电子系统设计与工程实电子系统设计与工程实践践1 1第七章课件第七章课件目录目录天津工业大学天津工业大学27.1 基本运算电路7.2 仪用（仪表）放大器7.3 宽带放大器特点及典型应用（自学）7.4 增益控制放大器7.5 信号整形电路7.6 信号变换电路（自学）7.7 设计实例基于热电阻的温度测量电路的设计引例基于热电阻的温度测量电路天津工业大学天津工业大学3 在工业控制、家用电器等诸多领域都需要获取外部温度信息，从而进行相应的控制，智能测温仪表便是其中的一种典型应用。智能测温仪表可安装在需要进行温度监控的工作现场，实时检测工作现场的温度，将温度信息显示在数码管等显示设备上；当温度超出所设置的正常工作范围时，通过蜂鸣器和报警灯进行报警，并自动控制相关设备采取应急措施；此外还可以输出与温度成正比的420mA电流远传到其它仪表，实现远程控制。该仪表以单片机为核心，包括温度测量电路、显示/键盘输入电路、报警电路、外设控制电路、电压/电流转换电路等。 本例要求设计上述智能测温仪表的温度测量电路，实现0300的温度检测。基于PT100热电阻设计温度转换电路，并对信号进行相关处理，将0300的温度值线性转换为0至接近ADC转换满量程的电压值，并进行消噪处理，从而满足测量灵敏度的要求。本章7.7节给出了该温度测量电路的设计原理和参考电路。 引言引言天津工业大学天津工业大学4信号处理信号放大精密放大宽带放大信号滤波信号整形信号变换方波整形正弦波整形I/V和V/IF/V和V/F7.1 基本运算电路基本运算电路天津工业大学天津工业大学5主要内容1、反相比例放大器2、同相比例放大器3、加法器4、差分放大器7.1 基本运算电路（基本放大器）基本运算电路（基本放大器）天津工业大学天津工业大学6放大器主要参数：放大倍数（增益）及准确性、闭环带宽、输入电阻、输入电压范围、零点漂移、噪声等。1、反相比例放大器 图7.1 反相比例放大电路特点：输出信号极性与输入信号极性相反，输入阻抗较小，通常不用做传感器调理电路的前置放大。 R2=R1/RF 输入电阻：R1 放大倍数：反馈系数： -3dB带宽： 7.1 基本运算电路（基本放大器）基本运算电路（基本放大器）天津工业大学天津工业大学72、同相比例放大器 图7.2 同相比例放大电路特点：输入信号与输出信号同相，输入阻抗大，该电路可用于检测电路的前置放大。 R2=R1/RF 输入电阻：近似运放输入电阻 放大倍数：反馈系数： -3dB带宽： 7.1 基本运算电路（基本放大器）基本运算电路（基本放大器）天津工业大学天津工业大学83、加法器 （1）反相型加法器（2）同相型加法器图7.3 反相型加法运算基本电路图7.4 同相型加法运算基本电路R3=R1/R2/RF Rf/RF=R1/R2 7.1 基本运算电路（基本放大器）基本运算电路（基本放大器）天津工业大学天津工业大学94、差分放大器 图7.6 差分放大器电路若RF=R3、R1=R2： 若RF=R3=R1=R2 ：7.2 仪用（仪表）放大器仪用（仪表）放大器天津工业大学天津工业大学10主要内容7.2.1 三运放仪表放大器7.2.2 集成仪表放大器原理及应用7.2 仪用（仪表）放大器仪用（仪表）放大器天津工业大学天津工业大学117.2.1 三运放仪表放大器1、电路形式及公式 图7.11 三运放仪用放大器电路结构共模抑制比为： 一般取Rf=R，Au3=1，而总增益为：7.2 仪用（仪表）放大器仪用（仪表）放大器天津工业大学天津工业大学127.2.1 三运放仪表放大器2、特点（1）输入端采用同相比例运算电路，因而输入电阻高输入电阻高。（2）共模抑制比大共模抑制比大，尤其是集成仪用放大器，因为采用特殊工艺来保证电路参数的对称性，所以对共模信号的抑制共模信号的抑制能力更强能力更强。（3）可产生高放大倍数高放大倍数，通过调节增益电阻R1来改变电路的电压增益。（4）实现差分输入到单端输出差分输入到单端输出的转换。 