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1、现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 现代测试技术现代测试技术Modern testing and measurement technology 电子科学技术系电子科学技术系Jingxi-Jingxi- 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 第第2 2章章 测试信号转换处理电路测试信号转换处理电路 本章学习要求：本章学习要求： 理解信号放大、信号滤波、信号运算、信号理解信号放大、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
2、设计方法。的基本原理，掌握其参数设计方法。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2.1 2.1 概述概述2.1.12.1.1对测试信号进行转换处理的目的：对测试信号进行转换处理的目的：1.1.传传感感器器输输出出的的信信号号很很微微弱弱，大大多多数数不不能能直直接接输输送送到到显显示示、记记录录或或分分析析仪仪器器中中去去，需需要要进进一一步步放放大大，有有的的还还要要进进行行阻阻抗变换。抗变换。2.2.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。处理。3.3.有些传感器输出的是电信号，但
3、信号中混杂有干扰噪声，有些传感器输出的是电信号，但信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。需要去掉噪声，提高信噪比。4.4.某些场合，为便于信号的远距离传输等原因，需要对传感某些场合，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。器测量信号进行调制解调处理。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2.1.2 2.1.2传感器接口电路形式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。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（智能传按有无能量输出分为无源传感器和有
4、源传感器（智能传感器一般都是有源传感器）。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。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。频率；交流与直流。 传感器输出结构形式有：直接、电桥、差分等；传感器输出结构形式有：直接、电桥、差分等；现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2.2 2.2 信号放大信号放大 2.2.1 2.2.1 概述
5、概述 一、什么是测量放大电路？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微弱电压、电流或电荷信号的放大电路称为测量测量放大电路放大电路，亦称，亦称仪用放大电路仪用放大电路。 工程测试中所遇到的信号，多为工程测试中所遇到的信号，多为100kHz100kHz以下以下的低频信号，在大多数的情况下，都可以用放大的低频信号，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。器集成芯片来设计放大电路。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 二、对测量放大电路的二
6、、对测量放大电路的基本要求基本要求： 输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；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；一定的放大倍数和稳定的增益； 低噪声；低噪声； 低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；移； 足够的带宽和转换速率；足够的带宽和转换速率； 高共模输入范围和高共模抑制比高共模输入范围和高共模抑制比 可调的闭环增益；可调的闭环增益； 线性好、精度高；线性好、精度高； 成本低。成本低。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 三、集成运算放大器的最主要参数：开环增益开环增益A A闭
7、环增益闭环增益A Af f差模开环直流电压增益（差模增益）差模开环直流电压增益（差模增益）A AVDVD共模开环直流电压增益（共模增益）共模开环直流电压增益（共模增益）A AVCVC输入失调电压输入失调电压V VI0I0输入失调电流输入失调电流I II I0 0共模抑制比共模抑制比K KCMR CMR = = 差模增益差模增益A AVDVD/ /共模增益共模增益A AVCVC现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 四、四、 应用集成运放应注意的事项应用集成运放应注意的事项 (1) (1) 调零消除失调误差调零消除失调误差 “ “调零调零”技术是使用运放
8、时必须掌握的。调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，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。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。定，接入调零电路进行调零即可。 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 (2) (2) 相位补偿消除高频自激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，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
9、般接成闭环负反馈电路。当工作频率升高时，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，利用一小偿的原理是，在具有高放大倍数的中间级，利用一小电容电容C C（几十几百微微法）构成电压并联负反馈电路。（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进行了补偿，如有些运放已经在内部进行了补偿，如A741A741。有些运。有些运放引出了补偿端，只需要按照器件手册的规定，
10、外接放引出了补偿端，只需要按照器件手册的规定，外接补偿电路即可，如国产补偿电路即可，如国产5G245G24运算放大器。运算放大器。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 (3) (3) 过载保护过载保护 使用运放时要注意，不能超过其性能参数的使用运放时要注意，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。干扰源的场合更要注意。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2.2.2 2.2.2 同相放大器同相放大器 闭环增益：闭环增益：
