第22章測(cè)量信號(hào)調(diào)理22.1信號(hào)放大電路22.2信號(hào)變換電路122.測(cè)量信號(hào)調(diào)理22.1測(cè)量信號(hào)與調(diào)理概述重要性：信號(hào)調(diào)理電路是測(cè)量系統(tǒng)的組成部分，其輸入是傳感器的輸出電信號(hào)，其輸出為適合傳輸、顯示、記錄或滿(mǎn)足后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備或裝置要求的信號(hào)。信號(hào)調(diào)理的宗旨：輸出信號(hào)真實(shí)、不失真地反映被測(cè)信號(hào)。信號(hào)調(diào)理電路功能：通常具有放大、電平調(diào)整、阻抗匹配、濾波、調(diào)制與解調(diào)等。從數(shù)據(jù)域看，信號(hào)調(diào)理電路可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)域之間的變換。右圖為數(shù)據(jù)域表示信息的量的名稱(chēng)。222.1測(cè)量信號(hào)與調(diào)理概述傳感器輸出信號(hào)通常分為模擬量和數(shù)字量?jī)深?lèi)。模擬信號(hào)的調(diào)理相對(duì)復(fù)雜。圖a和圖b所示分別給出了傳感器輸出為模擬量和數(shù)字量的信號(hào)調(diào)理過(guò)程示意圖。測(cè)試系統(tǒng)的第二個(gè)環(huán)節(jié)為信號(hào)的調(diào)理，圖c所示為測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)傳輸過(guò)程。模擬量的信號(hào)調(diào)理過(guò)程示意圖數(shù)字量的信號(hào)調(diào)理過(guò)程示意圖測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)傳輸過(guò)程（a）（b）（c）322.2信號(hào)放大電路22.2.1

概述信號(hào)放大電路:

用來(lái)放大傳感器輸出的微弱電壓、電流或電荷信號(hào)的放大電路。傳感器直接輸出的信號(hào):電壓、電勢(shì)、電位；電流、電荷；電阻、電容、電感；光、磁信號(hào)。放大的目的:標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流信號(hào)(1~5V,4~20mA);其它標(biāo)準(zhǔn)電壓、電流信號(hào);方便對(duì)被測(cè)信號(hào)的變換、處理、記錄、分析.放大電路主要類(lèi)別與適用對(duì)象或用途比例放大器:通用型；差動(dòng)放大器:電勢(shì)、電位式傳感器;電橋:阻抗式傳感器;儀用放大器:電位差、電勢(shì)差；高輸入阻抗放大器:電位、電勢(shì)、電荷式傳感器;隔離放大電路:噪聲隔離、光電、磁電、電感；電荷放大器:電荷式傳感器;422.2信號(hào)放大電路22.2.1

概述對(duì)放大電路的基本要求：①輸入阻抗應(yīng)與傳感器輸出阻抗相匹配；②一定的放大倍數(shù)和穩(wěn)定的增益；③低噪聲；④低的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流以及低的漂移；⑤足夠的帶寬和轉(zhuǎn)換速率；⑥高共模輸入范圍和高共模抑制比；⑦可調(diào)的閉環(huán)增益；⑧線(xiàn)性好、精度高；⑨成本低。相關(guān)術(shù)語(yǔ)*：開(kāi)環(huán)增益K；閉環(huán)增益Kf；差模增益Kd；共模增益Kc；輸入失調(diào)電壓u0s；輸入失調(diào)電流I0s；零點(diǎn)漂移；共模抑制比CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc

522.2信號(hào)放大電路22.2.2

比例放大器1）反相比例放大電路反相放大電路的基本形式如圖，其輸出信號(hào)與輸入信號(hào)相比，相位相反，幅值成一定比例。其閉環(huán)增益：Au=-R2/R1特點(diǎn)：性能穩(wěn)定，輸入阻抗較低(等于R1)，但能滿(mǎn)足大多數(shù)場(chǎng)合的要求。為避免在提高電路的輸入阻抗與提高增益之間的矛盾，可采用右圖的變形電路。選擇R2>>R4和R5,放大器增益可按下式近似計(jì)算：

