第二章第二章 信号预处理电路信号预处理电路信号放大电路信号放大电路.1 信号预处理调理目的信号预处理调理目的: 对传感器输出的电对传感器输出的电信号预先进行一次处理信号预先进行一次处理(或调理或调理)，以提高信号的，以提高信号的质量，完成归一化。质量，完成归一化。2 信号预处理输出电路输出信号要求信号预处理输出电路输出信号要求（1输出幅度达到国家标准输出幅度达到国家标准 电压电压05V，电流，电流420mA（2限制信号的频率范围限制信号的频率范围 既满足系统性能要求，又可以最大限度降低既满足系统性能要求，又可以最大限度降低对采样保持电路和对采样保持电路和ADC的要求，以优化系统的要求，以优化系统设计。设计。 一一 概概 述述.l信号放大电路：幅度信号放大电路：幅度放大放大l微弱、动态范围不一致微弱、动态范围不一致l滤波电路：频率滤波电路：频率滤波滤波l 各种干扰、采样频率各种干扰、采样频率l其它调理电路其它调理电路校正、补偿、检波、变校正、补偿、检波、变换换3 信号预处理电路的组成信号预处理电路的组成.4 对信号放大电路的基本要求对信号放大电路的基本要求输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；一定的放大倍数和稳定的增益；一定的放大倍数和稳定的增益； 低噪声；低噪声；低输入失调电压和输入失调电流以及低低输入失调电压和输入失调电流以及低漂移；漂移；足够的带宽和转换速率；足够的带宽和转换速率； 高共模输入范围和高共模抑制比；高共模输入范围和高共模抑制比；可调的闭环增益；可调的闭环增益；线性好、精度高；线性好、精度高；成本低。成本低。.集成运放是一种多级直接耦合的高增益放大电路。输集成运放是一种多级直接耦合的高增益放大电路。输入级采用差分放大电路，以提高输入电阻，减小失调入级采用差分放大电路，以提高输入电阻，减小失调电压和偏置电流，提高差模和共模输入电压范围；电压和偏置电流，提高差模和共模输入电压范围； 5 集成运放的输入级采用差放电路集成运放的输入级采用差放电路.直接耦合方式的优缺点直接耦合方式的优缺点 l低频特性比较好：直接耦合既可以放大交低频特性比较好：直接耦合既可以放大交流信号，也可以放大变化缓慢的信号，还流信号，也可以放大变化缓慢的信号，还可以反映信号直流电平的变化。可以反映信号直流电平的变化。l便于集成：电路中没有电容和电感，只有便于集成：电路中没有电容和电感，只有管子和电阻。管子和电阻。l设计、计算和调试不便：因为直接耦合方设计、计算和调试不便：因为直接耦合方式是前后级直接相连，使各级的静态工作式是前后级直接相连，使各级的静态工作点不是独立的，会相互影响。点不是独立的，会相互影响。.零点漂移问题零点漂移问题 电路的输入端短路时，输出电压应为某一电路的输入端短路时，输出电压应为某一初始值初始值( (用正、负电源供电时，一般要求为零用正、负电源供电时，一般要求为零) )，而且应该不变。实际上，随着时间的迁移，输出而且应该不变。实际上，随着时间的迁移，输出电压会偏离初始值而作缓慢的随机的变动。这种电压会偏离初始值而作缓慢的随机的变动。这种现象就叫做零点漂移，简称零漂。现象就叫做零点漂移，简称零漂。.产生零点漂移的原因产生零点漂移的原因 l元件参数变化元件参数变化l电源电压波动电源电压波动l晶体管参数随温度的变化是主要原因晶体管参数随温度的变化是主要原因lUBEUBE、ICBO ICBO 三个参数都与温度有三个参数都与温度有关关.零点漂移问题的严重性及抑制方法零点漂移问题的严重性及抑制方法 l采用恒温措施；采用恒温措施；l采用补偿法，采用热敏元件或二极管等；采用补偿法，采用热敏元件或二极管等；l设计特殊形式的放大电路，用特性相同的两个管设计特殊形式的放大电路，用特性相同的两个管子来提供输出，使它们的零点漂移互相抵消。