基于信号电路方案研究

基于信号电路方案研究（精选7篇）

基于信号电路方案研究 篇1

1 引言

我们已经知道了世界上各种物体发出的信号, 都是模拟的信号。人们一般对模拟信号不易控制变量, 使得人们对模拟信号不好应用。为了能够对模拟信号进行实际的应用, 就得把模拟信号进行转化, 后来科学家们找到了一种比较好的方法, 那就是把模拟信号转化为数字信号。数字信号为人们处理信号带来了方便, 在实际生活中也应用较为广泛, 是处理模拟信号的一种目前最好的办法。

数字信号在人们实际生活中, 运用方便快捷, 而且信号非常的稳定, 非常的好用。譬如数字电视, 数字电视就是采用数字转化的, 把模拟信号转化为数字信号。那到底是怎样把模拟信号转化为数字信号的呢, 那就是把模拟信号通过数字电路, 数字电路对模拟信号进行转化, 从数字电路中输出的就是数字信号, 这样就达到了模拟信号数字化。

信号一般都是连续不断的, 我们看一下用不连续的物理量来处理连续的物理量时看会发生什么现象。就空气中的声音而言, 声音中声压是连续不断变化的信号, 我们取某一瞬间的声音信号, 将其表示成为一个电压。以此时的电压值为基础, 使用逻辑电路改变信号。如果将连续变化的声压每隔一定的时间间隔进行采样并将其连接。我们可以发现原来光滑的曲线, 现在变成了有小锯齿的波了。通过这样的取样模拟信号, 可在数字电路中处理模拟信号 (严格地说是不能完全再现原始的波形, 但是由于人所具有的感觉是有限度的, 所以在考虑其限度后, 以微小间隔取样其电压, 则在数字电路中也能够处理模拟信号) 。

在上述中, 数字电路对模拟信号的处理, 最后把模拟信号转化为数字信号, 在取样时如果取样的数据少或者是取样时, 模拟波的采样电压小于2倍电压时, 可以发现, 用数字电路处理的模拟信号是不光滑的, 也就是数字波形图有一定的锯齿阴影。简单的说“以所处理频率的2倍以上频率采样其电压, 可以再现原频率”, 这就是基本的采样定理。

2 模拟放大器

我们都知道, 人耳所能听见声音的频率是有限的, 在初中物理教材中就有具体的人耳听力范围, 一般以20k Hz为上限, 如果频率超过20k Hz人的耳朵就不可能听到了, 当然如果频率过低, 同样的人耳也不可能听到。频率高于20k Hz的声音叫超声波, 如果频率太低就叫次声波。

在实际生活中, 人们常常都能见到CD音乐, 然而CD音乐唱片基本是使用40k Hz以上的频率进行采样的, 作为数字数据来处理音乐, 就可以再现几乎接近于原始声音的音乐。如果反复进行时, 用模拟电路来放大模拟信号, 就必须使用专用的电路, 电路如图1所示。

图1中, 显示的是模拟放大器把电压变化为直接设定的2倍率的电压值。可以从图1中明显的看到电压变为原来的2倍, 图形中波形的振幅描述的物理量就是电压。

使用被人们常称为OP放大器的IC, 这样就可以简单的实现电压放大电路。使用模拟电路实现模拟信号固然效率达到很高, 但是这需要相当的技术经验, 成本也比较高, 所以我们认识到设计模拟电路是非常困难的。哪有没有一种简单的电路, 就能对模拟电路中的电压实现放大呢?答案是肯定的, 是有办法的, 那就是数字电路的设计。用数字电路就可以放大模拟信号, 数字电路放大模拟信号的具体过程如下文所述。

3 数字电路放大模拟信号

上文中已经提到用数字电路来放大模拟信号, 那么数字电路是怎样放大模拟信号的呢?当人们认识到处理的信号频率与采样频率之间存在一定的关系时, 我们就采用数字电路把模拟信号数字化, 下面将从数字电路处理的根源进行说明。

数字电路就是人们常说的逻辑电路, 就是“0”和“1”的数字组合领域。在这里没有电压的说法, 只有“0”和“1”的组合, 怎样找到“0”和“1”与电压的联系是逻辑电路的精髓所在, 这也是设计数字电路最重要的一点。利用数字电路来处理“0”和“1”的值, 来表达出数字电路的动作, 从而得出人们想要的东西。

利用数字电路来处理模拟信号的基本原理, 其实理解起来并不难, 就是把模拟信号进行A/D变换, 即是模拟信号转化为数字信号, 输入到数字电路中。当模拟信号转化为数值时, 之后输出的就是数字电路了。

在人们获取频率的时候, 有时会遇到抽样频率的变换问题。当电路系统工作在一个“多抽样率”的情况下, 就会遇到抽样频率的变换, 不进行频率的变换是达不到人们希望的效果, 只有对抽样频率进行变换, 才能完成人们的意愿。譬如多媒体, 在使用多媒体时既有语音、视频、图像、数据等的传输, 这些语音、视频、图像、数据都有各自对应的频率, 当它们组合在一起时就完成了人们想要完成的工作。显然对不同频率的抽样, 是不同的必须实行抽样率的变换, 使得达到人们的意愿。又如, 为了减小对抽样频率过高而导致数据过多使用不匹配, 这时人们希望降低抽样频率。再如两个系统的时间频率不同, 信号要在这两个系统中传输时, 为了方便信号的处理、编码、传输和储存, 这时就要根据时钟的频率对信号的抽样频率进行转换, 经过人们不断的研究, 抽样频率的变换已经越来越被电子电路注重。

