第三章信號轉(zhuǎn)換和處理電路ppt課件

1、 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 調(diào)制解調(diào)調(diào)制解調(diào) 放大電路放大電路 信號處理電路信號處理電路 采樣保持采樣保持 濾波電路濾波電路 信號轉(zhuǎn)換電路信號轉(zhuǎn)換電路 U/I轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 邏輯電平轉(zhuǎn)換邏輯電平轉(zhuǎn)換 A/D、D/A轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 U/F、F/U轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換主要內(nèi)容：主要內(nèi)容： 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 信號通常微弱并伴有干擾信號，為剔除干擾信號和提取測信號通常微弱并伴有干擾信號，為剔除干擾信號和提取測試信號中的有用信息，就必須通過濾波、放大、調(diào)制、變試信號中的有用信息，就必須通過濾波、放大、調(diào)制、變換等方法對信號進(jìn)行加工變換，改變信號形式，突出信號換等方法對信號進(jìn)行加工變換，改變信號形式，突出信號中的有用

2、信息成分。中的有用信息成分。傳感器的共同特點(diǎn)是把非電量轉(zhuǎn)換為電量，但電量的形式傳感器的共同特點(diǎn)是把非電量轉(zhuǎn)換為電量，但電量的形式有多種，如電阻、電感、電容、電壓、電流、頻率、相位有多種，如電阻、電感、電容、電壓、電流、頻率、相位等多種形式。當(dāng)傳感器與其他系統(tǒng)相接時(shí)，就必須符合各等多種形式。當(dāng)傳感器與其他系統(tǒng)相接時(shí)，就必須符合各自的要求，因此，還必須對被測信號進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。本自的要求，因此，還必須對被測信號進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換。本章從信號的調(diào)制與解調(diào)、信號放大、信號處理、信號轉(zhuǎn)換章從信號的調(diào)制與解調(diào)、信號放大、信號處理、信號轉(zhuǎn)換等方面介紹信號變換與處理電路。等方面介紹信號變換與處理電路。為什么需要信

3、號轉(zhuǎn)換和處理電路？為什么需要信號轉(zhuǎn)換和處理電路？ 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào) 在測試技術(shù)中，調(diào)制是工程測試信號在傳輸過程中常用的一種調(diào)理在測試技術(shù)中，調(diào)制是工程測試信號在傳輸過程中常用的一種調(diào)理方法，主要是為了解決微弱緩變信號的放大以及信號的傳輸問題。例如，方法，主要是為了解決微弱緩變信號的放大以及信號的傳輸問題。例如，被測物理量，如溫度、位移、力等參數(shù)，經(jīng)過傳感器交換以后，多為低被測物理量，如溫度、位移、力等參數(shù)，經(jīng)過傳感器交換以后，多為低頻緩變的微弱信號，對這樣一類信號，直接送入直流放大器或交流放大頻緩變的微弱信號，對這樣一類信號，直接送入直流放大器或交流放大器放大會(huì)

4、遇到困難，由于，采用級間直接耦合式的直流放大器放大，將器放大會(huì)遇到困難，由于，采用級間直接耦合式的直流放大器放大，將會(huì)受到零點(diǎn)漂移的影響。當(dāng)漂移信號大小接近或超過被測信號時(shí)，經(jīng)過會(huì)受到零點(diǎn)漂移的影響。當(dāng)漂移信號大小接近或超過被測信號時(shí)，經(jīng)過逐級放大后，被測信號會(huì)被零點(diǎn)漂移淹沒。逐級放大后，被測信號會(huì)被零點(diǎn)漂移淹沒。 調(diào)制就是用一個(gè)信號去控制另一個(gè)作為載體的信號，讓后者的某一調(diào)制就是用一個(gè)信號去控制另一個(gè)作為載體的信號，讓后者的某一特征參數(shù)按前者變化。常以一個(gè)高頻正弦信號或脈沖信號作為載體，這特征參數(shù)按前者變化。常以一個(gè)高頻正弦信號或脈沖信號作為載體，這個(gè)載體稱為載波信號。用來改變載波信號的某一

5、參數(shù)，如幅值、頻率、個(gè)載體稱為載波信號。用來改變載波信號的某一參數(shù)，如幅值、頻率、相位的信號稱為調(diào)制信號。經(jīng)過調(diào)制的載波信號叫已調(diào)信號。已調(diào)制信相位的信號稱為調(diào)制信號。經(jīng)過調(diào)制的載波信號叫已調(diào)信號。已調(diào)制信號一般都便于放大和傳輸。從已經(jīng)調(diào)制的信號中提取反映被測量值的測號一般都便于放大和傳輸。從已經(jīng)調(diào)制的信號中提取反映被測量值的測量信號，這一過程稱為解調(diào)，解調(diào)的目的則是為了恢復(fù)原來信號。量信號，這一過程稱為解調(diào)，解調(diào)的目的則是為了恢復(fù)原來信號。 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 調(diào)制分類：調(diào)制分類：在信號調(diào)制中常以一在信號調(diào)制中常以一個(gè)高頻正弦信號作為個(gè)高頻正弦信號作為載波信號。一個(gè)正弦載波信號。一個(gè)

6、正弦信號有幅值、頻率、信號有幅值、頻率、相位三個(gè)參數(shù)，可以相位三個(gè)參數(shù)，可以對這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)對這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)制，分別稱為調(diào)幅、制，分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。調(diào)頻和調(diào)相。 載波、調(diào)制信號及調(diào)幅、調(diào)頻波載波、調(diào)制信號及調(diào)幅、調(diào)頻波 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 一一. 幅值調(diào)制與解調(diào)幅值調(diào)制與解調(diào) 1. 調(diào)幅原理調(diào)幅原理調(diào)幅是將一個(gè)高頻簡諧信號調(diào)幅是將一個(gè)高頻簡諧信號(載波信號載波信號)與測試信號與測試信號(調(diào)制信號調(diào)制信號)相乘，相乘，使載波信號隨測試信號的變化而變化。調(diào)幅的目的是為了便于緩變信使載波信號隨測試信號的變化而變化。調(diào)幅的目的是為了便于緩變信號的放大和傳送。常用的方法是線性調(diào)幅，即

7、讓調(diào)幅波的幅值隨調(diào)制號的放大和傳送。常用的方法是線性調(diào)幅，即讓調(diào)幅波的幅值隨調(diào)制信號信號x按線性規(guī)律變化。調(diào)幅波的表達(dá)式可寫為按線性規(guī)律變化。調(diào)幅波的表達(dá)式可寫為s()cosuxut coswt 載波信號；載波信號； U 偏置電壓；偏置電壓； x 測量信號。測量信號。 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 載波信號載波信號測量信號測量信號足夠大的偏置電壓足夠大的偏置電壓偏置電壓為偏置電壓為0加上偏置電壓，可以直接采用包絡(luò)加上偏置電壓，可以直接采用包絡(luò)檢波，否則，需要相敏檢波檢波，否則，需要相敏檢波 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 調(diào)制原理調(diào)制原理圖3 調(diào)幅過程 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 (a) 偏置電壓足

