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1、,11,第9章无源电路在信号调制与接口技术中的应用,第9章 无源电路在信号调制与接口技术中的应用,绪论,为实现远程读数，大多数传感器趋向于产生一个电子输出信号，为了将来可以再被利用，这些信号在输出形式上必须与适当的显示、记录或控制系统的输入要求协调一致。 未经调制就直接达到一致的情况很少，一般需要以适当的方式转变信号并使系统中各元件之间互相匹配。 转变信号的过程被称为信号调理，使系统中的各个电子装置协调一致称为接口匹配。,从前面讨论过的传感器、显示和记录装置的内容中，已经给出了对于信号调制和接口的各种要求。 为了从显示和记录装置中获取最好的效果，时常需要使传感器传输最大功率或信号电压。 在很多
2、情况下，应用纯无源电路就足够了。无源电路从它们所连接的系统中获得所需要的功率。,无源电路是一种仅使用各种无源元件，即电阻、电容或电感的电路。电子元器件工作时，其内部没有任何形式的电源，这种器件叫做无源元件。,从电路性质上看，无源元件有两个基本特点： (1)自身或消耗电能，或把电能转变为不同形式的其 他能量。 (2)只需输入信号，不需要外加电源就能正常工作。,9.1信号调制,9.1.1 无源分压电路电位差计,电位差计是一种可从较高的电压得到较低电压的装置，输出可以(按显示或记录装置的输入要求)按比例减少或分压。 如果传感器的输出电位比显示和记录装置所要求的电压高，我们就可以用电位差计相应地按比例
3、降低(减小)其电压。 如果信号按比例缩小的值是已知的，我们就可以用这个比例系数标定被显示或记录的各种量值。为此，需要一种计算输出电压Vo的方法。,图示为一个基本的电位差计电路，其中，V表示输入电压，Vo表示输出电压，R表示可变电阻值。,要计算比例系数，我们可以用输出电压除以输入电压得到，即Vo/Vi。,为了更详细地反映滑动接触点的位置，我们重画出电位差计电路，这样把电阻R分为两个电阻元件R0和R1，相应的电压为VR0和VR1，R0是电位差计中输出回路的电阻，R1为电,位差计其余的电阻。 改变电位差计滑动接触点的位置，电阻R0和R1值会相应变化，输出电压Vo也因此而变化。,如果没有电流输出(即电
4、流I的值不变)，那么，由输入电压Vi供给的电流I为：,通过电阻R0和R1，的电压为,由于Vo=VR0=IR0，因此可得,根据基尔霍夫电压定律可知,例9-1 在图所示分压器电路中，输入电压为12V，滑动接触点被设定，并且此时输出电队为8k，其余的电阻为2k。试确定输出电压和此位置时电位差计的分压比例系数。,解：由题设可知 Vi 12V，R08k，R1 2k,所以，输出电压为9.6V，比例系数为0.8。,值得注意的是，假定在电路中连接输出电压Vo时没有电流损失。如果允许电位差计作为电流源，即电阻与它连接，那么关系：,将不再是正确的。而且，测量的输出电压Vo将减小，减小量直接与Ri在电路参数中的电流
5、变化量有关。 实际上，任何显示和记录装置都可以引入一个与电位差计连接的电阻，因此，尽可能地减小该电阻对电位计分压比例系数的影响是必要的。,图示为接有一个负载电阻的电位差计电路，电路中的一部分电流将流经这个电阻，如果流经负载电阻的电流减少了，就能够减小其对比例系数的影响。,为了计算负载电阻的影响，首先，需要确定等效电阻RE，即RL和R0并联的电阻为,为了确定输出电压，我们用RE代替R0,并代入公式，可得含有负载电阻RL的电位差计电路的输出电压为,负载电阻RL越大，通过它的电流将越少，因此它对输出电压的影响就越小，比例系数也越大。,例92 图示两个电路图中，两个电路的区别仅仅在于电路的负载电阻：图
