简介

测量现实世界中的物理现象时，信号调理是精确测量传感器输出信号、提高采集质量的先决条件。就好像生长在农场中的小麦，在包装成杂货店里的一袋袋面粉之前，需要经过大量的预处理，原始信号必须经过清理、转换和适当的调整，才能成为人类或机器可以识别的信号。

针对不同的待测信号和测量仪器，应选用不同的信号调理方式。为了让您更加熟悉信号调理的基础知识，本文将讨论数据采集领域最常见的信号调理技术：

1模拟输入前端拓扑

2仪表放大器

3滤波

4衰减

5隔离

6线性化

7电路保护

每种技术都有相应的优势和不足。本文力图阐明其最佳使用方法和常见应用场合。电路图和公式用于说明如何选取正确的电子元器件。理解这些信号调理技术的特点，将有助于您在相关应用中提高数据采集系统的测量精度。

3. 滤波器

图12A：Butterworth滤波器。Butterworth滤波器其频率响应特征表现为通带段平坦，过渡带衰减迅速。

图12B：Chebyshev滤波器。Chebyshev滤波器其频率响应特征相比于Butterworth滤波器，衰减更加迅速，但相位响应更加非线性。

图12C：Bessel滤波器。Bessel滤波器其频率响应特征为，具有最佳的阶跃响应和线性相位，但阶数必须足够高，才能弥补过渡带衰减缓慢的缺点。

最常见的三种滤波器分别是Butterworth滤波器、Chebyshev滤波器和Bessel滤波器（如图12A、B、C）。每种滤波器都有其独特的频率响应，分别适用于不同场合。虽然他们都可以设计成高通、低通、带通或带阻模式，但响应特性不同。最后，他们都可以用于无源网络或有源网络。

Butterworth滤波器通带相当平坦，并且具有陡峭的过渡带衰减曲线。输入阶跃信号时，他可以工作得很好，只是有一点相位非线性。Chebyshev滤波器过渡带衰减得更快，但具有通带波纹，输入阶跃信号会产生振铃效应，而且相位非线性比Butterworth更严重。Bessel滤波器具有最佳阶跃响应和线性相位，但阶数必须足够高才能够弥补过渡带衰减缓慢的缺点。

低通滤波器

图13：简单的RC滤波器。模拟输入通道上的低通滤波器在抑制高频噪声的同时，也降低了带宽。

输出信号

截至频率

低通滤波器根据信号频率相对于角频率的大小和滤波器阶数的不同，在不同程度上抑制了高频信号。当待测信号频率较低时，放大器也不需要设计成很高的带宽，这有利于抑制电路中多余的高频信号和噪声。为小信号传感器准备单独的信号调理阶段（不是多路复用阶段），好处是能够在每条信号通路上引入一个低通滤波器。

放置低通滤波器的最佳位置是每个信号通路上的缓冲器和多路选择器之前（见图13）。对于小信号来说，在滤波之前加一级仪表放大器，即组成了有源低通滤波器，可以用来优化信噪比。

高通滤波器

图14：高通滤波器。高通滤波器的角频率较低，接近于0，而截止频率较高。电容/电阻的数量决定了极点个数和过渡带陡峭程度。

高通滤波器与低通滤波器的工作模式刚好相反。在低频干扰信号会掩盖掉有效高频信号时，需要使用高通滤波器来抑制低频信号。低频干扰有时是来自于市电的50Hz或60hz的工频干扰。同样，当测量机器振动时，有用的信号中可能夹杂着各种低频干扰，例如机器框架上电源变压器的硅钢片振动。另外，高通滤波器和低通滤波器组合在一起，即可构成带阻滤波器，用于衰减窄带信号，例如50Hz至60Hz的信号及其一次谐波。图14演示了一个具有3个极点的高通滤波器。

有源滤波器 vs. 无源滤波器

图15：有源滤波器。无源滤波器的截止频率经常受到负载影响，可以利用有源器件，如晶体管或运放等，使滤波器的极点不受负载影响，保持频率特性稳定。

无源滤波器由电阻、电容和电感等分立元件组成。频率信号通过这些电路时，将产生两个问题：有用的信号会被衰减一小部分，另外连接负载时，将影响原始滤波器的频率响应。但是，有源滤波器则成功避免了此类问题（见图15）。有源滤波器由运算放大器和一些集成或分立的电阻、电容、电感组成，能够提供适当的通带或阻带，不会受负载影响，也不会衰减有用信号。

开关电容滤波器

虽然包含运算放大器的有源滤波器比无源滤波器更有优势，但仍然需要集成电阻和分立电阻。在集成电路中设计电阻需要占用很大的晶圆面积，并且无论是相对阻值还是绝对阻值，都很难保证精确度，然而设计多个容值几乎相等的电容则轻松得多，在开关模式下，他们可以用来替代滤波器中的电阻。

