第五章-信号调理电路 检测系统的构成讲解
信号调理电路工作原理
信号调理电路工作原理信号调理电路工作原理信号调理电路是一种用于优化和改善信号质量的电路，它在电子设备中起到至关重要的作用。
在本文中，我们将深入探讨信号调理电路的工作原理。
什么是信号调理电路？信号调理电路是一种用于处理传感器信号、放大信号、滤波信号等的电路。
它可以帮助我们从原始信号中提取所需的信息，并减少噪音和失真。
信号调理电路的组成信号调理电路由多个组件组成，包括：1.放大器：用于放大输入信号的电压或电流。
放大器可以增加信号的幅度，提高信噪比。
2.滤波器：用于去除信号中的杂散噪声和不必要的频率成分。
滤波器根据信号频率特性，通过滤波器形成期望的输出信号。
3.转换器：用于将输入信号从一种形式转换为另一种形式，例如模数转换器将模拟信号转换为数字信号，或者数字模数转换器将数字信号转换为模拟信号。
4.压缩器：用于压缩信号的动态范围，以适应特定应用的需求。
压缩器能够对信号进行动态范围的调整，使得信号在不同场景下得到最佳的表现。
5.校准电路：用于调整和校准传感器输出的电路。
校准电路能够对传感器输出的信号进行校准，以保证准确性和可靠性。
信号调理电路的工作原理信号调理电路的工作原理主要包括以下几个步骤：1.采集信号：首先，信号调理电路会采集传感器或其他信号源发出的原始信号。
这个原始信号可能被噪音、失真等干扰所影响。
2.放大信号：接下来，信号调理电路会使用放大器放大输入信号的幅度。
这样做可以增加信号的强度，提高信噪比，并将信号范围调整到合适的水平。
3.滤波信号：信号调理电路还会使用滤波器来滤除干扰信号和不必要的频率成分。
这可以帮助提取我们所需的特定信号，并减少对后续处理环节的影响。
4.转换信号：根据应用需求，信号调理电路可能会将信号从一种形式转换为另一种形式。
例如，模数转换器可以将模拟信号转换为数字信号，以便进行后续数字处理。
5.压缩信号：如果信号的动态范围太大，信号调理电路可能会使用压缩器来压缩信号的幅度范围。
这样可以确保信号在不同场景下得到适当的展示和处理。
检测系统的基本组成分解
串联制的缺点
• 一台仪表损坏或增减将影响其他仪表
• 仪表的输出端处于高电位工作，仪表可 靠性差 • 检查各台表的电路电位困难
3) 数据采集
作用：对信号调理后的连续模拟信号 离散化并转换成与模拟信号电压幅度 相对应的一系列数值信息，同时以一 定的方式把这些转换数据及时传递给 微处理器或依次自动存储。
性能指标
(1)输入模拟电压信号范围，单位:V； (2)转换速度（率），单位:次/秒； (3)分辨率，通常以模拟信号输入为满度 时的转换值的倒数来表征； (4)转换误差，通常指实际转换数值与理 想A/D转换器理论转换值之差。
供电方式
• 交流供电 缺点：每块表附加电源变压器、整流器及 稳压线路 • 直流集中供电 好处：省去电源变压器、整流器及稳压部 分；可以采取防停电措施；无工频交流 电，为仪表防暴提供了有利条件
典型的仪表系统
基地式系统 基地式仪表 常规仪表 控制系统 单元组合仪表： 调、变、执、算 (DDZ-II、III、 QDZ) 第 1代 DDC控制 变、执 (DDZ-II、III) 集中型计算 机控制系统 变、执 (DDZ-II、III) 第2 代 FCS 将全厂最基础的现场 级仪表和装置均通过 现场总线连接起来， 实现全数字化通讯。 现场仪表：总线仪表 第 4代 *
• 信号下限：从零开始；活零点（判断断 线与是否工作，半导体在好的工组段； 两线制）
变送器信号传输方式
