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当前位置:首页 > 电子/通信 > 综合/其它 > 模拟电子技术第8章 信号检测与处理电路
1、模拟电子技术信号检测与处理电路第8章8.2有源滤波电路8.3电压比较器8.1信号检测系统中的放大电路模拟电子技术8.1信号检测系统中的放大电路8.1.1精密仪用放大器8.1.2电荷放大器8.1.3采样保持电路8.1.4精密整流电路模拟电子技术8.1.1精密仪用放大器1.精密仪用放大器的特点2.精密仪用差分放大器电路模拟电子技术1.精密仪用放大器的特点在实际信号检测系统中,通常前端都用传感器获取信号,即把被测物理量通过传感器转换为电信号,然后进行放大。但是,根据传感器的基本原理,作为信号源的传感器,多数的等效电阻均不是常量,它们随所测物理量和环境的变化而变。这样,对于放大电路而言,相当于信号源内阻是变量,根据前述源电压放大倍数的表达式usiiusARRRA模拟电子技术可以看出:放大器的放大能力将随或被测物理量和环境的变化而变化。为保证放大器对不同测试物理量具有稳定的放大倍数,或者说为了降低对放大倍数的影响,就必须使得放大器的输入电阻,越大,因信号源内阻变化而引起的放大误差就愈小。此外,从传感器所获得的信号常为差模小信号,并含有较大共模部分,其数值有时远大于差模信号。因。
2、此,要求放大器应具有较强的抑制共模信号的能力。综上所述,精密仪用放大器除具备足够大的放大倍数外,还应具有高输人电阻和高共模抑制比。sRsRsiRRiR模拟电子技术2.精密仪用差分放大器电路•(1)电路组成和工作原理•(2)应用举例•(3)集成仪用放大器模拟电子技术(1)电路组成和工作原理精密仪用放大器的电路多种多样,最常用的为由三个集成运放组成的差分测量放大电路,其它种类电路大多由该类电路演变而来。差分测量放大器电路如图8-1所示,由两个高阻型集成运放A1、A2和低失调集成运放A3组成。由于A1、A2各自组成同相输入的电压串联负反馈电路,故具有较高输入阻抗。A3组成后级差分放大电路。模拟电子技术•图8-1所示电路中,由于A1、A2组成了对称的差分式放大电路,因此,可把的中点看成零电位,相当于虚地。这样A1、A2各自构成了同相比例放大电路。故其输出为:∞+-+∞+-+A1A2∞+-+uI1uI2uO1ABIR1R2R1uO2RRRFRFuOA3图8-1差分测量电路模拟电子技术1211)2/1(iouRRu2212)2/1(iouRRu第二级A3组成为差分放大电路,因而有。
3、:))(21()(212121iiFooFouuRRRRuuRRu(8-1)可见,图8-1所示电路放大了差模信号,抑制了共模信号。当输入信号中含有共模噪声时,也将被抑制;差模放大倍数越大,共模抑制比越高时,效果就越好。同时,调节可改变电路和放大倍数。为了减小误差,要求采用精密电阻。由于测量放大电路具有较高精度和良好性能,在微弱信号检测中得到广泛应用。2Riciiuuu21当时,由于icBAuuu,2R中电流为零,icoouuu21,输出电压0ou。模拟电子技术(2)应用举例•图8-2所示为一实际测量温度的电路,由电阻温度变换器和组成测量桥路。当电桥平衡时,,相当于共模信号,故输出。这表明测量放大器有较高的共模抑比和较小的温漂。•若测量桥臂感受到温度变化后,产生与相应的微小信号变化,相当于差模信号,能进行有效地放大。相反如果取一端对地信号,用一般单管组成的直流放大电路进行放大,则其输出难以反映微小变化量的放大信号,因放大后的将淹没了。tRR21ssuu0outRtR1su11ssuu1su1su模拟电子技术∞+-+∞+-+A1A2∞+-+us1+。
