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1、1,第五章 信号调理,5.1概述 5.2电平调整 5.3线性化 5.4信号变换 5.5滤波与阻抗匹配 5.6模拟数字转换电路,2,5.1概述,5.1.1检测系统的构成,3,5.1概述,5.1.2信号调理的基本概念,信号调理：对传感器输出信号进行操作，将其转换成满足后续传输与处理系统要求的信号,信号调理与检测电路关系：界限不很清楚，有时二者合二为一。如有些教材将电阻抗-电压转换电路（电阻、电感、电容等检测电路）归为信号调理电路。,4,5.1概述,5.1.3信号调理的类型,电平调整（放大或衰减） 线性化（非线性信号调正成线性信号） 信号形式变换（如电压电流变换） 滤波与阻抗匹配（滤波电路、传感器内
2、部阻抗或电缆阻抗引起重大误差的处理）,5,5.2电平调整,5.2.1为何进行电平调整,检测系统中虽然可以采用输出标准信号的变送器，但在具体设计中也常用传感器加电平调整的方案。原因有三： 变送器虽然方便但成本较高，缺乏调节环节； 在检测系统设计与调试过程中，为了得到理想的传函常常调整传感器/放大器的传函； 变送器量程也是标准的，不能全满足工程要求。,6,5.2电平调整,5.2.2无源电平调整,该电路可以实现信号的衰减,7,5.2电平调整,注意： 两个电阻的稳定性直接影响电平调整效果 作为传感器电路的负载希望电阻大些，作为后续电路的输入希望电阻小些，折中考虑 大阻值（如M）的电阻精度与噪声均较差
3、常用于精度要求较低的场合，否则用有源调整电路,8,5.2电平调整,5.2.3有源电平调整,有源电平调整电路普遍采用运算放大器，如反相放大电路、同相放大电路等。,9,5.2电平调整,有源电平调整的特点,可以实现放大或衰减，调整方便； 满足了阻抗匹配要求；,放大电路的带宽有限，一般厂家给增益带宽积，如30MHz，若G=1000，则带宽小于30KHz ； 放大器本身的噪声影响； 放大器参数影响：输入失调电流、输入失调电压,10,5.2电平调整,5.2.4有源电平调整实例,某差动压力传感器的输出为33mV58mV，数据采集卡输入范围为0.5V4.5V，因此中间需要电平调整电路。,调整电路应具有如下特性
4、： 33mV58mV调整成0.5V4V（留0.5V余量）,11,5.2电平调整,12,5.2电平调整,双运放电压调整电路的输出为,选取电阻值，使,，则电路具有较高CMRR，,双运放电压调整电路的输出简化为：,13,5.2电平调整,双运放电压调整电路的增益为,改变增益且保证CMRR不变，须同时调整两个电阻值。 能否只调整一个电阻值就达到目的？,14,5.2电平调整,15,5.2电平调整,电路的输出为,选取电阻值，使,输出简化为：,16,5.2电平调整,Vi1,Vo,具有正负零位电压调整的三运放电压调整电路 R1= R4， R2= R3， R5= R6,R1,R2,Vref,R3,R4,Vi2,R
5、G,Vshift,R5,R6,17,5.2电平调整,电路的输出为,18,5.3线性化,5.3.1为何进行线性化,检测系统中希望输入输出特性是线性化的。 实际传感器大多数是非线性化的。 减少计算量，提高运算速度； 满足线性刻度； 使用方便。,19,5.3线性化,5.3.2线性化的方法,数字式线性化：单片机、嵌入式系统、专用芯片； 灵活，适用性强，速度有限，难 以满足动态检测场合。 模拟式线性化：在信号调理电路中加入模拟非线 性环节。 按使用元件分：无源线性化、有源线性化,20,5.3线性化,硬件线性化的特点,实时性强、简便、经济、可靠，应用广泛。,5.3.3无源线性化电路,用简单的无源器件（如电
