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第三章信号转换和处理电路精品文档_图文


第三章:信号转换与处理电路
主要内容:
? 调制解调 ? 放大电路 ? 信号处理电路
? 采样保持 ? 滤波电路 ? 信号转换电路 ? U/I转换 ? 逻辑电平转换 ? A/D、D/A转换 ? U/F、F/U转换

第三章:信号转换与处理电路
为什么需要信号转换和处理电路?
信号通常微弱并伴有干扰信号,为剔除干扰信号和提取测 试信号中的有用信息,就必须通过滤波、放大、调制、变 换等方法对信号进行加工变换,改变信号形式,突出信号 中的有用信息成分。
传感器的共同特点是把非电量转换为电量,但电量的形式 有多种,如电阻、电感、电容、电压、电流、频率、相位 等多种形式。当传感器与其他系统相接时,就必须符合各 自的要求,因此,还必须对被测信号进行相应的转换。本 章从信号的调制与解调、信号放大、信号处理、信号转换 等方面介绍信号变换与处理电路。

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调制与解调
在测试技术中,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,如温度、位移、力等参数,经过传感器交换以后,多为低 频缓变的微弱信号,对这样一类信号,直接送入直流放大器或交流放大 器放大会遇到困难,因为,采用级间直接耦合式的直流放大器放大,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。
调制就是用一个信号去控制另一个作为载体的信号,让后者的某一 特征参数按前者变化。常以一个高频正弦信号或脉冲信号作为载体,这 个载体称为载波信号。用来改变载波信号的某一参数,如幅值、频率、 相位的信号称为调制信号。经过调制的载波信号叫已调信号。已调制信 号一般都便于放大和传输。从已经调制的信号中提取反映被测量值的测 量信号,这一过程称为解调,解调的目的则是为了恢复原来信号。

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在信号调制中常以一 个高频正弦信号作为 载波信号。一个正弦 信号有幅值、频率、 相位三个参数,可以 对这三个参数进行调 制,分别称为调幅、 调频和调相。

调制分类:
载波、调制信号及调幅、调频波

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一. 幅值调制与解调
1. 调幅原理 调幅是将一个高频简谐信号(载波信号)与测试信号(调制信号)相乘, 使载波信号随测试信号的变化而变化。调幅的目的是为了便于缓变信 号的放大和传送。常用的方法是线性调幅,即让调幅波的幅值随调制 信号x按线性规律变化。调幅波的表达式可写为
us ?(x?u)cos?t
coswt ——载波信号; U ——偏置电压; x ——测量信号。

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测量信号

载波信号

足够大的偏置电压

偏置电压为0
加上偏置电压,可以直接采用包络 检波,否则,需要相敏检波

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调制原理
图3 调幅过程

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2. 调幅波的解调 从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波,因此解调的目的是为了恢 复被调制的信号。为了解调可以使调幅波和载波相乘,再通过低通滤波器滤波。

包络检波

若所加的偏置电压未能使 信号电压都在零线的一侧, 则对调幅波只是简单地整 流就不能恢复原调制信号, 如图4(b)所示,这就需要 采用相敏检波技术。

(a) 偏置电压足够大

(b) 偏置电压不够大
图4 调制信号加偏置的调幅波

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1) 包络检波 包络检波是一种对调幅信号进行解调的方法,其原理是利用二极管所具有 的单向导电性能的器件,截去调幅信号的下半部,再用滤波器滤除其高频 成分,从而得到按调幅波包络线变化的调制信号

(a)

(c)

图5 包络检波原理

(b) (b)
(d)

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包络检波电路图:

图7 晶体管包络检波

图6 二极管包络检波

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2)相敏检波电路图(具体分析详见第4章)

载波相 位为0

载波相 位为180

图8 相敏检波

相敏检波器(与滤波器配合)可以 将调幅波还原成原应变信号波形, 即起解调作用。采用相敏检波时, 对原信号可不必再加偏置。交变 信号在过零线时符号(+、-)发生 突变,调幅波的相位(与载波比较) 也相应地发生180°的相位跳变。 利用载波信号与之相比,便既能 反映出原信号的幅值又能反映其 极性。

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例:动态电阻应变仪是电桥调幅与相敏检波的典型实例。如图9所示,
电桥由振荡器供给等幅高频振荡电压,经过放大、相敏检波和滤波取出 被测信号。该种电路称作动态电阻应变仪,是因为它最早用于应变测量。 实际上电感、电容传感器所接交流电路电桥都采用该种电路。

试件

电桥

放大 振荡器

相敏检波

图9 动态电阻应变仪方框图

低通

显示记录

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二. 频率调制与解调
1. 频率调制 由于调频信号在传输过程中不易受到干扰,并且调频和调相也很容易实现数 字化,所以在测量、通信和电子技术的许多领域中得到了越来越广泛的应用。 调频就是用调制信号去控制高频载波信号的频率。常用的是线性调频,即让 调频信号的频率按调制信号的线性函数变化。