11、现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 集成运算放大器可以作为一个器件构成各种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。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。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。如很高的测量放大电路中。如电容式、压电式传感电容式、压电式传感器器的测量
12、放大电路。的测量放大电路。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 同相放大器输入阻抗同相放大器输入阻抗r ri+i+r ri+i+= r= ri i(1+AF)(1+AF)同相放大器输出阻抗同相放大器输出阻抗r ro+o+r ro+o+= r= ro o/(1+AF)/(1+AF)教材约定：在涉及同相放大器的输入阻抗时，均教材约定：在涉及同相放大器的输入阻抗时，均以以r ri+i+来表示，即指同相放大器所具有的最低在来表示，即指同相放大器所具有的最低在10107 7以上的输入电阻，而不器刻意指明其具体的以上的输入电阻，而不器刻意指明其具体的数值。数值。
13、现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2.2.3 2.2.3 反相放大器反相放大器闭环增益：闭环增益：反馈电阻反馈电阻R R2 2值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，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。一般为几十千欧至几百千欧。R R1 1的取值应远大于信号源的取值应远大于信号源U Ui i的内阻。的内阻。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 交流反相放大电路交流反相放大电路Af= R2 / R1R3= R2 C1：隔直电容：隔直电容C3：旁路电容，防止振荡：旁路电容，防止
14、振荡现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2.2.4 2.2.4 基本差动（差分）放大器基本差动（差分）放大器 什么是差动放大器？什么是差动放大器？ 差动放大器差动放大器是把二个输入信号分别输入到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成分，而尽量抑制输出端取出二个信号的差模成分，而尽量抑制二个信号的共模成分。二个信号的共模成分。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2.2.4 基本差动放大器基本差动放大器为分析电路的
15、共模抑制性能，我们做如下变换为分析电路的共模抑制性能，我们做如下变换 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 式中 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 假设电阻的误差为假设电阻的误差为 ，也就是说，电阻的实际值分，也就是说，电阻的实际值分别为别为 ，则可得，则可得 在最坏的情况下，即所有的电阻都取最大的误差值在最坏的情况下，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并且取最不利的方向，可得最大的
16、共模电压增益(忽略忽略高阶小量高阶小量) 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 共模抑制比KCMR为 上式表明，电阻的误差越小，差动增益越大共模抑制比越高。 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 输入电阻： 难以避免的缺点：难以避免的缺点： 1. 输入阻抗低入阻抗低3. 工工艺性差性差 2. 共模抑制比低共模抑制比低现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2.2.5 2.2.5 仪用放大器仪用放大器 什么是仪用放大器？什么是仪用放大器？ 是一类高输入阻抗，高共模抑制
17、比的差分放是一类高输入阻抗，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，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。也称为仪器放大器。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2.2.5 仪器（仪用）放大器仪器（仪用）放大器按照教材中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。 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信
18、号转换与处理电路 2.2.5 仪器（仪用）放大器仪器（仪用）放大器可得放大器前级的差模增益AVD1和共模增益AVC1 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2.2.5 仪器（仪用）放大器仪器（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。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2.2.
19、5 仪器（仪用）放大器仪器（仪用）放大器现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 28串联差分式输入仪用放大器串联差分式输入仪用放大器输入信号加于两个运放的同输入信号加于两个运放的同相输入端，相输入端，差分输入电阻近差分输入电阻近似为两个运放的共模输入电似为两个运放的共模输入电阻之和，提高了输入电阻。阻之和，提高了输入电阻。利用迭加原理，利用迭加原理， 分别作用于输入端分别作用于输入端现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 29串联差分式输入仪用放大器串联差分式输入仪用放大器双端输入，输入电阻为无穷大。双端输入，
20、输入电阻为无穷大。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2.2.6 可变增益放大器可变增益放大器 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2.2.6 可变增益放大器可变增益放大器 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2.2.6 可变增益放大器可变增益放大器 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2.2.6 可变增益放大器可变增益放大器 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2.
