第七章信号检测与处理电路

第七章信号检测与处理电路一、教学要求知识点教学要求学时掌握理解了解信号检测系统的基本组成√检测系统中的放大电路测量放大器的电路结构和工作原理√隔离放大器的电路结构和工作原理√有源滤波器滤波器的基础知识√低通、高通有源滤波器特性和分析方法√√带通、带阻有源滤波器电路结构与特性√电压比较器的特性和分析方法√二、重点和难点本章的重点和难点本章的重点是：测量放大器的电路结构和工作原理、滤波器的基础知识、低通和高通有源滤波器特性和分析方法、电压比较器的特性和分析方法。本章的难点是：二阶有源滤波器、迟滞比较器的电路分析。三、教学内容7.1信号检测系统的基本组成一般信号检测系统的前向通道主要包含传感器、放大器、滤波器、采样保持器和模数转换器等电路模块。将被测物理量转换成相应的电信号的部件称为传感器。传感器输出的电信号一般都比较微弱，通常需要利用放大电路将信号放大。然而，与被测信号同时存在的还会有不同程度的噪声和干扰信号，有时被测信号可能会被淹没在噪声及干扰信号之中，很难能分清哪些是有用信号，哪些是干扰和噪声。因此，为了提取出有用的信号，而去掉无用的噪声或干扰信号，就必须对信号进行处理。在信号处理电路中，应根据实际情况选用合理的电路。例如，当传感器的工作环境恶劣，输出信号中的有用信号微弱、共模干扰信号很大，而传感器的输出阻抗又很高，这时应采用具有高输入阻抗、高共模抑制比、高精度、低漂移、低噪声的测量放大器；当传感器工作在高电压、强电磁场干扰等场所时，还必须将检测、控制系统与主回路实现电气上的隔离，这时应采用隔离放大器；对于那些窜入被测信号中的差模干扰和噪声信号，通常需要根据信号的频率范围选择合理的滤波器来滤除。另外，在信号检测系统中，有时还需要对某些被测模拟信号的大小先做出判断后，再根据实际情况进行必要的处理，这一任务可利用电压比较器来完成。在数字化检测系统中，A/D转换器和采样/保持电路也是常用部件7.2检测系统中的放大电路测量放大器和隔离放大器是信号检测系统中常用的放大电路。1．测量放大器测量放大器又称为数据放大器或仪表放大器，它具有高输入抗阻、高共模抑制比等特点，常用于热电偶、应变电桥、流量计、生物电测量以及其它有较大共模干扰的直流缓变微弱信号的检测。三运放测量放大器是测量放大器的典型电路结构，只要电路参数对称性好，就可实现高共模抑制比的特性。然而，电路中的运放及电阻要作到完全对称确实比较困难，这就影响了其性能的进一步提高。因此，在要求较高的场合，应采用单片集成测量放大器。例如国产的ZF601，美国AD公司的AD521、AD522，以及美国国家半导公司的LH0038等。2．隔离放大器隔离放大器是一种特殊的测量放大电路，其输入回路与输出回路之间是电绝缘的，没有直接的电耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。在隔离放大器中，信号的耦合方式主要有两种：一种是通过光电耦合，称为光电耦合隔离放大器（如美国B-B公司生产的ISO100）；另一种是通过电磁耦合，即经过变压器传递信号，称为变压器耦合隔离放大器（如美国AD公司生产的AD277）。7.3滤波器的基础知识1．滤波器的功能滤波器的功能就是允许某一部分频率的信号顺利的通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制，它实质上是一个选频电路。滤波器中，把信号能够通过的频率范围，称为通频带或通带；反之，信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带；通带和阻带之间的分界频率称为截止频率；理想滤波器在通带内的电压增益为常数，在阻带内的电压增益为零；实际滤波器的通带和阻带之间存在一定频率范围的过渡带。2．滤波器的分类（1）按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。