模擬電子技術(shù)第7章信號(hào)檢測(cè)與處理電路.ppt

1、7.1 電子系統(tǒng)概述,7 信號(hào)檢測(cè)與處理電路,信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)基本框圖,提取測(cè)信號(hào),放大測(cè)量信號(hào)抑制干擾信號(hào),進(jìn)一步去除無(wú)用信號(hào),聯(lián)系處理系統(tǒng)的橋梁,信號(hào)加工處理系統(tǒng),7.2.1 測(cè)量放大器,應(yīng)用：熱電偶、應(yīng)變電橋、流量計(jì)、生物電測(cè)量等,7.2 信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)中的放大電路,共模抑制比高,輸入抗阻高,常用于測(cè)量直流緩變微弱信號(hào),1. 三運(yùn)放測(cè)量放大器,b. 電阻R3、R4、R5、R6要精密配合（ R3= R5、 R4 =R6）,a. 運(yùn)放A1、A2的特性一致性,對(duì)電路要求：,（1）基本電路圖,由圖可知,（2）電路分析,輸出信號(hào)共模信號(hào)uIc無(wú)關(guān),令,因此，放大器具有很高的抑制共模信號(hào)的能力。,2. 單

2、片集成測(cè)量放大器AD521,集成化的三運(yùn)放測(cè)量放大器。,性能指標(biāo)：,(2) 輸入阻抗3109。,(3) 增益帶寬大于2MHz。,(4) 電壓放大倍數(shù)0.110000。,(5) 電源電壓 (518)V。,(6) 過(guò)載能力較強(qiáng)，動(dòng)態(tài)特性好。,(1) 共模抑制比120dB。,(1) 引腳說(shuō)明,(2) 基本連接方式圖,7.2.2 隔離放大器,特點(diǎn)：,信號(hào)傳遞的主要方式：,電磁耦合，即經(jīng)過(guò)變壓器傳遞信號(hào),光電耦合,輸入回路與輸出回路之間是電絕緣的。,二極管三極管型,1. 光電耦合隔離放大器,光電耦合器原理圖,二極管二極管型,Io,b. 采用負(fù)反饋技術(shù),光電耦合器的特點(diǎn),a.耦合器中的發(fā)光和光敏元件都是非

3、線性器件。,b.非線性器件傳輸模擬信號(hào)將會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真。,克服非線性失真采取的主要措施,a. 給非線性器件施加合適的直流偏置，在小范圍內(nèi)線性傳輸信息。,一種典型的光電耦合隔離放大器,電壓并聯(lián)負(fù)反饋,電壓串聯(lián)負(fù)反饋,電壓并聯(lián)負(fù)反饋,串聯(lián)負(fù)反饋的判斷,電壓串聯(lián)負(fù)反饋,電壓并聯(lián)負(fù)反饋,工作原理,O1、O2特性相同,uCE2,uCE1= uCE2,uCE1,O1、O2特性相同,uO= uCE1,uI= uCE2,uO = uI,uCE2,uCE1= uCE2,uCE1,實(shí)現(xiàn)信號(hào)隔離,實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸,輸入、輸出級(jí)之間是電氣絕緣的,uO = uI,放大器原理圖,2. 變壓器隔離放大器,調(diào) 制,給輸入側(cè)提供能

4、量,兩側(cè)電源獨(dú)立,恢復(fù)原低頻信號(hào),輸入、輸出側(cè)間電氣絕緣,變壓器隔離放大器AD277原理圖和引腳,7.3.1 濾波器的基礎(chǔ)知識(shí),功能：只允許某一部分頻率的信號(hào)順利的通過(guò)。,通帶：能夠通過(guò)信號(hào)的頻率范圍。,阻帶：不能夠通過(guò)信號(hào)的頻率范圍。,截止頻率：通帶和阻帶之間的分界頻率。,7.3 有源濾波器,濾波器的分類,a. 根據(jù)處理的信號(hào)不同,b. 根據(jù)使用的濾波元件不同,數(shù)字濾波器,模擬濾波器,RC型,LC型,RLC型,c. 根據(jù)工作頻率不同,低通濾波器,高通濾波器,帶通濾波器,帶阻濾波器,全通濾波器,理想濾波器的幅頻特性,低通,通 帶,高通,帶阻,帶通,通 帶,通 帶,0.707,實(shí)際低通濾波器的幅