21、2.6 可变增益放大器可变增益放大器 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2.2.7 2.2.7 隔离放大电路隔离放大电路 什么是隔离放大电路？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。公共的接地端。 应用于何种场合？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、自动化试验些测控系统（如生物医学人体测量、自动化试验设备
22、、工业过程控制系统等）中，能在噪声环境设备、工业过程控制系统等）中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2.2.7 隔离放大器隔离放大器 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 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 组成及符号组成及符号输入放大器R1R1R2RisoCisoR2uo隔离器输 出放大器uducuiso现代测试技术第现代
23、测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 原理框图原理框图a) 变压器耦合变压器耦合浮置电源输入调制放 大 器耦合变压器输出解调放 大 器输出输入b) 光电耦合光电耦合浮置电源光耦合器输 入放大器输 出放大器输出输入LEDV现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 常见的几种光电耦合器的内部电路常见的几种光电耦合器的内部电路现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2.2.7 隔离放大器隔离放大器 几种光电耦合放大器的传输特性 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号
24、转换与处理电路 2.2.7 隔离放大器隔离放大器 光电耦合放大器 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2.2.7 隔离放大器隔离放大器 线性光电耦合放大器 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2.2.7 隔离放大器隔离放大器 性能优良的线性光电耦合放大器 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2.2.8 2.2.8 电桥放大电路电桥放大电路何谓电桥放大电路？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由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感
25、器和运算放大器构成的电桥都称为电桥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。放大电路。 应用于何种场合？应用于何种场合？ 应用于电参量式传感器，如电感式、电阻应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。大电路，输出放大了的电压信号。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路
26、 a a 、c c两端接电两端接电源源U Ui i，称，称供桥端供桥端； b b、d d两端接输出两端接输出电压电压U Uo o，称，称输出输出端端。一、电桥一、电桥 电桥的作用：将电阻电桥的作用：将电阻R(R(应变片应变片) )、电感、电感L L、电容、电容C C等等电参数变为电压电参数变为电压UU或电流或电流II信号后输出信号后输出。 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 根据桥臂阻抗性质的不同为根据桥臂阻抗性质的不同为 : : 电阻电桥电阻电桥电容电桥电容电桥电感电桥电感电桥根据供桥电源分为根据供桥电源分为 : : 直流电桥直流电桥: : 采用
27、直流电源采用直流电源 只用于只用于测量电测量电阻阻R R的变化的变化 交流电桥：采用交流电源交流电桥：采用交流电源测量电阻测量电阻R R 、电、电容容C C 、电感、电感L L的变化的变化1. 电桥的分类电桥的分类现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2. 2. 直流电桥直流电桥四个桥臂由电阻四个桥臂由电阻R1、R2、R3和和R4组成。组成。直流电桥直流电桥VR1R2R3R4现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 平衡条件平衡条件R R1 1R R3 3= =R R2 2R R4 4 直流电桥直流电桥电桥的输
28、出：电桥的输出：平衡的条件：平衡的条件：VR1R2R3R4温敏电阻温敏电阻现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 直流电桥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，电流输出为零态，电流输出为零。 此时，桥路电流为：此时，桥路电流为： a a、b b之间电位差为：之间电位差为： a a、d d之间电位差为之间电位差为： 电桥输出电压为：电桥输出电压为： + 直流电桥平衡条件推导：直流电桥平衡条件推导：现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理
29、电路 直流电桥直流电桥R1R U0U U R1VR2R3R4R1R3=R2R4 平衡的条件：平衡的条件：电桥的输出：电桥的输出：这时，电桥平衡吗？这时，电桥平衡吗？ R现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 为了简化设计，为了简化设计，R R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=R0 0 ，而，而 R R1 1=R=R0 0+R+R直流电桥直流电桥R0R U0U U 电桥的灵敏度定义为电桥的灵敏度定义为 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 单片单片 单臂单臂半桥半桥R1R3R2R4 双臂双臂半桥半桥R1R