（2）按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。（3）按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种。无源滤波器：仅由无源元件（R、L和C）组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是：电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感L较大时滤波器的体积和重量都比较大，在低频域不适用。有源滤波器：由无源元件（一般用R和C）和有源器件（如集成运算放大器）组成。这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽（由于不使用电感元件）；缺点是：通带范围受有源器件（如集成运算放大器）的带宽限制，需要直流电源供电，可靠性不如无源滤波器高，在高压、高频、大功率的场合不适用。3.滤波器的主要参数（1）通带增益：滤波器通带内的电压放大倍数。（2）特征角频率和特征频率：它只与滤波用的电阻和电容元件的参数有关，通常。对于带通（带阻）滤波器，称为带通（带阻）滤波器的中心角频率或中心频率，是通带（阻带）内电压增益最大（最小）点的频率。（3）截止角频率和截止频率：它是电压增益下降到（即）时所对应的角频率。必须注意不一定等于。带通和带阻滤波器有两个，即和。（4）通带（阻带）宽度：它是带通（带阻）滤波器的两个之差值，即。（5）等效品质因数：对低通和高通滤波器而言，值等于时滤波器电路电压增益的模与通带增益之比，即；对带通（带阻）滤波器而言，值等于中心角频率与通带（阻带）宽度之比，即。4.有源滤波器的阶数有源滤波器传递函数分母中“”的最高“方次”称为滤波器的“阶数”。阶数越高，滤波器幅频特性的过渡带越陡，越接近理想特性。一般情况下，一阶滤波器过渡带按每十倍频20dB速率衰减；二阶滤波器每十倍频40dB速率衰减。高阶滤波器可由低阶滤波器串接组成。5.低通和高通滤波器之间的对偶关系（1）幅频特性的对偶关系当低通滤波器和高通滤波器的通带增益、截止频率或分别相等时，两者的幅频特性曲线相对于垂直线对称。（2）传递函数的对偶关系将低通滤波器传递函数中的换成，则变成对应的高通滤波器的传递函数。（3）电路结构上的对偶关系将低通滤波器中的起滤波作用的电容C换成电阻R，并将起滤波作用的电阻R换成电容C，则低通滤波器转化为对应的高通滤波器。7.4有源滤波器的分析方法1．有源滤波器的一般分析方法（1）根据有源滤波器的电路原理图，利用拉氏变换，列电路方程，求出滤波器的传递函数。在传递函数中，以代替，就可求得滤波器的频率特性。（2）把求所得的传递函数与滤波器传递函数的一般表达式比较，求出、或（中或）、或、和等主要参数。常用有源滤波器传递函数的一般表达式如表7.2.1所列。（3）画出滤波器的幅频特性和相频特性。2.滤波器的功能判别（1）当滤波器电路比较简单时，可根据电路中无源网络的特性判别。常见的几种RC无源网络如图7.1所示。其中，带通网络是由低通和高通网络串联组成，带阻网络是由低通和高通并联而成的T型网络。图7.1几种RC无源网络（a）低通（b）高通（c）带通（d）带阻（2）当电路比较复杂时，可将推导出的传递函数与表7.1所列的几种常用有源滤波器传递函数一般表达式比较判别。（3）当推导出滤波器幅频特性表达式时，可分别令和，通过分析幅频特性在这两种极限情况下的趋势来判别。表7.1常用有源滤波器传递函数的一般表达式滤波器类型传递函数通带增益一阶低通滤波器一阶高通滤波器二阶低通滤波器二阶高通滤波器二阶带通滤波器二阶带阻滤波器7.5电压比较器1．电压比较器的功能电压比较器是用来比较两个电压大小的电路，它的输入信号是模拟电压，输出信号一般只有高电平和低电平两个稳定状态的电压。利用电压比较器可将各种周期性信号转换成矩形波。2．