第九章 信号的调理与转换

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第九章 信号的调理与转换
9.1 测量仪表的电源
9.1.1 AC/DC电路
AC/DC电路是将220V交流电变换为所需直流电压的电源
电路,当前这类电路主要以开关式变换电源为主。单片开关电
源具有单片集成化、最简外围电路、最佳性能指标、能构成无
工频变压器开关电源等显著优点。三端单片开关电源是20世
纪90年代才开始流行的新型开关电源芯片,采用它制作高频
开关电源,不仅简化了电路,同时可以改善电源的电磁兼容性
能,降低制作成本。
TOPSwitch 有三种封装形式,其中,TOP221Y~
TOP227Y采用TO-220封装,有3个引脚; TOP221P/G~
TOP224P/G采用DIP-8封装及SMD-8封装,有8个引脚,但8
只管脚中有6只管脚实际是连在一起作为S端,故可简化成3只
管脚,这样它仍系三端器件。3个引出端分别是漏极端D、源
极端S和控制端C。
电路工作原理如图9-1所示,交流电AC(范围为120V~265V)
由两个AC接点输入,经Ci和Li组成的EMI滤波器抑制电磁噪声,
进入整流电路。由于TOP221Y具有频率抖动特性,可有效抑制
噪声干扰,因而在小功率开关电源中,只需简单的EMI滤波器,
并采用合理的接地技术,即可符合有关电磁兼容性要求。BR为
整流电路,这里选用快恢复特性的整流桥2KPB06M,整流后的
脉动直流电经CIN滤波,提供给TOP221Y开关调制电路,同时
供给高频变压器。高频变压器在电路中具各能量存储、隔离输
出 和电压变换3大功能。
由图可见,高频变压
器初级绕组Np的极性(同
名端用黑点表示),恰好
与次级绕组 Ns、反馈绕组
NF的极性相反。
图9-1 单片式开关电源工作原理
这表明在TOPSwitch导通时,电能就以磁场能量形式存储
在初级绕组中,此时VD2截止。当TOPSwitch截止时,VD2导
通,能量传输给次级,此即反激式开关电源的特点。鉴于在
TOPSwitch关断时刻,由高频变压器漏感产生的尖峰电压会叠
加在直流高压Ui和感应电压UO上,可使功率开关管的漏极电压
超过700V而损坏芯片,为此在初级绕组两端必须增加漏极钳
位保护电路。
高频变压器的次级绕组有两个,一个是主绕组Ns,它提供
电源的主能量,高频电压经快速二极管VD2(SB540)整流后
由滤波电容COUT滤波,再向负载输出。输出电压Uo的大小由初
级绕组Np与次级绕组 Ns的匝数比决定。
另一个次级绕组组成反馈电压绕组NF,由二极管VD3整流
后加在光耦器的光敏三极管两端,输出的反馈电压加在光耦的
二极管正极上,电阻R1和稳压管VDZ2组成基准电压源,为光
耦提供基准电压,这样光耦中的二极管的发光强度是由输出电
压控制的,经光耦耦合到TOP221Y的控制端C,从而实现脉宽
的可控,达到稳压目的。
TOPSwitch—GX系列产品应用电路的典型结构如图9-2所示。
电路设计可利用Power In—tegrations(PI)公司提供的电源设计软
件“PI ExpertTM”完成。该软件是由Power Integrations(PI)司免
费提供的(www.powerint.corn)。TOPSwitch—GX系列产品
输出功率为9~290 W。
图9-2 PI ExpertTM设计的 典型电路
TEAl52x是Philips Semiconductors公司生产的单片开关电
源电路,系列产品包括TEAl520P~TEAl524P、TEAl520T~
TEAl523T和TEAl522AJM~TEAl524AJM,共12种型号,属
于工作在不连续模式下的电压控制型反激式开关电源。产品适
用于交流80~276 V输入电压,开关频率范围为10~200 kHz,
50 W以下的小功率、小型化、低成本开关电源。
TEAl52x利用反馈电压调节占空比来实现稳压,例如:当
输出电压VO下降时,反馈电压VREC也随之降低,VREC与内部
2.50 V基准电压(VREF)进行比较和放大后,产生误差电压Vr,
Vr控制PWM脉宽调制器调节输出脉冲信号的占空比,使占空
比增大,迫使VO升高,最终使VO保持不变。
当开关频率ƒ=100 kHz时,占空比的调节范围为0~75%。
当输出功率很小、误差电压Vr≤1.8V时,振荡器就进入低
频工作模式,通过延长振荡周期来提高电源效率。
采用TEAl52x构成的开关电源电路如图9-3所示。
图9-3 TEAl52x构成的开关电源电路
该电路采用整流桥进行AC/DC变换,由CF1、LF和CF2
构成Ⅱ型滤波器,交流电源电压U经过整流滤波后获得直流
高压,给高频变压器初级供电。由DZ和D1构成的钳位保护
电路,可将漏感产生的尖峰电压衰减到安全范围内,避免损
坏芯片。次级绕组电压通过D3、C5整流滤波后,获得输出电
压VO。
由于AC/DC变换电源是大量在工业控制和测量系统中采
用,相应的各专业生产厂众多,已经成为大量的定型化产品,
在实际应用中只需要按技术参数、要求选用。
开关型直流电源有2种外形,一种是沿用了早期使用分
立元件构造的直流电源外形,如图9-4所示。
图9-4 传统的电源外形
另一种外形如图9-5所示,这
是用于小功率电源的外形,可以焊
到PCB电路板上。常用于仪表电路
中。
这类微、小功率的开关电源都
省去了抑制交流电源噪声的EMI滤
波器,因此在电源电路设计时,应
在220VAC输入端加上EMI滤波器。
EMI滤波器也有多种型号,A1CL系
列EMI滤波器的外形见图9-6所示。
图9-5 微、小功率电源
图9-6 带EMI滤波器的交流电源插座
9.1.2 DC/DC电路
在测量仪器仪表中,有各种电路需要不同的电压。如激励
传感器的电压、放大滤波电路的电压、继电控制的电压等等。
有的需要单电源、有的需要如±12V这样的双电源,能在市面
上购买的AC/DC电源很难满足多种复杂的需要。在仪表电路
内部也存在某些大电感的器件应用,这些大功率的器件通常在
控制电路中,它们造成直流电源电路上的电压波动,对仪表中
的其它电路产生严重干扰,需要从电源电路中将这些干扰隔开,
供给测量电路稳定的电压。DC/DC电路正是为了满足这些不
同的需要。
正是这些需求的存在,很多集成电路生产厂设计制造了多
种满足DC/DC电路要求的芯片,也有许多厂商利用这些芯片
制造出多种DC/DC器件。下面仅以TL497A芯片为例,讲解用
这种芯片构造的电路。
TL497A的芯片内部包含1.2 V基准电压、限流采样电路、
振荡器电路及功率晶体管输出电路等。
(1) 升压式开关稳压器电路
TL497A构成的升压式开关稳压器电路如图9-7所示。峰
值开关电流IPK小于500 mA;也可以使用外部功率晶体管扩
展输出功率。
图9-7 TL497A构成的升压式开关稳压器电路
(2) 降压式开关稳压器电路
TL497A构成的降压式开关稳压器电路如图9-8所示。峰值
开关电流IPK小于500 mA;也可以使用外部功率晶体管扩展输
出功率。
图9-8 TL497A构成的降压式
开关稳压器电路
图9-9 TL497A构成的电压极
性反转式开关稳压器电路
(3)电压极性反转式开关稳压器电路
TL497A构成的电压极性反转式开关稳压器电路如图9-9
所示。峰值开关电流IPK小于500 mA;也可以使用外部功率
晶体管扩展输出功率的电路形式。
图9-10是各厂商制造的DC/DC器件,有升压/稳压/降压等
多种规格,输入/输出电压固定不可调。特别是有将3.3V(锂
电池电压)升到12V(ICP型压电加速度传感器所需)的规格。
图9-10 DC/DC器件外形图
9.1.3 稳压源电路
一.基准电压源
基准电压源是一种可作为电压标准的高稳定度集成电
压源。目前,它已被广泛应用于数字仪表、智能仪表及测
试系统中。
基准电压源的关键技术是电压温度系数αT,它表示由
于温度变化而引起输出电压的漂移量,简称温漂,单位是