8、夠大 (b) 偏置電壓不夠大 圖圖4 調(diào)制信號加偏置的調(diào)幅波調(diào)制信號加偏置的調(diào)幅波2. 調(diào)幅波的解調(diào)調(diào)幅波的解調(diào)從已調(diào)信號中檢出調(diào)制信號的過程稱為解調(diào)或檢波，因此解調(diào)的目的是為了恢從已調(diào)信號中檢出調(diào)制信號的過程稱為解調(diào)或檢波，因此解調(diào)的目的是為了恢復(fù)被調(diào)制的信號。為了解調(diào)可以使調(diào)幅波和載波相乘，再通過低通濾波器濾波。復(fù)被調(diào)制的信號。為了解調(diào)可以使調(diào)幅波和載波相乘，再通過低通濾波器濾波。包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波若所加的偏置電壓未能使若所加的偏置電壓未能使信號電壓都在零線的一側(cè)，信號電壓都在零線的一側(cè)，則對調(diào)幅波只是簡單地整則對調(diào)幅波只是簡單地整流就不能恢復(fù)原調(diào)制信號，流就不能恢復(fù)原調(diào)制信號，如圖如圖4(

9、b)所示，這就需要所示，這就需要采用相敏檢波技術(shù)。采用相敏檢波技術(shù)。 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 (a) (b) (c) (d) 圖圖5 包絡(luò)檢波原理包絡(luò)檢波原理1) 包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波是一種對調(diào)幅信號進(jìn)行解調(diào)的方法，其原理是利用二極管所具有包絡(luò)檢波是一種對調(diào)幅信號進(jìn)行解調(diào)的方法，其原理是利用二極管所具有的單向?qū)щ娦阅艿钠骷?，截去調(diào)幅信號的下半部，再用濾波器濾除其高頻的單向?qū)щ娦阅艿钠骷?，截去調(diào)幅信號的下半部，再用濾波器濾除其高頻成分，從而得到按調(diào)幅波包絡(luò)線變化的調(diào)制信號成分，從而得到按調(diào)幅波包絡(luò)線變化的調(diào)制信號(b) 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 包絡(luò)檢波電路圖：包絡(luò)檢波電路圖： 圖6

10、二極管包絡(luò)檢波 圖7 晶體管包絡(luò)檢波 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 2相敏檢波電路圖具體分析詳見第相敏檢波電路圖具體分析詳見第4章）章） 圖8 相敏檢波相敏檢波器相敏檢波器(與濾波器配合與濾波器配合)可以可以將調(diào)幅波還原成原應(yīng)變信號波形，將調(diào)幅波還原成原應(yīng)變信號波形，即起解調(diào)作用。采用相敏檢波時(shí)，即起解調(diào)作用。采用相敏檢波時(shí)，對原信號可不必再加偏置。交變對原信號可不必再加偏置。交變信號在過零線時(shí)符號信號在過零線時(shí)符號(+、)發(fā)生發(fā)生突變，調(diào)幅波的相位突變，調(diào)幅波的相位(與載波比較與載波比較)也相應(yīng)地發(fā)生也相應(yīng)地發(fā)生180的相位跳變。的相位跳變。利用載波信號與之相比，便既能利用載波信號與之相比，便

11、既能反映出原信號的幅值又能反映其反映出原信號的幅值又能反映其極性。極性。載波相載波相位為位為0載波相載波相位為位為180 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 例：動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀是電橋調(diào)幅與例：動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀是電橋調(diào)幅與相敏檢波的典型實(shí)例。如圖相敏檢波的典型實(shí)例。如圖9所示，所示，電橋由振蕩器供給等幅高頻振蕩電電橋由振蕩器供給等幅高頻振蕩電壓，經(jīng)過放大、相敏檢波和濾波取壓，經(jīng)過放大、相敏檢波和濾波取出被測信號。該種電路稱作動(dòng)態(tài)電出被測信號。該種電路稱作動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀，是因?yàn)樗钤缬糜趹?yīng)變阻應(yīng)變儀，是因?yàn)樗钤缬糜趹?yīng)變測量。實(shí)際上電感、電容傳感器所測量。實(shí)際上電感、電容傳感器所接交流電路電橋都采用該種電路

12、。接交流電路電橋都采用該種電路。圖圖9 動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀方框圖動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀方框圖 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 二二. 頻率調(diào)制與解調(diào)頻率調(diào)制與解調(diào) 1. 頻率調(diào)制頻率調(diào)制由于調(diào)頻信號在傳輸過程中不易受到干擾，并且調(diào)頻和調(diào)相也很容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字由于調(diào)頻信號在傳輸過程中不易受到干擾，并且調(diào)頻和調(diào)相也很容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，所以在測量、通信和電子技術(shù)的許多領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用?；栽跍y量、通信和電子技術(shù)的許多領(lǐng)域中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。調(diào)頻就是用調(diào)制信號去控制高頻載波信號的頻率。常用的是線性調(diào)頻，即讓調(diào)調(diào)頻就是用調(diào)制信號去控制高頻載波信號的頻率。常用的是線性調(diào)頻，即讓調(diào)頻信號的頻率按調(diào)制信號的線

13、性函數(shù)變化。頻信號的頻率按調(diào)制信號的線性函數(shù)變化。(a) 鋸齒波調(diào)頻鋸齒波調(diào)頻 (b)正弦波調(diào)頻正弦波調(diào)頻圖圖10 調(diào)頻信號的波形調(diào)頻信號的波形 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 2、調(diào)頻方法、調(diào)頻方法常用的調(diào)頻方法有直接調(diào)頻法、電參數(shù)調(diào)頻法、電壓調(diào)頻等。常用的調(diào)頻方法有直接調(diào)頻法、電參數(shù)調(diào)頻法、電壓調(diào)頻等。直接調(diào)頻法是利用被測參數(shù)的變化直接引起傳感器輸出信號頻率的改變，直接調(diào)頻法是利用被測參數(shù)的變化直接引起傳感器輸出信號頻率的改變，圖圖11所示的就是一個(gè)典型例子，是用于測量力的振弦式傳感器的原理圖，所示的就是一個(gè)典型例子，是用于測量力的振弦式傳感器的原理圖，其中振弦其中振弦3的一端與支撐相連，另一

14、端與膜片的一端與支撐相連，另一端與膜片1相連。在外加激勵(lì)作用下，相連。在外加激勵(lì)作用下，振弦振弦3按固有頻率按固有頻率c振動(dòng)，且振動(dòng)，且c隨張力隨張力FT的變化而變化。振弦的變化而變化。振弦3在磁場在磁場2內(nèi)振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，它就是受張力內(nèi)振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，它就是受張力FT調(diào)制的調(diào)頻信號。調(diào)制的調(diào)頻信號。圖圖11 振弦式調(diào)頻傳感器振弦式調(diào)頻傳感器 圖圖12 電參數(shù)調(diào)頻電路電參數(shù)調(diào)頻電路1膜片；膜片；2磁場；磁場；3振弦；振弦；4支承支承012fLC 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 2. 頻率解調(diào)頻率解調(diào)調(diào)頻波是以正弦波頻率的變化來反映被測信號的幅值變化。因此調(diào)頻波的解調(diào)是調(diào)頻波是以正弦波頻

15、率的變化來反映被測信號的幅值變化。因此調(diào)頻波的解調(diào)是先將調(diào)頻波變化成調(diào)頻調(diào)幅波，然后進(jìn)行幅值檢波。調(diào)頻波的解調(diào)由鑒頻器完成。先將調(diào)頻波變化成調(diào)頻調(diào)幅波，然后進(jìn)行幅值檢波。調(diào)頻波的解調(diào)由鑒頻器完成。通常鑒頻器由線性變換電路與幅值檢波構(gòu)成。通常鑒頻器由線性變換電路與幅值檢波構(gòu)成。下圖所示是一種采用變壓器耦合的諧振回路鑒頻法。也是常用的鑒頻法。下圖所示是一種采用變壓器耦合的諧振回路鑒頻法。也是常用的鑒頻法。11112fLC當(dāng)當(dāng)ef的頻率與的頻率與L1C1構(gòu)成的諧振構(gòu)成的諧振電路的頻率越接近電路的頻率越接近時(shí)，產(chǎn)生諧振，輸時(shí)，產(chǎn)生諧振，輸出電壓越大。從而出電壓越大。從而將頻率轉(zhuǎn)換為電壓。將頻率轉(zhuǎn)換為電