Au=-R2/R1(1+R4/R5)

右下圖是另一種變形電路-交流反相反放大電路。其低端截止頻率由R1，C1確定。

基本電路變形電路I變形電路II622.2信號(hào)放大電路22.2.2

比例放大器2）同相比例放大器基本形式如右上圖所示，其輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的相位相同，幅值成一定比例。閉環(huán)增益為：Au=1+R2/R1。輸入阻抗：Zi=AZ’i/Au+R3。式中，A為運(yùn)放的開(kāi)環(huán)增益，Z’i為運(yùn)放的開(kāi)環(huán)輸入阻抗。特點(diǎn)：相對(duì)反相放大電路，輸入阻抗高，常用于阻抗變換和隔離，但易受干擾，精度低。右中圖為一種低頻交流放大電路。右下圖為跟隨放大電路，是同相放大的一種極端形式。跟隨放大電路低頻交流放大電路基本電路722.2信號(hào)放大電路22.2.3差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路是把二個(gè)輸入信號(hào)分別輸入到運(yùn)算放大器的同相和反相二個(gè)輸入端，然后在輸出端取出二個(gè)信號(hào)的差模成分，而盡量抑制二個(gè)信號(hào)的共模成分。右上圖為基本差動(dòng)放大電路，右下圖為等效電路。當(dāng)R2/R1=R4/R3時(shí)，其輸出與輸入的關(guān)系為：

uo=(ui2-ui1)R2/R1特點(diǎn)：有利于提高電路共模抑制比，減小溫度漂移；其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸入阻抗較低，增益調(diào)節(jié)困難。822.2信號(hào)放大電路22.2.4高輸入阻抗放大電路高輸入阻抗電路常用于輸出阻抗很高的傳感器如電容式、壓電式傳感器的測(cè)量放大電路中。開(kāi)環(huán)集成運(yùn)放的輸入阻抗一般都很高，但反相運(yùn)算放大電路等的輸入阻抗遠(yuǎn)低于同相運(yùn)算放大電路。為提高反相或差動(dòng)運(yùn)放電路的輸入阻抗，可在輸入端加接電壓跟隨器，但這樣又會(huì)引入跟隨器的共模誤差。在要求較高的場(chǎng)合，可用高輸入阻抗集成運(yùn)放或由普通集成運(yùn)放組成的自舉電路。自舉電路：利用反饋使輸入電阻的兩端近似為等電位，減小向輸入回路索取電流，從而提高輸入阻抗。右圖中的輸入電阻為：Ri=(R1R2)/(R2-R1),當(dāng)R2=R1時(shí)，Ri→∞,i2=i1。922.2信號(hào)放大電路22.2.5高共模抑制比放大電路傳感器輸出信號(hào)常伴有很大的共模電壓(包括干擾電壓)。一般用差動(dòng)集成運(yùn)放來(lái)抑制它。但要求外接電阻必須完全對(duì)稱(chēng)且運(yùn)算放大器有理想特性。否則放大器有共模誤差輸出，其大小基于外接電阻對(duì)稱(chēng)精度有關(guān)，也與運(yùn)放本身的共模抑制能力有關(guān)。一般運(yùn)放的共模抑制比可達(dá)80dB，由幾個(gè)集成運(yùn)放組成的測(cè)量放大電路的共模抑制比可達(dá)100~120dB。1）雙運(yùn)放高共模抑制比放大電路(1)反相串聯(lián)結(jié)構(gòu)型

uo=(R2/R1)(R6/R4)ui1-(R6/R5)ui2

當(dāng)R2/R1=R4/R5，ui1=ui2時(shí)，

uo=0

通常取R1=R5，R2=R4。R2ui2ui1R1R4R6R5R3=R1∥R2R7=R4∥R5∥R6uo∞-++N1∞-++N21022.2信號(hào)放大電路22.2.5高共模抑制比放大電路1)雙運(yùn)放高共模抑制比放大電路(2)同相串聯(lián)結(jié)構(gòu)型由uo1=(1+R2/R1)ui1,