实现抽样频率转化的一种方法, 那就是先把离散的时间信号x (n) 经过D/A变换器进行操作处理, 最终变换为模拟信号xα (t) , 再经过A/D变换器对xα (t) 以另一个抽样频率抽样。在这个过程当中经过D/A变换器和A/D变换器后, 会引入信号失真和量入误差, 导致结果的精确度不高。然而另一种方法, 则是人们最喜爱的方法, 也是逻辑电路设计常用的方法, 那就是直接在数字领域对已抽样信号频率x (n) 做抽样变换[2]。

我们用数字电路处理模拟信号时, 虽然运算的精度受到限制, 但利用“0”和“1”的数字组合能实现各种各样的操作。基本上是通过将模拟电压变换成数字数据, 接着在数字电路中运算数字数据, 最后将其变换结果变换为模拟数据这样的操作步骤, 来实现各种各样的操作。

4 数字信号在生活中的应用

用数字信号处理模拟信号, 是用数字方法对信号进行分析、变换、滤波、检测、调制、解调, 是一种快速算法的技术学科。在生活中, 有很多人都认为, 用数字信号处理模拟信号, 主要是对数字滤波技术、离散变换快速算法和谱分析方法等进行研究。随着数字电路和电路系统的发展以及计算机技术的迅速的发展, 最终使得数字信号处理技术得到了空前的发展, 人们生活在数字信号的海洋世界里, 显然对这门技术的应用领域也是十分的广泛。

数字信号处理技术可以制成数字滤波器, 数字滤波器在生活中运用方式有很多, 大致可分为有限冲激响应和无限冲激响应两大类型, 这两种类型可用硬件和软件两种方式分别来实现。在用硬件方式来实现中, 它是由加法器、乘法器等单元所组成的, 这与电阻器、电感器和电容器所构成的模拟滤波器是大不相同的。数字信号处理系统, 用数字集成电路设计很容易制成, 而且制作出的数字处理系统体积小、稳定性高、可程控等许多的优点。另外, 数字滤波器也可以用软件来实现。用软件来实现就是借助数字计算机, 按滤波器的设计算法, 对其编程进行数字滤波计算。

数字信号处理技术在谱分析中也有较大的应用, 就是指在一定频率范围中对变换信号特性的一种分析方法。一方面可用来确定信号, 另一方面也可用来确定随机信号。这里的确定信号, 是指与一定的时间函数有关的数学式子, 这样它在任何时刻的数值都是一个确定的值。随机信号是指, 不具有上述的特性它在具体某一时刻的值, 是随机的是不确定的。在对随机信号进行处理时, 是采用随机过程理论、利用统计方法综合进行分析处理, 譬如经常利用到均值、均方值、相关函数、功率谱密度函数等来统计, 描述随机过程的特征或随机信号的特性。在生活中人们经常遇到的随机过程, 大多数是指比较平稳随机过程, 由它的样本函数来决定, 可以根据某一个样本函数的时间来确定。平稳随机信号本身就具有不确定性, 但它的相关函数却是确定的。特别是在均值为零时, 它的相关函数的傅里叶变换或Z变换恰恰可以表示为随机信号的功率谱密度函数, 一般简称为功率谱。这一特性十分重要, 这样就可以利用快速变换算法, 进行计算和处理。在实际中观测到的数据是有限的, 这就需要利用一些估计的方法, 根据有限的实验数据, 估算出整个信号的功率谱。

数字信号处理技术可以制成数字信号处理系统, 经过信息的获取或数据的采集过程, 得到原始信号, 如果原始信号是连续信号还须通过抽样过程, 使之成为离散信号, 再经过模数转换得到能为数字计算机或处理器所接受的二进制数字信号。如果所收集到的数据已是离散数据, 则只须经过模数转换即可得到二进制数码[3]。数字信号处理器的功能是将从原始信号抽样转换得来的数字信号, 按照一定的要求进行转换, 例如滤波的要求, 加以适当的处理, 即得到所需的数字输出信号。经过数模转换先将数字输出信号转换为离散信号, 再经过保持电路将离散信号连接起来成为模拟输出信号, 这样的处理系统适用于各种数字信号处理的应用, 只不过专用处理器或所用软件有所不同而已。

5 结语

在人们生活中实际的电路是多种多样的, 如果放大倍数被固定为2倍, 则只需要通过移位寄存器对数据进行移位就可以简单的实现了, 就不需要数字电路的处理也能实现。但是当在倍数可以自由改变的情况下, 就不得不使用数字数据的乘法电路了, 也就是逻辑电路。

声音、图像等各种各样的信号被数字化, 这是因为数据的存储、传送等与以往的模拟数据相比具有更容易处理的优点。用“0”和“1”的组合, 可同时处理声音数据和图像数据, 作为混合数据进行处理在这点上, 是划时代的。

我们正在向数字化时代迈进, 复杂的系统可容纳在小型的硅芯片上, 使得我们更多的梦想得以实现, 其根本原因都在于数字IC。数字化时代是大数据时代, 各种各样复杂的信号, 都可以转化为“0”和“1”的世界, 是古代人们难以完成的信息处理。现在越来越多的使用云数据处理, 也就是人们常说的云计算, 云计算是对大数据进行分块处理, 不是一两个人能完成的, 是许多的人对其数据进行操作处理, 最后共同完成一项任务。

参考文献

[1]汤山俊夫.数字电路设计[M].北京:科学出版社, 2006.

[2]程佩青.数字信号处理教程[M].北京:清华大学出版社, 2007.

