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第11章 传感器电路 第11章 传感器电路 11.1 传感器的匹配 11.2 信号处理电路 11.3 信号传输 11.4 抗干扰设计 11.5 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。 第11章 传感器电路 ´« ¸Ð Æ÷ Êä ³ö 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 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 £«E R1 C1 Ui G Rg R2 C2 Rs 图11.2 场效应管的自举反馈电路 第11章 传感器电路 £«E R1 C1 Ui Rg R2 G Rs 图11.3 普通的场效应管电路 第11章 传感器电路 在实际应用中,通常还采用运算放大器来实现放大 器的高阻抗输入。图11.4为自举型高输入阻抗放大器。 图中A1 ,A2为理想放大器。我们来分析一下该电路的原 理。根据虚地原理,放大器A1的“-”端电位与“+”端相 同,为0;而从“-”到“+”的电流为0。放大器A2的情况与 A1相同。这样,就有 I i1 Ui 0 Uo R1 Rf1 R1 0 Uo Rf1 Ui (11.1) (11.2) 第11章 传感器电路 R f2 Ii 2 R2 Uo1 A2 Io 2 £- RP £« R Ii Ui R f1 Ii 1 R1 RP £- A1 £« 图11.4 自举型高输入阻抗放大器 Uo 第11章 传感器电路 同理 Ii2 U o1 Uo 0 0 U o1 R2 (11.3) Rf2 R f 2R f 1 R1 R 2 Ui (11.4) 所以 Io2 U o1 U i ( R f 1 R f 2 R1 R 2 )U i R I i I i1 I i 2 ( (11.5) R1 R 2 R 1 R1 R f 1 R f 2 R1 R 2 R1 R 2 R )U i (11.6) 第11章 传感器电路 因此输入阻抗为 Ri Ui Ii 1 1 R f 1 R f 2 R1 R 2 R1 (11.7) R1 R 2 R 我们令Rf1=R2,Rf2=2R1，则 Ri 1 1 R1 1 R R1 R R1 (11.8) R 当R=R1 时,Ri 趋于无穷。输入电流Ii 实际由A2 提供。 当然,实际应用时,R和R1存在一定的偏差。若 R Ri R 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 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 Uo Q Ct （11.9） 第11章 传感器电路 Cf q ~ Ui ££« A 图11.5 电荷放大器示意图 Uo 第11章 传感器电路 11.2 信号处理电路 11.2.1 滤波电路 滤波电路可以由电感、电容、电阻这些无源器件 组成,成为无源滤波器;也可以将无源器件和放大器结合, 组成有源滤波器。有源滤波器可以只用阻容器件实现, 因此体积小。由于采用集成放大器,带宽和增益控制非 常方便。 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 1 R 1 £« ~ £- E 2 C 0 1 图11.6 阻容低通滤波器和幅频特性曲线 f / f0 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,通常可以采用有源滤 波,如图11.7所示的电路。 R1 £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 器的高端的频响有较好的改善。它的传输函数为 Rf K fv R1 (1 R C ) (3 2 2 2 （11.10） Rf ) j R C R1 我们令f0=1/(2πRC),Q=1/(3-KA),KA=Rf/R1,所以 K fv KA [1 ( f f0 ) j( 2 1 Q 其幅频特性曲线,如图11.8所示。 )( f f0 (11.11) ) 第11章 传感器电路 K f 10 Q £½ 2 0 Q £½ 1 £-1 0 £-2 0 Q £½ 0.5 £-3 0 £-4 0 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 它的幅频特性。 K C 1 £« ~ R 1 E R 2 £- 0 1 图11.9 阻容高通滤波器和特性曲线 f / f0 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。 第11章 传感器电路 Rf R1 £C Ui £« C R A R 图11.10 有源高通滤波器 Uo 第11章 传感器电路 K f Q £½ 2 Q £½ 1 Q £½ 0.5 0 1 f / f0 图11.11 有源高通滤波器的幅频曲线 第11章 传感器电路 该电路经过阻容高通滤波器后,经过同相放大,一部 分信号通过电阻反馈到输入端。该高通滤波器的低端 的频响有较好的改善。它的传输函数为 K A( K fv [1 ( f f ) 2 f0 ) ] j( 2 f0 1 Q )( f (11.12) ) f0 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 3) 带通滤波器 带通滤波器的特点是让在某一个频率段的信号通 过。图11.12是典型的有源带通滤波器电路。 其增益为 K fv KA 1 jQ ( a a KA a 1 C2 f0 f 1 jQ ( f0 f f0 f0 其中 C1 f R1 R2 ,Q 1 R 1C 1 a KA R 2C 2 ,Q ) （11.13） ) f 1 R 1C 1 a R 2C 2 其典型的幅频特性曲线如图11.13所示。 ,KA Rf1 Rf2 第11章 传感器电路 R f1 R f2 ££« Ui R2 C1 C2 A Uo R1 图11.12 有源带通滤波器 第11章 传感器电路 K f 0 1 f / f0 图11.13 有源带通滤波器的幅频曲线 第11章 传感器电路 4)带阻滤波器 与带通滤波器相反,带阻滤波器是使某一个频段的 信号被阻隔,其余部分可以通过。最典型的是双T桥带 阻滤波器,如图11.14所示。其幅频特性如图11.15所示。 该电路的电压增益为 ( K fv KA 1 KA f ) 1 2 f0 [( f f0 ) 1] j 2 (11.14) 4 (1 K A ) f f0 第11章 传感器电路 Rf R1 £C Ui C R R £« A R C 图11.14 有源带阻滤波器 Uo 第11章 传感器电路 K f 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。 第11章 传感器电路 U1 E £« D1 RP ££« E £- A 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。 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 Ä£ Äâ¿ ª¹Ø K »º ³å·Å ´ó Æ÷ Ui C Âß ¼-Ö¸Áî ´æ ´¢µç ÈÝ 图11.17 采样保持电路原理示意图 Uo 第11章 传感器电路 11.2.4 A/D转换电路 A/D转换电路,是指把模拟电信号转化成为数字量的 电路。根据采样的原理,可以分为双积分型、跟踪型、 逐次逼近型和并列型等。在此介绍双积分型和并列型两 种。双积分型的原理如图11.18所示。开关K在时间0~T1 内,连接K1侧,积分器的输出电压为Uo(t)。可以看出 U o (t ) 1 CR T1 0 ( U i ) dt Ui CR T1 第11章 传感器电路 »ù ×¼ µç ѹ £-U i K1 R »ý ·ÖÆ ÷ £- K2 Ur £« K ±È ½ÏÆ ÷ ££« ¿Ø ÖÆ C ¿ª¹Ø n λ ¼ÆÊ ýÆ ÷ ʱÖÓ ö³å ·¢ ÉúÆ ÷ ¡D n £ -1 D1 D0 Êý ×ÖÊ ä³ö 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 U o (t ) U i T1 CR 1 CR t1 T1 U r dt U i T1 CR U r ( t1 T1 ) CR 这是一个放电的过程,积分器的输出电压逐渐下降。 