30、3R2R4 全桥全桥R1R3R2R4 半半桥桥、单单臂臂输输出出 全全桥桥、四四臂臂输输出出 半半桥、桥、双双臂臂输输出出 四片四片 两片两片 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 单臂单臂半桥半桥R1R3R2R4 双臂双臂半桥半桥R1R3R2R4 全桥全桥R1R3R2R4 半桥、单臂输出半桥、单臂输出 全桥、四臂输出全桥、四臂输出 半桥、双臂输出半桥、双臂输出 统一表示：统一表示：统一表示：统一表示：现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 四片四片 全桥、四臂输出全桥、四臂输出 当当R1 R1R1，R2 R
31、2 R2 ，由于，由于，R1=R2=R3=R4=R0，R取相同值，可得取相同值，可得 R3 R3R3，R4 R2 R4时时电桥的灵敏度定义为电桥的灵敏度定义为 全桥、四臂平衡条件简要推导全桥、四臂平衡条件简要推导现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 电桥常用调平衡的方法电桥常用调平衡的方法现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 电桥测量的误差电桥测量的误差非线性误差非线性误差温度误差温度误差 直流电源的电压稳定性造成的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、单臂输出：半桥、单臂输出：半桥、单臂
32、输出：半桥、双臂输出：半桥、双臂输出：半桥、双臂输出：半桥、双臂输出：全桥、四臂输出：全桥、四臂输出：全桥、四臂输出：全桥、四臂输出：直流电桥直流电桥现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 平衡条件平衡条件3.交流电桥交流电桥交流电桥交流电桥而而 其中，其中，Z Z1 1、Z Z2 2、Z Z3 3、Z Z4 4为为阻抗的模阻抗的模，而，而1 1、2 2、3 3、4 4为为阻抗角阻抗角，是各桥臂电流与，是各桥臂电流与电压之间的相位差。电压之间的相位差。 Z1Z3ej(1+3)=Z2Z4ej(2+4) (*)平衡条件平衡条件现代测试技术第现代测试技术第2
33、章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 电容电桥电容电桥电容电桥电容电桥 平衡条件：平衡条件：电感电桥电感电桥电感电桥电感电桥 平衡条件：平衡条件：现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 电容电桥电容电桥 两相邻桥臂为纯电阻两相邻桥臂为纯电阻R2、R3，另相邻两臂为电容，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视为电容介质损耗的等效电阻 根据平衡条件根据平衡条件 电桥平衡条件：电桥平衡条件：电容电桥平衡条件简要推导电容电桥平衡条件简要推导现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路
34、 电感电桥电感电桥 根据平衡条件根据平衡条件 电桥平衡条件：电桥平衡条件：电感电桥平衡条件简要推导电感电桥平衡条件简要推导现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 （一）单端输入电桥放大电路（一）单端输入电桥放大电路二、电桥放大电路二、电桥放大电路现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 （二）差动输入电桥放大电路（二）差动输入电桥放大电路现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 （三）线性电桥
35、放大电路（三）线性电桥放大电路现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2.2.92.2.9自举式高输入阻抗放大电路自举式高输入阻抗放大电路何谓自举电路何谓自举电路? ? 自自举举电电路路是是利利用用反反馈馈使使输输入入电电阻阻的的两两端端近近似似为为等等电电位位，减减小小向向输输入入回回路路索索取取电电流流，从从而而提高输入阻抗的电路。提高输入阻抗的电路。是是不不是是所所有有情情况况下下都都要要求求放放大大电电路路具具有有高高的的输输入阻抗？入阻抗？ 高高输输入入阻阻抗抗电电路路常常应应用用于于传传感感器器的的输输出出阻阻抗抗很很高高的的测测量量放放大
36、大电电路路中中。如如电电容容式式、压压电电式式传传感感器器的测量放大电路。的测量放大电路。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 a)a)同相交流放大电路同相交流放大电路现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 b)b)交流电压跟随电路交流电压跟随电路现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 68c）输入电阻自举扩展电路）输入电阻自举扩展电路反相比例放大器反相比例放大器 A1：主放大器：主放大器 A2：正反馈，提供电流：正反馈，提供电流现代测试技术第现代测试技术第2章章 测
37、试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 69实际上，两者之间阻值总有一实际上，两者之间阻值总有一定的偏差，同时为了放大器稳定的偏差，同时为了放大器稳定工作，防止电路自激振荡，定工作，防止电路自激振荡，也必须人为地使也必须人为地使 略大于略大于 保保证证 为正值为正值。 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2.3 2.3 信号滤波信号滤波 2.3.1 2.3.1 滤波器的基础知识滤波器的基础知识 一、滤波器的功能和类型一、滤波器的功能和类型 1 1、功能：、功能：滤波器是具有频率选择作用的电路滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统，具有滤除
38、噪声和分离各种不同信或运算处理系统，具有滤除噪声和分离各种不同信号的功能。号的功能。 2 2、类型：、类型： 按处理信号形式分：模拟滤波器和数字滤波器按处理信号形式分：模拟滤波器和数字滤波器 按功能分：按功能分：低通、高通、带通、带阻低通、高通、带通、带阻 按电路组成分：按电路组成分：LCLC无源、无源、RCRC无源、由特殊元件无源、由特殊元件构成的无源滤波器、构成的无源滤波器、RCRC有源滤波器有源滤波器 按传递函数的微分方程阶数分：一阶、二阶、按传递函数的微分方程阶数分：一阶、二阶、高阶高阶现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 从从0 0f f2