16、壓。 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 信號放大電路信號放大電路 對信號的放大有很多種電路可以實(shí)現(xiàn)，但工程對信號的放大有很多種電路可以實(shí)現(xiàn)，但工程測試中所遇到的信號，多為測試中所遇到的信號，多為100kHz以下的低以下的低頻信號，在大多數(shù)的情況下，都可以用放大器頻信號，在大多數(shù)的情況下，都可以用放大器集成芯片來設(shè)計(jì)放大電路。集成芯片來設(shè)計(jì)放大電路。 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 一一. 基本放大電路參數(shù)計(jì)算參見模擬電路）基本放大電路參數(shù)計(jì)算參見模擬電路） 1. 比例放大器比例放大器反相與同相放大電路是集成運(yùn)算放大器兩種最基本的應(yīng)用電路，許多集成運(yùn)反相與同相放大電路是集成運(yùn)算放大器兩種最基本的應(yīng)用電路，

17、許多集成運(yùn)放的功能電路都是在反相和同相兩種放大電路的基礎(chǔ)上組合和演變而來的。放的功能電路都是在反相和同相兩種放大電路的基礎(chǔ)上組合和演變而來的。 ffrRAR 1) 反向比例放大器反向比例放大器反饋電阻反饋電阻Rf值不能太大，否則會(huì)產(chǎn)生較大值不能太大，否則會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲及漂移，一般為幾十千歐至幾百千的噪聲及漂移，一般為幾十千歐至幾百千歐。歐。Rr的取值應(yīng)遠(yuǎn)大于信號源的取值應(yīng)遠(yuǎn)大于信號源Ui的內(nèi)阻。的內(nèi)阻。(放大倍數(shù)小，噪聲大，輸入阻抗小放大倍數(shù)小，噪聲大，輸入阻抗小)Rr 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 高輸入阻抗反相放大器高輸入阻抗反相放大器A提供補(bǔ)償電流，減小提供補(bǔ)償電流，減小A從信號源吸從信

18、號源吸取的電流，可以大幅度地提高主放大取的電流，可以大幅度地提高主放大器的等效輸入阻抗器的等效輸入阻抗RinirinirVR RRIRR輸入阻抗輸入阻抗上式表明：只要上式表明：只要R稍大于稍大于Rr，就能獲，就能獲得很高的輸入阻抗，可高達(dá)得很高的輸入阻抗，可高達(dá)100M。但但R絕對不能小于絕對不能小于Rr，否則輸入阻抗為，否則輸入阻抗為負(fù)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重自激。負(fù)，會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重自激。改進(jìn)電路：改進(jìn)電路： 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 輸入阻抗輸入阻抗iR 輸出阻抗輸出阻抗o0R 同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點(diǎn)，廣泛用于前置放大級?？购艿偷奶攸c(diǎn)，廣泛用

19、于前置放大級。Rr2) 同相比例放大器同相比例放大器同相比例放大器電路圖如圖所示：同相比例放大器電路圖如圖所示： 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 22f1P21RRARR3) 差動(dòng)比例放大器差動(dòng)比例放大器由于差動(dòng)放大器具有雙端輸入單端輸出、共模抑制比較高的由于差動(dòng)放大器具有雙端輸入單端輸出、共模抑制比較高的特點(diǎn)，通常用作傳感放大器或測量儀器的前端放大器。特點(diǎn)，通常用作傳感放大器或測量儀器的前端放大器。 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 2. 電橋放大器電橋放大器如電阻傳感器、電感傳感器、電容傳感器等都是通過電橋的方式，將被如電阻傳感器、電感傳感器、電容傳感器等都是通過電橋的方式，將被測非電量轉(zhuǎn)換成電壓或

20、電流信號，并用放大器作進(jìn)一步放大，所以電橋測非電量轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號，并用放大器作進(jìn)一步放大，所以電橋放大器是非電量測試系統(tǒng)中常見的一種放大電路。放大器是非電量測試系統(tǒng)中常見的一種放大電路。RfRfo111/ 1/2144VRVRVRR輸入信號輸入信號與輸出電與輸出電壓壓V0之間為近似線之間為近似線性：非線性性：非線性 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 電橋電路放大器的改進(jìn)電路電橋電路放大器的改進(jìn)電路圖圖20 線性放大式電橋放大器線性放大式電橋放大器前述的電橋放大器中，只有當(dāng)前述的電橋放大器中，只有當(dāng)很小很小時(shí)時(shí) 與與才成線性關(guān)系。當(dāng)才成線性關(guān)系。當(dāng)很大時(shí)，很大時(shí)，非線性就很明顯，以致給實(shí)際測量非

21、線性就很明顯，以致給實(shí)際測量帶來不便。圖帶來不便。圖3.20采用負(fù)反饋技術(shù)，采用負(fù)反饋技術(shù)，能使能使在很大范圍內(nèi)變化時(shí)，電路輸在很大范圍內(nèi)變化時(shí)，電路輸出電壓的非線性偏差保持在出電壓的非線性偏差保持在0.1%以以內(nèi)。內(nèi)。oVfo2(1)2RURVR 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 其中電容其中電容C1、C2及及C3為隔直電容，因此交流為隔直電容，因此交流電壓放大器無直流增益電壓放大器無直流增益11URAR f3、交流放大器、交流放大器 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 二二. 測量放大電路測量放大電路 在精密測量和控制系統(tǒng)中，需要把來自各種傳感器的電信號在共在精密測量和控制系統(tǒng)中，需要把來自各種傳感器的

22、電信號在共模條件下按一定的倍數(shù)精確地放大，這些電信號往往是微弱的差模條件下按一定的倍數(shù)精確地放大，這些電信號往往是微弱的差值信號，這就要求放大電路具有很大的共模抑制比，極高的輸入值信號，這就要求放大電路具有很大的共模抑制比，極高的輸入電阻，放大倍數(shù)能在大范圍內(nèi)可調(diào)，且誤差小、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，電阻，放大倍數(shù)能在大范圍內(nèi)可調(diào)，且誤差小、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，這樣的放大電路稱之為測量放大電路，又稱為精密放大電路或儀這樣的放大電路稱之為測量放大電路，又稱為精密放大電路或儀用放大電路。典型的測量放大電路如圖用放大電路。典型的測量放大電路如圖22所示，圖中所有電阻均所示，圖中所有電阻均采用精密電阻。采用精密電阻

23、。 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 圖圖22 三運(yùn)放結(jié)構(gòu)的測量放大器三運(yùn)放結(jié)構(gòu)的測量放大器該電路具有很高的共模抑該電路具有很高的共模抑制比。只要制比。只要A3的兩輸入端的兩輸入端所接的電阻對稱，所接的電阻對稱，V3和和V6共模成分則可以互相抵共模成分則可以互相抵消。消。CMR2CMR1CMRCMR2CMR1nnA KKKA KK 測量放大電路具有以下的特點(diǎn)：測量放大電路具有以下的特點(diǎn)：(1) 測量放大器是一種帶有精密差動(dòng)電測量放大器是一種帶有精密差動(dòng)電壓增益的器件。壓增益的器件。(2) 具有高輸入阻抗、低輸出阻抗。具有高輸入阻抗、低輸出阻抗。(3) 具有強(qiáng)抗共模干擾能力、低溫漂、具有強(qiáng)抗共模干擾能