假设到了T2时刻，积分器的输出电压Uo比0低,比较 器反转,输出低电平,与门被封,计数器停止计数。即把 T2代入上式中的t1，有Uo(T2)=0。则输入电压Ui和基准 电压Ur的关系为 Ui T 2 T1 T1 Ur 第11章 传感器电路 开关K的倒向实际由计数器的进位位C决定。当开 始时,进位位Ｃ=0,开关倒向K1,当C=1时,开关倒向K2 。 计数器的进位位C从0到1的时间也就是T1,如果计时脉 冲的频率fc为常数,那么 T1 2 n fc 从T１到T2,计数器的值为N,则 T 2 T1 N 这样 Ui NU r 2 n fc 第11章 传感器电路 由于Ur是基准电压,其值是已知的,N由计数器计出, 因此Ui可以求出。 虽然双积分型A/D转换器需要较长的时间,但是如 果Ur精度取得较高,计数器的位数足够高,双积分型A/D 可以得到较高的精度。Uo和t的关系如图11.19所示。 第11章 传感器电路 Uo UT 1 RC O T1 T2 图11.19 Uo和t的关系 t 第11章 传感器电路 并列型的A/D转换器是常用的转换器。如图11.20 所示。模拟信号通过一组比较器,获得和基准电压的各 个分压的比较结果(1或0)。经过逻辑电路网络的编码, 最后输出与输入的模拟电压相对应的数字量。 并列型A/D转换器进行并行工作,其时延主要是比 较器和逻辑电路,所以它的转换时间很短,常用于高速转 换的场合。 传感器电路 ±È ½ÏÆ ÷ R £« Ui D n £ -1 £R £« R £« £- Âß ¼µç · Íø Âç ¡- D n £ -2 £- ¡- 第11章 Êý ×ÖÁ ¿Êä ³ö D1 R £« £- D0 R 图11.20 并列型A/D转换器原理 第11章 传感器电路 11.2.5 数字信号处理器 电信号经过前放预处理后,用专门的数字信号处理 芯片对信号进行处理。采样、滤波,甚至是锁相环,都可 以在数字芯片里去实现。数字信号处理器的出现,给传 感器电路的设计带来了极大的方便,可以使得仪器仪表 体积更小,智能化程度更高。 数字信号处理器的功能强大,结构复杂,而且每一种 厂家的产品用法不同,使用的时候必须遵照芯片的使用 手册。在此不一一列举。 第11章 传感器电路 11.3 信号传输 在有些场合,传感器采集的信号需要送到远处的主 控系统。为了增强传输的抗干扰能力,通常采用电流环 来传输信号。有两种传输的方式,一种是模拟信号的直 接传输;另一种是先把信号转变成为数字量,然后传输。 电流环的最大优点是低阻的传输线对电气噪声不敏感。 第11章 传感器电路 模拟信号的直接传输,通过电压-电流转换的方法来实 现U-I。我们可以选用AD694或ZF2B20芯片,将电压信号 转化成为电流信号。图11.21是用ZF2B20作为变送器。 Vi GN D RE F0 1 8 2 7 3 4 ZF2B2 0 6 5 RE Fi2 32 .5 k 1 k 1 5 V£ « RE Fi1 ZF2B2 0 0 ~ 10 V 0 ~ 10 mA RL Io 1 k 7 2 V£ « 图11.21 ZF2B20的0~10V/0~10mA 第11章 传感器电路 图 11.21 中 ,0~10V 电 压 输 入 后 , 直 接 转 化 成 为 0~10mA的电流。在远程RL上可以取出信号。其他的芯 片,如AD694等,可以查阅相关的手册。 20mA电流环路是数字远程传输的常用方法,通常与 光电隔离一起使用,如图11.22所示。 UCC UCC 10 0 1/2 TI L117 SN 754 52 50 0/1 75 0 图11.22 20mA电流环 第11章 传感器电路 SN75452是集电极开路的与非门,TIL117是常用的 光电耦合器件。这是一个常用的20mA电流环光电隔离 的长线传输电路。 另一种数字远程传输的方法是使用调制解调器 （MODEM）。将数字信号“1”和“0”转化成不同的 正弦波信号。调制的方法有幅移键控ASK、频移键控 FSK、相移键控PSK。其中频移键控FSK是最常用的调 制方法,如图11.23所示。 第11章 传感器电路 0 0 ´« ¸ÐÆ ÷ 1 1 M ODE M M ODE M 图11.23 利用调制解调器传输数据 ½ÓÊÕ»ú 第11章 传感器电路 11.4 抗干扰设计 11.4.1 电阻器 电阻根据其材料和结构特征,可以分为绕线电阻、 非绕线电阻和敏感电阻器电阻。