[3]乔石琼.电子测量与计量[M].北京:中国大百科全书出版社, 1991.

基于信号电路方案研究 篇2

随着智能电网建设的推广与普及, 电网设备在线监测技术的应用也越来越广泛, 与之相关的传感器技术也快速发展。传感器是一种将设备状态的各种物理量或化学量转变成电信号的部件。由于电信号容易进行各种处理, 故无论被测量是电量还是非电量, 一般都要通过各类传感器将其转换成电信号后再处理[1]。大部分传感器输出的都是模拟信号 (电流、电压等) , 在传感器信号采集系统设计中, 需要将模拟信号转换为数字信号, 供后续处理电路进行分析、计算、通信等。在智能变电站中, 需要传感器采集监测的量类型很多, 部分被监测量的变化范围很大, 导致传感器输出的模拟量变化范围也较大, 给数据采集系统中的模数转换带来一定的困难。

1 智能高压电器宽范围变化信号

智能高压电器中, 需要监测的量很多, 主要包括两个方面:1、主电路的实时电量参数, 如:电流、电压、频率、相位等;2、设备状态参数, 如开关设备的状态、机械状态、绝缘情况等。

在被监测量中, 部分量的变化范围很宽, 例如:126k V变电站正常状态下, 主电路的电流, 从0A到4k A;避雷器泄漏电流, 要求监测范围从100μA到50m A。一般情况下, 传感器的输出信号都是与变化信号成线性关系的模拟信号, 因此, 传感器的输出信号变化范围也较大。

2 传感器信号的处理

在高压电器设备中, 需要监测的量, 通过传感器转换为模拟量, 再经过处理电路, 变成可以用于微处理器运算和通信的数字信号。传感器将监测到的物理量变化以模拟量的形式输出 (连续变化的电流、电压) , 该模拟信号经过整形、滤波、放大处理, 转换为可以稳定进行A/D转换 (模数转换) 的信号, 此模拟信号经过A/D转换, 变为数字信号。

2.1 信号调 理电路

传感器是能够感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件和装置。传感器把需要测量的物理量转换为电压或电流信号, 成为传感器的原始输出信号, 这些信号往往比较微弱, 并且受环境因素影响较大, 信号上叠加一定的干扰信号, 需要经过调理电路, 对信号波形进行调理, 才能够进行模数转换。该调理过程一般包括滤波和放大。

2.2 宽范围变化信号的放大问题

在数据采集系统中, 若待测信号是很微小的电信号, 需要用放大器来加以放大[2]。普通运算放大器的放大增益是由硬件电路的结构和参数决定的, 如果要更改放大增益, 需要对硬件电路进行修改, 即普通运算放大器电路对待测信号的放大倍数是固定的[3]。如果放大倍数低, 则不能满足微弱信号的测量需求, 如果放大倍数高, 则较大的信号经放大后, 容易失真, 不能满足后续运算需求。

在智能高压电器中如何解决宽范围信号放大检测问题, 对信号进行非线性压缩计算是一种很好的解决思路。对于函数Y=log10X , 当X=1时Y=log101=0;当X=10时, Y= log1010=1;当X=100时, Y=log10100=2。X每扩大10倍 , Y只增加一个数量级 , X在一个很大的范围内变化时, Y只在一个很小的范围内变化。所以, 对数放大器具有很好的压缩性。

3 宽范围变化信号检测电路设计

3.1 对数运算放大器

理想的对数放大器是输出信号幅值与输入信号幅值成对数关系的放大电路。实际的对数放大器在输入信号幅值较小时, 具有线性放大的功能增益较大;当输入信号较大时, 具有对数放大的功能, 增益随输入信号的增加而减小[4]。在宽范围变化信号测量领域, 输入信号在短时间内会有很大变化, 输出信号应稳定在几十毫伏到几伏之间。对数放大器能够自适应调节输出增益可以避免输入信号过大时, 增益过大所产生的饱和。

图1中, 横轴为对数刻度, 当VX=VIN时, 对数为零, 称VX为对数放大器的截止电压。VY是10 VX对应的输出电压, 即以10为基数, 对应的对数为1时, 输出值。VX、VY为对数截距, VOUT为输出电压。

从图3可以看出, 随着输入电压VIN的增加, 其对应的输出值的增益减少。

3.2 对数放大器电路原理

对数放大器利用硅二极管上的电压与流过它上面的电流成对数关系的原理制成, 结构如图4所示。

硅二极管的正向特性曲线函数为

图4所示基本对数放大器构架的转换方程为:

式 (1) 和 (2) 中, k为玻尔兹曼常数, T为绝对温度, q为电子电荷, I为正向电流 , 为反相饱和电流 ;VIN为输入电压, RIN为输入电阻。

3.3 对数运算放大器应用电路

对数运算放大器应用于宽范围变化信号测量系统中, 传感器发出小的传感器信号, 经过滤波电路接入对数放大器, 对数放大器的输出经过一定增益的线性放大后, 接入A/D转换电路, 转换为相应的数字信号。

DSP接收到转换后的数字信号 , 根据对数放大器的输出特性及线性放大增益, 计算出对应的传感器输出信号, 从而得到待测信号信息。

对数放大器应用于测量系统中, 可以简化硬件电路设计, 在小信号、宽范围变化信号检测系统中具有明显的优势。

4 试验及结论

采用对数放大器方案, 设计一个信号处理系统, NI公司的PXI-4132系统作为信号源 , 信号采集系统对信号源电流信号进行采集处理, 对比信号采集系统实际测量的试验结果。

