传感器电路

第11章 传感器电路
E＋
U1 D1 － A ＋
RP E－ ＋ －
D2 U2
~
图11.16 电平转换电路
第11章 传感器电路


11.2.3 采样-保持电路 采样-保持电路通过逻辑指令控制, 使电路对输入信号进行采样,并使电路的 输出级跟踪输入量。通过保持指令,使输 入量在电路中一直保留着,直到下一个新 的采样指令到来。在需要对输入信号瞬 时采样和存储的场合,都需要采样保持电 路,如峰值检波、瞬时量的测量和模拟信 号的采样电路。
A
[(
f0
) 1] j
f (1 K A ) f0
第11章 传感器电路
Rf R1 C Ui R R C C R － A ＋ Uo
图11.14 有源带阻滤波器
第11章 传感器电路
Kf
0
1
f / f0
图11.15 有源带阻滤波器的幅频曲线
第11章 传感器电路



11.2.2 电平转换电路 对于一些采样器件,输入的电压必 须限制在一定的范围内。所以,需要将电 平调整为合适值。图11.16是最基本的电 平转换电路。 图中的电位器Rp 用来调整信号的 电平偏移。U1 、U2 为采样器件对输入电 平的上下限。选择合适的A,使得信号范 围在U1~U2 之间。D1 、D2 用于限定输入 范围,起到过压保护的作用。电平转换电 路的形式是多样的,应该根据具体的要求 设计。
Uo Rf1 R1 Ui
(11.2)
第11章 传感器电路
Rf2 Uo1 Io2 R Ii Ui Ii1 RP R1 － A1 ＋ A2
Ii2 R2 － ＋ RP Rf1
Uo
图11.4 自举型高输入阻抗放大器
第11章 传感器电路
同理
U o 0 0 U o1 Ii 2 R2 Rf 2 U o1 Rf 2Rf 1 R1R2 Ui
C1 R1 1 a 1 ,Q C2 R2 a KA
Rf 1 R1C1 , KA R2C2 Rf 2
其典型的幅频特性曲线如图11.13所示。
第11章 传感器电路
Rf1 Rf2 － A ＋ Ui R2 C1 C2 R1 Uo
图11.12 有源带通滤波器
第11章 传感器电路
Kf
(11.3)
(11.4)
所以
Io2
U o1 U i ( R f 1R f 2 R1R2 )U i R R1R2 R
(11.5)
1 R f 1R f 2 R1R2 I i I i1 I i 2 ( )U i R1 R1R2 R
(11.6)
第11章 传感器电路
因此输入阻抗为
第11章 传感器电路



11.1.3 电荷放大器 电荷放大器,顾名思义是用来放大 电荷的。其输出的电压正比于输入电荷。 它要求放大器的输入阻抗非常高,以至于 电荷损失很少。通常,电荷放大器利用高 增益的放大器和绝缘性能很好的电容来实 现,如图11.5所示。 图11.5中,电容Cf 是反馈电容,将输 出信号Uo反馈到反向输入端。当A为理想 Q Uo （11.9） Ct 放大器时,根据虚地原理,反向端接地,所 以,Ui=0。有Q=(0-Uo)Cf,即
K fv KA( f0 ) f 2 1 f [1 ( ) ] j ( )( ) f0 Q f0
(11.12)
其中,f0=1/(2πRC),Q=1/(3-KA),KA=Rf/R1。其幅 频特性曲线,如图11.11所示。 同样,KA必须小于3,否则会引起自激振荡。
第11章 传感器电路

第11章 传感器电路
Kf 10 0 －10 －20 －30 －40 Q＝2 Q＝1
Q＝0.5
0
0.2 0.3 0.5
1
f / f0
图11.8 有源低通滤波器的幅频曲线
第11章 传感器电路


2) 高通滤波器 与低通滤波器相反,高通滤波器用 于衰减低频信号,而让频率较高的信号通 过。图11.9是阻容高通滤波器和它的幅频 K 特性。
K fv R1 Rf 2 2 2 (1 R C ) (3 ) j RC R1
（11.10）
我们令f0=1/(2πRC),Q=1/(3-KA),KA=Rf/R1,所以
K fv
KA f 2 1 f [1 ( ) j ( )( ) f0 Q f0
(11.11)
其幅频特性曲线,如图11.8所示。
第11章 传感器电路


滤波器通常可分为低通滤波器、 高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器 等。 1)低通滤波器 低通滤波器用于衰减高频信号,而 让频率较低的信号过去。图11.6是阻容滤 波器和它的幅频特性。
第11章 传感器电路
K R ＋ － 1
1
~
E
C
2
0
1
f / f0
图11.6 阻容低通滤波器和幅频特性曲线
第11章 传感器电路