绕线电阻是用电阻丝 绕在绝缘骨架上构成,有各种形状。非绕线电阻可以分 为膜式电阻、实芯电阻、金属玻璃釉电阻等。敏感电 阻在前面的章节已经介绍过。 第11章 传感器电路 电阻的干扰来自于电阻中的电感、电容效应,以及 电阻本身的热噪声。不同类型的电阻的效果不同。 例如一个阻值为R的实芯电阻,等效于电阻R、寄生 电容C、寄生电感L的串并联,如图11.24所示。 一般来说,寄生电容大约为0.1～0.5pF,寄生电感大约 在5～8nH。在频率高于1MHz的时候,这些寄生的电感 电容就不可忽视了。而且对于高频的条件,阻值低的以 寄生电感为主,阻值高的电阻以寄生电容为主。 第11章 传感器电路 C L R 图11.24 实芯电阻的等效电路 R L C 图11.25 绕线电阻的等效电路 第11章 传感器电路 又如一个阻值为R的绕线电阻,也等效于电阻R、寄 生电容C、寄生电感L的串并联,如图11.25所示。具体寄 生电容、寄生电感的值决定绕线的工艺。绕线电阻如 果采用双绕线的设计,虽然电感可以减小,但是旁路电容 会增大。 第11章 传感器电路 膜式电阻是将电阻材料采用真空被碳、真空蒸镀、 溅射和化学沉淀、热分解沉积等方法被覆在绝缘线上制 成的,它有螺旋型和曲折型两种结构,它的寄生电感比实 芯电阻大,但是比绕线电阻小。 在强磁场中,非绕线电阻主要吸收电磁能产生热效应; 绕线电阻由于其电感量较大,将产生电压和电流。 各类电阻,都会产生热噪声。如果以Ut表示热噪声电 压,则 Ut 4 R kT B 其中,R为电阻的阻值,k=1.374×10-23 J/K（波耳兹曼 常数）,T为绝对温度（K）,B为噪声带宽（Hz）。 第11章 传感器电路 11.4.2 电容器 电容器有很多种的类型,通常从结构上,可以分为纸 质电容器、聚酯树脂电容器、云母电容器、陶瓷电容 器、电解电容器、钽电容器等,通常它们可以等效为如 图11.26所示的电路。 L Rs C RP 图11.26 电容器的等效电路 第11章 传感器电路 电容器的旁路电阻是由介质在电场中泄漏电流造 成的,电感主要由内部电极电感和外部引线电感两部分 组成。电阻和电容的存在,影响电路的时间常数。当频 率高的时候,电感的效果会增强,在某一个频率会形成共 振,从而电容失去效用。电容工作的下限频率决定于电 容器的容量。容量越大,工作频率下限越低。这样在选 用电容器的时候,需要注意电容器适用的工作频率。 第11章 传感器电路 11.4.3 电感器 电感器是电路中的常用元件,常用于高频振荡、滤 波、延时等。电感器既是一个干扰源,同时也是抑制干 扰的重要元件。 电感器工作时,其发出的磁力线会影响邻近的回路; 同时电感器也容易接收外来的电磁干扰。因此,应该尽 量采用闭环型的电感器,如图11.27所示。 第11章 传感器电路 图11.27 闭环型电感器 第11章 传感器电路 11.4.4 数字器件 数字电路工作时,电平状态改变迅速,幅度较大,在公共 电源和地上引起干扰,同时还会向空间辐射电磁波。常用 的数字电路器件,其跳变速度快,约10ns,跳变电流的幅度也 很大,约为16mA,所以其干扰水平较大。CMOS器件速度较 慢,约为50~100ns,跳变电流小,不超过10mA。LP-TTL（低 功耗）的跳变时间约为8ns,电流的跳变幅度约为8mA,稍好 于TTL;而S-TTL（肖特基）的跳变时间约为3ns,而跳变电 流的幅度高达30mA,是干扰水平最高的数字器件。而ECL （发射极逻辑）的上升速度为2ns,但是由于电流跳变约为 1mA,所以其干扰水平和CMOS相仿。 第11章 传感器电路 11.4.5 电路干扰的控制 如果电路具有较强的去耦能力,则能较好地消除和 抑制电磁干扰。另外,合理的电路布局,也有利于干扰的 抑制。 1）去耦电路 电源和电路的关系可以用如图11.28所示的框图来 描述。 I=I1+I2+…+In 第11章 传感器电路 I£½I 1 £«I 2 £« ¡-£«I n I1 Rs E0 ~ Us ¡- µç · 1 I2 µç · 2 In µç · n ¡- 图11.28 电源供电电路示意图 第11章 传感器电路 从图11.28可以看出,如果电源存在干扰电压Us,必然 加到各个电路上去;同时,如果某一个电路产生干扰,必 然会在Rs上产生干扰电压,该电压反过来将影响其他电 路。