第2章信号处理电路

第二章信号处理电路教学内容1直流电桥和交流电桥各有何特点？适用于何种检测？2电阻应变片接入电桥有哪三种接法？请画出电路，并说明其特征。3请画出三运放仪表放大电路，写出其放大倍数4.请画出四种滤波器的电路和幅频特性图。5针对不同的干扰，可采用哪些抗干扰的措施？6.常用的隔离技术有哪些？二.基本知识2.2.1电桥电路电桥有直流电桥和交流电桥。传感器直流电桥直流放大器低通滤波器直流电源非电量U直流检测系统图直流检测系统主要用于检测纯电阻的变化，如电阻应变仪、热电阻温度计等，也可用于检测直流电压的变化，如热电偶测温仪表等。交流检测系统交流电桥交流放大器相敏检波器低通滤波器传感器振荡器电源U非电量交流检测系统主要用于检测阻抗变化的传感器，振荡频率通常在50Hz~20KHz。用于电容式传感器，振荡频率可达0.5MHz。2.2.1电桥电路直流电桥URRRRRRRRUUUcdab))((432132410若U0=0时，电桥平衡。若R1=R2=R3=R4，称为等臂电桥，电桥有一个电阻变化，则电桥失去平衡。))(())(())((44332211332244110RRRRRRRRRRRRRRRRU电阻应变片接入电桥有三种接法：。（1）单臂工作电桥单臂工作电桥的一个电阻变化，即ΔR1≠0，如果是等臂电桥，其余各臂为固定电阻，ΔR2=ΔR3=ΔR4=0，代入式（2-6）得：RRUU1042）双臂工作电桥若等臂电桥的两个臂接入应变片，其中一个应变片受压，另一个应变片受拉，即ΔR1=-ΔR2，其余两个为固定电阻，即ΔR3=ΔR4=0，代入式（2-6）得：RRURRRUU12102)(44321RRRRRRUU10（3）全桥工作电桥若等臂电桥的四个桥臂都为应变片，且代入式（2-6）得：结论：全桥的工作方式灵敏度最高，输出电压最大。直流电桥的优点是：1所需的高稳定度直流电源较易获得；2电桥输出U0是直流，可以用直流仪表测量；3对从传感器至测量仪表的连接导线要求较低；4电桥的平衡电路简单。直流电桥的缺点是：1直流放大器比较复杂，2易受零漂和接地电位的影响。交流电桥1）交流电桥的平衡条件交流电桥的四个桥臂分别用阻抗Z1、Z2、Z3、Z4表示，它们可以是电感值、电容值或电阻值，其输出电压也是交流。设交流电桥的电源电压为：tUumsintUZZZZZZZZUZZZZZZZZUmsin))(())((43214231432142310交流电桥输出电压4321ZZZZ交流电桥的平衡条件：2）电阻交流电桥单臂电阻交流电桥tUZZUZZUmsin41410项目二单臂、双臂和全桥电桥实验3）电感电桥二、基本知识ZZUURRRUZZZU22112110U0UR1L1L2R1R2R2、、交流电桥的输出电压与传感器线圈的电感相对变化量成正比。项目二单臂、双臂和全桥电桥实验4）电容电桥ZZUURRRUZZZU22112110U0URC1C2R1R2R2,1,CCUU20桥臂接入电容时，公式为：从上式可知：交流电桥的输出电压与传感器的电容相对变化量成正比。5）变压器电桥电路UU/2U/2iz1z2U0ZZUUZZZUUZIU22222120用差动式电容传感器组成电桥相邻两臂，当负载阻抗为无穷大时，电桥的输出电压为：212102CCCCUU若电容为变间隙式，上式变为20UU结论：在电源激励电压恒定的情况下，电桥输出电压与电容传感器输入位移成正比。由于在该输出电压无法反映位移的方向，相敏检波电路可识别方向。所以输出电压必须经后续放大并经相敏检波和滤波后可由指示表显示位移的方向和大小。2.2.2信号放大电路1、差动放大器ABR1R2R3R4W1C2C1R6W2R5-15V+15V差动放大器是一种零点漂移十分微小的直流放大器，它常作为多级直流放大器的前置级，用以放大很微小的直流信号或缓慢变化的交流信号。课堂练习：请画出三运放仪表放大电路项目二单臂、双臂和全桥电桥实验2、电荷放大器电荷放大器用于放大压电传感器的输出信号。电荷放大器是一个具有反馈电容C1的高增益运算放大器电路。它把压电传感器的输出信号放大并将高输出阻抗变换成低阻抗输出，输出电压与输入电荷成正比。qcaccciRfCfRUiU0Ca为压电传感器的等效电容，Cc为连接电缆的等效电容，Ci为电荷放大器的输入电容，Cf为反馈电容，Rf为反馈电阻。电荷放大器的输出电压为：)1(0ACCCCqAUfica当放大器开环增益A和输入电阻R、反馈电阻Rf相当大，A≫1时，放大器的输出电压U0正比于输入电荷q，反比于反馈电容Cf，即：fCqU0信号滤波电路：作用：传感器输出的信号通常要进行滤波，滤去不必要的高频或低频信号，或要取得某特定频段的信号。