项目二　常用检测电路

项目说明

测量系统一般由传感器、检测电路和指示器、记录仪等组成。传感器将测量转换为电信号，但其输出一般很微弱，且有可能包含各种干扰和噪声，需由检测电路将其放大、滤波，并根据显示、记录的要求对其进行处理和转换。本项目从测量系统角度出发，介绍测量系统一些常用的信号放大电路、信号处理电路和信号转换电路。通过一个采用LM324实现的电平指示电路的训练初步理解集成放大器的应用。

相关知识

一、信号放大电路

在测量控制系统中，信号放大电路主要用来将传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号进行放大处理，为系统提供高精度的模拟输入信号，它对测量控制系统的精度起着关键的作用。

根据传感器输出信号的不同，常见的放大电路有集成运算放大器、电桥放大器、电荷放大器、低漂移直流放大器、高输入阻抗放大器、低噪声放大器等。下面介绍几种常见的放大器。

1.集成运算放大器

1）反相放大器图1-26所示为反相放大器的基本电路，输入电压Vi通过电阻R1加到反相输入端，其同相端接地，而输出电压Vo通过电阻Rf反馈到反相输入端。反相放大器的输出电压，可由式（1-21）确定，即

式中，负号表示输出电压与输入电压反相，其放大倍数只取决于Rf和R1的比值，具有很大的灵活性，因此反相放大器广泛应用于各种比例运算中。

2）同相放大器

图1-27所示为同相放大器的基本电路。输入电压Vi直接从同相端加入，而输出电压Vo通过电阻Rf反馈到反相输入端。

同相放大器的输出电压，可由式（1-22）确定，即

从上式可以看出，同相放大器的增益也同样只取决于Rf与R1的比值，这个数值为正，说明输出电压与输入电压同相，而且其绝对值也比反相放大器多1。

3）差动放大器

图1-28所示为差动放大器的基本电路。两个输入信号Vi1和Vi2分别经R1和R2输入运算放大器的反相输入端和同相输入端，输出电压则经Rf反馈到反相输入端。电路中要求R1=R2，Rf=R3。

差动放大器的输出电压，可由式（1-23）确定，即

差动放大器最突出的优点是能够抑制共模信号。共模信号是指在两个输入端所加的大小相等、极性相同的信号，理想的差动放大器对共模输入信号的放大倍数为零，在差动放大器中温度的变化和电源电压的波动，都相当于共模信号，因此能被差动放大器所抑制，可使差动放大器零点漂移最小。来自外部空间的电磁波干扰也属于共模信号，它们也会被差动放大器所抑制，所以说差动放大器的抗干扰能力极强。

2.电桥与电桥放大器

传感元件把各种被测非电量转换为电阻、电容、电感的变化后，必须进一步把它转换为电流或电压的变化，才有可能用电测仪表来测定，电桥测量电路正是实现这种变换的一种最常用的方法

1）电桥

由4个电阻组成一个四边形电路，其中一组对角线接激励源（电压或电流），另一组组对角线接到电桥放大器上，如图1-29所示，R1～R4称为电桥的桥臂。

在图1-29中，当输出端接到输入阻抗比较高的放大器输入端时，电桥输出端相当于开路，所以输出电流为零。此时有

由此可求出输出电压为

由式（1-26）可见，要使电桥输出电压为零（亦即使电桥平衡），必须满足的条件为

R1R4-R2R3=0　　（1-27）

式（1-27）为直流电桥平衡条件，它说明欲使电桥达到平衡，其相对的两臂电阻的乘积要相等。

式（1-27）中的任何一个电阻变化，都将使电桥失去平衡，产生输出。测量此输出的大小即可测出被测参数。根据电桥中可变电阻的数目不同，电桥可分为单桥、双桥和全桥3种。

2）电桥放大器

电桥放大器的形式很多，一般要求电桥放大器具有高输入阻抗和高共模抑制比。考虑到实际应用中的种种因素，如供给桥路的电源是接地还是悬空，传感元件是接地还是悬空，输出是否要求线性关系等，应选用不同的电桥放大器。

