6信号的调理2010剖析

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1、测试技术 信号的调理(4),第六章,内容,概述 电桥 信号的调制和解调 信号的放大 信号的滤波,测试系统典型组成 传感器、信号调理、信号处理、显示与记录,1、概述,信号调理,传感器,信号调理 隔离 变换 放大 滤波,1、概述,电参数 电阻 电容 电感,电信号 电压 电流 电荷,规范/标准信号 电压、电流、频率 便于处理、接收或显示记录,调理内容 电桥 调制解调 放大器 滤波,1、概述,基本概念 电桥是将电阻、电感、电容等电参数的变化变为电压或电流输出的一种转换电路 四臂 激励电源 输出电压：直接测量、进行放大 特点：结构简单，精确度和灵敏度高，易消除温度及环境影响 分类：按照所采用电源不同，分

2、为直流电桥和交流电桥,2、电桥,直流电桥 直流供电 桥臂为电阻,平衡条件： 对应臂乘积相等 应变测量： 单臂桥：,2、电桥,直流电桥,半桥：相邻臂变化相反/差动 全桥：在半桥基础上，对应臂变化相同 灵敏度：全桥测量时最大 调零,调零平衡: 工作臂电阻变化为0 电桥输出为0,R1=R0+R,R2=R0-R,2、电桥,直流电桥 几种连接形式,单臂桥,半桥,全桥,测量：放大 相邻臂差动 对应臂相同,补偿：平衡 相邻臂相同,2、电桥,直流电桥 应用：悬臂梁纯弯曲的力测量 R1、R2差动变化 半桥 温度补偿？,应变片粘贴位置 电桥连接方式,2、电桥,直流电桥 应用：悬臂梁纯弯曲的力测量 R1、R4相同；

3、R2、R3相同；2组差动变化 全桥 温度补偿？,应变片粘贴位置 电桥连接方式,2、电桥,交流电桥 激励源：高频电源Ue 4个桥臂为交流阻抗Z1Z4 Z可为电阻R、电容1/(jC)、电感jL 输出：调制信号U0,2、电桥,交流电桥,平衡条件: 同时满足： 幅值条件 相位条件,好处: 易于放大 RLC测量,2、电桥,交流电桥,平衡条件:,应用：相邻臂同性质参数 Z1、Z3：同为L或C Z1、Z4：同为L或C？ 如何匹配对应臂参数？,2、电桥,交流电桥,电感测量 Z1R1、Z2R2 Z3jwL1 Z4jwL2 平衡条件：R1.L2=R2.L1,电容测量 Z1R1、Z2R2 Z31/(jwC1) Z4

4、1/(jwC2) 平衡条件：R1/C2=R2/C1,2、电桥,交流电桥 带感应耦合臂的电桥 变压器电桥,2、电桥,交流电桥 调制 电桥输出 交流放大 相敏检波 低通滤波,2、电桥,传输 发射 耦合,作用 微弱缓变信号的放大 信号的远程传输,3、调制与解调,术语 调制：用被测信号控制高频信号的过程 被测信号：调制信号 高频信号：载波信号 调制分类：调幅、调频、调相 解调：从已调信号中恢复被测信号的过程。,3、调制与解调,分类 用微弱的缓变信号控制高频交流信号，然后交流放大、传输，最后再解调出放大的信号 高频交流信号 幅度凋制(AM)： 频率调制(FM)： 相位调制(PM)：,3、调制与解调,基本

5、波形,幅度凋制(AM),频率调制(FM),相位调制(PM ),调制的频率,f0,3、调制与解调,调幅解调 基本思路,3、调制与解调,调幅解调 乘法器调幅,3、调制与解调,调幅解调 乘法器调幅 意义 用不同频率的载波对不同被测信号进行调制后，能够移动它们的频谱位置，使它们互相不发生覆盖 利用调制可以把低频信号推移到高频，利用带通放大器对信号进行放大，从而减少工频信号的干扰，有效地提高信号质量，便于信号的远距离传输,3、调制与解调,调幅解调直接凋制 交流电桥调幅 对于单臂桥：？,3、调制与解调,调幅解调直接凋制 分压调幅电路 被测量引起电感或电容发生变化，并联回路的阻抗也发生变化，电压ux也要发生

