信号检测与处理电路

7. 信号检测与处理电路 （文字材料）

本章概要

本章首先介绍了信号检测系统的基本原理及信号检测与处理电路在系统中的作用，然后分别介绍了系统中常用的测量放大器、隔离放大器、RC 有源滤波器和电压比较器的工作原理。

本章内容的组成及结构

信号检测系统的基本组成

测量放大器：三运放测量放大器 隔离放大器：光电耦合隔离放大器、变压器耦合隔离放大器 滤波器的功能

滤波器的一般概念 滤波器的分类 滤波器的主要参数 一阶有源低通滤波器

二阶有源低通滤波器 一阶有源高通滤波器

二阶有源高通滤波器 带通滤波器和带阻滤波器 比较器的功能 比较器的基本概念 比较器的类型

比较器的主要参数 零电平比较器 非零电平比较器

反相输入迟滞比较器

同相输入迟滞比较器

学习目标

（1）熟练掌握测量放大器的电路结构及工作原理； （2）熟练掌握滤波器的基本知识；

（3）熟练掌握一阶有源低通及高通滤波器的特性分析； （4）熟练掌握电压比较器的特性和分析方法； （5）理解隔离放大器的结构及基本工作原理； （6）了解信号测量系统的基本组成。

重难点指导

重点：

低通滤波器分析

高通滤波器分

有源滤波器 单门限比较器分析

比较器 信号检测与处理电路

检测系统中的放大电路 迟滞比较器分析

（1）三运放测量放大器的电路结构及工作原理；

（2）一阶有源低通及高通滤波器的特性分析；

（3）电压比较器的组成和特性分析。

难点：

（1）运算放大器的非线性分析方法；

（2）如何绘制比较器电路的传输特性。

本章导学

1. 信号检测系统

基本组成：传感器（或电极、互感器等）、放大器、滤波器、采用-保持器和A/D转换器等自然界的信号分成两大类：电类和非电类

电类：如心电信号、脑电信号，微弱信号可以通过电极引入测量系统。而电力系统的信号都是大电压和大电流，必须通过互感器（电压互感器或电流互感器）转化为小信号再引入测量电路。

非电类：如压力、速度、温度等，这些信号需要通过传感器将非电信号转化为电信号，引入测量系统。

在信号处理电路中，后续测量系统应根据实际情况合理选择电路组成。

2. 检测系统中的放大电路

1）测量放大器

测量放大器又称仪表放大器，具有高增益、高输入阻抗、高共模抑制比、直接耦合放大电路。电路采用三运放放大电路，用于热电偶、应变电桥、流量计、生物电测量等有交大共模干扰的直流缓变信号的检测。

2）隔离放大器

隔离放大器是一种特殊的测量放大电路，器输入回路和输出回路是电气绝缘的，但信号相通。

隔离的目的：安全性和抗干扰

3. 有源滤波器

1）滤波器的功能：允许一部分频率的信号顺利通过，而对另一部分频率的信号进行抑制。

2）滤波器性能的描述方法：滤波器的性能常用传递函数、幅频特性和一些参数来描述。

3）滤波器的分类

a．按被处理信号是连续的还是离散的，可分为模拟滤波器和数字滤波器。

b．按滤波器中有无使用有源器件，可分为无源滤波器和有源滤波器两种。

无源滤波器：只使用无源元件（R、L、C）组成。它主要利用电感或电容的电抗随信号频率变化而改变来设计。这种滤波器的优点是电路简单、可靠；可以在大电流或高电压下使用；不需要工作电源。缺点是对通带内的信号有损耗；负载对滤波特性影响较大，所以不容易通过级连获得更好的滤波特性；当使用电感组成滤波器时还有体积大、重量重、容易产生电磁干扰等问题。

有源滤波器：由无源的滤波网络（一般是RC网络）和有源器件（如集成运算放大器）组成。这种滤波器的优点是可以对通带内的信号进行放大；负载对滤波特性影响小，容易通过级连获得更好的滤波特性；体积小、重量轻。但这种滤波器需要直流电源供电，可靠性也比无源滤波器低；不适合在大电流、高电压和高频场合下使用。

c．按滤波器的频率特性区分，可分为低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BEF）和全通滤波器（APF）。