相对传统滤波器而言，开关电容滤波器是一种新型滤波器。早在1892年，James Clerk Maxwell就已经在论文中将开关电容和电阻做了对比，但直到最近，他才有了这样一个想法：将一个零偏电子开关和高输入阻抗运放组合在一起。现在，开关电容技术已经应用到极其复杂的高精度模拟滤波器之中。

图16：开关电容滤波器。由于电阻比电容的误差高，占据面积大，因此产生了一种用多个精密电容替代电阻的技术，即开关电容。

图16描述了与RC滤波器等价的开关电容滤波器结构。S2闭合，S1断开时，电压V2给电容C2充电。然后断开S2，闭合S1，电容C2给C1充电。以特定频率重复此过程，将产生一个充电电流，其大小等于单位时间内传输的电荷量。

具体公式的推导超出了本文所讨论的范围，在此仅给出其等效电阻的计算方法：

公式4：开关电容滤波器

(V2 – V1)/i = 1/(fC) = R

其中:

V2 = 电压源2, 单位V

V1 = 电压源1, 单位V

i = 等效电流, 单位A

f = 时钟频率, 单位Hz

C = 电容, 单位F

R = 等效电阻, 单位Ω

公式4表明，开关电容完全等价于一个电阻，其有效阻值与时钟频率和电容容值成反比。

图17：衰减器/缓冲器。输入信号高于10V时，分压器将用于降低输入信号，以防放大器饱和甚至烧坏。

4. 衰减器

分压器

大部分数据采集系统只能测量低于5V或10V的信号，更高的电压在测量前必须经过衰减，简单的电阻分压即可将信号衰减至任意幅度内（见图17），但此方案存在两个弊端。首先，与直接将信号源连接至模拟输入端相比，分压电路将大幅度降低输入电阻。其次，对于多路复用器的输入端而言，分压电路的输出电阻又过高。举例来说，衰减比10：1的分压电路，输入信号50V时，如果两个分压电阻的阻值分别为900kΩ和100kΩ，那么信号源的负载相当于1MΩ，而多路选择器看到的信号输出电阻为90kΩ，但这仍然大到足以影响精度。当信号被衰减100倍，使得输入电阻低于1kΩ，那么被测信号所表现出的输入电阻相当于为10kΩ，或2kΩ/V。这是绝对部分仪器在电压测量中无法接受的。因此，在多路复用输入系统中，使用如此简单的衰减器是不实际的。

带缓冲的分压器

图18：带缓冲的电压衰减器。运算放大器或晶体管可以用作阻抗匹配缓冲器，以防负载对输入电压造成的影响。

为了避免简单电压衰减器中的低阻抗负载效应，可以在衰减器的输出端接一级单位增益缓冲放大器。一个专用的单位增益缓冲器具有MΩ级的输入电阻，并且不会降低输入信号，正如前面的例子中所描述的那样。除此之外，缓冲器的输出电阻非常低，这正是多路复用的模拟输入系统所需要的（见图18）。

对称的差分分压器

图19：带补偿的高压分压电路。数据采集系统中，典型的高压输入前端信号调理电路包括一组对称的差分输入，并且能够选择输入量程（如10V，50V，100V）。电路还会对长导线产生的电容做出补偿，以便在衰减交流信号时提高精度。

并非所有分压网络都在一端连接至地或其他公共参考点，驱动数据采集系统的模拟输入时，对称的差分衰减器也许是个很不错的方案（见图19）。在这种情况下，差分放大器能够有效抑制因没有共地导致的共模噪声。

高压分压器

有一些数据采集系统在输入端具有特殊的高压衰减器，可轻松测量高达1200V的信号。此类电路能够很好地隔离高压信号，并可以通过调整电阻大小来改变衰减比例。同时，可以通过调整内部电位器，使输出信号更接近设备的量程。

带补偿的分压器和探头

有一种测量技术可以消除导线和电缆上的直流电阻，因此在衰减直流信号时，即使分压网络和数据采集系统之间的导线很长，但分压比例能始终保持很高的精度。在这种技术中，具有另外一组与电源和分压器隔离的信号输入线路。

如果分压电路用于衰减交流信号，必须时刻对导体与地（或其他公共端）之间的寄生电容作出补偿，即便是60Hz左右的低频信号也是如此。当交流信号在分压网络中被调整到原始信号的0.01%以内时，到达数据采集系统输入端的信号可能受导线的寄生电容影响，超出误差容限5%左右，一个解决方案是在数据采集系统的输入端口（或分压网络）上并联一个补偿电容。举例来说，示波器探头通常带有一个可调电容，用于匹配输入阻抗，因此，观察示波器前面板上的1000Hz方波信号时，不会看到上下脉冲尖峰。

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