24、力、低溫漂、低失調(diào)電壓和高穩(wěn)定增益等特點(diǎn)。低失調(diào)電壓和高穩(wěn)定增益等特點(diǎn)。(4) 在檢測微弱信號的系統(tǒng)中被廣泛用在檢測微弱信號的系統(tǒng)中被廣泛用作前置放大器。作前置放大器。 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 程控增益放大器程控增益放大器(PGA)是自動(dòng)檢測系統(tǒng)和智能儀器中實(shí)現(xiàn)量程增益自是自動(dòng)檢測系統(tǒng)和智能儀器中實(shí)現(xiàn)量程增益自動(dòng)轉(zhuǎn)換和調(diào)整信號電平的重要器件。動(dòng)轉(zhuǎn)換和調(diào)整信號電平的重要器件。程控放大器由運(yùn)算放大器、模擬開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路和電阻網(wǎng)絡(luò)組成。基本程控放大器由運(yùn)算放大器、模擬開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路和電阻網(wǎng)絡(luò)組成。基本形式有同相輸入和反相輸入兩類。形式有同相輸入和反相輸入兩類。三、程控增益放大器三、程控增益放大器f1

25、23RRRfRARR 由、并 聯(lián) 構(gòu) 成T1T/R1003nniiARR為，由 個(gè)電阻串聯(lián)構(gòu)成 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 四四. 隔離放大電路隔離放大電路 隔離放大電路是一種特殊的測量放大電路，隔離放大電路是一種特殊的測量放大電路，其輸入回路與輸出回路之間是電絕緣的，其輸入回路與輸出回路之間是電絕緣的，沒有直接的電耦合，即信號在傳輸過程中沒有直接的電耦合，即信號在傳輸過程中沒有公共的接地端。隔離放大電路主要用沒有公共的接地端。隔離放大電路主要用于便攜式測量儀器和某些測控系統(tǒng)于便攜式測量儀器和某些測控系統(tǒng)(如生物如生物醫(yī)學(xué)人體測量、自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)設(shè)備、工業(yè)過醫(yī)學(xué)人體測量、自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)設(shè)備、工業(yè)過程控

26、制系統(tǒng)等程控制系統(tǒng)等)中，能在噪聲環(huán)境下以高阻中，能在噪聲環(huán)境下以高阻抗、高共模抑制能力傳送信號。抗、高共模抑制能力傳送信號。 在隔離放大器中，信號的耦合方式主要有在隔離放大器中，信號的耦合方式主要有兩種：一種是通過光電耦合，稱為光電耦兩種：一種是通過光電耦合，稱為光電耦合隔離放大器合隔離放大器(如美國如美國 B-B 公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的 ISO100 )；另一種是通過電磁耦合，即經(jīng)過；另一種是通過電磁耦合，即經(jīng)過變壓器傳遞信號，稱為變壓器耦合隔離放變壓器傳遞信號，稱為變壓器耦合隔離放大器大器(如美國如美國 AD 公司生產(chǎn)的公司生產(chǎn)的 AD277 )。圖圖26 隔離放大器的隔離放大器的組成和符

27、號組成和符號 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 光電耦合隔離放大器器光電耦合隔離放大器器光耦構(gòu)成的隔離放大器，其發(fā)光耦構(gòu)成的隔離放大器，其發(fā)光管需要用電流來驅(qū)動(dòng)。當(dāng)輸光管需要用電流來驅(qū)動(dòng)。當(dāng)輸入信號較小時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流也較入信號較小時(shí)，驅(qū)動(dòng)電流也較小，發(fā)出的光微弱到可能不足小，發(fā)出的光微弱到可能不足以被光電管檢測到。這樣在以被光電管檢測到。這樣在Vin=0附近就存在一個(gè)附近就存在一個(gè)死區(qū)死區(qū)。為防止被測信號有可能落在這為防止被測信號有可能落在這一區(qū)間，在信號進(jìn)入隔離放大一區(qū)間，在信號進(jìn)入隔離放大器前應(yīng)由偏置電路將原始信號器前應(yīng)由偏置電路將原始信號抬高，使得綜合之后的信號不抬高，使得綜合之后的信號不可能落

28、在這一區(qū)間?？赡苈湓谶@一區(qū)間。 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 電磁耦合隔離放大器電磁耦合隔離放大器變壓器耦合隔離放大器本身構(gòu)變壓器耦合隔離放大器本身構(gòu)成一個(gè)電磁輻射源。如果周圍成一個(gè)電磁輻射源。如果周圍其它的電路對電磁輻射敏感，其它的電路對電磁輻射敏感，就應(yīng)設(shè)法予以屏蔽。例如就應(yīng)設(shè)法予以屏蔽。例如的振蕩頻率為的振蕩頻率為，公司根據(jù)它的封裝專，公司根據(jù)它的封裝專門為它設(shè)計(jì)了屏蔽罩門為它設(shè)計(jì)了屏蔽罩 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 普通的差動(dòng)放大器和測量放大器，雖然也能抑制共模干擾，但卻普通的差動(dòng)放大器和測量放大器，雖然也能抑制共模干擾，但卻不允許共模電壓高于放大器的電源電壓。而隔離放大器不僅有很不允許

29、共模電壓高于放大器的電源電壓。而隔離放大器不僅有很強(qiáng)的共模抑制能力，而且還能承受上千伏的高共模電壓。因此，強(qiáng)的共模抑制能力，而且還能承受上千伏的高共模電壓。因此，隔離放大器一般用于信號回路具有很高的共模電壓的場合。隔離放大器一般用于信號回路具有很高的共模電壓的場合。隔離放大器的應(yīng)用場合：隔離放大器的應(yīng)用場合： 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 信號處理電路信號處理電路 一一. 采樣保持采樣保持 模擬信號進(jìn)行模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出數(shù)字量，轉(zhuǎn)換時(shí)，從啟動(dòng)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出數(shù)字量，需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間，即需要一定的轉(zhuǎn)換時(shí)間，即A/D轉(zhuǎn)換器的孔徑時(shí)間。在這個(gè)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換器的孔徑時(shí)間。在

30、這個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)，模擬信號要基本保持不變，否則轉(zhuǎn)換精度沒有保證，時(shí)間內(nèi)，模擬信號要基本保持不變，否則轉(zhuǎn)換精度沒有保證，特別是在輸入信號頻率較高時(shí)，會(huì)造成很大的轉(zhuǎn)換誤差。要防特別是在輸入信號頻率較高時(shí)，會(huì)造成很大的轉(zhuǎn)換誤差。要防止這種誤差的產(chǎn)生，必須在止這種誤差的產(chǎn)生，必須在A/D轉(zhuǎn)換開始時(shí)將輸入信號的電平轉(zhuǎn)換開始時(shí)將輸入信號的電平保持住，而在保持住，而在A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后又能跟蹤輸入信號的變化。能完轉(zhuǎn)換結(jié)束后又能跟蹤輸入信號的變化。能完成這種功能的電路叫采樣保持電路，由采樣保持電路構(gòu)成的器成這種功能的電路叫采樣保持電路，由采樣保持電路構(gòu)成的器件叫采樣保持器，采樣保持器在保持階段相當(dāng)于一個(gè)件叫采樣保