(uo1–ui2)/R3=(ui2–uo)/R4得：uo=(1+R4/R3)ui2-(1+R2/R1)(R4/R3)ui1

為獲得零共模增益，可取R1/R2=R4/R3，此時(shí)有：uo=(1+R1/R2)(ui2–ui1)。2)三運(yùn)放高共模抑制比放大電路uoui2ui1R4R3uo1R2R1∞+-+N2∞+-+N1uoui1ui2uo1uo2R1RPR2R7RP1R8R3R4R6R5∞+-+N1IR∞-++N2∞-++N3IR=(uo2–ui2)/R2=(ui1–uo1)/R1

=(ui2–ui1)/Rpuo1=ui1(1+R1/Rp)–ui2R1/Rp

，uo2=ui2(1+R2/Rp)–ui1R2/Rpuo=(uo2–uo1)R5/R31122.2信號(hào)放大電路22.2.5高共模抑制比放大電路3)有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電路將差動(dòng)傳感器的兩個(gè)輸出經(jīng)兩個(gè)運(yùn)放構(gòu)成的同相比例差動(dòng)放大后，使其輸入端的共模電壓1∶1地輸出，并通過(guò)輸出端各自電阻（阻值相等）加到傳感器的兩個(gè)電纜屏蔽層上，使輸入電纜的屏蔽層由共模輸入電壓驅(qū)動(dòng)，而不是接地，電纜芯線(xiàn)和屏蔽層之間的共模電壓為零。該電路可用于電容、電感差動(dòng)式傳感器和壓阻傳感器。差動(dòng)放大器uoabuicui1ui2RS1RS2C1C2∞+-+N1ui2R1RPR2R0R0ui1ucuoR4R3R3R4∞-++N2∞-++N31222.2信號(hào)放大電路22.2.6測(cè)量放大器如圖所示，測(cè)量放大器又稱(chēng)儀用放大器，是為了抑制共模輸入電壓與增益調(diào)節(jié)和阻抗匹配之間互相牽連和矛盾而設(shè)計(jì)的。圖中左邊部分由運(yùn)放A1、A2構(gòu)成同相放大器，右邊由運(yùn)放A3和R3~R6組成減法器。設(shè)R1=R2=R，R3=R4=R5=R6，則：uo=-(1+2R/Rg)uid特點(diǎn)：儀用放大器僅調(diào)整Rg即可調(diào)整放大器增益，不需多電位器聯(lián)動(dòng)，也不影響電路的對(duì)稱(chēng)性，輸入阻抗高、對(duì)稱(chēng)性好、共模抑制比高、增益設(shè)定調(diào)整方便。實(shí)際常用集成測(cè)量放大器如AD620等。1322.2信號(hào)放大電路22.2.7程控增益放大器程控增益放大器是指放大電路的增益通過(guò)數(shù)字邏輯電路由程序控制，簡(jiǎn)稱(chēng)PGA(programmablegainamplifier)，也稱(chēng)可編程增益放大電路。其主要作用是在多通道或多參數(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)時(shí)，共用一個(gè)測(cè)量放大器，根據(jù)各輸入信號(hào)電平的大小，改變測(cè)量放大器的增益，使各輸入通道均有最合適的放大增益，各通道或各參數(shù)的信號(hào)經(jīng)放大器后達(dá)到A/D變換器輸入所要求的標(biāo)準(zhǔn)值。右圖所示為程控增益放大器基本原理圖。1422.2信號(hào)放大電路22.2.8隔離放大器隔離放大器能在輸入與輸出信號(hào)之間保持電氣隔離的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)輸出與輸入的線(xiàn)性傳輸。隔離放大器主要用于噪聲環(huán)境下以高阻抗、高共模抑制能力傳送信號(hào)，適合于電感式、磁電式、渦流式、光電式、霍爾式等傳感器的信號(hào)調(diào)理與放大。右圖為隔離放大器示意圖，下圖為變壓器隔離和光耦隔離型組成：輸入部分+輸出部分+信號(hào)耦合器+隔離電源。1522.2信號(hào)放大電路22.2.9電橋放大電路電橋電路的靈敏度高、線(xiàn)性較好、易實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。電感、電容和電阻等電參量傳感器經(jīng)通過(guò)電橋轉(zhuǎn)換電路輸出電壓或電流，并用運(yùn)放作進(jìn)一步放大。由“傳感器電橋+運(yùn)放”組成的放大電路或“傳感器+運(yùn)放”構(gòu)成的電橋都稱(chēng)為電橋放大電路。此種電路有單端和差動(dòng)輸入兩類(lèi)。1）單端輸入放大電路1622.2信號(hào)放大電路22.2.9電橋放大電路2）電源浮置的電橋放大電路右圖所示電源浮置的電橋的放大器輸出為：差分輸入的電橋放大電路