7.2 仪用（仪表）放大器仪用（仪表）放大器天津工业大学天津工业大学137.2.1 三运放仪表放大器3、典型电路 图7.12 LM324构成的仪表放大器电路7.2 仪用（仪表）放大器仪用（仪表）放大器天津工业大学天津工业大学147.2.2 集成仪表放大器原理及应用（AD620） AD620的主要技术参数为：（1）增益范围11000倍；（2）电源范围2.318V；（3）失调电压UOS=35125V；（4）失调电流IOS=0.31nA；（5）输入电流IB=0.52nA；（6）输入阻抗10G/2pF；（7）共模抑制比：CMRR=7090dB（G=1）；CMRR=93110dB（G=10）；CMRR=110130dB（G=100）；CMRR=110130dB（G=1000）；（8）小信号-3dB带宽和压摆率：BWG=1=1MHz，BWG=10=80KHz，BWG=100=120KHz，BWG=1000=12KHz，SR=0.751.2V/s；7.2 仪用（仪表）放大器仪用（仪表）放大器天津工业大学天津工业大学157.2.2 集成仪表放大器原理及应用（AD620） 图7.13 AD620引脚图及典型接法 （参考端接地）7.3 宽带放大器特点及典型应用宽带放大器特点及典型应用天津工业大学天津工业大学16 宽带放大器宽带放大器也称高速放大器，指具有较高带宽、能够对高频或射频较高带宽、能够对高频或射频信号进行处理信号进行处理的放大器。 宽带放大器具有频带宽频带宽、建立时间快建立时间快、失真和噪声小失真和噪声小、输出电流大输出电流大、能在低电源电压下工作等良好的性能特点，在高速A/D和D/A转换、调制和解调、模拟视频处理与传输、无线通信等电路中广泛应用。 宽带放大器的设计关键主要在于高速集成运放的选型高速集成运放的选型，对于低速精密放大器的设计一般选用电压反馈型运放，而对于宽带放大器的设计，一般选用电流型运放电流型运放。7.4 增益控制放大器增益控制放大器天津工业大学天津工业大学17主要内容7.4.1 增益控制的一般方法（重点）7.4.2 单片集成增益控制放大器7.4 增益控制放大器增益控制放大器天津工业大学天津工业大学187.4.1 增益控制的一般方法 通常实现增益控制主要有以下方法：（1）控制放大器的反馈系数，（2）利用模拟乘法器，（3）利用集成的可变增益（VGA）或可编程增益（PGA）放大器。1、控制放大器的反馈系数（1）继电器控制反馈系数图7.25 继电器控制反馈网络的增益控制电路优点：（1）继电器接通后，就成为理想的机械接触，信号不论频率高低都可顺利通过；（2）继电器一旦断开，也是理想的开路，具有很好的电路隔离。缺点：（1）继电器体积大，需要额外驱动电路控制继电器；（2）机械动作响应慢；（3）继电器闭合后有接触电阻，影响增益的准确性；（4）在开关闭合或断开期间，易引入噪声。 7.4 增益控制放大器增益控制放大器天津工业大学天津工业大学19（2）模拟开关控制反馈系数 与机械接触的继电器相比，模拟开关具有响应速度快响应速度快、体积小体积小、使用方便等优点。 模拟开关不是一种理想开关：闭合时，闭合时，存在一定的导通电阻Ron（几欧到几百欧）；断开时断开时，存在很小的漏电流（几纳安到几十纳安），即阻断电阻Roff不为无穷大。特别是开关存在一定的分布电容分布电容，当信号频率较高时，即使开关处于阻断状态，信号也会通过分布电容泄漏到输出端。 在使用模拟开关时，对负载电阻及信号频率都会有一定的限制。 7.4 增益控制放大器增益控制放大器天津工业大学天津工业大学20（3）DAC控制反馈系数 用继电器或模拟开关控制增益或幅度，增益步距都很大，分辨率不高。如果要求控制精度高且步距小，则应采用D/A转换器或数控电位器。 图7.27 由D/A转换器构成的增益程控放大器流入运放反馈支路的总电流IF为： 其中，RF为总的反馈电阻。 7.4 增益控制放大器增益控制放大器天津工业大学天津工业大学21（4）数字电位器控制反馈系数 数控电位器比起机械电位器有许多优点，如体积小、可靠性好、可通过程序指令实现可编程电阻调节、精度高。 用数字电位器控制反馈系数的特点：增益分辨率高、精度高、阻值稳定、增益转换速度低，成本高。7.4 增益控制放大器增益控制放大器天津工业大学天津工业大学222、用模拟乘法器实现增益控制 模拟乘法器可实现两信号相乘，即uo=kuxuy。若令uy为输入信号ui，ux为控制电压Uc，则乘法器的输出为：uo=(kUc)ui，从而实现增益的控制。 这种控制方法得到的增益变化范围很宽，有的器件可实现1140dB的增益。 