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。sRsRsiRRiR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(iouRRu2212)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。2Riciiuuu21当时,由于icBAuuu,2R中电流为零,icoouuu21,输出电压0ou。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。tRR21ssuu0outRtR1su11ssuu1su1su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∞+-+∞+-+∞+-[phone]A1A3A24.44k40440.0420k20k20k20k20k20k5p5p5p5p116129V+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。M410dB1.0kHz300V15V5.12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，0uu，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：tftttfouCCuCjCju11（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fCfRfRffRC1fffCR2/1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iuiuoufRouiuouifouRRu1fRR1iouu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iuiouu20)2()2()2(221iiiioioouuuuuRuRuRuiu02ou0iouuiu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。。