3.6 訊號調理電路
由感測器直接輸出的訊號一般是非常微弱的，不能直接被測量電路所利用，所以要根據不同形式的感測器採取不同的方式對訊號進行處理，例如對微弱的訊號放大、濾波、變換等等，最終將感測器最初的輸出訊號調理成能被測量電路所利用的訊號。
3.6.1 儀器放大器
儀器放大器（或稱資料放大器）是用於測量兩個輸入端訊號之差的整合模組，其放大增益可設定。儀表放大器具有輸入阻抗高、失調和溫漂小、增益穩定、輸出阻抗低等特點，主要用於作熱電偶、應變電橋、分流器及生物感測器的介面電路，這種放大器能夠將疊加在大共模電壓上的小的差模訊號進行前置放大。儀表放大器的增益可任意設定，一般有兩種方法，一是通過數字量直接控制，另一種是通過外部電位器調節，目前有各種型號的儀器放大器可供選擇使用。
儀表放大器的功能框圖如圖3.6.1所示。
圖 3.6.1
儀表放大器有它自己參考端，這些參考端均於地線相連，可以驅動以地為參考的負載。此外儀表放大器的輸入地和輸出地都匯集在一點，該點又與電源地相連，這樣可以減小電路中接地環路電阻，從而減少因接地電阻帶來的影響。下面以ad620為例介紹其典型應用。
ad620是低成本儀表放大器，使用者僅通過外接乙個電阻，就可以在1~1000倍的增益範圍內任意設定放大倍數。該器件具有寬的供電電源範圍±2.3v~±18v，較低的功耗（≤1.
3ma），輸入失調電壓小於50μv，輸入失調電壓溫漂小於0.6μv/℃，具有低的雜訊輸入。其管腳排列如圖3.
6.2所示。
圖 3.6.2
1、8腳是外接電阻端子，以調節放大倍數；7、4腳是正、負電源端子；2、3腳是輸入電壓端；6腳是輸出電壓端；5腳是參考端，若該端接地，則6腳輸出為對地之間的電壓。ad620儀表放大器的放大倍數表示式為：
1 基本放大器電路
圖3.6.3是ad620組成的基本放大器，根據放大倍數的要求，可以決定出電阻rg的值。
圖中正、負電源對地要加濾波電容。
圖 3.6.3
2 壓力測量電路
圖3.6.4是一壓力測量電路，壓力感測器輸出的訊號通過ad620放大後送入ad轉換器，
轉換成數字量進行測量。
圖 3.6.4
3 心電檢測電路
ad620的正、負輸入通過心電感測器分別接到人體的左臂與右臂上，運算放大器ad705
和電阻網路組成驅動電路接到人體的右腿上，構成「浮地」。由於生物訊號非常微弱，放大器的放大倍數不宜太高，一般取10~100之間，並且只能作為前置放大。
圖 3.6.5
3.6.2 有源濾波器
濾波器是一種能使一定頻率的訊號通過，而阻止和衰減其他頻率的訊號的電路。所謂有源濾波器就是採用有源器件（主要是整合運算放大器）和rc網路構成，其優點是體積小、低頻效能好、精度高、效能穩定，目前在訊號處理電路中廣泛應用。根據濾波器的頻率特性可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器和全通濾波器，其幅頻響應曲線如圖3.
