便于信號的傳輸與處理信號轉(zhuǎn)換與調(diào)理的目的：

第3章信號轉(zhuǎn)換與調(diào)理1.傳感器輸出信號很微弱，無法直接驅(qū)動顯示記錄儀表，需要進行放大。

4.能量轉(zhuǎn)換型傳感器輸出的是電信號，但混雜有干擾噪聲，需要進行濾波，提高信噪比。2.傳感器輸出信號不僅微弱，而且變化緩慢(頻率低)，若用交流放大器放大，需要進行調(diào)制解調(diào)處理。

3.能量控制型傳感器輸出的是電參量，需要轉(zhuǎn)換成電信號才能進行處理(電橋)。

5.傳感器輸出信號若送給計算機進行分析與處理時，必須進行A/D轉(zhuǎn)換；為了實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，必須進行V/I或V/F轉(zhuǎn)換。1.電壓-電流轉(zhuǎn)換

作用：減小傳輸導(dǎo)線阻抗對信號的衰減

（1）負(fù)載浮地型V/I轉(zhuǎn)換電路

優(yōu)點：與負(fù)載電阻RL無關(guān)，具有恒流特性。缺點：負(fù)載必須懸浮，不能接地，不適用于某些應(yīng)用場合。3.1信號轉(zhuǎn)換與放大

3.1.1信號轉(zhuǎn)換第3章信號轉(zhuǎn)換與調(diào)理（2）負(fù)載接地型V/I轉(zhuǎn)換電路

(取)3.1.1信號轉(zhuǎn)換案例：AD694在啤酒發(fā)酵溫度控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

LM35溫度傳感器對發(fā)酵罐內(nèi)溫度進行采樣，信號放大后經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換送至微處理器。微處理器根據(jù)模糊積分控制算法的運算結(jié)果將控制信號輸出至D/A轉(zhuǎn)換器，再放大為0-10V的電壓信號，最后利用AD694進行V/I轉(zhuǎn)換，得到4-20mA的電流信號，自動調(diào)節(jié)冷卻閥門的開度，使冷卻夾套內(nèi)的冷媒帶走多余的反應(yīng)熱，實現(xiàn)發(fā)酵罐溫度的控制。

3.1.1信號轉(zhuǎn)換利用AD694進行V/I轉(zhuǎn)換的電路：

輸入量程選擇引腳4懸空，表示輸入電壓范圍為0-10V，4mA偏置電流選擇引腳9接地，表示輸出電流范圍4-20mA。由于感性負(fù)載電流輸出引腳11與地之間跨接0.01μF的電容，二極管VD1和VD2防止負(fù)載電壓過高或過低時損壞AD694。

3.1.1信號轉(zhuǎn)換要求:（1）電流源內(nèi)阻RS很大，減小輸入失調(diào)電壓影響；（2）IS>>Ib——運放的輸入偏置電流。2.電流-電壓轉(zhuǎn)換簡單方法：在輸出電路中串接精密電阻，通過測量電阻兩端的電壓即可完成轉(zhuǎn)換，但對后續(xù)電路會產(chǎn)生負(fù)載效應(yīng)。（1）反相輸入型Uo∞-+A+IS

RSR2R1I3.1.1信號轉(zhuǎn)換（2）同相輸入型要求：R4=R2//R3例如：4~20mA→0~10V

取R1=250Ω，I=4~20mA→

Ui=1~5V→Uo=0~10V

，，，，Uo∞-+A+UbR3R1I

R4R2Ui3.1.1信號轉(zhuǎn)換3.電壓-頻率轉(zhuǎn)換

當(dāng)Uo1=0>UREF時，輸出Uo為高電平，V1截止，積分器對Ui積分，使Uo1減小。當(dāng)Uo1<UREF時，Uo將躍變?yōu)榈碗娖?，V1導(dǎo)通，C1迅速放電，使Uo1增大，如此重復(fù)電路產(chǎn)生自激振蕩。3.1.1信號轉(zhuǎn)換

作用：實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸(調(diào)頻)案例：LM331在香煙包裝機溫度檢測中的應(yīng)用

熱電偶輸出的電壓信號放大后再利用LM331轉(zhuǎn)換為頻率信號，頻率信號經(jīng)遠(yuǎn)距離傳輸通過光電隔離送入微處理器，微處理器對該頻率信號進行處理，輸出控制信號經(jīng)功率放大后驅(qū)動可控硅，利用過零觸發(fā)方式控制加熱器電源的通斷。

