信号的频率范围、幅值范围、噪声来源和特性等。
通过系统分析，可以明确设计的目标和要求，并为后续的电路设计提供依据。
2. 电路选型根据信号特性和系统要求，选择合适的前置放大器、滤波器、线性度修正电路和后置放大器等电路模块。
考虑电路性能、成本和可靠性等因素，进行电路选型和配置设计。
信号调理电路
信号调理电路信号调理电路就是信号处理电路，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。
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。
在实际应用中工业信号有些是高压，过流，浪涌等，不能被系统正确识别，必须调整理清。
信号调理电路原理信号调理电路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。
模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。
但是传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。
调理就是放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器（ADC）的输入。
然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到微控制器或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。
信号调理电路技术1.放大放大器提高输入信号电平以更好地匹配模拟－数字转换器（ADC）的范围，从而提高测量精度和灵敏度。
此外，使用放置在更接近信号源或转换器的外部信号调理装置，可以通过在信号被环境噪声影响之前提高信号电平来提高测量的信号－噪声比。
2.衰减衰减，即与放大相反的过程，在电压（即将被数字化的）超过数字化仪输入范围时是十分必要的。
这种形式的信号调理降低了输入信号的幅度，从而经调理的信号处于ADC范围之内。
衰减对于测量高电压是十分必要的。
3.隔离隔离的信号调理设备通过使用变压器、光或电容性的耦合技术，无需物理连接即可将信号从它的源传输至测量设备。
除了切断接地回路之外，隔离也阻隔了高电压浪涌以及较高的共模电压，从而既保护了操作人员也保护了昂贵的测量设备。
4.多路复用通过多路复用技术，一个测量系统可以不间断地将多路信号传输至一个单一的数字化仪，从而提供了一种节省成本的方式来极大地扩大系统通道数量。
多路复用对于任何高通道数的应用是十分必要的。
5.过滤滤波器在一定的频率范围内去处不希望的噪声。
信号调理电路
与传统无线电不同，软件无线电要求尽可能地以数字形式处理无线信号，因此必须将A/D和D/A转换器尽可 能地向天线端推移，这就对A/D和D/A转换器的性能提出了更高的要求。主要体现在两个方面。
（1）采样速率。依据采样定理，A/D转换器的抽样频率fs应大于2Wa（Wa为被采样信号的带宽）。在实际中， 由于A/D转换器件的非线性、量化噪声、失真及接收机噪声等因素的影响，一般选取fs>2.5Wa。
（2）分辨率。采样值的位数的选取需要满足一定的动态范围及数字部分处理精度的要求，一般分辨率80dB 的动态范围要求下不能低于12位。
谢谢观看
信号调理电路
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的电路
01 简介
目录
02 信号调理
03 调理技术组成
04 信号滤波
05 信号隔离
06 模数转换
基本信息
信号调理电路（signal conditioning circuit）是指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的电路。
模拟信号调理电路
1. 大信号输出传感器 :为了与A/D输入要求相适应，传感器 厂家开始设计、制造一些专门与A/D相配套的大信号输出 传感器。
传感器 小电压 小信号放
小电流
大
传感器 大电压
传感器 大电流 I/V转换
信号修正与变换
滤波 A/ D
V/ F
微机
光电耦 合
微机
图6.1 大信号输出传感器的使用
2.数字式 传感器
隔离放大 器
隔离放大器(Isolation Amplifier)输出端和输 入端各自具有不同的电位参考点、即输入端和 输出端没有直接的电耦合，而是通过光、变压 器或电容等耦合元件耦合。输入端和输出端的 绝缘电压一般达1000V以上，绝缘电阻达数十 ΜΩ。因此输入端的干扰不会直接到达输出端， 多路通道使用隔离放大器时相互之间不会影响。 当仪器工作环境噪声较大而信号较小时，采用 隔离放大器可保护电子仪器设备和人身安全， 提高共模抑制比，获得较精确的测量结果。
02 单 击 此 处 添 加 小 标 题
PGA202不需任何 外部调整元件就能 可靠工作。但为了 保证效果更好，在 正、负电源端分别 连接一个1μF的旁 路钽电容到模拟地， 且尽可能靠近放大 器的电源引脚，如 图6.10所示，由于 11脚、4脚上的连 线电阻都会引起增 益误差，因此11、 4脚连线应尽可能短。
单击此处添加副标题
第六章 模拟信号调理
6.1 传感器的选用
6.2 运用前置放大器的依据
6.3 常用放大器
6.4 信号调制与解调
6.5 信号滤波电路
6.6 信号转换电路
6.7 A/D转换电路
在一般测量系统中信号调理的任务较复杂， 除了实现物理信号向电信号的转换、小信 号放大、滤波外，还有诸如零点校正、线 性化处理、温度补偿、误差修正和量程切 换等，这些操作统称为信号调理（Signal Conditioning），相应的执行电路统称 为信号调理电路。
第3讲：信号调理电路
e0=?