运放的工作状态比较器电路中的运放一般在开环或正反馈条件下工作，运放的输出电压只有正和负两种饱和值，即运放工作在非线性状态。在这种情况下，运放输入端“虚短”的结论不再适用，但“虚断”的结论仍然可用（由于运放的输入电阻很大）。3．电压比较器的类型常用的电压比较器有零电平比较器、非零电平比较器、迟滞比较器和窗口比较器等电路。零电平和非零电平比较器只有一个阈值电压称之为单门限比较器；迟滞比较器和窗口比较器有两个阈值电压称之为多门限比较器。4．电压比较器的性能指标（1）阈值电压：比较器输出发生跳变时的输入电压称之为阈值电压或门限电平。（2）输出电平：输出电压的高电平和低电平。（3）灵敏度：输出电压跳变的前后，输入电压之差值。其值越小，灵敏度越高。然而，灵敏度越高，抗干扰能力就越差。零电平和非零电平比较器的灵敏度取决于运放从一个饱和状态转换到另一个饱和状态所需输入电压的值，而迟滞比较器的灵敏度等于两个阈值电压之差值。因而，迟滞比较器的抗干扰能力强。（4）响应时间：输出电压发生跳变所需的时间称之为响应时间。5．电压比较器的分析方法（1）根据输入电压使输出电压跳变的条件估算阈值电压。运放两个输入端电压差近似等于零是比较器输出电压发生跳变的临界条件，当同相输入端的电位高于反相输入端时，输出电压为正饱和值，反之为负饱和值。（2）根据具体电路，分析输入电压由高到低和由低到高变化时输出电压变化的规律。（3）画传输特性。传输特性是反映比较器输出电压与输入电压关系的曲线。（4）根据输入电压的波形和传输特性画输出电压的波形。四、典型例题滤波器例7-1例7-2例7-3例7-4例7-5例7-6例7-7例7-8比较器例7-9例7-10例7-11例7-12例7-13【例7-1】某放大电路如图所示，设各集成运算放大器都具有理想特性。试求：(1)；(2)电路的中频电压放大倍数；(3)整个电路的上、下限截止频率和之值。【相关知识】测量放大器、有源滤波器。【解题思路】分析电路结构，分别讨论各个单元电路的工作原理，推导电路输入输出关系。根据电路时间常数，计算电路的上、下限截止频率。【解题过程】在本电路中，运放、和构成三运放测量放大器，运放构成一阶低通滤波器，电容器（耦合电容）和负载构成高通滤波电路。(1)由图可以写出与的关系==所以(2)电路的中频电压放大倍数(3)整个电路的上、下限截止频率、的值分别是【例7-2】电路如图所示。已知集成运放均为理想运放；图（c）所示电路中R1＝R2，R4＝R5＝R6。（1）分别说明各电路是低通滤波器还是高通滤波器，简述理由；（2）分别求出各电路的通带放大倍数。【相关知识】低通滤波器，高通滤波器，通带放大倍数。【解题思路】（1）根据低通滤波器和高通滤波器的特点来识别电路：若输入电压频率趋于零时，而输入电压频率趋于无穷大时，则电路为低通滤波器；反之则为高通滤波器。（2）求解通带放大倍数的方法：对于低通滤波器，求解输入电压频率趋于零时的电压放大倍数即为通带放大倍数；对于高通滤波器，求解输入电压频率趋于无穷时的电压放大倍数即为通带放大倍数。【解题过程】（1）在电路（a）中，若输入电压频率趋于零，则C1和C2相当于开路，在集成运放两个输入端由于A构成电压跟随器，输出（1）若输入电压频率趋于无穷大，则C1和C2相当于短路，输出电压可见，电路（a）是低通滤波器，通带放大倍数（2）（2）在电路（b）中，若输入电压频率趋于零，则C1和C2相当于开路。由于在集成运放两个输入端为“虚地”，R2的电流为零，R1和R3的电流相等，即（3）若输入电压频率趋于无穷大，则C1和C2相当于短路，输出电压可见，电路（b）是低通滤波器，根据式（3），通带放大倍数（4）（3）在电路（c）中，A2与R4～R7组成反相求和运算电路，其输出电压将已知条件R4＝R5＝R6代入，可得（5）若输入电压频率趋于零，则C相当于开路，在A1集成运放两个输入端，其输出电压，代入式（5）得（6）若输入电压频率趋于无穷大，则C相当于短路，A1和R1、R2组成反相比例运算电路，其输出电压将已知条件R1＝R2代入，可