第七讲 信号变换及干扰抑制技术

2020/7/3电子系统设计福州大学信息与通信工程系第七讲信号处理电路设计——信号变换及干扰抑制技术主要内容信号调理电路放大电路滤波电路信号变换技术噪声及干扰抑制技术第2部分电子系统设计中的信号变换技术主要内容2.1测量电桥2.2电桥放大器2.3电压－频率、频率－电压转换2.5电压比较器2.6模拟－数字转换2.7调制与解调2.1测量电桥基本概念特点：灵敏度高线性好测量范围宽容易实现温度补偿分类：直流电桥交流电桥24131234()()OSZZZZuuZZZZ电阻应变式测力称重传感器电感式、差动变压器式、电容式传感器11112(2)4ffOSSRRRRuuuRR电源浮置的电桥放大器1122112(2)4OSSRRuuuRR差分输入式电桥放大器2.2电桥放大器将电压量转换成频率信号后其抗干扰能力大为增强，非常适合信号的远距离传输，在遥控、遥测系统中或者噪声环境中采用V/F——F/V变换是一种简单而较好的解决方案。2.3电压－频率转换fo=KuiUo=Qfi参数：满度频率（最高频率）变换曲线的线性度大部分V/F输出频率信号为矩形波2.3电压－频率转换分类：1、非同步式，不需要时钟，如BB公司的VFC32（500K）、VFC320（高线性度）、VFC110（4M），AD公司的AD537、LM331（10K）2、同步式，有时钟信号，输出频率与时钟及输入模拟信号的乘积成正比，如BB公司的VFC100（4M）、AD公司的AD652VFC32：兼有V/F、F/V功能2.4电压－频率转换LM331：接成V/F功能2.4电压－频率转换LM331：接成F/V功能2.4电压－频率转换2.5电压比较器概述-1+1#uiUoURuiURuiUoUROuiURa)b)图6-12电压比较器及其特性2.5电压比较器实际上是一个开环工作的高增益直接耦合差分放大器。选通端一般悬空。2.5电压比较器运算放大器也可以做比较器用，但由于运放输入输出设计成线性关系，因而速度较慢。而专用的集成比较器速度快的多，某些高速转换速度达到3～5ns。而且专用集成比较器的输出电平一般可以与TTL数字电路兼容，而运放则不能。2.5电压比较器比较器用通用运算放大器和专用集成比较器的区别？（1）比较器的一个重要指标是它的响应时间，它一般低于10-20ns。响应时间与放大器的上升速率和增益-带宽积有关。因此，必须选用这两项指标都高的运算放大器作比较器，并在应用中减小甚至不用相位补偿电容，以便充分利用通用运算放大器本身的带宽来提高响应速度。（2）当在比较器后面连接数字电路时，专用集成比较器无需添加任何元器件，就可以直接连接，但对通用运算放大器而言，必须对输出电压采取钳位措施，使它的高，彽输出电位满足数字电路逻辑电平的要求。2.5电压比较器比较器的基本要求输入失调（电压、电流）小否则输入压差必须大于失调电压，才能转换差模电压增益高共模抑制比高共模输入范围大响应速度快2.5电压比较器（续）滞回比较电路（正反馈阈值）两个阈值：a)b)uiUoU1OU2-1+1#uiUoURRR2R1可消除不稳定的数字现象，也叫施密特触发器不敏感带VH12212/2/2()RHRHHOHOLUUVUUVRVVVRR2.5电压比较器（续）滞回比较电路（正反馈阈值）加强抗干扰能力和改善输出信号的边沿陡峭度高频情况：加速翻转速度低频情况：形成回差，消除电平跳变干扰a)b)uiUoU1OU2-1+1#uiUoURRR2R1不敏感带VH2.5电压比较器常用比较器：LM311——比较器、压/频转换器200ns转换速度MAX912——双比较器LM393——双比较器MAX951～954超低功耗、单电源、多功能uot+Uom-Uom++uouitui例：利用电压比较器将正弦波变为方波。2.5电压比较器应用比较器的特点1.电路简单。