5、頻特性,實(shí)際特性,理想特性,阻帶,過(guò)渡帶,通帶,一階濾波器,二階濾波器,高階濾波器,無(wú)源濾波器,有源濾波器,濾器的階數(shù)越高，性能越好。,組成: 由電阻、電容、電感等無(wú)源器件組成。,體積和重量比較大，電感還會(huì)引起電磁感應(yīng)。,(a) 無(wú)源濾波器,電路簡(jiǎn)單,高頻性能好,工作可靠,通帶信號(hào)有能量損耗,負(fù)載效應(yīng)比較明顯,(b) 有源濾波器：,電路體積小、重量輕,通帶內(nèi)的信號(hào)可以放大,精度高、性能穩(wěn)定、易于調(diào)試,負(fù)載效應(yīng)小,組成：由電阻、電容和有源器件（如集成運(yùn)放）組成,可以多級(jí)相聯(lián)，用低階來(lái)構(gòu)成高階濾波器,通帶范圍小,需要直流電源,適用于低頻、低壓、小功率等場(chǎng)合。,1. 一階低通有源濾波器,7.3.2

6、低通有源濾波器,（1） 電路組成,（2） 電路性能分析,a. 電路的傳遞函數(shù),式中,Z1(s),Z2(s),故,令,濾波器的截止角頻率,濾波器的通帶增益,b. 濾波器的頻率特性,令 s=jw,式中,稱為濾波器的截止頻率,即,因電路的頻率特性與f 的一次方有關(guān),故稱之為一階RC低通有源濾波器,c. 濾波器的幅頻特性,d. 相頻特性,3dB,幅頻特性曲線,-20dB/十倍頻,(3) 一階濾波器特點(diǎn),a. 電路簡(jiǎn)單,b. 過(guò)渡帶輸出的衰減慢，衰減速率20dB /十倍頻,2. 二階有源低通濾波器,(1) 電路組成,(2) 電路分析,a. 電路的傳遞函數(shù),無(wú)限增益多路反饋型,對(duì)節(jié)點(diǎn)1、2列方程得：,對(duì)節(jié)

7、點(diǎn)1,對(duì)節(jié)點(diǎn)2,由上兩式得,其中,電路的品質(zhì)因數(shù),濾波器的特征角頻率,式中,為濾波器的通帶增益,b. 濾波器的頻率特性,令 s=jw,c. 濾波器的幅頻特性,d. 濾波器的相頻特性,e. 幅頻特性分析,當(dāng)n時(shí)，,由式,知,當(dāng)n時(shí)，,電路具有低通濾波器特性,可見品質(zhì)因數(shù)也影響濾波器頻率特性,當(dāng)=n時(shí)，,幅頻特性曲線,這種濾波器稱為切比雪夫（Chebyshev）型濾波器。,a. 特性有峰值。,b. Q值越大，尖峰越高 。,c. 當(dāng) 時(shí)，電路將產(chǎn)生自激振蕩。,d. 過(guò)渡帶衰減速度較快。,c. Q值越小，通帶有衰減衰減嚴(yán)重。,a. 特性無(wú)峰值。,b. 通帶有衰減。,c. 幅頻特性最平坦,a. 無(wú)峰值,

8、b. 通帶內(nèi)的減最小,巴特沃斯（Butterworth）型濾波器的幅頻特性,當(dāng),-40dB/十倍頻,1一階高通有源濾波器,7.3.3 高通有源濾波器,(1) 低通與高通電路的對(duì)偶關(guān)系,b. 電路分析,(2) 一階高通濾波器,a. 高通濾波電路,(a) 傳遞函數(shù),式中,通帶增益,截止角頻率,濾波器的頻率特性,令,(b) 頻率特性,濾波器的截止頻率,(c) 濾波器的幅頻特性,幅頻特性曲線,2二階高通有源濾波器,(1) 電路組成,(2) 電路分析,壓控電壓源型電路,等效虛線內(nèi)的電路,等效電路,對(duì)節(jié)點(diǎn)3、2列方程,節(jié)點(diǎn)3,節(jié)點(diǎn)2,a. 傳遞函數(shù),由以上兩式電路的傳遞函數(shù)為,其中,品質(zhì)因數(shù),通帶增益,特