（1）半桥式放大器

图1-30所示为半桥式放大器。这种桥路结构简单，桥路电源E不受运放共模电压范围限制，但要求E稳定、正负对称、噪声和纹波小。该线路的输出电压为

式（1-28）表明，当x较大时，输出电压与电阻变量成非线性关系。

本线路抗干扰能力较差，要求输入引线短，并加屏蔽。

（2）电流放大式

图1-31所示为电流放大式电桥放大器，这是差动输入式线路。当Rf≫R，x≪1时，输出电压为

该电路特点是电桥供电电源接地。但是电路的灵敏度与电桥阻抗有关。

3.高输入阻抗放大器

很多传感器的输出阻抗都比较高，如压电传感器、电容传感器等，为了使此类传感器输出的信号在输入测量系统时信号不产生衰减，要求测量电路具有很高输入阻抗，下面介绍自举反馈型高输入阻抗放大器。

图1-32所示的电路采用了自举反馈原理，即设想把一个变化的交流信号电压（相位与幅值均与输入信号相同）加到电阻RG不与栅极相连的一端（如图中A点），因此使RG两端的交流电压近似相等，即RG上只有很小电流流过，也即RG所引起分路效应很小，从物理意义上理解就是提高了输入阻抗。

图1-32中的Rl、R2产生偏置电压并通过RG耦合到栅极，电容C2把输出电压耦合到RG的下端，则电阻RG两端电压为Vi（1-Av）（AV为电路的电压增益）。故输入回路的直流输入电阻为

必须特别指出，自举电容C2的容量要足够大，以防止电阻RG下端A点的电压与输入电压有较大的相位差而影响自举效果。为确保RG两端的电压相位差小于0.6°，则要求C2的容抗应比R1、R2并联的阻值小1％。

由于场效应管是电平驱动元件，栅-漏极电流很小，因而本身就具有很高的输入阻抗。加上自举电路后，具有更高的输入阻抗，其输入阻抗可高达1012Ω以上。因此场效应管常用于前级阻抗变换，且由于其结构简单、体积小，可以直接装在传感器内，以减少外界干扰，在电容拾音器、压电传感器等容性传感器中有广泛应用。

运算放大器作为前置放大器时，也可利用自举原理提高输入阻抗。

图1-33所示电路是一种由集成运算放大器构成的自举型高输入阻抗放大器。本电路是利用自举反馈，使输入回路的电流Ii主要由反馈电路的电流I来提供。这样，输入电路向信号源吸取的电流Ii就可以大大减小、从而提高了本级放大器的输入阻抗。适当选择图1-33电路参数，可使这种反相比例放大器的输入电阻在100MΩ以上。若A1、A2为理想运算放大器，可应用弥勒定理，将R2折算到输入端，其等效电路，如图1-34所示，其中Ao2为运算放大器A2的开环电压增益。

4.电荷放大器

电荷放大器是一种输出电压Vo与输入电荷Q成正比的放大电路。电荷放大器主要被用来与压电传感器相连，其优点在于可以避免传输电缆分布电容的影响。

图1-35所示为用于压电传感器的电荷放大器等效电路，这是一种带电容负反馈的高输入阻抗高增益运算放大器，它的输出电压与传感器产生的电荷分别用Vo和Q表示。Cf为放大器反馈电容，Rf为反馈电阻，Ct为压电传感器等效电容，Cc为电缆分布电容，Rf为压电传感器等效电阻，Ao为放大器开环放大倍数。

为得到输出电压Vo与输入电荷Q间的关系，先将Cf与等效到放大器的输入端，然后对各并联电路使用结点电压法求Vo，得到

一般情况下，Rt、Rf较大，Ct、Cc与Cf大约是同一个数量级，而Ao又较大，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

显然，只要Ao足够大，则输出电压Vo只与电荷Q和反馈电容Cf有关，与电缆分布电容无关，说明电荷放大器的输出不受传输电缆长度的影响。

二、信号处理电路

从前方电路出来的信号，其中可能包含着不期望的信号，需要剔除；或者对其中某一特定的信号感兴趣，需要提取出来。信号处理电路包括滤波、隔离、接地、屏蔽等。

1.滤波

传感器输出的信号，由于受到环境等因素的影响，往往含有多种频率成分的噪声信号。严重时，这种信号会覆盖有用的输入信号，使系统无法获取被测信号的真值。此时系统可用滤波来排除干扰、抑制噪声。通过滤波技术，可以提高系统测量信噪比，提高系统测量精度。

滤波电路或滤波器是一种能使某一部分频率顺利通过而另一部分频率受到较大衰减的装置。因传感器的输出信号大多是缓慢变化的，因而对传感器输出信号的滤波常采用有源低通滤波器，它只允许低频信号通过而不能通过高频信号。

