第2章信号调理电路-主讲放大滤波

第三章智能仪器的数据采集技术智能仪器的数据采集系统简称DAS（DataAcquisitionSystem），是指将温度、压力、流量、位移等模拟量进行采集、量化转换成数字量后，以便由计算机进行存储、处理、显示或打印的装置。第一节数据采集系统的组成结构传感器模拟信号调理数据采集电路微机系统图3.1数据采集系统的基本组成实际的数据采集系统往往需要同时测量多种物理量或同一种物理量的多个测量点。因此，多路模拟输人通道更具有普遍性。按照系统中数据采集电路是各路共用一个还是每路各用一个，多路模拟输人通道可分为集中采集式和分散采集式两大类型。一、集中采集式图3.2集中式数据采集系统的典型结构二、分散采集式(分布式)(a)分布式单机数据采集结构通信接口上位机数据采集站1数据采集站2数据采集站3数据采集站N…………………………模拟信号和数字信号(b)网络式数据采集结构图3.3分布式数据采集系统的典型结构第二节模拟信号调理在一般测量系统中信号调理的任务较复杂，除了实现物理信号向电信号的转换、小信号放大、滤波外，还有诸如零点校正、线性化处理、温度补偿、误差修正和量程切换等，这些操作统称为信号调理（SignalConditioning），相应的执行电路统称为信号调理电路。传感器前置放大低通陷波高通至采集电路图3.4典型调理电路的组成框图一、传感器的选用传感器是信号输人通道的第一道环节，也是决定整个测试系统性能的关键环节之一。要正确选用传感器，首先要明确所设计的测试系统需要什么样的传感器——系统对传感器的技术要求；其次是要了解现有传感器厂家有哪些可供选择的传感器，把同类产品的指标和价格进行对比，从中挑选合乎要求的性能价格比最高的传感器。(一)对传感器的主要技术要求1.具有将被测量转换为后续电路可用电量的功能，转换范围与被测量实际变化范围相一致。2.转换精度符合整个测试系统根据总精度要求而分配给传感器的精度指标，转换速度应符合整机要求。3.能满足被测介质和使用环境的特殊要求，如耐高温、耐高压、防腐、抗振、防爆、抗电磁干扰、体积小、质量轻和不耗电或耗电少等。4.能满足用户对可靠性和可维护性的要求。(二)可供选用的传感器类型对于一种被测量，常常有多种传感器可以测量，例如测量温度的传感器就有：热电偶、热电阻、热敏电阻、半导体PN结、IC温度传感器、光纤温度传感器等好多种。在都能满足测量范围、精度、速度、使用条件等情况下，应侧重考虑成本低、相配电路是否简单等因素进行取舍，尽可能选择性能价格比高的传感器。1.大信号输出传感器:为了与A/D输入要求相适应，传感器厂家开始设计、制造一些专门与A/D相配套的大信号输出传感器。传感器传感器传感器小信号放大信号修正与变换滤波A/D微机微机I/V转换V/F光电耦合小电流小电压大电压大电流图3.5大信号输出传感器的使用2.数字式传感器：数字式传感器一般是采用频率敏感效应器件构成，也可以是由敏感参数R、L、C构成的振荡器，或模拟电压输入经V/F转换等.数字量传感器一般都是输出频率参量，具有测量精度高、抗干扰能力强、便于远距离传送等优点。传感器放大整形光电隔离计算机传感器整形光电隔离计算机频率量输出开关量输出图3.6频率量及开关量输出传感器的使用3.集成传感器：集成传感器是将传感器与信号调理电路做成一体。例如，将应变片、应变电桥、线性化处理、电桥放大等做成一体，构成集成压力传感器。采用集成传感器可以减轻输人通道的信号调理任务，简化通道结构。4.光纤传感器：这种传感器其信号拾取、变换、传输都是通过光导纤维实现的，避免了电路系统的电磁干扰。在信号输入通道中采用光纤传感器可以从根本上解决由现场通过传感器引入的干扰。二、运用前置放大器的依据多数传感器输出信号都比较小，必须选用前置放大器进行放大。•判断传感器信号“大”还是“小”和要不要进行放大的依据又是什么？•放大器为什么要“前置”,即设置在调理电路的最前端？•前置放大器的放大倍数应该多大？