子来提供输出，使它们的零点漂移互相抵消。l在运算放大器中，广泛采用差动放大电路来抑制在运算放大器中，广泛采用差动放大电路来抑制零漂。零漂。 . 差分放大电路是把两个输入信号分别输入到放大器差分放大电路是把两个输入信号分别输入到放大器差分放大电路是把两个输入信号分别输入到放大器差分放大电路是把两个输入信号分别输入到放大器的同相和反相两个输入端，然后在输出端取出两个的同相和反相两个输入端，然后在输出端取出两个的同相和反相两个输入端，然后在输出端取出两个的同相和反相两个输入端，然后在输出端取出两个信号的差模成分，而尽量抑制两个信号的共模成分。信号的差模成分，而尽量抑制两个信号的共模成分。信号的差模成分，而尽量抑制两个信号的共模成分。信号的差模成分，而尽量抑制两个信号的共模成分。可由晶体管等分立元件构成，也可由集成运放构成。可由晶体管等分立元件构成，也可由集成运放构成。可由晶体管等分立元件构成，也可由集成运放构成。可由晶体管等分立元件构成，也可由集成运放构成。 差分放大电路是集成运放的主要组成单元，其基差分放大电路是集成运放的主要组成单元，其基差分放大电路是集成运放的主要组成单元，其基差分放大电路是集成运放的主要组成单元，其基本特征有本特征有本特征有本特征有2 2个：（个：（个：（个：（1 1对称；（对称；（对称；（对称；（2 2长尾。长尾。长尾。长尾。二二 差分放大电路差分放大电路.电路特点：电路特点：（1） 理想对称电路；理想对称电路；（2共用射极电阻共用射极电阻Re ；（3两输入端、两输出端；两输入端、两输出端；静态时静态时(ui1 = ui1 =0)的特点：的特点：（1VC1 =VC2；（2） uo = 0；四种工作方式四种工作方式双端输入双端输出；双端输入单端输出双端输入双端输出；双端输入单端输出单端输入双端输出；单端输入单端输出单端输入双端输出；单端输入单端输出.1 静态分析静态分析温度温度TICIE = 2ICUEUBEIBIC RE的作用的作用 设设ui1 = ui2 = 0自动稳定自动稳定RE 具有强负反馈作用具有强负反馈作用 抑制温度漂移，稳定静态工作点。抑制温度漂移，稳定静态工作点。. Q点的计算点的计算直流通路直流通路IC1= IC2= IC= IB UC1= UC2= UCCICRC UE1= UE2 =IBRBUBE UCE1= UCE2 = UC1UE1.差模差模差模差模(differential mode)(differential mode)输输输输入入入入ui1 = -ui2= uid / 2共模共模共模共模( common mode) ( common mode) 输入输入输入输入ui1 = ui2 = uiC差模电压差模电压放大倍数放大倍数: :共模电压共模电压放大倍数放大倍数: 2 差放的输入信号分类差放的输入信号分类.任意输入任意输入任意输入任意输入ui1 , ui2 ui1 , ui2 ，都可分解成一对差模分量和共模分，都可分解成一对差模分量和共模分，都可分解成一对差模分量和共模分，都可分解成一对差模分量和共模分量量量量例例: ui1 = 20 mV , ui2 = 10 mV那么：那么：uid = 10mV , uic = 15mV 差模信号差模信号共模信号共模信号.差模信号通路差模信号通路3 差放的差模放大作用差放的差模放大作用.放大倍数放大倍数单边差模放大倍数单边差模放大倍数:T1单边微变单边微变等效电路等效电路uod1RBB1EC1RC ib1ui1rbe1ib1.若差动电路带负载若差动电路带负载RL (接在接在 C1 与与 C2 之间之间), 对于对于差动信号而言，差动信号而言，RL中点电位为中点电位为 0, 所以放大倍数：所以放大倍数：即：总的差动电压放大倍数为：即：总的差动电压放大倍数为：差模电压放大倍数差模电压放大倍数:.