2.当Ko不够大时，输出边沿不陡。3.容易引入干扰。tuiuot过零附近仍处于放大区2.5电压比较器应用用于报警和检测器的低频无线电接收机2.5电压比较器应用用于烟雾检测的报警触发器2.5电压比较器应用用于遥控红外接收机前端电路2.5电压比较器应用1、采样与量化2.6模拟－数字转换2、双积分式A/D转换2.6模拟－数字转换（续）3、逐次比较式A/D转换2.6模拟－数字转换（续）实现高速高分辨率转换4、增量调制型A/D转换2.6模拟－数字转换（续）2.6模拟－数字转换常见ADCTLC5510——8位ADCADC0809——8位ADCAD7524——高速ADCTLC7524——高速ADCAD7819——高速低功耗ADCMAX199——8位8通道ADC2.6模拟－数字转换AD接口电路的设计注意点模拟电路a放大电路运放的精度阻抗等b采样保持器捕获时间顶降率c多路开关内阻（开）漏电流（断）2.6模拟－数字转换AD接口电路的设计注意点数字外围电路a并行接口b串行接口电源与接地信号的隔离2.6模拟－数字转换数字到模拟的转换电压输出型、电流输出型常见DAC：AD7520——10位CMOS电流型开关DAC。MAX5858——高速DACDAC0832——8位DAC2.7调制与解调电路振幅调制与解调调制：叠加，振幅变化的高频信号。解调：取出振幅，如用二极管进行半波整流，再用低通滤波器除去载波。信号调理电路2.7调制与解调电路脉冲宽度调制PWM用于DC变换利用运放和比较器，产生PWM信号2.7调制与解调电路数字调制STEL-2176是一款全数字调制解调芯片AD630调制解调芯片详细可查阅厂商相关资料2.7调制与解调电路应用无线多路遥控调频发射/接收系统设计利用调频发射集成电路MC2833调频接收集成电路MC3361红外多路遥控发射/接收系统设计红外接收专用集成电路CX20106还可选用NEC的uPC1373、uPC1490HA，SHARP的IX0614CE、IX0986CE，Sony的BX1323等编解码器MC145026/MC145027红外发射电路：红外管MLED81，三极管放大电路第3部分电子系统设计中的噪声及干扰抑制技术主要内容3.1噪声及干扰3.2布线及元器件安装3.3寄生振荡及其抑制方法3.4接地技术3.5屏蔽与隔离耦合技术3.6其它抗干扰技术3.1噪声及干扰噪声及干扰的来源：自然界的雷电、无线电发射装置发出的电磁波、生产现场的电弧、高压发电、电火花加工产生的电磁干扰、电源产生的工频干扰等噪声及干扰的危害：降低检测装置的分辨力和灵敏度，或引起放大器饱和而进入非线性区，甚至使整个检测系统工作失常3.1噪声及干扰静电耦合电磁耦合干扰传播的途径3.1噪声及干扰电磁辐射共阻抗耦合干扰传播的途径3.1噪声及干扰常用抗干扰措施：1、接地技术2、屏蔽技术3、隔离技术4、电源退耦、滤波技术5、调制解调技术6、平衡技术7、看门狗技术3.2布线及元器件安装在电子线路设计中，如果元器件的安装方法与布线不合理，就有可能产生噪声而形成干扰。因此，合理布线及正确安装元器件与电路的合理设计同等重要。下面对注意事项加以说明……3.2布线及元器件安装1、合理布线所谓合理布线就是设法减少电路中的分布电容、杂散电感。通常做法如下：……布线技术将强、弱信号线分开避免通过磁交链而产生电磁耦合，从而形成相互间的干扰减小布线的环路面积环路耦合到磁通便能感应出电压，从而形成一个电磁干扰。电流越大、频率越高，干扰越严重。减小印刷电路板布线的分布电容走线之间有分布电容，对高速数字脉冲电路影响大。双面PCB，可将两面重叠平行的走线互相错开一定的位置，可减少布线条之间的杂散分布电容。3.2布线及元器件安装元器件和导线的固定振动和冲击会引起电子系统中电路结构参数及电磁厂分布的变化而形成各类噪声干扰，导线在磁场中运动，则会由于切割了磁力线而产生感应电压。