第2章檢測系統(tǒng)中常用信號調(diào)理電路的實現(xiàn)Chapter2SignalProcessingCircuit§2.1檢測系統(tǒng)概述§2.2常用信號調(diào)理電路的實現(xiàn)§2.1檢測系統(tǒng)概述SummaryofDetectionSystem——能力目標——能準確的描述檢測系統(tǒng)的一般構(gòu)成。能理解檢測系統(tǒng)的一般設計步驟。[訓練任務1]認識和牢記檢測系統(tǒng)構(gòu)成1.自動檢測系統(tǒng)的組成（ComponentofDetectionSystem）熱電偶溫度測量系統(tǒng)舉例

一個完整的檢測系統(tǒng)或檢測裝置通常是由電源、傳感器、信號處理電路、顯示記錄裝置、傳輸通道等幾部分組成。自動檢測系統(tǒng)的組成1.自動檢測系統(tǒng)的設計步驟（DesigningStepsofDetectionSystem）系統(tǒng)分析1）明確實現(xiàn)的功能和需要完成的測量任務。2）了解設計任務所規(guī)定的性能指標。3）了解測量系統(tǒng)的使用條件和應用環(huán)境。[訓練任務2]理解檢測系統(tǒng)的一般設計步驟系統(tǒng)總體方案設計1）確定系統(tǒng)的控制方式。2）輸入輸出及外圍設備的選擇。3）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)選擇。

硬件設計1）檢測元件的選擇（傳感器的選型）2）微型計算機的選擇(常用PC或單片機)。3）模擬量輸入通道的設計(通道結(jié)構(gòu)形式A/D選擇、采樣/保持器選擇)。4）硬件調(diào)試。

軟件設計1）軟件總體結(jié)構(gòu)(模塊間應盡量獨立)。2）軟件開發(fā)平臺(LabVIEW、VC++、VB等)。3）軟件程序設計。4）軟件調(diào)試。5）軟件的運用、維護和改進。系統(tǒng)集成1)硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)集成在一起聯(lián)調(diào)。2)找出硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)間不匹配的地方。3)反復修改和調(diào)試。4)移至現(xiàn)場運行進一步調(diào)試。5)根據(jù)運行的實際問題再調(diào)試修改?！芰δ繕恕苊鞔_信號調(diào)理電路在檢測系統(tǒng)中所處的位置。能熟練描述常見信號調(diào)理電路的作用。能看懂常見傳感器輸出信號的調(diào)理電路。能根據(jù)實際情況和后續(xù)電路要求，

選用合適的信號調(diào)理電路?！?.2

常用信號調(diào)理電路的實現(xiàn)

信號調(diào)理往往是把來自傳感器的信號變換為用于數(shù)據(jù)采集、控制過程、執(zhí)行計算顯示讀出和其他目的的數(shù)字信號。通常，傳感器輸出信號是相當小的電壓、電流或電阻變化，不符合后續(xù)電路要求，因此必須進行調(diào)理。調(diào)理就是將來自傳感器的信號放大、濾波、轉(zhuǎn)換或加工，使其適合于后續(xù)電路的輸入。[訓練任務1]掌握信號調(diào)理電路作用與位置被測量x敏感元件轉(zhuǎn)換元件電子測量x可用非電量、間接電量、電量電量y傳感器

傳感器組成框圖電量/電量A/D信號調(diào)理電路數(shù)字信號處理（計算機處理）信號調(diào)理電路所處位置常見信號調(diào)理電路（1）放大電路（2）濾波電路（3）各類轉(zhuǎn)換電路（4）信號加工電路[訓練任務2]熟悉用于信號調(diào)理的放大電路基本組成：各類運算放大器要設計出好的放大電路，必須選擇合適的運放，構(gòu)建合理的放大電路。運算放大器的選型:掌握放大器基本參數(shù)的測量。[直流失調(diào)電壓Vos、直流失調(diào)電流閉環(huán)增益Ios(可用Vdos代替),差分放大器的共模抑制比(CMRR),帶寬增益積(GBW)