3.1.1信號轉(zhuǎn)換利用LM331進行V/F轉(zhuǎn)換的電路：

Rt、Ct、A2、V1和RS觸發(fā)器組成單穩(wěn)定時器。

R1和C1組成低通濾波器，減少輸入電壓的干擾，提高轉(zhuǎn)換精度。RS用于調(diào)節(jié)充電電流IS。3.1.1信號轉(zhuǎn)換案例：LM331在齒輪轉(zhuǎn)速測量中的應(yīng)用

4.頻率-電壓轉(zhuǎn)換3.1.1信號轉(zhuǎn)換5.模擬信號-數(shù)字信號轉(zhuǎn)換雙積分型：對輸入信號的交流干擾有較強的抑制能力，精度較高，缺點是轉(zhuǎn)換速度較慢。逐次逼近型：轉(zhuǎn)換速度較快，精度較高，而且電路較為簡單，因此應(yīng)用最為廣泛，種類也最多。并行比較型：轉(zhuǎn)換速度最快，但難以達(dá)到很高的分辨率，且電路復(fù)雜，功耗大，成本高。A/D轉(zhuǎn)換過程：采樣、量化和編碼采樣：在時間上離散，用模擬信號與脈沖序列相乘實現(xiàn)。量化：在幅值上離散，利用四舍五入規(guī)則，用有限個某一最小當(dāng)量的整數(shù)倍數(shù)值來代替采樣值。編碼：編碼與量化同時完成，通常用二進制碼表示。3.1.1信號轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)：分辨率：對應(yīng)一個數(shù)字輸出的模擬輸入電壓有一定范圍，若超過這個幅度范圍，數(shù)字輸出就會發(fā)生變化，能分辨的輸入模擬電壓的最小變化量叫做分辨率。通常用一個單位分辨率(LSB)或輸出二進制位數(shù)來表示。或量化誤差：通過量化將連續(xù)量轉(zhuǎn)換成離散量，必然存在類似于四舍五入產(chǎn)生的誤差，最大量化誤差=±LSB/2。3.1.1信號轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換精度：實際ADC在量化值上與理想ADC量化值的差值，可用絕對誤差或相對誤差表示。由于實際ADC的量化值除了含有量化誤差外，還有非線性誤差、使用元件和噪聲等產(chǎn)生誤差。A/D轉(zhuǎn)換器的技術(shù)指標(biāo)：轉(zhuǎn)換時間：完成一次轉(zhuǎn)換所需要的時間，轉(zhuǎn)換速率是轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)。雙積分型轉(zhuǎn)換速率較低，轉(zhuǎn)換時間為毫秒級，可用于溫度、壓力或流量等緩慢變化的信號檢測。逐次逼近型屬于中速ADC轉(zhuǎn)換器，可用于多通道數(shù)據(jù)采集或聲頻數(shù)字轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。并行轉(zhuǎn)換型轉(zhuǎn)換速率很高，適用于雷達(dá)、數(shù)字通信、實時光譜分析、實時信號記錄或視頻數(shù)字轉(zhuǎn)換等。3.1.1信號轉(zhuǎn)換案例：AD1674與89C51的接口電路

3.1.1信號轉(zhuǎn)換6.數(shù)字信號-模擬信號轉(zhuǎn)換案例：DAC1208與89C51的接口電路

轉(zhuǎn)換結(jié)果通過IOUT1和IOUT2以電流形式輸出，運算放大器A的作用是將輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓，輸出電壓為單極性方式，且3.1.1信號轉(zhuǎn)換DAC1208的雙極性電壓輸出方式：

當(dāng)被控對象需要雙極性電壓時，可用兩個運算放大器A1和A2，輸出電壓為當(dāng)參考電壓UREF為正時，若輸入數(shù)字量的最高位d11為“1”，則輸出電壓uo2為正；若d11為“0”，則uo2為負(fù)。

3.1.1信號轉(zhuǎn)換案例：DAC1208在程控低通濾波器中的應(yīng)用

DAC1208的參考電壓UREF由電壓跟隨器A1提供，頻率特性為：低通濾波器的截止頻率

與輸入的12位數(shù)字量D有關(guān)，利用微處理器改變D值即可改變截止頻率。3.1.1信號轉(zhuǎn)換放大器的性能要求：開環(huán)增益足夠大，閉環(huán)增益可調(diào)；輸入阻抗高(與傳感器輸出阻抗相匹配)，輸出阻抗低；共模抑制比高：CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc；足夠的帶寬和轉(zhuǎn)換速率；漂移小、噪聲低、輸入失調(diào)電壓低、輸入失調(diào)電流小。3.1.2信號放大

