傳感與檢測技術(shù)_10常用的檢測電路

1、第第1010章章 常用的檢測電路常用的檢測電路v本書的前些章節(jié)針對不同傳感器的特點，介紹了相關(guān)的一些檢測電路。v本章從測量系統(tǒng)角度出發(fā)，介紹測量系統(tǒng)中常用的信號放大電路，信號處理電路，信號轉(zhuǎn)換電路和系統(tǒng)抗干擾技術(shù) 10.1 10.1 信號放大電路信號放大電路v基本測量放大器 測量放大器的結(jié)構(gòu)如圖10.1所示 圖10.1 測量放大器結(jié)構(gòu)v三運放測量放大器 由二級放大器串聯(lián)組成，前級是二個對稱同相放大器,后級是差動放大器; 如圖10.2 所示圖10.2 三運算放大器構(gòu)成的測量放大器v根據(jù)運算放大器的基本分析方法，在圖10.2中: (10.1) (10.2) (10.3) 所以輸出電壓: (10.4

2、)21,iBiAuuuu)(2020121221uuRRRuuii)(2121210201iiuuRRuu)(21 ()(212102010iitfuuRRRRuuRRuv設 ,則輸出為: (10.5) 當 時，由于 , 中電流為零則 ,輸出電壓 .v實用測量放大器 在實際應用要求較高的場合常采用集成測量放大器, AD521集成測量放大器管腳說明和基本應用電路如圖10.3所示。 21iiwuuudfuRRRRu1210)21(021iiiuuu0iBAuuu00201iuuu0u2Rv該測量放大器的放大倍數(shù)按下面公式計算： (10.6) 圖10.3 AD521管腳及應用電路gSRRVVG10v

3、圖10.4給出了傳感器與檢測電路幾種不同的耦合方式下的接地方法: 圖10.4 AD521輸入信號耦合方式 放大電路的增益通過數(shù)字邏輯電路由程序來控制，這種電路稱為可編程增益放大電路，簡稱PGA（Programmable Gain Amplifier）。 v程控增益放大器 程控增益放大器的原理如圖10.5所示 圖10.5程控測量放大器v單片集成程控放大器LH0084 LH0084程控增益放大器由測量放大器構(gòu)成，是一種通用性很強的放大器.其原理如圖10.6所示 圖10.6 LH0084原理圖為保證線路正常工作，必須滿足:程控增益放大器總的增益Gv為： (10.7)LH0084程控增益控制關(guān)系如表1

4、0.1。)2()1(vVvGGG765432,RRRRRR表10.1 LH0084程控增益放大器v程控放大器量程自動切換 程控放大器的量程由程序控制進行自動切換,其過程如圖10.7可知: 圖10.7 量程自動切換程序框圖v隔離放大器的結(jié)構(gòu)及工作原理 隔離放大器組成:輸入部分、輸出部分、信號耦合器和隔離電源組成; 如圖10.8所示。 圖10.8 隔離放大器示意圖 隔離放大器總電壓增益： 式中 輸入部分電壓增益； 輸出部分電壓增益 v變壓器耦合式 AD204變壓器耦合隔離放大器的原理圖,圖10.9所示10001OUTINGGGINGOUTG圖10.9 變壓器耦合隔離放大器v光電耦合式 圖10.10

5、所示為隔離放大器ISO100內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，它由兩個運放 和兩個恒流源 以及光電耦合器組成。 REF21I ,REFI21, AA圖10.10 隔離放大器ISO100內(nèi)部結(jié)構(gòu)vISO100的基本接法如圖10.11所示 圖10.11 ISO100的基本接法10.2 信號處理電路v一階低通有源濾波器一階有源低通濾波器由RC網(wǎng)絡和運算放大器構(gòu)成，如圖10.12（a）所示 圖10.12 一階低通濾波器及其幅頻特性由圖10.12（a）可得 (10.9)又由虛短，則 (10.10)令 ，代入上式得 (10.11)式中： 為通帶電壓增益, 為上限截止頻率。 RCjuCjRCjuUii1111RCjuRRuif1

6、)1 (10RCf210001ffjGuuGupiup11RRGfpu0fv二階低通有源濾波器 二階低通有源濾波器電路如圖10.13(a)所示,圖(b)為其幅頻特性; 圖10.13 二階低通有源濾波器及其幅頻特性v分析如下: (10.12) (10.13) (10.14)v聯(lián)立以上三式得 (10.15)201)(311)1/(1)1/(1RCjRCjRCjuCjRCjRCjRCjuuiiRCjuCjRCjuU11110101fRRRuU11020)(31RCjRCjGuuGupiu令 ，代入上式可得 (10.16)令 時,則 解得: (10.17)RCf2100203)(1ffjffGGupu