]一、放大器基本參數(shù)的測量通常為三端形式運放基本電路復習：“虛短”與“虛斷”正輸入端(+)負輸入端(-)輸出端上下引腳是電源輸入,一般都省略不畫。

同向放大器差分放大器反向放大器理想運算放大器有幾個特性（實際越接近越好）A.Vn、Vp端輸入電阻無窮大也就是說放大器不會從輸入信號端吸收能量。B.無噪音、無失真，帶寬無窮大。C.放大器只對差分信號（Vn-Vp）起放大作用，而且放大倍數(shù)是無窮大，對共同出現(xiàn)在Vn、Vp的信號完全抑制（抑制共模）。D.輸入電壓、輸出電壓、電流無窮大。E.無最大電源電壓限制。電源抑制比無窮，也就是說輸出不隨電源波動而變化。

電阻:0805封裝片式,+/-5%精度放大器正輸入端MUX是電子開關,控制增益200KΩ200KΩ200KΩ200KΩ51KΩ51KΩ25KΩ25KΩ放大器負輸入端運算放大器主要參數(shù)分直流和交流1、輸入失調(diào)電壓Vos(VIO)：定義：零輸入時為使放大器輸出也為零，須在輸入端施加的差分電壓。主要直流指標測量應用意義：反映了運放內(nèi)部電路的對稱性，對稱性越好，輸入失調(diào)電壓越小。直流放大時中間零點偏移越小，越容易處理。2、輸入失調(diào)電流Ios

(IIO)：定義：零輸入時，為使放大器輸出也為零，須在輸入端施加的差分電流。應用意義：同樣反映了運放內(nèi)部電路的對稱性，對稱性越好,輸入失調(diào)電流越小。特別是運放外部采用較大的電阻（例如10k或更大時）,輸入失調(diào)電流對精度的影響可能超過輸入失調(diào)電壓對精度的影響。輸入失調(diào)電流越小,直流放大時中間零點偏移越小,越容易處理。輸入直流誤差（Vdos）的測量定義：輸入直流誤差是Vos、Vios（Ios在電阻上的壓降）共同作用的結(jié)果，Vdos是Vos、Vios的疊加，簡化的電路如下圖測量時將VIneg和VIpos用50Ω負載電阻分別短路到地，輸入端電壓為零，用萬用表毫伏檔測量不同增益下的Vdos。測量電路如下圖：1、不同增益配置下放大器帶寬的測量：不同增益配置下放大器帶寬是不同的,放大器的增益和帶寬互相矛盾的,增益和帶寬的乘積(GBW)是個常數(shù)。通常放大器數(shù)據(jù)手冊給出的是單位增益帶寬。主要交流指標測量應用意義:選擇放大器時,增益和帶寬要同時考慮。即要滿足放大需求,又要滿足被放大信號頻率要求。測量電路如下圖：調(diào)節(jié)信源使電壓輸出穩(wěn)定在0.5Vp-p的正弦波，僅變化頻率。

2、差分放大器交流共模抑制比CMRR(CMRAC)定義：

Aud差分增益，Auc共模增益應用意義：共模抑制比表征放大器選擇性放大差模電壓，同時抑制共模電壓的能力。

測量AUC電路如下圖：正弦信號同時加在差分放大器的VIneg、VIpos。理論上Vout應該是零，CMRR趨于無窮。但實際由于受到電阻的匹配精度，放大器本身及電路結(jié)構(gòu)因素影響,輸出端會有小幅輸出,且隨輸入信號頻率的增加CMRR會惡化。二、放大的三種基本電路形式信號調(diào)理電路中放大電路的三種基本電路形式（1）直線型（2）平衡型（3）差動型（1）直接型串接、單向、開環(huán)每級都會引入噪聲和干擾，使系統(tǒng)不穩(wěn)定。要求每級對有用信號具有良好的選擇性（外加選擇性電路）。優(yōu)點：簡單缺點：S/N信噪比?。?）平衡型閉環(huán)（負反饋電路）β電路較簡單（電阻分壓器）穩(wěn)定性比直接型高。S/N信噪比（某一頻段內(nèi)）可趨向于無窮大。（3）差動型KKK3y1y2ynnn3xx-x閉環(huán)兩個對稱電路，要求差動對稱性好S/N信噪比大大提高(至少6倍),保證系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定度差放對稱上節(jié)課小結(jié)一.自動檢測系統(tǒng)組成：電源、傳感器、信號處理電路、顯示記錄裝置、傳輸通道等設計步驟：1.系統(tǒng)總體方案設計2.硬件設計3.軟件設計4.系統(tǒng)集成二.常見信號調(diào)理電路1.放大2.濾波3.各類轉(zhuǎn)換4.信號加工1.