差模信号输入时，两管电流增量大小相等、方向差模信号输入时，两管电流增量大小相等、方向相反。两个输出端上的电压增量也大小相等、方向相相反。两个输出端上的电压增量也大小相等、方向相反；因而，双端输出的电压增量是单端输出电压增量反；因而，双端输出的电压增量是单端输出电压增量的两倍。此时，长尾的电流增量和电压增量皆为零，的两倍。此时，长尾的电流增量和电压增量皆为零，这意味着长尾对差模信号而言，电阻值为零，这样，这意味着长尾对差模信号而言，电阻值为零，这样，两管的发射极均为地电位，相当于标准共射放大电路，两管的发射极均为地电位，相当于标准共射放大电路，所以差放对差模信号具有放大作用。所以差放对差模信号具有放大作用。.rod = 2RC输入电阻：输入电阻：输出电阻：输出电阻： 输入输出电阻输入输出电阻.4 差放的共模抑制作用差放的共模抑制作用共模信号输入时，两管电流增量大小相等、方向共模信号输入时，两管电流增量大小相等、方向相同。两个输出端上的电压增量也大小相等、方向相相同。两个输出端上的电压增量也大小相等、方向相同；因而，双端输出的电压增量为零。在共模下，长同；因而，双端输出的电压增量为零。在共模下，长尾的电流增量是单管的两倍，它将削弱对输入共模信尾的电流增量是单管的两倍，它将削弱对输入共模信号的放大作用。这个作用称为共模负反馈。电路匹配号的放大作用。这个作用称为共模负反馈。电路匹配精度越高，长尾电阻越大，共模抑制能力就越强。精度越高，长尾电阻越大，共模抑制能力就越强。.RE对共模信号有抑制作用原理静态分析，即由对共模信号有抑制作用原理静态分析，即由于于RE的负反馈作用，使的负反馈作用，使IE基本不变）基本不变） 。uC ic1 、 ic2 iRE 、 uRE 共模信号通路共模信号通路.T1单边微变等效电路单边微变等效电路RCRB2REic1uc1uc2ib1 ib1ie1rbe1.KCMRR AC 0负载不影响影响共模放大倍数吗？负载不影响影响共模放大倍数吗？.共模抑制比共模抑制比反映放大电路综合性能反映放大电路综合性能理想：实际：80140 dB5 差放电路总输出差放电路总输出.6 6 恒流源式差放电路恒流源式差放电路电路结构电路结构:.（1） 恒流源相当于阻值很大的电阻。恒流源相当于阻值很大的电阻。（2） 恒流源不影响差模放大倍数。恒流源不影响差模放大倍数。（3） 恒流源影响共模放大倍数，使共恒流源影响共模放大倍数，使共模放大倍数减小，从而增加共模抑制模放大倍数减小，从而增加共模抑制比，理想的恒流源相当于阻值为无穷比，理想的恒流源相当于阻值为无穷的电阻，所以共模抑制比是无穷。的电阻，所以共模抑制比是无穷。恒流源的作用恒流源的作用.RO3很大见P162.7 7 差放电路的几种接法差放电路的几种接法输入端输入端 接法接法双端双端单端单端输出端输出端 接法接法双端双端单端单端双端输入双端输出：双端输入双端输出：Ad = Ad半半双端输入单端输出：双端输入单端输出：ui1+UCCui2uoC1B1C2EB2RCT1RBRCT2RBIC3-UEE.差分放大电路动态性能指标差分放大电路动态性能指标 .对对Ad而言，双端输而言，双端输入与单端输入效果是入与单端输入效果是一样的。但双端输入一样的。但双端输入可减小共模输入。可减小共模输入。ui1+UCCui2uoC1B1C2EB2RCT1RBRCT2RBIC3-UEE ib2 ib1ud = ui , uc = 0双端输入：双端输入：ui1 = -ui2 =0.5uiud = ui , uc = 0.5ui 单端输入：单端输入：ui1 =ui ，ui2 = 0. 