項目二　常用檢測電路

項目說明

測量系統一般由傳感器、檢測電路和指示器、記錄儀等組成。傳感器將測量轉換為電信號，但其輸出一般很微弱，且有可能包含各種干擾和噪聲，需由檢測電路將其放大、濾波，并根據顯示、記錄的要求對其進行處理和轉換。本項目從測量系統角度出發，介紹測量系統一些常用的信號放大電路、信號處理電路和信號轉換電路。通過一個采用LM324實現的電平指示電路的訓練初步理解集成放大器的應用。

相關知識

一、信號放大電路

在測量控制系統中，信號放大電路主要用來將傳感器輸出的微弱電壓、電流或電荷信號進行放大處理，為系統提供高精度的模擬輸入信號，它對測量控制系統的精度起著關鍵的作用。

根據傳感器輸出信號的不同，常見的放大電路有集成運算放大器、電橋放大器、電荷放大器、低漂移直流放大器、高輸入阻抗放大器、低噪聲放大器等。下面介紹幾種常見的放大器。

1.集成運算放大器

1）反相放大器圖1-26所示為反相放大器的基本電路，輸入電壓Vi通過電阻R1加到反相輸入端，其同相端接地，而輸出電壓Vo通過電阻Rf反饋到反相輸入端。反相放大器的輸出電壓，可由式（1-21）確定，即

式中，負號表示輸出電壓與輸入電壓反相，其放大倍數只取決于Rf和R1的比值，具有很大的靈活性，因此反相放大器廣泛應用于各種比例運算中。

2）同相放大器

圖1-27所示為同相放大器的基本電路。輸入電壓Vi直接從同相端加入，而輸出電壓Vo通過電阻Rf反饋到反相輸入端。

同相放大器的輸出電壓，可由式（1-22）確定，即

從上式可以看出，同相放大器的增益也同樣只取決于Rf與R1的比值，這個數值為正，說明輸出電壓與輸入電壓同相，而且其絕對值也比反相放大器多1。

3）差動放大器

圖1-28所示為差動放大器的基本電路。兩個輸入信號Vi1和Vi2分別經R1和R2輸入運算放大器的反相輸入端和同相輸入端，輸出電壓則經Rf反饋到反相輸入端。電路中要求R1=R2，Rf=R3。

差動放大器的輸出電壓，可由式（1-23）確定，即

差動放大器最突出的優點是能夠抑制共模信號。共模信號是指在兩個輸入端所加的大小相等、極性相同的信號，理想的差動放大器對共模輸入信號的放大倍數為零，在差動放大器中溫度的變化和電源電壓的波動，都相當于共模信號，因此能被差動放大器所抑制，可使差動放大器零點漂移最小。來自外部空間的電磁波干擾也屬于共模信號，它們也會被差動放大器所抑制，所以說差動放大器的抗干擾能力極強。

2.電橋與電橋放大器

傳感元件把各種被測非電量轉換為電阻、電容、電感的變化后，必須進一步把它轉換為電流或電壓的變化，才有可能用電測儀表來測定，電橋測量電路正是實現這種變換的一種最常用的方法

1）電橋

由4個電阻組成一個四邊形電路，其中一組對角線接激勵源（電壓或電流），另一組組對角線接到電橋放大器上，如圖1-29所示，R1～R4稱為電橋的橋臂。

在圖1-29中，當輸出端接到輸入阻抗比較高的放大器輸入端時，電橋輸出端相當于開路，所以輸出電流為零。此時有

由此可求出輸出電壓為

由式（1-26）可見，要使電橋輸出電壓為零（亦即使電橋平衡），必須滿足的條件為

R1R4-R2R3=0　　（1-27）

式（1-27）為直流電橋平衡條件，它說明欲使電橋達到平衡，其相對的兩臂電阻的乘積要相等。

式（1-27）中的任何一個電阻變化，都將使電橋失去平衡，產生輸出。測量此輸出的大小即可測出被測參數。根據電橋中可變電阻的數目不同，電橋可分為單橋、雙橋和全橋3種。

2）電橋放大器

電橋放大器的形式很多，一般要求電橋放大器具有高輸入阻抗和高共模抑制比。考慮到實際應用中的種種因素，如供給橋路的電源是接地還是懸空，傳感元件是接地還是懸空，輸出是否要求線性關系等，應選用不同的電橋放大器。

