智能测控系统设计2_信号调理与抗干扰.

智能测控系统设计第三章信号调理电路与抗干扰3.1常用放大器3.2可编程增益放大器（PGA）3.3模拟滤波器3.4电压/电流变换器3.5电压/频率变换器3.6前置放大器的噪声3.7干扰的耦合方式及抑制措施3.8干扰的叠加方式及抑制措施3.9电源干扰的滤除传感信号如何调理智能测控系统设计3.1常用放大器通常情况下，集成运算放大器可以实现大部分的信号调理功能，因此应用最为广泛。选择运算放大器，需要根据以下几个考量：4.对于专用功能的信号调理电路，应尽量选择专用芯片，以简化设计。1.信号调理电路对运放的性能要求，从而选择参数合适的运放，如输入阻抗、漂移、响应速度等；2.使用环境的要求，从而选择等级合适的运放，如工业级、军用级等；3.其它考虑,如信号隔离、多运放、封装、价格等;智能测控系统设计运放的主要性能参数输入阻抗：输入阻抗越大越好，高频时输入电容变得重要。输出阻抗：输出阻抗越小越好。噪声：运放内部噪声的大小，用输入噪声电压密度和输入噪声电流密度来表示。输入偏流：两个输入端电流的平均值。偏流会引起运放不平衡而产生输出。偏流越小越好。场效应输入级偏流最小。输入失调电流：为使输出为零，一个输入端比另一个输入端需要更大的电流，这个电流为输入失调电流。输入失调电压：为使输出为零，在一个输入端上加上一个小的电压（另一个输入端接零伏），这个电压为输入失调电压。温度效应：温度引起的输入失调电流和输入失调电压的漂移。转换速率：单位时间内电压变化的最大值。增益带宽积：增益带宽积＝增益×带宽＝单位增益频率。共模抑制比：差动增益/共模增益，以分贝表示。智能测控系统设计运放的主要性能参数列举智能测控系统设计通用单运放CF741,LM741,μA741,AD741,MC1741,HA17741T,μPC741等。军用级：-55~125℃，工业级：-25~85℃，民用级：0~70℃。如无特殊要求，一般应选用通用型运放，根据环境温度选择相应级别器件，如同一电路中有多个运放，则选择双运放或四运放。智能测控系统设计通用四运放CF324,LM3241,μA324,μPC324等使用四运放可以简化电路排版，减小电路面积。智能测控系统设计高输入阻抗运放CF355/356/357,LF355/356/357，CF3140。结型场效应管输入级，输入电阻高(1012)，速率高(最大50V/s)。智能测控系统设计低漂移运放OP07,μA714等。输入失调电压及其温漂、输入失调电流及其温漂都较小。性能好，价格低，应用广泛。智能测控系统设计高精度高速运放OP17（引脚同CF357）OP27（引脚同OP07）智能测控系统设计静电计级放大器OPA128，具有超低偏置电流。典型值150fA(f=10-15)。智能测控系统设计斩波稳零运放ICL7650,5G7650,F7650，超低失调，超低漂移，高输入阻抗，高增益，性能稳定。参数见前面的表智能测控系统设计变压器耦合隔离运放AD202,AD204,AD210,AD293,AD289,AD295,AD298等。用于输入通道隔离，防止强电强磁干扰或损坏，消除大共模电压。一般，变压器耦合精度高，光电耦合速度高。智能测控系统设计AD210隔离放大器主要技术指标：增益范围1～100；共模电压2500V；输入阻抗1012；输入偏置电流温漂30nA（最大）；频响15kHz（G=100）；失调电压(1545/G)mV(最大)；失调电压温漂(1050/G)V/℃；隔离电源输出15V，5mA；电源+15Vdc5%。功能框图：53.3×25.4×8.9智能测控系统设计AD210应用示例智能测控系统设计光电耦合隔离放大器ISO100智能测控系统设计ISO100应用示例精密电桥隔离放大器智能测控系统设计仪器放大器高精度差动放大器，输入阻抗高，共模抑制比大，输入失调电压、电流小，输入偏置电流小，温漂小，时漂小。