9、征角頻率,b. 頻率特性,令,c. 幅頻特性,幅頻特性曲線,7.3.4 帶通和帶阻有源濾波器,1 二階帶通有源濾波器,(1) 電路組成,(2) 電路分析,等效虛線內(nèi)的電路,等效電路,對(duì)節(jié)點(diǎn)3、2列方程,節(jié)點(diǎn)3,節(jié)點(diǎn)2,中心頻率,通帶增益,品質(zhì)因數(shù),a. 電路的傳遞函數(shù),得濾波器的頻率特性,c. 頻幅特性,b. 頻率特性,將s=j 代入式,討論：,電路具有帶通特性,由,在截止頻率上,即,求解上式得,d. 通頻帶,故 濾波器的通頻帶寬,可見，Q值越大，通頻帶越窄，選擇性越強(qiáng),帶通濾波器的幅頻特性,2二階帶阻有源濾波器,（1）電路組成,列節(jié)點(diǎn)電壓方程,節(jié)點(diǎn)2,（1）電路分析,a. 傳遞函數(shù),節(jié)點(diǎn)3,

10、節(jié)點(diǎn)4,式中,其中：,故 傳遞函數(shù),得濾波器的頻率特性,將s=j 代入式,b. 頻率特性,c. 濾波器的幅頻特性,討論:,可見電路具有帶阻特性,令,即,解之得截止角頻率,上限,d. 濾波器的阻帶,下限,故 濾波器的阻帶寬為,帶通濾波器的幅頻特性,功能：用來(lái)比較輸入電壓相對(duì)大小的電路。,輸出端的信號(hào)狀態(tài)只有高電平和低電平。,7.4 電壓比較器,被比較的輸入電壓,比較電壓（基準(zhǔn)電壓或參考電平）,工作原理 輸入信號(hào)偏離參考電壓時(shí)，輸出電壓將發(fā)生躍變。,將輸出電壓發(fā)生躍變的現(xiàn)象稱為比較器翻轉(zhuǎn)。,7.4.1 單門限比較器,1. 零電平比較器,(2) 電路特點(diǎn),a. 運(yùn)放工作于開環(huán)狀態(tài),c. 輸出電壓uO

11、VCC,(1) 電路組成,a. 當(dāng) 時(shí)，,b. 當(dāng) 時(shí)，,(3) 工作原理,(4) 傳輸特性,0,理想特性,實(shí)際特性,不靈敏區(qū),(5) 電路存在的問(wèn)題,a. 輸出電壓基本由電源電壓確定。,b. 輸出電平易受電源波動(dòng)、飽和深度的影響。,c. 輸出電平不易改變。,改進(jìn)型的零電平比較器,限流電阻,雙向限幅穩(wěn)壓管,輸入保護(hù)電路,2非零電平比較器,電路簡(jiǎn)單,靈敏度高,抗干擾能力差,比較電壓UR,輸入電壓,輸出電壓,單門限比較器抗干擾性能差的波形圖,7.4.2 多門限比較器,1 遲滯比較器,1）反相輸入遲滯比較器,給電路提供雙極性參考電平,加速輸出翻轉(zhuǎn)過(guò)程,電路引入正反饋,反饋電壓,輸出電壓,a. 工作原

12、理,如果 uI UR,傳輸特性,此時(shí),(b) 當(dāng)uIUR=KUZ時(shí)，,傳輸特性,(c) 當(dāng)uO=-UZ時(shí),如果 uI UR,此時(shí),(d) 當(dāng)uIUR =-KUZ時(shí),只要 uIUR ，,反相輸入遲滯比較器傳輸特性,遲滯比較器的特點(diǎn),(1) 提高了電路抗干擾能力。,(2) 降低了電路的靈敏度,(3) 不能分辨2KUZ 范圍內(nèi)變化的信號(hào)。,不能分辨區(qū),說(shuō)明遲滯比較器抗干擾性能的波形圖,輸入信號(hào),輸出信號(hào),(2) 同相輸入遲滯比較器,a.電路,b.特性分析,由圖可知,根據(jù)比較器的特性，當(dāng) 時(shí)電路翻轉(zhuǎn)。,令,得比較器的翻轉(zhuǎn)電平為,即當(dāng)uI=KUZ時(shí)uO=0,只要,即,傳輸特性,只要,傳輸特性,輸出維持原

