信号调理电路

3.6 信号调理电路 由传感器直接输出的信号一般是非常微弱的，不能直接被测量电路所利用，所以要根据不同形式的传感器采取不同的方式对信号进行处理，例如对微弱的信号放大、滤波、变换等等，最终将传感器最初的输出信号调理成能被测量电路所利用的信号。 仪器放大器 仪器放大器（或称数据放大器）是用于测量两个输入端信号之差的集成模块，其放大增益可设定。仪放大器具有输入阻抗高、失调和温漂小、增益稳定、输出阻抗低等特点，主要用于作热电偶、应变电桥、分流器及生物传感器的接口电路，这种放大器能够将叠加在大共模电压上的小的差模信号进行前置放大。仪表放大器的增益可任意设定，一般有两种方法，一是通过数字量直接控制，另一种是通过外部电位器调节，目前有各种型号的仪器放大器可供选择使用。仪表放大器的功能框图如图3.6.1所示。 图 3.6.1 仪表放大器有它自己参考端，这些参考端均于地线相连，可以驱动以地为参考的负载。此外仪表放大器的输入地和输出地都汇集在一点，该点又与电源地相连，这样可以减小电路中接地环路电阻，从而减少因接地电阻带来的影响。下面以AD620为例介绍其典型应用。 AD620是低成本仪表放大器，用户仅通过外接一个电阻，就可以在1~1000倍的增益范围内任意设置放大倍数。该器件具有宽的供电电源范围±2.3V~±18V，较低的功耗（≤1.3mA），输入失调电压小于50μV，输入失调电压温漂小于0.6μV/℃，具有低的噪声输入。其管脚排列如图3.6.2所示。 图 3.6.2 1、8脚是外接电阻端子，以调节放大倍数；7、4脚是正、负电源端子；2、3脚是输入电压端；6脚是输出电压端；5脚是参考端，若该端接地，则6脚输出为对地之间的电压。AD620仪表放大器的放大倍数表达式为： 基本放大器电路 图3.6.3是AD620组成的基本放大器，根据放大倍数的要求，可以决定出电阻RG的值。 图中正、负电源对地要加滤波电容。 图 3.6.3 压力测量电路 图3.6.4是一压力测量电路，压力传感器输出的信号通过AD620放大后送入AD转换器， 转换成数字量进行测量。 图 3.6.4 心电检测电路 AD620的正、负输入通过心电传感器分别接到人体的左臂与右臂上，运算放大器AD705 和电阻网络组成驱动电路接到人体的右腿上，构成“浮地”。由于生物信号非常微弱，放大器的放大倍数不宜太高，一般取10~100之间，并且只能作为前置放大。 图 3.6.5 有源滤波器 滤波器是一种能使一定频率的信号通过，而阻止和衰减其他频率的信号的电路。所谓有源滤波器就是采用有源器件（主要是集成运算放大器）和RC网络构成，其优点是体积小、低频性能好、精度高、性能稳定，目前在信号处理电路中广泛应用。根据滤波器的频率特性可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器和全通滤波器，其幅频响应曲线如图3.6.6所示。 图 3.6.6 由于一个高阶滤波器可以分解成多个一阶和二阶滤波器，所以二阶有源滤波器电路是最基本的电路。二阶有源滤波器的电路结构形式非常多，有无限增益多路反馈型滤波器、压控电压源型滤波器、双二次型滤波器和通用的集成滤波器等，下面以二阶压控电压源型滤波器为例介绍其方法。 二阶低通滤波器 二阶低通滤波器的典型传递函数表达式为： 其中，ωn为特征角频率，Q为等效品质因数。 图3.6.7所示电路的传递函数为： 图 3.6.7 , 若令 R1=R2=R，C1=C2=C，则滤波器的参数为： , 可见为了保证滤波器稳定工作，要求Q＞0，则该滤波器的电压放大倍数必须小于3。 举例：要求二阶低通滤波器的通带截止频率为100kHz，品质因数Q=1。试确定电路中电阻、电容元件的参数值。 解：首先选用二阶低通有源滤波器的电路结构如图 所示。且R1=R2=R，C1=C2=C，先选定电容C=1000pF，则电阻R为： ，选用1.6kΩ 根据 ，故 ，即 Rb=Ra 可选择电阻Rb=Ra=10kΩ 。由于滤波器处理的信号频率不高，集成运算放大器可选用LM741。 二阶高通滤波器 二阶高通滤波器的传递函数为： ，其中A0为通带电压增益，ωn是特征角频率，Q是等效品质因数。 图 3.6.7 图3.6.7电路的传递函数为： 令 ， 若选择电阻R1=R2=R，电容C1=C2=C，则此高通滤波器的参数为： ， ， 可见，要保证滤波器能稳定的工作，A0必须大于3。 