智能测控系统设计2_信号调理与抗干扰.ppt

第三章信号调理电路与抗干扰,3.1常用放大器3.2可编程增益放大器（PGA）3.3模拟滤波器3.4电压/电流变换器3.5电压/频率变换器3.6前置放大器的噪声3.7干扰的耦合方式及抑制措施3.8干扰的叠加方式及抑制措施3.9电源干扰的滤除,3.1常用放大器,通常情况下，集成运算放大器可以实现大部分的信号调理功能，因此应用最为广泛。选择运算放大器，需要根据以下几个考量1.信号调理电路对运放的性能要求，从而选择参数合适的运放，如输入阻抗、漂移、响应速度等；2.使用环境的要求，从而选择等级合适的运放，如工业级、军用级等；3.其它考虑，如信号隔离、多运放、封装、价格等；4.对于专用功能的信号调理电路，应尽量选择专用芯片，以简化设计。,,运放的主要性能参数,,输入阻抗输入阻抗越大越好，高频时输入电容变得重要。输出阻抗输出阻抗越小越好。输入偏流两个输入端电流的平均值。偏流会引起运放不平衡而产生输出。偏流越小越好。场效应输入级偏流最小。输入失调电流为使输出为零，一个输入端比另一个输入端需要更大的电流，这个电流为输入失调电流。输入失调电压为使输出为零，在一个输入端上加上一个小的电压（另一个输入端接零伏），这个电压为输入失调电压。温度效应温度引起的输入失调电流和输入失调电压的漂移。转换速率单位时间内电压变化的最大值。增益带宽积增益带宽积＝增益带宽＝单位增益频率。共模抑制比差动增益/共模增益，以分贝表示。噪声运放内部噪声的大小，用输入噪声电压密度和输入噪声电流密度来表示。,,运放的主要性能参数列举,通用单运放,CF741,LM741,μA741,AD741,MC1741,HA17741T,μPC741等。军用级-55125℃，工业级-2585℃，民用级070℃。,,如无特殊要求，一般应选用通用型运放，根据环境温度选择相应级别器件，如同一电路中有多个运放，则选择双运放或四运放。,通用四运放,CF324,LM3241,μA324,μPC324等,,使用四运放可以简化电路排版，减小电路面积。,高输入阻抗运放,CF355/356/357,LF355/356/357，CF3140。结型场效应管输入级，输入电阻高1012，速率高最大50V/s。,,低漂移运放,OP07,μA714等。输入失调电压及其温漂、输入失调电流及其温漂都较小。,,性能好，价格低，应用广泛。,高精度高速运放,OP17（引脚同CF357）OP27（引脚同OP07）,,静电计级放大器,OPA128，具有超低偏置电流。典型值150fAf10-15。,,斩波稳零运放,ICL7650,5G7650,F7650，超低失调，超低漂移，高输入阻抗，高增益，性能稳定。参数见前面的表,,变压器耦合隔离运放,AD202,AD204,AD210,AD293,AD289,AD295,AD298等。用于输入通道隔离，防止强电强磁干扰或损坏，消除大共模电压。,,一般，变压器耦合精度高，光电耦合速度高。,AD210隔离放大器,主要技术指标增益范围1～100；共模电压2500V；输入阻抗1012；输入偏置电流温漂30nA（最大）；频响15kHz（G100）；失调电压1545/GmV最大；失调电压温漂1050/GV/℃；隔离电源输出15V，5mA；电源15Vdc5。功能框图,53.325.48.9,AD210应用示例,,光电耦合隔离放大器,ISO100,ISO100应用示例,精密电桥隔离放大器,仪器放大器,高精度差动放大器，输入阻抗高，共模抑制比大，输入失调电压、电流小，输入偏置电流小，温漂小，时漂小。,,G12R1/RGRS/R3,AD625仪器放大器,主要技术指标增益范围1～10000；失调电压10～50V（根据等级不同）；失调电压温漂0.1～1V/℃；输入偏置电流10～30nA；输入偏置电流温漂50pA/℃；输入电阻1G；频响150kHzG100，25kHzG1000；电源6～18V,AD625内部结构,AD625构成的放大器,可编程增益放大器（PGA）,有的应用场合，需要在软件控制下进行量程切换等操作，这时需要选择PGA。