信号调理电路
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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。