硬件基础知识培训-常用信号调理电路

智能控制室硬件基础知识传感器信号调理电路主要涉及内容•比较放大电路常用器件以及设计方法，经典应用等。•隔离电路的分类，器件选型。•选频网络的器件分类，以及各自特点，及适用范围。•信号通道的多路复用实现方法，及注意事项。•不容类型信号之间比例转换电路，如电压电流切换电路。信号调理电路在控制系统中的重要性在整个智能控制系统中，只有传感器输出的信号是非常微弱，需要重点处理的信号，它影响着整个系统运行的准确性与稳定性，事实上也是相比数字电路或者输出驱动电路而言设计难度较大、风险较高的其中一部分，针对不同的传感器要采用不同的方案来调理信号，为控制电路提供稳定、有效的信息是做好控制系统的前提，所以传感器信号调理电路的重要性是不言而喻的。信号调理电路定义信号调理电路的任务：把传感器转换的微弱电信号变换为用于数据采集、控制过程、执行、计算、显示或其他目的的电信号。模拟传感器可测量很多物理量，如温度、压力、光强、磁场、颜色、气味等...但由于大多数传感器信号不能直接转换为数字数据，这是因为传感器输出是相当小的电压、电流或电阻变化，因此，在变换为数字信号之前必须进行调理。调理就是放大，缓冲或定标模拟信号等，使其适合于模/数转换器(ADC)的输入。然后，ADC对模拟信号进行数字化，并把数字信号送到MCU或其他数字器件，以便用于系统的数据处理。放大器在信号调理电路中的最佳位置在电子电路中，放大的对象是变化量，常用的测试信号是正弦波。放大电路放大的本质是在输入信号的作用下，通过有源元件（BJT或FET）对直流电源的能量进行控制和转换，使负载从电源中获得输出信号的能量，比信号源向放大电路提供的能量大的多。放大器本身并不会产生能量。因此，电子电路放大的基本特征是功率放大，表现为输出电压大于输入电压，输出电流大于输入电流，或者二者兼而有之。在放大电路中必须存在能够控制能量的元件，即有源元件，如BJT和FET等。由右图分析可以知道，信号放大器应该尽量放置到传感器最近的地方，才能保证不容易收到各种干扰，比较容易的提高了信噪比。静态工作点静态工作点：三极管放大电路中，三极管静态工作点就是输入信号为零时，电路处于直流工作状态，这些电流、电压的数值可用BJT特性曲线上一个确定的点表示，该点习惯上称为静态工作点Q，设置静态工作点的目的就是要保证在被放大的交流信号加入电路时，不论是正半周还是负半周都能满足发射结正向偏置，集电结反向偏置的三极管放大状态。固定偏置三极管共射放大分压偏置晶体管放大器基本关系式:)(20)~(10)(10)~(5BQ1BQ1锗管硅管IIII工作点稳定的必要条件：I1IBQ，一般取直流负反馈愈强，电路的稳定性愈好。所以要求VBQVBE，即VBQ=(5~10)VBE，一般取)(3)V~(1)(5)V~(3BQBQ锗管硅管VVBEQBQCQEQEQCQVIIVIIT稳定静态工作点的原理：分压偏置三极管共射放大晶体管放大器静态工作点设计步骤一、根据设计要求（电压放大倍数、输入输出电阻、稳定性等）选择合适的三极管。CQEQCQBEBQEIVIVVR二、对于小信号放大器，一般取：ICQ=0.5mA~2mA，VEQ=(0.2~0.5)VCCβIVIVRCQBQ1BQB2)10~5(B2BQBQCCB1RVVVR)(ECCQCCCEQRRIVV三、计算发射极电阻：四、计算分压偏置电阻：晶体管放大器性能指标晶体管放大器的主要性能指标有：1)电压放大倍数Av2)输入电阻Ri3)输出电阻Ro4)通频带BWbeLioVrRVVA式中，RL’=RC//RL；rbe为晶体管输入电阻，即mA}{mV26300mA}{mV26)1(mACQmAEQbbeIIrr输入电阻：beB2B1bei////rRRrRCCoo//RRrR输出电阻：电压放大倍数：晶体管放大器通频带频率特性和通频带：放大器的频率特性包括幅频特性A()和相频特性()。