6.6所示。
圖 3.6.6
由於乙個高階濾波器可以分解成多個一階和二階濾波器，所以二階有源濾波器電路是最基本的電路。二階有源濾波器的電路結構形式非常多，有無限增益多路反饋型濾波器、壓控電壓源型濾波器、雙二次型濾波器和通用的整合濾波器等，下面以二階壓控電壓源型濾波器為例介紹其設計方法。
1 二階低通濾波器
二階低通濾波器的典型傳遞函式表示式為：
其中，ωn為特徵角頻率，q為等效品質因數。
圖3.6.7所示電路的傳遞函式為：
圖 3.6.7
, 若令 r1=r2=r，c1=c2=c，則濾波器的引數為： ,
可見為了保證濾波器穩定工作，要求q＞0，則該濾波器的電壓放大倍數必須小於3。
舉例：要求二階低通濾波器的通帶截止頻率為100khz，品質因數q=1。試確定電路中電阻、電容元件的引數值。
解：首先選用二階低通有源濾波器的電路結構如圖所示。且r1=r2=r，c1=c2=c，先選定電容c=1000pf，則電阻r為：
，選用1.6kω
根據，故 ，即 rb=ra
可選擇電阻rb=ra=10kω 。由於濾波器處理的訊號頻率不高，整合運算放大器可選用lm741。
2 二階高通濾波器
二階高通濾波器的標準傳遞函式為： ，其中a0為通帶電壓增益，ωn是特徵角頻率，q是等效品質因數。
圖 3.6.7
圖3.6.7電路的傳遞函式為：
令 ，
若選擇電阻r1=r2=r，電容c1=c2=c，則此高通濾波器的引數為：
可見，要保證濾波器能穩定的工作，a0必須大於3。
3 二階帶通濾波器
二階帶通濾波器傳遞函式的典型表示式為： 式中ωn是特徵角頻率也等於帶通濾波器的中心頻率ω0。帶通濾波器的主要效能指標之間的關係為：
其中f0為3db頻寬。
圖 3.6.8
圖3.6.8是二階帶通濾波器的典型電路，若c1=c2=c ，且，則它的傳遞函式為：
與其標準傳遞函式對比，可求的：
， ，
該帶通濾波器的頻寬為：
若r1=r2=r，r3=2r，則濾波器的引數指標為：
該電路的優點是改變運算放大器反相端rb與ra的比值，即可調整帶通濾波器的頻寬，但不影響其中心頻率。
4 二階帶阻有源濾波器
圖 3.6.9
二階帶阻有源濾波器的典型電路如圖3.6.9所示，起帶阻作用的是雙t網路。當，r1=r2=2r3=r時，其傳遞函式為：
與其標準傳遞函式對比，可求的：，，
該電路的優點是：當調整rb與ra相接近時（即af接近2），陷波作用明顯。只要保持
rb≤ra的條件，調整其比值大小，就可控制輸出幅度及q值，而改變r（或c）即可調整中心頻率，兩者互不影響。
5 設計有源濾波器要點
設計有源濾波器時，首先明確濾波器的傳遞函式；然後選擇出有源濾波器的電路結構；最後確定出電容、電阻引數及整合運算放大器的型號。
對於電阻、電容的選擇，一般要選用精度高、穩定性好的金屬膜電阻和聚苯乙烯等電容。
對於整合運算放大器的選擇應根據濾波器的要求來決定，運算放大器的主要引數對濾波器的效能主要影響為：
（1） 直流失調量（uio、iio、ib）對於高通、帶通濾波器影響很小，它主要對低通影
響大。消除其影響一般通過精心調零、兩輸入端直流電阻匹配以及選用低漂移運放等措施。
（2） 由於受運算放大器的增益頻寬積的影響，隨著工作頻率的公升高運算放大器的開
環電壓放大倍數將下降，這勢必會改變濾波網路傳遞函式的零、極點分布，使得ω0和q值發生變化。所以，盡量選用增益頻寬積大的運放。目前運算放大器組成的濾波電路還僅限於低頻範圍內應用。
（3） 在大訊號下工作時，運算放大器的轉換速率sr限制了濾波器的最大不失真輸出
幅度，工作頻率越高，不失真輸出幅度越小，所以在工作頻率較高時，也應選用轉換速率較高的運放。
3.6.3 v/f、f/v轉換電路
v/f轉換電路所實現的功能是輸出訊號的頻率f與輸入電壓vi成正比；f/v轉換可以實現頻率到電壓轉換，使輸出電壓v0與輸入頻率fi成正比。目前實現v/f、f/v轉換的方法很多，常見的是通過專用積體電路完成，有ad公司的advf32、ad537、ad650、ad651，ns公司的lm131、lm231、lm331等。下面重點介紹ad650的使用方法。
1 ad650整合器件的特點
ad650是美國ad公司生產的單片v/f、f/v轉換積體電路，可精密實現v/f、f/v的變