7、pff 037.0ffp23)(1020ffjffppv高通有源濾波器 高通有源濾波器允許高頻信號通過，抑制或衰減低頻信號。 一階RC高通濾器電路如圖10.14(a)所示 圖10.14 簡單的高通濾波器及其幅頻v分析上圖,可知: 解得高通濾波器電路的傳遞函數(shù)為 (10.18) 一階RC有源高通濾波器幅頻特性如圖10.14（b）所示。下限截止頻率為 upuGCRjCRjjUjUjG1)()()(10RCfL21v二階高通有源濾波器電路如圖10.15（a）所示,圖(b )為其幅頻特性 . 它的傳遞函數(shù)為 (10.19) (10.20)圖10.15 二階高通幽有源濾波器電路2)1(1)3(1)(CR

8、jCRjGGjGupupu22)()3(1)()(CRjCRjGGCRjjGupupuv工作原理 采樣保持電路:模擬開關(guān)K、模擬信號存儲電容C和緩沖放大器A等三部分組成。 其原理電路如圖10.16所示。圖10.16 采樣保持電路原理圖v電路的采樣過程如圖10.17所示 圖10.17 采樣-保持電路波形圖v模擬開關(guān) 模擬開關(guān)用于接通和斷開輸入信號，并由邏輯指令控制，當指令為“l(fā)”時，模擬開關(guān)K接通，輸出跟蹤輸入變化；當指令為“0”時，輸出保持接通最后時刻的采樣值。 v采樣保持電路 (1) 同相型采樣保持電路圖10.18同相型采樣保持電路(2) 反相型采樣保持電路 反相型采樣保持電路如圖10.19

9、所示 圖10.19 反相型采樣保持電路10.3 信號轉(zhuǎn)換電路v模/數(shù)轉(zhuǎn)換器 AD轉(zhuǎn)換可分為直接法和間接法。 直接法是把電壓直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，如逐次比較型的AD轉(zhuǎn)換器。 間接法是把電壓先轉(zhuǎn)換成某一中間量，再把中間量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。 (1) 逐次比較型模/數(shù)轉(zhuǎn)換器 逐次比較型AD轉(zhuǎn)換就是將輸入模擬信號與不同的參考電壓做多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量的對應值.v逐次比較型AD轉(zhuǎn)換器簡化框圖如圖10.20所示 它由DA轉(zhuǎn)換、數(shù)碼設定、電壓比較和控制電路組成 圖10.20 逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換框圖（2）雙積分型模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路 雙積分型AD轉(zhuǎn)換電路如圖10.21所示, 當t=T2時，

10、U0(t)=0,如圖（b）所示.圖10.21 雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器原理圖v轉(zhuǎn)換過程分兩步，首先接通S1，對輸入電壓(-Ui)積分，積分電路輸出電壓為: (10.21) 然后在T1時，開關(guān)切換到S2位置，對基準參考電壓Ur反向積分，積分電路輸出電壓為： （10.22） 當t=T2時，U0(t)=0，如圖10.21（b），此時得： (10.23) 1001)()(TRCUdtUtUiTiRCTtUTRCUdtURCTRCUtUriTri)(1)(111101riUTTTU112 設時鐘脈沖頻率為, 當t=T1時,則時間T1為： 此時開始對標準參考電壓Ur反向積分，時間間隔T= T1T2，計數(shù)值為N

11、，則 ，所以： cnf112TcfNTT21rniUNU12v數(shù)/模轉(zhuǎn)換器 數(shù)/模（D/A）轉(zhuǎn)換器是通過電阻網(wǎng)絡，把數(shù)字 按其數(shù)碼權(quán)值轉(zhuǎn)換成模擬量的輸出. D/A轉(zhuǎn)換器有兩種類型:權(quán)電阻網(wǎng)絡和T形電阻網(wǎng)絡 (1) 權(quán)電阻數(shù)/模轉(zhuǎn)換器 圖10.22是4位二進制權(quán)電阻DA轉(zhuǎn)換器原理圖 v由上圖可得： （10.24） （10.25） 在上述電路中，權(quán)電阻分別為R、2R、4R、 。若數(shù)字量多于四位，可通過增加模擬開關(guān)和權(quán)電阻來增加其位數(shù)。 iiREFREFREFREFREFREFlDRVDDDDRVRVDRVDRVDRVDiiiii22)2222(222223001122333302112033210