A()表示增益的幅度与频率的关系；()表示增益的相位与频率的关系；是放大器输出信号与输入信号间的相位差。0－3中频区低频区高频区BWfLfHf/Hzf/Hz－90－180－270/度20lgAV/dB0(a)(b)fHfL通频带BW=fH–fL式中，fH为放大器的上限频率，主要受晶体管的结电容及电路的分布电容的限制；fL为放大器的下限频率，主要受耦合电容CB、CC及射极旁路电容CE的影响。根据传感器及设计需求选择放大电路驻极体话筒•内部结构驻极体话筒具有体积小、结构简单、电声性能好、价格低的特点，广泛用于电话、手机、录音机、无线话筒及声控等电路中。属于最常用的电容话筒。由于输入和输出阻抗很高，所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗转换器，为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。光敏电阻光敏电阻是利用物体的导电率会随着外加光照的影响而改变的性质而制作的一种特殊电阻。•光敏电阻的特点：可靠性好体积小灵敏度高光谱特性好受温度影响较大响应速度不快有前历效应•光敏电阻的适用范围：户内户外照明控制系统，如路灯、走廊、室内声光控灯。家居自动控制，如自动窗帘自动门等。报警控制系统，如烟雾报警器，电子玩具等等。•光敏电阻使用注意事项：1、不同材质的光敏电阻的光谱效应曲线不同，灵敏度不同。2、对光感应速度有要求的时候注意其反应时间，以及它的前历性，温度影响大的特性，各种因素综合考虑，计算测试最坏情况是否失效现象发生等。主要参数举例：CdS（硫化镉）最大电压(VDC)：150最大功耗(MW)：50环境温度：-30～+70光谱峰值(nm)：540亮电阻（10LUX光源下）：8-20KΩ暗电阻（MIN）/MΩ：0.5运放比较放大电路为了突出主要特性，简化分析过程，在分析实际电路时，一般将实际运放当作理想运放看待。所谓理想运放是指具有如下理想参数的运放：开环电压放大倍数Aod=∞输入电阻rid=∞输出电阻ro＝0频带宽度B＝∞共模抑制比CMRR＝∞输入偏置电流IB1＝IB2＝0失调和温漂等均为零。工作在线性区域的理想运放具有两个重要特性：1.理想运放两个输入端的电位相等。因为U--U+=UO／Aod，而Aod＝∞，UO为有限值，故有:U-=U+2.理想运放的输入电流为零，这是由于rid=∞，所以有：Ii＝0这两条特性大大简化了运放应用电路的分析过程，是分析运放工作在线性区域的各种电路的基本依据，这两条特性常用虚短这个概念来概括。所谓虚短，是指对电压而言，两个输入端是短路的；但对电流而言，两个输入端却是开路的。同相比例放大器•基本电路：电压串联负反馈•电路特点：输入电阻高，输出电阻小，带负载能力强，通常用来做小信号阻抗转换电路V-=V+=Vi，所以共模输入等于输入信号，对运放的共模抑制比要求高.反相比例放大器•基本电路：电压并联负反馈电路特点：输出电阻小，带负载能力强，反相端为虚地，所以共模输入可视为0，对运放共模抑制比要求低。差动比例运算放大器滞回电压比较器原理及特性滞回电压比较器原理及特性1、正向过程正向过程的阈值为形成电压传输特性的abcd段3、利用求阈值的临界条件和叠加原理方法，不难计算出同相滞回比较器的两个阈值2、负向过程负向过程的阈值为形成电压传输特性上defa段。由于它与磁滞回线形状相似，故称之为滞回电压比较器。两个阈值的差值ΔUTH=UTH1–UTH2称为回差。改变R2值可改变回差大小，调整UR可改变UTH1和UTH2，但不影响回差大小。即滞回比较器的传输特性将平行右移或左移，滞回曲线宽度不变。滞回电压比较器原理及特性•比较器的波形变换•在抗干扰方面的应用(a)输入波形；(b)输出波形运算放大器与比较器区别LM324四运算放大器LM358双运放LM339四电压比较器LM393双电压比较器比较器和运放虽然在电路图上符号相同，但这两种器件确有非常大的区别，一般不可以互换，区别如下:1、比较器的翻转速度快，大约在ns数量级，而运放翻转速度一般为us数量级(特殊的高速运放除外)。