一般△R<<R0，故
8
• 对于半桥双臂有： • 对于全桥式有：
R eo ex 2R0
R eo ex R0
• 当4个桥臂的电阻值变化同号时，即
R1＋ΔR1、 R2＋ΔR2、 R3＋ΔR3、 R4＋ΔR4
且R1=R2=R3=R4>> ΔR
1 R1 R 2 R 3 R 4 eo ( )ex 4 R R R R
36
转换速率
运放在大幅度阶跃信号作用下，输出信号所能 达到的最大变化率称为转换速率或摆动率，即 运放工作在大信号时，其输出电压所能达到的 最大变化速率。用SR表示，其单位为V/μs。
37
输入阻抗
输入阻抗是从放大电路输入端看进去的 等效电阻。 运放的开环输入阻抗Ri是指运放在开环 状态下，输入差模信号时，两输入端之 间的等效阻抗。
30
高通滤波器
• 几种高通滤波器如右 图：电器式、机械 式、液压式 • 以RC电路为例，其输 入－输出微分方程 为： • 传递函数
eo s H (s) (s) ei s 1
• 幅频特性、相频特性
31
整流电路
• 为了后续电路的处理，有时需要将交流变为直流； • 整流检波也需要进行精密整流（一般整流二极管会有 压降），如下图。
分析
32
全波整流电路
33
放大电路
• 放大电路的核心部件为运算放大器 • 运算放大器的主要参数：
输入失调电压 增益带宽积GWB 转换速率 开环增益 输入输出阻抗 共模抑制比 等等
34
输入失调电压
一个理想的运放，当两输入端加上相同的直流电压和 两输入端短路时，其输出端的直流电压应等于零。但 由于电路参数的不对称性，输出电压并不为零，这就 叫运放的零点偏移或失调。
模拟电子技术基础知识信号调理电路的设计原则与分析方法
模拟电子技术基础知识信号调理电路的设计原则与分析方法信号调理电路作为模拟电子技术中的重要组成部分，广泛应用于各种电子设备中，起到了信号处理和优化的作用。
本文将介绍信号调理电路的设计原则与分析方法，并分析其在模拟电子技术中的应用。
一、设计原则1. 信号调理电路的功能需求：在设计信号调理电路之前，首先要明确信号调理电路需要实现的功能，比如滤波、放大、信号匹配等。
根据具体的需求确定信号调理电路的设计方案。
2. 信号调理电路的输入输出：对于任意一个信号调理电路，需要确定其输入信号和输出信号的特性。
如输入信号的幅度范围、频率范围，输出信号的幅度范围、频率范围等。
这有助于确定电路中各个元器件的选择和参数设计。
3. 信号调理电路的线性性能：信号调理电路在输入信号的幅度范围内应保持线性增益特性，即输出信号的幅度与输入信号的幅度成正比。
这要求设计过程中要注重电路的线性度分析和设计。
4. 信号调理电路的稳定性：信号调理电路在不同工作条件下应保持稳定的特性，即在输入信号的变化、温度变化等情况下，电路的输出应保持一致。
需要选取合适的元器件，做好温度补偿和负反馈等措施，以确保电路的稳定性。
5. 信号调理电路的功耗：在设计信号调理电路时，要考虑功耗的因素，尽量选择低功耗的元器件，并合理设计功耗分配。
这有助于提高电路的效率和使用寿命。
二、分析方法1. 信号调理电路的频率响应分析：通过对信号调理电路的频率响应进行分析，可以了解电路在不同频率下的增益、相位等特性。
一般可以使用示波器、频谱分析仪等工具进行频率响应测试，在测试结果的基础上进行调整和改进。
2. 信号调理电路的幅度响应分析：根据输入信号的幅度和输出信号的幅度，可以分析信号调理电路的幅度响应特性。
通过对输入-输出曲线的绘制和观察，可以了解电路的增益、线性度等特性。
3. 信号调理电路的稳定性分析：通过对信号调理电路的稳定性进行分析，可以了解电路在不同工作条件下的响应情况。
可以通过改变输入信号的幅度、频率、温度等条件，观察电路输出的变化情况，判断电路的稳定性。
第六章 模拟信号调理电路2
6：开关电容滤波器
开关电容滤波器的基本原理是采用开关和电容来 取代传统RC有源滤波器中的电阻，而等效电阻的阻 值由开关频率来决定。
1 U1
C
2 U2
R
U1
U2
R (U1 U 2 ) I 1 ( fC )
C2
R2
C2
ui A
+
A
+
uo
ui
C1
uo
（a）一阶低通滤波器；
b）等效开关电容滤波器
信号调理电路的原理、功能
什么是信号调理？信号调理电路的原理，信号调理模块的功能[导读] 信号调理电路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。
模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。
