第三讲：第三讲：信号处理电路信号处理电路1信号转换与调理电路的目的 消除传感器输出信号中包含的干扰 和噪声信号，放大有用信号。 用于驱动显示、记录和控制仪器。 将信号转换到一定范围以便于后续 处理。2主要内容l电桥电路l调制解调电路l滤波电路l放大电路l整流电路l模数转换电路l等等3电桥 电桥：将电阻、电容、电感等参数的变化 转换为电压或电流输出的一种测量电路。 特点：简单可靠，具有很高的精度和灵敏 度，在仪器测量电路中广泛应用。 分类：直流电桥和交流电桥4直流电桥 直流电桥结构形式如右图 R1、R2、R3和R4组成电桥 的4个臂。 在a和c接入直流激励电源 ex，在b和d上输出检测电 压eo。 原理：一个或数个电阻值 变化会引起eo的变化。5eo与电阻值的关系 eo与电阻值的关系如下 电桥的平衡条件：R1R3=R2R4R26直流电桥的连接方式连接方式有半桥单臂、半桥双臂和全桥式，如下图 。半桥单臂 半桥双臂 全桥式7半桥单臂工作原理l对于半桥单臂式，当R1变化R时， eo变为：l实践中常取R1=R2=R3=R4=R0，则l一般R R9桥臂阻值变化对输出电压的影响规律l相邻两桥臂电阻变化引起的输出电压为两桥臂 各阻值变化引起的电压之差；l相对两桥臂电阻变化引起的输出电压为两桥臂 各阻值变化引起的电压之和；l和差特性的应用：连接导线的自动补偿。10 用电桥实现铂电阻 测温非常方便。 半桥单臂电路即可 。 可以剔除直流分量 ，便于放大处理。11直流电桥的特点l采用直流电源作激励电源，电源稳定性高。l输出eo为直流量，可直接用于直流仪表，精度高。l电桥与后接仪表的连接导线不会形成分布参数，对 导线连接的方式要求低。l另外，电桥的平衡电路简单，仅需调节电阻阻值。l缺点：输出为直流量，直流放大电路易受温漂和接 地电位的影响。因此仅适合于静态量的测量。l静态测量和动态测量可互相转换。例如：钢板测厚12交流电桥l交流电桥的结构右图l其激励源是交流信号，桥臂 可以是电阻，也可以是电容 和电感l电桥的平衡条件是： z1z3=z2z4。式中l交流电桥平衡的两个条件： 相对桥臂阻抗模的乘积相等 ；阻抗角的和相等。13交流电桥举例l电容电桥如右图：两个桥臂为 纯电阻，另两个桥臂为电容， R1和R4可视为电容介质损耗的 等效电阻。l平衡条件为：l展开后根据虚实部相等可得其 平衡条件为： R1R3=R2R4 R3C1=R2C414交流电桥举例 电感电桥如右图：两个桥 臂为纯电阻，另两个桥臂 为电感，R1和R4可视为电 感的导线电阻。 同样，可得其平衡条件为 ： R1R3=R2R4 L1R3=L4R215交流电桥的特点l优点：电源频率一般为5k-10kHz，此时电桥的输出 为调制波，工频干扰不易引入电桥线路中；交流放 大电路设计简单，没有零漂问题。l缺点： 影响测量精度的因素较多：元件间的互感耦合、对地 电容、相邻交流电路对电桥的感应影响等。 采用交流电源作激励电源，要求其电压波形和频率必 须具有很好的稳定性，否则会影响电桥的平衡。 电源电压波形畸变时，高次谐波也会导致电桥不平衡 。 电桥的平衡必须满足幅值和阻抗角两个条，调节复杂 。另外，即使是纯电阻电桥，由于导线之间的分布电容也 会影响到电桥的平衡。 16调制与解调 调制：利用某种信号来控制或改变高频振荡 信号的某个参数（幅值、频率或相位）的过 程。 分类：调幅（被控制量是高频振荡信号的幅 值）、调频和调相。 控制高频信号的低频信号称为调制波；载送 低频信号的高频信号称为载玻；经过调制的 载玻称为已调制波。为何要进行调制处理？17调制的意义 某些传感器变换后得到的信号为低频信 号，直接进行直流放大会带来零漂和级 间耦合问题，造成信号失真。 直流信号的传输很容易被干扰。 防止所发射的信号间的串扰。主要是无 线广播或数据服务信号。18滤波与整流 滤波：抑制或衰减 不需要的部分，只 选取信号中需要的 部分。 实现方式：电的、 机械的、气动液压 式等。几种低通滤 波器如右图19 按选频方式分：低通滤波器、高通滤波器、带通 滤波器和带阻滤波器，如下图滤波器的分类20 按信号处理性质分： 模拟滤波器：模拟器件组成 数字滤波器：数字滤波 滤波器的性质分： 无源滤波器：L、C等储能元件构成 有源滤波器：包含运算放大器滤波器的分类21滤波器的特征参数 理想滤波器与实际滤波器的幅频特性如下图 主要特征参数：上下截止频率、带宽、纹波幅度、倍频 程选择性等。