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1、第 9 课 授课内容第5章 信号调理电路 5.1 测量电桥5.1.1 直流电桥5.1.2 交流电桥5.1.3 带感应耦合臂的电桥 5.2 信号放大电路5.2.1 通用集成运算放大电路5.2.2 测量放大器 课 时 数2课时 重点难点重点：1. 直流及交流电桥的平衡条件，电桥的三种接法及特点。2. 基本运算放大电路的工作原理，精密整流电路。难点：精密整流电路。 授课方式新课 所用教具无第5章 信号调理电路学习目标学习测量电桥、信号放大电路、调制解调电路、滤波器等信号调理电路的工作原理、基本特性等。学完本章后，应对各种信号调理电路的功能特点有较清楚的了解，掌握一些常用信号调理电路的工作原理、特性分
2、析计算，初步具备分析、设计常用信号调理电路的能力。学习重点1. 各种电桥的工作原理，电桥的平衡条件及参数计算。2. 调幅原理及相敏检波电路、精密整流电路。3. 滤波器的主要特性指标及典型滤波器电路。信号调理电路的作用是对传感器输出的电信号做进一步的处理。常见的信号调理电路主要有测量电桥、调制与解调电路、放大电路、滤波器等。5.1 测量电桥 测量电桥是将电阻、电感、电容等参数的变化转换成电压或电流变化的一种电子装置。测试装置中使用最广泛的是惠斯登电桥。 惠斯登电桥图5-1 惠斯登电桥电桥的输出为 （5-1） 电桥的分类 按电桥供电电源的性质分直流电桥、交流电桥； 按电桥输出的测量方式分平衡电桥、
3、不平衡电桥； 按桥臂元件的阻抗性质分纯电阻电桥、纯电容电桥、纯电感电桥、容性电桥、感性电桥等。5.1.1 直流电桥采用直流电源供电，四个桥臂均为纯电阻。图5-2 直流电桥当电桥开路时的输出直流电压为 （5-2） 直流电桥的平衡条件为 （5-3） 为简化设计和分析，通常将电桥的四臂电阻设计成相等，即。 电桥的三种接法图5-3 电桥的接法a) 半桥单臂 b) 半桥双臂 c) 全桥 半桥单臂连接当的变化），电桥的输出电压近似为 （5-4） 半桥双臂连接具体可以有两种连接方式： 工作桥臂相邻连接两工作桥臂上电阻变化极性应相反； 工作桥臂相对连接两工作桥臂上电阻变化极性应相同。电桥的输出电压近似为 （5
4、-5） 全桥连接四个桥臂均为工作桥臂，相对桥臂的电阻按相同极性变化，相邻桥臂的电阻按相反极性变化。全桥的输出电压近似为 （5-6） 半桥双臂接法的灵敏度比半桥单臂接法高一倍，全桥接法又比半桥双臂接法高一倍。半桥双臂接法和全桥接法也称为电桥的差动连接，其优点是： 提高了电桥的灵敏度； 极大地改善了电桥所固有的非线性； 可对由温度等因素变化所造成的同极性影响进行补偿（抵消）。（上述关于电桥接法的结论同样也适用于交流电桥）图5-4 差动连接应变片的贴法直流电桥的特点： 所需的高稳定度直流电源容易获得； 电桥的输出为直流信号，可以用直流仪表进行测量显示； 电桥的平衡电路简单，易于实现电桥的平衡调节；
5、输出需接线路复杂的直流放大器，易受零漂和接地电位的影响。5.1.2 交流电桥采用高频稳幅交流电源（正弦波、方波、三角波等）供电，四个桥臂可以是电感、电容或电阻等电抗元件或它们的复合。开路输出电压为 （5-1）复数阻抗简介。 交流电桥的平衡条件为 （5-10）即 （5-11）模平衡条件相对桥臂阻抗的模的乘积相等；相位平衡条件相对桥臂阻抗的阻抗角之和相等。 简要说明采用交流电桥的主要原因（特别是实现不失真测试的考虑）。交流电桥的特点： 输出为高频调幅波（注：交流电桥是一个典型的调幅装置），不易受外界工频干扰； 后接的交流放大器结构简单、零漂小； 转换精度较高； 输出的调幅波经放大后需用线路复杂的相