应该采用阻容去耦的方法来减少干扰,RC去耦电路 如图11.29所示。 第11章 传感器电路 ¡- Rs C E0 ~ Us R C I1 R C C µç · 1 In µç · n ¡- 图11.29 RC去耦电路 第11章 传感器电路 采用了滤波电路以后,电源上的噪声得到很好的抑 制,同时也消除了各个电路之间的耦合。当然,也可以用 电感代替电阻。电阻的缺点是消耗电能,降低供电电压; 电感虽然不会引起电压明显的降低,但是电感的两端将 辐射噪声,对其它电路造成部分干扰。因此,应该根据具 体的场合进行选择设计。 第11章 传感器电路 2）线路板的布局 当选取了正确的元件,采取了抗干扰措施后,还需要 考虑线路板的布局。如果元件的布局不合理,会导致严 重干扰。一般说来,布线时,干扰源和易受干扰的元件应 尽量分开;非辐射元件或单级元件,应该尽量靠近,以减 小公共地阻抗;低频模拟电路和数字逻辑电路应尽可能 分开;高速电路应占据最小回路面积和最短的引线;应尽 量避免窄长的平行长线,当不得不用长平行线的时候,可 用地线隔开;地线和电源线的距离应大于1mm; 第11章 传感器电路 地线尽量粗些,但是不能太粗,否则寄生电容太大; 如 果 频 率 小 于 1MHz, 可 采 用 单 点 接 地 ; 当 频 率 在 1 ～ 10MHz时,如果地线长度小于λ/20,则可采用单点接地,否 则应采用多点接地;当频率高于10MHz时,应采用多点接 地;当电路板上需要转弯时,或者向两个方向各转45°, 或者以圆弧连接;如果是多层板,所有元件与连接器都应 安装在接地平面内,即接地平面应环绕每一个焊点和过 孔的周长。电源和地的布局,应减小耦合回路以及电源 和地间的分布阻抗。对于多个集成电路芯片的电路,通 常采用如图11.30所示的供电方式,而应避免如图11.31的 供电方式。 第11章 µç Ô´ µØ 传感器电路 IC 图11.30 正确的布线方式 第11章 传感器电路 µç Ô´ IC IC IC IC IC IC µØ 图11.31 不正确的布线方式 第11章 传感器电路 11.5 实际传感器电路举例 1）温度测量电路 温度测量电路是最常见的电路,可用多种方法实现, 图11.32所示的电路就是一种。该电路利用AD509实现。 AD509是二端的集成电路温度转换器,它的输出电流和 绝对温度成比例。利用它的电流输出构成电流环。 AD580和电阻用来将绝对温度转换为摄氏温度。双绞 线的屏蔽层与地相连。 该电路的测量范围是-55~100°C。 第11章 传感器电路 £« 15 V AD 580 90 9 k £« 7 V Ë« ½ÊÏ ß 20 0 1 k AD 50 9 G £½ 200 ££« 1 k AD 524 图11.32 AD509温度测量电路 2 k 第11章 传感器电路 2）高阻抗差动放大器 高阻抗差动放大器如图11.33所示。 该电路中,U out R6 R2 (1 2 R1 R3 )(U 2 U 1 ), 时,可以获得最佳共模抑制比。 当 R2 R5 R6 R7 第11章 U1 传感器电路 £« £R1 R3 R2 £R4 £U2 R6 £« £« R5 R7 图11.33 高阻抗差动放大器 Uou t 第11章 传感器电路 3）压控可变增益放大器 压控可变增益放大器如图11.34所示。 U-是控制电压。2N5457是结型场效应管,在此作为 一个压控电阻Rds,Rds 最大值为800Ω。LM101的差动电 压低于毫伏级,2N5457在几个十倍程内的电阻是线性的。 该电路提供很好的压控增益控制。 第11章 传感器电路 R2 R1 Uin £2N 545 7 LM 101 £« U£- Uou t R3 图11.34 压控可变增益放大器 第11章 传感器电路 4）绝对值放大器 绝对值放大器如图11.35所示。当输入负电压时,由 反相端输入,该电路是反相放大器;当输入正电压时,由 同相端输入,该电路是同相放大器。所以,无论输入信号 的极性如何,输出都是正电压。不过由于二极管结电压 的存在,当输入电压的幅值小于1V时,会出现失真。 第11章 传感器电路 R D1 R R D3 D2 £« R £Uin R R 图11.35 绝对值放大器 第11章 传感器电路 5）容性负载的隔离放大器 这种放大器如图11.36所示。 如果放大器的输出直接去驱动容性负载,由于充放 电的原因,信号会失真。