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1、现代测试技术 Modern testing and measurement technology,苏州科技学院 电子与信息工程学院 电子科学技术系 潘敬熙,Jingxi- ,第2章 测试信号转换处理电路,本章学习要求：理解信号放大、信号滤波、信号运算、信号调制解调以及电桥等各种测试信号转换处理电路的基本原理，掌握其参数设计方法。,2.1 概述 2.1.1对测试信号进行转换处理的目的： 1.传感器输出的信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。 2.有些传感器输出的是电参量，需要转换成电信号才能进行处理。 3.有些传感器输出的是电信号，但信号
2、中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。 4.某些场合，为便于信号的远距离传输等原因，需要对传感器测量信号进行调制解调处理。,2.1.2传感器接口电路形式传感器按集成程度分为传统传感器和智能传感器。按有无能量输出分为无源传感器和有源传感器（智能传感器一般都是有源传感器）。按输出信号性质分为模拟传感器和数字传感器。传感器主要变化参数有：电阻、电感与电容。传感器输出信号主要形式有：电压、电流（或电荷）与频率；交流与直流。传感器输出结构形式有：直接、电桥、差分等；,2.2 信号放大2.2.1 概述一、什么是测量放大电路？在测量控制系统中，用来放大传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号的放大电路称为
3、测量放大电路，亦称仪用放大电路。工程测试中所遇到的信号，多为100kHz以下的低频信号，在大多数的情况下，都可以用放大器集成芯片来设计放大电路。,二、对测量放大电路的基本要求：输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；一定的放大倍数和稳定的增益；低噪声；低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；足够的带宽和转换速率； 高共模输入范围和高共模抑制比可调的闭环增益；线性好、精度高；成本低。,三、集成运算放大器的最主要参数： 开环增益A 闭环增益Af 差模开环直流电压增益（差模增益）AVD 共模开环直流电压增益（共模增益）AVC 输入失调电压VI0 输入失调电流II0 共模抑制比KCMR = 差模增益AV
4、D/共模增益AVC,四、 应用集成运放应注意的事项 (1) 调零消除失调误差“调零”技术是使用运放时必须掌握的。调零的原理是，在运放的输入端外加一个补偿电压，以抵消运放本身的失调电压，达到调零的目的。有些运放已经引出调零端，只需要按照器件的规定，接入调零电路进行调零即可。,(2) 相位补偿消除高频自激 由于运算放大器是一个高增益的多级放大器组件，应用时一般接成闭环负反馈电路。当工作频率升高时，放大器会产生附加相移，可能使负反馈变成正反馈而引起自激。进行相位补偿可以消除高频自激。相位补偿的原理是，在具有高放大倍数的中间级，利用一小电容C（几十几百微微法）构成电压并联负反馈电路。有些运放已经在内部
5、进行了补偿，如A741。有些运放引出了补偿端，只需要按照器件手册的规定，外接补偿电路即可，如国产5G24运算放大器。,(3) 过载保护使用运放时要注意，不能超过其性能参数的极限值，如最大输入电压范围等。特别是在有强干扰源的场合更要注意。,2.2.2 同相放大器,闭环增益：,集成运算放大器可以作为一个器件构成各种基本功能的电路。这些基本电路又可以作为单元电路组成电子应用电路。 同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。高输入阻抗电路常应用于传感器的输出阻抗很高的测量放大电路中。如电容式、压电式传感器的测量放大电路。,同相放大器输入阻抗ri+ ri+= ri(1+AF)
6、 同相放大器输出阻抗ro+ ro+= ro/(1+AF),教材约定：在涉及同相放大器的输入阻抗时，均以ri+来表示，即指同相放大器所具有的最低在107以上的输入电阻，而不器刻意指明其具体的数值。,2.2.3 反相放大器,闭环增益：,反馈电阻R2值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于信号源Ui的内阻。,交流反相放大电路 Af= R2 / R1 R3= R2 C1：隔直电容 C3：旁路电容，防止振荡,2.2.4 基本差动（差分）放大器,什么是差动放大器？差动放大器是把二个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相二个输入端，然后在输出端取出二个信号的差模
7、成分，而尽量抑制二个信号的共模成分。,2.2.4 基本差动放大器,为分析电路的共模抑制性能，我们做如下变换,式中,假设电阻的误差为 ，也就是说，电阻的实际值分别为 ，则可得,在最坏的情况下，即所有的电阻都取最大的误差值，并且取最不利的方向，可得最大的共模电压增益(忽略高阶小量),共模抑制比KCMR为,输入电阻：,难以避免的缺点：,1. 输入阻抗低,3. 工艺性差,2. 共模抑制比低,2.2.5 仪用放大器,什么是仪用放大器？是一类高输入阻抗，高共模抑制比的差分放大器。具有精度高，稳定性好等特点，经常用于精密仪器电路和测控电路中，故称为仪用放大器，也称为仪器放大器。,2.2.5 仪器（仪用）放大