类型：低通滤波器：通过低频信号，抑制或衰减高频信号高通滤波器：允许高频信号通过，抑制或衰减低频信号带通滤波器：允许通过某一频段的信号，而在此频段两端以外的信号将被抑制或衰减带阻滤波器：容许频率低于某一频段的下限截止频率和高于上限截止频率的信号的通过课堂练习：请画出四种滤波器的幅频特性图2.2.4信号转换电路1、电压与电流转换目前实现0~5V、0~10V电压、0~10mA、4~20mA电流的转换，可采用集成电压/电流转换电路来实现，如AD693、AD694、XTR110等。2、电压与频率转换有些传感器敏感元件输出的信号为频率信号，如涡轮流量计，有时为了和其他标准信号接口显示仪表配套，需要把频率转换成电压。2.2.5抗干扰技术干扰源：1）机械干扰2）湿度与温度干扰3）电磁感应4）静电感应5）不同地电位引入的干扰抗干扰的措施：1、机械干扰：可选用专用减振弹簧或吸振海绵来降低系统的谐振频率，吸收振动的能量。2、湿度与湿度干扰：(1）在设计检测电路时，尽量选用低温漂元件。(2）在电路中考虑采取软、硬件温度补偿措施。(3）尽量采取低功耗、低发热元件。(4）选用的元器件规格要有一定的余量。(5）仪器的前置级应尽量远离发热元件(6）加强散热3、抗电磁干扰：1）串模干扰的抑制（1）信号导线扭纹：把信号导线扭纹在一起能使信号回路包围的面积大为减少。（2）屏蔽：静电屏蔽、低频磁屏蔽、电磁屏蔽（3）滤波技术静电屏蔽：用铜或铝等导电性良好的金属为材料制作成封闭的金属容器，并与地线连接，把需要屏蔽的电路置于其中，使外部干扰电场的电力场不影响内部的电路。低频磁屏蔽：是用来隔离低频磁场和固定磁场耦合干扰的有效措施。静电屏蔽线或静电屏蔽场对低频磁场不起隔离作用，必须采用高导磁材料作屏蔽层，以便让低频干扰磁力线从磁阻很小的磁屏蔽层上通过，使低频磁屏蔽内部的电路免受低频磁场耦合干扰的影响。电磁屏蔽：也是采用导电良好的金属材料做成屏蔽罩、屏蔽盒等不同的外形，将被保护的电路包围在其中。干扰源产生的高频磁场遇到导电良好的电磁屏蔽层时，就在其外表面感应出同频率的电涡流，从而消耗了高频干扰源磁场的能量。2）共模干扰抑制防止共模干扰通常采用的措施有：接地和光电隔离。（1）接地技术：一点接地原则RsUs345UNRNRP1RP2INU021RsUs345UNRNRP1RP2INU021Ci1Ci2系统两点接地系统一点接地传感器信号源传感器外壳接地点屏蔽层接地信号传输线大地电位差二次仪表外壳接地点计算机接地点计算机主板)数字量在二次仪表侧接地中，大地电位差UNi引起的干扰环流从A点出发，经Ci3及Ci4（信号线对传感器金属外壳的分布电容）→Zs1、Zg(信号线内阻)→Zi1、Ci1及Zu、Cu(二次仪表对地阻抗)→A/D板的公共参考端GND→C点和B点。由于Ci1、Cu、Ci3及CA容量均很小，因此大地环流很小，具有较高的抗干扰能力。2）隔离技术隔离变压器供电：~220v接稳压器12使用隔离变压器应将一次侧、二次侧绕组屏蔽，二次侧绕组屏蔽与中间抽头相连接，隔离变压器与线路之间的相互连接线包括屏蔽线(因为这些屏蔽线是处在信号屏蔽的延伸之中)必须完全封闭。光耦合技术光耦合器电路2电路1输入量是电流，当电流流入发光二极管，它即发射红外光，光敏元件受红外光照射后产生相应的光电流，实现了以光为媒介的电信号的传输。光耦合器在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。2.2.6显示仪表模拟式仪表：有动圈式仪表，它价格低，易于维护，精度可达1.0级，与各种敏感元件和传感器、变送器配合，广泛用于温度、压力、成分、物位等非电量的测量。数字式仪表应用：测量物体的长度，对运转的转轴等测线速、转换，对流水线上的产品个数可实现计数。CH系列HM系列教学内容1直流电桥和交流电桥各有何特点？适用于何种检测？2电阻应变片接入电桥有哪三种接法？请画出电路，并说明其特征。3请画出三运放仪表放大电路，写出其放大倍数4.请画出四种滤波器的电路和幅频特性图。5针对不同的干扰，可采用哪些抗干扰的措施？6.常用的隔离技术有哪些？课后作业：1.选择题，写在教材上。2.思考题1-5，写在作业本上。3.制作题：采用LM324设计一个三运放仪表放大电路，输入端接一个2Kg的力传感器，构成一个电子秤检测电路。传感器的信号电压为0~5mV。要求仪表放大器输出端电压范围为0~5V。