3.1信號轉(zhuǎn)換與放大1.反相放大器特點：性能穩(wěn)定，但輸入阻抗低。而且提高輸入阻抗與提高增益之間存在矛盾。3.1.2信號放大R3UiR1R2∞A-++Uo特點：輸入阻抗高，但精度低，易受干擾。

2.同相放大器R2R3UiR1∞A-++Uo3.1.2信號放大3.差動放大器取R1=R3，R2=R4，則R3UoR4Ui2R1R2Ui1∞+-+AUid=Ui2﹣Ui1

Uic=(Ui1+Ui2)/2特點：CMRR高，但輸入阻抗較低，增益調(diào)節(jié)困難。3.1.2信號放大4.儀用放大器A1A2：兩個對稱的同相放大器，以提高輸入阻抗；A3：差動放大器，以抵消前級的共模干擾，而且還將雙端輸入轉(zhuǎn)換為單端輸出，適應(yīng)對地負(fù)載的需要。3.1.2信號放大3.1.2信號放大集成儀用放大器INA114的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：3.1.2信號放大案例：INA114與測量電橋的連接RPUoINA11418327654+5V-5V3.1.2信號放大案例：INA114在光功率自動控制電路中的應(yīng)用

光功率自動控制電路的作用：克服供電電源波動或光源老化等因素的影響，確保光源輸出功率穩(wěn)定。3.1.2信號放大當(dāng)激光器LD因某種原因功率增大時，耦合至光敏二極管PIN的光電流也同比例增大，從而使電阻R1上的電位升高。此時INA114的輸出電壓Uo降低，即U1也降低，流過LD的電流I也相應(yīng)降低，從而達(dá)到降低LD輻射功率。

3.1.2信號放大5.程控增益放大器3.1.2信號放大案例：AD526在超聲波測距中的應(yīng)用

微處理器根據(jù)輸入信號的幅值自動調(diào)整AD526的增益，保證在整個測量范圍處理后的回波信號具有合適的動態(tài)范圍。

模擬開關(guān)：保證在發(fā)射超聲波時接收電路關(guān)閉，避免干擾。

3.1.2信號放大3.3調(diào)制與解調(diào)目的：解決微弱緩變信號的放大以及信號的傳輸問題。

第3章信號轉(zhuǎn)換與調(diào)理

先將微弱的緩變信號(被測信號)用高頻載波加載到高頻交流信號中，然后用交流放大器進行放大，最后再從放大器的輸出信號中取出放大的緩變信號。3.3調(diào)制與解調(diào)案例：交流電橋具有調(diào)幅作用3.3調(diào)制與解調(diào)3.3.1調(diào)幅及其解調(diào)

被測信號調(diào)幅高頻調(diào)幅信號放大放大高頻調(diào)幅信號解調(diào)放大被測信號1.抑制調(diào)幅:

直接將高頻載波與被測信號(調(diào)制波)相乘，使載波信號的幅值隨被測信號而發(fā)生變化。3.3調(diào)制與解調(diào)抑制調(diào)幅與同步解調(diào)過程(波形分析——時域分析)乘法器放大器x(t)y(t)xm(t)乘法器濾波器y(t)x(t)xo(t)3.3.1調(diào)幅及其解調(diào)抑制調(diào)幅與同步解調(diào)過程(頻域分析)乘法器放大器x(t)y(t)xm(t)乘法器濾波器y(t)x(t)xo(t)3.3.1調(diào)幅及其解調(diào)抑制調(diào)幅與同步解調(diào)過程(數(shù)學(xué)分析)乘法器放大器x(t)y(t)xm(t)乘法器濾波器y(t)x(t)xo(t)3.3.1調(diào)幅及其解調(diào)2.非抑制調(diào)幅:

把被測信號x(t)進行偏置，疊加一個直流分量A，使偏置后的信號都具有正電壓，然后再與高頻載波相乘得到調(diào)幅波。A3.3.1調(diào)幅及其解調(diào)非抑制調(diào)幅波形分析：3.3.1調(diào)幅及其解調(diào)非抑制調(diào)幅的解調(diào)低通濾波二極管檢波(包絡(luò)檢波)3.3.1調(diào)幅及其解調(diào)調(diào)幅波的波形失真：（1）過調(diào)失真：對于非抑制調(diào)幅，要求其直流偏置必須足夠大，否則x(t)的相位將發(fā)生180o。3.3.1調(diào)幅及其解調(diào)（2）重疊失真：抑制調(diào)幅波是由一對每邊為fm的雙邊帶信號組成。當(dāng)載波頻率f0較低時，正頻端的下邊帶將與負(fù)頻端的上邊帶相重疊。要求：

f0＞10fm

003.3.1調(diào)幅及其解調(diào)y(t)xo(t)3.相敏檢波作用：（1）同步解調(diào)（2）判斷極性3.3.1調(diào)幅及其解調(diào)