8 集成运放差动放大器集成运放差动放大器 基本电路 共模与差模输入R3uoR4ui2R1-+N1R2ui1R3uoR4uid/2R1-+N1R2uid/2uic.uo=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)ui2(R3/R1)ui1 若R1=R2，R3=R4，则uo=(R3/R1) (ui2-ui1)即只对差模信号进行放大若放大器只有共模信号作用，则有uoc=R4(1+R3/R1)/(R4+R2)uic(R3/R1)uic当R1=R2，R3=R4时，uoc=0即输出信号中无共模信号成分. 一般应用中，信号放大只要通过差动放大一般应用中，信号放大只要通过差动放大电路即可满足需求，但基本差放电路的精密度电路即可满足需求，但基本差放电路的精密度较差输入阻抗低、共模抑制性差），且变更较差输入阻抗低、共模抑制性差），且变更放大增益时需调整两个电阻。丈量仪用放放大增益时需调整两个电阻。丈量仪用放大电路则无以上缺点。大电路则无以上缺点。 测量放大器是信号采集与调节系统输入端测量放大器是信号采集与调节系统输入端的第一个电路，其主要功能是高精度放大、测的第一个电路，其主要功能是高精度放大、测量信号、抑制共模干扰，提高信噪比和信号质量信号、抑制共模干扰，提高信噪比和信号质量。量。 三三 丈量仪用放大器电路丈量仪用放大器电路.提高输入阻抗提高输入阻抗四个电阻匹配难，四个电阻匹配难，CMRR不高不高1 三运放测量放大电路三运放测量放大电路.先放大差模信号，先放大差模信号，可降低后级的要求。可降低后级的要求。高输入阻抗、高高输入阻抗、高CMRR、低漂移、低漂移后级主要起后级主要起匹配作用，匹配作用，提高提高CMRR.A1， A2的的 大且一致大且一致当当 时，时，.2 单片集成测量放大器单片集成测量放大器l在信号处理中采用单片测量放大器芯片。具在信号处理中采用单片测量放大器芯片。具有性能优异、体积小、电路结构简单、成本有性能优异、体积小、电路结构简单、成本低等特点。低等特点。l美国美国Analog Devices公司提供的公司提供的AD620 、AD521、AD522、AD612、AD614等。国内等。国内749厂生产的有厂生产的有ZF605、ZF603、ZF604等。等。.lAD620的核心是三运放电路，有较高的共模抑制比CMRR，温度稳定性好，放大频带宽，噪声系数小，只需外接一个电阻就可以设置13000范围的增益，且调节方便。 AD620脚位图脚位图第第5脚为参考电压脚为参考电压REF）。当）。当A3的两路输的两路输入处于平衡状态时，入处于平衡状态时，OUTPUT端的电压就等端的电压就等于于REF。RG对应三运放测量放大对应三运放测量放大电路中的电路中的R4。.放大增益关系式放大增益关系式AD620放大电路图放大电路图.AD620非常合壓力感測方面的應用，如血壓量測、般壓力感測器之電橋電路訊號放大等。例例1 压力测量电路压力测量电路电压跟随器电压跟随器相对于传感器桥的三角形地相对于传感器桥的三角形地,a/d的的AGND的电平为的电平为2V.例例2 右腿驱动右腿驱动ECG放大电路放大电路右腿驱动电路，减右腿驱动电路，减小共模信号小共模信号. AD612和AD614测量放大器内部电路 . AD612的测量电桥接线图 . 如果电缆的屏蔽层不接护卫端而接地，如下图，那么对交如果电缆的屏蔽层不接护卫端而接地，如下图，那么对交流共模干扰流共模干扰Vcm就不能有效地抑制。因为电缆的信号传输线与就不能有效地抑制。因为电缆的信号传输线与屏蔽之间存在分布电容，分布电容屏蔽之间存在分布电容，分布电容C1、C2和传输线电阻和传输线电阻Ri1、Ri2分别构成两个分别构成两个RC分压器。由于这两个分压器并不完全对称分压器。