(a) 锯齿波调频
图10 调频信号的波形

(b)正弦波调频

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2、调频方法 常用的调频方法有直接调频法、电参数调频法、电压调频等。 直接调频法是利用被测参数的变化直接引起传感器输出信号频率的改变, 图11所示的就是一个典型例子,是用于测量力的振弦式传感器的原理图, 其中振弦3的一端与支撑相连,另一端与膜片1相连。在外加激励作用下, 振弦3按固有频率?c振动,且?c随张力FT的变化而变化。振弦3在磁场2内 振动时产生感应电动势,它就是受张力FT调制的调频信号。
1-膜片;2-磁场;3 -振弦;4-支承

图11 振弦式调频传感器

图12 电参数调频电路
1
f0 ? 2? LC

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2. 频率解调 调频波是以正弦波频率的变化来反映被测信号的幅值变化。因此调频波的解调是 先将调频波变化成调频调幅波,然后进行幅值检波。调频波的解调由鉴频器完成。 通常鉴频器由线性变换电路与幅值检波构成。 下图所示是一种采用变压器耦合的谐振回路鉴频法。也是常用的鉴频法。

f1 ? 2?

1 L1C1

当ef的频率与L1C1 构成的谐振电路的
频率越接近时,产
生谐振,输出电压
越大。从而将频率 转换为电压。

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信号放大电路
对信号的放大有很多种电路可以实现,但工程 测试中所遇到的信号,多为100kHz以下的低 频信号,在大多数的情况下,都可以用放大器 集成芯片来设计放大电路。

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一. 基本放大电路(参数计算参见模拟电路)
1. 比例放大器 反相与同相放大电路是集成运算放大器两种最基本的应用电路,许多集成运 放的功能电路都是在反相和同相两种放大电路的基础上组合和演变而来的。

1) 反向比例放大器

Rr

Af

?

?

Rf Rr

反馈电阻Rf值不能太大,否则会产生较大 的噪声及漂移,一般为几十千欧至几百千 欧。Rr的取值应远大于信号源Ui的内阻。 (放大倍数小,噪声大,输入阻抗小)

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改进电路:

输入阻抗

Rin

?Vi Ii

?

RrR R ? Rr

上式表明:只要R稍大于Rr,就能获 得很高的输入阻抗,可高达100M?。 但R绝对不能小于Rr,否则输入阻抗为 负,会产生严重自激。

高输入阻抗反相放大器
A’提供补偿电流,减小A从信号源吸 取的电流,可以大幅度地提高主放大
器的等效输入阻抗Rin

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2) 同相比例放大器 同相比例放大器电路图如图所示:
Rr

输入阻抗
Ri ? ?
输出阻抗
Ro ? 0

同相放大器具有输入阻抗非常高,输出阻 抗很低的特点,广泛用于前置放大级。

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3) 差动比例放大器

Af

?

2R2 R1

? ?1 ? ?

R2 RP

? ? ?

由于差动放大器具有双端输入单端输出、共模抑制比较高的 特点,通常用作传感放大器或测量仪器的前端放大器。

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2. 电桥放大器 如电阻传感器、电感传感器、电容传感器等都是通过电桥的方式,将被 测非电量转换成电压或电流信号,并用放大器作进一步放大,所以电桥 放大器是非电量测试系统中常见的一种放大电路。

V o?V 4 R? ? ?1?R R 1 f? ? ??/?1??/2??V 4 R? ? ?1?R R 1 f? ? ??

输入信号δ与输出电 压V0之间为近似线
性:非线性

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电桥电路放大器的改进电路

图20 线性放大式电桥放大器

Vo

?UR 2

(1?

2Rf R

)?

前述的电桥放大器中,只有当δ很小 时 V o 与δ才成线性关系。当δ很大时, 非线性就很明显,以致给实际测量
带来不便。图3.20采用负反馈技术, 能使δ在很大范围内变化时,电路输 出电压的非线性偏差保持在0.1%以 内。

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3、交流放大器

AU

?1?

Rf R1

其中电容C1、C2及C3
为隔直电容,因此交流 电压放大器无直流增益

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二. 测量放大电路
在精密测量和控制系统中,需要把来自各种传感器的电信号在共 模条件下按一定的倍数精确地放大,这些电信号往往是微弱的差 值信号,这就要求放大电路具有很大的共模抑制比,极高的输入 电阻,放大倍数能在大范围内可调,且误差小、稳定性好等特点, 这样的放大电路称之为测量放大电路,又称为精密放大电路或仪 用放大电路。典型的测量放大电路如图22所示,图中所有电阻均 采用精密电阻。

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K

? AK ?K n CMR2

CMR1

??

AK ?K CMR

n CMR2

CMR1

该电路具有很高的共模抑 制比。只要A3的两输入端 所接的电阻对称,V3和V6 共模成分则可以互相抵消。

图22 三运放结构的测量放大器

测量放大电路具有以下的特点:
(1) 测量放大器是一种带有精密差动电 压增益的器件。
(2) 具有高输入阻抗、低输出阻抗。 (3) 具有强抗共模干扰能力、低温漂、 低失调电压和高稳定增益等特点。
(4) 在检测微弱信号的系统中被广泛用 作前置放大器。

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三、程控增益放大器
程控增益放大器(PGA)是自动检测系统和智能仪器中实现量程增益自 动转换和调整信号电平的重要器件。 程控放大器由运算放大器、模拟开关驱动电路和电阻网络组成。基本 形式有同相输入和反相输入两类。