當(dāng)y(t)>0時，V1截止，V2導(dǎo)通，運算放大器A2的反相輸入端接地，調(diào)幅波xm(t)從A2同相輸入端輸入。3.3.1調(diào)幅及其解調(diào)

當(dāng)y(t)<0時，V1導(dǎo)通，V2截止，運算放大器A2的同相輸入端接地，調(diào)幅波xm(t)從A2反相輸入端輸入。3.3.1調(diào)幅及其解調(diào)

當(dāng)x(t)>0時，調(diào)幅波xm(t)與載波y(t)同頻同相，相敏檢波器輸出xo(t)為正。

當(dāng)x(t)<0時，調(diào)幅波xm(t)與載波y(t)同頻反相，相敏檢波器輸出xo(t)為負(fù)。波形分析：3.3.1調(diào)幅及其解調(diào)差動電阻、電容、電感傳感器后接儀表方框圖

3.3.1調(diào)幅及其解調(diào)3.3.2調(diào)頻及其鑒頻

調(diào)頻是利用被測信號x(t)的幅值控制高頻載波的頻率，即調(diào)頻波是一種隨被測信號x(t)的幅值而變化的疏密程度不同的等幅波。調(diào)頻實質(zhì)是電壓-頻率轉(zhuǎn)換的過程。

3.3調(diào)制與解調(diào)1.調(diào)頻原理

3.3.2調(diào)頻及其鑒頻壓控振蕩器(VCO)調(diào)頻：

3.3.2調(diào)頻及其鑒頻

當(dāng)Uy=+UD(穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值)時，乘法器輸出Uz>0，電容C充電，反相積分器A2的輸出U2減小。當(dāng)U2<-UD時，正反饋放大器A1翻轉(zhuǎn)，Uy=-UD；當(dāng)Uy=-UD時，乘法器輸出Uz<0，電容C放電，反相積分器A2的輸出U2增大。當(dāng)U2>+UD時，正反饋放大器A1又翻轉(zhuǎn)，Uy=+UD。由此可見，壓控振蕩器的輸出信號Uy為方波，其頻率與被測信號Ux成正比。設(shè)Ux是恒值正電壓，則

3.3.2調(diào)頻及其鑒頻2.鑒頻原理采用變壓器耦合的諧振回路進行鑒頻，把頻率變化轉(zhuǎn)換為電壓幅值的變化。鑒頻實質(zhì)是頻率-電壓轉(zhuǎn)換的過程。3.3.2調(diào)頻及其鑒頻頻率－電壓線性變換部分將等幅的調(diào)頻波uf轉(zhuǎn)換為幅值隨頻率變化的調(diào)頻調(diào)幅波ua。幅值檢波部分檢測幅值的變化，得到疊加了偏置電壓的調(diào)制波uo，去掉uo中的直流偏置電壓即可獲得原被測信號(調(diào)制信號)。3.3.2調(diào)頻及其鑒頻調(diào)頻優(yōu)點：抗干擾能力強

調(diào)頻波通常要求頻帶很寬，為調(diào)幅所要求帶寬的20倍；調(diào)頻電路比調(diào)幅電路復(fù)雜，因為頻率調(diào)制是一種非線性調(diào)制。因為調(diào)頻波所攜帶的信息包含在頻率變化中，并非幅值變化，而干擾波的干擾作用則主要表現(xiàn)在幅值中。

調(diào)頻缺點：要求頻帶寬、電路復(fù)雜3.3.2調(diào)頻及其鑒頻案例：旋轉(zhuǎn)機械扭矩測量(調(diào)幅)3.3調(diào)制與解調(diào)案例：鐵路機車調(diào)度信號檢測(調(diào)頻)調(diào)制頻率8.5Hz，綠燈調(diào)制頻率23.5Hz，紅燈3.3調(diào)制與解調(diào)3.4濾波器

濾波器是一種選頻裝置，使信號中特定頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分。工件表面粗糙度測量，濾掉表面形狀誤差。第3章信號轉(zhuǎn)換與調(diào)理3.4.1濾波器的分類(按所選頻率分)