二阶带通滤波器 二阶带通滤波器传递函数的典型表达式为： 式中ωn是特征角频率也等于带通滤波器的中心频率ω0。带通滤波器的主要性能指标之间的关系为： 其中f0为3dB带宽。 图 3.6.8 图3.6.8是二阶带通滤波器的典型电路，若C1=C2=C ，且 ，则它的传递函数为： 与其标准传递函数对比，可求的： ， ， 该带通滤波器的带宽为： 若R1=R2=R，R3=2R，则滤波器的参数指标为： , ， 该电路的优点是改变运算放大器反相端Rb与Ra的比值，即可调整带通滤波器的带宽，但不影响其中心频率。 二阶带阻有源滤波器 图 3.6.9 二阶带阻有源滤波器的典型电路如图3.6.9所示，起带阻作用的是双T网络。当 ，R1=R2=2R3=R时，其传递函数为： 与其标准传递函数对比，可求的： ， ， 该电路的优点是：当调整Rb与Ra相接近时（即AF接近2），陷波作用明显。只要保持 Rb≤Ra的条件，调整其比值大小，就可控制输出幅度及Q值，而改变R（或C）即可调整中心频率，两者互不影响。 设计有源滤波器要点 设计有源滤波器时，首先明确滤波器的传递函数；然后选择出有源滤波器的电路结构；最后确定出电容、电阻参数及集成运算放大器的型号。 对于电阻、电容的选择，一般要选用精度高、稳定性好的金属膜电阻和聚苯乙烯等电容。 对于集成运算放大器的选择应根据滤波器的要求来决定，运算放大器的主要参数对滤波器的性能主要影响为： 直流失调量（UIO、IIO、IB）对于高通、带通滤波器影响很小，它主要对低通影 响大。消除其影响一般通过精心调零、两输入端直流电阻匹配以及选用低漂移运放等措施。 由于受运算放大器的增益带宽积的影响，随着工作频率的升高运算放大器的开 环电压放大倍数将下降，这势必会改变滤波网络传递函数的零、极点分布，使得ω0和Q值发生变化。所以，尽量选用增益带宽积大的运放。目前运算放大器组成的滤波电路还仅限于低频范围内应用。 在大信号下工作时，运算放大器的转换速率SR限制了滤波器的最大不失真输出 幅度，工作频率越高，不失真输出幅度越小，所以在工作频率较高时，也应选用转换速率较高的运放。 V/F、F/V转换电路 V/F转换电路所实现的功能是输出信号的频率f与输入电压Vi成正比；F/V转换可以实现频率到电压转换，使输出电压V0与输入频率fi成正比。目前实现V/F、F/V转换的方法很多，常见的是通过专用集成电路完成，有AD公司的ADVF32、AD537、AD650、AD651，NS公司的LM131、LM231、LM331等。下面重点介绍AD650的使用方法。 AD650集成器件的特点 AD650是美国AD公司生产的单片V/F、F/V转换集成电路，可精密实现V/F、F/V的变 换，其主要特点有： 满度频率高（可达1MHz） 非线性误差小。在满度10KHz时，非线性误差小于0.002%，在100KHz满度时，非线性误差小于0.005%，在1MHz满度时，非线性误差小于0.07%。 输入电压范围宽。即可输入单极性电压，也可输入双极性电压或差分电压。 采用集电极开路输出。输出端经上拉电阻接5V~30V电源，可与CMOS、TTL电路兼容。 电源电压范围宽，功耗低。允许±9V~±18V供电。 可以实现V/F变换，又能作F/V变换。 其管脚排列及功能如3.6.10图所示。 图 3.6.10 AD650实现V/F转换电路 AD650在构成V/F转换电路时,其输出频率与输入电压的关系为： EMBED Equation.3 设计V/F转换电路，就需要确定四个元件参数。输入电阻RIN，定时电容C1，积分电容C2，上拉电阻R2。对于R2的选择，应使流过输出三极管的电流小于8mA。输入电阻RIN和定时电容C1决定了满度频率和输入电压范围，同时也决定了输出非线性度大小，C1越大，输入电流越小（RIN大），线性度越好。例如在要求满度100KHz（0~10V）时，选取RIN=20kΩ，C1=620pF有最低的非线性失真。另外，若输入电压范围改变，RIN应成比例改变，如输入电压0~10V时，RIN选取100kΩ，那么输入电压变为0~1V，则RIN选取10kΩ；输入电压变为+10V~-10V时，RIN应选取200kΩ。积分电容的选择，一般为： 在输入0~10V的情况下，定时电容的选择可参考图3.6.11。 