硬件基礎知識高效培訓常用信號調(diào)理電路

1、硬件基礎知識高效培訓常用信號調(diào)理電路主要涉及內(nèi)容比較放大電路常用器件以及設計方法，經(jīng)典應用等。隔離電路的分類，器件選型。選頻網(wǎng)絡的器件分類，以及各自特點，及適用范圍。信號通道的多路復用實現(xiàn)方法，及注意事項。不容類型信號之間比例轉(zhuǎn)換電路，如電壓電流切換電路。信號調(diào)理電路在控制系統(tǒng)中的重要性 在整個智能控制系統(tǒng)中，只有傳感器輸出的信號是非常微弱，需要重點處理的信號，它影響著整個系統(tǒng)運行的準確性與穩(wěn)定性，事實上也是相比數(shù)字電路或者輸出驅(qū)動電路而言設計難度較大、風險較高的其中一部分，針對不同的傳感器要采用不同的方案來調(diào)理信號，為控制電路提供穩(wěn)定、有效的信息是做好控制系統(tǒng)的前提，所以傳感器信號調(diào)理電路的

2、重要性是不言而喻的。信號調(diào)理電路定義 信號調(diào)理電路的任務：把傳感器轉(zhuǎn)換的微弱電信號變換為用于數(shù)據(jù)采集、控制過程、執(zhí)行、計算、顯示或其他目的的電信號。模擬傳感器可測量很多物理量，如溫度、壓力、光強、磁場、顏色、氣味等. 但由于大多數(shù)傳感器信號不能直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字數(shù)據(jù)，這是因為傳感器輸出是相當小的電壓、電流或電阻變化，因此，在變換為數(shù)字信號之前必須進行調(diào)理。調(diào)理就是放大，緩沖或定標模擬信號等，使其適合于模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)的輸入。然后，ADC對模擬信號進行數(shù)字化，并把數(shù)字信號送到MCU或其他數(shù)字器件，以便用于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理。放大器在信號調(diào)理電路中的最佳位置 在電子電路中，放大的對象是變化量，常用的

3、測試信號是正弦波。放大電路放大的本質(zhì)是在輸入信號的作用下，通過有源元件（BJT或FET）對直流電源的能量進行控制和轉(zhuǎn)換，使負載從電源中獲得輸出信號的能量，比信號源向放大電路提供的能量大的多。放大器本身并不會產(chǎn)生能量。因此，電子電路放大的基本特征是功率放大，表現(xiàn)為輸出電壓大于輸入電壓，輸出電流大于輸入電流，或者二者兼而有之。在放大電路中必須存在能夠控制能量的元件，即有源元件，如BJT和FET等。 由右圖分析可以知道，信號放大器應該盡量放置到傳感器最近的地方，才能保證不容易收到各種干擾，比較容易的提高了信噪比。靜態(tài)工作點靜態(tài)工作點： 三極管放大電路中，三極管靜態(tài)工作點就是輸入信號為零時，電路處于直

4、流工作狀態(tài)，這些電流、電壓的數(shù)值可用BJT特性曲線上一個確定的點表示，該點習慣上稱為靜態(tài)工作點Q ，設置靜態(tài)工作點的目的就是要保證在被放大的交流信號加入電路時，不論是正半周還是負半周都能滿足發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置的三極管放大狀態(tài)。固定偏置三極管共射放大分壓偏置晶體管放大器基本關系式:工作點穩(wěn)定的必要條件： I1IBQ ，一般取 直流負反饋愈強，電路的穩(wěn)定性愈好。所以要求VBQVBE，即VBQ = (510)VBE，一般取 穩(wěn)定靜態(tài)工作點的原理：分壓偏置三極管共射放大晶體管放大器靜態(tài)工作點設計步驟一、根據(jù)設計要求（電壓放大倍數(shù)、輸入輸出電阻、穩(wěn)定性等）選擇合適的三極管。二、對于小信號放大

