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1、第12章 检测系统的信号处理,12.1 信号放大 12.2 信号滤波 12.3 信号转换,学习导航,检测信号需要进行调理的原因在于 通常传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接用于显示、记录或分析，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换 有些传感器输出的电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比 某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器输出信号进行调制解调处理。,12.1 信号放大,在检测系统中，传感器输出的信号一般比较微弱，需要首先经过放大器对信号进行放大，以增加信号的幅值，便于后续的处理。 12.1.1 运算放大器 运算放大器是一种高增益、高输入阻抗的差动放大器，理想运算放大器的
2、开环电压增益为无穷大、输入阻抗为无穷大、输出阻抗等于0，因此在分析运算放大器电路时，通常要利用两个结论：（1）运算放大器的同相或反相输入电流均为0；（2）运算放大器的差动输入电压等于0，即同相和反相输入电压相等。,图12.1 运算放大器,反相比例放大器 反相比例放大器如图12.1（a）所示，其输出信号与输入信号的关系为： 反相比例放大器的特点是： （1）输出与输入信号反相； （2）电压放大倍数的绝对值 可能大于1，也可能小于1； （3）放大器的输入阻抗小（ ）；（4）只能放大对地的单端信号（ ）。,(12.1),同相比例放大器 图12.1（b）所示为同相比例放大器，其输出信号与输入信号的关系为
3、： 同相比例放大器的特点是： （1）输出信号与输入信号同相； （2）电压放大器倍数 ； （3）放大器的输入阻抗很大，输出阻抗很小，故广泛用于前置放大器； （4）只能放大单端信号。,(12.2),差分放大器 如图12.1（c）所示，当 时，差分放大器的输出信号与输入信号的关系为： 差分放大器的特点： （1）差分放大器的输出与两输入端的电压之差成正比，即用于放大差分信号； （2）其差模输入阻抗不大（ ）； （3）双端输入、单端输出； （4）共模抑制比高，故常用作前端放大器。,(12.3),交流放大器 如图12.1（d）所示，交流放大器用于低频交流信号的放大，其输出信号与输入信号的关系为： 交流放大
4、器的特点是： （1）放大器的放大倍数与频率有关，因为和都与频率有关； （2）交流放大器具有一定的频带宽度，超出频带宽度的低频或高频信号都要受到抑制，因此，它可以抑制直流漂移和高频干扰电压。,(12.4),按照集成运算放大器的参数来划分，集成运算放大器可分为如下几类： 通用型运算放大器 ； 高阻型运算放大器 ； 低温漂型运算放大器 ； 高速型运算放大器 ； 低功耗型运算放大器 ； 高压大功率型运算放大器 。,12.1.2 仪用放大器（或测量放大器）,通用运算放大器对微弱信号的放大仅适用于信号回路不受干扰等较为理想的情况，而实际的传感器工作环境往往引起其两条输出线上产生较大的干扰信号。 为了获得高
5、增益，输入电阻必须小，而低的输入阻抗和低的共模抑制能力不能满足仪器的使用要求，必须使用几个闭环的运算放大器组成，这就是仪用放大器，也称为测量放大器。仪用放大器是一种高性能的差动放大器，具有可调的增益、高输入阻抗、高共模抑制比。,图12.2所示为三个运算放大器组成的仪用放大器。其输出信号与输入信号的关系为：,图12.2 仪用放大器,(12.5),仪用放大器的特点： 精密差动电压增益； 高输入阻抗、低输出阻抗； 通过调整电阻可以方便地调整放大器的增益，同时，因为电路对称，调整时不会造成共模抑制比的降低； 强抗共模干扰、低温漂、高稳定增益，故在微弱信号检测中被广泛用作前置放大器。,12.1.3 程控