（1）半橋式放大器

圖1-30所示為半橋式放大器。這種橋路結構簡單，橋路電源E不受運放共模電壓范圍限制，但要求E穩定、正負對稱、噪聲和紋波小。該線路的輸出電壓為

式（1-28）表明，當x較大時，輸出電壓與電阻變量成非線性關系。

本線路抗干擾能力較差，要求輸入引線短，并加屏蔽。

（2）電流放大式

圖1-31所示為電流放大式電橋放大器，這是差動輸入式線路。當Rf?R，x?1時，輸出電壓為

該電路特點是電橋供電電源接地。但是電路的靈敏度與電橋阻抗有關。

3.高輸入阻抗放大器

很多傳感器的輸出阻抗都比較高，如壓電傳感器、電容傳感器等，為了使此類傳感器輸出的信號在輸入測量系統時信號不產生衰減，要求測量電路具有很高輸入阻抗，下面介紹自舉反饋型高輸入阻抗放大器。

圖1-32所示的電路采用了自舉反饋原理，即設想把一個變化的交流信號電壓（相位與幅值均與輸入信號相同）加到電阻RG不與柵極相連的一端（如圖中A點），因此使RG兩端的交流電壓近似相等，即RG上只有很小電流流過，也即RG所引起分路效應很小，從物理意義上理解就是提高了輸入阻抗。

圖1-32中的Rl、R2產生偏置電壓并通過RG耦合到柵極，電容C2把輸出電壓耦合到RG的下端，則電阻RG兩端電壓為Vi（1-Av）（AV為電路的電壓增益）。故輸入回路的直流輸入電阻為

必須特別指出，自舉電容C2的容量要足夠大，以防止電阻RG下端A點的電壓與輸入電壓有較大的相位差而影響自舉效果。為確保RG兩端的電壓相位差小于0.6°，則要求C2的容抗應比R1、R2并聯的阻值小1％。

由于場效應管是電平驅動元件，柵-漏極電流很小，因而本身就具有很高的輸入阻抗。加上自舉電路后，具有更高的輸入阻抗，其輸入阻抗可高達1012Ω以上。因此場效應管常用于前級阻抗變換，且由于其結構簡單、體積小，可以直接裝在傳感器內，以減少外界干擾，在電容拾音器、壓電傳感器等容性傳感器中有廣泛應用。

運算放大器作為前置放大器時，也可利用自舉原理提高輸入阻抗。

圖1-33所示電路是一種由集成運算放大器構成的自舉型高輸入阻抗放大器。本電路是利用自舉反饋，使輸入回路的電流Ii主要由反饋電路的電流I來提供。這樣，輸入電路向信號源吸取的電流Ii就可以大大減小、從而提高了本級放大器的輸入阻抗。適當選擇圖1-33電路參數，可使這種反相比例放大器的輸入電阻在100MΩ以上。若A1、A2為理想運算放大器，可應用彌勒定理，將R2折算到輸入端，其等效電路，如圖1-34所示，其中Ao2為運算放大器A2的開環電壓增益。

4.電荷放大器

電荷放大器是一種輸出電壓Vo與輸入電荷Q成正比的放大電路。電荷放大器主要被用來與壓電傳感器相連，其優點在于可以避免傳輸電纜分布電容的影響。

圖1-35所示為用于壓電傳感器的電荷放大器等效電路，這是一種帶電容負反饋的高輸入阻抗高增益運算放大器，它的輸出電壓與傳感器產生的電荷分別用Vo和Q表示。Cf為放大器反饋電容，Rf為反饋電阻，Ct為壓電傳感器等效電容，Cc為電纜分布電容，Rf為壓電傳感器等效電阻，Ao為放大器開環放大倍數。

為得到輸出電壓Vo與輸入電荷Q間的關系，先將Cf與等效到放大器的輸入端，然后對各并聯電路使用結點電壓法求Vo，得到

一般情況下，Rt、Rf較大，Ct、Cc與Cf大約是同一個數量級，而Ao又較大，因此，在式（1-31）中，分母中的（Ct+Cc）?（1+Ao）Cf，[1/Rt+（1+Ao）/Rf]?ω（1+Ao）Cf，由此得到

顯然，只要Ao足夠大，則輸出電壓Vo只與電荷Q和反饋電容Cf有關，與電纜分布電容無關，說明電荷放大器的輸出不受傳輸電纜長度的影響。

二、信號處理電路

從前方電路出來的信號，其中可能包含著不期望的信號，需要剔除；或者對其中某一特定的信號感興趣，需要提取出來。信號處理電路包括濾波、隔離、接地、屏蔽等。

1.濾波

傳感器輸出的信號，由于受到環境等因素的影響，往往含有多種頻率成分的噪聲信號。嚴重時，這種信號會覆蓋有用的輸入信號，使系統無法獲取被測信號的真值。此時系統可用濾波來排除干擾、抑制噪聲。通過濾波技術，可以提高系統測量信噪比，提高系統測量精度。

濾波電路或濾波器是一種能使某一部分頻率順利通過而另一部分頻率受到較大衰減的裝置。因傳感器的輸出信號大多是緩慢變化的，因而對傳感器輸出信號的濾波常采用有源低通濾波器，它只允許低頻信號通過而不能通過高頻信號。