6、变化，其输出电压为：,3、调制与解调,调幅解凋 相敏检波：鉴别信号的幅值和相位、低通,参考信号：载波信号 变压器B的输出大于A、比较 原信号为正：调幅与载波同相恢复正 原信号为负：调幅与载波异相恢复负,参考：载波,调幅,相敏,滤波,3、调制与解调,调幅解凋 动态电阻应变仪,3、调制与解调,调频和解调 调频：频率可控的等幅振荡器 待测的电容或电感作为自激振荡器的谐振回路中的一个调谐参数，电路的谐振频率为： 测量电容，则： 中心频率为o的调频信号 调频比较容易实现数字化 调频信号在传输过程中不易受到干扰,3、调制与解调,调频和解调 解调/鉴频：变压器耦合的谐振回路鉴频法 L1-C1、L2-C2组成

7、的谐振回路，只要利用特性曲线的亚谐振区近似直线的一段实现频率-电压变换，调频信号uf变为调幅信号ua 经过二级管进行半波整流，再经过RC组成的低通滤波器滤波，滤波器的输出 uc与调制信号成正比，复现被测信号,3、调制与解调,应用 电台 电视 电话 涡流传感 交流电桥,3、调制与解调,电桥 特点：结构简单，精确度和灵敏度高，易消除温度及环境影响 分类：按照所采用电源不同，分为直流电桥和交流电桥 平衡条件：对应臂乘积相等 几种连接方法和灵敏度 测量方法：相邻臂差动、对应臂相同 补偿：平衡相邻臂相同 应用：RLC测量 调制与解调 作用：微弱缓变信号的放大、信号的远程传输 分类：幅、频、相调制解调 调

8、幅的意义、三种调幅方法、解调方法 调频方法及鉴频 应用：音视频信号的广播、电参数的测量,回顾,目的 对传感器或测量电路输出的弱信号进行放大，以满足显示、记录或A/D转换需要 基本要求 高阻抗输入：隔离前级 规范输出 电压：5v 电流：420mA （传输） 失真小 非线性小、精度高 一定带宽（滤波） DC10kHz 低阻抗输出：驱动能力 抗干扰：共模抑制,4、信号的放大,运算放大器 高增益（ A很大） U0 （VV） 虚地 高输入阻抗（Ri非常高） 输入电流很小 虚断 低输出阻抗R0 很大的带宽,V V,A U0,4、信号的放大,直流放大单元,反相放大器 反相 大增益：取决于反馈电阻RF（值太大

9、会产生较大的噪声及漂移，极限就是开环） 同相放大器 输入阻抗非常高：隔离 输出阻抗很低,4、信号的放大,直流放大单元,差动放大器 R1=R2，RF=R3时，差动放大器的差模电压增益为： 双端输入一单端输出 共模抑制比较高 输入阻抗：Rin=R1+R2=2R1,4、信号的放大,交流放大单元,输入电阻： Rin=R1 R1过大，会产生噪声；过小则影响前级信号源输出，一般取几十千欧 交流增益 交流带宽fL ：取决于C1、C3 C1=C3=(310)/(2RLfL),4、信号的放大,测量放大器 通用运算放大器 失调电压：毫伏级 温漂：每度数十微伏 不宜直接对微弱信号进行精密放大 测量放大器 微弱信号（

10、如生物医电信号） 要求严格的精密测量,4、信号的放大,测量放大器,特点：（R1=R2 R3=R4 R5=R6） 高精密、高稳定差动放大 第一级: 第二级: 总电压增益 Rg调节放大倍数 具有高输人阻抗、低输出阻抗 强抗共模干扰能力、低温漂、低失调电压,三个运放分二级放大 第一级是两个同相放大器，高输人阻抗 第二级是普通的差动放大器 ，双端输入单端输出,4、信号的放大,程控测量放大器,程控增益： R1=R2、R3=R4 、R5=R6 模拟开关切换R1/R2 实现量程自动切换,4、信号的放大,测量放大器指标（G=100） 非线性度：0.005 温漂：6v/ 共模抑制比： CMRR100dB 差模输