l0-6/℃ (即lppm/℃)。
目前国内外生产的基准电压源典型产品大致分成三类:
精密型、较精密型、普通型,αT依次为(0.3~5)×10-6/℃、
(10~20) ×10-6/℃、(30~100) ×10-6/℃。其中AD584
属于可编程基准电压源,改变引脚的接法即可从10V、7.5V、
5V、2.5V中任选其一。
1.MCl403型基准电压源
MCl403是美国摩托罗拉公司生产的高准确度、低温漂、
采用激光修正的带隙基准电压源,国产型号为5G1403和
CHl403。它采用DIP一8封装,引脚排列如图9-11(a)所示。
(a)引脚排列; (b)电路符号; (c)应用电路
图9-11 MC1403引脚与应用电路
MCl403的典型应用如图9-11(c)所示。RP为精密多圈电
位器,用于精确调整输出的基准电压值。C是消噪电容(亦可
不用)。实测MCl403的输入.当Ui从10V降至4.5V时,Uo只
变化0.0001V,变化率仅为-0.0018%。
2.LM399型精密基准电压源图9-12 LM399的结构
在目前生产的基准电压源中,以LMl99/299/399的电
压温度系数为最低,性能最佳。它们均属于四端器件,可等
效于带恒温器的稳压二极管。以LM399为例,其结构如图912所示。
LM399的基准电压,具有长期稳定性好、噪声电压低等
优点。此外它还具有恒温特性,只要环境温度TA<90℃,就
能消除温度变化对基准电压的影响,使αT=0.3×10-6/℃(典
型值),这是其他基准电压源难以达到的指标。
(a)引脚排列; (b)结构框图; (c)电路符号
图9-12 LM399的结构
能输出0~20V、1A的功率基准电压源如图9-14所示。现
使用LM399、LMl08、LMl95各一片。LMl08属于低温漂精密
运算放大器,国产型号为CFl08。LMl95是集成化功率晶体管,
内含恒流源、过流及过热保护电路、两只晶体管以及过压保
护二极管,输出电流大于1A。调节RP可获得0~20V范围内
的任何基准电压值。
图9-14 由LM399构成的功率级基准电压源
二.稳压电压源
基准电压源器件的输出电压通常基准电压使用,通常仅
有2mA左右的供电能力。但是在许多高精度的测量应用中既
需要稳定的电压又需要足够的电流激励传感器,前面的
DC/DC电路因为采用高频开关方式,输出是通过高频变压器,
再经半波整流而获得的,其输出电压中不可避免的存在波纹。
为了获得更平稳的电压供应,可采用线性集成稳压器来实现
这一目的。
线性集成稳压器的基本
构成如图9-15所示,它主要
由基准电压、比较放大器、
取样电路、调整电路、启动
电路和保护电路等几部分组
成。
图9-15 线性集成稳压器的基本构成
三端可调式集成稳压器只需外接两只电阻即可获得各种
输出电压。代表产品有LM317/LM337等。其中,LM317为可
调正电压输出稳压器,LM337为可调负电压输出稳压器,其
外形与引脚配置如图9-16所示。这种集成稳压器有3个引出端,
即电压输入端Ui、电压输出端Uo和调节端ADJ,没有公共接
地端,接地端往往通过接电阻再到地。
图9-16 LM317/337的外形及引脚
1. LM317/337稳压电路
LM317/337可调三端稳压电路是依靠外接电阻来调节输
出电压的,为保证输出电压的精度和稳定性,要选择精度
高的电阻,可调电阻选用高精度多圈电位器。同时在电路
布局上电阻要紧靠稳压器,防止输出电流在连线上产生误
差电压。图9-17为LM317可调集成稳压器应用电路图。
为保证空载情况下输出
电压的稳定,R1不要大于
240Ω。R2的大小根据输出
电压的调节范围确定。图917中,最大输出电流2.2A,
输出电压可在1.25~37V间
调节,输入电压UIN至少应
比UOUT高2~3V。改变R2阻
值即可调整稳压电压值。D1,
D2用于保护LM317。
图9-17 LM317可调集成稳压器应用电路
2. 78××系列集成稳压电路
78××系列集成稳压器是一种串联调整式稳压器。典型
产品有78XX正电压输出系列和79XX负电压输出系列。其封装
形 式和引脚功能如图9-18所示,其中,图(a)为78XX系列
的正电压输出,图(b)为79XX系列的负电压输出。
图9-18 78XX/79XX的外形及引脚
图9-19所示为78XX的基本应用电路,为了改善纹波特性,
在输入端加接电容CI,一般取值为0.33μF;在输出端加接电
容Co,一般取值为0.1μF,其目的是改善负载的瞬态响应,
防止自激振荡和减少高频噪声。
图9-19 78XX的基本电路
电路中的外接二极管VD起输入短路保护作用。若输入端
短路时使Co通过二极管放电,以便保护集成稳压器的内部调
整管。
3. 集成稳压器TL499AC
TL499AC是TI公司生产的一种将可调线性稳压器与升压
型开关稳压器两者合二为一的单片电源集成电路。目前广泛
使用的稳压电源分为线性串联负反馈稳压电源和开关稳压电
源,这两种类型稳压器各有特色,通常分别将其做成单片稳
压集成电路,然而集成稳压器 TL499AC的与众不同之处在于
它内部同时具有可调线性串联稳压器和升压型开关稳压器两
套完整电路。该集成电路
除了外接反馈取样电阻
串联稳压输入 1
(用于调节输出电压)以及
反馈输入 2
电感、电容等少数元件外,
开关稳压输入
两种类型稳压器所必须的
3
其它部件均集成在了内部,
4
开关管电流控制
所以,使用非常方便。
8
OUTPUT
7
开关管E
6
开关管C
5
接地
图9-20 TL499AC的引脚排列
由TL499AC组成的实际稳压电路见图9-21。在该电路中,
VCC(该电压通常由交流电经整流、滤波获得)经串联稳压器向
负载供电,因此,正常时VCC应至少高于输出电压2V。E为备
用电源,在要求不间断供电的电路中一般为可充电电池,当
交流供电正常时对其进行涓流充电(图9-21电路中,在
TL499AC的1、3脚之间加接一电阻即可)。当停电时开关电
源立即自行启动由备用电源向负载供电。
该电路特别适合在
L
如下几种场合应用:
Vcc
1
Vo
8
(1) 要求不断电的
7
2
C
场合。
TL499A
0.1μF
VR
3
C
6
(2) 要求供电电压
+
4
5
较高,但电流不大 E+
C
的便携式电子产品。 -
R
R
4.7KΩ
(3) 要求高低压供
电的场合。
i
2
2
1
图9-21 TL499AC组成的实际稳压电路
9.1.4 恒流源电路
恒流源用于向传感器提供恒定的电流。工业上许多阻抗
变换型传感器探头(2线制)要求供给一个恒定的电流,当被
测量变化时,阻抗相应地改变,由于通过的电流不变,因而
被测量的变化变成探头两端的电压变化。阻抗变换电路元件
少,易于集成到一块芯片中,它是集成一体化传感器的发展
方向,是传感器中抗线路传输干扰最强的一类探头。但是在
它的应用中对电流的稳定精度有很高的要求,供给电流的波
动必然变为探头两端的电压波动,产生对测量的干扰误差。
最常用的简易恒流源如图9-22
所示,用两只同型三极管,利用三
极管相对稳定的be电压作为基准,
电流数值为:I = Vbe/R1。
图9-22 三极管构成的恒流源
为了能够精确输出电流,通常使用一个运放作为反馈,
同时使用场效应管避免三极管的be电流导致的误差。典型的
运放恒流源如图9-23所示,如果电流不需要特别精确,其中
的图9-23 运算放大器构成的恒流源电路场效应管也可以用三
极管代替。
图9-23 运算放大器构成的恒流源电路
这个电路可以认为是恒流源的标准电路,除了足够的精度
和可调性之外,使用的元件也都是很普遍的,易于搭建和调试。
只不过其中的Vin还需要用户额外提供。
从以上两个电路可以看出,恒流源有个基本的规律,
就是利用一个电压基准,在电阻上形成固定电流。有了这
个规律,恒流源的搭建就可以扩展到所有可以提供这个
“电压基准”的器件上。进一步讲,利用稳压控制器件对