因此，需要有隔离的电路。该 电路中,Uout的变化率由CL和Iout(max)决定: U out t I out CL 0.02 0.4V / s 0.5 6）电缆跟随电路 电缆跟随电路如图11.37所示。 第11章 传感器电路 5.1 k 20 pF 5.1 k ££« Uin 10 Uou t Io u t RL 5.1 k 图11.36 容性负载的隔离放大器 CL 0.5 F 第11章 传感器电路 Uout £Uin £« C LH 201 1 图11.37 电缆跟随电路 第11章 传感器电路 7）电流放大器 电流放大器如图11.38所示。 8）求和放大器 求和放大器如图11.39所示。 该电路的输出Uout=-(U1+U2+U3)。 第11章 传感器电路 R1 R2 BU F- 03 U in £- £- £« £« Uout RL OP AM P 20 0 图11.38 电流放大器 第11章 U1 U2 U3 传感器电路 R 1 10 k R 4 10 k R 2 10 k £- R 3 10 k £« R5 2.5 k OP - 07 A 图11.39 求和放大器 Uout 第11章 传感器电路 9）窗口比较器 窗口比较器如图11.40所示。 该电路中,UrefH 是上限电压,UrefL是下限电压。如果 输入电压在UrefH 和UrefL 之间,则输出为0;否则,输出为高 电平。 第11章 传感器电路 U ref H Uin U ref L D1 £- IN 914 74 1 £« £- D2 IN 914 74 1 £« R 10 k 图11.40 窗口比较器 Uou t 第11章 传感器电路 10）峰值电压检波器 峰值电压检波器如图11.41所示。 当输入正信号时,二极管导通,是一个跟随器,对电容 充电。由于二极管的内阻和运放的输出阻抗较低,充电 时间较短,电容上的电压和输入电压同步。当输入的电 压下降,二极管截止,电容上的电压只能通过R缓慢释放。 当R较大时,放电常数很大。因此,该电路能够检测到正 的峰值电压,并具有记忆效应。 第11章 传感器电路 R 10 k CA 341 0 £« £R 10 k C 1 F D1 IN 914 £« R Uout 10 M 图11.41 峰值电压检波器 第11章 传感器电路 11）抑制交流声的可调窄带带阻滤波器 这种滤波器的电路如图11.42所示。 通过调节电位器可以使该窄带带阻滤波器的中心 频率为45～90Hz之间的任意值。该滤波器抑制电力线 交流声的效果非常好,其抑制能力至少是30dB。 第11章 传感器电路 6(R 1 £«R 2 ) LM 741 62 0 k C C 4.7 k ££« C Uout 68 75 k 20 k Uin R1 R2 C £½ 0.04 7F¡À 10£ ¥ 2.2 k 图11.42 抑制交流声的可调窄带带阻滤波器 第11章 传感器电路 12）电桥式压力测量电路 电桥式压力测量电路如图11.43所示。 压力传感器通常采用由四个应变电阻组成的惠斯 顿电桥。XRT101通过10、11脚和LM129稳压管,向应变 电桥提供激励源。应力变化引起的电压信号通过3、4 脚进入XRT101。该电压信号经过放大,电压-电流转换, 由7脚、负载电阻RL、电源、二极管1N4002、8脚,构成 4~20mA的电流环输出。1、2、14脚用于调整4mA的零 位,5、6脚则用于调整满量程。 第11章 传感器电路 1.8 k 1N 400 2 2 mA 10 11 3 0.9 855 nA 39 51 LM 129 6.9 V 12 XT R10 1 4 13 4 ~ 20 mA 8 5 6 30 0 9 2 14 7 0.0 1 F 24 V 1 RL 0.0 1 F 1 M 4.7 k 10 0 k 图11.43 电桥式压力测量电路 第11章 传感器电路 13）带通滤波器 带通滤波器如图11.44所示。 LTC1067是双滤波器组件。该滤波器是一个四阶 5kHz的带通滤波器。输出噪声为90μURMS ，信噪比为 80dB。频响特性如图11.45所示。 