硬件基础知识培训-常用信号调理电路

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VBQ (3 ~ 5)V (硅管) VBQ (1 ~ 3)V (锗管)
晶体管放大器静态工作点设计步骤
一、根据设计要求(电压放大倍数、输入输出电 阻、稳定性等)选择合适的三极管。
二、对于小信号放大器,一般取: ICQ = 0.5mA~2mA,VEQ = (0.2~0.5)VCC
三、计算发射极电阻:
中频区 BW (a)
通频带
BW = fH – fL
-180
式中,fH为放大器的上限频率,主要受晶
体管的结电容及电路的分布电容的限制; -270
fL
fL为放大器的下限频率,主要受耦合电容
(b)
CB、CC及射极旁路电容CE的影响。
高频区
fH
f /Hz
fH f /Hz
根据传感器及设计需求选择放大电路
驻极体话筒
放大器在信号调理电路中的最佳位置
在电子电路中,放大的对象是变化量, 常用的测试信号是正弦波。放大电路放大 的本质是在输入信号的作用下,通过有源 元件(BJT或FET)对直流电源的能量进 行控制和转换,使负载从电源中获得输出 信号的能量,比信号源向放大电路提供的 能量大的多。放大器本身并不会产生能量 。因此,电子电路放大的基本特征是功率 放大,表现为输出电压大于输入电压,输 出电流大于输入电流,或者二者兼而有之 。在放大电路中必须存在能够控制能量的 元件,即有源元件,如BJT和FET等。
LM324 四运算放大器 LM358 双运放 LM339 四电压比较器 LM393 双电压比较器
比较器和运放虽然在电路图上符号相同, 但这两种器件确有非常大 的区别,一般不可 以互换,区别如下: 1、比较器的翻转速度快,大约在ns数量级, 而运放翻转速度一般为us数量级(特殊的高 速运放除外)。 2、运放可以接入负反馈电路,而比较器则 不能使用负反馈,虽然比较器也有同相和反 相两个输入端,但因为其内部没有相位补偿 电路,所以,如果接入负反馈,电路不能稳 定工作。内部无相位补偿电路,这也是比较 器比运放速度快很多的主要原因。 3、运放输出级一般采用推挽电路,双极性 输出。而多数比较器输出级为集电极开路结 构,所以需要上拉电阻,单极性输出,容易 和数字电路连接 。
隔离电压:发光管和光敏 接收管之间的耐压值 正向电流、反向耐压等
正向电流
光耦合隔离
• 模拟信号良好线性隔离传输
选频网络
滤波器在一定的频率范围内去 处不希望的噪声。几乎所有的数据 采集应用都会受到一定程度的50Hz 或60Hz的噪声(来自于电线或机械 设备)。大部分信号调理装置都包 括了为最大程度上抑制50Hz或60Hz 噪声而专门设计的低通滤波器。
两个阈值的差值ΔUTH=UTH1–UTH2 称为回差。
改变R2值可改变回差大小,调整UR 可改变UTH1和UTH2,但不影响回差 大小。即滞回比较器的传输特性将平 行右移或左移,滞回曲线宽度不变。
滞回电压比较器原理及特性
• 比较器的波形变换
• 在抗干扰方面的应用
(a)输入波形;(b)输出波形
运算放大器与比较器区别
RE
VBQ VBE I CQ
VEQ I CQ
四、计算分压偏置电阻:
RB2
VBQ I1
VBQ
β
(5 ~ 10)I CQ
RB1
VCC VBQ VBQ
RB2
VCEQ VCC I CQ (RC RE )
晶体管放大器性能指标
晶体管放大器的主要性能指标有:
电压放大倍数:
A V
Vo Vi
RL
分压偏置晶体管放大器
分压偏置三极管共射放大
稳定静态工作点的原理:
T ICQ IEQ VEQ ICQ IBQ VBEQ
基本关系式:
工作点稳定的必要条件: I1>>IBQ , 一般取
I1 (5 ~ 10)I BQ (硅管) I1 (10 ~ 20)I BQ (锗管)
