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1、1第五章第五章 信号调理信号调理 5.1概述概述5.2电平调整电平调整 5.3线性化线性化5.4信号变换信号变换5.5滤波与阻抗匹配滤波与阻抗匹配 5.6模拟数字转换电路模拟数字转换电路25.1概述概述5.1.1检测系统的构成检测系统的构成力力位移位移 速度速度 加速度加速度 压力压力流量流量温度温度电阻式电阻式电容式电容式电感式电感式 压电式压电式热电式热电式 光电式光电式磁电式磁电式电桥电桥 放大器放大器滤波器滤波器调制器调制器解调器解调器运算器运算器 阻抗变换器阻抗变换器 笔式记录仪笔式记录仪光线示波器光线示波器 磁带记录仪磁带记录仪 电子示波器电子示波器 半导体存储器半导体存储器 显示
2、器显示器 磁卡磁卡 数据处理器数据处理器 频谱分析仪频谱分析仪 FFT 实时信号分析仪实时信号分析仪 电子计算机电子计算机 被测对象被测对象 传感器传感器 中间变换中间变换测量装置测量装置 显示及显示及 记录装置记录装置 实验结果实验结果处理装置处理装置 激发装置激发装置 35.1概述概述5.1.2信号调理的基本概念信号调理的基本概念信号调理信号调理：对传感器输出信号进行操作，将其：对传感器输出信号进行操作，将其转换成满足后续传输与处理系统要求的信号转换成满足后续传输与处理系统要求的信号信号调理与检测电路关系信号调理与检测电路关系：界限不很清楚，有：界限不很清楚，有时二者合二为一。如有些教材将
3、电阻抗时二者合二为一。如有些教材将电阻抗-电压转电压转换电路（电阻、电感、电容等检测电路）归为换电路（电阻、电感、电容等检测电路）归为信号调理电路。信号调理电路。45.1概述概述5.1.3信号调理的类型信号调理的类型n电平调整（放大或衰减）电平调整（放大或衰减）n线性化（非线性信号调正成线性信号）线性化（非线性信号调正成线性信号）n信号形式变换（如电压电流变换）信号形式变换（如电压电流变换）n滤波与阻抗匹配（滤波电路、传感器内滤波与阻抗匹配（滤波电路、传感器内部阻抗或电缆阻抗引起重大误差的处理）部阻抗或电缆阻抗引起重大误差的处理）55.2电平调整电平调整5.2.1为何进行电平调整为何进行电平调
4、整检测系统中虽然可以采用输出标准信号的变送器，检测系统中虽然可以采用输出标准信号的变送器，但在具体设计中也常用传感器加电平调整的方案。但在具体设计中也常用传感器加电平调整的方案。原因有三：原因有三：变送器虽然方便但成本较高，缺乏调节环节；变送器虽然方便但成本较高，缺乏调节环节；在检测系统设计与调试过程中，为了得到理想的在检测系统设计与调试过程中，为了得到理想的传函常常调整传感器传函常常调整传感器/放大器的传函；放大器的传函；变送器量程也是标准的，不能全满足工程要求。变送器量程也是标准的，不能全满足工程要求。65.2电平调整电平调整5.2.2无源电平调整无源电平调整该电路可以实现信号的衰减该电路
5、可以实现信号的衰减R1ViVoR2无源电平调整电路无源电平调整电路ioVRRRV21275.2电平调整电平调整注意注意：两个电阻的稳定性直接影响电平调整效果两个电阻的稳定性直接影响电平调整效果作为传感器电路的负载希望电阻大些，作为作为传感器电路的负载希望电阻大些，作为后续电路的输入希望电阻小些，折中考虑后续电路的输入希望电阻小些，折中考虑大阻值（如大阻值（如M M）的电阻精度与噪声均较差）的电阻精度与噪声均较差常用于精度要求较低的场合，否则用有源调常用于精度要求较低的场合，否则用有源调整电路整电路85.2电平调整电平调整5.2.3有源电平调整有源电平调整iifoVRRV有源电平调整电路普遍采用
