硬件基礎(chǔ)知識(shí)高效培訓(xùn)常用信號(hào)調(diào)理電路

1、硬件基礎(chǔ)知識(shí)高效培訓(xùn)常用信號(hào)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(shè)計(jì)方法，經(jīng)典應(yīng)用等。隔離電路的分類，器件選型。選頻網(wǎng)絡(luò)的器件分類，以及各自特點(diǎn)，及適用范圍。信號(hào)通道的多路復(fù)用實(shí)現(xiàn)方法，及注意事項(xiàng)。不容類型信號(hào)之間比例轉(zhuǎn)換電路，如電壓電流切換電路。信號(hào)調(diào)理電路在控制系統(tǒng)中的重要性 在整個(gè)智能控制系統(tǒng)中，只有傳感器輸出的信號(hào)是非常微弱，需要重點(diǎn)處理的信號(hào)，它影響著整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，事實(shí)上也是相比數(shù)字電路或者輸出驅(qū)動(dòng)電路而言設(shè)計(jì)難度較大、風(fēng)險(xiǎn)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(hào)，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(hào)調(diào)理電路的

2、重要性是不言而喻的。信號(hào)調(diào)理電路定義 信號(hào)調(diào)理電路的任務(wù)：把傳感器轉(zhuǎn)換的微弱電信號(hào)變換為用于數(shù)據(jù)采集、控制過程、執(zhí)行、計(jì)算、顯示或其他目的的電信號(hào)。模擬傳感器可測量很多物理量，如溫度、壓力、光強(qiáng)、磁場、顏色、氣味等. 但由于大多數(shù)傳感器信號(hào)不能直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，這是因?yàn)閭鞲衅鬏敵鍪窍喈?dāng)小的電壓、電流或電阻變化，因此，在變換為數(shù)字信號(hào)之前必須進(jìn)行調(diào)理。調(diào)理就是放大，緩沖或定標(biāo)模擬信號(hào)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(hào)進(jìn)行數(shù)字化，并把數(shù)字信號(hào)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(hào)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(hào)是正弦波。放大電路放大的本質(zhì)是在輸入信號(hào)的作用下，通過有源元件（BJT或FET）對直流電源的能量進(jìn)行控制和轉(zhuǎn)換，使負(fù)載從電源中獲得輸出信號(hào)的能量，比信號(hào)源向放大電路提供的能量大的多。放大器本身并不會(huì)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(hào)放大器應(yīng)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(diǎn)靜態(tài)工作點(diǎn)： 三極管放大電路中，三極管靜態(tài)工作點(diǎn)就是輸入信號(hào)為零時(shí)，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(gè)確定的點(diǎn)表示，該點(diǎn)習(xí)慣上稱為靜態(tài)工作點(diǎn)Q ，設(shè)置靜態(tài)工作點(diǎn)的目的就是要保證在被放大的交流信號(hào)加入電路時(shí)，不論是正半周還是負(fù)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(guān)系式:工作點(diǎn)穩(wěn)定的必要條件： I1IBQ ，一般取 直流負(fù)反饋愈強(qiáng)，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(diǎn)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(diǎn)設(shè)計(jì)步驟一、根據(jù)設(shè)計(jì)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(hào)放大

5、器，一般?。?ICQ = 0.5mA2mA，VEQ = (0.20.5)VCC 三、計(jì)算發(fā)射極電阻：四、計(jì)算分壓偏置電阻：晶體管放大器性能指標(biāo) 晶體管放大器的主要性能指標(biāo)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(guān)系； ()表示增益的相位與頻率的關(guān)系； 是放大器輸出信號(hào)與輸入信號(hào)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(shè)計(jì)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(jià)格低的特點(diǎn)，廣泛用于電話、手機(jī)、錄音機(jī)、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(shè)置一個(gè)場效應(yīng)管作為阻抗轉(zhuǎn)換器，為此駐極體電容式話筒在工作時(shí)需要直流工作電壓。光敏電阻 光敏電阻是利用物體的導(dǎo)電率會(huì)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(diǎn)： 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(yīng)速度不

7、快 有前歷效應(yīng)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?zé)簟＜揖幼詣?dòng)控制，如自動(dòng)窗簾自動(dòng)門等。報(bào)警控制系統(tǒng)，如煙霧報(bào)警器，電子玩具等等。光敏電阻使用注意事項(xiàng)： 1、不同材質(zhì)的光敏電阻的光譜效應(yīng)曲線不同，靈敏度不同。 2、對光感應(yīng)速度有要求的時(shí)候注意其反應(yīng)時(shí)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(jì)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(yùn)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(shí)際電路時(shí)，一般將實(shí)際運(yùn)放當(dāng)作理想運(yùn)放看待。所謂理想運(yùn)放是指具有如下理想?yún)?shù)的運(yùn)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(yùn)放具有兩個(gè)重要特性：理想運(yùn)放兩個(gè)輸入端的電位相等。因?yàn)閁-U+=UOAod，而Aod ，UO為有限值，故有:U- = U+ 理想運(yùn)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(yùn)放應(yīng)用電路的分析過程，是分析運(yùn)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(gè)概念來概括。所謂虛短，是指