5、器，一般?。?ICQ = 0.5mA2mA，VEQ = (0.20.5)VCC 三、計算發(fā)射極電阻：四、計算分壓偏置電阻：晶體管放大器性能指標 晶體管放大器的主要性能指標有： 1)電壓放大倍數(shù)Av 2)輸入電阻Ri 3)輸出電阻Ro 4)通頻帶BW式中， RL=RC/RL ； rbe為晶體管輸入電阻，即輸入電阻：輸出電阻：電壓放大倍數(shù)：晶體管放大器通頻帶頻率特性和通頻帶 ： 放大器的頻率特性包括幅頻特性A()和相頻特性()。 A()表示增益的幅度與頻率的關系； ()表示增益的相位與頻率的關系； 是放大器輸出信號與輸入信號間的相位差。 通頻帶 BW = fH fL 式中，fH為放大器的上限頻率，

6、主要受晶體管的結(jié)電容及電路的分布電容的限制；fL為放大器的下限頻率，主要受耦合電容CB、CC及射極旁路電容CE的影響。根據(jù)傳感器及設計需求選擇放大電路駐極體話筒內(nèi)部結(jié)構(gòu) 駐極體話筒具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單、電聲性能好、價格低的特點，廣泛用于電話、手機、錄音機、無線話筒及聲控等電路中。屬于最常用的電容話筒。由于輸入和輸出阻抗很高，所以要在這種話筒外殼內(nèi)設置一個場效應管作為阻抗轉(zhuǎn)換器，為此駐極體電容式話筒在工作時需要直流工作電壓。光敏電阻 光敏電阻是利用物體的導電率會隨著外加光照的影響而改變的性質(zhì)而制作的一種特殊電阻。光敏電阻的特點： 可靠性好 體積小 靈敏度高 光譜特性好 受溫度影響較大 響應速度不

7、快 有前歷效應光敏電阻的適用范圍：戶內(nèi)戶外照明控制系統(tǒng)，如路燈、走廊、室內(nèi)聲光控燈。家居自動控制，如自動窗簾自動門等。報警控制系統(tǒng)，如煙霧報警器，電子玩具等等。光敏電阻使用注意事項： 1、不同材質(zhì)的光敏電阻的光譜效應曲線不同，靈敏度不同。 2、對光感應速度有要求的時候注意其反應時間，以及它的前歷性，溫度影響大的特性，各種因素綜合考慮，計算測試最壞情況是否失效現(xiàn)象發(fā)生等。主要參數(shù)舉例：CdS（硫化鎘）最大電壓(VDC) ：150最大功耗(MW)：50環(huán)境溫度：-30+70光譜峰值(nm)：540亮電阻（10LUX光源下）：8-20 K暗電阻（MIN）/ M：0.5運放比較放大電路 為了突出主要特

8、性，簡化分析過程，在分析實際電路時，一般將實際運放當作理想運放看待。所謂理想運放是指具有如下理想?yún)?shù)的運放：開環(huán)電壓放大倍數(shù) Aod = 輸入電阻 rid = 輸出電阻 ro0頻帶寬度 B共模抑制比CMRR輸入偏置電流 IB1IB20失調(diào)和溫漂等均為零。工作在線性區(qū)域的理想運放具有兩個重要特性：理想運放兩個輸入端的電位相等。因為U-U+=UOAod，而Aod ，UO為有限值，故有:U- = U+ 理想運放的輸入電流為零，這是由于rid = ，所以有：Ii0 這兩條特性大大簡化了運放應用電路的分析過程，是分析運放工作在線性區(qū)域的各種電路的基本依據(jù)，這兩條特性常用虛短這個概念來概括。所謂虛短，是指