但是传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。
信号调理电路原理信号调理电路往往是把来自的模拟信号变换为用于、控制过程、执行计算显示读出和其他目的的数字信号。
模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。
但是传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。
调理就是放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。
然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。
信号调理电路技术1.放大提高输入信号电平以更好地匹配模拟-数字转换器(ADC)的范围，从而提高测量精度和灵敏度。
此外，使用放置在更接近信号源或转换器的外部信号调理装置，可以通过在信号被环境噪声影响之前提高信号电平来提高测量的信号-噪声比。
2.衰减衰减，即与放大相反的过程，在电压(即将被数字化的)超过数字化仪输入范围时是十分必要的。
这种形式的信号调理降低了输入信号的幅度，从而经调理的信号处于ADC范围之内。
衰减对于测量高电压是十分必要的。
3.隔离隔离的信号调理设备通过使用变压器、光或电容性的耦合技术，无需物理连接即可将信号从它的源传输至测量设备。
除了切断接地回路之外，隔离也阻隔了高电压浪涌以及较高的共模电压，从而既保护了操作人员也保护了昂贵的测量设备。
4.多路复用通过多路复用技术，一个测量系统可以不间断地将多路信号传输至一个单一的数字化仪，从而提供了一种节省成本的方式来极大地扩大系统通道数量。
3.2 模拟信号的调理
2.2 模拟量输入通道传感器输出的信号不可避免地包含杂波信号，幅度也不一定适合直接进行模数（A/D）转换，需要将传感器输出的信号进行调理，完成滤波、幅度变换等调理功能的电路称为信号调理电路，一般由放大器、滤波器等组成。
调理后的信号经采样/保持电路和模数转换电路转移为数字信号后可送入微处理器进行处理。
将实际存在的电压、电流、声音、图像、温度、压力等连续变化的模拟信号进行放大、滤波、调理等处理，将其转换成计算机能接收的逻辑信号的电路称为模拟量输入通道。
从被转换模拟信号的数量及要求看，模拟量输入通道有单通道结构和多通道结构两种。
1、单通道结构当被测信号只有一路时采用单通道结构。
图2-2所示为带采样/保持器（S/H）的单通道结构，常用于频率较高的模拟信号的A/D转换。
传感器输出的信号进入信号调理电路进行滤波、放大等处理后，通过采样/保持器送入A/D转换器，转换为数字信号后进入CPU。
当被转换信号为直流或低频模拟信号时，可将图2-2中的S/H部分去掉。
图2-2 单通道结构2、多通道结构当被测信号有多路时采用多通道结构。
多通道结构分为并行结构和共享结构。
（1）多通道并行结构如图2-3所示，每个通道都带S/H和A/D转换器。
信号调理电路输出的模拟信号A1～An分别进入彼此独立的通道，各通道的S/H和A/D转换器可同步进行，即各通道可同时进行转换，常用于模拟信号频率很高且各路必须同步采样的高转移速率系统。
该结构的优点是速度快，缺点是成本高、体积与功耗大。
图2-3 多通道并行结构（2）多通道共享结构为充分利用元器件的性能，提高性价比，当被测信号有多路时可利用多路转换开关使多个被测信号公用一部分电路。
当各路模拟输入信号不需要同时获取时，可选用如图2-3所示的共享S/H和A/D的多通道结构。
多路模拟信号A1～An通过多选一模拟多路开关（MUX）后，被分时采样，占用CPU 资源较少，尤其适合同一信号不同量程的A/D转换。
机械工程测试技术(韩建海) 第6章
微处理器选择案例
某柴油机喷油泵试验台性能测试系统的设 计指标要求：系统需采集9路信号，每路信 号每周期采样3600点，每个采样点数据占 用4个字节，最大采样周期数100周期，计 算得到总采样数据量为12.96MB，根据这 一指标，可选择工业控制计算机。目前工 业控制计算机内存容量一般为512MB，操 作系统和应用程序占用不超过256MB，内 存空间完全可以满足数据采集要求。
6.3 嵌入式计算机测试系统
6.3.1微处理器 1.单片机
• CISC结构:Intel的8051系列、Motorola的M68HC系列、 Armel的AT89系列、华邦Winbond的W78系列和Philips 的P80C51系列等。 • RISC结构:TI的MSP430、各公司的ARM单片机、 Microchip的PIC系列、Zilog的Z86系列、Atmel的 AT90S系列、三星KS57C系列4位单片机和义隆的EM78系列等。 • 根据程序存储方式的不同，单片机可分为EPROM、 OTP（一次可编程）和QTP（掩膜）3种。