6、a中为3k ，图b中为200k 。对于两个电路，输入电压均为10V，电位差计的滑动接触点位置设置在与输出连接的电阻为2k ，剩下的电阻为8k 。确定:(1)当电路中没有负载电阻时的输出电压；(2)当负载电胆为3k时的输出电压；(3)当负载电阻为200k时的输出电压。,解：根据题意可知,由上例的计算结果可以看出，当负载电阻增大时，负载引起的误差减少。 当负载电阻较小为3k时，电位差计电路输出电压为1.3V，比无负载电路减少0.7V，即减少35%。当负载电阻为200k时，电位差计电路输出电压为1.98V，仅比无负载电路减少0.02V，此时差值仅为1%。 在实际中，负载电阻至少应该取R0的100倍以
7、上，以确保其误差不超过1%。 数字电压表拥有的输入电阻常高于10M 。输入电阻对信号的影响可能是微不足道的，因此得到的测量精确度非常高。,9.1.2 单臂电桥,单臂电桥是以Charles Wheatstone(1802一1875)先生的名字命名的，因此又叫惠斯登电桥。 它是一种通过未知电阻与已知电阻相比较从而确定未知电阻值的装置。 是一种常用于对电压或电流以及电阻进行信号调制的电路。,图示为一个单臂电桥电路。 通常其中一个电阻为传感器信号，R1可能为金属电阻温度计，其电阻随温度而变化，因此其电阻是未知的。同样地，它可以是粘贴式电阻应变片，它的电阻随应变量而变化。,单臂电桥电路可以认为是含有两个
8、分压器的比较电路，一路由电阻R1和R2组成，另一路由电阻R3和R4组成。 单臂电桥作为信号调制电路是非常有用的，因为我们可以建立一种输出电压Vo和其中的4个电阻之一之间的变化关系。 为了建立这种关我们可以把单臂电桥看作为两个以并联形式连接的电位差计，当输出电压为0时，那么B点和D点的电位相等，即：,可给出,同理，由,可得,输入电压Vi连接在A和C之间，相应的输出电压为V0，可以得出,V0VR1-VR3,式中,因为,所以,则,如果电阻R1为未知，那么R1和输出电压Vo之间的关系用式就不再是线性关系。为了信号调制的目的，给出未知电阻R1和输出电压Vo之间的线性关系的表达式是非常有用的。,为了确定这
9、种线性关系，假定当电阻R1的阻值由R1变化到R1+R1；时，输出电压的变化量为Vo，这时，总输出电压为Vo+Vo，则有,如果R1，相对R1是很小的，那么，可以近似地确定输出电压的变化为,所以,由上式可以看出，电压的变化量Vo和电阻的变化量R1之间是近似线性关系。 尽管R1远小于R1，与提供给单臂电桥的电流相比，由Vo提供的显示或记录电路的电流是很小的。 假定Vo和R1成正比，这使得单臂电桥成为一个非常有用的装置，它能把基于电阻变化的传感器输出信号调制后提供给显示或记录装置。 利用单臂电桥调制从铂电阻温度计输出信号的算法也可以应用于任何基于电阻变化的电路。,例93 一个铂电阻温度计连接在单臂电桥
10、的一个桥臂上，如图示，电路中固定电阻的阻值均为200 ，输入电压为10V，在O时电路平衡，并且在此温度下温度计的电胆为200 。如果铂电祖的温度系数为0.0041，当温度变化1时，试确定输出电压的变化。,解：由于,由本题可知，R0= 200，= 0.0041，t=1 ,因此,因为R比R0小的多，我们可以用表达式,这样，温度每变化1，输出电压变化20mV。,9.2 无源接口,在前面几章中我们讨论了电阻和电容的各种特性，在这节我们会用到电感的特性。 含有感应线圈的装置称为电感。电感是指在通电电路中会形成电磁场并且储存磁能的装置。 有多种方法能确保从传感器到显示器或记录装置所传输的信号或功率为其最大