信号与电源的传输方式： 1）四线制传输 供电电源与输出信号分别用两根导线 2）二线制传输 两根导线作为电源和输出信号的公用传 输线
信号调理电路
Vo AVi A(V+ - V- )
3
Vi V2
Vo
A：放大倍数
理 想 运 •高增益 A很大，1000倍以上 放 •高输入电阻 r 很大，兆欧以上 i 的 特 •低输出电阻 ro很小，可以忽略 点
运算法则：1、U 4、 ro
同相 输入端
A→∞
v2 - v1
ri→∞ 故： I 0 i ro→0
运算放大器
• 运算放大器是信号调理电路的常用器件，掌 握运算放大器的特性及其工作方式，对于掌 握信号调理电路的工作原理非常重要。
• 运算放大器是一个集成电路芯片，将其连接
成不同的工作方式，便可实现多种数学运算 故称为运算放大器，简称运放。
运算放大器
E+
电路符号
+Vcc uN uP
-
uo
+
-Vcc
R2
运算放大器总结
工作方式
R1 10k
i -
R2 100k +10V
i1
R2
ui
R3 10k
a
uib
uo
-10V
R1 R3 i2 R4 +
+
uia
uo
单端输入方式
一端接输入信号，而另 一端接地（或通过电阻 接地） 同相输入 反相输入
差动输入方式（双端输入）
输入信号uib和uia同时加在 同相端和反相端
ui uib - uia
运算放大器总结
工作方式
+10V
i R2 100k R1 10k +10V -
ui
Vr
+
uo
ui
R3 10k
【学习】第五章信号调理电路
一般采用音频交流电压（5～10kHZ）作为电桥电源。 这时，电桥输出将为调制波，外界工频干扰不易从线路 中引入，并且后接交流放大电路简单无零漂。
采用交流电桥时，必须注意影响测量误差的一些因素。
如：电桥中元件之间的互感影响；无感电阻的残余阻抗； 邻近交流电路对电桥的感应作用；泄漏电阻以及元件之间、 元件与地之间的分布电容等。
整理课件
33
整理课件
34
§2 调频与解调
（1）调频
调频（频率调制）是利用信号电 压的幅值控制一个振荡器，振荡 器输出的是等幅波，但其振荡频 率偏移量和信号电压成正比。
当信号电压为零时，调频波的频率等于中心频率（载波频 率）；信号电压为正值时频率提高，负值时则降低。所以调 频波是随信号而变化的疏密不等的等幅波。
-fm
fm
－f0
f0
时域分析
频域分析
由脉冲函数的卷积性质知：一个函数与单位脉冲函数卷积的结
果，就是将其以坐标原点为中心的频谱平移到该脉冲函数处。
即调制后的结果就相当于把原信号的频谱图形由原点平移至
载波频率 f 0 处，幅值减半。
整理课件
24
从调幅原理看，载波频率 f 0 必须高于原 信号中的最高频率 f m 才能使已调波仍 保持原信号的频谱图形，不致重叠。
整理课件
27
g(t)1 2x(t)1 2x(t)co4sf0t
据傅里叶变换性质可得：
G (f) 1 2X (f) 1 4X (f 2 f0 ) 1 4X (f 2 f0 )
若用一个低通滤波器滤去中心
频率为 2 f 0 的高频成分，那
么将可以复现原信号的频谱 （幅值减小为一半），若用放 大处理来补偿幅值减小，可得 到原调制信号。
工程测试技术基础第五章信号调理
5.3调制与解调
动手做： 用个人测试实验室中数字 信号发生器、波形运算器 等软件芯片，设计一个非 抑制调幅与解调系统。
5.3调制与解调
4 频率调制
调频是利用信号x(t)的幅值调制载波的频 率，或者说，调频波是一种随信号x(t)的电压 幅值而变化的疏密度不同的等幅波.