输出电压的反馈控制机能,保持在一个固定电阻上的压降
不变,则通过这个电阻的电流恒定。基本原理框图如图924。
电流测量电阻R
Vin
稳压控制器件
V1
V2
传感器可变阻抗
图9-24 利用稳压控制器件构成恒流源的原理图
图9-24原理图的核心是保持ΔV=V1-V2不变。如果将电
流测量电阻R改为精密可调电阻,这就构成了可调恒流源
电路。
一、可调精密集成恒流源
可调精密集成恒流源是目前性能最优良的恒流源,特别
适合于制作精密型恒流源。可广泛用于传感器的恒流供
电电路、放大器、光.电转换器、恒流充电器、基准电
压源中。
4DH系列属于四端双极型集成电路,其IH值的调节范围
非常宽,并且还可调节温度系数αT,调节范围是(+2.0~
-0.2)%/℃。电路符号及典型接线如图9-25所示。
RSET1、RSET2为设定电阻,改变二者的电阻比即可调节αT。
图9-25 电路符号及典型接线
二、LM134/234/334恒流源电路
1.LMl34/234/334的主要技术性能与特点
LMl34/LM234/LM334是National Semiconductor公
司生产的三端可调电流源。其工作电流范围为10000:1,
动态电压范围为1~40 V,电流调节仅需要利用一个外
部电阻,可编程电流范围为1μ A~10 mA,电流精度为
±3%,电流调节能力为0.02%/V,两端工作,是一个
真正的浮电流源,不需要专门独立的电源。其工作温度
范围:LMl34为-55~+125℃;LM234为-25~+
100℃;LM334为0~+70℃。在有些应用场合它们还用
作电流输出型温度传感器。
2.LMl34/234/334的引脚封装形式与应用电路
LMl34/234/334采用TO一46、TO一92和SO一8三种
封装形式。
图9-27 基本恒流源电路 图9-28 0温度系数恒流源电路
图9-29 电流扩展电路
(1) 基本电流源电路
基本电流源电路如图9-27所示
(2) 零温度系数的电流源
零温度系数的电流源电路如图9-28所示。
(3) 输出电流扩展电路
输出电流扩展电路如图9-29所示
三、TL431恒流源
德州仪器公司(TI)生产的TL431是一个有良好的热稳
定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电
阻就可以任意地设置到从Vref(2.5V)到36V范围内的任
何值。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω,在很多应用中可
以用它代替齐纳二极管,例如,数字电压表,运放电路、
可调压电源,开关电源等等。
图9-30 TL431的外形、符号和原理框图
如果在设计、分析应用TL431的电路时,这个模块图对开
启思路,理解电路都是很有帮助的
1. 稳压电路
TL431是一个可调分流基准源,因此可以用来构造一个分
流稳压电路,如图9-31所示。
Vin
VO
R0
R1
RL
V1(REF)
TL431
R2
GND
图9-31 TL431的稳压电路
图9-32 精密5V稳压器
图9-32是改进后的稳压电路,图中电阻Rb的阻值应使
在Vin最小时,通过TL431阴极的电流大于1 mA ,TL431的
内阻为0.2Ω。
2、恒流电路
图9-33是一个实用的精密恒流源电路。原理很简单,不再
赘述。但值得注意的是,TL431的温度系数为30ppm/℃,
所以输出恒流的温度特性要比普通镜像恒流源或恒流二极
管好得多,因而在应用中无需附加温度补偿电路。
Vin
Vin
IO
R1
TL431
R1
RS
图9-33 TL431
的恒流源电路
TL431
R2
图9-34 TL431给电桥供给恒流源电路
图9-34是一个已连成桥路的硅压力传感器的恒流源供电电
路。Vref /R2的值应设为电桥工作所必要的恒定电流Ib。流经
TL431阴极的电流I431由R1和电源电压Vin决定,但一定要注意
大于1mA。
9.2 测量放大电路
大多数传感器的输出信号是很微弱的,有的传感器输出电
压仅有0.1μV,这样微弱的信号很容易被周围的电磁场环境及
测量系统电路自身的元器件噪声所淹没。也不能被显示、处理
仪表所分辨,这就需要足够的放大并抑制各种干扰。
也有的传感器信号来自大功率、高电压设备。环境中的在
某种事故情况下,或环境中的电磁感应产生的高电压会作用到
电测仪表,造成仪表的损坏。这就需要使各系统之间相互隔离,
特别是复杂的工业现场是必需采取隔离措施的。
9.2.1 阻抗匹配器
传感器输出的阻抗一般都比较高,如果其输出电压型信号
直接连到测量电路,将因信号电流过大,使信号电压产生较大
的衰减。为了防止传感器输出信号的衰减,通常采用高输入阻
抗的阻抗匹配器作为传感器输入到测量系统的前置电路。常用
的阻抗匹配器有晶体管阻抗匹配器、场效应管阻抗匹配器以及
运算放大器阻抗匹配器。
一、晶体管阻抗匹配器
晶体管阻抗匹配器如图9-35所示,晶体管的集电极直接
与电源+E相连接,负载电阻接人发射极。实际上就是一个
晶体管射极输出器,又称射极跟随器。该电路具有以下三个
特点:
(1) 输出信号能够跟随输入信号的
变化,且能对输入信号进行小倍数
的电流放大和功率放大。
(2) 输入阻抗大,防止传感器微弱
输人信号的衰减。
(3) 输出阻抗小,有较强的负载能
力。
晶体管阻抗匹配器的抗干扰能
图9-35 晶体管阻抗匹配器
力较弱,而且容易引入自身噪声干
扰,但成本最低廉,主要用于精度
要求低的民用级测控系统电路。
二、场效应管阻抗匹配器
由场效应管组成的阻抗匹配器电路如图9-36所示。实际
上它就是一个场效应管源极输出器,它的电路结构与晶体管
阻抗匹配器相类同。由于场效应管是一种电压控制元件,它
的漏极电流只取决于栅极电压,而栅极加上电压时基本不获
取电流,它与晶体管相比具有
更高的输入阻抗,一般可达上
百兆欧甚至几千兆欧。为此场
效应管阻抗匹配器更适宜于作
为微弱输入信号的阻抗匹配器,
它常用作前置级信号的阻抗变
换器,有时就直接安装在传感
器内,以减少外界的干扰。
图9-36 场效应管阻抗匹配器
三、运算放大器阻抗匹配器
1.电压跟随器阻抗匹配器
图9-37是运算放大器组成的电压跟随器电路,它是同
相比例放大器的特殊情况(同相比例放大器将在下节中讲述),
它的放大增益为
U out
K 
1
U in
图9-37 电压跟随器作阻抗匹配器
它有输入阻抗很高,输出阻抗很低的特点,因此它是
一个放大倍数为1的理想阻抗匹配器。
2.放大倍数可选配的阻抗匹配器
运算放大器和电阻参数的选配,可构成高输入阻抗和放
大倍数适当可选定电路,这种电路可以满足传感器信号,阻
抗匹配器的要求。图9-38给出运算放大器阻抗匹配器电路图,
它由运算放大器和Rb,R2,R1三个电阻相连接而成。该电
路的输入阻抗Rin和放大倍数K可由下面的表达式进行计算,
即
K
U out
R
 1 2
U in
R1
Rin
R1  R2

Rb
根据这两个表达式,根据传
感器输出信号的要求和特点,适
当选择Rb,R2,R1三个电阻就
可组成相应的阻抗匹配器。
图9-38 运算放大器作阻抗匹配器
9.2.2 运算放大器
传感器输出信号一般比较微弱,为此在大多数情况下都
需要放大器进行放大处理,以便为测量电路提供高精度的模
拟输入信号,它对检测系统的精度起着关键作用。目前检测
系统的放大电路,除特殊情况外,一般都采用运算放大器构
成其放大电路。这里我们对由运算放大器构成的传感器常用
的几种放大电路作一概括的介绍。
最常用的运算放大器有下列型号:
低电压飘移的运算放大器:OP07、OP77
低噪音精密运算放大器:OP27
低噪音高精密运算放大器:OP37
精密低电压微功耗运算放大器:OP90
一、反相比例放大器
图9-39为反相比例放大器电路,R1为输入端电阻,
RF为反馈电阻,R称为平衡电阻。此电路因为输入信号在
器件反相输入端输入而得名,其反馈方式为电压并联负反