A? ? Rf R
Rf由R1、R2、R3并联构成

n
? An ?RT / Ri i?1
RT为100?,由3个电阻串联构成

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四. 隔离放大电路

隔离放大电路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。隔离放大电路主要用 于便携式测量仪器和某些测控系统(如生物 医学人体测量、自动化实验设备、工业过 程控制系统等)中,能在噪声环境下以高阻 抗、高共模抑制能力传送信号。
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 )。

图26 隔离放大器的 组成和符号

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光电耦合隔离放大器器
光耦构成的隔离放大器,其发 光管需要用电流来驱动。当输 入信号较小时,驱动电流也较 小,发出的光微弱到可能不足 以被光电管检测到。这样在 Vin=0附近就存在一个"死区"。 为防止被测信号有可能落在这 一区间,在信号进入隔离放大 器前应由偏置电路将原始信号 抬高,使得综合之后的信号不 可能落在这一区间。

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电磁耦合隔离放大器
变压器耦合隔离放大器本身构 成一个电磁辐射源。如果周围 其它的电路对电磁辐射敏感, 就应设法予以屏蔽。例如36 56的振荡频率为750kH z,BB公司根据它的封装专 门为它设计了屏蔽罩

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隔离放大器的应用场合:
普通的差动放大器和测量放大器,虽然也能抑制共模干扰,但却 不允许共模电压高于放大器的电源电压。而隔离放大器不仅有很 强的共模抑制能力,而且还能承受上千伏的高共模电压。因此, 隔离放大器一般用于信号回路具有很高的共模电压的场合。

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信号处理电路
一. 采样保持
模拟信号进行A/D转换时,从启动转换到转换结束输出数字量, 需要一定的转换时间,即A/D转换器的孔径时间。在这个转换 时间内,模拟信号要基本保持不变,否则转换精度没有保证, 特别是在输入信号频率较高时,会造成很大的转换误差。要防 止这种误差的产生,必须在A/D转换开始时将输入信号的电平 保持住,而在A/D转换结束后又能跟踪输入信号的变化。能完 成这种功能的电路叫采样保持电路,由采样保持电路构成的器 件叫采样保持器,采样保持器在保持阶段相当于一个“模拟信 号存储器”。

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采样保持器的工作原理

模拟输入信号

- +A

驱动信号

K UC - +A
CH
模拟地

U0
输出信号

采样保持器是一种具有信号输入、信号
输出以及由外部指令控制的模拟门电路。 它主要由模拟开关K、电容CH和缓冲放 大器A组成. 常用采样保持器有AD582、LF398等。

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奈奎斯特抽样定理
采样(跟踪)的时候,要求满足 “奈奎斯特抽样定理”即采样频率 至少为信号最高频率的2倍。否则产
生频谱混叠。

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二. 滤波电路
滤波是将信号中特定波段频率滤除的操作,是抑制和防止干扰的一 项重要措施。(有模拟滤波器和数字滤波器之分,这里介绍模拟滤波 器。)
1. 滤波器的分类 滤波器的种类繁多,根据滤波器的选频作用,一般将滤波器分为四 类,即低通、高通、带通和带阻滤波器;

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带通和带阻滤波器 四种滤波器在通带与阻带之间都存在
一个过渡带,其幅频特性是一条斜线, 在此频带内,信号受到不同程度的衰减。 这个过渡带是滤波器所不希望的,但也 是不可避免的。

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2. 理想滤波器 理想滤波器是一个理想化的模型,在物理上是不能实现的,对其进 行深入了解对掌握滤波器的特性是十分有帮助的。

1 H(? )

? (? ) -? c o

?c

-? td

?

h (t)
?C
?

td+??c

o

td

t

理想低通滤 波器是不可 能实现的, 同样其他理 想滤波器也 不能实现, 只能逼近理
想。

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3. 实际滤波器

1) 无源RC滤波器 RC滤波器电路简单,抗干扰性强, 有较好的低频性能,并且选用标准 阻容元件也容易实现,因此检测系 统中有较多的应用。 (1) 一阶RC低通滤波器。(二阶可 以串联两个一阶)

RC

duo dt

?

uo

?

ui

两 边 进 行 傅 里 叶 变 换 : (w=2? f)

jwRCU 0 ( jw) ? U 0 ( jw) ? U i ( jw) H ( jw) ? U 0 ( jw) ? 1
U i ( jw) 1 ? jwRC

A(w) ? H(jw) ?

1

1?(wRC)2

?(w) ??arctan(wRC)

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(2) 一阶RC高通滤波器。(计算略)

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(3) RC带通滤波器。带通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤波器 的串联,其电路及其幅频、相频特性如图所示。

A(f)? 2?f?1 ?

