信号调理放大.docx

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信号调理放大

目录

调理3

放大器的应用3

反向比例放大3

同向比例放大3

反向相加器4

同向相加器4

相减器4

反向积分器5

差分积分器5

反向微分器5

对数放大器6

反对数放大器6

IU变换6

UI变换7

电平移位电路7

精密半波整流7

精密全波整流（绝对值电路）7

峰值检波8

相敏检波（符号电路）9

采样保持电路11

过零比较器11

迟滞比较器11

窗口比较器12

*弛张振荡器13

*文氏桥正弦波振荡器13

*恒流源电路13

*PWM13

低通13

高通15

带通16

带阻18

全通19

函数逼近构建滤波器20

滤波器的实现21

放大24

增益可控方案24

偏置方法26

偏执目的26

偏执方法26

信号调理与放大

信号调理简单的说就是将待测信号通过放大、滤波等操作转换成采集设备能够识别的标准信号。

是指利用内部的电路（如滤波器、转换器、放大器等…）来改变输入的讯号类型并输出。

调理

放大器的应用

反向比例放大

同向比例放大

反向相加器

同向相加器

相减器

反向积分器

差分积分器

反向微分器

对数放大器

反对数放大器

IU变换

UI变换

电平移位电路

精密半波整流

精密全波整流（绝对值电路）

峰值检波

相敏检波（符号电路）

采样保持电路

过零比较器

反向输入同向输入

迟滞比较器

同相输入

反相

窗口比较器

以下这几部分已经在信号产生文档中有过说明，不再赘述。

*弛张振荡器

*文氏桥正弦波振荡器

*恒流源电路

*PWM

低通

无源

负载特性

有源

一阶

二阶

普通

压控

高通

高低通关系

二阶压控

带通

LPF与HPF串联可以构成BPF

二阶压控

带阻

LPF与HPF并联可以构成BEF

基本BEF

典型BEF

全通

移相电路

一阶APF相频曲线

函数逼近构建滤波器

最平响应逼近——巴特沃斯

最有可能得到最平坦的带内幅频增益，但衰减较慢

等起伏逼近——切比雪夫

带内表现为等幅波动，衰减带陡峭

最大线性相移逼近——贝塞尔

带内各频率分量均有线性相移，即群迟延接近于常数，相位失真小，但幅频特性过渡带长，带外衰减慢。

椭圆函数逼近——椭圆

通带阻带均有起伏，阻带中有若干个零点，从而使过渡带特别陡峭

滤波器的实现

方案一：

利用CPLD实现数字滤波，具体原理图如图1-1所示。

图1-1数控滤波器原理图

在该系统中，可通过改变A/D的采样率以及数字滤波器的参数去改变滤波器的频响特性。

该方案的特点是容易调整滤波器的参数、可扩展性好，但是实现复杂、成本高。

方案二：

利用集成运算放大器实现。

本方案中，由于模拟运算放大器的设计已经有一套成熟的设计方法，因此设计起来较容易，但是其调试较困难、滤波器参数难以改变。

考虑到实现的难易程度以及成本，我们选择方案二。

二：

理论分析与参数计算

滤波器阶数的确定

由滤波器的幅频特性曲线可以很容易地得到实现此滤波器所需要的阶数。

考察如下传输函数：

（式2-1）

其振幅函数为：

（式2-2）

若以对数形式表示，式2-2可改写为：

（式2-3）

可见，对数振幅是由四类基本项的分贝数之和构成，即①常数；②原点的极点或零点；③一阶极点或零点；④共轭极点或零点。

滤波器传输函数的振幅特性曲线就是由这四种基本项的振幅特性曲线以某种组合构成。

而一阶零极点的振幅特性曲线如右图所示：

图2-1一阶零极点振幅特性

由题目所给的频响特性图可知：

在50Hz～1.325KHz范围内，

A（w）是一条斜率为-20dB/10倍频程的直线，因此在50Hz处必然有一个一阶极点；在1.325KHz～10KHz范围内，曲线的下降趋势被遏制，斜率变为0，因此必然在1.325处有一个一阶零点。