9、對電壓而言，兩個輸入端是短路的；但對電流而言，兩個輸入端卻是開路的。同相比例放大器基本電路：電壓串聯(lián)負反饋 電路特點： 輸入電阻高，輸出電阻小，帶負載能力強，通常用來做小信號阻抗轉(zhuǎn)換電路 V-=V+=Vi，所以共模輸入等于輸入信號，對運放的共模 抑制比要求高. 反相比例放大器基本電路 ：電壓并聯(lián)負反饋 電路特點： 輸出電阻小，帶負載能力強 ，反相端為虛地，所以共模輸入可視為0，對運放共模抑制比要求低 。 差動比例運算放大器滯回電壓比較器原理及特性滯回電壓比較器原理及特性 1、正向過程正向過程的閾值為形成電壓傳輸特性的abcd段 3、 利用求閾值的臨界條件和疊加原理方法，不難計算出同相滯回比較器

10、的兩個閾值2、負向過程負向過程的閾值為形成電壓傳輸特性上defa段。由于它與磁滯回線形狀相似，故稱之為滯回電壓比較器。兩個閾值的差值UTH=UTH1UTH2稱為回差。改變R2值可改變回差大小，調(diào)整UR可改變UTH1和UTH2，但不影響回差大小。即滯回比較器的傳輸特性將平行右移或左移，滯回曲線寬度不變。滯回電壓比較器原理及特性比較器的波形變換在抗干擾方面的應用(a)輸入波形；(b)輸出波形運算放大器與比較器區(qū)別 LM324 四運算放大器 LM358 雙運放 LM339 四電壓比較器 LM393 雙電壓比較器 比較器和運放雖然在電路圖上符號相同，但這兩種器件確有非常大 的區(qū)別，一般不可以互換，區(qū)別

11、如下: 1、比較器的翻轉(zhuǎn)速度快，大約在ns數(shù)量級，而運放翻轉(zhuǎn)速度一般為us數(shù)量級(特殊的高速運放除外)。 2、運放可以接入負反饋電路，而比較器則不能使用負反饋，雖然比較器也有同相和反相兩個輸入端，但因為其內(nèi)部沒有相位補償電路，所以，如果接入負反饋，電路不能穩(wěn)定工作。內(nèi)部無相位補償電路，這也是比較器比運放速度快很多的主要原因。 3、運放輸出級一般采用推挽電路，雙極性輸出。而多數(shù)比較器輸出級為集電極開路結(jié)構(gòu)，所以需要上拉電阻，單極性輸出，容易和數(shù)字電路連接 。低壓軌到軌（英文名 Rail-to-Rail）運放LM324LMV324(低壓軌到軌)LM358LMV358(低壓軌到軌)名詞解釋： 由內(nèi)部

12、電路處理之后，輸出電壓可以肥腸接近地或者電源電壓。信號隔離 隔離的信號調(diào)理設備通過使用變壓器、光或電容性的耦合技術，無需物理連接即可將信號從它的源傳輸至測量設備。除了切斷接地回路之外，隔離也阻隔了高電壓浪涌以及較高的共模電壓，從而既保護了操作人員也保護了昂貴的測量設備。光耦合隔離光耦合器件分類： 主要參數(shù) 主要有通用型（又分無基極引線和基極引線兩種）、達林頓型、施密特型、高速型、光集成電路、光纖維、光敏晶閘管型（又分單向晶閘管、雙向晶閘管）、光敏場效應管型 。電流放大系數(shù)傳輸比CTR 根據(jù)傳輸信號的性質(zhì)選擇光耦合的種類，比如數(shù)字信號和模擬信號對光耦合傳輸線性要求差別很大。隔離電壓：發(fā)光管和光敏

13、接收管之間的耐壓值正向電流IF正向電流、反向耐壓等光耦合隔離模擬信號良好線性隔離傳輸選頻網(wǎng)絡RC選頻網(wǎng)絡LC選頻網(wǎng)絡陶瓷選頻元件聲表面波濾波器RC串并聯(lián)網(wǎng)絡的選頻特性 濾波器在一定的頻率范圍內(nèi)去處不希望的噪聲。幾乎所有的數(shù)據(jù)采集應用都會受到一定程度的50Hz或60Hz的噪聲（來自于電線或機械設備）。大部分信號調(diào)理裝置都包括了為最大程度上抑制50Hz或60Hz噪聲而專門設計的低通濾波器。選頻網(wǎng)絡 如上圖所示，RC串并聯(lián)網(wǎng)絡由R2和C2并聯(lián)后與R1和C1串聯(lián)組成。RC串并聯(lián)網(wǎng)絡頻率特性如右圖所示。理論分析可知，若R1=R2=R，C1=C2=C，則RC串并聯(lián)網(wǎng)絡只有在 輸出幅度最大（F=1/3）,而