6、增益放大器,工程实践中使用的传感器输出信号幅值有时具有较宽的变化范围，特别是在多回路检测系统中，由于各检测点所使用的传感器可能不同，即使同一类型的传感器在不同的使用条件下其输出信号电平也可能有较大的差异，变化范围宽。 程控增益放大器（Programmable Gain Amplifier, PGA）具有根据检测信号的大小实现量程增益自动转换和调整信号电平的能力，有助于解决对动态信号进行自动检测时出现信号大时超量程、信号小时测量精度低的矛盾，常用于自动检测系统或智能仪器中。,程控增益放大器由运算放大器、模拟开关和电阻网络组成，如图12.3所示，基本的形式有同相输入和反相输入两类。,图12.3 程
7、控增益放大器,对于图12.4(a)的反相输入程控放大器，其输出信号与输入信号的关系为： 对于图12.4(b)的同相输入程控放大器，其输出信号与输入信号的关系为（某一时刻仅有一个开关闭合）： 若根据需要确定了增益，则可计算网络中各电阻： （12.9),(12.7),(12.8),改进型,基本型的程控增益放大器的缺点是反馈电阻和输入电阻都随开关位置的不同而变化。图12.5(a)为改进的同相程控放大器电路，其中输入电阻为R1，反馈电阻RF随开关而改变，当开关S1闭合时，可得到最小增益 1。当第n个开关闭合时: 电阻网络设计公式为：,图12.5(b)是另一种同相输入程控放大器电路，当开关Sn闭合时，其
8、放大倍数为： (12.12) (12.13) 该电路中，开关导通电阻的影响可以通过减小相应输入电阻的阻值来补偿。,程控增益放大器通过编程软件改变开关的闭合状态，可实现对增益的自动调节。程控增益放大器的量程自动切换原理及处理流程分别如图9.4（a）、（b）所示。,图12.4 程控增益放大器量程自动切换原理,图12.5（a）是高速程控增益放大器PGA102的内部电路结构，PGA102主要由输入电阻网络与N1、N2、N3基本放大器和增益/逻辑通道选择电路等组成，由CMOS/TTL电平所控增益分别为1、10和100，每一增益有独立的模拟信号输入端。,图12.5 高速程控增益放大器PGA102的内部电路
9、结构和基本接法,12.1.4 隔离放大器,隔离放大器广泛应用于通信、工业控制、仪器仪表及医疗电子设备中，隔离放大器能在输入信号与输出信号间保持电气隔离的同时，实现输出电压与输出电压的线性传输。 隔离放大器的符号如图所示，它由输入电路和输出电路两部分组成，输入电路与输出电路之间没有直接的电路联系，两部分之间的耦合通常通过光电耦合、电磁（变压器）耦合来实现。,隔离放大器的符号,电磁耦合隔离放大器 电磁耦合隔离放大器的原理如图（a)所示，被测信号经放大并调制成调幅波后，由变压器耦合，再给解调、滤波和放大后输出。,光电耦合隔离放大器 光电耦合隔离放大器的原理如图12.7（b）所示，输入信号被放大（或载
10、波调制）后，由耦合器中的发光二极管转换成光信号，再通过光耦合器中的光电器件变换成电压或电流信号，最后由输出放大器放大输出。,12.2 信号滤波,非电量经传感器转换成电信号时，一般都混杂有不同频率成分的干扰，会影响对有用信号的提取。滤波作为信号处理中经常采用的方法之一，得到了广泛的采用。滤波就是恢复被噪声污染的信号波形的技术；滤波器作为一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，能通过它的频率范围称为该滤波器的频率通带；而将信号中的无用频率分量衰减掉，被它抑制或极大地衰减的频率范围称为频率阻带；通带与阻带之间存在一个截止频率，就是当电路输入信号的幅度保持不变，改变输入信号的频率使输出信号幅度降
11、至其最大值的0.707倍时的频率。,12.2.1 滤波器的分类,滤波器按信号形式可分为模拟信号滤波器和数字信号滤波器；按采用元件类型可分为有源滤波器和无源滤波器；按选频的特点可分为低通、高通、带通和带阻滤波器；根据电路的阶数可分为一阶滤波器、二阶滤波器、三阶滤波器等等；按实际幅频特性逼近理想幅频特性的方式可分为巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器、反切比雪夫滤波器、考尔滤波器。,理想滤波器的幅频特性如图12.9中实线所示。 理想滤波器可以完全通过所选频率范围内的信号而衰减掉其他信号，但实际滤波器为非理想状态，在截止频率处并不呈现无限陡峭的过渡特性（如图中虚线所示），只能实现接近理想状态的滤波器。,图