馈,输出电压Uout通过RF反馈到反相输入端。在该电路中,
其放大增益K和平衡电阻R的公式如下
U out
RF
K 

U in
R1
R
图9-39 反相比例放大器
RF R1
RF  R1
二、同相比例放大器
图9-40是同相比例放大器电路。输入电压Uin直接从同相
输入端输入,输出电压Uout通过RF反馈到反相输入端。
该电路的放大增益K为
U out
RF
K 
1
U in
R1
由该式可以看出,同相
放大器的增益也同样只取决
于RF与R1的比值,这个数值
为正,说明输出电压与输入
电压同相,而且其绝对值也
比反相放大器多1。
图9-40 同相比例放大器
三、差动放大器
图9-41是差动放大器的电路图。两个输入信号U1和U2
分别经R1和R2输入到运算放大器的反相输入端和同相输入端,
输出电压则经RF反馈到反相输入端。电路要求R1=R2,
RF=R3。差动放大器又称减法器,它可以求出两个输入电压
之差,其输出电压Uout为
U out
RF

(U 2  U1 )
R1
差动放大器最突出的优点是能够
抑制共模信号。共模信号是指在
两个输入端所加大小相等、极性
图9-41 差动放大器
相同的信号,理想的差动放大器
对共模输入信号的放大倍数为零。
在差动放大器中温度变化和电源电压波动所引起输入信
号的变化,都相当于共模信号,都能被差动放大器所抑制,
可使它的零点漂移最小。来自外部空间的电磁波干扰也属于
共模信号,它们也会被差动放大器所抑制,所以差动放大器
有极强的抗干扰能力。
四、交流放大器
如果传感器输出的电信号是交流信号,此时就需要交流
放大器。图9-42是交流放大器电路,它是在直流反相比例放
大器电路的基础上,增加了反馈电容CF和直流信号隔离电容
C1。其电压放大增益为
K
U out
Z
 F
U in
Z1
式中
Z 1  R1 
ZF 
1
jC1
RF
1  jRF C F
RF R1
R
RF  R1
图9-42 交流放大器
五、反相加法器
图9-43为反相加法器电路,实际上它是反相比例放大器
电路的扩展,把原来的一个输入端扩展成n个输入端。该电
路用来求两个以上的电压之和,其输出电压为
U out   RF (
U
U1 U 2 U 3


 n )
R1 R2 R3
Rn
图9-43 反向加法器
六、比较器
有些传感器的输出信号是开关信号的形式,有的情况下
传感器输出信号虽不是开关信号,但也需要检测输出信号的
峰值。在这些情况下就需要对传感器的输出信号进行电平检
测,这时需要用比较器进行输出信号的电平比较。由运算放
大器组成的比较器如图9-44所示,它的输出电压为
当U2≥U1时,Uout=高电平;
当U2<U1时, Uout=低电平。
图9-44 比较器
七、积分运算器
图9-45是积分运算电路,对于被测信号是由多个不同
频率的正、余弦信号合成的混合信号而言,积分运算电路
具有低通滤波的功能。这是因为积分运算电路对不同频率
的信号有不同的增益,低频信号的增益比高频信号的增益
大,频率愈高,增益愈小。当增益<1,就是衰减。输入/输
出电压的关系为
1
U out (t )  
RC

t

U in (t ) dt
八、微分运算器
微分运算电路对由不同频率信号合成的混合信号的响
应特性与积分电路恰好相反,因为微分电路输出的信号是
输入信号的变化率,低频信号变化率低,高频信号的变化
率高,所以微分电路对高频信号的增益比低频信号大。电
路图如图9-46所示,输入/输出电压的关系为
dU in (t )
U out (t )   RC
dt
9.2.3 测量放大器
测量放大器是在单运放基础上发展的专用集成放大器;它
具有差动输入阻抗高、共模抑制比高、偏置电流低、温度稳定
性好等优点,特别适合于在传感器电路中应用。
测量放大器的基本结构为三运放结构,如图9-47所示。图
中A1、A2为两个同相输入的放大器,RG为增益调节电阻,整
个芯片仅有RG为外接元件,其他均为芯片内结构元件。运放
A3,显然是放大增益为1的差动输入放大器。
测量放大器的增益K
按下式计算:
R1
K  1 2
RG
式中,RG为用于调节放
大倍数的外接电阻,通常
RG采用多圈精密电位器,
改变RG可使放大倍数在
1~1000范围内调节。
图9-47 仪用放大器结构原理图
目前,国内外已有不少厂家生产了许多型号的单片测量放
大器芯片,供用户选用。如美国Analog Devices公司生产的
AD612、AD614、AD622、AD620、AD52l和AD522等。
Burr-Brown公司生产的INA114、INA118等。国内生产的有
ZF603、ZF604、ZF605、ZF606等。AD612和AD614型测量
放大器是根据测量放大器原理设计的典型三运放结构单片集成
电路。其他型号的测量放大器虽然电路有所区别,但基本性能
是一致的。
AD612和AD614是一种高精度、高速度的测量放大器,
能在恶劣环境下工作,具有很好的交直流特性。其内部电路结
构如图9-48所示。电路中所有电阻都是采用激光自动修刻工艺
制作的高精度薄膜电阻,用这些网络电阻构成的放大器增益精
度高,最大增益误差不超过±10×10-6/℃,用户可很方便地
连接这些网络电阻的引脚,获得l~1024倍二进制关系的增益,
这种测量放大器在工业测量、数据采集系统中应用广泛。
当A1的反相端(1)和精密电阻网络的各引出端(3)~(12)不
相连时,RG=∞,K=l。当精密电阻网络引出端(3)~(10)分别
和(1)端相连时,按二进制关系建立增益,其范围为21~28。
另一种非二进制增益关系的测量放大器与一般三运放测量放
大器一样,只要在(1)端和(2)端之间外接一个电阻RG,则其
AD612和AD614的增益为:
K  1
80K
RG
图9-48 AD612和AD614测量放大器内部电路
不管是采用哪一种测量放大器,在使用时都应注意以下几点。
(1) 差动输入端的连接。测量放大器不论是三运放结构还是
单片结构,它的两个输入端都是有偏置电流的,使用时要特
别注意为偏置电流提供回路。如果没有回路,则这些电流将
对分布电容充电,造成输出电压不可控制的漂移或处于饱合。
因此,对于浮置的,例如变压器耦合、热电偶以及交流电容
耦合的信号源,必须对测量放大器的每个输入端构成到电源
地的直流通路,电路正确连接如图9-49所示。
图9-49 测量放大器输入端的正确连接
(2)护卫(Guard)端的连接。当测量放大器通过电缆与信号源连
接时,电缆的屏蔽层应连接测量放大器的护卫端。如果电缆的
屏蔽层不接护卫端而接地,如图9-50所示,那么对交流共模干
扰Vcm。就不能有效地抑制。因为电缆的信号传输线与屏蔽之
间存在分布电容,分布电容C1、C2和传输线电阻Ri1、Ri2分别
构成两个RC分压器。由于这两个分压器并不完全对称相等,
这就使共模干扰电压Vcm在测量放大器两输入端以差模形式呈
现出来,从而被差模放大并形成干扰。
由图9-50可见,护卫端
15脚引自测量放大器前级两
运放输出的中点,其电位为
共模输入电压Vcm。屏蔽层
接护卫端就使RC分压器两端
电位都是Vcm,电位差为零,
图9-50 电缆屏蔽层接地造成干扰的
分压值也必为零,这样就有
分析图
效地消除了共模干扰。
(3)R端、S端的连接。测量放大器通常设有R端和S端,如图
9-51所示。其中S端称为敏感(Sensce)端,R端为复位
(Reference)端。一般情况下,R端接电源地,S端接输出。
当测量放大器的输出信号要远距离传输时,可按图9-51(b)
加接跟随器,并将S端与负载端相连,把跟随器包括在馈环内,
以减小跟随器漂移的影响。R端可用于对输出电平进行偏移,
产生偏移的参考电压Vr应经跟随器接到R端,以隔离参考源内
阻,防止其破坏测量放大器末级电阻的上下对称性而导致共模
抑制比降低。
图9-51 测量放大器的S端和R端的连接
AD612与测量电桥连接如图9-52所示,信号地和电源地相