1

1?(?12?f)2 1?(?12?f)2

这时极低和极高的频率成分 都完全被阻挡,不能通过, 只有位于频率通带内的信号 频率成分能通过。

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(4) RC无源带阻滤波器
H(jw)? R2C2(jw)2?1 R2C2(jw)2?4RCjw?1

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3) 有源滤波器 (1) 一阶有源滤波器。前面所介绍的RC调谐式滤波器仅由电阻、电容等无源 元件构成,通常称之为无源滤波器。一阶无源滤波器过渡带衰减缓慢,选择 性不佳,虽然可以通过串联无源的RC滤波器,以提高阶次,增加在过渡带 的衰减速度,但受级间耦合的影响,效果是互相削弱的,而且信号的幅值也 将逐渐减弱。为了克服这些缺点,需要采用有源滤波器。 有源滤波器采用RC网络和运算放大器组成,其中运算放大器是有源器件, 既可起到级间隔离作用,又可起到对信号的放大作用,而RC网络则通常作 为运算放大器的负反馈网络。

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图43 一阶有源低通滤波器 一阶有源滤波器虽然在隔离、增益性 能方面优于无源网络,但是它仍存在 着过渡带衰减缓慢的严重弱点,所以 就需寻求过渡带更为陡峭的高阶滤波 器。

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信号处理电路
(2) 二阶有源低通滤波器。多路负反馈型: 它是把滤波网络接在运算 放大器的反相输入端,其线路结构如图44所示。图中Y1~Y5是各元件 的导纳。这是其原型形式,适当地将Y1~Y5分别用电阻、电容来代替 即可组合出二阶低通、高通、带通和带阻等不同类型的滤波器,如图 45所示为多路负反馈二阶低通滤波器。

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把较为复杂的RC网络与运算放大器组合就可以 得到二阶有源滤波器。这种滤波器有多路负反馈 型、有限电压放大型和状态变量型等几种类型。

图44 多路负反馈型滤波器图

图45 多路负反馈二阶低通滤波器

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有限电压放大型: 有限电压放大型是将滤波网络接在运算放大器的 同相输入端,这种电路可以得到较高的输入阻抗。 按上述同样方法,将Y1~Y5分别用电阻、电容代替即可组合出不同的 滤波特性。

图46 有限电压放大型滤波器

图47 有限电压放大型二阶低通滤波器

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状态变量型:状态变量型是许多仪器中常用的一种有源滤波器,它有 多种类型的电路。三个运放的输出u2、u3、u4分别对输入信号u1提供 高通、带通和低通三种输出,所以常称这种滤波器为“万能滤波器”。 而且它还可以通过相应的元件参数调节来达到改变各滤波器参数的目 的,使用很方便。
图48 状态变量型有源滤波器

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4. 数字滤波器 数字滤波器是由数字乘法器、加法器和延时单元组成的一种装置。其功能是对 输入离散信号的数字代码进行运算处理,以达到改变信号频谱的目的。由于电 子计算机技术和大规模集成电路的发展,数字滤波器已可用计算机软件实现, 也可用大规模集成数字硬件实时实现。数字滤波器是一个离 散时间系统(按预 定的算法,将输入离散时间信号转换为所要求的输出离散时间信号的特定功能 装置)。应用数字滤波器处理模拟信号时,首先须对输入模拟信号进行限带、 抽样和A/D转换。数字滤波器输入信号的抽样率应大于被处理信号带宽的2倍, 其频率响应具有以抽样频率为间隔的周期重复特性,且以折叠频率即1/2抽样 频率点呈镜像对称。为得到模拟信号,数字滤波器处理的输出数字信号须经 A/D转换、平滑。数字滤波器具有高精度、高可靠性、可程控改变特性或复用、 便于集成等优点。数字滤波器在语言信号处理、图像信号处理、医学生物信号 处理以及其他应用领域都得到了广泛应用。数字滤波器有低通、高通、带通、 带阻和全通等类型。它可以是时不变的或时变的、因果的或非因果的、线性的 或非线性的。应用最广的是线性、时不变数字滤波器。图49所示的是模拟滤波 与数字滤波这两种滤波器对阶跃输入的响应特性。

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图49 模拟滤波与数字滤波对阶跃输入的响应特性

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各种各样传感器的共同特点是把非电量转换为电量,但电量的形式有多种,如电阻、 电感、电容、电压、电流、频率、相位等多种形式。 变送器是从传感器发展而来的,凡是能输出标准信号的传感器就称之为变送器,标 准信号是指物理量的形式和数量范围都符合国际标准的信号。由于直流信号具有不 受线路中电感、电容及负载性质的影响,不存在相移问题等优点,所以国际电工委 员会(IEC)将电流信号4mA~20mA(DC)和电压信号1V~5V(DC)确定为过程控制系统 中模拟信号的统一标准。 有了统一的信号形式和数字范围,就便于把各种变送器和其他仪表组成检测系统或 调节系统,无论什么仪表或装置,只要有同样标准的输入电路或接口,就可以从各 种变送器获得被测变量的信号。这样,兼容性和互换性大为提高,仪表的配套也极 为方便。 输出为非标准信号的传感器,必须和特定的仪表或装置相配套,才能实现检测或调 节功能。为了加强通用性和灵活性,某些传感器的输出可以靠相应的转换器把非标 准信号转换成标准信号,使之与带有标准信号的输入电路或接口配套,不同的标准 信号也可借助相应的转换器互相转换。例如4mA~20mA与0~10mA,1V~5V与 4mA~20mA,0~5V与 0~10mA等的相互转换。