图 3.6.11 单极性正输入电压V/F转换电路 图 3.6.12 单极性负输入电压V/F转换电路 该电路在输入电压-10V~0V范围内，对应输出频率为100kHz~0kHz。 图 3.6.13 双极性输入电压V/F转换电路 该电路在输入电压为-5V~+5V时，对应的输出频率范围为0~100kHz。 图 3.6.14 高频V/F转换电路 由AD650构成的0~1MHz输出的U/F转换电路如图3.6.15所示。RIN由较小的可调电阻R1和固定电阻R2组成，选取RIN的原则是要确保IIN在0~6mA的范围内。为满足高频转换的需要，应尽量缩短各引线的长度，尤其是连接积分放大器求和点、积分电容和定时电容的引线要短。另外为降低积分放大器的输入阻抗并改善其瞬态响应，在Uo和U-端之间还应接上3.6kΩ的下拉电阻。当fmax=1MHz时，R4应取510Ω，以适应高频输出的需要。 图 3.6.15 V/I、I/V变换电路 V/I变换电路 变送器是从传感器发展而来的，凡是输出标准信号的传感器就称为变送器。所谓标准信号就是国际电工委员会（IEC）规定的电流为4~20mA（DC）和电压为1~5V（DC）的信号。在工业控制系统中，经常需要将传感器检测的输出信号转换成标准的信号，V/I变换电路就是完成此项功能的。下面将介绍一种高性能的集成V/I转换芯片AD694。 AD694的主要特点和管脚功能 AD694是一个单片V/I转换集成电路，将输入电压信号转换成标准的4~20mA电流信号。具有外接元件少、精度高抗干扰能力强等优点，是取代分立元件设计的理想电路。其主要性能为： 工作电压：+4.5V~+36V。 输入电压：0~2V或0~10V。 输出电流：4~20mA或0~20mA。 具有输出开路或超限报警功能。 输出端可外接晶体管，可降低芯片本身功耗。 AD694管脚排列如图3.6.16所示。 图 3.6.16 管脚功能见表3.6.1。 表3.6.1 AD694 管脚功能表 引 脚 名 称 功 能 1 FB 缓冲放大器输出引脚。 2 -SIG 缓冲放大器的负输入引脚。 3 +SIG 缓冲放大器的正输入引脚。 4 2V FS 输入量程选择引脚。接地：0~2V；悬空：0~10V 5 COM 公共端。 6 4mA ADJ 4mA偏置电流微调端。该引脚上的电压不允许超过1V。 7 10V(FORCE) 10V参考电压输出端。采用10V参考电压时，要求电源电压大于12.5V。 8 2V(SENSE) 2V参考电压输出断。管脚7与管脚8短接时，得到2V参考电压。采用2V参考电压时，要求电源电压+4.5V~+36V 9 4mA ON/OFF 4mA偏置电流选通端。接地：输出4~20mA；接≥3V，输出0~20mA。 10 ALARM 输出开路或超限（脚11电压高于VS-2V）报警端。报警时，引脚被拉低，最大灌入电流20mA。 11 Iout 电流输出端。使用外接NPN晶体管时，接晶体管基极。 12 BOOST 增压引脚。使用外接NPN晶体管输出时，通过50Ω电阻与晶体管集电极串联，否则悬空。 13 VS 电源。+4.5V~+36V。 14 BW ADJ 带宽调节端。在脚13、14之间接适当电容与内部900Ω电阻构成低通滤波。 15 VOS ADJ 输入缓冲放大器偏置调节端 16 VOS ADJ 同上 AD694的基本应用 基本应用 图 3.6.17 图3.6.17是AD694的基本接法，一般1 、2脚相连，5、9脚相连，信号从3脚输入。 对于不同的输入范围的电压对应输出电流的范围，AD694是通过连接不同的管脚实现的，具体连接表为： 对于图3.6.17所示电路，当输入电压为0~10V时，输出电流为4~20mA。输出电路所能驱动的最大负载为： 。 若驱动的负载不是纯电阻而是电感性负载，一定在电路中加以保护，以免由于反电势损坏器件，其接法如图3.6.18所示。D1、D2是保护二极管。在高精度的变换应用中，为了减小器件本身的热误差，可在11脚的输出端接入三极管驱动，典型电路如图3.6.19。 EMBED Visio.Drawing.11 图 3.6.18 图 3.6.19 数控V/I变换器 图3.6.20是由AD694与D/A转换器构成的数控V/I变换电路。