图1-36所示为一阶RC有源低通滤波电路，滤波电路接入运算放大器的同相输入端。这种滤波电路的滤波截止频率为

从理想情况看，当干扰信号频率f>f0时，滤波电路的输出应为零，但实际上这种电路输入比f0高10倍频率，幅度只下降20dB，滤波效果不够理想。

图1-37所示为典型的二阶RC有源低通滤波电路，它由二级RC滤波电路，其中将第一级的电容C接入到放大器的输出端。当时，输出电压Vo和输入信号Vi的相位差在90°以内，则输出电压Vo通过C将使Vi的幅度增强，从而提高了输出电压的幅度；而当f≥f0时，输出电压Vo和Vi基本上是反相的，输出电压Vo通过C将使Vi的幅度下降，使干扰信号衰减。

有些传感器需要高通滤波器，它只允许高频信号通过，而不能通过低频信号。图1-38所示为一个典型的二阶RC有源高通滤波电路，可以看出，只要将低通滤波电路中起滤波作用的电阻、电容的位置进行互换，即可成为高通滤波电路，使低频干扰信号衰减。

除了上述的滤波器外，有时还要使用带通滤波器和带阻滤波器。带通滤波器的作用是只允许某一频带内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号被阻断，它常用于从许多信号中获取所需要的信号，从而使干扰信号被滤除。带阻滤波器和带通滤波器相反，在规定的频带内，信号不能通过，而其余频率范围，信号则能顺利通过。总之，对于不同的需要，应选用不同的滤波电路。

2.隔离

当电路信号在两端接地时，容易形成地环路电流，引起噪声干扰。这时，常采用隔离的方法，把电路的两端从电路上隔开。隔离的方法主要采用变压器隔离和光电耦合隔离。

在两个电路之间加入隔离变压器可以切断地环路，实现前后电路的隔离，变压器隔离只适用于交流电路。在直流或超低频测控系统中，常采用光电耦合的方法实现电路的隔离。

3.屏蔽

屏蔽就是用低电阻材料或磁性材料把元件、传输导线、电路及组合件包围起来，以隔离内外磁场或电场的相互干扰。屏蔽可分为三种，即电场屏蔽、磁场屏蔽及电磁屏蔽。电场屏蔽主要用来防止元器件或电路间因分布电容耦合形成的干扰。磁场屏蔽主要用来消除元器件或电路间因磁场寄生耦合产生的干扰。磁场屏蔽的材料一般都选用高磁导率的磁性材料。电磁屏蔽主要用来防止高频电磁场的干扰。电磁屏蔽的材料应选用电导率较高的材料，如铜、银等，利用电磁场在屏蔽金属内部产生涡流而引起屏蔽作用。电磁屏蔽的屏蔽体可以不接地，但一般为防止分布电容的影响，可以使电磁屏蔽的屏蔽体接地，起到兼有电场屏蔽的作用电场屏蔽体必须可靠接地

4.接地

电路或传感器中的“地”指的是一个等电位点，它是电路或传感器的基准电位点，与基准电位点相连接，就是接地。传感器或电路接地，是为了清除电流流经公共地线阻抗时产生噪声电压，也可以避免受磁场或地电位差的影响。把接地和屏蔽正确结合起来，就可抑制大部分的噪声。

三、信号转换电路

在实际测量中，传感器输出的信号部分是数字信号，但大多是模拟信号，要使计算机或数字仪表能识别和处理这些信号，必须进行去抖动和模/数转换等处理。

1.接点开关型传感器

这类传感器的输出信号是由开关的通、断形成的，将这种信号输入计算机是比较容易的，但要注意信号抖动现象。凡是采用机械触点开关的传感器基本上都存在这个问题，开关种类不同及使用方法不同，抖动的时间也不一样。不过，与开关本身的动作时间相比，抖动时间极短，消除抖动对保证计算机正确处理和识别信号是非常重要的，消除抖动可以采用硬件处理或软件处理，通常抖动消除时间设定在几十毫秒就足够了。这种类型传感器与计算机的输入电路，如图1-39所示。

2.无接点开关型传感器

在无接点开关型传感器中，传感器输出的开关信号不存在抖动现象，也不是数字信号，而具有模拟输出特性。这时在计算机的输入电路中设置比较器，根据传感器输出与基准电平相比较的结果，来判断开关状态，然后将比较结果通过输入口给计算机，如图1-40所示。