G=(1+2R1/RG)RS/R3智能测控系统设计AD625仪器放大器主要技术指标：增益范围1～10000；失调电压10～50V（根据等级不同）；失调电压温漂0.1～1V/℃；输入偏置电流10～30nA；输入偏置电流温漂50pA/℃；输入电阻1G；频响150kHz(G=100)，25kHz(G=1000)；电源6～18V智能测控系统设计AD625内部结构智能测控系统设计AD625构成的放大器智能测控系统设计可编程增益放大器（PGA）有的应用场合，需要在软件控制下进行量程切换等操作，这时需要选择PGA。下面以AD526为例说明其工作。智能测控系统设计AD526同相比例放大器智能测控系统设计AD526管脚智能测控系统设计3．3模拟滤波器滤波器的主要参数：转折频率（截止频率）：-3dB对应的频率值；通带增益kp：通带内放大倍数；频带宽度f：-3dB通带宽度或阻带宽度；谐振频率f0:没有损耗时的固有频率；品质因素Q：带通滤波器的谐振频率与带宽之比；阻尼系数：Q的倒数。智能测控系统设计常用滤波器的类型npkH20)/(1)()/(1)(022npckH)arccoscos(0ncn巴特沃斯滤波器：通带特性平坦，但衰减差。切比雪夫滤波器：过渡带陡，但通带内有纹波。为常数。)(1)(22npUkH椭圆滤波器：通带阻带等纹波。Un()为雅可比椭圆函数。智能测控系统设计智能测控系统设计通用运放构成的低通滤波器智能测控系统设计通用运放构成的低通滤波器智能测控系统设计通用运放构成的低通滤波器智能测控系统设计通用运放构成的高通滤波器低通滤波器中电阻电容交换位置智能测控系统设计通用运放构成的高通滤波器低通滤波器中电阻电容交换位置智能测控系统设计通用运放构成的高通滤波器智能测控系统设计集成开关电容滤波器开关电容滤波器基本原理：用开关电容网络代替RC网络。这样，既容易在集成电路内实现，又容易通过开关频率调整滤波器截至频率。CR确定以后电阻由T决定智能测控系统设计集成有源滤波器芯片LMF40截止频率0.1~40kHz智能测控系统设计LMF40的振荡器可以构造一个RC振荡器智能测控系统设计单电源工作的连接双电源工作的连接LMF40的典型连接调节信号频率改变滤波器的截止频率(分频比)智能测控系统设计3．4电压/电流变换器1.电压/电流变换器AD6942.电压/电流变换器XTR110模拟信号传输：70年代0~10mA；70年代后期～90年代4~20mA二线制传输线。电流传输的优点：a.抗干扰强；b.导线长度不影响（即与电阻无关）；c.可进行断线检查；d.信号还原成电压容易。变送器4~20mA24V智能测控系统设计电压/电流变换器AD694A1：缓冲放大器；A2、VT1、R1：V/I变换器；A3等：电流放大器；A4：参考电压u1＝0~10V时4悬空5接地，i1=0~0.8mA；i0=i4=20i3u1＝0~2V时4接地5悬空，i1=0~0.8mA。i3＝i1+i2=i1+200μAi0=4mA+20i1=4~20mA智能测控系统设计AD694应用示例智能测控系统设计3.5电压频率变换器（V/F）通过电压/频率变换器，可以将模拟信号变换成频率信号，从而实现模数变换、数字信号传递、光电隔离等功能，也有利于信号的长距离传输。智能测控系统设计复位过程积分过程基本原理智能测控系统设计复位过程积分过程基本原理复位过程：开关在S端，对应单稳态正脉冲(暂态)，电容积累电荷。qc=VCint=(1mA-IIN)TOSTI=qc/IIN=TOS(1mA/IIN-1)f=1/(TI+TOS)=IIN/(TOS×1mA)=VIN/(RINTOS×1mA)积分状态：开关在另一端，对应单稳态触发器的稳态。-qc=icTI=-IINTI智能测控系统设计AD650应用电路智能测控系统设计各种VF变换器的性能智能测控系统设计其它各种专用模拟调理电路例如：1.AD698型线性位移差分变压器(LVDT)专用信号调理电路2.TCA205／205A接近开关专用IC芯片3.