图中AD7541A是12位D/A转换器，可受微控制器或数字电路控制，D/A转换器的输出电流信号送至AD694内部的缓冲器，将其变成电压信号（0~10V），经AD694即可实现4~20mA的输出。这种接法很适合实现智能控制。 图 3.6.20 I/V变换电路 当变送器的输出信号为电流信号时，要转化成电压信号，需要I/V转换电路实现。图3.6.21是一个实用的I/V转换电路，它是一个同相放大电路，将输入电流在电阻R上产生输入电压，并将其放大。若取R1=100kΩ，Rf=150kΩ，在输入电流为0~10mA时，对应输出电压为0~5V。运算放大器选择高精度运算放大器，例如OP07等。 图 3.6.21 图3.6.22是实现光电转换的电路，在光电管没有受到光照时，流过Rf的电流基本上等于零，输出电压很小；当光电管受到光照时，光电管将产生与光强成正比的电流Ii，所以输出电压为 由于Ii一般很小，所以电阻Rf选的一般很大，故要求集成运算放大器的具有精度高、高输入阻抗等要求。 图 3.6.22 真有效值/直流转换集成电路 随着大规模集成电路技术的发展，各种单片集成真有效值/直流（TRMS/DC）转换电路使用越来越广泛，目前TRMS/DC集成电路以美国AD公司的产品最为常见，典型产品有AD536、AD636、AD637、AD736和AD737，下面重点介绍AD637集成电路的使用方法。 AD637的特点和管脚功能 转换精度高。它能计算任何复杂的波形的真有效值、平均值、均方根、绝对值，并 具有分贝输出。 适用的波峰因数很宽，对于占空比为1%的窄脉冲时，附加误差仍小于1%。 频带宽，量程可调。当输入电压VIN=200mV（RMS）时，上限频率为600kHz；当 VIN＞1V（RMS）时，上限频率可达8MHz。 具有片选端（5脚），当该端接低电平时，芯片进入“备用”状态，输出端呈高阻 态，静态电流也从2.2mA降至350uA。 使用简单，一般情况下不用外部调整元件。唯一的外围元件是平均电容CAV，由它 设定平均时间常数，以决定低频准确度、输出纹波的大小及稳定时间。 内部有独立的缓冲放大器，即可作为输入缓冲器用，又可构成有源滤波器来减小纹 波，提高测量精度。 输入端有过压保护电路，即使输入VIN超过电源电压，一般也不会损坏器件。 电源电压为±3~±18V。 AD637的管脚及内部框图如图3.6.23所示。其功能见表3.6.2。 图 3.6.23 表 3.6.2 AD637功能表 引 脚 名 称 功 能 1、14 BUF IN 、BUF OUT 缓冲器的输入、输出端。该缓冲器完全独立，即可接于VIN端之前，又可接于V0端之后。 2、12 NC 空脚 3 COM 公共地 4 OUT OFFSET 输出补偿端 5 CS 片选端。正常工作时，该端悬空或接高电平。 6 DEN IN 基准输入端，测均方值时用 7 VdB 分贝（电平）电压输出端 8 CAV 平均电容连接端 9 V0 电压输出端 10、11 -VS、+VS 正、负电源输入端 13 VIN 输入电压端 对于AD637构成的电路，外接平均电容CAV构成低通滤波器，只要滤波器的时间常数远大于输入信号的最大周期，输出信号的值就是输入信号的有效值；假如不接平均电容CAV，AD637就进行绝对值计算。 AD637的典型应用 由AD637构成的有效值测量基本电路如图3.6.24所示。 图 3.6.24 调试方法如下： 将输入端接地，调整电位器RP1，使输出电压为零。 输入1V的标准直流电压，调整电位器RP2，使输出电压为1.000V。 平均电容CAV的选择是提高转换精度的关键元件，为了减少纹波电压产生的交流误差，一般建议选用图3.6.25所示的电路，该电路增加了C1、R1、R2等组成的滤波器。关于电容CAV、C1的选择，表3.6.3给出了输入几种典型波形下的频率为60Hz的CAV、C1典型值。电容C2与电容C1相等，约为CAV的3.3倍。假如输入信号的频率不等于60Hz，CAV、C1的值可适当换算，例如f=30Hz时，CAV、C1的值均乘以2；f=120Hz时，CAV、C1的值要除以2，依次类推。 