第五章信号调理电路.pptxVIP

信号调理电路欢迎学习信号调理电路课程。本课程将介绍信号调理的基础知识及应用。我们将探讨各种调理电路设计，帮助您理解如何处理传感器信号，适配后续系统需求。作者：

信号调理概述信号调理的定义信号调理是将传感器输出信号转换为适合后续处理的形式。它是测量系统的核心环节。信号调理的重要性信号调理确保测量精度和可靠性。没有适当的调理，后续分析将失去意义。

信号调理的目的提高信号质量信号调理可增强信噪比，提高测量精度。它消除干扰，放大微弱信号。适配后续处理要求将信号调整至合适的幅值范围和阻抗特性。确保与ADC或其他处理设备兼容。

信号调理的主要功能放大增大信号幅值，提高测量分辨率。使微弱信号可被测量系统检测。滤波去除噪声和干扰。保留有用信号成分，提高信噪比。隔离防止地环路和共模干扰。保护设备和操作人员安全。线性化修正传感器非线性特性。确保输出与被测量成正比。

信号调理电路的基本组成传感器接口与传感器直接连接的电路部分。提供适当偏置和激励。考虑阻抗匹配。信号处理电路放大器、滤波器和其他功能电路。执行信号变换和调节功能。ADC驱动电路确保信号适合模数转换器输入要求。控制信号幅度和阻抗特性。

传感器信号特性微弱信号许多传感器输出信号极小，如温度传感器输出可低至微伏级别。需要高增益放大。高阻抗输出某些传感器具有高输出阻抗，容易受到负载效应影响。需要阻抗转换。非线性特性传感器响应通常不是线性的。需要线性化处理才能获得准确测量。

常见传感器类型及其信号特点传感器类型输出信号阻抗特性线性度热电偶微伏级电压中等阻抗非线性应变片微小电阻变化高阻抗较好线性加速度计毫伏至伏级信号低至中阻抗较好线性

放大电路概述精密仪表放大器高精度应用通用运算放大器广泛应用分立元件放大器基础应用放大是信号调理中最基本的功能。微弱信号需要放大才能被后续电路有效处理。选择适当的放大器类型取决于应用需求，包括精度、噪声和带宽要求。

运算放大器基础理想运放特性无限开环增益无限输入阻抗零输出阻抗无限带宽实际运放参数有限开环增益输入失调电压输入偏置电流带宽限制

反相放大器电路结构反相放大器将输入信号连接到反相输入端。输出信号与输入信号相位相差180度。典型电路包含两个电阻：反馈电阻和输入电阻。增益计算增益计算公式：Av=-Rf/Rin负号表示输出相位反转。增益大小由反馈电阻与输入电阻比值决定。

同相放大器输入信号连接到运放同相端运算放大器维持同相特性反馈网络确定增益大小输出信号与输入同相位增益计算公式：Av=1+Rf/Rin。同相放大器的输入阻抗非常高，适合高阻抗信号源。

差分放大器电路结构差分放大器同时使用运放的反相和同相输入端。它放大两个输入信号之间的差值。典型电路需要四个精密匹配电阻以获得良好性能。共模抑制比（CMRR）CMRR衡量差分放大器抑制共模信号的能力。越高越好。公式：CMRR=Ad/Acm，其中Ad为差模增益，Acm为共模增益。

仪表放大器高精度仪表放大器具有极高的直流精度和稳定性。适合放大微弱信号。优异的共模抑制其结构保证了卓越的共模抑制性能。可有效去除干扰信号。简单增益调整通常只需一个电阻即可设置增益。简化电路设计和调试。

可编程增益放大器（PGA）1信号输入接收微弱或变化范围大的信号2增益选择通过数字接口设置不同增益3信号放大根据设定增益放大输入信号4输出驱动提供适合ADC输入的信号电平PGA允许通过数字控制实时改变增益。适用于动态范围大的信号。

放大器选择考虑因素1MHz+带宽高速信号需要足够带宽，避免信号失真。需考虑增益带宽积。1nV/√Hz噪声性能微弱信号应用需低噪声放大器。噪声密度和总噪声是关键指标。10μV失调电压直流精度需求高时应考虑低失调电压。温漂也需评估。

滤波电路概述消除噪声滤波器可去除特定频率的噪声和干扰。提高信号质量和可靠性。限制带宽控制信号频率范围。防止混叠和其他不良影响。信号提取从复杂波形中分离出所需信号成分。增强特定频率成分。

低通滤波器工作原理低通滤波器允许低频信号通过，衰减高频信号。截止频率以下的信号几乎无衰减。典型结构包括RC无源滤波器和基于运放的有源滤波器。应用场景消除高频噪声平滑信号波形提取慢变信号抗混叠滤波

高通滤波器高通滤波器允许高频信号通过，衰减低频信号。常用于去除直流偏置和低频干扰。应用包括音频处理、传感器信号调理和通信系统。

带通滤波器低频衰减区衰减低于下限截止频率的信号通带区域允许特定频率范围内的信号通过高频衰减区衰减高于上限截止频率的信号带通滤波器可由高通和低通滤波器级联实现。中心频率和带宽是关键参数。

带阻滤波器1通过低频允许低于下限截止频率的信号通过2阻断特定频带衰减特定频率范围内的信号3通过高频允许高于上限截止频率的信号通过带阻滤波器也称陷波滤波器，特别适合去除特定频率的干扰，如50/60Hz电源