11、入阻抗：3x106 共模输入阻抗：6x106,美国Analog Devices公司:AD622 增益控制： 供电电源：2.6 V to 15 V、1.5mA 带宽：800kHz(G=10) 最大失调电压：125 v,4、信号的放大,隔离放大器 目的 解决模拟信号传输过程中的可靠性问题 模拟信号微弱 测试现场的干扰比较大（强电） 对信号的传输精度要求高,4、信号的放大,隔离放大器 特征 具有一般通用运放的特性 其输入端与输出端之间(包括所使用的电源之间)无直接耦合通路隔离 信息传送是通过片内磁路、光路、电容等来实现 耦合方式 变压器耦合 电容耦合 光电耦合,4、信号的放大,高性能的输入运算放大器

12、、调制器和解调器 信号耦合器、输出运算放大器、电源,隔离放大器,4、信号的放大,隔离放大器 举例,三端隔离电源与输入输出隔离 单+15V直流供电,4、信号的放大,电荷放大器 目的：测量压电式传感器输出的电荷 特点：带电容深度负反馈的高增益运算放大器积分,加速度计 电缆 电荷放大器,4、信号的放大,电荷放大器 分析 电荷集中在电容C和反馈电容Cf 如果放大器开环增益A足够大 uo-qe/Cf 电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，并且与电缆分布电容无关 电荷放大器的灵敏度取决于Cf灵敏度的选择 常做高精度测量,加速度计 电缆 电荷放大器,4、信号的放大,作用 使信号中特定的频率成分通过 极

13、大地衰减其它频率成分 基本类型,5、信号的滤波,滤波单元的串并联,5、信号的滤波,低通截止频率大于高通截止频率,低通截止频率小于高通截止频率,滤波单元参数,fh,衰减程度,指标 截止频率fc1、fc2 带宽B 纹波幅度d -3db 倍频程选择性W,5、信号的滤波,无源滤波单元,5、信号的滤波,无源滤波单元 典型滤波电路RC 低通滤波电路 截止频率fc=1/(2)取决于时间常数 不失真传输：ffc，信号不变、线性延时，几乎不受衰减地通过,5、信号的滤波,无源滤波单元 典型滤波电路RC 高通滤波电路 截止频率fc=1/(2)取决于时间常数 不失真传输：ffc，信号不变、0延时，几乎不受衰减地通过,

14、5、信号的滤波,无源滤波单元 典型滤波电路RC带通滤波 高通、低通串联 截止频率fc1=1/(21)高通 截止频率fc2=1/(22)低通,5、信号的滤波,有源滤波单元 定义：由运算放大器等有源器件组成的调谐网络 运算放大器既可作为级间隔离作用，又可起信号幅值的放大作用 一阶低通滤波网络 RC低通输入+运放：隔离负载影响、提高增益和提高带负载能力 截止频率：fc1=1/(2) 放大倍数：k=1+Rf/R1,5、信号的滤波,有源滤波单元 定义：由运算放大器等有源器件组成的调谐网络 一阶低通滤波网络 RC高通反馈+运放：隔离负载影响、提高增益和提高带负载能力 截止频率：fc1=1/(2) 放大倍数

15、：k=Rf/R1,5、信号的滤波,有源滤波单元 定义：由运算放大器等有源器件组成的调谐网络 二阶低通滤波网络 多个RC网络+运放：提高低通滤波器的阶次，加快高频成分衰减 多路负反馈可以削弱RF在调谐频率附近的负反馈作用,5、信号的滤波,滤波单元产品 LineDa: LTC1564,4位可控的8阶低通滤波器 截止频率10kHz-150kHz、步长10kHz 2.5 x fc点的衰减率 100dB 4位可控增益放大器：1-16、步长1,5、信号的滤波,信号放大 放大器的目的、基本要求 直流、交流放大单元的几种形式和放大倍数 测量放大器的结构和特点 隔离放大器的用途、特点和种类 电荷放大器的电路特点：线性输出、连接电缆影响小、灵敏度可选 信号滤波 滤波的作用和基本类型 基本指标：截止频率、带宽、纹波度、倍频程选择性 无源滤波典型电路：RC高、低通、带通滤波 有源滤波：一、二阶低通滤波器（低通输入回路、高通反馈回路）,回顾,作业,教材 6-2、6-3、6-5,Thank you!,