VIN前置放大器K0后级电路KVISVIN0VOSVONKVVONIN/2200)()(KVKKVVININON图3.7前置放大器的作用20200)(KVVKKVVININONIN2020)(KVVVINININ20011KVVININ图3.8两种调理电路的对比21202021)()(INININININVVKKVKVV21202120)()(KVVKVKVVINININININ由于K＞1,所以，，这就是说，调理电路中放大器设置在滤波器前面有利于减少电路的等效输入噪声。ININVV三、信号调理通道中的常用放大器在智能仪器的信号调理通道中，针对被放大信号的特点，并结合数据采集电路的现场要求，目前使用较多的放大器有仪用放大器、程控增益放大器以及隔离放大器等。(一)仪用放大器图3.9仪用放大器的基本结构仪用放大器上下对称，即图中R1=R2，R4＝R6，R5＝R7。则放大器闭环增益为：假设R4=R5，即第二级运算放大器增益为1，则可以推出仪用放大器闭环增益为：由上式可知，通过调节电阻RG，可以很方便地改变仪用放大器的闭环增益。当采用集成仪用放大器时，RG一般为外接电阻。451/)/21(RRRRAGf)/21(1GfRRA在实际的设计过程中，可根据模拟信号调理通道的设计要求，并结合仪用放大器的以下主要性能指标确定具体的放大电路。1.非线性度它是指放大器实际输出输入关系曲线与理想直线的偏差。2.温漂温漂是指仪用放大器输出电压随温度变化而变化的程度。3.建立时间建立时间是指从阶跃信号驱动瞬间至仪用放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需的时间。4.恢复时间恢复时间是指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和状态恢复到最终值所需的时间。放大器的建立时间和恢复时间直接影响数据采集系统的采样速率。5.电源引起的失调电源引起的失调是指电源电压每变化1%，引起放大器的漂移电压值。仪用放大器一般用作数据采集系统的前置放大器，对于共电源系统，该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一。6.共模抑制比当放大器两个输入端具有等量电压变化值UI时，在放大器输出端测量出电压变化值UCM，则共模抑制比CMRR可用下式计算：ICMUUCMRRlg20(1）INA114简介INA114/115是一个低成本的仪用放大器，它不需要外接失调调整电路就可获得很高的精度。用户在—般使用时，只需外接一只普通电阻就可1～10000可变，正、负输入端具有内部过压保护电路，其保护范围可达±40V，具有很高的共模抑制比和很低的失调电压及漂移电压。它可在±2.25V的电源下工作，适合电池供电及单一＋5V供电系统使用。INA114/115可广泛应用于桥式放大器、热电偶测量放大器、医用放大器及数据采集放大器等，其主要性能参数如下：失调电压：50μV；温度漂移：0.25μV/℃；输入偏置电流：2nA（最大值）；输入失调电流：2nA；共模抑制比：115dB（A=1000）；长期稳定性：每月±0.2μV左右；输入共模电压：±13.5V左右；输入过载保护：±40V；电源电压范围：±2.25～±18V；静态电流：3mA。图3.11INA114电路结构与基本接法(1）基本接法INA114采用A1、A2及A3三个运放组合结构。增益A通过外接电阻RG来调控，并由式确定。INA115的电路结构、基本接法与INA114基本相同。GRG501(2）典型应用图为热电偶传感器与INA114连接的应用电路。当测量点T过远时，应增加低通滤波电路，以免噪声电压损坏器件。增益要根据具体所选的热电偶的类型而定。INA114基本测量电路其他型号仪表放大器（见PDF资料）AD620仪表放大器仪表用集成运放芯片TL081、TL082、TL084。(二)程控增益放大器程控放大器是智能仪器的常用部件之一，在许多实际应用中，特别是在通用测量仪器中，为了在整个测量范围内获取合适的分辨力，常采用可变增益放大器。