6、阻）与敏感器件并联或串联，只要电阻值选择合适，就可以将非线性校正到满意的程度。 如湿敏电阻的线性化,21,5.3线性化,22,5.3线性化,并联后的总电阻为,使a，b，c三点一线应满足,即满足,23,5.3线性化,解得：,24,5.3线性化,也可以直接对输出电压 进行线性化：,串联电阻线性化电路,这种方法所需元件少、成本低，非常简便。但校正范围窄，校正准确度不高，主要用于被测量变化不大的场合。否则，要采用较复杂的无源电路。,25,5.3线性化,用较复杂的无源电路 仍以湿敏电阻为例，下图是不同敏感区的敏感元件进行组合来进行线性化的电路,26,5.3线性化,电阻,27,5.3线性化,用传感器特性曲
7、线上线性较好的一段改善线性,振弦式传感器的特性曲线,振弦式传感器的特性曲线中，频率的平方与张力的成正比，通过施加预紧力，调整到中间一段测量，非线性显著减小。,28,5.3线性化,5.3.4有源线性化电路,无源线性化的缺点是降低了灵敏度。 有源线性化：运用运放、场效应管或晶体管等有 源器件实现线性化。 因运放有很高的增益、极高的输入阻抗、灵活多变的接法，可获得各种各样函数变换。原则上，任何敏感器件的变换特性都可以校正为足够好的直线特性。电路复杂、调整不便、成本较高。,29,5.3线性化,几种有源线性化电路,非线性反馈电路 多放大器反馈电路 电桥传感器非线性校正电路 分段式电路,30,5.3线性化
8、,非线性反馈电路,原理：利用非线性反馈，使反馈之路的非线性和有源敏感器件的变换特性的非线性相互抵消，从而实现线性化。也可以用运算放大器构成的函数运算器进行线性化。,例：硅光电池的输出电压为：,31,5.3线性化,利用运放构成对数电路，使输出电压为：,32,5.3线性化,运放构成的对数电路原理图如,33,5.3线性化,PN结的伏安特性为：,常温（25度）时，可以近似为,34,5.3线性化,运放构成的对数电路的输出为：,35,5.3线性化,多放大器反馈电路,通过多级运算放大器，将信号调理电路的输出信号反馈到相关放大器的输入端，从而构造一个与传感器特性相近的函数运算器，以实现较理想的线性校正。 例如
9、：热电阻的特性表达式一般是二次多项式，温度变化较大时，非线性严重，下图为实用铂电阻TRRA102B的非线性校正电路，采用正反馈，非线性由2%变为0.1% 。,36,5.3线性化,37,5.3线性化,电桥传感器非线性校正电路,原理：对电桥传感器电路，利用电桥输出对电源电压敏感的特性，将电路信号反馈到电桥的供桥电源端，是电源电压随输出信号变化而变化，从而使输入输出成线性关系。 电路：如下图,38,5.3线性化,电桥传感器非线性校正电路,39,5.3线性化,设电桥四臂电阻为R，传感器阻值为Rx=（1+x）R，桥路电压为V，则桥路输出为：,前置放大器AD521输出的一部分与稳压管的基准电压一起，经运放
10、后反馈到电桥的电源端，使电桥的电源随Vo变化。 若使AD521的增益AV与乘积为2，则有,40,5.3线性化,分段式电路,原理：对传感器的特性曲线呈缓慢、单调变化的情况，将其特性曲线划分成若干段，每段用一段直线近似代替。段间切换有开关二极管控制。 参见下图,41,5.3线性化,输出经折线逼近可以得到：,42,5.3线性化,电路,43,5.3线性化,电路原理：四个二极管串联四个不同的电阻，即可实现分段逼近线性化。 如：D1串联反向电压Uc1=R1Uc/(r1+R1)， D2串联反向电压Uc2=R2Uc/(r2+R2)， D3串联反向电压Uc3=R3Uc/(r3+R3)， D4串联反向电压Uc4=
11、R4Uc/(r4+R4) 当输入信号Ui很小时，Ru= R0，随着Ui的增大，四个二极管依次导通，实现分段拟合。,44,信号制式：被测量电压420mA。,5.4信号变换,5.4.1电压电流转换,为了减少长线传输过程中线路电阻和负载电阻的影响，可以将直流电压变换成直流电流后进行传输。,电压-电流变换器：输出负载中的电流正比于输入电压的电路。,45,5.4信号变换,几种电压电流转换电路,浮地电压-电流变电路：,46,5.4信号变换,具有放大作用的浮地电压-电流变电路：,47,5.4信号变换,接地负载电压-电流变电路：,48,5.4信号变换,差动电压-电流变电路：,49,5.4信号变换,5.4.2电