通过表1数据可以看出, 对数放大器信号采集系统所采集到的结果与NI信号源发出电流信号相比误差并不大, 因此, 该系统有较好的采集精度。可应用于多种宽范围变化量的采集。例如, 变电站中避雷器绝缘性能在线监测是通过监测其泄漏电流实现的, 按照相关标准, 监测设备的监测范围应是100μA-50m A, 最大值是最小值的500倍, 如果再考虑监测精度要求, 一般放大电路难以满足需求, 该电路的特性可满足此监测范围的需求。而电子式电流互感器应用于126k V智能站时, 其主电路电流变化范围从0A-4k A, 短路电流则可能更大, 监测的最大值和最小值相差104倍, 一般的放大电路难以满足需求, 此电路的输出特性能够满足监测需求。

参考文献

[1]黄新波.变电设备在线监测与故障诊断[M].2版.北京:中国电力出版社, 2012.

[2]黄梓瑜, 高文刚, 谭威, 范维志.宽范围微弱电流对数放大电路设计与仿真[J].工业控制计算机, 2013 (26) , 6:130-131.

[3]汪俊杰, 盖建新, 刘旭, 程爽.增益连续可调宽带前置放大电路设计与实现[J].信息技术, 2012, 10:33-36.

[4]贺欣.宽带大动态AGC电路设计[J].电子设计工程, 2012 (20) , 8:167-170.

基于光耦的交流过零信号产生电路 篇3

1 电路组成

交流过零信号产生电路电路原理图如图1所示:

电路由以下几部分电路组成:

1)降压电路

降压电路由降压变压器T承担,它把220V交流电压变换为各种场合所需的低压交流电,供其他低压交流电路使用。这里转换为9V,供后面的全波桥式整流电路使用。

2)全波桥式整流电路

全波桥式整流电路由四个IN4001整流二极管组成,其作用是把交流电的负半周也转换为正半周,使交流信号的一个周期中,有两个正半周期信号,即把正弦交流信号波形转换为均为正向的脉动直流电波形。

3)光耦隔离电路

光耦隔离电路由光耦EL817、输入限流电阻R1、输出集电极偏置电阻R2和+5V直流偏置电源组成。

EL817是台湾亿光公司生产的一体化光电耦合器,其作用是使输入端与输出端的信号完全隔离,避免输入信号与输出信号之间的互相干扰,,增加电路安全性,简化电路设计。

限流电阻R1的作用是使EL817输入端工作电流小于60m A,保证光耦输入端的正常工作,使电光转换正常,从而实现输入输出的光隔离作用。

偏置电阻R2和+5V直流偏置电源是光耦输出电路光敏三极管的偏置电路,使光耦正常

进行光电转换,从而输出与输入信号成正比的集电极信号。

4)三极管开关电路

三极管开关电路由电阻R2、R3、三极管9013和+5V直流偏置电源组成,其作用是在交流信号过零时刻产生一脉冲信号,以供后续电路判断交流信号的过零时刻。

2 电路工作原理

当220V交流电和+5V直流电接通后,220V交流电经变压器T后转换为9V的交流电,经全波桥式整流后波形转换为脉动直流电(波形由图2所示),然后经限流电阻R1限流后送到光耦EL817输入端的内部发光器件LED上,使其发光,把脉动直流电转换为强弱变化的光信号,经光耦EL817内部的光敏接收三极管将光信号转换成电信号,然后将电信号经光敏三极管的集电极输出,送到三极管9013组成的开关电路的输入端,使开关电路在交流信号过零时刻产生一个负脉冲信号从开关电路的输出端(三极管的集电极)输出(波形由图3所示),供需判断交流过零时刻的电路使用。

光耦EL817实现了“电-光-电”的转换及传输,光是传输的媒介,因而输入端与输出端在电气上是绝缘的,也称为电隔离,从而使输入端与输出端信号相互隔离,避免互相干扰。

当正弦交流信号电压接近零时,信号电压较小,光耦EL817内部的发光二极管截止,光耦内部光敏三极管也截止,其集电极输出端输出的集电极电流为0,使三极管9013组成的开关电路的输入端被反向分流最小,三极管9013处于饱和工作状态,使开关电路的输出端输出低电平(+0.3V)。

当正弦交流信号电压增大到使较大值时,信号电压较大,光耦EL817内部的发光二极管开始发光,光耦内部光敏三极管因接收到较强光线而开始工作,其集电极输出端输出的集电极电流较大,使三极管9013组成的开关电路的输入端被反向分流增大,迫使三极管9013退出饱和工作状态而开始进入截止工作状态,使开关电路的输出端输出高电平(+5V)。

从以上分析可知,在正弦交流电过零时,电路就会产生一个较窄的负脉冲,供需判断交流过零时刻的电路使用。

3 元器件参数选择和电路调试

要使电路正常产生一过零脉冲,则元器件的参数选择及电路的调试极其重要,具体选择和调试过程介绍如下:

因为我们选的降压变压器次级输出电压有效值为9V,相对较低,所以,整流二极管选择IN4001就可以了。从百库文库和百库百科中查到EL817光耦的输入LED发光二极管的最大正向电压为1.4 V,最大输入电流为60m A,输出接收光敏三极管最大集电极、发射极耐压为35 V,最大集电极电流为50m A。所以,光耦输入端的限流电阻R1的阻值选择220Ω,输出端的直流偏置电压选择5V,集电极偏置电阻R2(同时也作为开关电路三极管的基极偏置电阻)的阻值选择1kΩ,开关电路的三极管选择9013,其集电极偏置电阻R3阻值也选择1kΩ。