直流负反馈愈强,电路的稳定性愈好。 所以要求VBQ>>VBE,即VBQ = (5~10)VBE,一般取
RC桥式振荡电路
VDI,VD2主要作用是使其更容 易起振,放大倍数必须至少大于1。
选频网络 串联LC谐振回路的阻抗特性
串联LC谐振回路如右图所示,图中,L是电感线圈, r是电感线圈L中的电阻,C为电容。当信号角频率
为(2f )时,回路的阻抗为
Zs
r
j L
1
jC
r
j L
1
C
当=0时,产生串联谐振,感抗与容抗相等,
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差动比例运算放大器
滞回电压比较器原理及特性
滞回电压比较器原理及特性
1、正向过程 正向过程的阈值为 形成电压传输特性的abcd段
3、 利用求阈值的临界条件和叠加原理方法,不难 计算出同相滞回比较器的两个阈值
2、负向过程 负向过程的阈值为
形成电压传输特性上defa段。 由于它与磁滞回线形状相似, 故称之为滞回电压比较器。
输出电阻: Ro ro // RC RC
晶体管放大器通频带
频率特性和通频带 :
放大器的频率特性包括幅频特性A()和相 频特性()。
A()表示增益的幅度与频率的关系; ()表示增益的相位与频率的关系; 是放大器输出信号与输入信号间的相位差

20lg AV /dB 低频区
0 -3
0
fL
/度 -90
智能控制室硬件基础知识
传感器信号调理电路
主要涉及内容
• 比较放大电路常用器件以及设计方法,经典应用等。 • 隔离电路的分类,器件选型。 • 选频网络的器件分类,以及各自特点,及适用范围。 • 信号通道的多路复用实现方法,及注意事项。 • 不容类型信号之间比例转换电路,如电压电流切换电路。
信号调理电路在控制系统中的重要性
光耦合隔离
光耦合器件分类:
主要有通用型(又分无基极引线和基 极引线两种)、达林顿型、施密特型、高 速型、光集成电路、光纤维、光敏晶闸管 型(又分单向晶闸管、双向晶闸管)、光 敏场效应管型 。
根据传输信号的性质选择光耦合的 种类,比如数字信号和模拟信号对光耦 合传输线性要求差别很大。
主要参数
电流放大系数传输比CTR
开环电压放大倍数 Aod = ∞ 输入电阻 rid = ∞ 输出电阻 ro=0 频带宽度 B=∞ 共模抑制比CMRR=∞ 输入偏置电流 IB1=IB2=0 失调和温漂等均为零。
工作在线性区域的理想运放具有 两个重要特性:
1. 理想运放两个输入端的电位相等。因为U--U+=UO/ Aod,而Aod =∞ ,UO为有限值,故有: U- = U+
低压轨到轨(英文名 Rail-to-Rail)运放
名词解释: 由内部电路处理之后,
输出电压可以肥肠接近地 或者电源电压。
LM324 LMV324(低压轨到轨) LM358 LMV358(低压轨到轨)
信号隔离
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。
• 内部结构
驻极体话筒具有体积小、结构简单、 电声性能好、价格低的特点,广泛用于电 话、手机、录音机、无线话筒及声控等电 路中。属于最常用的电容话筒。由于输入 和输出阻抗很高,所以要在这种话筒外壳 内设置一个场效应管作为阻抗转换器,为 此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工 作电压。
光敏电阻
光敏电阻是利用物体的导电率会随着外加光照的影响 而改变的性质而制作的一种特殊电阻。
信号调理电路定义
信号调理电路的任务:把传感器转 换的微弱电信号变换为用于数据采集、 控制过程、执行、计算、显示或其他目 的的电信号。模拟传感器可测量很多物 理量,如温度、压力、光强、磁场、颜 色、气味等...