12、301022iiinFREFDRRVVRn 12(2) T形電阻數(shù)/模轉(zhuǎn)換器 T形電阻D/A轉(zhuǎn)換器原理如圖10.23所示,該電路電阻形狀成T形，故稱T形網(wǎng)絡. 圖10.23 T型電阻D/A轉(zhuǎn)換器 由圖10.23可知,根據(jù)疊加原理，運算放大器總輸入的等效電壓是各支路等效電壓之和，即: (10.26) 若取RF3R，運算放大器的輸入端電流為: (10.27) 運算放大器的輸出電壓V0為: (10.28)2/ )2*2*2*2*(00112233DDDDVVREFe)2*2*2*22*(2300112334DDDDRVIREFr)2*2*2*2*(20011223340DDDDVRIVREFFrv電

13、壓/頻率轉(zhuǎn)換器 (1) 轉(zhuǎn)換原理 V/F轉(zhuǎn)換器原理如圖10.24所示 圖10.24 V/ F轉(zhuǎn)換電路示意圖 1)當輸入電壓Ux Uc時，放大器A輸出為“1”狀 態(tài)，此時將單穩(wěn)觸發(fā)器置“1”，觸發(fā)器驅(qū)動開關(guān)S接通恒流源，使I0對電容CL充電; 2)Uc上升，在Uc=Ux +U時，電壓比較器A輸出為“0”狀態(tài)，單穩(wěn)觸發(fā)器置“0”，使開關(guān)S 斷開，I0停止對電容CL充電; 3)電容CL通過電阻RL放電，Uc下降。當UcUx時，放大器A及觸發(fā)器又回復“1”狀態(tài)，如此反復的進行，其輸出波形如圖10.24(b)所示. (2) 用V/F轉(zhuǎn)換實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換 在V / F轉(zhuǎn)換基礎上，配合一個頻率計數(shù)器，可把轉(zhuǎn)換

14、后輸出的頻率信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，實現(xiàn)A / D轉(zhuǎn)換。 圖10.25所示為用V / F轉(zhuǎn)換實現(xiàn)AD轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)框 圖。 圖10.25 用V/F實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)框圖v頻率電壓轉(zhuǎn)換器 頻率電壓(F/V)轉(zhuǎn)換器是一種將頻率或周期信號，經(jīng)整形、濾波后，轉(zhuǎn)換成直流電壓輸出的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器(1)頻率/電壓轉(zhuǎn)換器的基本電路 主要由輸入隔離電路、單穩(wěn)電路、穩(wěn)幅電路和積分電路組成。 圖10.26是F/V轉(zhuǎn)換器常用的電路之一;圖10.26 F/V轉(zhuǎn)換電路 輸入隔離電路: 通過脈沖變壓器MB將信號源與F/V內(nèi)部電路隔離，使頻率/電壓轉(zhuǎn)換過程在不同“地”中進行，從而提高抗干擾能力; 單穩(wěn)電路: 為了保證脈沖的寬度而設

15、置的; 穩(wěn)幅電路: 使T5輸出矩形脈沖幅值穩(wěn)定不變，以提高測量精度。圖中穩(wěn)壓二極管DW4、DW5是為T7發(fā)射極提供穩(wěn)定偏置電壓。 積分電路: 由高線性、高分辨率積分器構(gòu)成。 (2) 集成頻率/電壓轉(zhuǎn)換器 集成F / V轉(zhuǎn)換器將由離散元件構(gòu)成的F / V轉(zhuǎn)換器電路集成在一個芯片上。 圖10.27為由比較器LM331構(gòu)成的F/ V轉(zhuǎn)換的實用電路。圖10.27集成F / V轉(zhuǎn)換器 v在遠距離測控系統(tǒng)，為減少傳輸導線阻抗對信號衰減，常用電壓/電流（V / I）轉(zhuǎn)換電路將電壓轉(zhuǎn)換成電流信號傳輸。 圖10.28是利用集成運算放大器構(gòu)成的電壓/電流轉(zhuǎn)換電路 圖10.28 電壓/電流轉(zhuǎn)換電路 由于電路引入負反