放大器基本參數(shù)的測量直流失調(diào)電壓Vos,直流失調(diào)電流閉環(huán)增益Ios(可用Vdos代替),差分放大器的共模抑制比(CMRR),帶寬增益積(GBW)

2.放大的三種基本電路形式(1)直線型(2)平衡型(3)差動型三個運放組成,A3的差動輸入端分別是兩個運放(A1、A2)的同相輸入端,因此輸入阻抗很高。＋－＋－＋－A1U1RWU2A2Rf1Rf2Uo1RRUo2RLA3RiUo三、組合放大電路在調(diào)理電路中的應用測量放大器采用對稱電路結(jié)構(gòu),且被測信號直接加入到輸入端上,從而保證了較強的抑制共模信號的能力。差動跟隨器(其增益近似為1)應用：下圖是什么形式的放大電流電壓轉(zhuǎn)換器，試畫出此類轉(zhuǎn)換器的框圖。若轉(zhuǎn)換系數(shù)A(放大倍數(shù))均為1.5倍，則當輸入電壓為Ui=2.5v時，干擾信號電壓為Un1=Un2=0.1v，Un3=0V,試估求輸出電壓U0。利用改變反饋電阻的辦法來實現(xiàn)量程變換的可變換增益放大器電路。當開關S1閉合,S2和S3斷開時,放大倍數(shù)為:程控增益放大器R3R2R1S3S2S1UoR＋－UiR?選擇不同的開關閉合,即可實現(xiàn)增益的變換。如果利用軟件對開關閉合情況進行選擇,即可實現(xiàn)程控增益變換。當S2閉合,而其余兩個開關斷開時,其放大倍數(shù)為:[訓練任務3]熟悉用于信號調(diào)理的濾波電路濾波通過傳感器獲得的信號中，混淆有許多其他頻率的干擾。由于干擾的存在，有時得到不正確的測量值，有時有用的信號被淹沒在干擾噪聲中。為了突出有用信號，抑制噪聲干擾，我們就要對傳感器獲得的信號進行濾波。濾波的實質(zhì)：對信號頻率進行選擇。完成濾波功能的裝置：濾波器。當信號通過濾波器時,信號中某些頻率成分得以通過,其他頻率成分的信號受到衰減或抑制。濾波器按功能分：1.低通濾波器;2.高通濾波器;3.帶通濾波器;4.帶阻濾波器.從0～f2頻率之間，幅頻特性平直，它可以使信號中低于f2的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而高于f2的頻率成分受到極大地衰減。1)低通濾波器——低頻通過，高頻衰減衰減嚴重與低通濾波相反,從頻率f1～∞，其幅頻特性平直。它使信號中高于f1的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而低于f1的頻率成分將受到極大地衰減。2)高通濾波器——低頻衰減，高頻通過衰減嚴重它的通頻帶在f1～f2之間。它使信號中高于f1而低于f2的頻率成分可以不受衰減地通過，而其它成分受到衰減。3)帶通濾波器——通帶內(nèi)通過，通帶外衰減4)帶阻濾波器——通帶內(nèi)衰減，通帶外通過與帶通濾波相反，阻帶在頻率f1～f2之間。它使信號中高于f1而低于f2的頻率成分受到衰減，其余頻率成分的信號幾乎不受衰減地通過實際濾波器,在通帶和阻帶之間存在一個過渡帶。在過渡帶內(nèi)的頻率成分不會被完全抑制,只會受到不同程度的衰減。當然,希望過渡帶越窄越好,也就是希望對通帶外的頻率成分衰減得越快、越多越好。在測試系統(tǒng)中,常用RC濾波器。因為在檢測領域中,信號頻率通常相對來說不很高。而RC濾波器電路簡單,抗干擾性強,有較好的低頻性能，并且選用標準的阻容元件,所以在工程測試的領域中最經(jīng)常用到的濾波器是RC濾波器。實際測試系統(tǒng)中的常用濾波電路RC低通濾波器的電路及其幅頻、相頻特性如下圖所示。1)一階RC低通濾波器uiuo