元器件参数选择后,按照图1正确连接好电路,接通交流220V和+5V直流电源,然后,用双踪示波器测得全波整流电路u1和u2的波形如图2所示,u2经光耦和开关电路后,u2和开关电路的输出uo的波形如图3所示。

从图2和图3波形中可以看出:该电路在正弦交流信号每次过零时产生一个负脉冲信号,证明该电路确实是一个实用的交流过零信号产生电路。

4 结束语

文章介绍的交流过零信号产生电路是一个经过验证的、实用的电路,该电路设计简单明了、制作方便,工作可靠性高,使用的元器件取材容易,性价比均较高,可应用于各种需判断正弦交流过零的场合,特别是晶闸管交流调压的场合。

摘要：在交流电信号控制中经常需对交流过零时刻进行判断,因此,通常利用电路手段,在交流信号过零时产生一个特殊信号,以供检测电路判断交流信号的过零时刻。文章介绍一种简单、实用并已经过验证的、切实有效的交流过零信号产生电路,可以在交流信号过零时产生一个脉冲信号。

关键词：交流过零,桥式整流,光耦,三极管

参考文献

[1]郑晓峰.模拟电子技术基础[M].北京:中国电力出版社,2008.

[2]百库文库:光耦EL817中文资料[EB].

基于有源滤波的极谱信号析取电路 篇4

作为一种常用的电化学测量方法,极谱法既能够快速观测较宽的电势范围内发生的电极过程,又能够通过对扫描曲线进行定量分析,在离子浓度检测领域有着广泛应用[1]。

在极谱检测电路的设计中,目前最普遍的做法是采用三电极体系[2]。待测溶液中产生的极化电流经放大器进行放大,由模数转换器将电流值送入处理器进行数字滤波处理。数字滤波基于软件滤波算法,对极谱法采集了大量数据的情况,复杂的数据处理会大大降低处理器的执行速率,噪声也难以完全滤除,影响了测量速度和测量精度[3]。此外,传统的极谱检测电路所采用的运算放大器相对落后,电路复杂、检测精度不高,重复性误差大[4]。针对这一问题,本文设计了一种高精度、低成本的极谱检测电路和硬件滤波电路。测试结果表明,该电路具有很好的滤波效果,极谱波峰测试重复性误差小于0.5%。

1 极谱电流检测电路

极谱电流检测电路主要包括电流-电压(I-V)转换电路和程控放大电路,如图1所示,由运放U1和低温漂精密采样电阻构成高灵敏度的I-V转换电路。由于极谱电流属于微弱电流,测量痕量离子时,极谱电流小至纳安级。电流检测的前级运放采用AD公司的AD549,它具有极低的输入偏置电流,在60f A以下,非常适合用于微弱电流检测电路的前端放大器,电流灵敏度可达1n A。I-V转换电路的后一级为程控放大电路,采用IT公司的程控仪表运放PGA202KP,其增益有4个数值,分别为1、10、100、1000,可通过配置运放的增益控制端(A0、A1),选择合适的增益,可以测量多种数量级的极谱电流。

2 低通滤波电路

由示波器测量发现,极谱电流检测电路得到的电流存在噪声,且噪声具有高密度、高频率、大强度、多源性和随机性等特点[5],直接检测得到的极谱电流信号难以用于对被测溶液的组分进行定性和定量分析。因此,在对检测信号分析之前,必须对其进行滤波处理。在实验测量中发现,极谱电流的频率一般都在2Hz以下,噪声源主要为50Hz工频干扰、直流电源的纹波和周围环境的电磁干扰,所以采用低通有源滤波电路进行滤波处理[6]。Bessel滤波器在很宽的频率范围内有线性的相位响应,在通带上保持了被过滤的信号波形,非常适合用于需要对波形进行定量分析的极谱法电流滤波。为了得到较好的频率响应,采用高阶Bessel滤波器[7]。考虑到滤波器阶数过高,相移比较严重,滤波器设计的复杂度也相应增加,最终采用5阶Bessel滤波器,其系数如表1所示。

由于滤波器的增益为单位增益,故传递函数为

系统的极点都在复平面的左半平面,因此系统是稳定的。其幅频特性曲线和相频特性曲线如图2所示,对于50Hz的噪声可衰减-100d B以上。滤波电路结构如图3所示。

对于第一级滤波器,选取C1=10μF,则;对于第二级滤波器,选取C2=10μF,取;则;

第三级滤波器的计算方法与第二级相同,C4=10μF, C5=33.6μF,R4=R5=2.47kΩ。上述电阻电容的取值是通过计算得到的,在实际电路设计选择电阻电容时,要选择与计算值相近的电阻值和电容值,采用0.1%的低温漂电阻和10%的陶瓷类电容。

3 测试与分析

对于三电极传感器,采用悬汞电极为工作电极,铂电极为辅助电极,甘汞电极为参比电极。测试所用的示波器为泰克DPO2024,所测的离子为二价锌离子。滤波前后的效果如图4和图5所示。可以看出,极谱电流噪声大,严重影响测量精度。经过低通滤波电路后,噪声基本被滤掉,极谱电流信号比较平滑,滤波效果良好。施加的扫描电压和产生的极谱电流如图6所示,探头1蓝色波形为扫描电压,探头2绿色波形为极谱电流。

从图6可以看出,在扫描电压1.3V处,产生的一个波峰,此波峰的大小与二价锌离子的浓度有关。连续测量50次,波峰的大小重复性误差小于0.5%。

4 结束语

针对极谱信号微弱、噪声强难以有效析取的问题,设计了一种高精度、低成本的极谱检测与滤波电路。通过三电极传感器测量二价锌离子的实验进行验证,极谱波峰大小重复性误差小于0.5%,验证了本电路有效性。