低通滤波器：允许信号中的直流和低频分量通过，抑制高频分量或高频干扰和噪声。

高通滤波器：允许信号中的高频分量通过，抑制信号中的低频分量、低频干扰及直流分量。

带通滤波器：只允许信号中的某一频段通过，抑制高于和低于这一频段的信号、干扰及噪声。

带阻滤波器：只抑制某一频段的信号，允许高于和低于这一频段的信号通过。常用来抑制某些特定频率的干扰，如工频50Hz或整流电路产生的100Hz交流干扰。

全通滤波器：没有阻带，允许所有频率分量信号通过，但它的相移随频率而变。

在理想情况下各种滤波器的幅频特性如图7.1所示。在滤波器的幅频特性中，通常把能够通过的频率范围称为“通带”，而被衰减或被阻止通过的频率范围称为“阻带”。实际的幅频特性在通带和阻带之间还有“过渡带”，以低通滤波器为例，它的实际幅频特性如图7.2。

图7.1 各种滤波器的理想幅频特性

(a) 低通滤波器(LPF) (b) 高通滤波器(HPF) (c) 带通滤波器(BPF)

(d) 带阻滤波器(BEF) (e) 全通滤波器(APF)

图7.2 低通滤波器的实际幅频特性

d．按传递函数分母中“s”的最高次幂区分：s最高次幂是一次的为一阶滤波器；s最高次幂是二次的为二阶滤波器；s≥2的统称为高阶滤波器。

4）滤波器的主要参数

a．A u p（或用A0表示）：称为通带电压放大倍数或通带电压增益。

A时的工作频率。带通和带阻b．f p（或用f c表示）：称为通带截止频率，是A u p下降到2

p

滤波器都有两个通带截止频率。

c．f0：它是一个只与起滤波作用的R、C值有关的参数。在LPF和HPF中称为特征频率，有的教材用f n表示特征频率；对于带通（带阻）滤波器称为通带（阻带）中心频率，是带通（带阻）滤波器通带（阻带）中电压放大倍数最大（最小）时的频率。

d．f bw：带通滤波器中称为通带宽度；带阻滤波器中称为阻带宽度。都是两个通带截止频率的差，即f bw= f p2－f p1。

e．Q：称为品质因数。

4.电压比较器

1．比较器的功能

a．电压比较：比较两个输入电压的相对大小。

b．电平鉴别：当参与比较的两个电压中，一个为参考电压U R，另一个为被鉴别的输入电压u I时，可以鉴别u I的电平等于U R的时刻。

c．整形：比较器的输出只有高电平和低电平两种状态，所以它可以将输入的模拟信号整形为矩形波，常用来进行模——数转换。

2．运放组成的比较器

运放的工作状态：一般引入正反馈或开环，运放工作于非线性状态。所以在分析运放组成的比较器电路时不能使用“虚短”或“虚地”，但由于运放的输入电阻极大，输入电流几乎为零，所以仍可使用“虚断”。

3．比较器的主要性能指标

a．阈值电压U th：也称门坎电压或门限电压，是比较器输出发生跃变时的输入电压值。

b．输出高电平U OH、输出低电平U OL。

4．比较器的类型

a．串联型和并联型：输入电压u I和参考电压U R接入运放不同输入端的为串联型；u I和U R 接入运放同一输入端的为并联型。

b．同相型和反相型：u I接入运放同相输入端的为同相型；u I接入运放反相输入端的为反相型。

c．单门限比较器和多门限比较器：在比较器工作过程中，阈值电压始终不变的为单门限比较器；在比较器工作过程中，有两个或两个以上阈值电压的为多门限比较器。但多门限比较器中的每一运放，在某一瞬时的阈值电压仍是单一的。

d．集成比较器：是一种为比较器而专门设计制造的模拟集成电路。具有速度高、输出电平一般可以与TTL等数字电路兼容、性能稳定、带负载能力强等优点。

相关电路分析与计算

1．有源滤波器

1）一般分析方法：根据电路原理图在复频域利用拉氏变换列电路方程，即可求得有源滤波器传递函数的复频域表达式。再以jω代替传递函数中的s，就可以得到传递函数的频域表达式，如表7.1所示。

2）理想运放组成的有源滤波器，引入深度负反馈，所以分析时可以使用“虚短”、“虚断”、“虚