RC高通濾波器的電路及其幅頻、相頻特性如下圖所示。

當f很小時,A(f)=0,信號完全被阻擋,不能通過；2)一階RC高通濾波器當f很大時,A(f)=1,信號不受衰減的通過。uiuo帶通濾波器可以看作低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián)，其電路及幅頻、相頻特性如下圖所示。

極低和極高的頻率成分都完全被阻擋,不能通過；只有位于頻率通帶內(nèi)的信號頻率成分能通過。3)RC帶通濾波器uiuo當高、低通兩級串聯(lián)時,應消除兩級耦合時的相互影響,因為后一級成為前一級的“負載”,而前一級又是后一級的信號源內(nèi)阻。實際上兩級間常用射極輸出器或者用運算放大器進行隔離。所以實際的帶通濾波器常常是有源的。有源濾波器由RC調(diào)諧網(wǎng)絡和運算放大器組成。運算放大器既可起級間隔離作用，又可起信號幅值的放大作用。在低通濾波器后面接一個放大器,構(gòu)成有源低通濾波器其增益與時間常數(shù)RC無關實際使用的有源濾波器舉例信號調(diào)理電路中轉(zhuǎn)換電路舉例：（1）A/D轉(zhuǎn)換測量電壓電路（2）R/U、L/U、C/U轉(zhuǎn)換電路（3）電壓/電流、電流/電壓轉(zhuǎn)換電路[訓練任務4]熟悉信號轉(zhuǎn)換電路1、A/D轉(zhuǎn)換測量電壓電路作用：A/D轉(zhuǎn)換器可以說是數(shù)字系統(tǒng)的和現(xiàn)實世界之間的一道門，在系統(tǒng)中是至關重要的，它的功能就是將現(xiàn)實中模擬的連續(xù)的信號經(jīng)采樣、量化及編碼轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字系統(tǒng)能處理的數(shù)字信號。應用：A/D電路基本上是混合集成電路。就是模擬和數(shù)字電路聯(lián)系非常緊密兩部分制作同一塊硅片上，對制作工藝的要求就很高。使用A/D轉(zhuǎn)換器必須了解的概念和幾個參數(shù)。采樣保持：ADC內(nèi)部電路以一定的時間間隔去讀取輸入的模擬電壓,把這個電壓保持在一個電容上,電容上電壓在一個個時間間隔內(nèi)保持不變。采樣開關S的控制信號CPs的頻率

fs≥2fimax

(fimax為輸入信號的最高頻率)這樣就能將采樣保持后的輸入信號不失真地恢復出來。該定理稱為乃奎斯特采樣定理。量化及編碼:根據(jù)采集進來的電壓大小(保持電容上的電壓)用一個數(shù)字信號來表示。輸出碼型可以是二進制原、補碼、八進制、十六進制等。采樣率：也就是采樣時鐘的頻率，也就是A/D轉(zhuǎn)換的速度用SPS(SimplePerSecond)來表示。表示一秒鐘采集數(shù)據(jù)的多少。符合采樣定理：采樣率要大于等于信號中最高頻率分量的兩倍。以下是模擬信號和經(jīng)量化編碼之間的關系：輸入模擬信號a經(jīng)過b采樣量化后輸出c的數(shù)字信號一個簡化的4BitA/D電路系統(tǒng)框圖如下：參考電壓參考電壓：AD轉(zhuǎn)換器總是將輸入的模擬信號和參考電壓進行比對,來確定未知輸入電壓的大小。分辨率：也就是輸出的二進制碼的最大數(shù)。設輸出二進制位寬為n,參考電壓Vref,輸入電壓Vin,輸出二進制記為BIN,則這幾個量滿足關系式輸入到A/D的電壓最大值和參考電壓相同。(S為AD的分辨率)需要掌握的幾點應用：（1）已知模擬輸入信號及要求采樣的分辨率大小，能選取合適的A/D：