但由于大多数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,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MCU或其他数字 器件,以便用于系统的数据处理。
• 光敏电阻的特点: 可靠性好 体积小 灵敏度高 光谱特性好 受温度影响较大 响应速度不快 有前历效应
• 光敏电阻的适用范围:
户内户外照明控制系统,如路灯、走廊、室内声光控灯。 家居自动控制,如自动窗帘自动门等。 报警控制系统,如烟雾报警器,电子玩具等等。
• 光敏电阻使用注意事项: 1、不同材质的光敏电阻的光谱效应曲线不同,灵敏度不 同。 2、对光感应速度有要求的时候注意其反应时间,以及它 的前历性,温度影响大的特性,各种因素综合考虑,计算 测试最坏情况是否失效现象发生等。
2. 理想运放的输入电流为零,这是由于rid = ∞,所以 有: Ii=0 这两条特性大大简化了运放应用电路的分析过程,是 分析运放工作在线性区域的各种电路的基本依据,这 两条特性常用"虚短"这个概念来概括。所谓"虚短", 是指对电压而言,两个输入端是短路的;但对电流而 言,两个输入端却是开路的。
同相比例放大器
• RC选频网络 • LC选频网络 • 陶瓷选频元件 • 声表面波滤波器
• RC串并联网络的选频特性
选频网络
如上图所示,RC串并联网络由R2和C2并联后与 R1和C1串联组成。RC串并联网络频率特性如右图所 示。理论分析可知,若R1=R2=R,C1=C2=C,则RC串并 联网络只有在
f f0 1 2RC
由右图分析可以知道,信号放大器应 该尽量放置到传感器最近的地方,才能保 证不容易收到各种干扰,比较容易的提高 了信噪比。
静态工作点
固定偏置三极管共射放大
静态工作点: 三极管放大电路中,三极管静态工作点就是输入信号为零时,电路
处于直流工作状态,这些电流、电压的数值可用BJT特性曲线上一个确定 的点表示,该点习惯上称为静态工作点Q ,设置静态工作点的目的就是 要保证在被放大的交流信号加入电路时,不论是正半周还是负半周都能 满足发射结正向偏置,集电结反向偏置的三极管放大状态。
在整个智能控制系统中,只 有传感器输出的信号是非常微弱, 需要重点处理的信号,它影响着 整个系统运行的准确性与稳定性, 事实上也是相比数字电路或者输 出驱动电路而言设计难度较大、 风险较高的其中一部分,针对不 同的传感器要采用不同的方案来 调理信号,为控制电路提供稳定、 有效的信息是做好控制系统的前 提,所以传感器信号调理电路的 重要性是不言而喻的。
• 基本电路:电压串联负反馈
• 电路特点:
输入电阻高,输出电阻小,带负载 能力强,通常用来做小信号阻抗转换 电路 V-=V+=Vi,所以共模输入等于输 入信号,对运放的共模 抑制比要求高.
反相比例放大器
• 基本电路 :电压并联负反馈
电路特点: 输出电阻小,带负载能力强 ,反相 端为虚地,所以共模输入可视为0, 对运放共模抑制比要求低 。
rbe
1)电压放大倍数Av
式中, RL’=RC//RL ; rbe为晶体管输入电阻,即
2)输入电阻Ri 3)输出电阻Ro 4)通频带BW
rbe
rb
(1
) 26mV
{I EQ }mA mA
300
26mV {I CQ }mA mA
输入电阻: Ri rbe // RB1 // RB2 rbe
Zs为最小(纯电阻r),串联谐振角频率0为
0
1 LC
品质因数Q为:
Q 0L 1 r 0Cr
串联LC谐振电路
选频网络
串联LC谐振回路的选择性
串联谐振回路的谐振曲线如右图所示。 从图中可见回路的品质因数越高,谐 振曲线越尖锐,回路选择性越好。
当保持外加信号的幅值不变而改变其频 率时,将回路电流值下降为谐振值的时 所对应的频率范围称回路的通频带亦称 回路带宽,通常用B表示,有:
输出幅度最大(F=1/3),而且输出 电压与输入电压同相,因此,RC串并 联网络具有选频特性 。
选频网络
RC桥式振荡电路
RC振荡器适用范围:
低频的震荡使用RC选频 只需要使用阻值较大的电阻, 不像LC选频,低频需要较大 电感,造成体积和成本的增 加,所以并不需要附加成本。 但遗憾的是RC震荡同样不能 用于高频振荡,原因是它的 品质因数差,频率稳定度低。
主要参数举例:CdS(硫化镉)
最大电压(VDC) :150 最大功耗(MW):50 环境温度:-30~+70 光谱峰值(nm):540 亮电阻(10LUX光源下):8-20 KΩ 暗电阻(MIN)/ MΩ:0.5
运放比较放大电路
为了突出主要特性,简化分析过程,在 分析实际电路时,一般将实际运放当作理想 运放看待。所谓理想运放是指具有如下理想 参数的运放:
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