由于这两个分压器并不完全对称相等，这就使共模干扰电压相等，这就使共模干扰电压Vcm在测量放大器两输入端以差模在测量放大器两输入端以差模形式呈现出来，从而被差模放大并形成干扰。形式呈现出来，从而被差模放大并形成干扰。 当测量放大器通过电当测量放大器通过电缆与信号源连接时，电缆与信号源连接时，电缆的屏蔽层应连接测量缆的屏蔽层应连接测量放大器的护卫端。放大器的护卫端。测量放大器在使用时护卫测量放大器在使用时护卫GuardGuard端的连接端的连接. 护卫端15脚引自测量放大器前级两运放输出的中点，其电位为共模输入电压Vcm。屏蔽层接护卫端就使RC分压器两端电位都是Vcm，电位差为零，分压值也必为零，这样就有效地消除了共模干扰。 .3 可编程程控测量放大器可编程程控测量放大器PGA 在含有微机的检测系统中通常采用一种新型的可编程增在含有微机的检测系统中通常采用一种新型的可编程增益放大器益放大器PGAPGAProgrammable Gain AmplifierProgrammable Gain Amplifier）。它是通用）。它是通用性很强的放大器，其特点是硬件设备少，放大倍数可根据需性很强的放大器，其特点是硬件设备少，放大倍数可根据需要通过编程进行控制，使要通过编程进行控制，使A/DA/D转换器满量程信号达到统一化。转换器满量程信号达到统一化。 测控系统中使用的可编程增益放大器主要有浮点放大器型、测控系统中使用的可编程增益放大器主要有浮点放大器型、增益电阻切换型和增益电阻切换型和D/AD/A转换型。转换型。 .uouiAS4AS3AS2AS1R1R2R3R4S4S3S2S1+ A -15V+5V-15V+15V DG201+15VuouiAS4=100010909009kS4S3S2S1+ A Y0 Y1 Y2 Y3 BA BAS1=1AS2=10AS3=100可可编编程程增增益益放放大大器的基本电路器的基本电路码码控控四四段段转转换换可可编编程增益放大器程增益放大器.4 集成可编程增益放大器集成可编程增益放大器v把运算放大器、电阻网络、模拟开关以把运算放大器、电阻网络、模拟开关以及译码电路等集成。及译码电路等集成。v在典型的数据采集系统中，在典型的数据采集系统中，PGA在在ADC之前处理传之前处理传感器感器/变送器信号的宽动态范围。很多公司把变送器信号的宽动态范围。很多公司把PGA和其和其他信号调理电路直接集成在他信号调理电路直接集成在ADC芯片上。这种方法有芯片上。这种方法有利于所占空间更小，比分离利于所占空间更小，比分离PGA和和ADC方案具有更好方案具有更好的性能。然而，其成本比较高，集成的性能。然而，其成本比较高，集成PGA在在ADC上除上除灵活性较低外，还有较高的时钟噪声电平。灵活性较低外，还有较高的时钟噪声电平。. 隔离放大电路的输入、输出和电源电路之隔离放大电路的输入、输出和电源电路之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。没有公共的接地端。 隔离放大电路主要用于便携式测量仪器和隔离放大电路主要用于便携式测量仪器和某些测控系统如生物医学人体测量、自动化某些测控系统如生物医学人体测量、自动化试验设备、工业过程控制系统等中，能在噪试验设备、工业过程控制系统等中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。 四四 隔离放大电路隔离放大电路.原理框图原理框图a) 变压器耦合浮置电源输入调制放 大 器耦合变压器输出解调放 大 器输出输入b) 光电耦合浮置电源光耦合器输 入放大器输 出放大器输出输入LEDV. 通用隔离放大电路 AD277变压器耦合隔离放大器隔离电源振荡器调制器输入屏蔽解调器输出屏蔽26873419515V15V13121016U100k100k1M141115U-+N1-+N2.