6、有源电平调整电路普遍采用运算放大器，如反相放大电运算放大器，如反相放大电路、同相放大电路等。路、同相放大电路等。ViVoR2反相放大电路反相放大电路+-+RiRfRp95.2电平调整电平调整有源电平调整的特点有源电平调整的特点n可以实现放大或衰减，调整方便；可以实现放大或衰减，调整方便；n满足了阻抗匹配要求；满足了阻抗匹配要求；n放大电路的带宽有限，一般厂家给增益带宽积，放大电路的带宽有限，一般厂家给增益带宽积，如如30MHz，若，若G=1000，则带宽小于，则带宽小于30KHz；n放大器本身的噪声影响；放大器本身的噪声影响；n放大器参数影响：输入失调电流、输入失调电压放大器参数影响：输入失调
7、电流、输入失调电压fkTREt4105.2电平调整电平调整5.2.4有源电平调整实例有源电平调整实例某差动压力传感器的输出为某差动压力传感器的输出为33mV58mV，数据，数据采集卡输入范围为采集卡输入范围为0.5V4.5V，因此中间需要电，因此中间需要电平调整电路。平调整电路。调整电路应具有如下特性：调整电路应具有如下特性：33mV58mV调整成调整成0.5V4V（留（留0.5V余量）余量）115.2电平调整电平调整Vi1Vo双运放电压调整电路双运放电压调整电路R2+-+R1R2R2+-+VrefR3R4Vi2125.2电平调整电平调整双运放电压调整电路的输出为双运放电压调整电路的输出为re
8、f13242341123411VRRRRVRRVRRRRViio选取电阻值，使选取电阻值，使2134RRRR，则电路具有较高，则电路具有较高CMRR，双运放电压调整电路的输出简化为：双运放电压调整电路的输出简化为：ref12341VVVRRViio135.2电平调整电平调整双运放电压调整电路的增益为双运放电压调整电路的增益为134RRG改变增益且保证改变增益且保证CMRR不变，须同时调整两个电阻值。不变，须同时调整两个电阻值。能否只调整一个电阻值就达到目的？能否只调整一个电阻值就达到目的？145.2电平调整电平调整Vi1Vo增益可调的双运放电压调整电路增益可调的双运放电压调整电路R2+-+R1
9、R2R2+-+VrefR3R4Vi2RG155.2电平调整电平调整电路的输出为电路的输出为ref13242324434113243244341VRRRRVRRRRRRRRVRRRRRRRRRRRRViGGiGGo选取电阻值，使选取电阻值，使3214RRRRref1243421VVVRRRRViiGo输出简化为：输出简化为：165.2电平调整电平调整Vi1Vo具有正负零位电压调整的三运放电压调整电路具有正负零位电压调整的三运放电压调整电路R1=R4，R2=R3，R5=R6R2+-+R1R2R2+-+VrefR3R4Vi2RGR2+-+VshiftR5R6175.2电平调整电平调整电路的输出为电路
10、的输出为shiftref12434212VVVVRRRRViiGo185.3线性化线性化5.3.1为何进行线性化为何进行线性化检测系统中希望输入输出特性是检测系统中希望输入输出特性是线性化线性化的。的。实际传感器大多数是实际传感器大多数是非线性化非线性化的。的。减少计算量，提高运算速度；减少计算量，提高运算速度；满足线性刻度；满足线性刻度；使用方便。使用方便。195.3线性化线性化5.3.2线性化的方法线性化的方法数字式线性化：数字式线性化：单片机、嵌入式系统、专用芯片；单片机、嵌入式系统、专用芯片；灵活，适用性强，速度有限，难灵活，适用性强，速度有限，难 以满足动态检测场合。以满足动态检测场
11、合。模拟式线性化：模拟式线性化：在信号调理电路中加入模拟非线在信号调理电路中加入模拟非线 性环节。性环节。按使用元件分：按使用元件分：无源线性化无源线性化、有源线性化有源线性化205.3线性化线性化硬件线性化的特点硬件线性化的特点实时性强、简便、经济、可靠，应用广泛。实时性强、简便、经济、可靠，应用广泛。5.3.3无源线性化电路无源线性化电路n用简单的无源器件用简单的无源器件（如电阻）与敏感器件并（如电阻）与敏感器件并联或串联，只要电阻值选择合适，就可以将非联或串联，只要电阻值选择合适，就可以将非线性校正到满意的程度。线性校正到满意的程度。如湿敏电阻的线性化如湿敏电阻的线性化215.3线性化线