连,使放大器偏置电流形成通路;护卫端经缓冲器A与屏蔽层
相连。该电路输出电压为:
VO  (1 
V  V2
180K 
1 
) V1  V2   1

RG
2
CMRR 

图9-52 AD612的测量电桥接线图
9.2.5 可编程放大器
当传感器的输出与自动测试装置或系统相连接时,特别是
在多路信号检测时,各检测点因所采用的传感器不同,即使同
一类型传感器,根据使用条件的不同,输出的信号电平也有较
大的差异,通常从微伏到伏,变化范围很宽。由于A/D转换器
的输入电压通常规定为0~10V或者±5V,因此若将上述传感
器的输出电压直接作为A/D转换器的输入电压,就不能充分利
用A/D转换器的有效位,影响测量范围和测量精度。因此必须
根据输入信号电平的大小,改变测量放大器的增益,使各输入
通道均用最佳增益进行放大。为满足此需要,在含有微机的检
测系统中通常采用一种新型的可编程增益放大器
PGA(Programmable Gain Amplifier)。它的放大倍数可根据需
要通过编程进行控制,使A/D转换器满量程信号达到统一化。
例如,工业中使用的各种类型的热电偶,它们的输出信号范围
大致在0~60mV左右,通常可划分为0~±l0mV等四种量程,
针对这四种量程,只需相应地把放大器设置为500,250…四种
增益,则可把各种热电偶输出信号都放大到0~±5V。
1. 可编程增益仪表放大器PGA204/205
PGA204/205是具有极好精度的低价格通用型仪表放大
器。数字控制可编程增益,PGA204为G=1、10、100、
1000,PGA205为G=1、2、4、8。PGA204/205的精密
性、通用性和低价格,使之有着广泛的应用范围。增益的
选择由两条CMOS或TTL兼容的地址线A0和A1确定。
在模拟输入端,内部输入保护电路能
够承受±40V电压而不会损坏;
PGA204/205采用激光校正,以获得
极低的失调电压(50μV最大值)和漂移
(0.25μV/℃),以及高共模抑制比
(G=1000时为115dB)。工作电源电压
可低至±4.5V,可以采用电池供电,
静态电流5mA,额定温度-40~ 85℃。
PGA204/205采用16脚塑封DIP和
SOL-16表面封装,其引脚排列如图9图9-53 PGA204引脚排列
53所示。
图9-55所示为PGA204/205用开关选择的可编程增
益电路。图中用单刀四掷开关选择增益,A0脚、A1脚用
47kΩ。上拉电阻接到V ,以得到无噪声高电平“1”。两个
二极管起限制反向电流作用,可选用1N4148、1N914等。
表9-3 程控放大倍数表
放大倍数
开关位置
PGA204
PGA205
A
1
1
B
10
2
C
100
4
D
1000
8
图9-55 PGA204可编程放大倍数电路图
2. LTC6915型增益可编程精密仪表放大器
LTC6915是精密的增益可编程仪表放大器。通过并行
或串行接口可将增益设置为0、1、2、4、8、16、32、
64、128、256、512、1024、2048或4096。5V单电源
供电时,共模抑制比的典型值是125dB(与增益无关)。失
调电压低于10μV,电压漂移小于50nV/℃。
LTC6915采用电荷平衡数
据采样技术将一个差分输入电压
转换成一个单端信号,然后由零
漂移运算放大器对该单端信号进
行放大。LTC6915采用轨对轨
差分输入和轨对轨单端输出摆幅。
可应用于2.7V单电源或±5V双
电源供电场合。
图9-56 12引脚DFN封装
LTC6915可以直接连接桥式传感器而获得优良的性能,
且电路简单。典型应用电路如图9-59所示
图9-59 具有可编程增益和模/数转换的桥式测量电路
3. AD8555型数字可编程放大器
AD8555是ADI推出的一款增益及输出失调,可数字编
程的零漂移桥式传感放大器,工作电压为2.7 V~5.5 V,
工作温度范围为-40℃~125℃;其数字可编程增益控制
范围为70~l 280;DC和ACCMRR高达96 dB;输入失调
电压低(最大为10μV),输入失调电压漂移50 nV/℃;通
过外接电容器,可以方便地实现低通滤波功能;输入和
输出范围很宽,能驱动低电压ADC。另外,AD8555还具
有开路和短路故障保护以及输出摆幅限制功能。AD8555
的这些特性给设计人员在对放大器进行调整和优化时带
来极大方便,可广泛应用于测试和测量系统的前向通道,
对压力传感、燃料压力传感、平衡桥传感、精密电流传
感、爆破压力及泄漏压力检测等传感器信号进行调理。
AD8555的内部结构如图9-61所示。A1,A2,R2,R3,
P1及P2构成放大器的第一级,A3,R4,R5,R6,R7,P3及P4
构成减法器,作为放大器的第二级,A1、A2及A3均可实现自
动调零,它们共同组成仪表放大器主电路,其中P1、P2及P3、
P4是用于调节二级增益的数字可控电位器,二级放大器的增益
温度系数均低于2x10-4ppm/℃,通过编程能对放大器增益进行
70~l 280的大范围调整,可以完全通过在路调整实现。
电阻器RF通过一只外接在
FILT/DIGOUT和VDD或
VSS间的电容器实现低通
滤波。A4为输出缓冲器。
A5为保护系统输出的箝位
电路,用于给缓冲放大器
A4供电,并对A4输出的正向
摆幅进行限定, AD8555允
许驱动工作电压低于其工
作电压的A/D转换器工作。
图9-61 AD8555的内部结构
9.2.4 隔离放大器
在工业控制领域,自动检测系统中,人们要求在输入通
道中把工业现场传感器输出的模拟信号与检测系统的后续电
路隔离开来,即无电的联系,这样可以避免工业现场送出的
模拟信号带来的共模电压及各种干扰对系统的影响。解决模
拟信号的隔离问题要比解决数字信号的隔离问题困难得多。
目前,对于数字信号的隔离采用光电耦合器,对于模拟信号
的隔离广泛采用隔离放大器。
普通的差动放大器和测量放大器,虽然也能抑制共模干
扰,但却不能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(数
百伏甚至数千伏)的共模电压的场合。
隔离放大器的符号如图9-62所示。按原理它分为两种类
型,一种是变压器耦合的方式,另一种是利用线性光耦合器
再加相应补偿的方式。由于光电耦合线性度较差,现多采用
变压器耦合方式。
图9-62 隔离放大器的符号
变压器耦合隔离放大器是先将现场模拟信号调制成交
流信号,通过变压器耦合给解调器,解调后输出的信号再送
给后续电路,例如送给微机的A/D转换器。变压器耦合隔
离放大器有两种结构:一种为双隔离式结构,例如.AD277、
AD284和AD202/204型等;另一种为三隔离式结构,例如
AD210、AD290、AD295、GF289和AD3656型等。
1.AD277型双隔离式放大器
美国AD公司生产的AD277型放大器为双隔离式结构,
如图9-63所示。图中上面部分自左至右为信号传输通路,下
面部分为电源能量传送通道。OFFSET TRIM(第6、7和8脚)
为调零端,第14和15脚,即±Vs(Vs =±15V)为外部供电电
源,16脚为电源公共端或称电源“地”,由14、15和16脚
为变送器提供能量。电源本身包含一个振荡器,将直流电压
变为高频交流电压,通过耦合的变送器为输出端放大器提供
电源。
图9-63 AD277型隔离放大器内部结构与引脚
图9-64为用AD277构成的同相比例放大器。在图中,
12脚与10脚相接,故A2的增益为1,整个放大器的增益由A1
决定,故该隔离放大器的放大倍数K为:
K 1
Rf
R1
从图9-64可以看出,
除了输入放大器和输出
放大器采用变压器隔离
外,输入公共端(9脚)
与电源公共端(16脚)也
是用变压器隔离的,但
输出公共端(11脚)与电
源公共端(16脚)相连即
没有隔离,因此AD277
为双隔离型。
图9-64 AD277构成的同相比例放大器
2.AD21 0型三隔离式放大器