虽然阻容滤波器电路简单,但是它 的缺点是明显的。其在通频带内,增益随 着频率的增大而下降。所以,为了改善在 上界频率附近的频响特性,通常可以采用 R1 有源滤波,如图11.7所示的电路。
R Ui R C － A ＋
C
图11.7 有源低通滤波器
第11章 传感器电路

该电路中,电信号经过阻容低通滤 波器后,经过同相放大,一部分通过电阻反 馈到同相输入端。该低通滤波器的高端 Rf 的频响有较好的改善。它的传输函数为
1
第11章 传感器电路
基准 电压 －Ui Ur K2
K1
R － ＋
积分器 比较器 － ＋
K
控制 开关
C
n位计数器 … 时钟脉冲 发生器 D1 D0
Dn －1
数字输出
图11.18 双积分型A/D转换器原理
第11章 传感器电路

假设从T1 时刻开始，开关K连接 K2侧，一直到t1时刻，期间由于积分器上 加上基准电压Ur，输出电压Uo(t)为
第11章 传感器电路

场效应管的电路,虽然可以用自生 偏置来获得静态工作电压。但是,为了使 场效应管工作在线性区,通常用分压电路 来获得静态工作电压。在图11.2中的电路 中,电源电压E经过R1 和R2 分压,通过Rg 耦 合,作为场效应管的偏置电压。
第11章 传感器电路

我们来观察一下图11.2中电路的输 入阻抗。这是一个跟随电路。我们观察 Rg 两端的电压,交变信号通过电容C1 耦合 到电阻Rg的一端,同时,由于是跟随设计,所 以场效应管G的源极的电压和栅极的电压 大小近似相等,相位相同。这个信号通过 C2 耦合到电阻Rg 的另一端。这样,Rg 两端 的电压接近相同,所以流过Rg 的电流很小。 也就是说,场效应管的输入阻抗并没有因 为分压电路的存在而降低。
第11章 传感器电路
传 感 器
输出
图11.1 变压器匹配
第11章 传感器电路


11.1.2 高输入阻抗放大器 在实际应用中,很多传感器的阻抗 很高,如压电换能器,光敏二极管、压电加 速度计等。要进行高精度的测量,传感器 和输入电路必须很好地匹配。这就要求 放大器有较高的输入阻抗,其数量级在MΩ 以上。由于场效应管或集成运算放大器 的本身的输入阻抗非常高,所以通常用场 效应管或集成运算放大器来实现高阻抗 放大器。下面通过两个例子,介绍高阻抗 匹配的方法。
第11章 传感器电路
第11章 传感器电路
11.1 11.2 11.3 11.4 11.5

传感器的匹配 信号处理电路 信号传输 抗干扰设计 实际传感器电路举例
第11章 传感器电路
11.1 传感器的匹配



11.1.1 变压器匹配 利用变压器可以很方便地进行阻抗 匹配,在一定的带宽范围内,无畸变地传输电 压信号。具体电路应该根据传感器信号的 情况而定。 例如,动圈式麦克风的输入通常用一 个小型的变压器来匹配,如图11.1所示。

C
1
＋ R －
~
1
E R
2
0
1
f / f0
图11.9 阻容高通滤波器和特性曲线
第11章 传感器电路

和阻容低通滤波器相同,虽然阻容 高通滤波器电路简单,但是在其通频带内, 幅频特性曲线不是特别理想。增益随着 频率的下降而下降。所以,为了改善其下 界的频率附近的频响,可以采用如图11.10 所示的电路。
Ui 1 Ri 1 R f 1R f 2 R1R2 Ii R1 R1R2 R
我们令Rf1=R2,Rf2=2R1，则
(11.7)
RR1 Ri 1 1 R R1 R1 R

1
(11.8)

当R=R1时,Ri趋于无穷。输入电流 R Ri Ii实际由A2提供。当然,实际应用时,R和R1 R 存在一定的偏差。若 为0.01%时,R1=10kΩ时,则输入阻抗高达 100MΩ。一般的反向放大电路是达不到 的。
第11章 传感器电路

采样-保持电路主要由模拟开关、 电容和缓冲器组成,如图11.17所示。模拟 开关在逻辑指令的控制下,用于决定当前 是采样还是保持。电容用于存储模拟信 号。缓冲器放大器由射随电路组成,提供 高的输入阻抗和低的输出阻抗。
第11章 传感器电路
模拟开关 K Ui C 逻辑指令
缓冲放 大器 存储电容
第11章 传感器电路
Rf R1 C Ui R C R － A ＋
Uo
图11.10 有源高通滤波器
第11章 传感器电路
Kf Q＝1 Q＝0.5 Q＝2
0
1
f / f0
图11.11 有源高通滤波器的幅频曲线