3.模拟输出型传感器

模拟输出型传感器输出的是模拟信号，计算机无法进行处理，必须把传感器输出的模拟量转换成数字量输入计算机，由计算机对信号进行分析处理。模拟输出型传感器按其输出特性可分为电压输出变化型、电流输出变化型及阻抗输出变化型三种。对于电压输出变化型和电流输出变化型，首先将传感器输出的电压信号或电流信号进行预处理，使它们转换成适当电平的模拟电压，再经A/D转换器转换成数字量，经输入口输入给计算机，如图1-41所示。

有时传感器和计算机之间的距离较远，为了提高传输信号抗干扰的能力和减少信号线的数目，传感器的输出信号经预处理后，再经V/F转换器将模拟电压转换成频率变化的信号。由于频率变化信号也属于数字量信号，因而可以不使用A/D转换器，经输入口传给计算机，如图1-42所示。

对于阻抗变化型传感器，一般采用LC振荡器或RC振荡器将传感器输出的阻抗变化转换成频率的变化，再经输入口给计算机，如图1-43所示。

四、LM324集成放大器的引脚功能和电路原理

LM324是四运放集成电路，它采用14脚直插式封装。它的内部包含四组形式相同的运算放大器，除电源公用外，四组运算放大器相互独立。每一组运算放大器可用图1-44所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“Vi+”“Vi-”为两个信号输入端，“V+”“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中，Vi-为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚图如图1-45所示。

由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。

音频电平指示电路如图1-46所示，采用两片集成运放LM324组成电压比较器。VCC经R9、D1组成降压电路，D1上正向电压的范围是0.6～0.8V，假设为0.72V，经9只1kΩ电阻器（R10～R18）分压，每级电压变化0.08V，比较器的同相输入端电位自左而右从0.08V开始成倍升高，音频信号Vi幅度每增加0.08V，比较器A1～A8中就多一个输出为低电平，相应地就多一个发光二极管LED被点亮，LED被点亮的个数随着音频信号的强弱变化而变化。

项目实施

一、采用LM324实现的电平指示电路的绘制

使用Protel 99 SE绘制完成图1-46所示的原理图。

二、元器件选择

A1～A8选用集成运算放大器LM324。RP1选用1kΩ精密电位器。R1～R18均选用0.25W碳膜电阻器。D1选用1N4148二极管。LED1～LED8选用直径5mm的红色发光二极管。同时准备6V稳压电源、电平信号输入、实验板等。

项目二的元器件清单表如表1-7所示。

续表

三、印制电路板设计

使用Protel 99 SE绘制的采用LM324实现的电平指示电路的印制电路板图为单面板，如图1-47所示。图1-47（a）为元件面，图1-47（b）为焊接面。

四电路调试

按图1-47将电路焊接在电路板上，认真检查电路，接入相应电压和输入信号，调节电位器RP1滑动端从接地端到接Vi端变化即可看到相应的LED（LED1～LED8）依次点亮。

项目拓展与评价

一、训练题目与要求

若将4～20mA输入直流电流转换至0～5V的输出直流电压，试设计其转换电路并安装焊接实现。

二、考核与评价

考核与评价标准见表1-8。

思考与习题

1.检测系统由哪几部分组成？说明各部分的作用。

2.各种放大器的特点是什么？

3.常见的放大器的种类有哪些？

4.各种放大器主要用于什么样的信号电路？

5.常用的信号处理电路有哪些？

6.常见信号处理电路主要应用在什么场所？

7.电桥测量电路的作用是把传感器的参数变化转为（　）的输出。

A.电阻　　B.电容　　C.电压　　D.电荷

8.一般来说，对屏蔽罩材料的要求有（　）。

A.选用高电阻的金属材料　　B.选用低电阻的金属材料

C.选用半导体材料　　D.选用绝缘材料

9.下面哪种电路主要是为了远距离传输？（　）

A.频率-电压变换　　B.电流-电压变换

C.数-模变换　　D.电压-电流变换

10.在信号的变换中，我们有时为了处理信号的方便，常常把模拟信号转换成数字信号送入微处理器进行处理，下面哪一个是采用这种技术？（　）

A.A/D变换电路　　B.F/V变换电路

C.D/A变换电路　　D.V/I转换电路