超声波测距专用集成电路SB52274.宽带应变信号调理器1B315.压力信号调理器MAX14506.集成电流检测放大器MAX4727.多功能传感信号调理器AD6938.离子型烟雾检测报警集成电路MC144689.液位传感器LM104210.单片加速度传感器MMA1220D11.TDC-GP2超声波流量计专用芯片智能测控系统设计3.6前置放大器的噪声前置放大器的联接～使用带宽信号源噪声源有噪声的放大器输出A0Rs～源电阻含传感器输出电阻和放大器输入电阻等效噪声图Es2低通滤波信号源4KTRs无噪声的放大器输出A0Rs～en2in2源电阻噪声噪声电压源噪声电流源智能测控系统设计输出端总噪声电压为2/102/122])(4[BARieKTREsnnsino带宽输出端信噪比为2/12/1220])(4[BRieKTREEAENSsnnssinoso）（定义噪声因子NF为dBNSNSNFPoutin)()/()/(log10则可得ssnnsnnssssKTRRieBRieKTREBKTRENF4)(1log10])(4/[4/log10222222NF与Rs有关，与频率f有关（因en、in是f的函数）噪声因子智能测控系统设计NF一般测量得到。某放大器的NF图如下利用NF图可以：1.选择NF最小的Rs和f；2.计算Eini；3.根据检测对象选择放大器或进行阻抗匹配。利用NF计算输入端噪声电压：20/2/12/12/122104])(4[NFssnnsiniBKTRBRieKTRE噪声因子智能测控系统设计为了抑制前置放大器的噪声：1、对噪声进行分析计算；2、对噪声进行测试；3、选用低噪声运算放大器；4、根据NF选择合适的Rs、f；4、进行阻抗匹配。智能测控系统设计3.7干扰的耦合方式及抑制措施1.电容性耦合（静电耦合）干扰及抑制措施2.互感耦合（电磁耦合）干扰及抑制措施3.共阻抗耦合干扰及抑制措施4.漏电流耦合干扰及抑制措施智能测控系统设计电容性耦合干扰及抑制措施又称静电耦合，由二个电路之间的寄生电容引起。AB干扰CmaUnUZi电路aimaimimnUZCjUZCjZCjU1①与寄生电容Cm成正比,应通过合理布线、适当防护措施以减小Cm；②与Zi成正比,一般应减小放大电路的输入阻抗；③与成正比,对高频信号,电容性耦合更严重；④与Ua成正比,说明高压小电流干扰是通过电容性耦合实现的；⑤采用电流传输可避免电压干扰。智能测控系统设计计算示例：设Ua=5V，f=1MHz，Cm=0.01pF，Zi=0.1M，则：Un=31.4mV，如测量电路放大倍数为100，则Uo=3.14V。说明干扰引起的输出很大。智能测控系统设计抑制电容耦合的方法AB屏蔽体接测量电路,构成等电位,屏蔽体内部无电力线。(a)CA：干扰源B：测量电路C：屏蔽体A屏蔽体C包围干扰源接大地(b)BCC中正电荷被排斥到大地智能测控系统设计AB屏蔽体包围电路接大地(c)屏蔽体与大地相连,同时与电路地线相连,这样可消除寄生电容引起的反馈(d)CA：干扰源B：测量电路C：屏蔽体C中正电荷被排斥到大地智能测控系统设计互感耦合干扰及抑制措施又称电磁耦合，由二个电路之间存在互感引起。可以看出：RsRisUnUaIManIMjU①与Ia成正比，说明大电流低电压干扰源主要是通过互感耦合实现；②与成正比，高频干扰大；③与M成正比，要避免信号线与干扰线平行，以减小互感M；④采用电流传输可避免电压干扰；⑤干扰电压与Ri无关。智能测控系统设计aInU计算示例：设Ia=10mA；f=10kHz，M=0.1H，则Un=62.8VoUaI智能测控系统设计抑制互感耦合的方法AB对于低频磁场干扰，用高导磁率材料；对于高频磁场干扰，用高导电率材料，利用涡流效应阻碍干扰磁场穿透。智能测控系统设计共阻抗耦合干扰及抑制措施电源内阻耦合AB共阻抗退