14、且輸出電壓與輸入電壓同相，因此，RC串并聯(lián)網(wǎng)絡具有選頻特性 。選頻網(wǎng)絡RC橋式振蕩電路RC橋式振蕩電路 VDI,VD2主要作用是使其更容易起振，放大倍數(shù)必須至少大于1。RC振蕩器適用范圍： 低頻的震蕩使用RC選頻只需要使用阻值較大的電阻，不像LC選頻，低頻需要較大電感，造成體積和成本的增加，所以并不需要附加成本。但遺憾的是RC震蕩同樣不能用于高頻振蕩，原因是它的品質(zhì)因數(shù)差，頻率穩(wěn)定度低。選頻網(wǎng)絡串聯(lián)LC諧振回路的阻抗特性串聯(lián)LC諧振回路如右圖所示，圖中，L是電感線圈，r是電感線圈L中的電阻，C為電容。當信號角頻率為(2f )時，回路的阻抗為 串聯(lián)LC諧振電路 當=0時，產(chǎn)生串聯(lián)諧振，感抗與容抗

15、相等，Zs為最?。冸娮鑢），串聯(lián)諧振角頻率0為品質(zhì)因數(shù)Q為：選頻網(wǎng)絡 串聯(lián)LC諧振回路的選擇性 串聯(lián)諧振回路的諧振曲線串聯(lián)諧振回路的諧振曲線如右圖所示。從圖中可見回路的品質(zhì)因數(shù)越高，諧振曲線越尖銳，回路選擇性越好。當保持外加信號的幅值不變而改變其頻率時，將回路電流值下降為諧振值的時所對應的頻率范圍稱回路的通頻帶亦稱回路帶寬，通常用B表示，有：選頻網(wǎng)絡 并聯(lián)LC諧振回路的阻抗特性并聯(lián)LC諧振回路如圖所示，圖中，L是電感線圈，r是電感線圈L中的電阻，C為電容。當信號角頻率為時，回路的阻抗為并聯(lián)LC諧振回路并聯(lián)諧振頻率為：品質(zhì)因數(shù)Q為：LC并聯(lián)諧振典型應用7管超外差式調(diào)幅收音機電路多路復用 通過多

16、路復用技術，一個測量系統(tǒng)可以不間斷地將多路信號傳輸至一個單一的數(shù)字化儀，從而提供了一種節(jié)省成本的方式來極大地擴大系統(tǒng)通道數(shù)量。多路復用對于任何高通道數(shù)的應用是十分必要的。模擬開關：主要是完成信號鏈路中的信號切換功能。采用MOS管的開關方式實現(xiàn)了對信號鏈路關斷或者打開；由于其功能類似于開關，而用模擬器件的特性實現(xiàn)，成為模擬開關 。分類：音頻模擬開關、視頻模擬開關、數(shù)字開關、通用模擬開關等 。性能指標：開關速度、開關耐壓、開關電流、導通電阻、關斷阻抗等。CD4051模擬開關CD4051模擬多路轉(zhuǎn)換器CD4052四選一模擬開關CD40533*2模擬開關CD40533*2模擬開關CD40533*2模擬開關CD4053BTV/AV切換CD4053B雙向模擬開關電壓電流轉(zhuǎn)換電壓轉(zhuǎn)電流計算公式：Ua=Ui*R4/R1+Ub*R4/R2帶入具體參數(shù)后：Ui=6.81*(U