31、持器，采樣保持器在保持階段相當(dāng)于一個(gè)“模擬信模擬信號存儲(chǔ)器號存儲(chǔ)器”。 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 采樣保持器是一種具有信號輸入、信號采樣保持器是一種具有信號輸入、信號輸出以及由外部指令控制的模擬門電路。輸出以及由外部指令控制的模擬門電路。它主要由模擬開關(guān)它主要由模擬開關(guān)K、電容、電容CH和緩沖放和緩沖放大器大器A組成組成.常用采樣保持器有常用采樣保持器有AD582、LF398等。等。采樣保持器的工作原理采樣保持器的工作原理 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 采樣跟蹤的時(shí)候，要求滿足采樣跟蹤的時(shí)候，要求滿足“奈奎斯特抽樣定理即采樣頻率奈奎斯特抽樣定理即采樣頻率至少為信號最高頻率的至少為信號最高頻率的

32、2倍。否則產(chǎn)倍。否則產(chǎn)生頻譜混疊。生頻譜混疊。奈奎斯特抽樣定理奈奎斯特抽樣定理 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 二二. 濾波電路濾波電路 濾波是將信號中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一濾波是將信號中特定波段頻率濾除的操作，是抑制和防止干擾的一項(xiàng)重要措施。（有模擬濾波器和數(shù)字濾波器之分，這里介紹模擬濾波項(xiàng)重要措施。（有模擬濾波器和數(shù)字濾波器之分，這里介紹模擬濾波器。）器。）1. 濾波器的分類濾波器的分類濾波器的種類繁多，根據(jù)濾波器的選頻作用，一般將濾波器分為四濾波器的種類繁多，根據(jù)濾波器的選頻作用，一般將濾波器分為四類，即低通、高通、帶通和帶阻濾波器；類，即低通、高通、帶通和帶阻濾波器；

33、 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 帶通和帶阻濾波器帶通和帶阻濾波器四種濾波器在通帶與阻帶之間都存在四種濾波器在通帶與阻帶之間都存在一個(gè)過渡帶，其幅頻特性是一條斜線，一個(gè)過渡帶，其幅頻特性是一條斜線，在此頻帶內(nèi)，信號受到不同程度的衰減。在此頻帶內(nèi)，信號受到不同程度的衰減。這個(gè)過渡帶是濾波器所不希望的，但也這個(gè)過渡帶是濾波器所不希望的，但也是不可避免的。是不可避免的。 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 2. 理想濾波器理想濾波器理想濾波器是一個(gè)理想化的模型，在物理上是不能實(shí)現(xiàn)的，對其進(jìn)理想濾波器是一個(gè)理想化的模型，在物理上是不能實(shí)現(xiàn)的，對其進(jìn)行深入了解對掌握濾波器的特性是十分有幫助的。行深入了解對掌握濾波器

34、的特性是十分有幫助的。H()otd1cc()h (t)ottdCtdc理想低通濾理想低通濾波器是不可波器是不可能實(shí)現(xiàn)的，能實(shí)現(xiàn)的，同樣其他理同樣其他理想濾波器也想濾波器也不能實(shí)現(xiàn)，不能實(shí)現(xiàn)，只能逼近理只能逼近理想。想。 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 1) 無源無源RC濾波器濾波器RC濾波器電路簡單，抗干擾性強(qiáng)，濾波器電路簡單，抗干擾性強(qiáng)，有較好的低頻性能，并且選用標(biāo)準(zhǔn)有較好的低頻性能，并且選用標(biāo)準(zhǔn)阻容元件也容易實(shí)現(xiàn)，因此檢測系阻容元件也容易實(shí)現(xiàn)，因此檢測系統(tǒng)中有較多的應(yīng)用。統(tǒng)中有較多的應(yīng)用。(1) 一階一階RC低通濾波器。（二階可低通濾波器。（二階可以串聯(lián)兩個(gè)一階）以串聯(lián)兩個(gè)一階）ooi000d

35、d()()()()1()()1iiuRCuutjwRCUjwUjwUjwUjwH jwUjwjwRC兩邊進(jìn)行傅里葉變換：(w=2 f)3. 實(shí)際濾波器實(shí)際濾波器21( )()1()( )arctan()A wH jwwRCwwRC 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 (2) 一階一階RC高通濾波器。（計(jì)算略）高通濾波器。（計(jì)算略） 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 (3) RC帶通濾波器。帶通濾波器可以看作為低通濾波器和高通濾波器帶通濾波器。帶通濾波器可以看作為低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián)，其電路及其幅頻、相頻特性如圖所示。的串聯(lián)，其電路及其幅頻、相頻特性如圖所示。 1221121( )1( 2)1( 2)

36、fA fff這時(shí)極低和極高的頻率成分這時(shí)極低和極高的頻率成分都完全被阻擋，不能通過，都完全被阻擋，不能通過，只有位于頻率通帶內(nèi)的信號只有位于頻率通帶內(nèi)的信號頻率成分能通過。頻率成分能通過。 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 (4) RC無源帶阻濾波器無源帶阻濾波器222222()1()()41R CjwH jwR CjwRCjw 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 3) 有源濾波器有源濾波器(1) 一階有源濾波器。前面所介紹的一階有源濾波器。前面所介紹的RC調(diào)諧式濾波器僅由電阻、電容等無源調(diào)諧式濾波器僅由電阻、電容等無源元件構(gòu)成，通常稱之為無源濾波器。一階無源濾波器過渡帶衰減緩慢，選擇元件構(gòu)成，通常稱之為無

37、源濾波器。一階無源濾波器過渡帶衰減緩慢，選擇性不佳，雖然可以通過串聯(lián)無源的性不佳，雖然可以通過串聯(lián)無源的RC濾波器，以提高階次，增加在過渡帶濾波器，以提高階次，增加在過渡帶的衰減速度，但受級間耦合的影響，效果是互相削弱的，而且信號的幅值也的衰減速度，但受級間耦合的影響，效果是互相削弱的，而且信號的幅值也將逐漸減弱。為了克服這些缺點(diǎn)，需要采用有源濾波器。將逐漸減弱。為了克服這些缺點(diǎn)，需要采用有源濾波器。有源濾波器采用有源濾波器采用RC網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器組成，其中運(yùn)算放大器是有源器件，網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器組成，其中運(yùn)算放大器是有源器件，既可起到級間隔離作用，又可起到對信號的放大作用，而既可起到級間隔離作

38、用，又可起到對信號的放大作用，而RC網(wǎng)絡(luò)則通常作網(wǎng)絡(luò)則通常作為運(yùn)算放大器的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。為運(yùn)算放大器的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 圖圖43 一階有源低通濾波器一階有源低通濾波器一階有源濾波器雖然在隔離、增益性能一階有源濾波器雖然在隔離、增益性能方面優(yōu)于無源網(wǎng)絡(luò)，但是它仍存在著過方面優(yōu)于無源網(wǎng)絡(luò)，但是它仍存在著過渡帶衰減緩慢的嚴(yán)重弱點(diǎn)，所以就需尋渡帶衰減緩慢的嚴(yán)重弱點(diǎn)，所以就需尋求過渡帶更為陡峭的高階濾波器。求過渡帶更為陡峭的高階濾波器。 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 信號處理電路信號處理電路 (2) 二階有源低通濾波器。多路負(fù)反饋型：二階有源低通濾波器。多路負(fù)反饋型： 它是把濾波網(wǎng)絡(luò)