摘要：针对极谱法测量痕量离子浓度时信号微弱、噪声强难以有效析取的问题,设计了一种基于有源滤波的极谱信号析取电路。极谱电流检测电路由I-V转换器和程控放大电路构成,并设计具有贝塞尔响应特点的高阶有源低通滤波电路用以抑制噪声。实验结果表明,滤波效果好,极谱波峰重复性误差小于0.5%。

关键词：极谱法,微弱信号,有源滤波

参考文献

[1]李荻.电化学原理[M].北京:北京航空航天大学出版社,2013

[2]姜利英,谢小品,姚斐斐,等.基于MSP430单片机的电化学传感检测系统设计[J].传感器与微系统,2010,29(10):87-89.

[3]路秀利,汪辉.生物芯片电化学检测仪的嵌入式系统设计[J].信息技术,2010,2:40-44.

[4]杜黎.电化学传感器测试电路设计与实现[D].大连理工大学,2009.

[5]刘文星.基于侧抑制模型的动态滤波器电路研究[D].浙江大学,2013.

[6]桂静宜.二阶有源低通滤波电路的设计与分析[J].电子科技,2010,23(10):15-17+21.

基于信号电路方案研究 篇5

1 总体方案

基于A D L5565的宽带信号调理电路如图1所示, 主要由继电器、高阻衰减网络、阻抗变换网络、可控衰减网络和A D L5565放大电路组成。通过切换继电器1和继电器2来实现50Ω和1MΩ两种阻抗信号的调理。

高阻衰减网络是由两级10倍π型衰减网络组成, 该衰减网络既能实现信号的直通, 又能实现10倍、100倍的信号衰减。对于输入的小信号需要直通, 而较大的输入信号需要先对信号进行10倍或100倍的衰减, 以保证后端电路的正常工作。

阻抗变换网络主要实现1MΩ到50Ω阻抗变换、1MΩ通道的偏移调节、交/直流耦合以及交/直流信号幅度一致性调节等功能。

可控衰减网络主要由10倍固定衰减器和可控衰减器组成, 主要完成不同档位下信号幅度的调节。

A D L5565放大电路由两个A D L5565组成, 实现放大的同时输出一路信号给触发电路。

2 关键电路设计

本调理电路的核心是A D L5565放大电路和可控衰减网络的设计, 因为要调理的信号带宽高达1G H z, 而且信号幅度的动态范围大, 我们的思路是设计固定倍数的放大电路, 通过可控衰减网络来实现不同信号幅度信号的调理。为此我们选择了A D L5565放大器和H M C 346M S8G可控衰减器, A D L5565为6G H z超高动态范围差分放大器, 通过不同的电路接法可以6d B、12d B、15.5d B的放大, 而且其平坦度很好;H M C 346M S8G为可变电压衰减器, 在D C-8G H z的带宽内实现0d B-32d B衰减的连续可调, 衰减控制电压电压和衰减倍数之间的关系如图3所示。

放大电路如图2所示, 采用两个A D L5565级联的方式, 两级放大器都接成15.5d B的放大, 第一级A D L5565的正输出端连接到触发电路, 用于触发点定位;负输出端连接到第二级A D L5565的输入, 第二级A D L5565的输出信号送入高速A D C进行采集。为了实现对带有正、负直流量信号的调理, 该放大电路采用±2.5V的双电源供电模式。

可控衰减网络如图3所示, K105为继电器, 可以选择直通或10倍的固定衰减;N 105为10倍固定衰减电路;N 110为可变电压衰减器H M C 346M S8G, 通过控制加到H M C 346M S8G管脚6上的电压可以实现不同的衰减倍数。

宽带调理电路通过A D L5565放大电路和可控衰减网络分别实现了50Ω通路和1MΩ通路不同幅度信号的宽带调理, 该电路的放大倍数如表1所示:

3 结束语

本文主要介绍了一种基于A D L5565的宽带信号调理电路, 重点描述了A D L5565放大电路和可控衰减网络。该设计方法及思想在以往的课题中得到了广泛应用, 取得了良好的效果。

参考文献

[1]康华光, 陈大钦.电子技术基础 (模拟部分) [M].北京:高等教育出版社, 1999.

[2]李少东.数据采集系统的通道电路设计.

基于信号电路方案研究 篇6

在瞬变电磁勘探中,需要在高压强电磁环境下采集发射源信号进行反褶积运算.如果模拟量与数字量之间没有电气隔离,那么高压很容易窜入低压器件并将其烧毁.且各干扰信号会随着采集信号进入采集系统,这些干扰信号的叠加会降低信号的信噪比[1,2],不利于以后的信号处理.因此在高压强电磁环境下进行信号采集必须使采集系统与采集信号实现有效的电气隔离.光电隔离可以避免高压窜入低压的采集系统,且光电耦合器输入阻抗小于干扰源的内阻,因而使叠加于被测信号上的干扰信号被极大地衰减,从而保证采集信号的准确度.线性光耦HCNR201为一模拟信号光电隔离器件,可以较好地实现模拟量与数字量之间的隔离,输出跟随输入变化,线性度达0.01%,并且可以避免内部外部电路因接地不同而带来的误差.目前,基于该器件对单极性信号隔离的电路比较多[3,4,5].双极性信号高线性度隔离比单极性信号高线性度隔离复杂,这方面的研究也比较少.基于该器件工作原理特性,设计出一种基于线性光耦HCNR201双极性信号的隔离电路.

