1、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，除了实现非电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（Signal Conditioning），相应的执行电路统称为信号调理电路。,2,图 典型调理电路的组成框图,3,本节主要介绍传感器的选用，运用前置放大器的依据，信号调理通道的各种常用的放大电路及其应用。 本节的重点是使学生能学会根据实际情况来选择合适的传感器，并能设计出满足应用条件的信号条理电路。,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
2、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
3、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。,图2.4 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，因此，数字量传
4、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。,图2.5 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入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。几个问题：判断传感
5、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？ 该使用何种前置放大器？放大倍数应该多大？,13,图3.7 前置放大器的作用,不加前置放大器,加前置放大器,14,是否放前置放大器的两种输入信号比较：,15,图 两种调理电路的对比,16,由于 K1,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。,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2.6 仪用
6、放大器的基本结构,仪用放大器上下对称，即图中R1=R2，R4R6，R5R7。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：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。,特点：高输入阻抗，高共模抑制比，高速度，宽频带，高稳定性，低输出阻抗等。 主要性能指标：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。当增益为1时，如果一个12位A/D转换器有0.025%
7、的非线性偏差，当增益为500时，非线性偏差可达0.1%，相当于把12位A/D转换器变成10位以下转换器，故一定要选择非线性偏差小于0.024%的仪用放大器。,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。通常仪用放大器的输出电压会随温度的变化而发生(150)V/变化，这与仪用放大器的增益有关。,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。显然，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
8、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. 共模抑制比共模电压：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：CMRR也是放大器增益的函数，它随增益的增加而增大，这是因为测量放大器具有一个不放大共模的前端结构，这个前端结构对差动信号有增益，对共模信号没有增益。但CMRR的计算却是折合到放大器输出端，这样就使CMRR随增益的增加而增大。,(二) 程控增益放大器(PGA) 程控放大器是智能仪器的常用部件之一
9、，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。,27,在微型机系统中常采用可编程增益放大器PGA(ProgrammabllGainAmplifier)，它是通用性很强的放大器，其特点是：硬件设备少，放大倍数可根据需要通过编程进行控制使A/D转换器满量程信号值达到均一化。例如： 工业中使用的各种类型的热电偶，它们的输出信号范围大致在0一60mV之间，而每一个热电偶都有其最佳测温范围，通常可划分为010mV， 020mV ， 050mV
10、 ， 080mV四种量程，便可整个范围都覆盖起来，针对这四种量程，只需相应地把放大器设置为500，250，125，62.5四种增益，则可把各种热电偶输出信号都放大到05V 。,图 程控放大器原理框图,29,上图为程控测量放大器的原理电路田，它为仪用放大器电路的扩展，增加模拟开关及驱动电路、增益选择开关SlSl、 S2S2 、 S3S3 成对动作，每一时刻仅有对开关闭合，当改变数字量输入编码时，则可改变闭合的开关号，选择不同的反馈电阻，达到改变放大器增益的目的。,30,目前， 已能生产出 PGA集成电路模块，如美国AD公司生产的LH0084其原理结构如图13 5所示， 在图135中，开关网 络由
11、译码驱动器和双4通道模拟开关组成，开关网络 的数字输入由D0和D1，二位状态决定，经译码后可有四种状态， 分别控制与SlSl、 S2S2 、 S3S3 S4S4四组双向开关， 从而获得不同的输入级增益；,31,程控放大器量程自动切换程控放大器PGA的优越性之一是能进行量程自动切换。当被测参数动态范围比较宽时，为了提高测量精度，必需进行量程切换。例如，数字电压表，其测量动态范围可以从几个微伏到几百伏、过去是用手拨动切换开关进行量程选择，现在，在智能化数字电压表中，采用程控放大器和微处理，可以很容易实现量程自动切换，其原理如下图所示,32,自动量程切换程序框图,设PGA的增益为1、1()、100三