Fc1处增益为多少22滤波器的特征参数 截止频率：幅频特性值为A02（3dB）所 对应的频率点，即半功率点。 带宽：上下截止频率之间的频率范围， 又称 3dB带宽。 纹波幅度：通带中幅频特性值的变化值，越 小越好。 倍频程选择性：表示从阻带到通带的过渡带曲 线的倾斜度，等于上截止频率fc2与2fc2之间幅 频特性的衰减值。23几种低通滤波器 几种低通滤波器如右图 ：电器式、机械式、液 压式 以RC电路为例，其输入 输出微分方程为： 传递函数 幅频特性见下页图2425简单的一阶系 统，频率衰减 慢，倍频程选 择性仅为6dB 倍频程。可 通过RC电路级 联方式改善。相频特性为负，何含义？ 倍频程选择性在图上的含义？26多个RC网络的级联 可以提高滤波网络的 阶次，提高衰减速度 。但必须考虑各个环 节之间的负载效应， 可通过运放构成的有 源滤波器解决。RC级联电路27无源滤波器和有源滤波器l直接由R、C、L等构成的滤波器为无源滤波器，其所有 输出能量均来自输入。l优点：结构简单，噪声低，动态范围宽，无需电源。l缺点：倍频程选择性差，级间负载效应严重。l有源滤波器是基于运算放大器的R、C、L调谐网络，需 要电源供电。l优点：参数易于调节，频率范围宽，输入阻抗高输出 阻抗低，利于多级串联。28有源低通滤波器 左图为简单的一阶低通滤波器，其截止频率fc2=1/2RC ，放大倍数K=1+Rf/R1 通过高通网络负反馈也可构成低通滤波器，如右图所示， 截止频率fc2=1/2RfC，低频放大倍数K=Rf/R1。2930高通滤波器 几种高通滤波器如右 图：电器式、机械式 、液压式 以RC电路为例，其输 入输出微分方程为 ： 传递函数 幅频特性、相频特性31整流电路 为了后续电路的处理，有时需要将交流变为直流； 整流检波也需要进行精密整流（一般整流二极管会有 压降），如下图。分析32全波整流电路33放大电路 放大电路的核心部件为运算放大器 运算放大器的主要参数： 输入失调电压 增益带宽积GWB 转换速率 开环增益 输入输出阻抗 共模抑制比 等等34输入失调电压l一个理想的运放，当两输入端加上相同的直流电压和 两输入端短路时，其输出端的直流电压应等于零。但 由于电路参数的不对称性，输出电压并不为零，这就 叫运放的零点偏移或失调。l为了使输出端输出直流电压为零，须在放大器两输入 端间加上一个电压来补偿这种失调。所加电压的大小 就叫该运放的失调电压，用VOS表示。显然VOS越小，说 明运放电路参数的对称性越好。35增益带宽积l增益：用分贝表示的放大倍数20lgAul通频带:衰减小于3dB的频带宽度。l放大电路的中频段电压放大倍数与通频带的乘积，简 称“增益带宽积”，当放大电路及其晶体管确定之 后是一个常数。l要想提高电路的电压放大倍数，必然导致通频带变窄 ；而要想展宽放大电路的通频带，又要以牺牲放大倍 数为代价。这个问题在设计放大电路时必须全面考虑 ，兼顾这两个指标。36转换速率 l运放在大幅度阶跃信号作用下，输出信号所能 达到的最大变化率称为转换速率或摆动率，即 运放工作在大信号时，其输出电压所能达到的 最大变化速率。用SR表示，其单位为V/s。 37输入阻抗l输入阻抗是从放大电路输入端看进去的 等效电阻。l运放的开环输入阻抗Ri是指运放在开环 状态下，输入差模信号时，两输入端之 间的等效阻抗。38输出阻抗 放大电路对其负载而言，相当于信号源，可以 将它等效为戴维南电路，这个戴维南等效电路 的内阻就是输出电阻。 放大电路输出电阻RO的大小决定它带负载的能 力。对输出为电压信号的放大电路，即电压放 大，RO越小，负载电阻RL的变化对输出电压VO 的影响越小。39共模抑制比 l集成运放是一个双端输入、单端输出的高增益 直接耦合放大器。因此，它对共模信号有很强 的抑制能力。电路参数越对称，共模负反馈越 强，则其共模抑制能力越强。运放的共模特性 是通过共模抑制比和共模电压范围来描述的。l将运放的差模电压放大倍数AVD 与共模电压放 大倍数AVC之比称为共模抑制比，用KCMR表示 ，40作业l认真阅读第五章5.1和5.3，理解电桥平衡 的调节方法，和滤波电路截止频率的计 算方法。41稍候，继续稍候，继续 42