4、传感器信号处理：放大、滤波与模数转换

传感器信号处理：放大、滤波与模数转换

1. 传感器电压处理与运算放大器基础

在传感器应用中，若使用基于压电的传感器，其产生的电压可能远超后续电路（如微控制器）可接受范围。此时，可使用钳位二极管来限制电压。当输入电压在 0 至 5V 之间时，二极管截止，信号传递至微控制器；若输入电压超过 5V 加上正向电压降，二极管导通，将输入短路到 5V 电源轨；若输入电压低于 0V，下方二极管导通，将输入短路到地。这样，输送到微控制器的电压被限制在 0 - 5V 加减正向二极管电压降范围内。不过，树莓派是个例外，它没有内置钳位二极管。

对于非常小的电信号，通常需要进行放大以满足后续处理要求。运算放大器（op - amp）是实现这一目的的标准器件。它有两个输入端口（一个标为“+”，一个标为“ - ”）和一个输出端口，输出电压取决于两个输入端口之间的差值。理想运算放大器的放大倍数是无穷大，实际应用中常采用反馈机制来获得确定的行为。运算放大器具有以下三个基本特性：
- 输入端口的输入阻抗为“无穷大”，意味着没有电流流入运算放大器，不会对上游电路造成负载。
- 运算放大器会试图将输入端口之间的差值 (V_+ - V_-) 减小到零。
- 无反馈时的放大倍数近似无穷大，输出阻抗非常低，能提供高输出电流。

2. 不同类型的运算放大器电路

2.1 线路缓冲器

线路缓冲器常作为阻抗转换器使用，将高阻抗传感器的输出转换为低阻抗信号，降低噪声影响。其电路中，运算放大器的输出反馈到负输入端口。根据运算放大器的特性，输出会跟随正输入，且输入阻抗高，从传感器吸取的电流极小，输出阻抗低，可提供高电流。

2.2 跨阻放大器