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一. U/I转换电路
电压与电流的相互转换实质上是恒压源恒流源的相互转换,一般来说, 恒流源的内阻远大于负载电阻,因此,原则上讲,将电压转换为电流 必须采用输出阻抗高的电流负反馈电路,而将电流转换为电压则必须 采用输出阻抗低的电压负反馈电路。
1. 由运放构成的电压-电流(U/I)转换电路 图50(a)所示是一个简单的电压-电流转换电路。它类似于一个同相放 大器,RL的两端都不接地,利用虚地的概念,可得出输出电流与电 压的关系为
io ? vi R1 ? R2
调节R2就可以改变输入电压与电流 之间的转换系数。

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通常所用的运放其输出最大电流约 为20mA,为扩大输出电流,运放 的输出端可增加一个三极管驱动电 路,如图50(b)所示,它是一个输 入为0~1V,输出为0~10mA的电压 -电流转换电路。

(b)0~1V变为0~10mA的 U/I转换电路

目前,国内外已经生产出传感器专用的集成电压-电流变换芯片, 常用的电压-电流转换集成电路如AD639、AD694、XTR110、ZF2B20 、AM462等,为实际应用带来了方便。

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二. 逻辑电平转换
常用的逻辑电平有TTL、CMOS、LVTTL、LVCMOS、ECL、PECL、 LVDS、GTL、BTL、ETL、GTLP;RS-232、RS-422、RS-485等。 当两种不同类型的逻辑电平在同一系统中混合使用时,由于它们间电 平的有效区间不一致,一般不能直接连接,也就是说,必须进行逻辑 电平转换。
逻辑电平转换器的类型很多,通常有TTL→MOS,MOS→TTL, ECL→TTL,TTL→ECL,TTL→CMOS,CMOS→TTL, TTL→HTL,HTL→TTL,ECL→MOS,MOS→ECL,TTL→RS232C,RS-232C→TTL等。 电平转换通常具有驱动能力,有时也称之为驱动器。

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1. 逻辑电平中几个概念的含义 (1) 输入高电平(VIH): 保证逻辑门的输入为高电平时所允许的最小输入高电平,当输 入电平高于VIH时,则认为输入电平为高电平。 (2) 输入低电平(VIL):保证逻辑门的输入为低电平时所允许的最大输入低电平,当输 入电平低于VIL时,则认为输入电平为低电平。 (3) 输出高电平(VOH):保证逻辑门的输出为高电平时的输出电平的最小值,逻辑门的 输出为高电平时的电平值都必须大于此VOH。 (4) 输出低电平(VOL):保证逻辑门的输出为低电平时的输出电平的最大值,逻辑门的 输出为低电平时的电平值都必须小于此VOL。 (5) 阈值电平(VT): 数字电路芯片都存在一个阈值电平,就是电路刚刚勉强能翻转动 作时的电平。它是一个界于VIL、VIH之间的电压值。 对于CMOS电路的阈值电平,基本上是1/2的电源电压值,但要保证稳定的输出,则必 须要求输入高电平> VIH,输入低电平< VIL,而如果输入电平在阈值上下,也就是 VIL~VIH这个区域,电路的输出会处于不稳定状态,对于一般的逻辑电平,以上参数
的关系如下: VOH > VIH > VT > VIL > VOL
(6) IOH:逻辑门输出为高电平时的负载电流(为拉电流)。 (7) IOL:逻辑门输出为低电平时的负载电流(为灌电流)。 (8) IIH:逻辑门输入为高电平时的电流(为灌电流)。 (9) IIL:逻辑门输入为低电平时的电流(为拉电流)。

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2. 常用集成电路输入输出端的电平范围 为了弄清逻辑电平转换原理,首先必须弄清不同集成电路输入输出端 的电平范围。由表1和表2可见:TTL、CMOS的输入输出逻辑电平的 有效区间范围并不完全吻合。

符号
VOH VOL VIH VIL

表1 74LSH门的输入输出参数

名称 输出高电平 输出低电平 输入高电平 输入低电平

最大值 5V 0.4V 5V 0.8V

最小值 2.4V 0V 2.0V 0V

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表2 CMOS电路的典型逻辑电平

符号 VOH VOL VIH VIL

名称

电源电压VDD

输出高电平 输出低电平 输入高电平 输入低电平

5V 10V
5V 10V
5V 10V
5V 10V

电压范围
4.95V~5V 9.95V~10V
0~0.05V 0~0.05V
3.5V~5V 7V~10V
0~1.5V 0~3V

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3. 逻辑电平转换应用举例 1) CMOS与晶体管的连接 利用CMOS驱动晶体管,可以达到驱动较大负载的功能。如图所示, 由R1,R2提供晶体管VT1的导通电平,利用VT2实现电流放大,从而 驱动负载RL工作,RL可以是继电器、显示灯等器件。

CMOS与晶体管的连接

? ? ? ? R1?IB VO ?HV ?BEV1B?E1V?BEV2BE/2R2
式中,VOH为CMOS输出高电平; VBE1、VBE2为晶体管VT1、VT2 B、 E极之间的正向压降,其值通常可 取0.7V;R2是为改善电路开关性能 而引入的,其值一般取4k?~10k?。