y (t) A c2 o[f0 s x ( (t)* t ])
y (t) [A 0* x (t)c ]o 2 fs t()
调制
缓变信号
放大
高频信号
放大高 频信号
解调
放大缓 变信号
5.3调制与解调 幅度调制与解调过程（波形分析）
x(t) z(t)
乘法器
x m(t)
放大器
z(t)
乘法器
滤波器
x(t)
5.3调制与解调 幅度调制与解调过程（频谱分析）
x(t) z(t)
3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要 对传感器测量信进行调制解调处理。
第五章、测试信号调理技术
5.2 信号放大
分类
直流放大器
特点 低频保留,高频截止
放大器
交流放大器 直流电桥 交流电桥
高频保留,低频截止
电荷放大器
5.2 信号放大电路
1 直流放大电路
1) 反相放大器
电压增益:
Av
RF R1
t
5.3调制与解调
a) 幅度凋制(AM)
y (t) [A * x (t)c ]o 2 fs t( )
b) 频率调制(FM)
y (t) A c2 o[fs 0 x ((t)* t])
c) 相位调制(PM)
y(t)A co 2 fs t[(0 x(t)])
信号调理电路
与传统无线电不同，软件无线电要求尽可能地以数字形式处理无线信号，因此必须将A/D和D/A转换器尽可 能地向天线端推移，这就对A/D和D/A转换器的性能提出了更高的要求。主要体现在两个方面。
（1）采样速率。依据采样定理，A/D转换器的抽样频率fs应大于2Wa（Wa为被采样信号的带宽）。在实际中， 由于A/D转换器件的非线性、量化噪声、失真及接收机噪声等因素的影响，一般选取fs>2.5Wa。
（2）分辨率。采样值的位数的选取需要满足一定的动态范围及数字部分处理精度的要求，一般分辨率80dB 的动态范围要求下不能低于12位。
谢谢观看
信号调理电路
把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计算显示读出或 其他目的的数字信号的电路
01 简介
目录
02 信号调理
03 调理技术组成
04 信号滤波
05 信号隔离
06 模数转换
基本信息
信号调理电路（signal conditioning circuit）是指把模拟信号变换为用于数据采集、控制过程、执行计 算显示读出或其他目的的数字信号的电路。
电路中的信号调理与检测
电路中的信号调理与检测在电子领域中，信号调理与检测是非常重要的一部分。
它们在各种电路中起着关键的作用，帮助我们获取、处理和分析信号，在不同应用中实现精确的控制和测量。
首先，我们来讨论信号调理。
电路中的信号往往需要经过一系列的调理才能被有效地处理。
信号调理的主要目的是消除干扰并增强信号质量。
在实际应用中，信号往往会受到来自外部环境的各种干扰，例如噪声、电磁干扰等。
为了解决这些问题，我们需要使用各种信号调理技术，如滤波、放大、增益控制等。
滤波是最常见的信号调理技术之一。
它通过选择性地通过或阻塞一定频率范围内的信号来削弱或消除干扰。
常见的滤波器包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。
低通滤波器可以通过消除高频噪声来提高信号质量，而高通滤波器则可以削弱低频噪声。
带通滤波器和带阻滤波器则可以在指定的频率范围内增强或抑制信号。
通过合理选择滤波器类型和参数，我们可以根据不同需求对信号进行调理。
除了滤波，放大也是信号调理的重要手段之一。
放大器可以增加信号的幅度，从而提高信号的强度和可靠性。
常见的放大器有运算放大器、差分放大器、功放等。
运算放大器是最常见的放大器之一，它具有高开环增益和输入输出之间的线性关系。
通过选择合适的反馈电阻或电容，我们可以根据需要调整放大器的增益，实现对信号的精确放大。
除了信号调理，信号检测也是电路中的重要环节。
信号检测的主要目的是确定信号的存在和参数，例如频率、幅度、相位等。
对于连续信号，我们通常使用一些传统的检测方法，如幅度检测和频谱分析。
幅度检测可以通过采样和测量信号的幅值来确定信号的强度和变化。
频谱分析则可以将信号分解成不同频率分量，帮助我们研究和理解信号的频域特性。
对于数字信号，我们通常使用数字信号处理技术进行检测和处理。