12、档，AD转换器为12位双积分式。用软件实现量程自动切换的框图如图所示。,33,自动切换量程过程，简述如 下：当对被测信号进行检测，并进 行AD转换后，CPU便判断是否超值 若超值，并且这时PGA的增益已经降到最低档，则说明被测量越过数字电压表的最大量程，需 转至超量程处理，若末在最低档的 位置，则把PGA的增益降一档，再重复前面的处理：若不超值，便判断最高位是否为零：如果是零，则再查增益是否为最高档，如不是最高挡，将增益升高一级，再进行AD转换及判断；如果是1，或PGA已经升高到最高档则说明 量程已经切换到最合适挡，微处理器对所测得的数据再进 行处理，加数字滤波、数字显示等 可见，智能化数字电
13、压表可自动选取得最合适的量程，提高了测量精度。,(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。,36,电信号
14、与AD转换器的输入量之间进行隔离(指无电路联系)，有时非常重要，它对消除来自大地回路的各种干扰和噪声具有积极的作用；数字量的隔离：广泛采用发光二极管和光敏二极管 组成的光 电耦合器，又称光电隔离器；模拟量(特别是微弱的模拟信号)的隔离问题：要比数字量的隔离复杂得多、困难得多。目前，对于微弱模拟信号的隔离放大，通常采用磁耦合的办法，使输入端与输出端电压没有电路的联系，仅有磁路的联系完成隔离放大的功能，而且可承担很高的共模电压(CMRR可达千伏)。如下图：,37,隔离放大器是国外近年来发展的高技水产品， 已经生产出许多专用的隔离放大器模块，它们的表示方法如上图所示- 隔离放大器由四个基本部分组成：
15、 (1)辅入部分A。其中包括输入运算放大器调制器； (2)输出部分B。其中包括解调器，输出运算放大器； (1)信号耦合变压器； (4)隔离电源。 这四个基本部分装配在一起，组成模块结构不但用户使用方便，同时提高了可靠性，此种隔离放大器组件的核心技术是超小型变压器及其精密装配拄木 这是一个非常复杂的功能组件，其体积只有6412 9mm3， 安装形式为双列直插式， 插座用40脚插座， 但只用19个管脚(AD239)。目前，在国内应用较广泛的是美国AD)公司的隔离放大器，如Model277、278、AD293、AD294等,对它的结构简要说明如下：外加直流电源Vs，经稳压器后为电源振荡器提供电源，可
16、产生100kHz的高频电压，其付方分两路输出。一路到翰入部分，其中C绕组作为调制器的交流电源，而b绕组供给1隔离电源产生+15V的浮空电源，可作为前置放大器A，及外附加电路的直流电源。另路到输出部分，e绕组作为解凋器的交流电源，而d绕组供给2*隔离电源产生15V直流电源，供给输出放大器A 2等,GF298集成隔离放大器,39,隔离放大器的简化功能图,隔离放大器工作原理 输入部分的作用：将传感器送来的信号滤波及放大，并调制成交流信号，通过隔离变压器 耦合到输出部分输出部分的作用： 把交流信号解调变成直流信号，再经滤波和放大，最后输出010V的直流电压。,由于放大器的两个输入端都是浮置的，又因采用
17、变压器耦合，所以输入部分和输出部分是隔离的,图2.9 GF289典型接法,隔离放大器总电压增益：G GiN * Gout = 1 1000,41,信号变换器(电压-电流变换电路) 在成套仪表系统及自动检测系统中，传感器和仪表之间及仪表和仪表之间的信号传送，采用统一标准信号是很有好处的。若将传感器信号转换为统一标准信号， 不仅便于使用微型计算机进行巡回检测， 同时可以使指示、记录仪表单一化。此外，若通过各转换器，如气-电转换器、电 气转换器等还可将电动仪表和气动仪表联系起来，混合使用， 从而扩大仪表的使用范围：,42,统一标准信号采用直流信号比交流信号有如下优点： (1）在信号传输线中， 配氘个
18、受交流感庀影响，易于解决仪表的抗I；扰问题； (2)直流下受传输线路的电感， 电容及负荷性质的影响，不仔在相位移问题， 使接线简,43,滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。 模拟滤波器在测试系统或专用仪器仪表中是一种常用的变换装置。例如：带通滤波器用作频谱分析仪中的选频装置；低通滤波器用作数字信号分析系统中的抗频混滤波；高通滤波器被用于声发射检测仪中剔除低频干扰噪声；带阻滤波器用作电涡流测振仪中的陷波器，等等 。其中低通滤波器在智能仪器中应用最广泛。,三、信号调理通道中的信号滤波
19、,44,有源滤波器与无源滤波器(P25)在测试系统中，常用RC调谐式无源滤波器。RC滤波器电路简单，抗干扰能力强，有较好的低频性能，选用标准阻容元件，容易实现。,45,调制是工程测试信号在传输过程中常用的一种调理方法，主要是为了解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。例如，被测物理量，经过传感器交换以后，多为低频缓变的微弱信号，直接送入放大器放大会遇到困难，因为，直接放大，将会受到零点漂移的影响。当漂移信号大小接近或超过被测信号时，经过逐级放大后，被测信号会被零点漂移淹没；为了很好地解决缓变信号的放大问题，采用对信号进行调制的方法，即先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号，即调制与解调。,四、信号调理通道中的调制解调,46,信号调制的类型，一般正（余）弦调制可分为幅度调制、频率调制、相位调制三种，简称为调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）。,47,例：动态电阻应变仪的方框图。电桥由振荡器供给等幅高频振荡电压（一般频率为10kHz或15kHz），被测量（应变）通过电阻应变片调制电桥输出电桥输出为调幅波，经过放大，最后经相敏检波与低通滤波取出所测信号 。,
