信号调理电路

3.6 信号调理电路

由传感器直接输出的信号一般是非常微弱的，不能直接被测量电路所利用，所以要根据不同形式的传感器采取不同的方式对信号进行处理，例如对微弱的信号放大、滤波、变换等等，最终将传感器最初的输出信号调理成能被测量电路所利用的信号。 3.6.1 仪器放大器

仪器放大器（或称数据放大器）是用于测量两个输入端信号之差的集成模块，其放大增益可设定。仪表放大器具有输入阻抗高、失调和温漂小、增益稳定、输出阻抗低等特点，主要用于作热电偶、应变电桥、分流器及生物传感器的接口电路，这种放大器能够将叠加在大共模电压上的小的差模信号进行前置放大。仪表放大器的增益可任意设定，一般有两种方法，一是通过数字量直接控制，另一种是通过外部电位器调节，目前有各种型号的仪器放大器可供选择使用。仪表放大器的功能框图如图3.6.1所示。

图

3.6.1

仪表放大器有它自己参考端，这些参考端均于地线相连，可以驱动以地为参考的负载。此外仪表放大器的输入地和输出地都汇集在一点，该点又与电源地相连，这样可以减小电路中接地环路电阻，从而减少因接地电阻带来的影响。下面以AD620为例介绍其典型应用。

AD620是低成本仪表放大器，用户仅通过外接一个电阻，就可以在1~1000倍的增益范围内任意设置放大倍数。该器件具有宽的供电电源范围±2.3V~±18V ，较低的功耗（≤1.3mA ），输入失调电压小于50μV ，输入失调电压温漂小于0.6μV/℃，具有低的噪声输入。其管脚排列如图3.6.2所示。

G REF

OUT +Vcc R

图 3.6.2

1、8脚是外接电阻端子，以调节放大倍数；7、4脚是正、负电源端子；

2、3脚是输入电压端；6脚是输出电压端；5脚是参考端，若该端接地，则6脚输出为对地之间的电压。AD620仪表放大器的放大倍数表达式为：14.49+=

G

R k

G 1 基本放大器电路

图3.6.3是AD620组成的基本放大器，根据放大倍数的要求，可以决定出电阻R G 的值。 图中正、负电源对地要加滤波电容。

图 3.6.3

2压力测量电路

图3.6.4是一压力测量电路，压力传感器输出的信号通过AD620放大后送入AD转换器，转换成数字量进行测量。

图 3.6.4

3心电检测电路

AD620的正、负输入通过心电传感器分别接到人体的左臂与右臂上，运算放大器AD705 和电阻网络组成驱动电路接到人体的右腿上，构成“浮地”。由于生物信号非常微弱，放大器的放大倍数不宜太高，一般取10~100之间，并且只能作为前置放大。

图 3.6.5

3.6.2有源滤波器

滤波器是一种能使一定频率的信号通过，而阻止和衰减其他频率的信号的电路。所谓有源滤波器就是采用有源器件（主要是集成运算放大器）和RC网络构成，其优点是体积小、低频性能好、精度高、性能稳定，目前在信号处理电路中广泛应用。根据滤波器的频率特性可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器和全通滤波器，其幅频响应曲线如图3.6.6所示。

A

A

A

A 低通滤波器

高通滤波器

带通滤波器

带阻滤波器

图 3.6.6

由于一个高阶滤波器可以分解成多个一阶和二阶滤波器，所以二阶有源滤波器电路是最基本的电路。二阶有源滤波器的电路结构形式非常多，有无限增益多路反馈型滤波器、压控电压源型滤波器、双二次型滤波器和通用的集成滤波器等，下面以二阶压控电压源型滤波器为例介绍其设计方法。 1 二阶低通滤波器

二阶低通滤波器的典型传递函数表达式为：

2

2

20)()(n

n n

S Q S A S A ωωω+⋅+= 其中，ωn 为特征角频率，Q 为等效品质因数。 图3.6.7所示电路的传递函数为：

图 3.6.7

[]1

)1()()()(0112122221210

+-+++=

=

S A C R C R C R S C C R R A S U S U S A i o a b R R A +=10 , )(121212

C C R R n =ω

)

1()(0112122

121A C R R R C C C R R Q -++=

若令 R 1=R 2=R ，C 1=C 2=C ，则滤波器的参数为： RC n 1=

ω , 0

31A Q -= 可见为了保证滤波器稳定工作，要求Q ＞0，则该滤波器的电压放大倍数必须小于3。

举例：要求二阶低通滤波器的通带截止频率为100kHz ，品质因数Q =1。试确定电路中电阻、电容元件的参数值。

解：首先选用二阶低通有源滤波器的电路结构如图 所示。且R 1=R 2=R ，C 1=C 2=C ，先选定电容C =1000pF ，则电阻R 为：

Ω=⨯⨯⨯⨯==

-15921010001010021

2112

3ππC f R n ，选用1.6kΩ

根据0

31

A Q -=

，故 2131310=-=-=+=Q R R A a b ，即 R b =R a 可选择电阻R b =R a =10kΩ 。由于滤波器处理的信号频率不高，集成运算放大器可选用

LM741。

2 二阶高通滤波器

二阶高通滤波器的标准传递函数为：2

22

0)(ωω++

=

S Q

S S A S A n

，其中A 0为通带电压

增益，ωn 是特征角频率，Q 是等效品质因数。

图 3.6.7

图3.6.7电路的传递函数为：

[])

(1)()1()()()(2121212102221112

2

00C C R R C C R R A C R C R C R S S S A S U S U S A i +-+++== 令 a b R R A +=10 ， 21211C C R R n =ω

)

1(02221112

121A C R C R C R C C R R Q -++=