3.4濾波器高通c1低通c2帶阻c1c2帶通c1c23.4.1濾波器的分類3.4.2濾波器的特性

理想濾波器是指在通帶內(nèi)信號的幅值為一常數(shù)A0，相位與頻率成線性關(guān)系。阻帶區(qū)的頻率成分都衰減為零，其通帶和阻帶之間有豎直分界線。A(f)fcf-fcoA0ffc-fco其他1.理想濾波器

3.4濾波器2.實際濾波器

理想濾波器是不存在的，實際濾波器的幅頻特性并非為常數(shù)，通帶和阻帶之間也沒有嚴(yán)格界限，存在過渡帶。

ofA(f)3.4.2濾波器的特性（1）波紋幅度d：通帶內(nèi)幅頻特性的波動量；offc1fc2A00.707A0BQ=f0/B2dA(f)f0（2）截止頻率fc：A(f)=0.707A0所對應(yīng)的頻率；

3.4.2濾波器的特性（4）倍頻程選擇性W：頻率變化一倍幅值的衰減量。

（5）濾波器因數(shù)

：-60dB帶寬與-3dB帶寬的比值。

（3）帶寬B和品質(zhì)因數(shù)Q：上下截止頻率之差稱為帶寬。中心頻率和-3dB帶寬B之比稱為品質(zhì)因數(shù)。3.4.2濾波器的特性3.4.3RC有源濾波器

RC有源濾波器由RC無源濾波網(wǎng)絡(luò)和運算放大器組成。運算放大器的作用：

（1）放大信號；（2）減小負(fù)載效應(yīng)(級間隔離)3.4濾波器1.一階有源低通濾波器3.4.3RC有源濾波器當(dāng)時，——理想狀態(tài)當(dāng)時，——積分環(huán)節(jié)上截止頻率：通帶增益：上截止頻率：通帶增益：通帶外側(cè)的高頻衰減率為-20dB/十倍頻程。

3.4.3RC有源濾波器2.二階有源低通濾波器通帶外側(cè)的高頻衰減率為-40dB/十倍頻程。

（1）由兩個一階低通濾波器的簡單組合

3.4.3RC有源濾波器（2）壓控電壓源型低通濾波器

由運算放大器A和電阻Rf、R3組成的電壓源受控于同相端電壓，故稱為壓控電壓源型濾波器。3.4.3RC有源濾波器（3）無限增益多路反饋型低通濾波器

該電路以高增益的運算放大器和多反饋回路為核心，故稱為無限增益多路反饋型濾波器。

3.4.3RC有源濾波器3.二階有源帶通濾波器3.4.3RC有源濾波器當(dāng)，時，K1閉合，K2斷開，ui向C充電，充電電荷為：4.開關(guān)電容濾波器利用開關(guān)和電容代替電路中與頻率有關(guān)的電阻。（1）開關(guān)電容單元電路當(dāng)，時，K1斷開，K2閉合，C向外放電，放電電荷為：3.4.3RC有源濾波器在一個時鐘脈沖周期TCLK內(nèi)電容單元轉(zhuǎn)移的電荷為：流過電容單元的平均電流為：當(dāng)TCLK很小時，開關(guān)電容單元的等效電阻為：3.4.3RC有源濾波器（2）開關(guān)電容低通濾波器由等效電路可得上截止頻率為：改變時鐘脈沖頻率fCLK即可調(diào)節(jié)濾波器的截止頻率。

3.4.3RC有源濾波器恒帶寬與恒帶寬比濾波器：

實際濾波器的中心頻率是可調(diào)的，根據(jù)中心頻率與帶寬之間的數(shù)值關(guān)系，可分為兩種。（1）恒帶寬比帶通濾波器(高頻分辨率低)

（2）恒帶寬帶通濾波器(分辨率高)

3.4濾波器若將低通濾波器中的RC互換位置，則變?yōu)楦咄V波器，低通濾波器和高通濾波器是最基本的形式，其它濾波器都可以分解為這兩種類型的濾波器。濾波器的串聯(lián)／并聯(lián)：

低通濾波器和高通濾波器并聯(lián)為帶阻濾波器3.4濾波器低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)為帶通濾波器產(chǎn)品：LineDa:LTC1564MAXIM:MAX74xx3.4濾波器超門限報警

案例：旅游索道鋼纜檢測3.4濾波器由案例提煉的典型實驗：鋼管無損探傷

濾除信號中的零漂和低頻晃動，便于門限報警3.4濾波器案例：機床軸心軌跡的