AD210内部有三个变压器,这三个变压器将放大器的输
入、输出和电源隔离成三个独立部分,它由单一的+15V供电,
与AD277型相比增加了一个输出供电电源(也是隔离电源)。
AD210能抗高共模电压2500Vrms,共模抑制达120dB,非线
性率低达±0.012%,频宽可达20kHz,低增益漂移且最大为
±25×10-6/℃。
图9-65为AD210用
于热电偶的信号放大。
图中AD590为集成电流
型温度传感器,它产生
与温度成正比的电流,
该电流在62.3Ω上的电
压作为热电偶冷端补偿
电压。电路总增益为
10l×1.73≈175。
图9-65 热电偶信号放大隔离电路
9.3 信号整理变换电路
各种各样的传感器都是把非电量转换成电量,但电量的形
式却不尽统一,有电阻、电感、电容、电压、频率和相位等多
种形式。而在成套仪表系统及微机自动检测装置中,都希望传
感器和仪表之间以及仪表和仪表之间的信号传送均采用统一的
标准信号。这样不仅便于使用微机进行检测,同时可以使指示、
记录仪表通用化。从而扩大仪表的使用范围。
由于直流型的电压电流信号与交流信号比较有以下优点:
(1) 在信号传输线中,直流电流不受交流感应的影响,干扰问题
易于解决。
(2) 直流电流不受传输线的电感、电容等的影响,不存在相位移
问题,使接线简单。
(3) 直流信号便于A/D转换。
因而巡回检测系统都是以直流信号作为输入信号。国际电
工委员会(IEC)将电流信号为4~20mA(DC)和电压信号为1~
20V(DC)确定为过程控制系统电模拟信号的统一标准。这样兼
容性和互换性大为提高,仪表的配套也极为方便。
9.3.1 滤波器电路
在传感器获得的测量信号中,往往含有许多与被测量无
关的,被称为噪声干扰的信号。人们利用干扰信号的频率与
被测量信号的频率有很大的区别这一特点,采用滤波器衰减、
剔除那些无用的信号,达到提高测量精度,实现精确控制的
目的。
1
ƒHz
(a)低通滤波器
1
1
1
(b)高通滤波器
ƒHz
ƒHz
ƒHz
(c)带通滤波器
(d)带阻滤波器
图9-66 滤波器频率特性(波特图)
在电路理论中,滤波器是一种电子网络,可以根据信号
的频率成份改变其幅值及相位。滤波器从功能上总的可分为
四种,即低通(low pass)、高通(high pass)、带通
(band pass)、带阻(band stop)滤波器。这四种滤波器
的频率特性如图9-66所示,频率特性曲线拐点处的频率称为
截止频率ƒC。
低通滤波器:信号中凡是低于fc2的低频成分几乎不受衰减
地通过,而高于fc2高频成分将受到极大地抑制或衰减。
高通滤波器:信号中凡是高于fc1的频率成分都几乎不受衰
减地通过,而低于fc1的频率成分将受到极大地抑制或衰减。
带通滤波器:信号中凡是频率介于fc1和fc2之间的频率成分
都几乎不受衰减地通过,而其它频率成分将受到极大地抑制或
衰减。
带阻滤波器:它的特性与带通滤波器相反,信号中凡是介
于fc1和fc2之间的成分将受到极大地抑制或衰减,而其余频率成
分几乎不受衰减地通过。
上述滤波器中,能让信号几乎不受衰减地通过频率范围称
为“通带”;使信号受到极大抑制或衰减的频率范围称为“阻
带”。通带和阻带之间不可避免地存在过渡带。过渡带内,幅
频特性不再是直线,信号受到不同程度的衰减。过渡带的存在,
模糊了通带与阻带的界线,这是所不希望的,但在实际滤波器
中也是不可避免的。
1.截止频率
设幅频特性的均值为A0。当幅
A
频特性值下降为 2 时所对应的频
率,称为实际滤波器的截止频率。
带通或带阻滤波器的截止频率有两
个(图9-68),一个是低频端下限截
止频率fc1,另一个是高频端上限截
止频率fc2。
图9-68 带通滤波器幅频特性
2.纹波幅度d
实际滤波器的幅频特性在截止频率之间不是常数,在一
定频率范围内呈波纹变化。纹波幅度值d与幅频特性的平均值
A
A0相比,越小越好,即:d<< 2
0
0
3.带宽B
上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器的带宽B。
4.中心频率f0
中心频率为上下截止频率的几何平均值,即:
f0 
f c1  f c 2
5.品质因素Q
对于带通滤波器,通常把中心频率f0和带宽B之比称为
品质因素,即:
Q 
f0
B
6.倍频程选择性
在上下截止频率以外有一段过渡带。在过渡带频段内,
幅频曲线的倾斜程度,反映了滤波器对通带频段以外其它
频率成分的衰减快慢。所谓倍频程选择性是指:在两截止
频率以外频率变化一倍(从fc2到2fc2。或从fc1到fc1/2)时,
幅频特性的衰减量,以dB为单位。倍频程选择性越好的滤
波器过渡带越陡,对通带以外的频率成分衰减越快。
一. RC无源模拟式滤波器
1. 一阶RC低通滤波器电路
由电阻电容组成的滤波器是最简单的滤波器。图9-69
(a)是典型的一阶RC低通滤波器电路,它的上限截止
频率ƒC2为
1
fc 2 
(Hz)
2RC
2. 一阶RC高通滤波器电路
图9-69(b)是典型的一阶RC高通滤波器电路,它的
下限截止频率ƒC1为
f c1 
1
2RC
(Hz)
R
Uin
C
C
Uout
(a)RC低通滤波器
Uin
R
(b)RC高通滤波器
图9-69 一阶RC无源滤波器电路
Uout
一.有源模拟式滤波器
1.一阶有源低通滤波器(图970)
电路增益K
1
K 
Rf
Rf
R1
U out
R1

U in
1  jRC
从式中可以看到随着信号
频率ƒ的增大,ω相应地也增大
(ω=2πƒ),电路增益K则下
降。
上限截止频率ƒc2
fc2
1

2RC
Uin
Uout
C
图9-70一阶有源低通滤波器
2.一阶有源高通滤波器(图9-71)
电路增益K
1
K 
U out

U in
1
Rf
R1
1
jRC
相似地,随着信号频率ƒ
的增大,ω相应地也增大,
电路增益K则上升。
下限截止频率ƒc1
f c1 
1
2RC
R1
Rf
C
Uin
Uout
R
图9-71 一阶有源高通滤波器
一阶有源滤波器的特点是电路简单,但阻带衰减太慢,
选择性较差。提高滤波器信号选择性的措施是增大滤波器
的阶数。阶数是指滤波器的数学表达式中分母内拉布拉斯
算子S的最高幂指数,S3即为三阶。
3.二阶有源低通滤波器(图9-72)
电路增益K
K
1
2
1
R 2C1C2 ( S 2 
S 2
)
C1 R
R C1C2
式中S=-jω
上限截止频率ƒc2
fc2
1

2R C1C2
C1
R
R
Uin
C2
Uout
RA
RB
图9-72 二阶有源低通滤波器
4.二阶有源高通滤波器(图9-73)
电路增益K
S2
K
S2 
2
1
S
R2C
R1 R2C 2
下限截止频率ƒc1
f c1 
R1
C
1
R1 R2
C
Uin
C
R2
Uout
RA
RB
图9-73 二阶有源高通滤波器
如果在图9-72、图9-73的电路中加上图中虚线所连
的电阻RB,则电路具有放大器的功能,电路的总增益
RB
K  K  (1 
)
RA
三.专用集成电路滤波器
1.模拟集成有源滤波器MAX275
MAX275是MAXIM公司推出的一款连续时间模拟集成有
源滤波器,片内硬件由四个运算放大器及若干电阻电容
组成。每两个运算放大器构成一个二阶节,每个二阶节的
中心频率Fo,转折频率,品质因数Q,放大倍数都由四
个外部电阻确定,不需外接电容。通过外接电阻的不同
组合形式可以实现巴特沃思,切比雪夫,贝赛尔型的低
通,带通滤波器。滤波器的中心频率从100Hz-300KHz;
增益带宽积为16MHz,即对于40KHz的信号可放大1-400
倍;可以根据设计者的要求实现高至一百的品质因数Q,
与运算放大器和R、C组成的二阶节相比,MAX275组成
的滤波器具有外接元件少,结构简单,参数调整方便和
不受运算放大器本身频率特性影响等优点;由于没有外
接电容,而且是单片结构,因而高频场合时受分布电容
的影响较小。