第三章:信号转换与处理电路
2) TTL→CMOS转换 由于TTL电路输出高电平的规范值为2.4V,在电源电压为5V时, CMOS电路输入高电平VIH≥3.5V,这样就造成了TTL与CMOS电路接 口上的困难。解决的办法是在TTL电路输出端与电源之间接一上拉电 阻R,如图所示。电阻R的取值由TTL的高电平输出漏电流IOH来决定, 不同系列的TTL应选用不同的R值。一般有: ① 74系列:4.7k?≥R≥390? ② 74H系列:4.7k?≥R≥270? ③ 74L系列:27k?≥R≥1.5k? ④ 74S系列:4.7k?≥R≥270? ⑤ 74LS系列:12k?≥R≥820?
+5V
TTL和CMOS电源电压相同
R

TTL

CMOS

第三章:信号转换与处理电路

如果CMOS电路的电源电压高于TTL电路的电源电压

+5V

+5V~15V

TTL到CMOS的电平转换可用

R

CD4504、 CC40109及BH017

TTL

CMOS

TTL→CMOS转换接口

第三章:信号转换与处理电路

3)EIA和TTL ? 232C接口采用EIA电平 – 高电平为+3V~+15V – 低电平为-3V~-15V – 实际常用±12V或±15V

MC1488

MC1489

MAX232

? 标准TTL电平 ? 高电平:+2.4V~+5V ? 低电平:0V~0.4V

第三章:信号转换与处理电路

第三章:信号转换与处理电路
三. A/D 转换器
随着数字技术,特别是计算机技术的飞速发展与普及,在现代控制、通 信及检测领域中,对信号的处理广泛采用了数字计算机技术。由于系统 的实际处理对象往往都是一些模拟量(如温度、压力、位移、图像等),要 使计算机或数字仪表能识别和处理这些信号,必须首先将这些模拟信号 转换成数字信号;而经计算机分析、处理后输出的数字量往往也需要将 其转换成为相应的模拟信号才能为执行机构所接收。这样,就需要一种 能在模拟信号与数字信号之间起桥梁作用的电路——模数转换(A/D)电路 和数模转换(D/A)电路。 能将模拟信号转换成数字信号的电路,称为模数转换器(或称A/D转换器, 简称ADC);而将能把数字信号转换成模拟信号的电路称为数模转换器(或 称D/A转换器,简称DAC),A/D转换器和D/A转换器已经成为计算机系统 中不可缺少的接口电路。

第三章:信号转换与处理电路
1. A/D转换的一般步骤 一般的A/D转换过程是通过采样、保持、量化和编码这四个步骤完 成的,如图所示。
模拟量到数字量的转换过程

第三章:信号转换与处理电路
2. A/D转换的工作原理
ADC也有很多种,从电路结构看可分为逐次逼近型、并联比较型、 双积分型等。
并联比较型具有转换速度高的优点,但随着位数的增加,所使用 的元件数量以几何级数上升,使得造价剧增,故应用并不广泛;
双积分型具有精度高的优点,但转换速度太低,一般应用于非实 时控制的高精度数字仪器仪表中;
逐次比较型转换速度虽然不及并联比较型,属于中速ADC,但具 有结构简单的价格优势,在精度上可以达到一般工业控制要求,故目 前应用比较广泛。

第三章:信号转换与处理电路

1)3位并行比较型A/D转换原理电路图

电压比较器中量化电平是

用 电 阻 链 把 参 考 电 压 VREF

分压,得到从 1
15

V

REF



1 1

3 5

V

R

EF

之间7个比较电平,量化单

位Δ=

2 15

V

R

E

F

。然后,把这7

个比较电平分别接到7个比

较 器 C1 ~ C7 的 输 入 端 作 为 比较基准。同时将输入的

模拟电压同时加到每个比

较器的另一个输入端上,

与这7个比较基准进行比较。

第三章:信号转换与处理电路
单片集成并行比较型A/D转换器的产品较多,如AD公司的AD9012 (TTL工艺, 8位)、AD9002(ECL工艺,8位)、AD9020(TTL工艺,10位)等。 并行A/D转换器具有如下特点: (1) 由于转换是并行的,其转换时间只受比较器、触发器和编码电路延迟时间 限制,因此转换速度最快。 (2) 随着分辨率的提高,元件数目要按几何级数增加。一个n位转换器,所用的 比较器个数为2n-1,如8位的并行A/D转换器就需要28-1=255个比较器。由于 位数越多,电路越复杂,因此制成分辨率较高的集成并行A/D转换器是比较困 难的。 (3) 使用这种含有寄存器的并行A/D转换电路时,可以不用附加采样保持电路, 因为比较器和寄存器这两部分也兼有采样保持功能。这也是该电路的一个优点。

第三章:信号转换与处理电路
信号转换电路
2) 逐次比较型A/D转换器 逐次逼近转换过程与用天平称物重非常相似。 按照天平称重的思路,逐次比较型A/D转换器,就是将输入模拟信号 与不同的参考电压做多次比较,使转换所得的数字量在数值上逐次逼 近输入模拟量的对应值。 4位逐次比较型A/D转换器的逻辑电路如图61所示。 图中5位移位寄存器可进行并入/并出或串入/串出操作,其输入端F为 并行置数使能端,高电平有效。其输入端S为高位串行数据输入。数 据寄存器由D边沿触发器组成,数字量从Q4~Q1输出。