右圖差分輸入的電橋放大器的輸出為：1722.3信號(hào)變換電路概述各種傳感器在應(yīng)用中有不少共性問(wèn)題需解決，主要涉及信號(hào)變換、驅(qū)動(dòng)和外圍電路及器件選擇等。實(shí)際應(yīng)用中，敏感元件或傳感器輸出的信號(hào)可能是直流電壓、直流電流，也可能是交流電壓、交流電流等等。在進(jìn)行處理、傳輸、接口、顯示記錄過(guò)程中，常常需要借助于各種信號(hào)變換器，進(jìn)行信號(hào)變換。這些變換通常包括：電壓-電流轉(zhuǎn)換、交流-直流轉(zhuǎn)換、電壓-頻率轉(zhuǎn)換、電壓-脈寬轉(zhuǎn)換。1822.3信號(hào)變換電路22.3.1電壓-電流轉(zhuǎn)換電路在工業(yè)自動(dòng)化的成套儀表和計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)中，傳感器和儀表之間、儀表和儀表之間的信號(hào)傳送都采用標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，例如0-5V直流電壓或0-10mA、4-20mA直流電流。在傳感器測(cè)量系統(tǒng)中，常用電壓/電流轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行電壓、電流信號(hào)間的轉(zhuǎn)換。例如，在遠(yuǎn)距離測(cè)量中，把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流傳輸，以減小傳輸導(dǎo)線(xiàn)阻抗對(duì)信號(hào)的影響。測(cè)電流信號(hào)時(shí)，先將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓，再由數(shù)字電壓表測(cè)量，或經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后由計(jì)算機(jī)測(cè)控。1922.3信號(hào)變換電路22.3.1電壓-電流轉(zhuǎn)換電路1）電壓-電流(V/I)變換輸出負(fù)載中的電流正比于輸入電壓的電路稱(chēng)為電壓-電流變換器。(1)浮地負(fù)載的V-I變換電路一種簡(jiǎn)單的V-I變換電路如上圖所示。流過(guò)RL兩端的電流與輸入電壓的關(guān)系為:

Io=Ui/(R1+Rw)。由上式可知，調(diào)節(jié)Rw可改變輸入電壓與輸出電流之間的變換系數(shù)。為降低運(yùn)放功耗，擴(kuò)大輸出電流，在運(yùn)放的輸出端可加一個(gè)三極管驅(qū)動(dòng)電路，如下圖所示。2022.3信號(hào)變換電路22.3.1電壓-電流轉(zhuǎn)換電路1）電壓-電流(V/I)變換(2)接地負(fù)載V-I變換電路圖中Al為同相加法器，A2為跟隨器，V02=VL=ILRL。