其内部的一个二阶节单元如图9-75所示。当用于低通
滤波时用LPO作为输出,当用于带通滤波时用BPO作为输
出。二阶节的中心频率Fo、Q值及放大倍数由外接电阻R1、
R2、R3、R4决定。当中心频率Fo、Q值及增益确定后,R1、
R2、R3、R4可由下列等式得到(所得电阻值单位均为Ω):
图9-75 MAX275滤波器的单元结构
更为方便的设计方法是使用MAXIM274/275有源滤波器
设计软件(在MAXIM网站上可免费下载),其主要功能是:
(1) 根据滤波器的性能指标,如通带内的最大衰减,阻
带内的最小衰减,截止频率,带宽,Q值等,能迅速算出巴
特沃思,切比雪夫,贝赛尔和椭圆滤波器的极点、零点、
阶数和Q值等。
当选定由滤波器指标决定经典滤波函数后,可以在对
话窗口中输入有关参数,通带内最大衰减,阻带内最小衰
减,截止频率,通带宽度,阻带宽度等。之后,软件就会
给出计算结果,说明要达到预定输入指标应选用各经典滤
波函数的阶数。可以执行有关命令来改变滤波器的类型,
查看响应曲线,列出极点清单,记录幅频、相频和延时传
输特性并打印输出,并且给出滤波器的滤波方程。
(2) 针对MAX275完成滤波电路设计,即计算出每个二
阶节外接电阻的数值,然后进行仿真获得传输特性曲线,
包括增益,相位和群延迟等,并打印出结果。
2.开关电容滤波器MAX29X系列
开关电容滤波器是20世纪70年代末期出现的新型单片滤
波器,具有体积小,滤波阶次高,滤波通带可调,得到广泛的
应用等优点。这种滤波器是由MOS开关、MOS电容和运算放
大器构成的集成电路,以开关电容替代RC滤波器中的电阻R,
这样滤波器的特性取决于开关频率和电路中有关电容的比值。
例如MAX29X系列开关电容低通滤波器的截止频率是开关频率
的1/100,通过程控改变开关频率就可以获得需要的滤波器特
性。
MAX29X系列产品是美国MAXIM公司生产的8阶开关电
容低通滤波器,由于使用方便(基本上不需外接元件)、设
计简单(频率响应函数是固定的,只需确定其拐角频率即截
止频率)、尺寸小(有8-pin DIP封装)等优点,在反混叠滤
波、噪声分析、电源噪声抑制等领域得到了广泛的应用。
MAX291/295为巴特活思型滤波器,在通频带内,它的增益
最稳定,波动小,主要用于仪表测量等要求整个通频带内增
益恒定的场合。 MAX292/296为贝塞尔(Bessel)滤波器,
在通频带内它的群时延时恒定的,相位对频率呈线性关系,
因此脉冲信号通过MAX292/296之后尖峰幅度小,稳定速度
快。由于脉冲信号通过贝塞尔滤波器之后所有频率分量的延
迟时间是相同的,故可保证波形基本不变。
关于巴特活思和贝塞尔滤波器的特性
可以用图9-76来说明。图中的踪迹a为
(a)
加到滤波器输入端的3kHz的方波,这
里我们把滤波器的截止频率设为
(b)
10kHZ。踪迹b为通过MAX292/296后
的波形。从图中可以看出,由于
(c)
图9-76 滤波特性
MAX292/296在通带内具有线性相位
特性,输出波形基本上保持了方波形状,只是边沿处变圆
了一些。踪迹c是方波通过MAX291/295之后,由于不同频
率的信号产生的时延不同,输出波形中就出现了尖峰和铃
流。
MAX293/294/297为8阶椭圆型(Elliptic)滤波器,它在截止
频率处的下降速度快,从通频带到阻带的过渡带可以作得很
窄。频响特性如图9-77所示,在椭圆型滤波器中,第一个传
输零点后输出将随频率的变高而增大,直到第二个零点处。
这样几番重复就使阻带频响呈现波浪形。
阻带从fS起算起,高于频率fS处的
增益不会超过fS处的增益。在椭圆
型滤波中,通频带内的增益存在
一定范围的波动。椭圆型滤波器
的一个重要参数就是过渡比。过
渡比定义为阻带频率fS与拐角频率
(有时也等同为截止频率)由时
钟频率确定。时钟既可以是外接
的时钟,也可以是自己的内部时
图9-77 椭圆型滤波器频响特性
钟。使用内部时钟时只需外接一
个定时用的电容既可。
在MAX29X系列滤波器集成电路中,除了滤波器电路外还
有一个独立的运算放大器。用这个运算放大器可以组成配合随
后的滤波、反混滤波等模拟型低通滤波器。
下面归纳一下它们的特点:
●全部为8阶低通滤波器。MAX291/MAX295为巴特沃思滤
波器;MAX292/296为贝塞尔滤波器;MAX293/294/297为椭
圆滤波器。
●通过调整时钟,截止频率的调整范围为:0.1Hz~25kHz
(MAX291/292/293/294);0.1Hz~50kHz
(MAX295/296/297)。
●既可用外部时钟也可用内部时钟作为截止频率的控制时
钟。
●时钟频率和截止频率的比率:
100∶1(MAX291/292/293/294);50∶1(MAX295/296/297)。
●既可用单+5V电源供电也可用±5V双电源供电。
●有一个独立的运算放大器可用于其它应用目的。
●8-pin DIP、8-pin SO和宽SO-16多种封装。
(1) 时钟信号
MAX29X系列开头电容滤波器推荐使用的时钟信号最
高频率为2.5MHz。根据对应的时钟频率和拐角频率的比
值,MAX291/MAX292/MAX293/MAX294的拐角频率最高
为25kHz.,MAX295/MAX296/MAX297的拐角频率最高为
50kHz 。
MAX29X系列开关电容滤波器的时钟信号既可由外部
时钟直接驱动也可由内部振荡器产生。使用外部时钟时,
无论是采用单电源供电还是双电源供电,CLK可直接和采
用+5V供电的CMOS时钟信号发生器的输出相连。通过调
整外部时钟的频率,可完成滤波器拐角的实时调整。
当使用内部时钟时,振荡器的频率由接在CLK端上的
电容VCOSC决定:
fCOSC (KHz)=105/3COSC (pF)
(2) 供电
MAX29X系列开关电容滤波器既可用单电源工作也可用
双电源工作。双电源供电时的电源电压范围为±2.375~
±5.5V。在实际电路中一般要在正负电源和GND之间接一旁
路电容。如图9-80(a)。
V+
MAX29X
V+
C
GND
V+
MAX29X
V+
R
GND
R
C
V-
V-
(a)双电源供电接法;
V-
(b)单电源供电接法
图9-80 MAX29X的供电方式
当采用单电源供电时,V-端接地,而GND端要通过电
阻分压获得一个电压参考,该电压参考的电压值为1/2的电
源电压。如图9-80(b)。
(3)输入信号幅度范围限制
MAX29X允许的输入信号的最小范围为V--0.3V~
V++0.3V。一般情况下在+5V单电源供电时输入信号范
围取1V~4V,±5V双电源供电时,输入信号幅度范围
取±4V。如果输入信号超过此范围,总谐波失真THD和
噪声就大大增加;同样如果输入信号幅度过小(VP-P<
1V),也会造成THD和噪声的增加。
9.3.2 电压/电流变换电路
在工业测控系统中,经常有这样的情况:远端传感器
测得的信号需要传递到中央控制室。电压型信号远距离传
送过程中很容易受到沿路电磁场的感应干扰,信号失真,
控制就不准确。往往在这种情况下,需要采取电流型信号
传递方式。尤其是信号线需穿过电磁干扰强烈的电机拖动
控制区域的情况下,短距离也需采用电流信号传送方式。
一.ZF2820电压/电流转换集成电路
ZF2820是一种电压/电流变换模块,它具有体积小、温
漂小、线性度好、单电源供电及使用温度范围宽等特点。
ZF2820主要用于控制和遥测系统与子系统之间的信息传递、
广泛应用于仪表、控制系统、模拟转换及控制、遥控数据探测
等场合。
ZF2820的内部电路结构框图如图9-81所示。它内含一个
高精度运算放大器和一个高稳定度的2.5V基准电压源。在它
的输出级反馈环中应用了一只敏感电阻,使输出电流和输入电
压成线性关系而与负载无关。
图9-82 ZF2820的基本应用电路
图9-81 ZF2820的内部电路结构框图
二.AD694型高精度可编程电压/电流转换器