数字信号处理涉及到信号的数字化、滤波和变换等过程。
通过AD转换器，我们可以将连续信号转换为数字信号，并利用数字滤波器对信号进行滤波。
此外，我们还可以使用快速傅里叶变换等技术对信号进行频谱分析和频域处理。
信号调理电路工作原理
信号调理电路工作原理一、引言信号调理电路是指对输入信号进行处理和调整，使其能够适应后续电路的工作要求。
它是电子系统中非常重要的一部分，能够对信号进行放大、滤波、增益控制等操作，以保证信号在传输过程中的稳定性和准确性。
本文将从信号调理电路的基本原理、常见的调理方法以及应用案例等方面进行介绍。
二、信号调理电路的基本原理信号调理电路的基本原理是通过对输入信号进行各种操作，以使得信号能够适应后续电路的工作要求。
其核心思想是根据输入信号的特点和要求，选择合适的电路结构和参数，对信号进行放大、滤波、增益控制等处理，以达到信号传输的目的。
三、常见的信号调理方法1. 放大放大是信号调理电路中最常见的操作之一。
通过放大电路，可以将输入信号的幅度增大，以增强信号的强度和稳定性。
常见的放大电路有运算放大器、差分放大器等。
2. 滤波滤波是对信号进行频率选择性处理的方法。
通过滤波电路，可以去除输入信号中的杂波和干扰信号，保留需要的有效信号。
常见的滤波电路有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器等。
3. 增益控制增益控制是调节信号放大倍数的方法。
通过增益控制电路，可以根据需要调整信号的放大倍数，以满足不同信号传输要求。
常见的增益控制电路有可变增益放大器、自动增益控制器等。
4. 去噪去噪是对输入信号中的噪声进行消除或减弱的方法。
通过去噪电路，可以提高信号的信噪比，使得信号更加清晰和可靠。
常见的去噪电路有降噪滤波器、自适应滤波器等。
四、信号调理电路的应用案例1. 传感器信号调理在传感器应用中，信号调理电路起到了至关重要的作用。
传感器常常输出微弱的信号，需要通过信号调理电路进行放大和滤波，以提高信号的可靠性和准确性。
2. 通信系统中的信号调理在通信系统中，信号调理电路用于对输入信号进行放大、滤波和增益控制等处理。
通过信号调理电路，可以保证信号在传输过程中的稳定性和完整性，提高通信质量。
3. 生物医学信号调理生物医学领域中的信号调理电路常常用于对生物信号进行处理和分析。
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R1= R4， R2= R3， R5= R6
16
5.2电平调整
电路的输出为
Vo
21
R4 R3
2
R4 RG
Vi 2
Vi1
Vref Vshift
17
5.3线性化
5.3.1为何进行线性化 检测系统中希望输入输出特性是线性化的。 实际传感器大多数是非线性化的。 减少计算量，提高运算速度； 满足线性刻度； 使用方便。
电阻
RHa RHb RHc
a b c
用简单的无源器件（如电阻）与敏感器件并 联或串联，只要电阻值选择合适，就可以将非 线性校正到满意的程度。
如湿敏电阻的线性化
20
5.3线性化
电阻
RHa RHb RHc
a
b c
RH
Ha Hb Hc 相对湿度RH% 湿敏电阻的线性化
R R’h
21
5.3线性化
并联后的总电阻为
RH'
RRH R RH
信号调理与检测电路关系：界限不很清楚，有 时二者合二为一。如有些教材将电阻抗-电压转 换电路（电阻、电感、电容等检测电路）归为 信号调理电路。
3
5.1概述
5.1.3信号调理的类型
电平调整（放大或衰减） 线性化（非线性信号调正成线性信号） 信号形式变换（如电压电流变换） 滤波与阻抗匹配（滤波电路、传感器内 部阻抗或电缆阻抗引起重大误差的处理）
整电路
7
5.2电平调整
5.2.3有源电平调整
有源电平调整电路普遍采用
Rf
运算放大器，如反相放大电
路、同相放大电路等。
Vo
Rf Ri
Vi
Vi Ri Rp
-+ +
R2
Vo
反相放大电路
8
5.2电平调整
有源电平调整的特点
可以实现放大或衰减，调整方便； 满足了阻抗匹配要求；
放大电路的带宽有限，一般厂家给增益带宽积， 如30MHz，若G=1000，则带宽小于30KHz ；
R3 R2
双运放电压调整电路的输出简化为：