A1的同相端電壓：

V+=ViR4/(R3+R4)+ILRLR3/(R3+R4)A1的同相端電壓經(jīng)放大后輸出為：

Vol=V+(R1+R2)/R1=ILR5+ILRL

選擇元件滿(mǎn)足:R3(Rl+R2)＝Rl(R3+R4)，可得負(fù)載中的電流IL與負(fù)載RL無(wú)關(guān)。選取R3＝R1，R4＝R2，則輸出負(fù)載中的電流為：IL=ViR2/(R1R5)。2122.3信號(hào)變換電路22.3.1電壓-電流轉(zhuǎn)換電路1)電壓-電流(V/I)變換(3)差動(dòng)式V-I變換電路圖a：理想條件下:V-=V+=Vi2，RL的電流：IL=(Vi1-Vi2)/R1;

圖b：滿(mǎn)足條件R3/R5=R1/(R2+R4)，則浮地負(fù)載的總電流為：

IL=IL1+IL2=(Vi2-Vi1)(R2+R4)/(R1R4)圖c：負(fù)載中的電流IL=I3-I4，為使負(fù)載電流與RL無(wú)關(guān)，電阻選擇須滿(mǎn)足R1R4=R2R3，相應(yīng)的接地負(fù)載電流為:IL=(Vi2-Vil)/R。(a)(b)(c)2222.3信號(hào)變換電路22.3.1電壓-電流轉(zhuǎn)換電路2)電流-電壓（I/V）變換在遠(yuǎn)程監(jiān)控中，電流信號(hào)要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離導(dǎo)線(xiàn)傳送到數(shù)據(jù)采集接口，需通過(guò)I-V比例轉(zhuǎn)換后再進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。如圖(a)所示。圖(b)為最簡(jiǎn)單的電流-電壓變換電路。常用高輸入阻抗運(yùn)放組成電流-電壓變換電路，一種簡(jiǎn)單方案如圖(c)所示。(a)(b)(c)2322.3信號(hào)變換電路22.3.2交流-直流轉(zhuǎn)換電路1）交流電壓-直流電壓變換器檢測(cè)中有時(shí)需知道傳感器的交流輸出信號(hào)的幅值或功率。常用的變換方法有線(xiàn)性檢波電路(半波整流電路)、絕對(duì)值電路(全波整流電路)、有效值變換電路(方均根/直流變換電路)。把交流電壓變換成直流電壓亦稱(chēng)AC-DC變換。線(xiàn)性檢波電路：如圖，輸入uI為正極性時(shí)輸出uO1為負(fù)，D2通，D1止，uO=0。uI為負(fù)，uO1為正，D1通，D2止,電路為反相比例運(yùn)算狀態(tài)，可得：

只要運(yùn)放輸出值|uO1|大于整流二極管的正向?qū)妷海珼1和D2中總有一個(gè)通，一個(gè)止，此時(shí)電路能正常檢波。2422.3信號(hào)變換電路22.3.2交流-直流轉(zhuǎn)換電路1）交流電壓-直流電壓變換器絕對(duì)值轉(zhuǎn)換電路：如右圖所示，在半波整流電路基礎(chǔ)上，加一級(jí)加法運(yùn)算放大器，可把輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換為單極性信號(hào)，再用低通濾波器濾去交流成分，得到直流信號(hào)稱(chēng)為絕對(duì)平均偏差(MAD)。

如左圖所示，把同相型半波整流電路和反相型整流電路組合成絕對(duì)值轉(zhuǎn)換電路，可減小匹配電阻的數(shù)目。2522.3信號(hào)變換電路22.3.2電壓-頻率轉(zhuǎn)換電路1）交流電壓-直流電壓變換器右圖是一種由半波整流電路和平均值-有效值轉(zhuǎn)換器構(gòu)成的線(xiàn)性變換電路,輸出端將得到與交流電壓的有效值相等的直流電壓輸出。2）交流電流-直流電壓(i-U)變換器