1 HCNR201简介

HCNR201的原理如图1所示.它由发光二极管D1、反馈光电二极管D2、输出光电二极管D3组成.当D1通过驱动电流If时,发出红外光(伺服光通量).该光分别照在D2、D3上,反馈光电二极管D2吸收光通量的一部分,从而产生控制电流I1(I1=0.005If).该电流用来调节If以补偿D1的非线性.输出光电二极管D3产生的输出电流I2与D1发出的伺服光通量成线性比例.令伺服电流增益K1=I1/If,正向增益K2=I2/If,则传输增益K3=K2/K1=I2/I1 ,K3的典型值为1.该器件的非线性度为0.01% ,带宽大于1 MHz,额定隔离电压为8 000 V.但不可以无限期在任意温度下隔离8 000 V电压.其连续运行隔离电压为1 414 V.

2 双极性信号隔离电路设计

基于HCNR201的特性设计了一种双极性信号隔离电路如图2所示.该电路由互补的两部分组成,光耦1用于正极性信号的隔离,光耦2用于负极性信号的隔离.在隔离电路中,R2调节初级运放A1输入偏置电流的大小,C1起反馈作用,同时滤除了电路中的毛刺信号,避免HCNR201的铝砷化镓发光二极管LED受到意外冲击.R1可以控制LED的发光强度,从而对控制通道增益起了一定作用[6].

2.1 隔离电路原理分析

该电路由互补电路组成,正极性信号隔离电路与负极性信号隔离电路原理相同,只是信号输入方向和电压极性相反.因此只以正极性信号隔离电路做为分析,其隔离电路如图3所示.在图3中,I1=K1·If,I2=K2·If,其中K1、K2为伺服电流增益和正向增益.由电路可知

Vin=I1·R2= K1·If·R2 (1)

Vout=I2·R3=K2·If·R3 (2)

则电路电压增益为

G=Vout/Vin=(K2·If·R3)/(K1·If·R2) (3)

在线性光耦HCNR201中K2=K1.所以

G=R3/R2 (4)

从式(4)可以看出,该隔离电路的电压增益只与电阻R3和R2有关,与光耦的电流传输特性无关,从而实现电压信号隔离.

2.2 运算放大器A1、A2的选择

HCNR201是电流驱动,其工作电流要求1～20 mA,因此运放A1的驱动电流必须可以达到20 mA.由于隔离信号为双极性,则设计中采用双电源供电的LM358运算放大器,其输出电流可达40 mA.运放A2组成一电压跟随电路,实现输出电路的阻抗匹配.设计中运放A2也选用双电源供电的LM358运算放大器.

2.3 电阻R1、R2和R3的取值

由运放A1(电路图如图3所示)虚断特性知

U+=U-=Vin (5)

由电路图3可知

If=(Vout-Vd1)/R1 (6)

其中,Vd1为发光二极管D1的正向压降.

I1=U-/R2=Vin/R2 (7)

由于I1=0.005If[6] ,则式(6)、式(7)可化简为

Vin/R2=0.005(Vout-Vd1)/R1 (8)

当R1=0.005 R2时,Vout-Vd1=Vin,即If=Vin/R1,则R1= Vin/If (9)

设计中Vin=-4～+4 V,由于MORNSUN 电源隔离器提供电源,因此Vcc=+12 V ,Vee=-12 V,为满足If 取值范围1～20 mA,R1=Vin/If=4/(20×10-3)=200 Ω ,R2=R1/0.005=40 kΩ,R3=R2=40 kΩ.

2.4 隔离电路试验结果

该电路首先在protuse进行仿真实验,其输入信号为峰峰2 V的正弦波,(如图2)当只用光耦1进行信号隔离时,其输出波形如图4所示,由图4知光耦1只隔离正极性的信号,对负极性信号无隔离作用.当只用光耦2进行信号隔离时,其输出波形如图5所示,由图5知光耦2对正极性信号无隔离作用.当用光耦1和光耦2组成的互补电路(如图2)进行信号隔离时,其输出波形如图6所示,由图6知该互补电路可实现对双极性信号的隔离.

该电路已用于井中大功率瞬变电磁场采集仪器中,所采集的井中大功率脉冲电磁场源发射电压与电流波形如图7所示,所采电压信号为分压后发射源电压,其分压比例为1 000:1.由图7可知最大电压为1.5 V,则发射源电压为1 500 V,所采集最低电压为-0.4 V,则发射源电压为-400 V.为方便对电流信号的采集,把电流信号经0.5 Ω电阻变为电压进行采集,由图7知所采集最高电压20 V,流经放电线圈的电流为40 A,其电流波形与理论推导的波形相一致.经试验验证在强电压环境(1 500～-400 V)下,连续对发射源信号进行采集,高压未烧毁采集卡.因此该隔离电路实现了对双极性信号隔离采集,且可隔离瞬变额定电压为8 000 V.

3 结 束 语

实验结果表明,应用线性光耦HCNR201组成的双极性信号隔离电路线性度好、电路简单,有效地解决了高压强电磁对高速采集系统的影响,且由于光耦输入阻抗小,极大地衰减了叠加在采集信号上的干扰信号,提高了信号的信噪比,提高了信号处理的精确度.文中所设计的双极性隔离电路以其低成本、高稳定度、高线性度的优点可广泛应用在自动化仪表输入输出隔离、热电偶的隔离、数据通信、电压电流检测和测量、工业控制等领域.

参考文献

[1]谭颖琦,范大鹏,陶溢.基于线性光耦HCNR200的DSP采集电路设计与实现[J].电测与仪表,2006(6):46-48.