如果电子系统内部的元器件和导线固定不良，则在外力作用下会诱发振动而产生噪声干扰电压，尤其是高频电路受到振动时产生的噪声干扰电影更为显著，因此要特别注意元器件和导线的稳妥固定。元器件和导线的固定具体做法：对于质量较大的元器件，不可用其自身的引线固定，应采取另行的固定措施，必要时还要采取减振措施，如安装橡胶垫圈等。对于导线，通常采用捆扎走线的方法来固定，即将若干走向相同的导线捆扎在一起。切忌将高低压线、强弱电流线、交直流信号线捆扎在一起。一般是将导线分别归类捆扎。3.3寄生振荡及其抑制方法在放大器电路，特别是由集成运放构成的放大器电路中，因运放的开环增益较高，产生寄生振荡的可能性就比较大。寄生振荡是一种常见的干扰现象，较容易产生寄生振荡的电路如下：具有高增益的放大电路高频电路中存在较大的分布电容、分布电感或部分引线过长单级放大器的放大倍数过大容易产生寄生振荡的电路电路的输入和输出端相距太近，或输入与输出环路交链的面积过大或平行走线电路接地不良，接地点选择不合理，接地线过长多级放大器共用一个直流电源，且电源去藕滤波不良负反馈电路反馈过深3.3寄生振荡及其抑制方法抑制寄生振荡的一般方法：频率补偿在放大器的输入输出回路之间或是在并联的反馈回路中接入补偿电容C，补偿电容的取值一般为几皮法到几十皮法。电源滤波电源去藕。在每个集成运放的电源端接并联电容滤波电路，高低电容（exp:0.01,100uF；大电容低频滤波，小电容高频滤波）RC去藕滤波减小增益消除因某级电路增益过高而产生自激。多级共用电源要去藕3.4接地技术一般来讲检测装置电路接地是为了如下目的：安全；对信号电压有一个基准电位；静电屏蔽的需要。在这里主要研究用接地技术来抑制噪声干扰。接地线的种类保护接地线，出于安全防护的目的将检测装置的外壳屏蔽层接地用的地线。信号地线，它只是检测装置的输入与输出的零信号电位公共线，除特别情况之外，一般与真正大地是隔绝的。信号地线分为两种：模拟信号地线及数字信号地线，因前者信号较弱，故对地线要求较高，而后者则要求可低些。信号源地线，它是传感器本身的信号电位基准公共线。交流电源地线。在检测装置中，上列四种地线一般应分别设置，以消除各地线之间的相互干扰。3.4接地技术1、低频电路的一点接地一点接地的技术可以减小地线电阻和电感的影响。在所有低频电路中，一点接地原则都是等效的。如果电路系统中同时存在模拟电路、数字电路、放大电路及测量电路、机壳等，则应该先将各自的电路一点接地，然后再将这些地线成放射状并联一点接地。减小因地线串联而造成的电位差所产生的干扰。3.4接地技术2、仪器先接地再测量另一种地线干扰是由电子仪器接地不良或未接地引起的。Exp：用示波器观测信号3.4接地技术3、仪器的信号线与地线的连接测量交流信号时，也需要分清信号线和地线。如果测量仪器的信号线与地线反接，则被测电路的地线是悬浮的，对地会产生分布电容Cx，从而影响测量结果。3.4接地技术4、高频电路多点接地当工作频率高于1MHz，以至地线的长度达到信号波长的1/4时，谐振会使地线阻抗迅速减小，从而向外辐射噪声信号，产生严重的干扰。此外，在高频电路中，由于元器件自身的引线和电路布线的分布电感和电容都不能忽略，所以应该尽量采用短而粗的导线作为连接线。高频电路的接地方法是“就近接地”，即多点接地的方法，可以减小地线的阻抗。3.5屏蔽与隔离耦合技术1、屏蔽抑制电磁干扰电台串扰、人体干扰仪器……等一类干扰为空间电磁耦合干扰或电磁兼容。测量系统中的仪器设备、被测电路、元器件、连接线、大地和人体之间都存在着分布电容，这种电容在电路图中是无法表现出来，但所引起的空间电磁耦合干扰时客观存在的。特别是随着频率升高，分布电容的影响越大，空间电磁耦合干扰就越严重。减小这类干扰的最有效措施是屏蔽干扰源。屏蔽技术利用铜或铝等低阻材