下面以AD526为例说明其工作。,,AD526同相比例放大器,,,AD526管脚,3．3模拟滤波器,,滤波器的主要参数谐振频率f0没有损耗时的固有频率；转折频率（截止频率）-3dB对应的频率值；通带增益kp通带内放大倍数；频带宽度f-3dB通带宽度或阻带宽度；品质因素Q带通滤波器的谐振频率与带宽之比；阻尼系数Q的倒数。,常用滤波器的类型,,巴特沃斯滤波器通带特性平坦，但衰减差。,切比雪夫滤波器过渡带陡，但通带内有纹波。为常数。,椭圆滤波器通带阻带等纹波。Un为雅可比椭圆函数。,通用运放构成的低通滤波器,,通用运放构成的低通滤波器,,通用运放构成的低通滤波器,,通用运放构成的高通滤波器,,低通滤波器中电阻电容交换位置,通用运放构成的高通滤波器,,低通滤波器中电阻电容交换位置,通用运放构成的高通滤波器,,集成开关电容滤波器,,开关电容滤波器基本原理用开关电容网络代替RC网络。这样，既容易在集成电路内实现，又容易通过开关频率调整滤波器截至频率。,,CR确定以后电阻由T决定,集成有源滤波器芯片LMF40,,截止频率0.140kHz,LMF40的振荡器,可以构造一个RC振荡器,,单电源工作的连接,双电源工作的连接,LMF40的典型连接,调节信号频率改变滤波器的截止频率分频比,3．4电压/电流变换器,电压/电流变换器AD694电压/电流变换器XTR110,,模拟信号传输70年代010mA；70年代后期～90年代420mA二线制传输线。电流传输的优点a.抗干扰强；b.导线长度不影响（即与电阻无关）；c.可进行断线检查；d.信号还原成电压容易。,,变送器,,,,,420mA,,,,,,,24V,电压/电流变换器AD694,,A1缓冲放大器；A2、VT1、R1V/I变换器；A3等电流放大器；A4参考电压,u1＝010V时4悬空5接地，i100.8mA；u1＝02V时4接地5悬空，i100.8mA。i0i420i3i3＝i1i2i1200μAi04mA20i1420mA,,AD694应用示例,3.5电压频率变换器（V/F）,通过电压/频率变换器，可以将模拟信号变换成频率信号，从而实现模数变换、数字信号传递、光电隔离等功能，也有利于信号的长距离传输。,,复位过程,积分过程,基本原理,复位过程,积分过程,基本原理,复位过程开关在S端，对应单稳态正脉冲暂态，电容积累电荷。qcVCint1mA-IINTOS积分状态开关在另一端，对应单稳态触发器的稳态。-qcicTI-IINTITIqc/IINTOS1mA/IIN-1f1/TITOSIIN/TOS1mAVIN/RINTOS1mA,AD650应用电路,,各种VF变换器的性能,其它各种专用模拟调理电路,例如1.AD698型线性位移差分变压器LVDT专用信号调理电路2.TCA205／205A接近开关专用IC芯片3.超声波测距专用集成电路SB52274.宽带应变信号调理器1B315.压力信号调理器MAX14506.集成电流检测放大器MAX4727.多功能传感信号调理器AD6938.离子型烟雾检测报警集成电路MC144689.液位传感器LM104210.单片加速度传感器MMA1220D11.TDC-GP2超声波流量计专用芯片,3.6前置放大器的噪声,,前置放大器的联接,源电阻含传感器输出电阻和放大器输入电阻,输出端总噪声电压为,带宽,输出端信噪比为,定义噪声因子NF为,则可得,NF与Rs有关，与频率f有关（因en、in是f的函数）,噪声因子,NF一般测量得到。某放大器的NF图如下,利用NF图可以1.选择NF最小的Rs和f；2.计算Eini；3.根据检测对象选择放大器或进行阻抗匹配。