[2]秦伟刚.光电耦合隔离技术与应用[J].仪器仪表学报,2006(6):2603-2604.

[3]张宝生,王念生.基于高线性度模拟光耦器件HC-NR20 0模拟量隔离板[J].仪表技术,2005(5):59-60.

[4]AN SANG HOU.A Wide Bandwidth Isolation AmplifierDesign Using Current Conveyors[J].Analog IntegratedCircuits and Signal Processing,2004,40:31-38.

[5]邱吉冰,赵伟.电流小信号隔离采集板的设计与实现[J].自动化仪表,2007(4):61-63.

基于信号电路方案研究 篇7

U S B控制芯片主要有两种:一种是具有USB接口的单片机 (MCU) , 例如Intel公司的8X931 (基于8051) 、8X930 (基于高速、增强的8051) 、Cy Press公司的Ez-USB (基于8051) , 选择这类USB控制器的最大好处在于效率高, 开发者对系统结构和指令集非常熟悉, 开发相对容易, 但对于简单或低成本系统, 价格高将会是最大的障碍。一种是纯粹的USB接口芯片, 这种芯片仅处理USB通信, 必须有个外部微处理器来进行控制。典型产品有P h i l i p s公司的PDIUSBDll (I2C接口) 、PDIUSBD12 (并行接口) , NS公司的USBN9603/9604 (并行接口) 、Net Chin公司的NET2888等。此类芯片的主要特点是价格便宜、通用性强, 可作为组件嵌入到不同的仪器系统中;尤其适合于产品的改型设计。考虑到我们还要进一步开发USB功能设备, 加之虚拟仪器的思想要求尽量简化硬件, 所以本系统选择了性价比很高, 由P H I L I P S公司生产的PDIUSBD12来设计USB设备接口。

二.U S B接口电路设计

U S B接口的电路主要是以接口芯片PDIUSBD12为中心, USB协议层的相关通讯协议均通过它来实现。选用凌阳公司的S P C E 0 6 1 A微处理器做控制芯片。SPCE061A内嵌32K的FLASH的存储空间、14个中断源, 工作电压范围2.6~3.6V, 工作速率范围为0.32MHz~49MHz, 这使得它有较高的速率和存储空间来应付USB通讯。在整个系统中SPCE061A同时控制U S B接口设备和功能设备——用SPCE061A作为波形发生器, 负责解释和控制执行主机软件平台的控制命令和要求, 完成信号发生即D/A转换。

U S B通信的接口电路如图1所示。USB侧的硬件连接电路L1、L2、L3和L4是磁珠, 串联在电源和地的连接线路中, 能有效地降低电磁干扰。R9和R10是串联的终端电阻。一般设备是通过在D+ (全速或高速) 或D- (低速) 上接上拉电阻 (1.5k) 来通知HOST (一般即PC) 设备已经连接的。通常该上拉电阻即一个外接的实实在在的电阻, 而D12芯片把该上拉电阻集成在IC内部, 连接与否是通过寄存器来控制的S o f t C o n n e c t技术。位于地址0 x F 3的Set Mode寄存器有一位直接和D+USB线的上拉电阻有关, 当该位置1时, 表示上拉电阻使能。

系统设计的PDIUSBD12通用接口电路提供并行接口与主微控制器连接;提供三种供电方式:1.USB接口电路、MCU板均由USB总线的电源供电;2.USB接口电路由USB总线的电源供电;3.USB接口电路由MCU板的电源供电, 如图1, J1 (电源跳线) 的4个Pin不同组合来控制。

图中的L E D灯是P D I U S B D 1 2的GOODLINK指示灯, 在系统枚举时会根据通信的状况间歇闪烁, 当PDIUSBD12被枚举和配置成功后, 将一直点亮。随后在USB通信时会闪烁, 对调试非常有用。

单片机SPCE061A与PDIUSBD12之间通讯采用中断方式, 数据交换主要是靠SPCE061A单片机给PDIUSBD12发命令和数据来实现的。PDIUSBD12通过这种方式来识别命令和数据:在ALE信号的下降沿时锁定地址, 如果是奇地址, 那么它接收的是命令;如果是偶地址, 它发送或接收的是数据。PDIUSBD12的中断寄存器只要不为0, 它的中断输出引脚 (INT_N) 就保持低电平, 所以系统初始化时可将SPCE061A单片机的外部中断 (下降沿触发) 引脚I O B 2设置为带上拉电阻输入。当P D I U S B D 1 2的中断寄存器由零变为非零时, 马上触发S P C E 0 6 1 A的外部中断, S P C E 0 6 1 A单片机在中断处理时, 读取PDIUSBD12芯片的状态寄存器以清除中断寄存器中对应位, 使得中断引脚变为高电平。这样使得SPCE061A可以在退出中断后, 可随时响应外部中断。系统中SPCE061A单片机在接口电路中所起的主要作用, 一是在windows系统配置、枚举USB外设时, SPCE061A发送、接收相关的USB设备信息;二是在windows系统配置、枚举USB外设成功后, 根据接收到的ID, 进行相应的操作, 起控制作用。

系统经过测试和实际运行, 达到了预期目的, 系统工作稳定可靠, 完成了和主机通信的功能。

摘要：计算机总线技术的发展决定着虚拟仪器的命运。USB通用串行总线是电脑系统连接外围设备的新一代接口标准。利用PHILIPS公司的PDIUSBD12接口芯片, 设计开发了具体实现USB协议和技术的通用USB设备接口。