在智能仪器中，可变增益放大器的增益由仪器内置计算机的程序控制。这种由程序控制增益的放大器，称为程控放大器。程控增益放大器又称为可编程增益放大器（ProgrammableGainAmplifier,PGA）。程控增益放大器的基本形式是由运算放大器和用模拟开关控制的电阻网络（反馈电阻网络）组成的。模拟开关可用数字编码控制，数字编码可用数字硬件电路实现，也可用计算机根据需要来控制。程控增益放大器基本原理图1RRUUGifinout，闭合不同的开关Si，接入不同的反馈电阻，便能改变放大器的增益。选择开关Si可用场效应管或集成模拟开关实现。对于测量精度要求高的场合，就可选用专用的仪表放大器，通过数字编码控制模拟开关切换反馈电阻，以实现增益控制。程控增益放大器与普通放大器的差别在于反馈电阻网络可变。不同的控制信号，将产生不同的反馈系数，从而改变放大器的闭环增益。要提高程控增益放大倍数的准确度，可采用下列措施：（1）选用精密测量电阻。因为程控增益放大器的放大倍数一般是由外接电阻决定的，电阻值的准确度决定了放大倍数的准确度，所以电阻要选用精密测量电阻，并且要精确匹配。（2）选择转换开关。电路中的转换开关应根据不同的要求选用不同的开关，电子模拟开关可用场效应管组成，也可采用集成模拟开关。电子模拟开关的特点是体积小、响应速度快，但它并不是理想的开关，在导通时有一定的导通电阻，这将影响放大倍数的精度。在响应速度要求不高的情况下，甚至可采用机械继电器做开关，这可大大减小导通电阻（一般只有几百甚至几十毫欧）。其他型号仪表放大器（见PDF资料）AD8253程控放大器(三)隔离放大器隔离放大器主要用于要求共模抑制比高的模拟信号的传输过程中，例如输入数据采集系统的信号是微弱的模拟信号，而测试现场的干扰比较大对信号的传递精度要求又高，这时可以考虑在模拟信号进入系统之前用隔离放大器进行隔离，以保证系统的可靠性。由于隔离放大器采用了浮离式设计，消除了输入、输出端之间的耦合，因此具有以下特点：1.能保护系统元件不受高共模电压的损害，防止高压对低压信号系统的损坏。2.泄漏电流低，对于测量放大器的输入端无须提供偏流返回通路。3.共模抑制比高，能对直流和低频信号（电压或电流）进行准确、安全的测量。目前，隔离放大器中采用的耦合方式主要有三种：变压器耦合、光耦合和电容耦合。利用变压器耦合实现载波调制，通常具有较高的线性度和隔离性能，但是带宽一般在1kHz以下。利用光耦合方式实现载波调制，可获得10kHz带宽，但其隔离性能不如变压器耦合。图3.12GF289集成隔离放大器有源滤波电路滤波器是一种能使有用信号通过，滤除信号中无用频率，即抑制无用信号的电子装置。(淘宝买成品搜索：有源滤波模块)滤波器的用途例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。它是在运算放大器的基础上增加一些R、C等无源元件而构成的。低通滤波器（LPF）高通滤波器（HPF）带通滤波器（BPF）带阻滤波器（BEF）有源滤波电路的分类低通滤波器的主要技术指标（1）通带增益Avp通带增益是指滤波器在通频带内的电压放大倍数，性能良好的LPF通带内的幅频特性曲线是平坦的，阻带内的电压放大倍数基本为零。（2）通带截止频率fp其定义与放大电路的上限截止频率相同。通带与阻带之间称为过渡带，过渡带越窄，说明滤波器的选择性越好。pppj11π211ffARCfAuu空载：ppLpLLpj1)(π21ffAACRRfRRRAuuu∥带载：空载时带负载时无源滤波电路和有源滤波电路负载变化，通带放大倍数和截止频率均变化。无源滤波电路的滤波参数随负载变化；有源滤波电路的滤波参数不随负载变化，可放大。无源滤波电路可用于高电压大电流，如直流电源中的滤波电路；有源滤波电路是信号处理电路，其输出电压和电流的大小受有源元件自身参数和供电电源的限制。有源滤波电路用电压跟随器隔离滤波电路与负载电阻4.教学基本要求：电路的识别，幅频特性的分析计算一