图 3.6.25 表 3.6.3 CAV和C1的典型值（f=60Hz） 波形名称 输入波形 全波整流波形 最小时间常数（R.CAV） CAV(uF) C1(uF) 稳定时间 对称正弦波 T/2 0.47 1.5 181ms 经过直流调制的正弦波 T 0.82 2.7 325ms 矩形脉冲 10（T-T2） 6.8 22 2.67s 含有直流分量的矩形脉冲 10（T-T2） 5.6 18 6.17s _1234567921.unknown _1234567937.unknown _1234567945.unknown _1234567949.vsd � � � � + _ A +Vcc -Vcc R C R2 R1 R3 Rw R4 Vo 0~10mA _1234567953.vsd � � � � 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 AD637 R1 24k C1 +Vs -Vs Vin 24k R2 Cav C2 150 Vo _1234567957.vsd T 0V _1234567959.vsd 0V T T2 _1234567960.vsd T T2 0V _1234567961.vsd T T2 0V _1234567958.vsd 0V T T2 _1234567955.vsd T/2 0V _1234567956.vsd T 0V _1234567954.vsd T 0V _1234567951.vsd � � � _1234567952.vsd � � � � 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 AD637 +Vs +Vs -Vs -Vs Vin Rw1 51k R1 1M Rw2 1k Cav R2 150 输出补偿调节 Vo _1234567950.unknown _1234567947.vsd � � � � � 7 1 2 FB -SIG +SIG 3 COM 9 11 Iout FC Vs 13 _1234567948.vsd � 7 1 2 FB -SIG +SIG 3 COM 9 11 Iout FC Vs 13 12.5V~36V RL AD694 VREF 4~20mA 8 AD7541 D0~D11 OUT1 OUT2 GND _1234567946.vsd � � � 7 1 2 FB -SIG +SIG 3 COM 9 11 Iout FC Vs 13 AD694 4~20mA L RL 1N4148×2 12.5V~36V D1 D2 _1234567941.vsd � � � � � 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 AD650 -15V +15V +5V Vi Ri R2 0.1uF Cos 1k 0.1uF 250k 20k fout -5V~+5V 4.7k 18k 1000pF 10k 1.2k 330pF 0~100kHz _1234567943.vsd 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 AD694 FB -SIG +SIG COM 4mA ADJ 10V(FORCE) ALARM Iout BOOST Vs BW ADJ Vos ADJ Vos ADJ 15 16 2V FS 2V(SENSE) 4mA ON/OFF _1234567944.vsd � 7 1 2 FB -SIG +SIG 3 COM 9 11 Iout FC Vs 13 12.5V~36V AD694 0~10V Vi 4~20mA _1234567942.vsd � � � � � 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 AD650 -15V +15V +5V Vi R4 0.1uF Cos 510 0.1uF 250k 20k 5k 14.3k 1000pF 3.6k 330pF 0~10V fout 0~100kHz R1 R2 R3 _1234567939.vsd � � � � � 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 AD650 -15V +15V +5V Vi Ri R2 0.1uF Cos 1k 0.1uF 