圖1-36所示為一階RC有源低通濾波電路，濾波電路接入運算放大器的同相輸入端。這種濾波電路的濾波截止頻率為

從理想情況看，當干擾信號頻率f>f0時，濾波電路的輸出應為零，但實際上這種電路輸入比f0高10倍頻率，幅度只下降20dB，濾波效果不夠理想。

圖1-37所示為典型的二階RC有源低通濾波電路，它由二級RC濾波電路，其中將第一級的電容C接入到放大器的輸出端。當時，輸出電壓Vo和輸入信號Vi的相位差在90°以內，則輸出電壓Vo通過C將使Vi的幅度增強，從而提高了輸出電壓的幅度；而當f≥f0時，輸出電壓Vo和Vi基本上是反相的，輸出電壓Vo通過C將使Vi的幅度下降，使干擾信號衰減。

有些傳感器需要高通濾波器，它只允許高頻信號通過，而不能通過低頻信號。圖1-38所示為一個典型的二階RC有源高通濾波電路，可以看出，只要將低通濾波電路中起濾波作用的電阻、電容的位置進行互換，即可成為高通濾波電路，使低頻干擾信號衰減。

除了上述的濾波器外，有時還要使用帶通濾波器和帶阻濾波器。帶通濾波器的作用是只允許某一頻帶內的信號通過，而比通頻帶下限頻率低和比上限頻率高的信號被阻斷，它常用于從許多信號中獲取所需要的信號，從而使干擾信號被濾除。帶阻濾波器和帶通濾波器相反，在規定的頻帶內，信號不能通過，而其余頻率范圍，信號則能順利通過。總之，對于不同的需要，應選用不同的濾波電路。

2.隔離

當電路信號在兩端接地時，容易形成地環路電流，引起噪聲干擾。這時，常采用隔離的方法，把電路的兩端從電路上隔開。隔離的方法主要采用變壓器隔離和光電耦合隔離。

在兩個電路之間加入隔離變壓器可以切斷地環路，實現前后電路的隔離，變壓器隔離只適用于交流電路。在直流或超低頻測控系統中，常采用光電耦合的方法實現電路的隔離。

3.屏蔽

屏蔽就是用低電阻材料或磁性材料把元件、傳輸導線、電路及組合件包圍起來，以隔離內外磁場或電場的相互干擾。屏蔽可分為三種，即電場屏蔽、磁場屏蔽及電磁屏蔽。電場屏蔽主要用來防止元器件或電路間因分布電容耦合形成的干擾。磁場屏蔽主要用來消除元器件或電路間因磁場寄生耦合產生的干擾。磁場屏蔽的材料一般都選用高磁導率的磁性材料。電磁屏蔽主要用來防止高頻電磁場的干擾。電磁屏蔽的材料應選用電導率較高的材料，如銅、銀等，利用電磁場在屏蔽金屬內部產生渦流而引起屏蔽作用。電磁屏蔽的屏蔽體可以不接地，但一般為防止分布電容的影響，可以使電磁屏蔽的屏蔽體接地，起到兼有電場屏蔽的作用電場屏蔽體必須可靠接地

4.接地

電路或傳感器中的“地”指的是一個等電位點，它是電路或傳感器的基準電位點，與基準電位點相連接，就是接地。傳感器或電路接地，是為了清除電流流經公共地線阻抗時產生噪聲電壓，也可以避免受磁場或地電位差的影響。把接地和屏蔽正確結合起來，就可抑制大部分的噪聲。

三、信號轉換電路

在實際測量中，傳感器輸出的信號部分是數字信號，但大多是模擬信號，要使計算機或數字儀表能識別和處理這些信號，必須進行去抖動和模/數轉換等處理。

1.接點開關型傳感器

這類傳感器的輸出信號是由開關的通、斷形成的，將這種信號輸入計算機是比較容易的，但要注意信號抖動現象。凡是采用機械觸點開關的傳感器基本上都存在這個問題，開關種類不同及使用方法不同，抖動的時間也不一樣。不過，與開關本身的動作時間相比，抖動時間極短，消除抖動對保證計算機正確處理和識別信號是非常重要的，消除抖動可以采用硬件處理或軟件處理，通常抖動消除時間設定在幾十毫秒就足夠了。這種類型傳感器與計算機的輸入電路，如圖1-39所示。

2.無接點開關型傳感器

在無接點開關型傳感器中，傳感器輸出的開關信號不存在抖動現象，也不是數字信號，而具有模擬輸出特性。這時在計算機的輸入電路中設置比較器，根據傳感器輸出與基準電平相比較的結果，來判斷開關狀態，然后將比較結果通過輸入口給計算機，如圖1-40所示。