Vo
R4 R3
1Vi2
Vi1 Vref
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
12
5.2电平调整
双运放电压调整电路的增益为
G R4 1 R3
改变增益且保证CMRR不变，须同时调整两个电阻值。 能否只调整一个电阻值就达到目的？
13
5.2电平调整
R2
RG
R4
Vref
使a，b，c三点一线应满足
即满足
RH' a RH' b RH' b RH' c
RRHa RRHb RRHb RRHc R RHa R RHb R RHb R RHc22
5.3线性化
解得：
R RHb RHb RHc 2RHaRHc
RHa RHc 2RHb
放大器本身的噪声影响； Et 4kTRf
放大器参数影响：输入失调电流、输入失调电压9
5.2电平调整
5.2.4有源电平调整实例
某差动压力传感器的输出为33mV~58mV，数据 采集卡输入范围为0.5V~4.5V，因此中间需要电 平调整电路。
调整电路应具有如下特性： 33mV~58mV调整成0.5V~4V（留0.5V余量）
笔式记录仪 光线示波器 磁带记录仪 电子示波器 半导体存储器 显示器 磁卡
数据处理器 频谱分析仪
FFT 实时信号分析仪 电子计算机
被测对象 传感器 激发装置
中间变换 测量装置
显示及 记录装置
实验结果 处理装置
2
5.1概述
5.1.2信号调理的基本概念
信号调理：对传感器输出信号进行操作，将其 转换成满足后续传输与处理系统要求的信号
10
5.2电平调整
R2
R4
Vref
R1
Vi1 Vi2
-+ +
R2
R3
-+ +
R2
双运放电压调整电路
Vo
11
5.2电平调整
双运放电压调整电路的输出为
Vo
R4 R3
R2 R1
1Vi1
R4 R3
1Vi 2
R4 R2 R3 R1
Vref
选取电阻值，使 R4 R1 ，则电路具有较高CMRR，
Vref
选取电阻值，使 R4 R1 R2 R3 输出简化为：
Vo
1
R4 R3
2
R4 RG
Vi2
Vi1 Vref
15
5.2电平调整
Vshift R5
R6
R2
RG
R4
Vref
R1
Vi1 Vi2
-+ +
R2
R3
-+ +
R2
-+
+ R2
Vo
具有正负零位电压调整的三运放电压调整电路
第五章 信号调理
5.1概述 5.2电平调整 5.3线性化 5.4信号变换 5.5滤波与阻抗匹配 5.6模拟数字转换电路
1
5.1概述
5.1.1检测系统的构成
力 位移 速度 加速度 压力 流量 温度
电阻式 电容式 电感式 压电式 热电式 光电式 磁电式
电桥 放大器 滤波器 调制器 解调器 运算器 阻抗变换器
R1
Vi1 Vi2
-+ +
R2
R3
-+ +
R2
增益可调的双运放电压调整电路
Vo
14
5.2电平调整
电路的输出为
Vo
R4 R3
R4 RG
R4 R2 R3 RG
R4 R2 R3 R1
Vi1
R4 R3
R4 RG
R4 R2 R3 RG
1Vi 2
R4 R2 R3 R1
18
5.3线性化
5.3.2线性化的方法 数字式线性化：单片机、嵌入式系统、专用芯片；
灵活，适用性强，速度有限，难
以满足动态检测场合。
模拟式线性化：在信号调理电路中加入模拟非线
性环节。
按使用元件分：无源线性化、有源线性化
19
5.3线性化
硬件线性化的特点
实时性强、简便、经济、可靠，应用广泛。 5.3.3无源线性化电路
5.2电平调整
5.2.2无源电平调整
该电路可以实现信号的衰减
Vo
R2 R1 R2
Vi
Vi
R1
Vo
R2
无源电平调整电路
6
5.2电平调整
注意： 两个电阻的稳定性直接影响电平调整效果 作为传感器电路的负载希望电阻大些，作为
后续电路的输入希望电阻小些，折中考虑 大阻值（如MΩ）的电阻精度与噪声均较差 常用于精度要求较低的场合，否则用有源调
4
5.2电平调整
5.2.1为何进行电平调整 检测系统中虽然可以采用输出标准信号的变送器， 但在具体设计中也常用传感器加电平调整的方案。 原因有三：
变送器虽然方便但成本较高，缺乏调节环节；
在检测系统设计与调试过程中，为了得到理想的 传函常常调整传感器/放大器的传函；
变送器量程也是标准的，不能全满足工程要求。 5