9、對電壓而言，兩個(gè)輸入端是短路的；但對電流而言，兩個(gè)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(fù)反饋 電路特點(diǎn)： 輸入電阻高，輸出電阻小，帶負(fù)載能力強(qiáng)，通常用來做小信號(hào)阻抗轉(zhuǎn)換電路 V-=V+=Vi，所以共模輸入等于輸入信號(hào)，對運(yùn)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(fù)反饋 電路特點(diǎn)： 輸出電阻小，帶負(fù)載能力強(qiáng) ，反相端為虛地，所以共模輸入可視為0，對運(yùn)放共模抑制比要求低 。 差動(dòng)比例運(yùn)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(jì)算出同相滯回比較器

10、的兩個(gè)閾值2、負(fù)向過程負(fù)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(gè)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(yīng)用(a)輸入波形；(b)輸出波形運(yùn)算放大器與比較器區(qū)別 LM324 四運(yùn)算放大器 LM358 雙運(yùn)放 LM339 四電壓比較器 LM393 雙電壓比較器 比較器和運(yùn)放雖然在電路圖上符號(hào)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(jí)，而運(yùn)放翻轉(zhuǎn)速度一般為us數(shù)量級(jí)(特殊的高速運(yùn)放除外)。 2、運(yùn)放可以接入負(fù)反饋電路，而比較器則不能使用負(fù)反饋，雖然比較器也有同相和反相兩個(gè)輸入端，但因?yàn)槠鋬?nèi)部沒有相位補(bǔ)償電路，所以，如果接入負(fù)反饋，電路不能穩(wěn)定工作。內(nèi)部無相位補(bǔ)償電路，這也是比較器比運(yùn)放速度快很多的主要原因。 3、運(yùn)放輸出級(jí)一般采用推挽電路，雙極性輸出。而多數(shù)比較器輸出級(jí)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(yùn)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(hào)隔離 隔離的信號(hào)調(diào)理設(shè)備通過使用變壓器、光或電容性的耦合技術(shù)，無需物理連接即可將信號(hào)從它的源傳輸至測量設(shè)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(hù)了操作人員也保護(hù)了昂貴的測量設(shè)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(dá)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(yīng)管型 。電流放大系數(shù)傳輸比CTR 根據(jù)傳輸信號(hào)的性質(zhì)選擇光耦合的種類，比如數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)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(hào)良好線性隔離傳輸選頻網(wǎng)絡(luò)RC選頻網(wǎng)絡(luò)LC選頻網(wǎng)絡(luò)陶瓷選頻元件聲表面波濾波器RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用都會(huì)受到一定程度的50Hz或60Hz的噪聲（來自于電線或機(jī)械設(shè)備）。大部分信號(hào)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(shè)計(jì)的低通濾波器。選頻網(wǎng)絡(luò) 如上圖所示，RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(luò)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(luò)具有選頻特性 。選頻網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(dāng)信號(hào)角頻率為(2f )時(shí)，回路的阻抗為 串聯(lián)LC諧振電路 當(dāng)=0時(shí)，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(luò) 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(dāng)保持外加信號(hào)的幅值不變而改變其頻率時(shí)，將回路電流值下降為諧振值的時(shí)所對應(yīng)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(luò) 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(dāng)信號(hào)角頻率為時(shí)，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(yīng)用7管超外差式調(diào)幅收音機(jī)電路多路復(fù)用 通過多

16、路復(fù)用技術(shù)，一個(gè)測量系統(tǒng)可以不間斷地將多路信號(hào)傳輸至一個(gè)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?cái)U(kuò)大系統(tǒng)通道數(shù)量。多路復(fù)用對于任何高通道數(shù)的應(yīng)用是十分必要的。模擬開關(guān)：主要是完成信號(hào)鏈路中的信號(hào)切換功能。采用MOS管的開關(guān)方式實(shí)現(xiàn)了對信號(hào)鏈路關(guān)斷或者打開；由于其功能類似于開關(guān)，而用模擬器件的特性實(shí)現(xiàn)，成為模擬開關(guān) 。分類：音頻模擬開關(guān)、視頻模擬開關(guān)、數(shù)字開關(guān)、通用模擬開關(guān)等 。性能指標(biāo)：開關(guān)速度、開關(guān)耐壓、開關(guān)電流、導(dǎo)通電阻、關(guān)斷阻抗等。CD4051模擬開關(guān)CD4051模擬多路轉(zhuǎn)換器CD4052四選一模擬開關(guān)CD40533*2模擬開關(guān)CD40533*2模擬開關(guān)CD40533*2模擬開關(guān)CD4053BTV/AV切換CD4053B雙向模擬開關(guān)電壓電流轉(zhuǎn)換電壓轉(zhuǎn)電流計(jì)算公式：Ua=Ui*R4/R1+Ub*R4/R2帶入具體參數(shù)后：Ui=6.81*(U