Winbond Analog Devices Dallas
• PCI系列单片机 • 68系列单片机
• 96系列单片机 • MSP430单片机 • ARM单片机 • MC16系列单片机
单片机是微型计算机发展的一个分支，是 一种专门面向控制的微处理器，又称为微 控制器（Micro-controller unit,MCU) 最基本的单片机系统由单片机芯片和软件 程序共同组成
TI（德州仪器）公司，AD（美国模拟器件）公 司，Technologics（朗讯技术）公司和Motorola （摩托罗拉）公司四大公司
最成功的DSP 芯片当数美国德州仪器公司的一系列产 品。 TI将常用的DSP芯片归纳为三大系列，即： TMS320C2000系列（包括TMS320C2X/C2XX）、 TMS320C5000系列（包括TMS320C5X/C54X/C55X）、 TMS320C6000系列（TMS320C62X/C67X）。
模拟电子技术基础知识信号调理电路的设计与分析
模拟电子技术基础知识信号调理电路的设计与分析电子技术基础知识：信号调理电路的设计与分析随着现代电子技术的发展，信号调理电路在电子设备中起着至关重要的作用。
它可以将输入信号进行处理和优化，使之符合要求，进而提高系统的性能和稳定性。
本文将介绍信号调理电路的基本原理、设计方法和分析技巧。
一、信号调理电路的基本原理信号调理电路是指对输入信号进行放大、滤波、调幅、调频、调相等操作，以满足信号传输和处理的要求。
其基本原理涉及放大器、滤波器、调制器等电路组件的功能和相互作用。
1. 放大器放大器是信号调理电路中最基本的组件之一，可以对小信号进行放大，提高信号的幅度。
常见的放大器有运放放大器和功率放大器。
2. 滤波器滤波器可以对输入信号进行频率选择，剔除无关频率成分或者衰减幅度较大的频率成分，从而获得需求的频率范围内的信号。
3. 调制器调制器是将原始信号转换为另一种信号形式的装置。
调制器常见的类型有调幅调制器、调频调制器和调相调制器等，它们可以将信号调制到不同的载波上，以便信号传输和处理。
二、信号调理电路的设计方法信号调理电路的设计需要根据具体应用场景和要求进行。
下面介绍几种常见的设计方法：1. 传统设计方法传统设计方法是指根据电路的传输特性和信号处理要求，选择合适的电路拓扑结构和元器件参数来设计电路。
这种方法需要掌握电路的基本原理和设计方法，利用电路分析工具进行电路仿真和优化，满足指定的性能指标和约束条件。
2. 系统级设计方法系统级设计方法将整个信号调理系统作为一个整体进行设计，考虑各个模块之间的交互和优化。
这种方法需要对整个系统的需求和性能指标有清晰的认识，采用系统级仿真工具进行建模和优化，从而实现更好的整体性能。
3. 自适应设计方法自适应设计方法是根据输入信号的变化来自动调整电路的参数和结构，以适应不同的输入条件和工作环境。
这种方法适用于需要实时监测和调整的场景，提高了系统的灵活性和适应性。
三、信号调理电路的分析技巧为了准确评估信号调理电路的性能和优化设计，需要掌握一些分析技巧：1. 信噪比分析信噪比是衡量信号质量的重要指标，表示信号与噪声的比例关系。
模拟信号调理电路
等，以完成系统的控制算法和逻辑控制。
04
模拟信号调理电路的设计与实现
设计原则
精确性
电路应能精确地转换模拟信号，减小误差。
动态范围
电路应能处理大范围变化的输入信号。
线性度
在信号的整个动态范围内，电路的输出应与 输入呈线性关系。
稳定性
电路应能在不同温度和时间下保持稳定。
设计流程
元器件选择
根据需求选择合适 的电阻、电容、电 感等元器件。
选择低噪声、低失真、高带宽的运算 件进行电路仿真，观察输 出信号是否符合预期。
对实际制作的电路进行调试，调整元 件参数，优化电路性能。
05
模拟信号调理电路的性能指标
线性度
线性度
指模拟信号调理电路输出信号与输入 信号之间的线性关系。理想的线性度 意味着输出信号与输入信号成比例， 不会出现失真或误差。
调制解调型
总结词
调制解调型模拟信号调理电路主要用于 调制和解调模拟信号，常用于通信系统 。
VS
详细描述
调制解调型模拟信号调理电路主要由调制 器和解调器组成，用于调制和解调模拟信 号。它通常用于通信系统，将低频信息调 制到高频载波上，以便于传输，并在接收 端通过解调恢复原始信息。
03
模拟信号调理电路的应用