11、值，即实现信号匹配，所用的术语“匹配”意昧着从电路的一侧到另一侧之间参数存在最佳适配率，“匹配”所指的比率不一定要相等即1:1。 获得最大电压传送的信号匹配、最大功率传送的功率匹配以及利用变压器获取最大功率的基本方法将在本节讨论。,9.2.1 功率匹配最大功率传送,如果可能的话，人们希望从电源到负载所传送的能量最大化。 在磁电式仪表中，需要所供给的电流产生磁感应时，或者在一个化工厂中，当控制系统的输出要被反馈时，需要控制液体给料的电驱动阀。 在要求从电源到负载提供的能量必须是最大化的场合，功率匹配是必要的。,当电源电阻与负载电阻相等时可以获得功率匹配，可把电源等效为电动势Es和内部电阻Rs。,
12、从电源到负载传送的功率是最大的，并且当负载的电阻RL等于电源的内部电阻Rs时，称为负载与电源匹配。,例9-4 所示电路中，一个可变的负载电阻连接在电源电路里，电源电动势为50V，内部电阻为25 。计算当负载电阻按照5的增量从0到50变化时负载电阻消耗的功率。画一个计算结果图并确定消耗的最大功率及其对应的负载电阻的值。,解：根据题意可知Es=50V Rs= 25,当负载电阻按照5的增量从0到50变化时负载电阻消耗的功率为,其中,负载消耗功率,从表可以看出当负载电阻与电源内部电阻相等(25)时，消耗的功率最大为25W。,计算结果表明，最大消耗功率25W出现在当负载电阻与电源内部电阻相等（RLRs=
13、25）时，消耗在其他的负载电阻值上时的功率均小于25W。,上面电路中，假设了一种纯电阻电源和纯电阻负载，,在实际中，电源和负载不一定都是纯电阻的，也有电容或电感阻抗(即容抗或感抗)。 在这种情况下，电源电阻必须等于负载电姐，而且电源阻抗(感抗、容抗)必须是与负载阻抗大小相等但类型相反的阻抗，从而使其平衡。 为了获得最大的功率传送，如果负载是感性的(线圈)，则电源应该是容性的。,9.2.2 信号匹配最大电压信号传送,变压器感抗匹配的目的是确保从传感器到显示或记录装置所传送的功率最大化。 变压器的特性决定了它仅用于交流电。变压器是在电路中改变电压的装置，同样，变压器也可用于在电路中改变阻抗。 阻杭
14、是度量在交流电路中，电阻、电感或电容阻碍电流流动的能力，单位为 。,变压器的优点是它可作为传感器与显示或记录装置之间的中间装置。通过二次绕组的电压与源电压明显不同。 功率通过连接变压器各级绕组的电磁场传送，由于在一次和二次绕组之间役有电路连接，因此该装置从本质上讲是安全的。,图所示为一个用变压器匹配传感器(发送端或信号源电感)的阻抗Zs与显示或记录装置的阻抗(负载感抗)ZL的电路，并由此获得最大功率传送。 变压器一次绕组的线圈匝数为N1，二次绕组线圈的匝数为N2，为了阻抗匹配，变压器的一次绕组到二次绕组的适配比率必须满足一定要求，即,从上式可以看出，为了获得从源信号到负载之间最大的功率传送，变
15、压器一次和二次绕组线圈匝数的比值必须等于信号源阻抗与负载阻抗比值的平方根。,例9-5 图示电路中，一个来自传感器的信号要传送给显示器，传感器的扭杭为200k，而显示器的输入阻抗仅2k，假定变压器损失很小，可以忽略不计，试确定变压器线圈的匝数比，由此使传感器的阻抗与显示器相匹配，以确保最大的功率传送。如果当一次绕组的电压为50V时，出现最大功率传送，试确定变压器获得的功率。,2,解：根据题意 可知,Zs= 200k RL= 2k,在最大功率传送时，V1=50V,因此，在最大功率传送时变压器的变比为10：1。,在最大功率传送时,确定变压器获得的功率P1,本章小结,本章主要讨论了常用转换或调制传感器输出信号的无源技术，以便使转换后的信号与显示、记录或控制装置所要求的信号协调一致。 将会注意到实际应用往往与理论略有不同，必须仔细考虑负载的影响。而且，会发现大多数应用将是一种本章研究的无源技术和第10章的有源技术的结合。,