3.模擬輸出型傳感器

模擬輸出型傳感器輸出的是模擬信號，計算機無法進行處理，必須把傳感器輸出的模擬量轉換成數字量輸入計算機，由計算機對信號進行分析處理。模擬輸出型傳感器按其輸出特性可分為電壓輸出變化型、電流輸出變化型及阻抗輸出變化型三種。對于電壓輸出變化型和電流輸出變化型，首先將傳感器輸出的電壓信號或電流信號進行預處理，使它們轉換成適當電平的模擬電壓，再經A/D轉換器轉換成數字量，經輸入口輸入給計算機，如圖1-41所示。

有時傳感器和計算機之間的距離較遠，為了提高傳輸信號抗干擾的能力和減少信號線的數目，傳感器的輸出信號經預處理后，再經V/F轉換器將模擬電壓轉換成頻率變化的信號。由于頻率變化信號也屬于數字量信號，因而可以不使用A/D轉換器，經輸入口傳給計算機，如圖1-42所示。

對于阻抗變化型傳感器，一般采用LC振蕩器或RC振蕩器將傳感器輸出的阻抗變化轉換成頻率的變化，再經輸入口給計算機，如圖1-43所示。

四、LM324集成放大器的引腳功能和電路原理

LM324是四運放集成電路，它采用14腳直插式封裝。它的內部包含四組形式相同的運算放大器，除電源公用外，四組運算放大器相互獨立。每一組運算放大器可用圖1-44所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“Vi+”“Vi-”為兩個信號輸入端，“V+”“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出端。兩個信號輸入端中，Vi-為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相反；Vi+為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳圖如圖1-45所示。

由于LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態功耗小，可單電源使用，價格低廉等優點，因此被廣泛應用在各種電路中。

音頻電平指示電路如圖1-46所示，采用兩片集成運放LM324組成電壓比較器。VCC經R9、D1組成降壓電路，D1上正向電壓的范圍是0.6～0.8V，假設為0.72V，經9只1kΩ電阻器（R10～R18）分壓，每級電壓變化0.08V，比較器的同相輸入端電位自左而右從0.08V開始成倍升高，音頻信號Vi幅度每增加0.08V，比較器A1～A8中就多一個輸出為低電平，相應地就多一個發光二極管LED被點亮，LED被點亮的個數隨著音頻信號的強弱變化而變化。

項目實施

一、采用LM324實現的電平指示電路的繪制

使用Protel 99 SE繪制完成圖1-46所示的原理圖。

二、元器件選擇

A1～A8選用集成運算放大器LM324。RP1選用1kΩ精密電位器。R1～R18均選用0.25W碳膜電阻器。D1選用1N4148二極管。LED1～LED8選用直徑5mm的紅色發光二極管。同時準備6V穩壓電源、電平信號輸入、實驗板等。

項目二的元器件清單表如表1-7所示。

續表

三、印制電路板設計

使用Protel 99 SE繪制的采用LM324實現的電平指示電路的印制電路板圖為單面板，如圖1-47所示。圖1-47（a）為元件面，圖1-47（b）為焊接面。

四電路調試

按圖1-47將電路焊接在電路板上，認真檢查電路，接入相應電壓和輸入信號，調節電位器RP1滑動端從接地端到接Vi端變化即可看到相應的LED（LED1～LED8）依次點亮。

項目拓展與評價

一、訓練題目與要求

若將4～20mA輸入直流電流轉換至0～5V的輸出直流電壓，試設計其轉換電路并安裝焊接實現。

二、考核與評價

考核與評價標準見表1-8。

思考與習題

1.檢測系統由哪幾部分組成？說明各部分的作用。

2.各種放大器的特點是什么？

3.常見的放大器的種類有哪些？

4.各種放大器主要用于什么樣的信號電路？

5.常用的信號處理電路有哪些？

6.常見信號處理電路主要應用在什么場所？

7.電橋測量電路的作用是把傳感器的參數變化轉為（　）的輸出。

A.電阻　　B.電容　　C.電壓　　D.電荷

8.一般來說，對屏蔽罩材料的要求有（　）。

A.選用高電阻的金屬材料　　B.選用低電阻的金屬材料

C.選用半導體材料　　D.選用絕緣材料

9.下面哪種電路主要是為了遠距離傳輸？（　）

A.頻率-電壓變換　　B.電流-電壓變換

C.數-模變換　　D.電壓-電流變換

10.在信號的變換中，我們有時為了處理信號的方便，常常把模擬信號轉換成數字信號送入微處理器進行處理，下面哪一個是采用這種技術？（　）

A.A/D變換電路　　B.F/V變換電路

C.D/A變換電路　　D.V/I轉換電路