即把交流電流變換成直流電壓，可按下圖示框圖進(jìn)行。目前，較為理想的方法是利用集成器件實(shí)現(xiàn)有效值的實(shí)時(shí)運(yùn)算，常用集成有效轉(zhuǎn)換器有AD536、AD636、AD637等2622.3信號(hào)變換電路22.3.3電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路電壓/頻率(V/f)轉(zhuǎn)換是指把電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成與之成正比的頻率信號(hào)，其過(guò)程實(shí)質(zhì)是對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)制。頻率信息便于遠(yuǎn)距離傳遞和光電隔離、抗干擾能力強(qiáng)，因而應(yīng)用廣泛。

V/F轉(zhuǎn)換常用電荷平衡轉(zhuǎn)換法。如圖，運(yùn)放Al、電阻R1、積分電容CINT組成積分器。A1輸入端A和輸出端B分別接電流開(kāi)關(guān)S的兩選擇端。當(dāng)開(kāi)關(guān)S受單穩(wěn)觸發(fā)器控制在A、B點(diǎn)交替切換時(shí)，積分器工作于兩種不同狀態(tài)：復(fù)位和積分。2722.3信號(hào)變換電路22.3.3電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路VFC工作原理：當(dāng)uB<UR時(shí)，A2的輸出電平翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)器脫離穩(wěn)態(tài)進(jìn)入暫態(tài)，單穩(wěn)觸發(fā)器控制輸出電平uO翻轉(zhuǎn)；同時(shí)控制電流開(kāi)關(guān)S把A點(diǎn)接恒流源IR。此時(shí)，CINT流過(guò)的電流iC=IR-iI，設(shè)在復(fù)位時(shí)間TR內(nèi)，CINT的電壓變化

uC，積累的電荷變化量為:式中，TR為復(fù)位時(shí)間，即單穩(wěn)觸發(fā)器的暫態(tài)維持時(shí)間，由定時(shí)電容COS決定。當(dāng)單穩(wěn)觸發(fā)器脫離暫態(tài)，回到穩(wěn)態(tài)時(shí)，uO再次翻轉(zhuǎn)；同時(shí)電流開(kāi)關(guān)S接B點(diǎn)。積分器脫離復(fù)位狀態(tài)，進(jìn)入積分狀態(tài)。此時(shí)CINT的電流iC僅受輸入電流iI的影響，此時(shí)有:式中，TI為積分時(shí)間，取決于輸入電壓的大小。2822.3信號(hào)變換電路22.3.3電壓/頻率轉(zhuǎn)換電路VFC工作原理：由于CINT在積分和復(fù)位過(guò)程中的電荷變化量平衡，即：，故稱(chēng)電荷平衡式轉(zhuǎn)換器。其輸出頻率為：f0=1/(TI+TR)=iI/(IRTR)=uI/(RIIRTR)。式中，RI為VFC的輸入端內(nèi)部電阻；IR為VFC內(nèi)部恒流值。右圖所示為用單片集成電路AD650及外部元件構(gòu)成的VFC電路圖。2922.3信號(hào)變換電路22.3.4電壓脈寬(U-H)變換電路（選講）

U-H變換器將電壓信號(hào)變換為脈沖寬度信號(hào)。變換后輸出的脈沖周期固定，而脈沖寬度H隨輸入電壓信號(hào)變化，兩者呈線(xiàn)性關(guān)系。

U-H輸出的脈沖信號(hào)的直流分量與輸入電壓成正比，因此，只需簡(jiǎn)單的RC濾波電路即可復(fù)現(xiàn)原模擬信號(hào)。U-H變換器輸出的脈沖信號(hào)可方便地驅(qū)動(dòng)發(fā)光器件，實(shí)現(xiàn)光電隔離。如圖所示的U-H變換器，它由三角波發(fā)生器、比較器及輸出級(jí)三部分組成。三角波發(fā)生器由具有正反饋的運(yùn)算放大器A1及阻容元R4、C組成。3022.3信號(hào)變換電路22.3.4電壓脈寬(U-H)變換電路（選講）U-H變換器工作原理：如左圖所示，若設(shè)起始時(shí)A1輸出為正方向限幅電壓Uw，Uw通過(guò)R4對(duì)電容C循環(huán)充放電，形成自