要点一
总结词
随着新技术的不断发展，模拟信号调理电路将会有更多的 应用领域和场景。
要点二
详细描述
随着物联网、人工智能等新兴技术的发展，模拟信号调理 电路的应用领域将进一步拓展。同时，新技术的发展也将 推动模拟信号调理电路的创新和变革，如采用新型器件、 引入人工智能算法等，实现更加智能、高效的信号调理。
THANKS
感谢观看
仿真验证
6章 计算机测试系统
线性标度变换
若被测量的变换范围为A0～Am A0对应的数字量为N0，Am对应的数字量为Nm，Ax 对应的数字量为Nx；实际测量值为Ax； 假设包括传感器在内的整个数据采集系统是线 性的，则标度变换公式为：
A x A 0 (A m A 0 )(N x N 0 ) /(N m N 0 )
三 软件设计
目前单片机和DSP软件的开发主要采用汇编语 言和C语言，或者采用汇编语言与C语言混合编 程。 汇编语言编程必须对单片机或DSP的内部资源 和外围电路非常熟悉。主要适用于功能比较简 单的中小型应用系统。 采用C语言编程时，只需对单片机的内部结构 基本了解，对外围电路比较熟悉。用C语言开 发软件对很多细节问题无须考虑，编译软件会 替设计者安排好。
四 虚拟仪器测试系统
虚拟仪器概念最早是由美国国家仪器公司（National Instrument）在1986年提出的，但其雏形可以追溯到1981 年由美国西北仪器系统公司推出的Apple II为基础的数字 存储示波器。这种仪器和个人计算机的概念相适应，当时被 称为个人仪器。（Personal Instrument）。
二 数据采集系统
1、集中采集
传感器 模拟信号 调理电路 模拟信号 调理电路 模 拟 多 路 切 换 器 控制逻辑 采样/保持器 A/D转换器 计 算
（a）
2、分散采集
传感器 传感器
模拟信号 调理电路 模拟信号 调理电路 模拟信号 调理电路
采样/保持器 采样/保持器
LabVIEW和LabWindows/CVI 详细教程可以到
或 /china 下载
教学实验（LabStar）——波形分析
六 标度变换
模拟信号调理电路设计与分析
模拟信号调理电路设计与分析随着科技的不断发展，模拟信号调理电路在各个领域中扮演着重要的角色。
本文将介绍模拟信号调理电路的设计与分析，并探讨其在实际应用中的重要性。
一、引言模拟信号调理电路是指对模拟信号进行处理和增强，以确保其质量和适用性的一系列技术。
在诸多应用领域中，包括通信、医疗设备、工业自动化等，模拟信号调理电路的设计和分析都起到了至关重要的作用。
二、模拟信号调理电路的设计1. 信号放大器信号放大器是模拟信号调理电路中最为基础和重要的部分。
通过提供适当的放大倍数，信号放大器能够增强信号的强度，提高信噪比，以确保信号的可靠性和准确性。
在设计信号放大器时，我们需要考虑信号的频率范围、放大倍数、输入输出阻抗等因素，并选择适当的放大器类型，如运算放大器、差分放大器等。
2. 滤波器滤波器是对模拟信号进行频率选择的电路。
它可以滤除无用的频率成分，保留感兴趣的频率区域，以满足特定的信号处理要求。
滤波器可分为低通、高通、带通和带阻滤波器等类型。
在滤波器的设计中，我们需要考虑滤波器的通带、阻带、截止频率等参数，并选择适当的滤波器结构，如RC滤波器、LC滤波器或者数字滤波器等。
3. 增益控制器在某些应用中，我们需要对信号进行增益调节。
增益控制器是一种可以调整信号增益的电路，它能够根据输入信号的大小和要求进行自动调节，并提供准确和稳定的增益。
在设计增益控制器时，我们需要考虑增益范围、输入输出电平和增益精度等因素，并选择适合的增益控制电路，如可变电阻、自动增益控制器等。
三、模拟信号调理电路的分析对于设计好的模拟信号调理电路，我们需要进行分析和评估，以确保其满足实际应用的要求。
1. 信号质量分析信号质量分析是对调理后的模拟信号进行全面评估的过程。
我们可以通过测量、采样和分析信号的波形、频谱、噪声等参数，来评估信号的准确性、稳定性和干扰情况，以进行优化和改进。
2. 线性度分析线性度是模拟信号调理电路的重要指标之一。
线性度分析包括对调理电路的放大倍数、频率响应和非线性失真等进行测试和评估。
信号调理电路的原理、功能
什么是信号调理？信号调理电路的原理，信号调理模块的功能[导读] 信号调理电路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。
模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。