6、敏检波器进行解调； 供桥电源应具有较高的幅值、频率稳定性和良好的波形质量。5.1.3 带感应耦合臂的电桥特殊的交流电桥。两个桥臂由传感器或变压器的两个感应耦合线圈所构成，另两个桥臂则可能是固定的电抗元件或差动传感器的电感、电容。图5-5 带感应耦合臂的电桥a) 差动电感传感器电桥 b) 差动变压器电桥 c) 差动电容传感器电桥 特点： 克服了一般交流电桥桥臂存在的寄生参数（主要是寄生电容）的影响； 使用变压器可以隔离直流干扰；具有较宽的频率范围，性能稳定、灵敏度及转换精度都比较高。5.2 信号放大电路 信号放大电路的种类通用放大电路、测量放大器、功率放大器、隔离放大器、增益调整电路、线性化电路
7、等。 信号放大电路的基本特点 广泛使用各种集成放大器（以通用运算放大器和专用测量放大器应用得最广）； 广泛采用各种负反馈技术来改善放大电路的性能（扩展频带、稳定幅频特性、补偿相频特性、提高输入阻抗、降低输出阻抗等）。5.2.1 通用集成运算放大电路（本小节内容除精密整流电路外均可只做简要说明） 1. 理想运算放大器与实际运算放大器图5-6 运算放大器的逻辑符号表5-2 运算放大器的特性特 性理想运算放大器实际运算放大器开环放大倍数 或更高失调电压 01mV（25）偏流 ，0输入阻抗 或更高输出阻抗 0 2. 运算放大器的基本放大电路 反相比例运算电路 （5-12）图5-7 反相比例运算电路 （
8、5-13） 图5-8 反相比例加法器 同相比例运算电路 （5-15）图5-9 同相比例运算电路图5-10 电压跟随器 求差运算电路（差动放大电路）图5-11 差动放大电路若，则有 （5-16） 微分运算电路 （5-17）图5-12 微分运算电路 积分运算电路 （5-18） 图5-13 积分运算电路 在微分和积分运算电路中，被分别称为微分、积分运算电路的时间常数。 对数运算电路图5-14 对数运算电路 （5-21） 3. 运算放大器构成的其他电路 电压比较电路 图5-15 电压比较电路及其工作波形 精密整流电路 利用运算放大器在采用负反馈时反向输入端具有“虚地”这一特点，可将整流二极管死区电压的
9、影响减小到1/A（A为运算放大器的开环放大倍数），从而大大提高了整流的精度。图5-16 精密整流电路及其工作波形运算放大器与电阻、及二极管、构成半波整流电路。与电阻、及构成反相比例加法器。 当处于负半周时 当处于正半周时 只要使电路满足，电路就能够输出非常精确的全波整流波形。5.2.2 测量放大器 1. 高输入阻抗放大器图5-17 自举式高输入阻抗放大电路a) 同相交流放大电路 b) 交流电压跟随器 c) 自举组合电路 2. 高共模抑制比放大器图5-18 三运放高共模抑制比放大电路 3. 电桥放大器 单端输入电桥放大电路图5-19单端输入电桥放大电路a) 反相输入 b) 同相输入 差动输入电桥
10、放大电路 线性电桥放大电路 图5-20 差动输入电桥放大电路 图5-21 线性电桥放大电路 4. 单片集成测量放大器图5-22 AD612的内部结构图5-23 AD612与测量电桥的连接 本课小结1. 测量电桥分为直流电桥和交流电桥两类。要注意它们各自的特点，重点掌握两类电桥的平衡条件。对交流电桥的平衡来说，不仅要保证相对桥臂阻抗之积相等这一模平衡条件，还要特别注意相位平衡条件。电桥采用差动连接可以提高灵敏度、改善非线性、实现对某些同极性影响的补偿。2. 各种基本运算电路是测试装置中广泛使用的“积木”，要牢记它们的电路形式和运算关系。重点掌握精密整流电路的工作原理（半波整流、比例相加，运算放大器是如何减小二极管死区电压的影响的？），据此正确地画出电路各点处的波形。对于各种测量放大器，应了解它们的作用和基本的电路形式。 课后作业（请各位老师自行安排）机电测试技术第9课 11 / 11