AD694属于单片电流变送器集成电路,它能将高电压信
号转换成4~20mA的电流信号。AD694可对压力、温度、流
量等信号进行U/I转换及传输,适用于测控系统及工业过程控
制等领域。
AD694采用DIP一20封装或SOIC一20封装,引脚排列如
图9-83所示。FB为反馈端,接U1-端时缓冲放大器作为电
压跟随器使用。2V FS为2V量程设定端,接COM端(地)时输
入电压范围设定为0—2V。4mA ADJ为4mA偏置电流的零点
调整端,调整范围是2~4.8mA。l0V FORCE为10V基准电
压的强制加载端,2V SENSE为2V基准电压的检测端,该端
能输出一个100μA的检测电流,将该端与10V FORCE端短
路时,基准电压被设定成2V输出模式;该端开路时,
UREF=10V。4mA ON/OFF为偏置电流的通/断控制端,
该端接地时偏置电流为4mA,若接3V以上的高电平(例如与
第7脚相连时UREF=10V >3V),则将4mA偏置电流关断,输
出电流范围变成0~20mA。
3.AD694的典型应用电路
AD694具有很强的编程功能,通过相关引脚的互连,
可分别设定输入电压范围、输出电流范围、基准电压值和
最低电源电压值。
AD694的典型应用电路如图9-85所示。其电源电压范
围是+12.5~+36V。将第1、2脚互相连接时,缓冲放大器
就做跟随器使用。C为电源退耦电容。
值得注意的是,有些传
感器信号处理的集成电路芯
片本身就具有电流信号输出
能力。例如AD693,见图986,AD693将直流电桥的
测量信号经放大后,转换成
4~20mA电流输出。
图9-85 AD694的典型应用电路
图9-86 用AD693作皮带称的信号变送器
图9-86是微机皮带秤的信号变送与转换电路图。图中
左下角R01~R04为电阻应变式称重传感器连接成的电桥,
电桥电源电压U24由基准电压源和辅助放大器提供,U24为:
U 24 
R2
 6.2V
R2  R3
三.电流/电压转换器(I/U转换)
当变送器的输出信号为电流信号时,要转化成电压信
号,需经I/U转换。最简单的I/U转换可以利用一个250Ω
的精密电阻,将0~20mA的电流信号转换为0~5V的电压
信号。
对于不存在共模干扰的0~20mA直流信号,如DDZ-II
型仪表的输出信号等,可用图9-87所示的电阻式I/U转换,
其中RC构成低通滤波网络,Rw用于调整输出电压值。
电阻式I/U转换的精度取决于
电阻的精度,当电阻的阻值受
温度变化而变时,转换的电压
U不可避免地随之改变。当需
要高精度的I/U转换,可选择
精密型I/U转换集成电路芯片
来组成高精度的I/U转换器。
图9-87 电阻式I/U转换
RCV420是美国TI公司生产的单片精密电流/电压(I
/U)转换集成电路芯片。
RCV420的典型应用
电路如图9-90所示。它采
用±15V(或±12V)双电
源供电。C1和C2为正、
负电源的退耦电容,需采
用lμF钽电容并且在安装
时要尽量靠近RCV420的
电源引脚。CT端、RCV
图9-90 RCV420的典型应用电路
COM端和REF COM端
必须单点接地并使接地电阻为最小,以免形成地线回路而
引起转换误差。当II =4~20mA时,UO=0~5V。C3为降噪
电容,取C3=0.1lμF时,可将基准电压输入端的噪声电压降
低到25μV (峰一峰值),减小50%。
9.3.3 电压/频率变换电路
有些传感器敏感元件输出的信号为频率信号,如涡轮流量
计,有时为了考虑和其他带有标准信号输入电路或接口的显示
仪表配套,需要把频率信号转换为电压或电流信号。另一方面,
频率信号抗干扰性好,便于远距离传输,可以调制在射频信号
上进行无线传输,也可调制成光脉冲用光纤传送,不受电磁场
影响。由于这些优点,在一些非快速而又远距离的测量中,如
果传感器输出的是电压或电流信号,愈来愈趋向于使用电压/
频率转换器(V/F),把传感器输出的信号转换成频率信号。
目前实现电压,频率转换的方法很多,主要有积分复原型
和电荷平衡型,这两种方法的工作原理可参看相关资料。积分
复原型V/F转换器主要用于精度要求不高的场合。电荷平衡
型精度较高,频率输出可较严格地与输入电流成比例,目前大
多数的集成V/F转换器均采用这种方法。V/F转换器常用集
成芯片主要有VFC32和LM3l系列。下面以LM31系列为例说明
集成V/F转换器的应用。
一.基于LM31系列的V/F、F/V转换
LM31(LMX31)系列包括LMl31/LM231/LM331,是美
国国家半导体公司生产的,适用于V/F、F/V、A/D转换,
也可用于长时间积分器、线性频率调制与解调器等功能电路。
LM31系列用做V/F转换
时的简化功能框图如图9-91所
示。当2脚接RS后内部电流源
产生电流IS为50~500μA,IS
的计算公式为 :
1.9V
IS 
RS
当开关K断开后,CL通过RL
放电,使VC下降。当放电过
程持续T1时间,VC下降到
图9-91 LM31系列简化功能原理图
小于Vi时,输入比较器再次启动单脉冲定时器又产生一个宽
tOS的脉冲,开关K再次闭合,CL再次充电,如此循环,3脚
输出脉宽为tOS,周期为T的方波。
LM3l系列的LM331用做V/F转换器时,外部接线如图992所示。同图9-91相比,电压Vi输入端增加了由R1、Cl组成
的低通滤波器,在RL、CL原接地端增加了偏移调节电路,
R1为100kΩ,也是为了使7脚偏流抵消6脚偏流的影响。在2
脚增加了一个可调电阻Rw2,用以调整LM31的增益偏差和由
RL、Rt和Ct引起的偏差。在输出端3脚上接有一个上拉电阻,
因为该输出端是集电极开路输出端。
图9-92 LM331用作V/F转换器
图9-93是由LM331构成的F/V转换电路,输入频率ƒIN脉
冲的每个下降沿引起输入比较器触发单脉冲定时电路,产生
一个固定宽度为tOS的脉冲,在tOS期间,电流源IS在RL上产生
电压,在无CL情况下,RL输出电压的幅度为I×RL,宽度为tOS,
周期为T的方波,CL滤去此方波的高频分量,保留其直流分量
即方波的平均值输送出来,输出电压为:
VO 
I s RLtos
2.09  RL Rt C t
 f IN 
T
RS
图9-93 由LM331构成的F/V转换电路
二.基于AD650的V/F和F/V变换电路
1.AD650的主要技术性能与特点
AD650是ADI公司生产的V/F和F/V变换电路,V/F
转换频率范围是0~1 MHz。在10 kHz、100 kHz、1 MHz
时,非线性误差分别为0.002%、0.005%和0.07%。差分
输入阻抗为2 MΩ,共模输入电阻高达1000 MΩ,输入电容
仅为10 pF。利用可调电阻或电位器能进行零点校准及满度
校准。V/F输出为集电极开路输出形式。上拉电阻可接5~
30V电源电压,能与CMOS、TTL电路兼容。采用±9~
±18 V双电源供电。典型值为±I 5 V,电流消耗小于8 mA。
F/V输出电压范围为0~+1 0 V,输出电流l0 mA(750Ω负
载),负载电容为100pF。
4.AD650的应用电路
(1) 0~1 MHz的V/F变换电路
由AD650构成0~1 MHz的V/F变换电路如图9-96所示。
其输入电压范围为0~10V,输出频率范围是0~1 MHz,电
路采用±15 V双电源供电。电路制作时,应尽量缩短各元器
件引线的长度,以降低分布参数的影响。
图9-96 AD650构成0~1 MHz的V/F变换电路
(2)F/V变换电路
由AD650构成的F/V变换电路如图9-97所示。其输出
电压为VOUTAVG=tOS×RINT×a׃IN。式中,ƒIN为输入频率,
a为电流源数值(对于AD650,为1 mA)。
图9-97 AD650构成的F/V变换电路

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