分析輸入信號的幅度大小,確定A/D的位寬；求出可以達到的分辨率；

根據(jù)輸入信號的最高頻率,確定A/D的采樣頻率是否可以符合要求。例：已知輸入信號是大小為-3~3V，頻率為1k~100K的交流信號,要求分辨率達到0.07V。問現(xiàn)有位數(shù)為4BIT,最高采樣率為300K的A/D,是否可以使用？若可以,計算該A/D可達到的最佳分辨率。300KHz>2×100KHz（2）已知A/D的位寬、參考電壓，熟練進行模擬信號大小與數(shù)字信號間的換算：

分析輸入信號的最大輸入幅度,確定參考電壓，確定A/D的位數(shù)；求出可以達到的分辨率；

根據(jù)輸入信號大小,確定A/D輸出的數(shù)字編碼；根據(jù)A/D的輸出,求得輸入信號的大小。例：已知輸入信號是大小為0~5V，現(xiàn)有位數(shù)為8BIT的A/D，計算該A/D的分辨率。用萬用表測得輸入電壓大小分別為3V,求A/D顯示；若A/D顯示00101001，求輸入電壓為多少？00101001=1×20+1×23+1×25=41解：(1)(2)(3)=0.82V例：已知輸入信號是大小為-5~5V，現(xiàn)有位數(shù)為8BIT的A/D，計算該A/D的分辨率。用萬用表測得輸入電壓大小分別為3V、-4V，求A/D顯示；A/D顯示00101001，10010011（第一位為符號位），求輸入電壓為多少？00101001=1×20+1×23+1×25=41解：(1)(2)(3)=1.64V=01001101=1010011010010011=-(1×20+1×21+1×24)=-19=-0.76V上節(jié)課小結(jié)常見信號調(diào)理電路1.放大2.濾波3.各類轉(zhuǎn)換4.信號加工1.低通濾波器;2.高通濾波器;3.帶通濾波器;4.帶阻濾波器.2.濾波器常用RC濾波器（1）A/D轉(zhuǎn)換測量電壓電路（2）R/U、L/U、C/U轉(zhuǎn)換電路（3）電壓/電流、電流/電壓轉(zhuǎn)換電路3.各類轉(zhuǎn)換采樣、量化及編碼（1）A/D轉(zhuǎn)換2、R/U轉(zhuǎn)換電路（1）直流電橋轉(zhuǎn)換電路（供電電源為直流電源）作用：將電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化。應用1：作轉(zhuǎn)換元件，如在電橋中接入熱敏電阻、應變電阻片等敏感元件。應用2：作轉(zhuǎn)換電路，如將NTC熱敏電阻接入起溫度補償作用。缺點：對R的精度要求高，同時需要后接相應的運算放大器。(2)交流阻抗電橋轉(zhuǎn)換電路(供電電源為交流電源)作用：將交流阻抗的變化轉(zhuǎn)換成包含了幅度和相位交流電壓信號。應用：作轉(zhuǎn)換電路，如將電感或電容傳感器接入電橋中，通過交流阻抗電橋轉(zhuǎn)換為相應的交流信號的幅度大小。（3）運放組成的R/U轉(zhuǎn)換電路作用：利用反向放大器及外圍電路將電阻變化轉(zhuǎn)換成所需的電壓范圍。應用：在已知電阻變化范圍、后端所需電壓范圍的情況下，調(diào)整起來較方便，應用廣泛。電位器調(diào)節(jié)電位器RADJ就可以調(diào)節(jié)輸出電壓V1

通過A1產(chǎn)生可調(diào)的基準電壓Rx反相放大器反相放大器基準電壓V1若已知Rx和后端電壓Vout范圍，定出V1和RrefRref是參考電阻，R3阻值取很大對測量影響很小3、電流I/U電壓轉(zhuǎn)換電路（1）簡單的I/U轉(zhuǎn)換電路最簡單形式:在電流信號輸出端接一個標準電阻R。

簡單的I/U轉(zhuǎn)換中，標準電阻的阻值相對電流源的內(nèi)阻不能很大，否則容易引起轉(zhuǎn)換誤差。Ix（2）放大器式I/U轉(zhuǎn)換為改善轉(zhuǎn)換誤差情況，采用放大器式結(jié)構(gòu)。