39、接在運(yùn)算它是把濾波網(wǎng)絡(luò)接在運(yùn)算放大器的反相輸入端，其線路結(jié)構(gòu)如圖放大器的反相輸入端，其線路結(jié)構(gòu)如圖44所示。圖中所示。圖中Y1Y5是各元件是各元件的導(dǎo)納。這是其原型形式，適當(dāng)?shù)貙⒌膶?dǎo)納。這是其原型形式，適當(dāng)?shù)貙1Y5分別用電阻、電容來代替分別用電阻、電容來代替即可組合出二階低通、高通、帶通和帶阻等不同類型的濾波器，如圖即可組合出二階低通、高通、帶通和帶阻等不同類型的濾波器，如圖45所示為多路負(fù)反饋二階低通濾波器。所示為多路負(fù)反饋二階低通濾波器。 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 圖圖44 多路負(fù)反饋型濾波器圖多路負(fù)反饋型濾波器圖 圖圖45 多路負(fù)反饋二階低通濾波器多路負(fù)反饋二階低通濾波器把較為復(fù)雜

40、的把較為復(fù)雜的RC網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)算放大器組合就可以網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)算放大器組合就可以得到二階有源濾波器。這種濾波器有多路負(fù)反饋得到二階有源濾波器。這種濾波器有多路負(fù)反饋型、有限電壓放大型和狀態(tài)變量型等幾種類型。型、有限電壓放大型和狀態(tài)變量型等幾種類型。 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 有限電壓放大型：有限電壓放大型： 有限電壓放大型是將濾波網(wǎng)絡(luò)接在運(yùn)算放大器的有限電壓放大型是將濾波網(wǎng)絡(luò)接在運(yùn)算放大器的同相輸入端，這種電路可以得到較高的輸入阻抗。同相輸入端，這種電路可以得到較高的輸入阻抗。按上述同樣方法，將按上述同樣方法，將Y1Y5分別用電阻、電容代替即可組合出不同的分別用電阻、電容代替即可組合出不同的濾波特性。

41、濾波特性。圖圖46 有限電壓放大型濾波器有限電壓放大型濾波器 圖圖47 有限電壓放大型二階低通濾波器有限電壓放大型二階低通濾波器 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 狀態(tài)變量型：狀態(tài)變量型是許多儀器中常用的一種有源濾波器，它有狀態(tài)變量型：狀態(tài)變量型是許多儀器中常用的一種有源濾波器，它有多種類型的電路。三個(gè)運(yùn)放的輸出多種類型的電路。三個(gè)運(yùn)放的輸出u2、u3、u4分別對輸入信號分別對輸入信號u1提供提供高通、帶通和低通三種輸出，所以常稱這種濾波器為高通、帶通和低通三種輸出，所以常稱這種濾波器為“萬能濾波器萬能濾波器”。而且它還可以通過相應(yīng)的元件參數(shù)調(diào)節(jié)來達(dá)到改變各濾波器參數(shù)的目而且它還可以通過相應(yīng)的元件參

42、數(shù)調(diào)節(jié)來達(dá)到改變各濾波器參數(shù)的目的，使用很方便。的，使用很方便。圖圖48 狀態(tài)變量型有源濾波器狀態(tài)變量型有源濾波器 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 4. 數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器是由數(shù)字乘法器、加法器和延時(shí)單元組成的一種裝置。其功能是對數(shù)字濾波器是由數(shù)字乘法器、加法器和延時(shí)單元組成的一種裝置。其功能是對輸入離散信號的數(shù)字代碼進(jìn)行運(yùn)算處理，以達(dá)到改變信號頻譜的目的。由于電輸入離散信號的數(shù)字代碼進(jìn)行運(yùn)算處理，以達(dá)到改變信號頻譜的目的。由于電子計(jì)算機(jī)技術(shù)和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，數(shù)字濾波器已可用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，子計(jì)算機(jī)技術(shù)和大規(guī)模集成電路的發(fā)展，數(shù)字濾波器已可用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，也可用大規(guī)模集成數(shù)字硬

43、件實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字濾波器是一個(gè)離也可用大規(guī)模集成數(shù)字硬件實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)。數(shù)字濾波器是一個(gè)離 散時(shí)間系統(tǒng)散時(shí)間系統(tǒng)(按預(yù)按預(yù)定的算法，將輸入離散時(shí)間信號轉(zhuǎn)換為所要求的輸出離散時(shí)間信號的特定功能定的算法，將輸入離散時(shí)間信號轉(zhuǎn)換為所要求的輸出離散時(shí)間信號的特定功能裝置裝置)。應(yīng)用數(shù)字濾波器處理模擬信號時(shí)，首先須對輸入模擬信號進(jìn)行限帶、。應(yīng)用數(shù)字濾波器處理模擬信號時(shí)，首先須對輸入模擬信號進(jìn)行限帶、抽樣和抽樣和A/D轉(zhuǎn)換。數(shù)字濾波器輸入信號的抽樣率應(yīng)大于被處理信號帶寬的轉(zhuǎn)換。數(shù)字濾波器輸入信號的抽樣率應(yīng)大于被處理信號帶寬的2倍，倍，其頻率響應(yīng)具有以抽樣頻率為間隔的周期重復(fù)特性，且以折疊頻率即其頻率響應(yīng)具有以抽樣

44、頻率為間隔的周期重復(fù)特性，且以折疊頻率即1/2抽樣抽樣頻率點(diǎn)呈鏡像對稱。為得到模擬信號，數(shù)字濾波器處理的輸出數(shù)字信號須經(jīng)頻率點(diǎn)呈鏡像對稱。為得到模擬信號，數(shù)字濾波器處理的輸出數(shù)字信號須經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、平滑。數(shù)字濾波器具有高精度、高可靠性、可程控改變特性或復(fù)用、轉(zhuǎn)換、平滑。數(shù)字濾波器具有高精度、高可靠性、可程控改變特性或復(fù)用、便于集成等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字濾波器在語言信號處理、圖像信號處理、醫(yī)學(xué)生物信號便于集成等優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字濾波器在語言信號處理、圖像信號處理、醫(yī)學(xué)生物信號處理以及其他應(yīng)用領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)字濾波器有低通、高通、帶通、處理以及其他應(yīng)用領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。數(shù)字濾波器有低通、高通、帶通、帶阻

45、和全通等類型。它可以是時(shí)不變的或時(shí)變的、因果的或非因果的、線性的帶阻和全通等類型。它可以是時(shí)不變的或時(shí)變的、因果的或非因果的、線性的或非線性的。應(yīng)用最廣的是線性、時(shí)不變數(shù)字濾波器。圖或非線性的。應(yīng)用最廣的是線性、時(shí)不變數(shù)字濾波器。圖49所示的是模擬濾波所示的是模擬濾波與數(shù)字濾波這兩種濾波器對階躍輸入的響應(yīng)特性。與數(shù)字濾波這兩種濾波器對階躍輸入的響應(yīng)特性。 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 圖圖49 模擬濾波與數(shù)字濾波對階躍輸入的響應(yīng)特性模擬濾波與數(shù)字濾波對階躍輸入的響應(yīng)特性 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 各種各樣傳感器的共同特點(diǎn)是把非電量轉(zhuǎn)換為電量，但電量的形式有多種，如電阻、各種各樣傳感器的共同特點(diǎn)