第三章:信号转换与处理电路

2)4位逐次比较型A/D转换器的逻辑电路

逐次逼近转换过程与用 天平称物重非常相似。
启动时,移位寄存器置0, 第一个脉冲来时,QA置 1,触发数据寄存器Q4为 1,并通过D3实现D/A转 换,与Vi比较,数据寄 存器中的1大则保留,小 则清除,依次进行。

逐次比较型A/D转换器具 有转换速度快、精度高的
特点。常用的集成逐次比 较型A/D转换器有 ADC0808/0809系列(8位)、 AD575(10位),AD574A (12位)。

第三章:信号转换与处理电路
3)双积分型A/D转换器(幅值转换为积分时间)
启动时,接入VI,RC电路对VI积分,VC为正,使计数器计数,计满n位后, 触发FFn输出,使开关切换到B,同时,计数器重新计数,VC逐渐减小,到 0时,停止计数。

第三章:信号转换与处理电路

? 对

V I积





V


0

t


1

?

?

1 C

t1 V I d t 0R

?

?

VI RC

t1

当 计 满 数 之 后 , 计 数 值 为 2n, 故 :

t1 ? 2 n T cp

V


0

t


1

?

?

VI RC

2 n T cp

? - V R E F 反









V


0

t 2)= V(0

t 1)-

1 C

t2 -V R E F d t 0R

V(0

t

2 )=

V


0

t 1)+

V REF RC

t2

?

0 (积









0,









)

t2 =

- V(0

t


1

V REF

RC

假 设 计 数 值 为 D , 则 t2 ? D Tcp



t 2 = - V(0

t


1

V REF

?

D

T


cp









D:

D

?

2nV I V REF

RC

性能比较稳定, 转换精度高;抗 干扰能力强,电 路简单;工作速 度低。
单片集成双积分式A/D 转换器有ADC- EK8B(8位,二进制码)、 ADC-EK10B(10位, 二进制码)、 MC14433(3 位,BCD 码)等。

第三章:信号转换与处理电路
四. U/F转换器
U/F(电压-频率)转换器能把输入信号电压转换成相应的频率信号,即 它的输出信号频率与输入信号电压值成比例,故又称为电压控制(压 控)振荡器(VCO)。 其传输函数可表示为
f ? k V1
电压-频率转换电路广泛应用于调频、调相、A/D转换器、 数字电压表、数据测量仪器及远距离遥测遥控设备中。 电压-频率转换电路的主要方式有多谐振荡式和电荷平衡 式两种。

第三章:信号转换与处理电路
1. 由集成运放构成的电压-频率转换电路 1) 电荷平衡式电路(如AD650、VFC101) 如图所示为电荷平衡式电压-频率转换电路的原理框图。

UOL UOH UOH

I>>Ii;U0低电平,s断开;U0高,s闭合

U0

Ui越大,积分越快。

第三章:信号转换与处理电路
2) 复位式电路 复位式电压-频率转换电路的原理框图如图所示,电路由积分器和单 限比较器组成,S为模拟电路开关,可由三极管或场效应管组成。
U1
UREF
u1
U0 U0高,s断开 U0低,s闭合 UREF>U1,U0
高电平 小于,低电平

第三章:信号转换与处理电路

2.多谐振荡式(如AD654) 集成电压-频率转换电路分为电荷平衡式和两类。 如图65所示,是多谐振荡式电压-频率转换电路原理图,这种结构利 用电流控制精密多谐振荡器作为基本定时单元。输入级运算放大器把 输入电压转换为成比例的单极性电流来驱动多谐振荡器电路和定时电 容器,这个电流决定定时电容的充放电速率,而定时电容又决定多谐 振荡电路的工作频率。与输入信号成正比的输出频率经过一个集电极 开路的NPN三极管输出为方波。

VIN

A


电流控制 多谐振荡器

输出

基准输入

第三章:信号转换与处理电路

多谐振荡器式与电荷平衡式电压-频率转换电路的比较

电压-频率转 换电路

多谐振荡器式

电荷平衡式

优点

简单、便宜、功耗 低,具有单位占空
比的方波输出

比较精确,适合小 的模拟信号输入, 而且输入信号可以 为双极性,输出波
形是脉冲串

缺点

精度低于电荷平衡 式电压-频率转换电 路,而且不能对负
输入信号积分

电路要求较高,输 入阻抗低

第三章:信号转换与处理电路

五. D/A 转换器
1. D/A转换器基本原理 数字量是用代码按数位组合起来表示的,对于有权码,每位代码都有一定 的权。为了将数字量转换成模拟量,必须将每1位的代码按其权的大小转换 成相应的模拟量,然后将这些模拟量相加,即可得到与数字量成正比的总 模拟量,从而实现了数字与模拟转换。这就是构成D/A转换器的基本思路。

D0 D1
.. .
Dn-1 输入

D/A转换器 vo
输出

D/A转换器的输入、输出关系框图

vo/V
7 6 5 4 3 2 1 0 000 001 010 011 100 101 110 111 D
3位D/A转换器的转换特性

第三章:信号转换与处理电路

2. D/A转换器的种类 1) 倒T形电阻网络D/A转换器 在单片集成D/A转换器中,使用最多的是倒T形电阻网络D/A转换器。 4位倒T形电阻网络D/A转换器的原理图如图所示。

(LSB)

D0

D1

(MS B)