总之该滤波器的阶数为一阶。

滤波器传递函数的确定

由以上对滤波器阶数的分析可知其传输函数的形式为：

（式2-4）

由图2-2知，滤波器的通带截止频率为=50Hz；阻带截止频率为=1.325KHz；0dB点的频率为301Hz。

将图3-2滤波器频响特性

这三个条件代入可解得：

（式2-5）

该传输函数所确定滤波器的频响特性曲线如图3-3所示。

图3-3MATLAB仿真结果①

由图可看出，此特性曲线在低频处与要求的特性曲线较吻合，但是在高频处与其差别较大，即比要求的增益大。

因此应当调整各参数，使得高频特性达到要求。

具体调整方法如下：

把式（2-4）改写成式（2-6）的形式：

（2-6）

由式中可知，第一部分主要影响滤波器的高频特性，第二部分主要影响滤波器的低频特性。

因此要使频响特性达到题目要求，必须增大A的值，为了保证低频特性保持不变，还应当减小b的值。

最终的调整结果为：

（2-7）

该传输函数所确定滤波器的频响特性曲线如图3-4所示。

由图可知此传输函数基本符合题目要求。

图3-4MATLAB仿真结果②

三：

系统设计与实现

1.电路形式及器件选择

此电路可用基本的低通和高通滤波器组成。

根据传输函数分解方式的不同，可以有以下几种组合方式：

=（3-1）

考虑到调整参数的难易程度，我们采用第三种形式。

即：

（3-2）

根据式3-2，我们设计如下电路形式：

即前级为一个反向器，接着是一个低通滤波器和一个高通滤波器的并联电路，最后是一级反向相加器。

由于RC滤波器的过渡带较平缓，符合于本系统的设计要求，因此低通与高通滤波器均由一个RC滤波器与一个同相比例放大器组合而成。

该电路所使用的运算放大器应当选择LM386,TLC2822等音频放大器。

在此，由于只是简单地验证理论，因此使用了手头较常用的TLC084。

2.参数计算

（3-3）

为了满足输入阻抗的要求，前级反向器的电阻选为R12=R13=110K

低通滤波器参数：

R4=10K，R1=10K，R2=33K，C=330nF

高通滤波器参数：

R6=10K，R3=10K，（R5+R8）=1.7K

C=330nF

在用multisim2001仿真时，把低通滤波器的参数稍作调整，令R2=51K，这样仿真结果更符合设计要求。

3.电路图

图3-1系统电路图

4.仿真结果

图3-2仿真结果（用multisim2001仿真）

结果分析：

该电路频响特性符合题目要求。

放大

增益可控方案

可编程增益可控放大器：

这个方法是最简单的，他集成了放大器，电阻网络，模拟开关，以及数字锁存器等元件于一身，通过精密电阻与高性能模拟开关控制增益，是最方便的选择。

但是相对于集成度，他的漂移较大，输入阻抗不大，增益范围小，选择不多，应用不灵活，而且性能较好的片子价钱很贵，性价比不高。

常见的有：

PGA100/102，PGA202/203/204，AD526

数字电位计：

数字电位器（RDAC）是一种具有数字接口的有源器件，可以很方便地与微控器接口来精确调整其阻值。

它具有耐冲击、抗振动、噪音小、使用寿命长等优点，更重要的是它可以代替电路中的机械电位器，容易实现控制自动化和操作上的智能化，在自动测控系统和智能仪器中得到越来越广泛的应用。

滑动端的位置可以被储存在非易失性存储器中，使用方便简单。

在微处理器控制系统中，利用它与运放很容易构成程控增益放大器。

其特点是它不仅能实现量程多级变化，实现高的增益分辨率，而且线路非常简单。

但由于数字电位器受制造工艺等因素的制约，其通频带受限，利用它实现的程控增益放大器高频频响特性不理想。

但本题并不要求很好的高频响应，甚是没有高频分量。

所以数字电位计是一种很好的选择。

逆向使用电压输出型DA：

将DA输出端作为输入，由参考电压输入端输出，将DA转化为可变电阻网络，提供可变增益，可有MCU轻松的赋值。

只需再配合一个固定增益的放大器，即可达到本题的要求，电路简单方便，可靠性高。

由于使用的DA为倒T电阻网络，故几乎没有延迟，响应迅速，提高了动态性能，也减少了输出端可能出现的尖脉冲。

电子开关配合电阻网络或微继电器：

此法与上二者在本质上是相同的，但在应用上，电子开关的导通电阻会影响增益的精度，常见的比如CD4051，测试得导通电阻RON随电源电压和输入模拟电压的变化而变化。

当VDD=5V、VEE=0V时,RON≈280Ω,且随Vi的变化突变;当VDD>10V、VEE=0时,RON≈100Ω,且随Vi的变化缓变。

可见,适当提高CD4051的VDD有利于减小RON的影响,但应同时相应提高选通控制端A、B、C的输入逻辑电平。

如VDD=12V（VEE=0V）,可采用电源电压上拉箝位的办法,上拉电阻的阻值取1.5kΩ以上,使选通控制信号的有效高电平不低于6V.这样既保证CD4051理想导通（RON小）,又实现了CMOS电平与TTL电平之间的转换,也可以选用性能更优的模拟开关。

也可以用微继电器作为切换开关,再用CD4051去控制微继电器动作。

因微继电器的接通电阻很小（一般在mΩ量级）,故可从根本上克服上述缺点。

但继电器的切换效率较低，在需要频繁切换的场合难以适应工作。

DA用作衰减器

当我们前级的放大给的足够大时，我们可以使用DA做衰减器来控制增益。

他的原理与DA本来工作方式相似，利用了DA的D/256衰减的功能，使输入输出形成我们想要的衰减，它的应用模式还是原来的电流式加零阶保持或电压模式。

偏置方法

偏执目的

在某些电子元件工作时，必须加偏执电路来保证他的工作状态，是电路发挥它最大的工作能力，不影响电路功能。

偏执方法

对三极管的工作点偏置，一般都是通过二极管的导通压降，或者通过电阻分压完成。

单电源情况偏执方法

分压法：

此法用电阻网络构成分压，一般用的都是大电阻，输入阻抗很大，故微小电流扰动就会造成分压波动。

在对功率有限制的情况下，通常采用此法，但是也同时要求对偏执精度要求不高。

运放电压跟随法：

此法相当于在分压网络后附带一个射随器，提供很大的输入阻抗与很小的输出阻抗，这时，这个分压网络相当于一个恒压源，输出电流的波动并不会直接反映在分压大小上。

其缺点就是成本较高，较之单纯分压更加复杂。

射级电压跟随法：

此法将运放换为三极管，一定程度上减少了成本，但是对电路中电阻的选择提出了更高的要求，故经常存在误差。

虚低发生法：

运用集成虚地发生器TLE2425/2426等可以精确的解决单电源分压问题，可是其成本也大大提升。

二极管抬升法：

此法常见于需要双极性输出的简单放大器中，经典的是甲乙类功率放大器，因为三极管的导通电压与相应材料的二极管相似，故可以通过二极管的压降对后级三极管做偏置。