換，其主要特點有：
(1) 滿度頻率高（可達1mhz）
(2) 非線性誤差小。在滿度10khz時，非線性誤差小於0.002%，在100khz滿度時，非線性誤差小於0.005%，在1mhz滿度時，非線性誤差小於0.07%。
(3) 輸入電壓範圍寬。即可輸入單極性電壓，也可輸入雙極性電壓或差分電壓。
(4) 採用集電極開路輸出。輸出端經上拉電阻接5v~30v電源，可與cmos、ttl電路相容。
(5) 電源電壓範圍寬，功耗低。允許±9v~±18v供電。
(6) 可以實現v/f變換，又能作f/v變換。
其管腳排列及功能如3.6.10圖所示。
圖 3.6.10
2 ad650實現v/f轉換電路
ad650在構成v/f轉換電路時,其輸出頻率與輸入電壓的關係為：
設計v/f轉換電路，就需要確定四個元件引數。輸入電阻rin，定時電容c1，積分電容c2，上拉電阻r2。對於r2的選擇，應使流過輸出三極體的電流小於8ma。
輸入電阻rin和定時電容c1決定了滿度頻率和輸入電壓範圍，同時也決定了輸出非線性度大小，c1越大，輸入電流越小（rin大），線性度越好。例如在要求滿度100khz（0~10v）時，選取rin=20kω，c1=620pf有最低的非線性失真。另外，若輸入電壓範圍改變，rin應成比例改變，如輸入電壓0~10v時，rin選取100kω，那麼輸入電壓變為0~1v，則rin選取10kω；輸入電壓變為+10v~-10v時，rin應選取200kω。
積分電容的選擇，一般為：
在輸入0~10v的情況下，定時電容的選擇可參考圖3.6.11。
圖 3.6.11
（1） 單極性正輸入電壓v/f轉換電路
圖 3.6.12
（2） 單極性負輸入電壓v/f轉換電路
該電路在輸入電壓-10v~0v範圍內，對應輸出頻率為100khz~0khz。
圖 3.6.13
（3） 雙極性輸入電壓v/f轉換電路
該電路在輸入電壓為-5v~+5v時，對應的輸出頻率範圍為0~100khz。
圖 3.6.14
（4） 高頻v/f轉換電路
由ad650構成的0~1mhz輸出的u/f轉換電路如圖3.6.15所示。
rin由較小的可調電阻r1和固定電阻r2組成，選取rin的原則是要確保iin在0~6ma的範圍內。為滿足高頻轉換的需要，應盡量縮短各引線的長度，尤其是連線積分放大器求和點、積分電容和定時電容的引線要短。另外為降低積分放大器的輸入阻抗並改善其瞬態響應，在uo和u-端之間還應接上3.
6kω的下拉電阻。當fmax=1mhz時，r4應取510ω，以適應高頻輸出的需要。
圖 3.6.15
3.6.4 v/i、i/v變換電路
1 v/i變換電路
變送器是從感測器發展而來的，凡是輸出標準訊號的感測器就稱為變送器。所謂標準訊號就是國際電工委員會（iec）規定的電流為4~20ma（dc）和電壓為1~5v（dc）的訊號。在工業控制系統中，經常需要將感測器檢測的輸出訊號轉換成標準的訊號，v/i變換電路就是完成此項功能的。
下面將介紹一種高效能的整合v/i轉換晶元ad694。
訊號調理電路
訊號處理電路，把模擬訊號變換為用於資料採集 控制過程 執行計算顯示讀出或其他目的的數碼訊號。模擬感測器可測量很多物理量，如溫度 壓力 光強等.但由於感測器訊號不能直接轉換為數字資料，這是因為感測器輸出是相當小的電壓 電流或電阻變化，因此，在變換為數碼訊號之前必須進行調理。調理就是放大，緩衝或定標模擬...
電阻應變片的工作原理和訊號調理電路
電阻應變片是電阻應變式感測器的核心元件，它是一種將應變變化轉換成電阻變化的變換元件。將應變片貼上在被測構件表面上，接入測量電路，隨著構件的受力變形，應變片敏感柵也相應變形，從而使其電阻發生變化。電阻變化與構件表面應變成比例，應用適當的測量電路和儀表就能測得構件的應變或應力。應變片不僅能測量應變，而且...
深化你所學的訊號調理電路部分內容
深化你所學的訊號調理電路部分內容，請利用運放 多路開關 微控制器等設計乙個訊號調理電路 程式控制放大器或儀用程式控制放大器 1 設計原理圖如下 訊號調理電路原理圖 2 表一器件選型 3 接線圖 4 設計說明 本次設計訊號調理電路是基於儀用程式控制放大器，採用微控制器控制的綜合設計電路。使用儀用放大器...