250k 20k fout _1234567940.vsd � � � � � 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 AD650 -15V +15V +5V 0~-10V -Vi Ri R2 0.1uF Cos 1k 0.1uF 250k 20k fout 4.7k 18k 1000pF _1234567938.unknown _1234567929.vsd � � � � Vo R1 C1 C2 Ra Rb + _ A +Vcc -Vcc Vi R3 R2 47k 47k 6.2k 6.2k 0.033uF 0.033uF C3 1k 3.3k 0.068uF _1234567933.unknown _1234567935.vsd _1234567936.unknown _1234567934.unknown _1234567931.unknown _1234567932.unknown _1234567930.unknown _1234567925.unknown _1234567927.unknown _1234567928.unknown _1234567926.unknown _1234567923.unknown _1234567924.unknown _1234567922.unknown _1234567905.unknown _1234567913.unknown _1234567917.unknown _1234567919.vsd � � � � Vo R1 22k C1 C2 Ra Rb + _ A +Vcc -Vcc Vi R3 160k 0.01uF 0.01uF R2 12k 47k 47k _1234567920.unknown _1234567918.unknown _1234567915.unknown _1234567916.unknown _1234567914.unknown _1234567909.vsd � � � � Vo R1 R2 C1 C2 Ra Rb + _ A +Vcc -Vcc Vi _1234567911.unknown _1234567912.unknown _1234567910.unknown _1234567907.unknown _1234567908.unknown _1234567906.unknown _1234567897.unknown _1234567901.unknown _1234567903.unknown _1234567904.unknown _1234567902.unknown _1234567899.unknown _1234567900.unknown _1234567898.vsd � � � � Vi Vo R1 R2 C1 C2 Ra Rb + _ A +Vcc -Vcc _1234567893.vsd � 1 8 6 7 4 2 3 + _ AD620 5 Vi RG Vo +Vcc -Vcc _1234567895.vsd � � � � 1 8 6 7 4 2 3 + _ AD620 5 RG +5V -5V Vo _ + 滤波器 8.2k 24k 24k 10k 1M AD705 _1234567896.vsd � Ao A（ω） ω ωc Ao A（ω） ω ωc Ao A（ω） ω ω0 ωc1 ωc2 B Ao A（ω） ω ω0 ωc1 ωc2 B 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器 _1234567894.vsd � 1 8 6 7 4 2 3 + _ AD620 5 RG Vo +Vcc R R R R+ΔR 压力传感器 Vd ADC 数字量输出 _1234567891.vsd 1 2 3 4 5 6 7 8 AD620 IN- IN+ -Vcc REF OUT +Vcc _1234567892.unknown _1234567890.vsd � 仪表放大器 + _ + _ + _ ~ ~ ~ Vid/2 Vid/2 Vic + _ 共模信号 差模信号 +Vcc -Vcc U0 RL 参考 增益选择