图7.29 AD835实现程控放大基本电路Vo=VAVin W=XY+Z，其中X=X2-X1，Y=Y2-Y1 7.4 增益控制放大器增益控制放大器天津工业大学天津工业大学237.4.2 单片集成增益控制放大器 目前，单片集成增益控制放大器芯片分两大类：一类为可变增益放大器（VGA）；一类为可编程增益放大器（PGA）。 VGA芯片通过外接控制电压或电阻实现增益的调节，可实现增益的连续变化，对控制信号的稳定性要求高； PGA芯片提供增益控制编程接口，可通过输入数字量实现增益的调节，可实现离散的增益变化，增益控制准确，便于与MCU接口。 7.4 增益控制放大器增益控制放大器天津工业大学天津工业大学247.4.2 单片集成增益控制放大器 AD603是一款单通道、宽频带、低噪声、低畸变、高增益精度的VGA芯片，可用于RF/IF系统中的自动增益控制（AGC）电路、视频增益控制、A/D范围扩展和信号测量等系统中。 AD603的基本增益为：G(dB)=40VG+G0，其中，VG是差分输入电压，单位是V，范围为-0.50.5V（有效值），G是增益起点，单位是dB，不同反馈网络的增益起点有所不同。 （a）-10+30dB,90MHz带宽（b）0+40dB,30MHz带宽(c) +10+50dB,9MHz带宽7.5 信号整形电路信号整形电路天津工业大学天津工业大学25主要内容7.5.1 正弦波整形为方波7.5.4 施密特触发器构成的波形整形电路7.5 信号整形电路信号整形电路天津工业大学天津工业大学267.5.1 正弦波整形为方波的电路 将正弦波整形为方波的电路如图7.34（a）所示。它由运放构成的过零比较器构成，当输入信号ui为正弦波时，ui每过零一次，比较器的输出uo将产生一次电压跳变，输入输出波形如图7.34(b)所示，其正负向的正负向的幅值由稳压管的稳压值决定幅值由稳压管的稳压值决定。 (b) 输入、输出波形(a) 由运放构成的过零比较强7.5 信号整形电路信号整形电路天津工业大学天津工业大学277.5.4 施密特触发器构成的波形整形电路1、施密特触发器 图7.40 施密特电路的传输特性2、555构成施密特触发器 555构成施密特触发器电路图555构成施密特触发器波形图7.5 信号整形电路信号整形电路天津工业大学天津工业大学287.5.4 施密特触发器构成的波形整形电路555构成施密特触发器仿真构成施密特触发器仿真仿真电路1（未加阈值控制电压）仿真电路1的仿真波形7.5 信号整形电路信号整形电路天津工业大学天津工业大学297.5.4 施密特触发器构成的波形整形电路555构成施密特触发器仿真构成施密特触发器仿真仿真电路2（加阈值控制电压）仿真电路2的仿真波形7.5 信号整形电路信号整形电路天津工业大学天津工业大学307.5.4 施密特触发器构成的波形整形电路2、施密特触发器在波形变换、整形等方面的应用 （1）波形变换及整形 利用施密特触发器可将输入的三角波变换成矩形波。同样，如果输入的是其它波形，如正弦波，只要输入信号的幅度足够大，就能够将其变成矩形波。图7.42 施密特触发器用于波形变换及整形7.5 信号整形电路信号整形电路天津工业大学天津工业大学317.5.4 施密特触发器构成的波形整形电路2、施密特触发器在波形变换、整形等方面的应用 （2）消除干扰 利用施密特触发器的回差现象，适当地调整正负阈值电压可以消除矩形脉冲经过传输后受到的干扰 图7.43 施密特触发器用于消除干扰7.5 信号整形电路信号整形电路天津工业大学天津工业大学327.5.4 施密特触发器构成的波形整形电路2、施密特触发器在波形变换、整形等方面的应用 （3）鉴别幅度 如图7.44所示，输入为一串幅度不同的脉冲，当脉冲幅度值超过UTH+时输出一个负向的矩形脉冲，而小于UTH+的脉冲不能使电路状态翻转。调节调节UTH+就能够将幅度大于就能够将幅度大于UTH+的脉冲鉴别出来的脉冲鉴别出来。 图7.44 施密特触发器用于鉴别幅度7.6 信号变换电路信号变换电路天津工业大学天津工业大学337.6.1 I/V、V/I变换电路原理及设计实例 在某些测量电路中，测量传感器输出的只是电流信号，而不是电压信号。这时，可以通过运算放大器将电流信号转换成电压信号。 