13、狀態(tài),傳輸特性,輸出維持原狀態(tài),傳輸特性,同相輸入遲滯比較器傳輸特性,具有逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的特性,c. 特性平移的遲滯比較器,圖中,即,令,得電路的翻轉(zhuǎn)電平為,遲滯回環(huán)沿著坐標(biāo)橫軸平移,傳輸特性,2. 窗口比較器,(1) 電路,D1導(dǎo)通， D2截止,A1輸出高電平，A2輸出低電平。,輸出電壓,2. 工作原理,晶體管T飽和導(dǎo)通,A2輸出高電平,輸出電壓,A1輸出低電平,D1截止， D2導(dǎo)通,晶體管T飽和導(dǎo)通,晶體管T截止,A2輸出低電平,輸出電壓,A1輸出低電平,D1截止， D2截止,用于工業(yè)控制系統(tǒng)，測(cè)量溫度、壓力、液面等的范圍。,窗口比較器的主要應(yīng)用,傳輸特性,LM111系列的封裝形式和引腳排列,

14、7.4.3 集成電壓比較器,LM111系列典型應(yīng)用電路,LM111系列實(shí)現(xiàn)的施密特電路,例1 在圖示電路中，設(shè)各運(yùn)放都具有理想特性。試求：,練習(xí)題,(c) 整個(gè)電路的上、下限截止頻率fH和fL之值。,解 由圖可知，運(yùn)放A1A3構(gòu)成三運(yùn)放測(cè)量放大器，運(yùn)放A4構(gòu)成一階低通濾波器，電容器C2 和負(fù)載RL構(gòu)成高通濾波器。,(a) 寫出uO2與ui的關(guān)系,(b) 電路的中頻電壓放大倍數(shù),所以，Au1=Uo3/Ui=3,(c) 整個(gè)電路的上、下限截止頻率分別為,例2 在圖示電路中，已知穩(wěn)壓管DZ1 、DZ2的擊穿電壓分別為UZ1=3.4V, UZ2=7.4V ,正向壓降皆為UD1= UD2=0.6V ,運(yùn)

15、放A具有理想的特性。畫出uI由-6V變至+6V，再由+6V變至-6V時(shí)電路的電壓傳輸特性曲線。,解 (a) 由圖可知電路的輸出電壓極限值,(b) 運(yùn)放反相輸入端電壓,同相輸入端電壓,當(dāng)輸入電壓uI由-6V 向+6V方向變化時(shí)，如果同相輸入端的電壓u+ 低于UR，輸出電壓uO為Uomin ；,當(dāng)同相輸入端的電壓u+略高于UR時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出電壓uO為Uomax 。,UH=5.3V,設(shè)此時(shí)的輸入電壓為UH,當(dāng)uI由+6V向-6V 方向變化時(shí)，如果u+ 高于UR，輸出電壓uO為Uomax ；,當(dāng)u+略低于UR時(shí)，比較器再次翻轉(zhuǎn)，輸出電壓uO為Uomin 。,設(shè)此時(shí)的輸入電壓為UL,由此可畫出電路

16、的傳輸特性,例3 在圖示電路中，設(shè)運(yùn)算放大器A具有理想的特性，其最大輸出電壓,穩(wěn)壓管 的穩(wěn)定電壓為 ,試畫出電路的電壓傳輸特性曲線。,解 由圖可知，當(dāng)穩(wěn)壓管DZ擊穿后，由于其動(dòng)態(tài)電阻很小，電路引入深度負(fù)反饋。,故運(yùn)放的“虛短” 仍然成立。,電路的輸出電壓,此時(shí)，電阻R3兩端的電壓為,當(dāng) 時(shí)，輸出高電平電壓,當(dāng) 時(shí)，輸出低電平電壓,由于運(yùn)放的同相輸入端電壓,當(dāng) 時(shí)電路的低電平閾值電壓為,即當(dāng) 時(shí)， ；,當(dāng) 時(shí)， ；,由此可畫出電壓傳輸特性。,例4 電路如圖所示，已知集成運(yùn)A1 、A2 的性能理想。,（1） 寫出 與 、 關(guān)系式。,（2） 設(shè)t=0 時(shí)，uO=12V ，uC(0)=0V。當(dāng)uI1=-10V， uI2=0V時(shí)，那么