,利用NF计算输入端噪声电压,噪声因子,为了抑制前置放大器的噪声1、对噪声进行分析计算；2、对噪声进行测试；3、选用低噪声运算放大器；4、根据NF选择合适的Rs、f；4、进行阻抗匹配。,3.7干扰的耦合方式及抑制措施,电容性耦合（静电耦合）干扰及抑制措施互感耦合（电磁耦合）干扰及抑制措施共阻抗耦合干扰及抑制措施漏电流耦合干扰及抑制措施,,电容性耦合干扰及抑制措施,又称静电耦合，由二个电路之间的寄生电容引起。,①与寄生电容Cm成正比,应通过合理布线、适当防护措施以减小Cm；②与Zi成正比,一般应减小放大电路的输入阻抗；③与成正比,对高频信号,电容性耦合更严重；④与Ua成正比,说明高压小电流干扰是通过电容性耦合实现的；⑤采用电流传输可避免电压干扰。,,计算示例设Ua5V，f1MHz，Cm0.01pF，Zi0.1M，则Un31.4mV，如测量电路放大倍数为100，则Uo3.14V。说明干扰引起的输出很大。,抑制电容耦合的方法,A干扰源B测量电路C屏蔽体,,A,B,屏蔽体包围电路接大地,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,c,,,屏蔽体与大地相连,同时与电路地线相连,这样可消除寄生电容引起的反馈,,d,C,A干扰源B测量电路C屏蔽体,,,,,,,,,C中正电荷被排斥到大地,,互感耦合干扰及抑制措施,又称电磁耦合，由二个电路之间存在互感引起。可以看出,①与Ia成正比，说明大电流低电压干扰源主要是通过互感耦合实现；②与成正比，高频干扰大；③与M成正比，要避免信号线与干扰线平行，以减小互感M；④采用电流传输可避免电压干扰；⑤干扰电压与Ri无关。,计算示例设Ia10mA；f10kHz，M0.1H，则Un62.8V,抑制互感耦合的方法,共阻抗耦合干扰及抑制措施,电源内阻耦合,共地线耦合,,漏电流耦合干扰及抑制措施,设绝缘电阻为R1010，Zi108，Ua15V,,,,,,,,,,,放大电路,A,干扰,,,R1,R2,B,输入,,C,,,,地环路把信号线包起来,3.8干扰的叠加方式及抑制措施,共模干扰及抑制措施差模干扰及抑制措施,,共模干扰及抑制措施,抑制方法①浮地电路参考地不接机壳或大地，切断干扰电流的通路。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,参考地不接大地,,,,,,当输入电路不对称时共模电压会转换成差模电压,,②隔离,③平衡传输（对称传输）,,,,,,,,,,,1/2Zi,Un1,1/2Rs,,,平衡传输,,,Un2,1/2Rs,,,,1/2Zi,Un1和Un2基本相等,,,,,两根传输线对地阻抗平衡设置,两根传输线对地阻抗不平衡,差模干扰及抑制措施,抑制差模干扰方法①信号传输线最多在一端接大地（也可以不接大地，浮置）,地线上存在电位差,②信号传输线屏蔽体在某一端接地（不在两端同时接地）,③驱动屏蔽法,④采用双绞线传输,⑤信号变化抑制干扰V/F变换；电流传输；数字量传输；双积分式AD；滤波技术等。,3.9电源干扰的滤除,,电网的尖峰干扰,消除办法滤波法、隔离法、吸收法、回避法,1、滤波法,采样电源滤波器，体积小，价格便宜，效果一般。,2、隔离法,抗干扰的原理是原边对高频干扰呈现很高的阻抗，而位于原边、副边绕组之间的金属屏蔽层又阻隔了原、副边所产生的分布电容。效果较好。,3、吸收法,利用瞬变电压抑制器TVP又称TVS,当两端经受瞬间高能量冲击时,能以极高的速度把两端间的阻抗值由高阻抗变为低阻抗，吸收一个瞬间大电流,从而把它的两端电压箝制在一个预定的数值上,保护了后面的电路元件不受瞬态高压尖峰脉冲的冲击。,保护接收电路,直流过压保护,USB接口保护,4、回避法,采用非动力供电线路。直接从非动力低压变压器“根部”拉专线供电的办法，避开大负荷动力线。控制电源采用与动力电源不同的相线。,5、其它方法,采用电源净化器、铁磁谐振交流稳压器、UPS等。,