图7.45 电流-电压变换电路由于I-0，有U0=RFIin。 7.6 信号变换电路信号变换电路天津工业大学天津工业大学347.6.1 I/V、V/I变换电路原理及设计实例 应用举例：一个能够将测量传感器输出的420mA的电流信号转换成-10+10V电压信号的电流-电压变换电路如图7.46所示。 图7.46 （420mA）/（-10+10V）电流-电压变换电路7.7 设计实例设计实例基于热电阻的温度测量电基于热电阻的温度测量电路的设计路的设计天津工业大学天津工业大学35设计任务设计任务： 设计一智能测温仪表中使用的温度测量电路，该电路以热电阻为敏感元件进行温度检测，测量温度范围为0300，电路输出与温度成线性关系的电压，送至ADC进行采样，采样频率为200Hz，ADC位数为10bit，参考电压为4.096V。要求设计出完整电路原理图、制作电路实物并调试，测试电路相关的技术参数，整理设计文档，撰写设计报告。 1、题目分析图7.59 热电阻温度测量电路组成框图7.7 设计实例设计实例基于热电阻的温度测量电基于热电阻的温度测量电路的设计路的设计天津工业大学天津工业大学362、测温原理和方案论证、测温原理和方案论证（1）热电阻测温原理 最常用铂电阻按照0时的电阻值（R0）分为10、100和1000等几种，分别称为PT10、PT100、PT1000。 铂电阻阻值与温度T之间的关系呈现非线性，其表达式为： 表7.6 PT100的简化分度表7.7 设计实例设计实例基于热电阻的温度测量电基于热电阻的温度测量电路的设计路的设计天津工业大学天津工业大学372、测温原理和方案论证、测温原理和方案论证（2）测量电路方案论证 当温度变化范围为0300时，根据PT100的简化分度表可知，PT100的电阻变化为100212.05，要实现10bit的分辨率，则最小区分电阻的变化为0.11。 图7.60 恒流源法电阻/电压变换电路原理图图7.61 电桥法电阻/电压变换电路原理图7.7 设计实例设计实例基于热电阻的温度测量电基于热电阻的温度测量电路的设计路的设计天津工业大学天津工业大学383、电路设计、电路设计（1）电阻测量电路）电阻测量电路方案1：恒流源法 图7.62 方案1的电路原理图7.7 设计实例设计实例基于热电阻的温度测量电基于热电阻的温度测量电路的设计路的设计天津工业大学天津工业大学393、电路设计、电路设计（1）电阻测量电路）电阻测量电路方案2：电桥法 图7.63 方案2的电路原理图7.7 设计实例设计实例基于热电阻的温度测量电基于热电阻的温度测量电路的设计路的设计天津工业大学天津工业大学403、电路设计、电路设计（2）抗混叠滤波器电路）抗混叠滤波器电路 放大倍数1V/V；通带截止频率为20Hz；阻带截止频率为fs-fa=200-20=180Hz；阻带衰减为20log（1/1024）=-61dB；为保证通带平坦，选用巴特沃斯逼近方式。 图7.64 FilterPro设计的抗混叠滤波器原理图7.7 设计实例设计实例基于热电阻的温度测量电基于热电阻的温度测量电路的设计路的设计天津工业大学天津工业大学413、电路设计、电路设计（2）抗混叠滤波器电路）抗混叠滤波器电路 仿真结果 图7.65 抗混叠滤波器的仿真电路图7.66 抗混叠滤波器频率特性仿真图 由图7.66可知，在频率为20Hz处，滤波器的放大倍数为0.714倍，下降约3dB；在频率为180Hz处，放大倍数为15310-6倍，下降约76dB，满足阻带衰减要求。 总结总结天津工业大学天津工业大学427.1 基本运算电路（反相、同相、加法、差分反相、同相、加法、差分）7.2 仪用（仪表）放大器（原理及特点原理及特点、AD620）7.3 宽带放大器特点及典型应用（自学）7.4 增益控制放大器（反馈系数控制方法及特点反馈系数控制方法及特点、AD603）7.5 信号整形电路（运放、比较器、555施密特触发器施密特触发器）7.6 信号变换电路（自学，I/V）7.7 设计实例基于热电阻的温度测量电路的设计（设计思想）思考题思考题天津工业大学天津工业大学43增益控制放大器的设计增益控制放大器的设计 要求：应用集成运放设计放大倍数为1、10、100、1000的同相型放大器。信号源内阻为100K，输入信号为-1010mV。 结束！结束！