電流Ix應遠大于運放輸入偏置電流，不適合如光電池、光電阻輸出阻抗很高的傳感器。電流源內(nèi)阻（3）T型網(wǎng)絡放大器式I/U轉(zhuǎn)換輸出阻抗很高,近似看成電流數(shù)值極小的電流源,應采用T型網(wǎng)絡組成的微電流放大電路。Ix（4）差動式I/U轉(zhuǎn)換為抑制電流信號的共模干擾,放大器輸入接成差動形式。

為提高轉(zhuǎn)換增益，并具有高的共模抑制比，可采用將幾個運放組合起來的方式進行I/U轉(zhuǎn)換。（5）組合式I/U轉(zhuǎn)換（差動放大器實現(xiàn)I/U轉(zhuǎn)換）2R1（1）負載浮地U/I轉(zhuǎn)換電路為抑制外來雜散電壓信號的干擾，將U信號轉(zhuǎn)換成具有恒流特性的I信號來傳輸。RL兩端不接地(浮地)4.U/I電路輸出電流與負載RL無關,適用于大功率。（2）差動輸入U/I轉(zhuǎn)換電路輸出電流與負載RL無關。掌握頻率和周期的測量方法(P97)實際應用中，對于轉(zhuǎn)速、位移、流量等非電量，先由傳感器轉(zhuǎn)換成脈沖電信號（通常為連續(xù)的脈沖波信號），然后利用單片機采用測量周期或頻率的方法來實現(xiàn)測量。單片機測量頻率和周期，通常利用定時/計數(shù)器來完成，基本的測量方法和原理有兩種：1）測頻法：在限定時間內(nèi)檢測脈沖個數(shù)。2）測周法：測試限定的脈沖個數(shù)之間的時間。兩種方法原理類似，但實際應用時，需要根據(jù)待測頻率范圍、系統(tǒng)時鐘周期、計數(shù)器長度，精度要求進行全面考慮。具體測量時，需要考慮和注意以下幾點：1）系統(tǒng)時鐘：

測量頻率的系統(tǒng)時鐘本身精度要高,一般使用外部晶振系統(tǒng)，不使用單片機內(nèi)部系統(tǒng)時鐘。2）使用定時/計數(shù)器位數(shù)

位數(shù)越長,可產(chǎn)生限定時間越長或限定時間內(nèi)記錄脈沖個數(shù)越多,可以提高測量精度。3）被測頻率范圍

被測頻率最高值不能超過單片機MCU系統(tǒng)時鐘頻率的1/2。被測頻率較低時,采用測周法；被測頻率較高時,采用測頻法。4）軟件中要考慮采用多次測量取平均的算法，減少測量誤差。計數(shù)法測量fAfB倍頻器分頻器

門控

記數(shù)窄脈沖主門t=TA/aT=NtN計數(shù)器門控脈沖T=bTB

×a

÷b圖3.14

計數(shù)法工作原理門控寬脈沖一主門輸入周期為t的計數(shù)窄脈沖另一主門輸入周期為T的門控脈沖。[訓練任務5]掌握計數(shù)法測量頻率和周期的方法t＝TA/a倍頻器(×a)：t0UA分頻器(÷b)：t0UBt0UBT＝bTBt0UA門控：控制主門開、關時間主門：完成計數(shù)的閘門計數(shù)器：計數(shù)、記錄、顯示T＝NtTN四塊電路fAfB倍頻器分頻器

門控記數(shù)窄脈沖主門t=TA/aT=NtN計數(shù)器門控脈沖T=bTB

×a

÷b圖3.14計數(shù)法工作原理門控寬脈沖

×a÷b

門控

寬控開關窄計數(shù)，二入一出經(jīng)主門，越寬越窄高精度。三端口，1、測量頻率fx

放大整形

門控主門

a

b圖3.15測量頻率fx

分頻器fx:被測頻率fxfc:晶震的固有頻率(已知)b:分頻系數(shù)(已知)a:倍頻系數(shù)（已知）bTcTx/afcbTc2、測量周期Tx

倍頻器

門控主門

a

b整形放大器圖3.16

測量周期Tx

TxTx:被測周期fc:晶震的固有頻率(已知)b:分頻系數(shù)(已知)a:倍頻系數(shù)（已知）fcbTxTc/abTx主門的