46、是把非電量轉(zhuǎn)換為電量，但電量的形式有多種，如電阻、電感、電容、電壓、電流、頻率、相位等多種形式。電感、電容、電壓、電流、頻率、相位等多種形式。變送器是從傳感器發(fā)展而來的，凡是能輸出標(biāo)準(zhǔn)信號的傳感器就稱之為變送器，標(biāo)變送器是從傳感器發(fā)展而來的，凡是能輸出標(biāo)準(zhǔn)信號的傳感器就稱之為變送器，標(biāo)準(zhǔn)信號是指物理量的形式和數(shù)量范圍都符合國際標(biāo)準(zhǔn)的信號。由于直流信號具有不準(zhǔn)信號是指物理量的形式和數(shù)量范圍都符合國際標(biāo)準(zhǔn)的信號。由于直流信號具有不受線路中電感、電容及負(fù)載性質(zhì)的影響，不存在相移問題等優(yōu)點(diǎn)，所以國際電工委受線路中電感、電容及負(fù)載性質(zhì)的影響，不存在相移問題等優(yōu)點(diǎn)，所以國際電工委員會(huì)員會(huì)(IEC)將電流信

47、號將電流信號4mA20mA(DC)和電壓信號和電壓信號1V5V(DC)確定為過程控制系統(tǒng)確定為過程控制系統(tǒng)中模擬信號的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。中模擬信號的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。有了統(tǒng)一的信號形式和數(shù)字范圍，就便于把各種變送器和其他儀表組成檢測系統(tǒng)或有了統(tǒng)一的信號形式和數(shù)字范圍，就便于把各種變送器和其他儀表組成檢測系統(tǒng)或調(diào)節(jié)系統(tǒng)，無論什么儀表或裝置，只要有同樣標(biāo)準(zhǔn)的輸入電路或接口，就可以從各調(diào)節(jié)系統(tǒng)，無論什么儀表或裝置，只要有同樣標(biāo)準(zhǔn)的輸入電路或接口，就可以從各種變送器獲得被測變量的信號。這樣，兼容性和互換性大為提高，儀表的配套也極種變送器獲得被測變量的信號。這樣，兼容性和互換性大為提高，儀表的配套也極為方便。為方便。輸

48、出為非標(biāo)準(zhǔn)信號的傳感器，必須和特定的儀表或裝置相配套，才能實(shí)現(xiàn)檢測或調(diào)輸出為非標(biāo)準(zhǔn)信號的傳感器，必須和特定的儀表或裝置相配套，才能實(shí)現(xiàn)檢測或調(diào)節(jié)功能。為了加強(qiáng)通用性和靈活性，某些傳感器的輸出可以靠相應(yīng)的轉(zhuǎn)換器把非標(biāo)節(jié)功能。為了加強(qiáng)通用性和靈活性，某些傳感器的輸出可以靠相應(yīng)的轉(zhuǎn)換器把非標(biāo)準(zhǔn)信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號，使之與帶有標(biāo)準(zhǔn)信號的輸入電路或接口配套，不同的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)信號轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)信號，使之與帶有標(biāo)準(zhǔn)信號的輸入電路或接口配套，不同的標(biāo)準(zhǔn)信號也可借助相應(yīng)的轉(zhuǎn)換器互相轉(zhuǎn)換。例如信號也可借助相應(yīng)的轉(zhuǎn)換器互相轉(zhuǎn)換。例如4mA20mA與與010mA，1V5V與與4mA20mA，05V與與 010mA等的相互轉(zhuǎn)換。

49、等的相互轉(zhuǎn)換。 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 一一. U/I轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路電壓與電流的相互轉(zhuǎn)換實(shí)質(zhì)上是恒壓源恒流源的相互轉(zhuǎn)換，一般來說，電壓與電流的相互轉(zhuǎn)換實(shí)質(zhì)上是恒壓源恒流源的相互轉(zhuǎn)換，一般來說，恒流源的內(nèi)阻遠(yuǎn)大于負(fù)載電阻，因此，原則上講，將電壓轉(zhuǎn)換為電流恒流源的內(nèi)阻遠(yuǎn)大于負(fù)載電阻，因此，原則上講，將電壓轉(zhuǎn)換為電流必須采用輸出阻抗高的電流負(fù)反饋電路，而將電流轉(zhuǎn)換為電壓則必須必須采用輸出阻抗高的電流負(fù)反饋電路，而將電流轉(zhuǎn)換為電壓則必須采用輸出阻抗低的電壓負(fù)反饋電路。采用輸出阻抗低的電壓負(fù)反饋電路。1. 由運(yùn)放構(gòu)成的電壓由運(yùn)放構(gòu)成的電壓-電流電流(U/I)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路圖圖50(a)所示是一個(gè)

50、簡單的電壓所示是一個(gè)簡單的電壓-電流轉(zhuǎn)換電路。它類似于一個(gè)同相放電流轉(zhuǎn)換電路。它類似于一個(gè)同相放大器，大器，RL的兩端都不接地，利用虛地的概念，可得出輸出電流與電的兩端都不接地，利用虛地的概念，可得出輸出電流與電壓的關(guān)系為壓的關(guān)系為io12viRR調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)R2就可以改變輸入電壓與電流就可以改變輸入電壓與電流之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)。之間的轉(zhuǎn)換系數(shù)。 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 通常所用的運(yùn)放其輸出最大電流約通常所用的運(yùn)放其輸出最大電流約為為20mA，為擴(kuò)大輸出電流，運(yùn)放，為擴(kuò)大輸出電流，運(yùn)放的輸出端可增加一個(gè)三極管驅(qū)動(dòng)電的輸出端可增加一個(gè)三極管驅(qū)動(dòng)電路，如圖路，如圖50(b)所示，它是一個(gè)輸所示，它是一

51、個(gè)輸入為入為01V，輸出為，輸出為010mA的電壓的電壓-電流轉(zhuǎn)換電路。電流轉(zhuǎn)換電路。(b)01V變?yōu)樽優(yōu)?10mA的的U/I轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 目前，國內(nèi)外已經(jīng)生產(chǎn)出傳感器專用的集成電壓目前，國內(nèi)外已經(jīng)生產(chǎn)出傳感器專用的集成電壓-電流變換芯片，常電流變換芯片，常用的電壓用的電壓-電流轉(zhuǎn)換集成電路如電流轉(zhuǎn)換集成電路如AD639、AD694、XTR110、ZF2B20、AM462等，為實(shí)際應(yīng)用帶來了方便。等，為實(shí)際應(yīng)用帶來了方便。 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 常用的邏輯電平有常用的邏輯電平有TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS、ECL、PECL、LVDS、GTL、BTL、ETL、GTLP；R

52、S-232、RS-422、RS-485等。等。當(dāng)兩種不同類型的邏輯電平在同一系統(tǒng)中混合使用時(shí)，由于它們間電當(dāng)兩種不同類型的邏輯電平在同一系統(tǒng)中混合使用時(shí)，由于它們間電平的有效區(qū)間不一致，一般不能直接連接，也就是說，必須進(jìn)行邏輯平的有效區(qū)間不一致，一般不能直接連接，也就是說，必須進(jìn)行邏輯電平轉(zhuǎn)換。電平轉(zhuǎn)換。邏輯電平轉(zhuǎn)換器的類型很多，通常有邏輯電平轉(zhuǎn)換器的類型很多，通常有TTLMOS，MOSTTL，ECLTTL，TTLECL，TTLCMOS，CMOSTTL，TTLHTL，HTLTTL，ECLMOS，MOSECL，TTLRS-232C，RS-232CTTL等。等。電平轉(zhuǎn)換通常具有驅(qū)動(dòng)能力，有時(shí)也稱之