4、Δus1uO1R1uO2RRRFRFuOA3R2us2R1RRtRRVCC图8-2温度测量电路模拟电子技术•图8-1所述测量放大电路中,A1、A2运放特性难以匹配,电阻值也不可能特别精确,因此放大还有一定的误差。目前采用混合集成工艺,可将高性能集成运放和精密电阻都集成在一个单片电路中,使电阻的阻值和运放特性匹配达到极高精度和相对温度的稳定性。•常用集成精密测量放大器型号有:LH0036、LH0037、LH0038C、LF352、AD521、AD522;超高精度有:INAl01、IN104;低功耗型:INl02;精密型:LMl63、LM363。数字可控增益:LH0086。低漂移型:3626、3629等。•图8-3所示是型号为INA102的集成仪用放大器,图中各电容均为相位补偿电容。第一级电路由A1和A2组成,与图8-1所示电路中的A1和A2对应,第二级电路的电压放大倍数为1。(3)集成仪用放大器模拟电子技术∞+-+∞+-+∞+-+1423457815A1A3A24.44k40440.0420k20k20k20k20k20k5p5p5p5p116129V+V-1311108图8-3INA1。
5、02集成仪用放大器模拟电子技术•INA102是高精度单片仪表放大器,设计用于低静态功率条件下的信号放大。•INA102使用方便,只需简单地选择连接适当的引脚,就可得到增益1(管脚6和7相连)、10(管脚2、6和7相连)、100(管脚3、6和7相连)或1000(管脚4和7,5和6相连)。•当要求共模抑制比高于芯片自身共模抑制比时,芯片引脚外部提供调节以满足要求,在输出部分完成平衡滤波。1NA102可用于各种信号源的放大,如应变计量器(重量计的应用)、热电偶、桥路传感器,还可用于远程传感器放大、低电平信号放大、多通道系统、电池供电设备等。•INA102的输入电阻可达,共模抑制比为100,输出电阻为,小信号带宽为;当电源电压为时,最大共模输入电压为。M410dB1.0kHz300V15V5.12模拟电子技术8.1.2电荷放大器•常见的压电式加速度传感器、压力传感器、CCD等传感器属于电容性传感器,这类传感器的阻抗非常高,呈容性,输出电压很微弱;它们工作时,将产生正比于被测物理量的电荷量,且具有较好的线性度。•积分运算电路可以将电荷量转换成电压量,电路如图8-4所示。电容性传感器可等效。
6、为因存储电荷而产生的电动势与—个输出电容串联。、和电容上的电量之间的关系为:tututCtCq模拟电子技术ttCqu(8-3)在理想运放情况下,根据“虚短”和“虚断”的基本概念,0uu,为虚地。将传感器对地的杂散电容C短路,消除因C而产生的误差。输出电压为:tftttfouCCuCjCju11(8-2)模拟电子技术•将(8-2)式代入上式可得:foCqu为防止因fC长时间充电导致集成运放饱和,常在fCfRfRffRC1fffCR2/1上并联电阻。如图8-5所示。并联电阻后,为了使,传感器输出信号频率不能过低,应大于。∞+-+CfRf传感器uO图8-5改进后的电荷放大器模拟电子技术•在实用电路中,为了减少传感器输出电缆的电容对放大电路的影响,一般常将电荷放大器装在传感器内;而为了防止传感器在过载时有较大的输出,则在集成运放输入端加保护二极管。模拟电子技术在数据采集系统中,通常要将连续变化的模拟信号转换成离散的数字信号,这个过程称为A/D转换。在A/D转换前,需要及时地跟踪采样模拟信号,在A/D转换过程中,需要保持采样值不变,直至A/D转换结束,然后开。
7、始下一个采样阶段。实现这种功能的电路叫做采样保持电路(SampleandHold,简称S/H)。8.1.3采样保持电路模拟电子技术1.电路工作原理基本采样保持电路如图8-6(a)图所示,它由模拟电子开关S、保持电容、输出缓冲器A及开关控制逻辑电路等组成。S接通时为采样节拍,S断开时为保持节拍。对理想S/H电路,当模拟开关S闭合(电路进入采样期)时,输出应等于输入信号,当模拟开关S断开(电路进入保持期)时,输出应保持开关断开时刻的而始终不变。ouhCouiuiu模拟电子技术uiuo∞+-+ChS/H控制逻辑SUCUC采样保持uo(理想)uo(实际)uit0t1t2t3t(a)基本S/H电路(b)相应曲线图8-6基本S/H电路及相应曲线模拟电子技术实际采样保持电路中,上述要求是很难实现的。如图8-6(b)图所示,设在时刻,开关闭合,电路进入采样期,输出随着被输入信号充电而逐渐上升,直到时刻才等于,并在以后的时间里继续跟踪输入信号的变化。称为捕捉时间,显然捕捉时间和信号源的输出电阻、模拟开关的导通电阻、保持电容的容量有关。•0touhCiuiu1tiu01tttAC模拟电子技术。