第11章 传感器电路 1 3.3 V 2 3 4 1 F 5 6 20 0 k 7 8 U in 20 0 k 10 k V£ « CL K NC AG ND V£ « SA V£ LT C10 67 SB LPA LPB BPA BPB HPA / NA HPB / NB IN VA IN VB 20 0 k 图11.44 带通滤波器 16 15 14 50 0 kH z 1 F 13 12 11 10 9 20 0 k 10 k 第11章 传感器电路 0 Ô ö Ò æ / dB £-1 0 £-2 0 £-3 0 £-4 0 4.0 4.5 5.0 f / k Hz 图11.45 频响特性 5.5 6.0 第11章 传感器电路 14）防雷器电路 防雷器电路如图11.46所示。 当雷击在传输线附近的时候,压敏电阻对地放电。 由于压敏电阻有陡峭的电压非线性,能够释放由雷电冲 击造成的过流和过压。当信号线之间由于相移造成超 限电压时,TVS二极管能够将电压限制在安全电压以下。 电容可选择电感小的穿心电容,可以抑制高频冲击。 第11章 传感器电路 ±ä ËÍ Æ÷ µç Ô´¼ ° ÐÅ ºÅ´ «Êä Ïß U U 图11.46 防雷器电路 第11章 传感器电路 15）零点消除电路 零点消除电路如图11.47所示。 通常Uin是力敏电桥的输出,UP是热零点补偿自平衡 电桥的输出。如果在热零点补偿后,其输出信号在零点 依然有Uo,这样必须进行零点消除。如果放大电路的增 益为K,则调整电压Uadj=KUo。 第11章 传感器电路 UCC Uin R4 £« R6 ££- R1 £« R R3 RW R2 UP ££« R5 ££« U ad j 图11.47 零点消除电路 Uo 第11章 传感器电路 16）光隔离放大器 光隔离放大器电路如图11.48所示。 该电路采用双光耦器件TLP521。虽然两光耦本身 是非线性的,由于非线性程度相同,所以相互抵消。电容 C用于防止运放的自激振荡。输出端的放大器OP-07用 于缓冲隔离。 第11章 传感器电路 U2 5 V C 15 00 p F 6.8 k OP - 07 Uin 4.3 k 56 £- OP - 07 £- TL P52 1 £« £« 4.3 k TL P52 1 U1 5 V GN D2 GN D1 GN D1 图11.48 光隔离放大器 Uou t 第11章 传感器电路 17）低噪声电压源 低噪声电压源如图11.49所示。 电池作为参考电压,其负载电流为几百个pA,和C的 漏电流相等。这个小电流使电池的电压保持稳定。电 阻R消除了电压在电路始端的放电。R和C构成0.8MHz 的低通滤波器,用于减少热噪声和来自电池的噪声。 第11章 传感器电路 K 24 V 50 R 10 10 0 nF 10 0 ~1 2 V A Q 42 SK1 46 £- £« 47 F £« C £- 50 0 20 F 10 0 k 66 0 1 F LT 102 8 24 V 10 0 k 图11.49 47 F 第11章 传感器电路 Q包含了8个并行的FET,其中每个2SK146包含两个 并行的FET,用于隔离电池和放大器,降低放大器的噪声。 A保持输出电压的稳定,输出端的三极管提供负载所需 要的电流。24V的普通电源提供供电。使用碱性电池和 1%精度的金属膜电阻可以进一步减少噪声。图11.50为 噪 声 频 谱 的 对 比 图 。 SG 为 本 电 路 的 噪 声 ;SR 为 LTZ1000A高精度参考源的噪声;SB为电池噪声;SBN为背 景噪声。可看出,该电源比LTZ1000A低三个数量级。 第11章 传感器电路 10 £ -1 2 Ô ë É ù 2/ V ¡ ¤ H £z- 1 10 £ -1 3 10 SR £ -1 4 10 £ -1 5 10 £ -1 6 SG S BN SB 10 £ -1 7 10 £ -1 8 0.0 1 0.1 Ƶ ÂÊ / GH z 图11.50 噪声频谱比较 1 第11章 传感器电路 18）光电二极管放大电路 光电二极管放大电路如图11.51所示。 这是一个带有暗电流补偿的前置放大器,带宽为 2MHz。D1和D2均为HP-5082-4204。D2用于补偿暗电流。 二极管电容CD=4pF,AD823的输入电容为Cin=1.8pF。C3 选取漏电小的聚丙烯电容。C2是1.5pF可变的陶瓷电容。 第11章 传感器电路 10 0 k C2 D1 £D2 C1 £« 5.8 pF AD 823 C3 0.1 F 10 0 k £- 10 V 图11.51 光电二极管前置放大电路