但是传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。
信号调理电路原理信号调理电路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。
模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、力、流量、运动、位置、PH、光强等。
但是传感器信号不能直接转换为数字数据，因为传感器输出是相当小的电压、电流或变化，因此，在变换为数字数据之前必须进行调理。
调理就是放大，缓冲或定标模拟信号，使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。
然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到微控制器或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。
信号调理电路技术1.放大放大器提高输入信号电平以更好地匹配模拟-数字转换器(ADC)的范围，从而提高测量精度和灵敏度。
此外，使用放置在更接近信号源或转换器的外部信号调理装置，可以通过在信号被环境噪声影响之前提高信号电平来提高测量的信号-噪声比。
2.衰减衰减，即与放大相反的过程，在电压(即将被数字化的)超过数字化仪输入范围时是十分必要的。
这种形式的信号调理降低了输入信号的幅度，从而经调理的信号处于ADC范围之内。
衰减对于测量高电压是十分必要的。
3.隔离隔离的信号调理设备通过使用变压器、光或电容性的耦合技术，无需物理连接即可将信号从它的源传输至测量设备。
除了切断接地回路之外，隔离也阻隔了高电压浪涌以及较高的共模电压，从而既保护了操作人员也保护了昂贵的测量设备。
4.多路复用通过多路复用技术，一个测量系统可以不间断地将多路信号传输至一个单一的数字化仪，从而提供了一种节省成本的方式来极大地扩大系统通道数量。
模拟信号调理
模拟信号调理常用的模拟信号处理电路包括信号放大电路（运算放大器和仪表放大器）、滤波限幅电路、浮空技术、共模电压抑制和隔离等。
（1）电流一电压信号转换。
信号转换电路有电流一电压（Vv）信号转换、电阻一电压（W）信号转换。
图为一个电流一电压信号转换电路，它可把标准4～20mA电流信号通过串接一个250Ω的电阻转换成1～5V的电压信号。
图中的R1，R2，C1是对输入信号的滤波。
（2）电阻一电压信号转换。
电阻一电压信号转换主要用于标准热电阻，即将热电阻受温度影响而引起的电阻变化转换为电压信号。
电阻一电压信号转换原理就是利用电流流过电阻来产生电压，常见的方法有两种：电桥法和恒电流法。
电桥法的特点是电路简单，能有效地抑制电源电压波动的影响，并且可用三线连接方法减弱长距离连接导线引人的误差。
恒电流法的特点是精度高，可使用四线连接方法减弱长距离连接导线引入的误差。
（3）信号的放大。
大部分传感器产生的信号都比较微弱，需经过放大才能满足A/D 转换器输人信号的幅度需求。
要完成这类信号放大功能的放大器，必须是低噪声、低漂移、高增益、高输入阻抗和高共模抑制比的直流放大器，这类放大器常用的有测量放大器、可编程放大器和隔离放大器。
（4）模拟信号的隔离技术。
由于输入通道存在干扰和噪声，造成来自生产现场的测量信号不准确、不稳定。
特别是当存在强电干扰时，会直接影响系统的安全。
为此，在输入通道中，常常采用信号隔离措施，放大器一般采用隔离放大器。
隔离放大器适用于：①消除由于信号源接地网络的干扰所引起的测量误差；②测量处于高共模电压下的低电压信号；③不需要对偏置电流提供返回通路；④保护应用系统电路不致因大的共模电压造成损坏。
隔离放大器可分为光电隔离和变压器隔离放大器。
2Fully Differential Amplifiers差分信号比单端信号拥有更强的抗噪声能力，所以在高速数字电路和高精度ADC应用中均是采用了差分信号。
全差分放大器完成单端信号转差分或者差分信号放大的功能。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
6.6.2 并联比较型A/D转换器
1） 组成
分压电 阻链
电压比 分压电 较器 阻链
寄存器
优先编 码器
2）3位并联比较型A/D转换器原理图
2）并联比较型A/D转换器工作原理 由图可见，分压电阻链由一个R/2和7个R电阻 组成，它们依次对参考电压VREF分压。R/2电阻 分得的电压为
R/2 1 VREF ( ) VREF R/2 7R 15
若
vi
1 VREF 15