8、•为了使信号源与S/H电路之间有良好的隔离,减小信号源内阻对捕捉时间的影响,通常信号先经一电压跟随器,然后在接入S/H电路,如图8-7所示。•图中,A1为输入缓冲器,A2为输出缓冲器,结型场效应管VT为电子开关,是它的控制电压。当时,VD1截止,VT导通,电路工作在采样期;当时,VDl导通而VT截止,电路工作在保持期。•在这个电路中,A1、A2各构成跟随器形式,整个电路是开环的,具有较高的工作速度。但是,由于场效应管栅——漏沟道电容将夺取保持电容上的部分电荷,从而造成一定的电压误差。为了提高整个电路的精度,不得不适当地加大的容量,而这又会降低工作速度。2.实用的采样保持电路cU)(minoffGSicUUU模拟电子技术∞+-+R1A1∞+-+A2ChVTVD1UCuiuo图8-7开环型S/H电路在要求精度较高的情况下,可采用如图8-8所示的反馈型S/H电路。图中VD1和VT的作用与图8-7所示电路相同。∞+-+R1A1∞+-+A2ChVTVD1UCuiuoR2VD3VD2图8-8反馈型S/H电路模拟电子技术ou2RouiufAouiuou1ou1ou在采样期,VT导通,输出电压通过。
9、反馈到输人缓冲放大器A1的反相端,若不等于,则差值将放大,直至等于。因此,可以消除模拟开关不理想及运放失调等因素带来的精度误差。在此阶段,由于VD2、VD3两端电压近似相等,所以均不导通。在保持期,维持不变,但因VT断开将使A1处于开环状态,如果没有VD2或VD3,A1的输出将趋于饱和值。VD2、VD3的作用就是防止Al进入饱和状态。因为当增大到一定值时,VD2或VD3强制导通,使A1变成跟随器,避免了饱和。模拟电子技术由于硅二极管的起始导通电压约为0.7V,因此,在用二极管组成的普通整流电路中,当被整流的信号电压在1V以下时,将会产生很大的整流误差,面对小于二极管起始导通电压的交流信号,就无法整流。用二极管和运算放大器组成的精密整流电路,可以克服上述缺点。如图8-9(a)所示电路.8.1.4精密整流电路uiωt0π2π3πuoωt0π2π3π∞+-+uiuouo'VD2RfVD1R1(a)精密整流电路(b)波形图图8-9精密整流电路及波形图模拟电子技术iuiuoufRouiuouifouRRu1fRR1iouu在图8-9(a)所示的电路中,设被整流电路为正弦信号,当为正。
10、值时,运放输出端电压为负值,这时VD2导通而VD1截止。在电阻上无电流流过,故输出为零。当为负值时,运放输出端电压为正值,这时VD1导通而VD2截止,图8-9(a)组成了反向比例运算电。当时,。其输入与输出波形如图8-9(b)所示。这是一个精密半波整流电路,有时也称为理想二极管电路。路,则输出电压uiωt0π2π3πuoωt0π2π3π4π4π∞+-+uiuo1VD2RVD1∞+-+uo22RRRuo2RA1A2(a)精密全波整流电路(b)波形图图8-10精密全波整流电路及波形图模拟电子技术iuiouu20)2()2()2(221iiiioioouuuuuRuRuRuiu02ou0iouuiu将理想二极管电路和加法器结合,就构成如图8-10(a)所示的精密全波整流电路。图中运放Al和VD1、VD2构成理想二极管电路,运放A2组成一反相加法器。显然,当为正时,VD1导通而VD2截止,理想二极管电路的输出,而加法器的输出。当为负时,VD2导通而VD1截止,理想二极管电路的输出,加法器的输出。因此,无论为正或负,电路的输出总是为正,所以称该电路为绝对值电路。。
本文标题:模拟电子技术第8章 信号检测与处理电路
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