12、性化电阻电阻RHaRHbRHcabc相对湿度相对湿度RH%HaHbHcRHRRh湿敏电阻的线性化湿敏电阻的线性化225.3线性化线性化HHHRRRRR并联后的总电阻为并联后的总电阻为使使a，b，c三点一线应满足三点一线应满足HcHbHbHaRRRR即满足即满足HcHcHbHbHbHbHaHaRRRRRRRRRRRRRRRR235.3线性化线性化HbHcHaHcHaHcHbHbRRRRRRRRR22解得：解得：电阻电阻RHaRHbRHcabc相对湿度相对湿度RH%HaHbHc湿敏电阻修正后的特性曲线湿敏电阻修正后的特性曲线245.3线性化线性化HbHcHaHcHaHcHbHbRRRRRRRRR2
13、2也可以直接对输出电压也可以直接对输出电压进行线性化：进行线性化：ViRHRVo串联电阻线性化电路串联电阻线性化电路这种方法所需元件少、成本低，非常简便。但校这种方法所需元件少、成本低，非常简便。但校正范围窄，校正准确度不高，主要用于被测量变正范围窄，校正准确度不高，主要用于被测量变化不大的场合。否则，要采用较复杂的无源电路。化不大的场合。否则，要采用较复杂的无源电路。255.3线性化线性化n用较复杂的无源电路用较复杂的无源电路仍以湿敏电阻为例，下图是不同敏感区的敏感元仍以湿敏电阻为例，下图是不同敏感区的敏感元件进行组合来进行线性化的电路件进行组合来进行线性化的电路R1R2RH2RH1RH26
14、5.3线性化线性化电阻电阻湿敏电阻的线性化效果湿敏电阻的线性化效果相对湿度相对湿度RH%HaHbHcHd电阻电阻abc相对湿度相对湿度RH%HaHbHcHd275.3线性化线性化n用传感器特性曲线上线性较好的一段改善线性用传感器特性曲线上线性较好的一段改善线性HzfNF0F2F1F400030002000振弦式传感器的特性曲线振弦式传感器的特性曲线振弦式传感器的特振弦式传感器的特性曲线中，频率的性曲线中，频率的平方与张力的成正平方与张力的成正比，通过施加预紧比，通过施加预紧力，调整到中间一力，调整到中间一段测量，非线性显段测量，非线性显著减小。著减小。285.3线性化线性化5.3.4有源线性化
15、电路有源线性化电路无源线性化的缺点是降低了灵敏度。无源线性化的缺点是降低了灵敏度。有源线性化有源线性化：运用运放、场效应管或晶体管等有：运用运放、场效应管或晶体管等有 源器件实现线性化。源器件实现线性化。因运放有很高的增益、极高的输入阻抗、灵活多因运放有很高的增益、极高的输入阻抗、灵活多变的接法，可获得各种各样函数变换。原则上，变的接法，可获得各种各样函数变换。原则上，任何敏感器件的变换特性都可以校正为足够好的任何敏感器件的变换特性都可以校正为足够好的直线特性。电路复杂、调整不便、成本较高。直线特性。电路复杂、调整不便、成本较高。295.3线性化线性化几种有源线性化电路几种有源线性化电路n非线
16、性反馈电路非线性反馈电路n多放大器反馈电路多放大器反馈电路n电桥传感器非线性校正电路电桥传感器非线性校正电路n分段式电路分段式电路305.3线性化线性化n非线性反馈电路非线性反馈电路原理原理：利用非线性反馈，使反馈之路的非线性和：利用非线性反馈，使反馈之路的非线性和有源敏感器件的变换特性的非线性相互抵消，从有源敏感器件的变换特性的非线性相互抵消，从而实现线性化。也可以用运算放大器构成的函数而实现线性化。也可以用运算放大器构成的函数运算器进行线性化。运算器进行线性化。例例：硅光电池的输出电压为：硅光电池的输出电压为：IIeVV0315.3线性化线性化利用运放构成对数电路，使输出电压为：利用运放构成对数电路，使输出电压为：KIVKVKVIA0lnln325.3线性化线性化运放构成的对数电路原理图如运放构成的对数电路原理图如VoR2+-+RDVIRiDiR335.3线性化线性化PN结的伏安特性为：结的伏安特性为：1DDVkTqSeIi常温（常温（25度）时，可以近似为度）时，可以近似为TDD/DVVSVkTqSeIeIi345.3线性化线性化运放构成的对数电路的输出为：运放构成的对数电路的输