Rf

D2

D3



A

vo

+

S0

S1

S2

S3

2R 2R

I

16

2R

R

I 8

2R

R

I 4

2R

R

I 2
+VREF

I

I

16

8

I

I

I

当Di=1时,Si接运放反相输

4

2

入端(“虚地”),Ii流入求和

电路;当Di=0时,Si将电阻

2R接地。

第三章:信号转换与处理电路

电流: 输出电压为

? i?? V R R E F(D 2 4 0?D 2 3 1?D 2 2 2?D 2 1 3)?2 V 4 R ? E F R i? 3 0(D i?2 i)
? vO??i?Rf ??R Rf ?V2RE 4Fi? 30(Di ?2i)

将输入数字量扩展到n位,可得n位倒T形电阻网络D/A转换器输出模 拟量与输入数字量之间的一般关系式为

? vO??RRf ?V2RE nF[ni??01(Di ?2i)]
常用的CMOS开关倒T形电阻网络D/A转换器的集成电路有 AD7520(10位)、DAC1210(12位)和AK7546(16位高精度)等。

第三章:信号转换与处理电路
2) 权电流型D/A转换器 尽管倒T形电阻网络D/A转换器具有较高的转换速度,但由于电路中 存在模拟开关电压降,当流过各支路的电流稍有变化时,就会产生转 换误差。为进一步提高D/A转换器的转换精度,可采用权电流型D/A 转换器。 如图所示为权电流型D/A转换器的原理电路图,其恒流源从高位到低 位电流的大小依次为I/2、I/4、I/8、I/16。
当输入数字量的某一位代码Di=1 时,开关Si接运算放大器的反相 输入端,相应的权电流流入求和 电路;当Di=0时,开关Si接地。

第三章:信号转换与处理电路

分析该电路可得出

vO ? i? Rf

?

Rf

(I 2

D3

?

I 4

D2

?

I 8

D1

?

I 16

D0 )

?

I 24

?

Rf

(D3

? 23

?

D2

? 22

?

D1

? 21

?

D0

? 20 )

? ?

I 24

? Rf

3 i?0

Di

? 2i

采用了恒流源电路之后,各支路权电流的大小均不受开关导通电阻和
压降的影响,这就降低了对开关电路的要求,提高了转换精度。采用 这种权电流型D/A转换电路生产的单片集成D/A转换器有AD1408、 DAC0806、DAC0808等。

第三章:信号转换与处理电路
六. F/U转换器
(频率-电压)转换器是把频率变化信号线性地转换成电压变化 信号,其广泛地应用于调频、调相信号的解调等方面。

常用的集成芯片有LM231、 LM331、AD650、AD652、 VFC320、AD654和AD537 等。

该电路由一个单稳态触发器MT,一个 D触发器DT、一个异或门EX-OR和一
个支流差分放大器A组成

第三章:信号转换与处理电路

增量式光电编码器输出Ui1和Ui2两路互差90°的方波信号,通过D触 发器DT以鉴别转向,正转向时DT输出低电平“0”,反转时DT输出高 电平“1”。 假定DT、MT、EX-OR输出的高电平均为us,低电平均为0V,MT的 暂态时间为。当光电编码器正转时,输出方波频率f代表转速的大小,
此分为时量uM亦s fT为?输/ u2出,s f的放? 直大,流器经分AR量的1、为输R出u2s分电f ?压压,加DT到输差出分为放0大,器故同EX相-O输R入输端出的的电直压流

uax

?

1 2

kus

f?

式中k为放大器放大倍数

当EX光-O电R编输码出器的反直转流时分,量M为Tu输s ?1出?直f?流?。分此量时仍加为到u s放f ?大,器DAT同输相出输为入us端,的

电压为 出电压

us?1?f??/2,加到反相输入端的电压为us/2。故放大器A输

uax

?

?

1 2

kus

f

?

由此可见,输出端电压 u
正比,且能表示方向。

a x 与f成

第三章:信号转换与处理电路
本章小结
本章主要从四个方面介绍信号转换和处理:信号的调制与解调、信号 放大、信号处理和信号的转换。 (1)调制就是用一个信号(称为调制信号)去控制另一个作为载体的信号 (称为载波信号),让后者的某一特征参数按前者变化。根据载波信号受 调制的基本参数的不同,调制分为调幅(AM)、调频(FM)和调相(PM)。 (2)对信号的放大有很多种电路可以实现,但工程测试中所遇到的信号, 多为100kHz以下的低频信号,在大多数的情况下,都可以用放大器集 成芯片来设计放大电路。 最常用的是比例运算放大器,除此之外,还有电桥放大器、线性放大 器、交流放大器、测量放大电路,隔离放大电路等。

第三章:信号转换与处理电路
本章小结
(3)采样保持电路具有采集某一瞬间的模拟输入信号,根据需要保持并 输出采集的电压数值的功能。 (4)滤波电路(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。常有低通、高通、带通和带阻 滤波器;或称为RC、LC或晶体谐振滤波器;或有源滤波器和无源滤波 器;或模拟滤波器和数字滤波器。 (5)常用的信号转换电路有U/F(电压-频率)转换器、F/U(频率-电压)转 换器、U/I(电压-电流)转换器、I/U(电流-电压)转换器、A/D(模/数)转换 器、D/A(数/模)转换器等。



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