53、為驅(qū)動(dòng)器。電平轉(zhuǎn)換通常具有驅(qū)動(dòng)能力，有時(shí)也稱之為驅(qū)動(dòng)器。二二. 邏輯電平轉(zhuǎn)換邏輯電平轉(zhuǎn)換 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 1. 邏輯電平中幾個(gè)概念的含義邏輯電平中幾個(gè)概念的含義(1) 輸入高電平輸入高電平(VIH)： 保證邏輯門的輸入為高電平時(shí)所允許的最小輸入高電平，當(dāng)輸保證邏輯門的輸入為高電平時(shí)所允許的最小輸入高電平，當(dāng)輸入電平高于入電平高于VIH時(shí)，則認(rèn)為輸入電平為高電平。時(shí)，則認(rèn)為輸入電平為高電平。(2) 輸入低電平輸入低電平(VIL)：保證邏輯門的輸入為低電平時(shí)所允許的最大輸入低電平，當(dāng)輸：保證邏輯門的輸入為低電平時(shí)所允許的最大輸入低電平，當(dāng)輸入電平低于入電平低于VIL時(shí)，則認(rèn)為輸入電平為

54、低電平。時(shí)，則認(rèn)為輸入電平為低電平。 (3) 輸出高電平輸出高電平(VOH)：保證邏輯門的輸出為高電平時(shí)的輸出電平的最小值，邏輯門的：保證邏輯門的輸出為高電平時(shí)的輸出電平的最小值，邏輯門的輸出為高電平時(shí)的電平值都必須大于此輸出為高電平時(shí)的電平值都必須大于此VOH。 (4) 輸出低電平輸出低電平(VOL)：保證邏輯門的輸出為低電平時(shí)的輸出電平的最大值，邏輯門的：保證邏輯門的輸出為低電平時(shí)的輸出電平的最大值，邏輯門的輸出為低電平時(shí)的電平值都必須小于此輸出為低電平時(shí)的電平值都必須小于此VOL。 (5) 閾值電平閾值電平(VT)： 數(shù)字電路芯片都存在一個(gè)閾值電平，就是電路剛剛勉強(qiáng)能翻轉(zhuǎn)動(dòng)數(shù)字電路芯片都

55、存在一個(gè)閾值電平，就是電路剛剛勉強(qiáng)能翻轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)的電平。它是一個(gè)界于作時(shí)的電平。它是一個(gè)界于VIL、VIH之間的電壓值。之間的電壓值。對于對于CMOS電路的閾值電平，基本上是電路的閾值電平，基本上是1/2的電源電壓值，但要保證穩(wěn)定的輸出，則必的電源電壓值，但要保證穩(wěn)定的輸出，則必須要求輸入高電平須要求輸入高電平 VIH，輸入低電平，輸入低電平 VIH VT VIL VOL (6) IOH：邏輯門輸出為高電平時(shí)的負(fù)載電流：邏輯門輸出為高電平時(shí)的負(fù)載電流(為拉電流為拉電流)。 (7) IOL：邏輯門輸出為低電平時(shí)的負(fù)載電流：邏輯門輸出為低電平時(shí)的負(fù)載電流(為灌電流為灌電流)。 (8) IIH：邏輯門

56、輸入為高電平時(shí)的電流：邏輯門輸入為高電平時(shí)的電流(為灌電流為灌電流)。 (9) IIL：邏輯門輸入為低電平時(shí)的電流：邏輯門輸入為低電平時(shí)的電流(為拉電流為拉電流)。 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 2. 常用集成電路輸入輸出端的電平范圍常用集成電路輸入輸出端的電平范圍為了弄清邏輯電平轉(zhuǎn)換原理，首先必須弄清不同集成電路輸入輸出端為了弄清邏輯電平轉(zhuǎn)換原理，首先必須弄清不同集成電路輸入輸出端的電平范圍。由表的電平范圍。由表1和表和表2可見：可見：TTL、CMOS的輸入輸出邏輯電平的的輸入輸出邏輯電平的有效區(qū)間范圍并不完全吻合。有效區(qū)間范圍并不完全吻合。符 號名 稱最 大 值最 小 值VOH輸出高電平5V

57、2.4VVOL輸出低電平0.4V0VVIH輸入高電平5V2.0VVIL輸入低電平0.8V0V表表1 74LSH門的輸入輸出參數(shù)門的輸入輸出參數(shù) 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 表表2 CMOS電路的典型邏輯電平電路的典型邏輯電平符符 號號名名 稱稱電源電壓電源電壓VDD電壓范圍電壓范圍VOH輸出高電平5V10V4.95V5V9.95V10VVOL輸出低電平5V10V00.05V00.05VVIH輸入高電平5V10V3.5V5V7V10VVIL輸入低電平5V10V01.5V03V 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 3. 邏輯電平轉(zhuǎn)換應(yīng)用舉例邏輯電平轉(zhuǎn)換應(yīng)用舉例1) CMOS與晶體管的連接與晶體管的連接利用

58、利用CMOS驅(qū)動(dòng)晶體管，可以達(dá)到驅(qū)動(dòng)較大負(fù)載的功能。如下圖，由驅(qū)動(dòng)晶體管，可以達(dá)到驅(qū)動(dòng)較大負(fù)載的功能。如下圖，由R1，R2提供晶體管提供晶體管VT1的導(dǎo)通電平，利用的導(dǎo)通電平，利用VT2實(shí)現(xiàn)電流放大，從而驅(qū)實(shí)現(xiàn)電流放大，從而驅(qū)動(dòng)負(fù)載動(dòng)負(fù)載RL工作，工作，RL可以是繼電器、顯示燈等器件。可以是繼電器、顯示燈等器件。CMOS與晶體管的連接與晶體管的連接OHBE1BE21BBE1BE22/VVVRIVVR式中，式中，VOH為為CMOS輸出高電平；輸出高電平；VBE1、VBE2為晶體管為晶體管VT1、VT2 B、E極之間的正向壓降，其值通常極之間的正向壓降，其值通常可取可取0.7V；R2是為改善電路開

59、關(guān)性是為改善電路開關(guān)性能而引入的，其值一般取能而引入的，其值一般取4k10k。 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 2) TTLCMOS轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換由于由于TTL電路輸出高電平的規(guī)范值為電路輸出高電平的規(guī)范值為2.4V，在電源電壓為，在電源電壓為5V時(shí)，時(shí)，CMOS電路輸入高電平電路輸入高電平VIH3.5V，這樣就造成了，這樣就造成了TTL與與CMOS電路電路接口上的困難。解決的辦法是在接口上的困難。解決的辦法是在TTL電路輸出端與電源之間接一上拉電路輸出端與電源之間接一上拉電阻電阻R，如下圖。電阻，如下圖。電阻R的取值由的取值由TTL的高電平輸出漏電流的高電平輸出漏電流IOH來決來決定，不同系列的定，不

60、同系列的TTL應(yīng)選用不同的應(yīng)選用不同的R值。一般有：值。一般有： 74系列：系列：4.7kR390 74H系列：系列：4.7kR270 74L系列：系列：27kR1.5k 74S系列：系列：4.7kR270 74LS系列：系列：12kR820TTL和和CMOS電源電壓相同電源電壓相同 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 如果如果CMOS電路的電源電壓高于電路的電源電壓高于TTL電路的電源電壓電路的電源電壓TTLCMOS轉(zhuǎn)換接口轉(zhuǎn)換接口 TTL到到CMOS的電平轉(zhuǎn)換可用的電平轉(zhuǎn)換可用CD4504、 CC40109及及BH017 第三章：信號轉(zhuǎn)換與處理電路 232C接口采用接口采用EIA電平電平 高電平為