所有电压比较器 的输出都为低电平， 寄存器中所有触发 器输出0； 若
1 3 VREF v i VREF 15 15
C1比较器输出高电平，其余 电压比较器的输出都为低电平， 寄存器中各触发器输出 0000001
vi
13 VREF 15
7 9 VREF v i VREF 15 15
比较器
控制电 分压电 路
阻链
逐次近 似寄存 器
D/A转 换器
1)逐次逼近型A/D转换器原理图
2)逐次逼近型A/D转换器转换过程
(1) 转换启动
转换开始前逐次逼近寄存器输出清零，4位DAC 输出V0=0。转换控制信号VL=1时开始转换。
2 第一个时钟
在CLK第一个时钟脉冲作用下，控制逐次逼近寄存器最高位 输出为1，其余位输出0，即逐次逼近寄存器输出1000
6.6.5 Δ-Σ型ADC
过采样Σ -Δ A/D变换器由于采用了过采
样技术和Σ -Δ 调制技术，增加了系统中数字
电路的比例，减少了模拟电路的比例，并且
易于与数字系统实现单片集成，因而能够以
较低的成本实现高精度的A/D变换器，适应
了VLSI技术发展的要求。
Σ -Δ ADC工作原理
越来越多的应用，例如过程控制、称重等，都需要 高分辨率、高集成度和低价格的ADC。 新型Σ -Δ 转 换技术恰好可以满足这些要求。然而，很多设计者对 于这种转换技术并不十分了解，因而更愿意选用传统 的逐次比较ADC。Σ -Δ 转换器中的模拟部分非常简单 （类似于一个1bit ADC），而数字部分要复杂得多， 按照功能可划分为数字滤波和抽取单元。由于更接近 于一个数字器件，Σ -Δ ADC的制造成本非常低廉。
上 页
下 页
2.6.2 逐次逼近型A/D转换器
逐次逼近型A/D转换器是将输入模拟电压与不 同的基准电压多次比较，比较时从DAC输入数字 量的高位到低位逐次进行，依次确定各位数码的 “0”、“1”状态，使转换所得的数字量在数值 上逐次逼近输入模拟量的对应值。
6.6.3 逐次逼近型A/D转换器
逐次逼近型A/D转换器组成
图2.28
二阶Σ -Δ ADC
Σ-Δ调制及噪声整形技术
图2.24 带模拟滤波和数字滤波的过采样
图3.27
成形后的量化噪声分布
图3.29 信噪比与阶数和过采样倍率之间的关系
（3） 数字滤波和采样抽取技术
Σ-Δ 调制器以采样速率输出1bit数据流，频率 可高达MHz量级。数字滤波和抽取的目的是从该 数据流中提取出有用的信息，并将数据速率降低 到可用的水平。 Σ-Δ ADC中的数字滤波器对1bit数据流求平 均，移去带外量化噪声并改善ADC的分辨率。数 字滤波器决定了信号带宽、建立时间和阻带抑制。
T1 2 TC
n
式中Tc计数脉冲周期
返 回
上 页
下 页
第二次积分
VREF 1 t2 v 0 ( t 2 ) v 0 ( t 1 ) [ (VREF )dt ] v 0 ( t 1 ) T2 t RC 1 RC
T2 DTC
其中D为计数器中的计数值。
返 回上 页下 页
v0 (t2 ) 0
6.6.4 双积分式A/D转换器 1)基本原理
(1)初始阶段 START=0，控制逻 辑输出的控制信号使 计数器清0（计数器 的溢出位同时被清 零），同时控制逻辑 控制模拟开关S0闭合， 使电容C充分放电。
(2)积分第一阶段
积分开始：令 START=1，控制 逻辑输出控制信 号（S1、S2的状 态组合）控制模 拟开关S 与Vi接 通，使积分器对 Vi反向积分。 积分器开始反向积分 （第一次积分）： 若Vi>0，有V0<0，VC>0，S 与Vi接通的同时控制逻辑控制计 数器开始计数（计数脉冲周期为T0），当计数器计满时，其溢出 位变为1，控制电路根据Vc和溢出位的状态控制模拟开关S1与VREF接通，同时计数器又从0开始计数。
2)逐次逼近型A/D转换器转换过程
(3 ) 进入D/A转换器 进入D/A转换器，经D/A转换器转换为与之对应的模拟电 压V0，送入比较器与模拟输入信号Vi进行比较 ◆若V0>Vi，说明数字量1000太大，高位的1应去掉 ◆若Vi>V0，说明数字量1000不够大，高位的1应保留。
2)逐次逼近型A/D转换器转换过程
存在一个问题
简单的过采样和滤波是如何改善SNR的呢？ 一个1bit ADC的SNR为7.78dB（6.02+1.76）， 每4倍过采样将使SNR增加6dB，SNR每增加6dB 等效于分辨率增加1bit。这样，采用1bit ADC进行64倍过采样就能获得4bit分辨率；而 要获得16bit分辨率就必须进行415倍过采样， 这是不切实际的。Σ -Δ 转换器采用噪声成形 技术消除了这种局限，每4倍过采样系数可增 加高于6dB的信噪比。