8、器,按照教材中3.2节的约定，同相放大器的输入阻抗为ri+，不难得出三运放电路的输入阻抗：差动输入阻抗rid 2 ri+，共模输入阻抗ric ri+2。,2.2.5 仪器（仪用）放大器,可得放大器前级的差模增益AVD1和共模增益AVC1,2.2.5 仪器（仪用）放大器,仪器放大器前级的差模增益AVD和共模增益AVC,因此，三运放电路的共模抑制比在电阻匹配精度相同的情况下，要比基本差动放大器高 倍。由此可见，由三运放组成的差动放大器具有高共模抑制比、高输入阻抗和可变增益等一系列优点，它是目前测控系统和仪器仪表中最典型的前置放大器。,2.2.5 仪器（仪用）放大器,28,串联差分式输入仪用放大器,
9、输入信号加于两个运放的同相输入端，差分输入电阻近似为两个运放的共模输入电阻之和，提高了输入电阻。,利用迭加原理， 分别作用于输入端,29,串联差分式输入仪用放大器,双端输入，输入电阻为无穷大。,2.2.6 可变增益放大器,2.2.6 可变增益放大器,2.2.6 可变增益放大器,2.2.6 可变增益放大器,2.2.6 可变增益放大器,2.2.7 隔离放大电路什么是隔离放大电路？隔离放大电路的输入、输出和电源电路之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。应用于何种场合？隔离放大电路主要用于便携式测量仪器和某些测控系统（如生物医学人体测量、自动化试验设备、工业过程控制系统等）中，能
10、在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。,2.2.7 隔离放大器,1. 采用集成的线性光电耦合放大器,2. 采用集成前置放大器和线性光电耦合放大器在一起的大规模集成电路,3. 采用数字信号隔离技术,组成及符号,原理框图,常见的几种光电耦合器的内部电路,2.2.7 隔离放大器,几种光电耦合放大器的传输特性,2.2.7 隔离放大器,光电耦合放大器,2.2.7 隔离放大器,线性光电耦合放大器,2.2.7 隔离放大器,性能优良的线性光电耦合放大器,2.2.8 电桥放大电路,何谓电桥放大电路？由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。应用于何种场合？
11、应用于电参量式传感器，如电感式、电阻应变式、电容式传感器等，经常通过电桥转换电路输出电压或电流信号，并用运算放大器作进一步放大，或由传感器和运算放大器直接构成电桥放大电路，输出放大了的电压信号。,a 、c两端接电源Ui，称供桥端； b、d两端接输出电压Uo，称输出端。,一、电桥 电桥的作用：将电阻R(应变片)、电感L、电容C等电参数变为电压U或电流I信号后输出。,根据桥臂阻抗性质的不同为 :,电阻电桥 电容电桥 电感电桥,根据供桥电源分为 :,直流电桥: 采用直流电源 只用于测量电阻R的变化交流电桥：采用交流电源测量电阻R 、电容C 、电感L的变化,1. 电桥的分类,2. 直流电桥,四个桥臂由
12、电阻R1、R2、R3和R4组成。,直流电桥,平衡条件,R1R3=R2R4,直流电桥,电桥的输出：,平衡的条件：,温敏电阻,直流电桥,当电桥输出端接入仪表或放大器时，电桥输出端可视为开路状态，电流输出为零。,此时，桥路电流为：,a、b之间电位差为：,a、d之间电位差为：,电桥输出电压为：,+,直流电桥平衡条件推导：,直流电桥,R1R,U0U,U,R1,R1R3=R2R4,平衡的条件：,电桥的输出：,这时，电桥平衡吗？,R,为了简化设计，R2=R3=R4=R0 ，而R1=R0+R,直流电桥,R0R,U0U,U,电桥的灵敏度定义为,单片,半桥、单臂输出,全桥、四臂输出,半桥、双臂输出,四片,两片,半
13、桥、单臂输出,全桥、四臂输出,半桥、双臂输出,统一表示：,四片,全桥、四臂输出,当R1 R1R1，R2 R2 R2 ，,由于，R1=R2=R3=R4=R0，R取相同值，可得,R3 R3R3，R4 R2 R4时,电桥的灵敏度定义为,全桥、四臂平衡条件简要推导,电桥常用调平衡的方法,电桥测量的误差,非线性误差,温度误差,直流电源的电压稳定性造成的误差,半桥、单臂输出：,半桥、双臂输出：,全桥、四臂输出：,直流电桥,平衡条件,3.交流电桥,交流电桥,而,其中，Z1、Z2、Z3、Z4为阻抗的模，而1、2、3、4为阻抗角，是各桥臂电流与电压之间的相位差。,Z1Z3ej(1+3)=Z2Z4ej(2+4),
14、(*),平衡条件,电容电桥,电容电桥,平衡条件：,电感电桥,电感电桥,平衡条件：,电容电桥,两相邻桥臂为纯电阻R2、R3，另相邻两臂为电容C1、C4,R1、R4视为电容介质损耗的等效电阻,根据平衡条件,电桥平衡条件：,电容电桥平衡条件简要推导,电感电桥,根据平衡条件,电桥平衡条件：,电感电桥平衡条件简要推导,（一）单端输入电桥放大电路,二、电桥放大电路,（二）差动输入电桥放大电路,（三）线性电桥放大电路,2.2.9自举式高输入阻抗放大电路,何谓自举电路?自举电路是利用反馈使输入电阻的两端近似为等电位，减小向输入回路索取电流，从而提高输入阻抗的电路。,是不是所有情况下都要求放大电路具有高的输入阻抗？ 高输入阻抗电路常应用于传感器的输出阻抗很高的测量放大电路中。如电容式、压电式传感器的测量放大电路。,