16、饋，U+=U-=0，負載電阻RL的電流為： 圖10.29所示為另一種個V/I轉(zhuǎn)換電路,由運算放大器A1和A2組成 LiRuiiIlL圖10.29 輸出接地的V /I轉(zhuǎn)換電路v圖中 利用疊加原理可求出在 作用下,運算放大器A1的同相輸入端電壓 為： (10.29)所以運算方法器A1的輸出電壓為： (10.30)由于A2電壓跟隨器，所以有： RRRRR432102,UUi1PUi34402343121120111URRRURRRRRURRuPi344023431URRRURRRup202PUU 由“虛斷”原則得： (10.31) 將式10.29和式10.30代入上式得: (10.32) 由上式可以

17、看出它具有恒流特性。 圖10.30是將ZF2B20高精度電壓電流轉(zhuǎn)換器芯片接成輸入電壓范圍是010 v，輸出電流范圍420 mA 的V/I轉(zhuǎn)換電路。 020120RUURUiPLP00RUii圖10.30 010V/420mAV/I轉(zhuǎn)換電路10.4 抗干擾技術(shù)常用抗干擾技術(shù):隔離技術(shù)、濾波技術(shù)、軟件 技術(shù)等 從干擾的來源看,干擾信號可分為兩大類: 測量系統(tǒng)外部因素產(chǎn)生的干擾，稱為“外部干擾”; 測量系統(tǒng)內(nèi)部各部件之間的互相干擾，稱為“內(nèi)部干擾” v外部干擾 外部干擾是由使用條件和外界環(huán)境因素引起的干擾，它主要來源于自然干擾及測量系統(tǒng)周圍電氣設備的干擾。 自然干擾主要來源:閃電、雷擊、宇宙輻射、

18、太陽黑子活動等，它主要對通訊設備、導航設備有較大影響。 電氣設備產(chǎn)生的干擾:電磁場、電火花、電弧焊接、高頻加熱、可控硅整流等強電系統(tǒng)所造成的干擾。 v內(nèi)部干擾 內(nèi)部干擾是指測量裝置內(nèi)部元件引起的各種干擾; 主要包括: 電阻中的電子熱運動引起的熱噪聲；半導體內(nèi)載流子的隨機運動引起的散粒噪聲；兩種導電材料之間不完全接觸產(chǎn)生的接觸噪聲；因布線不合理、寄生電容、泄漏電阻等耦合形成寄生反饋電流干擾；多點接地造成的電位差引起的干擾等。 v干擾信號耦合方式 干擾信號進入測量系統(tǒng)有多種耦合方式，歸納起來有以下形式： (1) 電容性耦合 測量電路的電容性耦合方式如圖10.31所示: 圖10.31 測量電路的電容

19、性耦合v圖中：A為干擾導體，它具有的電壓為: , 為分布電容, 為測量電路的輸入阻抗。 上的干擾電壓 為 當 時,上式可簡化為：(2) 互感性耦合 互感性耦合實質(zhì)是電磁耦合，它是由于兩個電路之間存在互感，使得當一個電路的電流變化時，通過磁電耦方式影響到另一個電路 NEmCiZiZNUNimimNEZjwCZjwCU11|imZjwCNimNEZjwCUv互感性耦合干擾多發(fā)生在強信號平行導線間和檢測系統(tǒng)內(nèi)部線圈或變壓器漏磁等場合; 其等效電路如圖10.32所示。 圖10.32 互感耦合等效電路 為干擾電流,M為兩電路間互感， 造成的干擾電壓 為：(3) 共阻耦合 下面介紹兩種阻抗耦合干擾 1)

20、通過電源電阻形成的共阻抗耦合干擾 當幾個電子線路共用一個電源時，其中一個電路的電流流過電源內(nèi)阻抗時，就會造成對其他電路的干擾。 圖10.33中表示兩個放大器電路由同一直流電源E供電所引起的干擾情況。 NININUNNjwMIU圖10.33 電源內(nèi)阻產(chǎn)生的共阻抗干擾圖10.34 單元電路接地 由于電源具有內(nèi)阻抗 ,當通道1放大器在輸入信號 作用時,其輸出電流 流經(jīng)電源內(nèi)阻 ,在 上產(chǎn)生電壓 ， 經(jīng)電路傳輸?shù)酵ǖ?放大器，就形成干擾電壓，相當于電源波動干擾。 2) 通過公共接地線的共阻抗耦合干擾 地線不是一點接地（等電位)在地線電阻上產(chǎn)生干擾電壓。如圖10.34所示。 分析如下：設 單元電路工作電流最大,通過公共地線BA段接地,并在BA段阻抗上形