12、12.9 理想滤波器的幅频特性,12.2.2 模拟滤波器,一阶无源滤波器 1.低通滤波器 常用的一阶滤波器由一个电阻和一个电容组成，即一阶RC滤波器,如图12.10(a)所示，电路的微分方程为： 对其进行拉氏变换和傅里叶变换，可得出频率特性函数。 幅频特性： 相频特性：,相应的曲线如图12.10(b)所示。,图12.10 一阶RC滤波器的电路及其频率特性,2.高通滤波器 一阶RC高通滤波器电路与一阶RC低通滤波器相比，只是电阻和电容的位置交换，如图12.11(a)所示。此时，电路的微分方程为： 同样的方法推导出其频率特性如下： 幅频特性： 相频特性：,相应的频率特性曲线如图12.11（b）所示
13、。,图12.11 一阶高通滤波器的电路与频率特性,二阶有源滤波器 高阶滤波器较低阶滤波器有更为陡峭的过渡带，二阶有源滤波器是应用最为广泛的有源滤波器，其最常见的两种形式是有限电压放大型和多路负反馈型。,有限电压放大型滤波器是将滤波网络接在运算放大器的同相输入端，如图12.12所示。 多路负反馈型滤波器是将滤波网络接在运算放大器的反相输入端，如图12.13所示。,图12.13 多路负反馈型二阶有源滤波器,图12.12 有限电压放大型二阶有源滤波器,开关电容滤波器 开关电容滤波器是一种新型的适合大规模集成化的滤波器，其主要特点是用开关和电容来代替电路中的电阻。 开关电容电路如图12.15所示。,图
14、12.15 开关电容及其等效电阻,12.3 信号转换,12.3.1 A/D转换 A/D转换就是将模拟量转换成数字量，实现将模拟量转换为数字量的器件称为A/D转换器（即ADC）。A/D转换器作为数据采集的必要通道，是DAQ硬件和数据采集系统的核心，因为大多数被测量都是模拟量，必须转化为数字量才能为计算机所识别和处理。 A/D转换器的类型 A/D转换器按工作原理的不同可以有多种形式，但在智能检测系统中采用较多的主要有积分型、逐次逼近型、并行型三类。,1.积分型A/D转换器 又称为间接型A/D转换器，因为它要先将输入的模拟量（模拟电压）转换成某种中间量（时间间隔或频率），然后再将中间量转换为相应的数
15、字量。积分型A/D转换器种类很多，如单积分型、双积分型、四重积分型、电荷平衡积分型和脉冲宽度调制型等。 双积分型A/D转换器的电路组成如图12.16所示，它由积分器（由集成运放A组成）、过零比较器（C）、时钟脉冲控制门（G）和定时器/计数器（FF0FFn）等几部分组成。,图12.16 双积分型A/D转换器原理图,图12.20 双积分型A/D转换器的波形图,2.逐次逼近型A/D转换器 也称为直接型A/D转换器，因为它按照天平称重的思路，将输入模拟量（模拟电压）与不同的参考电压多次直接进行比较，然后转换成相应的数字量，使转换所得的数字量在数值上逐次逼近输入模拟量的对应值；其转换时间与转换精度适中，
16、转换时间一般在微秒级，转换精度一般在0.1%左右，适用于一般场合。,逐次逼近型A/D转换器的基本工作原理如图12.17所示。,图12.17 逐次逼近型A/D转换器工作原理,图12.22 3位逐次逼近型A/D转换器,3.并行型 A/D转换器 并行型 A/D转换器是将输入模拟电压进行量化，并将得到的个（对应位输出数字信号）量化电平与各基准电压进行并行比较，再将比较结果进行编码，给出相应的数字量输出；由于采用并行比较，因而转换速率很高，转换周期在微秒级，是目前能获得最快转换速度的A/D转换器，但结构复杂、抗干扰能力较差。由于工艺限制，其分辨率一般不高于8位。这类A/D转换器可用于数字示波器等要求转换速度较快的仪器中。,3位并行型A/D转换器原理如图12.18所示。,图12.18 并行型A/D转换器原理图,A/D转换器的性能参数 A/D转换器有四种最主要的性能参数：采样位数、分辨