2、运放可以接入负反馈电路，而比较器则不能使用负反馈，虽然比较器也有同相和反相两个输入端，但因为其内部没有相位补偿电路，所以，如果接入负反馈，电路不能稳定工作。内部无相位补偿电路，这也是比较器比运放速度快很多的主要原因。3、运放输出级一般采用推挽电路，双极性输出。而多数比较器输出级为集电极开路结构，所以需要上拉电阻，单极性输出，容易和数字电路连接。低压轨到轨（英文名Rail-to-Rail）运放LM324LMV324(低压轨到轨)LM358LMV358(低压轨到轨)名词解释：由内部电路处理之后，输出电压可以肥肠接近地或者电源电压。信号隔离隔离的信号调理设备通过使用变压器、光或电容性的耦合技术，无需物理连接即可将信号从它的源传输至测量设备。除了切断接地回路之外，隔离也阻隔了高电压浪涌以及较高的共模电压，从而既保护了操作人员也保护了昂贵的测量设备。光耦合隔离光耦合器件分类：主要参数主要有通用型（又分无基极引线和基极引线两种）、达林顿型、施密特型、高速型、光集成电路、光纤维、光敏晶闸管型（又分单向晶闸管、双向晶闸管）、光敏场效应管型。电流放大系数传输比CTR根据传输信号的性质选择光耦合的种类，比如数字信号和模拟信号对光耦合传输线性要求差别很大。隔离电压：发光管和光敏接收管之间的耐压值正向电流IF正向电流、反向耐压等光耦合隔离•模拟信号良好线性隔离传输选频网络•RC选频网络•LC选频网络•陶瓷选频元件•声表面波滤波器•RC串并联网络的选频特性滤波器在一定的频率范围内去处不希望的噪声。几乎所有的数据采集应用都会受到一定程度的50Hz或60Hz的噪声（来自于电线或机械设备）。大部分信号调理装置都包括了为最大程度上抑制50Hz或60Hz噪声而专门设计的低通滤波器。选频网络如上图所示，RC串并联网络由R2和C2并联后与R1和C1串联组成。RC串并联网络频率特性如右图所示。理论分析可知，若R1=R2=R，C1=C2=C，则RC串并联网络只有在RCff210输出幅度最大（F=1/3）,而且输出电压与输入电压同相，因此，RC串并联网络具有选频特性。选频网络RC桥式振荡电路RC桥式振荡电路VDI,VD2主要作用是使其更容易起振，放大倍数必须至少大于1。RC振荡器适用范围：低频的震荡使用RC选频只需要使用阻值较大的电阻，不像LC选频，低频需要较大电感，造成体积和成本的增加，所以并不需要附加成本。但遗憾的是RC震荡同样不能用于高频振荡，原因是它的品质因数差，频率稳定度低。选频网络s11jjjZrLrLCC01LC串联LC谐振回路的阻抗特性串联LC谐振回路如右图所示，图中，L是电感线圈，r是电感线圈L中的电阻，C为电容。当信号角频率为(2f)时，回路的阻抗为串联LC谐振电路当=0时，产生串联谐振，感抗与容抗相等，Zs为最小（纯电阻r），串联谐振角频率0为品质因数Q为：001LQrCr选频网络串联LC谐振回路的选择性串联谐振回路的谐振曲线串联谐振回路的谐振曲线如右图所示。从图中可见回路的品质因数越高，谐振曲线越尖锐，回路选择性越好。当保持外加信号的幅值不变而改变其频率时，将回路电流值下降为谐振值的时所对应的频率范围称回路的通频带亦称回路带宽，通常用B表示，有：0fBQ选频网络并联LC谐振回路的阻抗特性p1jj1jjrLCZrLC并联LC谐振回路如图所示，图中，L是电感线圈，r是电感线圈L中的电阻，C为电容。当信号角频率为时，回路的阻抗为并联LC谐振回路并联谐振频率为：01LC品质因数Q为：001LQrCrLC并联谐振典型应用7管超外差式调幅收音机电路多路复用通过多路复用技术，一个测量系统可以不间断地将多路信号传输至一个单一的数字化仪，从而提供了一种节省成本的方式来极大地扩大系统通道数量。多路复用对于任何高通道数的应用是十分必要的。模拟开关：主要是完成信号链路中的信号切换功能。采用M