过采样、噪声成形、数字滤波和抽取。
（1） 过采样技术
图3.22 理想3位ADC转换特性
传统采样：
输入一个正弦信号，然后以频率 fs采样--按照 Nyquist定理，采样 频率至少两倍于输入信号。从FFT 分析结果可以看到，一个单音和一 系列频率分布于DC到fs /2间的随 机噪声。这就是所谓的量化噪声， 主要是由于有限的ADC分辨率而造 成的。单音信号的幅度和所有频率 噪声的RMS幅度之和的比值就是信 号噪声比（SNR）。对于一个Nbit ADC，SNR可由公式： SNR=6.02N+1.76dB得到。为了 改善SNR和更为精确地再现输入信 号，对于传统ADC来讲，必须增加 位数。
同理可得到其他各R上分得的电压为
3 VREF 15
返 回 上 页 下 页
2)并联比较型A/D转换器工作原理
将以上7个电压分别接 到7个电压比较器的反相 输入端，同时将模拟输 入电压接到各电压比较 器的同相输入端，使输 入电压通过比较器分别 与这7个电压同时进行比 较。当输入电压比相应 的参考电压高时，相应 的比较器输出高电平， 否则输出低电平。
可见D只VERF与 Vi和有关系，与RC无关。当 Vi=VERF时，D输出最大值，当Vi超VERF过时溢出。
双积分式A/D转换器转换波形
3)双积分式A/D转换器特点
双积分A/D在积分期间如果有干扰叠加到输入信号中，由 于干扰一般是对称的，积分器的输出将取其平均值从而起 到滤波的作用，提高了抗干扰能力，实际应用较广。但是 由于转换精度依赖于积分时间，因此转换速度较慢。
（2） 噪声成形
Σ -Δ 调制器包含1个差分放大器、1个积分器、1个比较器以及1个由1bit DAC（1 个简单的开关，可以将差分放大器的反相输入接到正或负参考电压）构成的反馈环。 反馈DAC的作用是使积分器的平均输出电压接近于比较器的参考电平。调制器输出中 "1"的密度将正比于输入信号，如果输入电压上升，比较器必须产生更多数量的"1"， 反之亦然。积分器用来对误差电压求和，对于输入信号表现为一个低通滤波器，而对 于量化噪声则表现为高通滤波。这样，大部分量化噪声就被推向更高的频段。和前面 的简单过采样相比，总的噪声功率没有改变，但噪声的分布发生了变化。
6.6.1 A/D转换器的性能指标
A/D 转换器常用以下几项技术指标来评 价其质量水平。 (1) 分辨率 ADC的分辨率定义为ADC所能分辨的输 入模拟量的最小变化量。 (2) 转换时间 A/D转换器完成一次转换所需的时间定义 为A/D转换时间。
(3) 精度 ①绝对精度 绝对精度定义为：对应于产生一个给定的输 出数字码，理想模拟输入电压与实际模拟输入 电压的差值。 绝对精度由增益误差、偏移误差、非线性误 差以及噪声等组成。
积分第二阶段
积分器开始正向积分 （第二次积分）：当V0 上升到略大于0时，Vc 变为低电平，该低电平 使控制逻辑输出控制信 号，控制计数器停止计 数。此刻计数器的计数 值即为A/D转换值。因 为发生了两次积分过程， 称为双积分式A/D转换。
第一次积分
第一次积分：设 Vi在某一时间是常数，
1 t1 vi v0 (t1 ) vi dt T1 RC 0 RC
如果将采样频率提高一个过采样系数k，即采样频率为kfs， 再来讨论同样的问题。FFT分析显示噪声基线降低了，SNR 值未变，但噪声能量分散到一个更宽的频率范围。Σ-Δ 转换 器正是利用了这一原理，具体方法是紧接着1bit ADC之后进 行数字滤波。大部分噪声被数字滤波器滤掉，这样，RMS噪 声就降低了，从而一个低分辨率ADC，Σ-Δ 转换器也可获得 宽动态范围。
1 t1 vi v0 (t1 ) v dt T1 i RC 0 RC
VREF 1 t2 v 0 ( t 2 ) v 0 ( t 1 ) [ ( V ) dt ] v ( t ) T2 REF 0 1 t 1 RC RC
vi VREF
T2 T1
D
vi n 2 VREF
在第二个时钟脉冲 作用下，按同样的方 法将次高位置1，使 寄存器输出1100（最 高位的1保留时）或 0100（最高位的1丢 掉时），并送入比较 器与输入信号Vi进行 比较，从而确定次高 位的1是否应该保留。 按此方法逐次比较，直至最低位比较完后，转换结束。
3)逐次逼近型A/D转换器特点
逐次逼近型A/D转换器的转换时间取决于输 出数字位数n和时钟频率，位数越多，时钟频 率越低，转换所需要的时间越长。在输出相同 位数的情况下，该转换方式的转换速度是除并 联比较型外最快的一种，而且输出位数较多时 电路规模较小，所以是目前集成A/D转换器产 品中使用较为普遍的一种。