机械电子工程原理
第八章信号处理
信号处理的必要性、原则和方法
大多数情况下,从传感器输出的信号不能直接加以利用。最基本的原因是传感器输入信号的幅度不适当,需要引入增益或者衰减使之与系统下一级匹配。在一些复杂环境中,从传感器得到的原始信号中往往含有其他成分,必须去除之后才能获得所需信息。
信号处理的原则是把所需信息从传感器的输出信号中分离出来,并以适当的形式传送给系统下一级。
目前日益广泛的做法是在传感器上加上信号处理电路。有的传感器已具备对温度等因素的自动补偿能力,并带有自检功能和局部决策能力,这种新颖的设计是测量技术的重大进展。
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运算放大器基本电路
理想运算放大器如图示
输入端1是同相输入端,输入端2是反相输入端,3是输出端。在输入端口内,输入端1和输入端2之间存在的电阻称为输入电阻。
理想运算放大器有两个最重要的性质,即输入电阻值无穷大和开环放大倍数无穷大。
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理想运算放大器的特性
因输入电阻值无穷大,所以经输入端1和输入端2的电流无穷小,进而输入端1和输入端2之间没有电压降。因此,对于理想运算放大器,有以下三个关系同时成立。
在输入一侧考虑电压关系时,反相输入端与同相输入端之间是“虚通”的,图中用虚线表示。理想运算放大器的两个输入端之间电压总是为零。
在输入一侧考虑电流关系时,反相输入端与同相输入端之间是“虚断”的,图中用叉表示。进入或流出理想运算放大器两个输入端的电流总是为零。
在输出一侧,输出电压Uo可以是电源电压范围内的任何有限值。
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实际运算放大器的特性
理想运算放大器是实际运算放大器的模型。
实际的运算放大器具有很高(上千倍,但不是任意大)的开环放大倍数,输入端口有很大的输入电阻(兆欧以上,但不是无穷大)。由于运算放大器本身的开环增益非常高,输入电阻非常大,许多场合下可以认为它的输入电流和输入电压都为零,就是所谓理想运算放大器。
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单端输入和双端输入
运算放大器的输入方式有单端输入和双端输入两种。
在单端输入的情况下,总是一端接输入信号,而另一端接地(或通过电阻接地)。当信号从1端输入时,输出信号与输入信号同相,称同相输入;而当信号从2端输入时,输出信号与输入信号反相,称反相输入。
在双端输入(也称为差动输入)的情况下,输入信号U1和U2同时加在同相端1和反相端2上,它的输入是同相输入端电压与反相输入端电压之差。
Ui=U1-U2
实际应用中,运算放大器很少开环使用,大都要加上某种反馈电路,构成一种输入-输出运算关系。
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运算放大器的几种基本应用电路
反相放大器
差动放大器
积分器
电荷放大器
电流-电压转换器
对数放大器
比较器
施密特触发器
同相放大器
微分器
电压-电流转换器
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反相放大器
因为ia≈0,Ua≈0,a点是虚地点,而且i1=-i2
这种情况下这个放大器成为理想电压源。如果阻抗Z1和Z2都是纯电阻,那么输出信号对于输入信号的相移为180°
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同相放大器
许多传感器输出电流的能力很有限,即带负载能力很差,因此必须配以高阻抗的负载。
因为于是
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电压跟随器
在这种情况下Uo=Ui,而放大倍数为1,即输出电压与输入电压幅值相等且极性相同,因此称之为电压跟随器。
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