12、流电压转换,电流-电压变换：输入电流转换成输出电压，因为传递系数为电阻，也称为转移电阻放大器。,如光电检测：光敏二极管将光信号转换成电流，传感器的检测电路需要将其转换成电压。,50,5.4信号变换,注意：,电流传感器输出的电流一般较小，特别是微弱信号的检测，必须分析运放失调电流和失调电压所带来的误差放大器。 通常选用失调电流小、失调电压小、噪声低的运放。,51,5.4信号变换,电流经过长距离导线传输的电流电压转换：,输入阻抗较小，信号源内阻不能太大，电压输出10V，可以进行大电流转换，但注意电阻的发热问题。,52,5.4信号变换,小电流、高输入阻抗电流-电压转换电路：,输入阻抗大，可以进行小电
13、流转换，电阻一般在1001M之间，过小则分布电阻影响大，过大则噪声大，精确度变差。,53,5.4信号变换,纳安小电流电流-电压转换电路：,如输入电流：10nA，第一级输出10mV，第二级增益为100，输出为1V，避免了采用大电阻。,54,电压频率转换：模拟输入电压转换成与之成正比的振荡频率。 特点：具有良好的精确度、线性、积分输入等，电路简单、外围元件性能要求不高、环境适应能力强、转换速度不低于一般的双积分型AD器件，抗干扰，节省系统接口资源，可长距离传输，成本低，可逆。 常用器件：TC9401，AD650,5.4信号变换,5.4.3电压频率转换,55,5.4信号变换,组成：积分放大器、电压比
14、较器、单稳触发器、模拟开关、1mA电流源、输出级。,AD650电压频率转换原理,56,5.4信号变换,工作过程：,单稳态触发器输出为低电平时，模拟开关控制全部电流流向放大器的输出端，称为积分阶段。 单稳态触发器被触发输出为高电平时，模拟开关控制全部电流流向放大器的求和输入端，称为复位阶段,57,5.5滤波与阻抗匹配,5.5.1滤波器的基本概念,滤波器的类型：低通、高通、带通、带阻、全通,58,5.5滤波与阻抗匹配,59,5.5滤波与阻抗匹配,频带宽度BW：允许信号通过的频率段。 品质因数Q ： 谐振频率与带宽之比。 阻尼系数 ： 品质因数倒数的一半， =0.5Q-1,滤波器的主要参数： 通带增
15、益A0:输出电压与输入电压之比。 截至频率fp：没有谐振峰时，增益下降到 时的频率；有谐振峰时，幅频特性从峰值回到起始值时的频率。谐振频率是滤波器自身的固有频率。,60,无源滤波器： 利用R、L、C器件组成的滤波器。 特点： 设计简单，频率特性计算容易 滤波器的特性对元器件的误差非常敏感 截至频率较低时， R、C取值较大，尺寸较大 阻带内，幅频特性衰减慢 无法提供增益 电阻值可能较大，导致滤波器的输出阻抗很高,5.5滤波与阻抗匹配,61,5.5滤波与阻抗匹配,有源滤波器,一阶有源低通滤波器,62,二阶有源低通滤波器,5.5滤波与阻抗匹配,电压并联正反馈 ，通带宽度增加,63,5.5滤波与阻抗匹
16、配,64,5.5滤波与阻抗匹配,一阶高通滤波电路,65,5.5滤波与阻抗匹配,二阶高通滤波电路,66,5.5滤波与阻抗匹配,带通滤波电路,67,5.5滤波与阻抗匹配,带阻滤波电路,68,5.5滤波与阻抗匹配,全通滤波电路,幅频特性为常数，与频率无关 有移相作用,69,5.5滤波与阻抗匹配,5.5.2滤波器的选用与设计初步,原则： 优先采用无源滤波器，无法满足要求时用有源滤波器。 优先采用低阶滤波器，无法满足要求时用高阶滤波器。,方法步骤： 确定通带频率、增益、衰减（滚降）速度等参数。 确定满足所需特性的传递函数，从经典滤波器中选择，如巴特沃思、切比雪夫等。 通过电路设计与调试实现传递函数,70,例：二阶RC有源低通滤波器设计,5.5滤波与阻抗匹配,71,二阶RC有源低通滤波器的品质因数,5.5滤波与阻抗匹配,品质因数越高，高频衰减也越快，但系统的极点越靠近虚轴，系统的稳定性越差。,为分析方便，不妨设增益为1，n2=R1/R2，则：,72,5.5滤波与阻抗匹配,为了得到较高的品质