39、 2频率之间，幅频特性平直，它可以使信号频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低于中低于f f2 2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f f2 2的频率成分受到极大地衰减。的频率成分受到极大地衰减。 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 与低通滤波相反，从频率与低通滤波相反，从频率f f1 1，其幅频特性平，其幅频特性平直。它使信号中高于直。它使信号中高于f f1 1的频率成分几乎不受衰减地的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于通过，而低于f f1 1的频率成分将受到极大地衰减。的频率成分将受到极大地衰减。 现代测
40、试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 它的通频带在它的通频带在f f1 1f f2 2之间。它使信号中高于之间。它使信号中高于f f1 1而低于而低于f f2 2的频率成分可以不受衰减地通过，而的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成分受到衰减。其它成分受到衰减。 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 与带通滤波相反，阻带在频率与带通滤波相反，阻带在频率f f1 1f f2 2之间。它之间。它使信号中高于使信号中高于f f1 1而低于而低于f f2 2的频率成分受到衰减，其的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎
41、不受衰减地通过。余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器，例如：低通滤波器与高通滤波器类型的滤波器，例如：低通滤波器与高通滤波器的串联为带通滤波器，低通滤波器与高通滤波器的串联为带通滤波器，低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器。的并联为带阻滤波器。 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 现代测试技术
42、第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 二、滤波器的主要特性指标二、滤波器的主要特性指标 1 1、特征频率：、特征频率： 通带截频通带截频f fp p= =p p/(2/(2 ) ) 为通带与过渡带边界点的频率，在该点信号为通带与过渡带边界点的频率，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限。增益下降到一个人为规定的下限。 阻带截频阻带截频f fr r= =r r/(2/(2 ) ) 为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗衰耗( (增益的倒数增益
43、的倒数) )下降到一人为规定的下限。下降到一人为规定的下限。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 转折频率转折频率f fc c= =c c/(2/(2 ) ) 为信号为信号功率功率衰减到衰减到1/2(1/2(约约3dB)3dB)时的频率，在时的频率，在很多情况下，常以很多情况下，常以f fc c作为通带或阻带截频。作为通带或阻带截频。 固有频率固有频率f f0 0= =0 0/(2/(2 ) ) 为为电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，复电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率。杂电路往往有多个固有频率。 现代测试技术第现代测试技术
44、第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 c)a)b)OA()OA()OA()d)OA()现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2 2、增益与衰耗、增益与衰耗 滤波器在通带内的增益并非常数。滤波器在通带内的增益并非常数。 对低通滤波器通带增益对低通滤波器通带增益K Kp p 一般指一般指=0=0时的增益；高通指时的增益；高通指时的增益；时的增益；带通则指中心频率处的增益。带通则指中心频率处的增益。 对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定义对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒数。为增益的倒数。 通带增益变化量通带增益变化量KKp
45、 p 指通带内各点增益的指通带内各点增益的最大变化量最大变化量，如果，如果KKp p以以dBdB为单位，则指增益为单位，则指增益dBdB值的变化量。值的变化量。 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 3 3、阻尼系数与品质因数、阻尼系数与品质因数 阻尼系数阻尼系数是表征滤波器对角频率为是表征滤波器对角频率为0 0信信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的一项指标。一项指标。 阻尼系数的倒数称为阻尼系数的倒数称为品质因数品质因数，是评价，是评价带通与带阻滤波器频率选择特性的一个重要带通与带阻滤波器频率选择特性的一个
46、重要指标，指标，Q = Q = 0 0/。式中的式中的为带通或带为带通或带阻滤波器的阻滤波器的3dB3dB带宽，带宽，0 0为中心频率，在很多为中心频率，在很多情况下中心频率与固有频率相等。情况下中心频率与固有频率相等。 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 4 4、灵敏度、灵敏度 滤滤波波电电路路由由许许多多元元件件构构成成，每每个个元元件件参参数数值值的的变变化化都都会会影影响响滤滤波波器器的的性性能能。滤滤波波器器某某一一性性能能指指标标y y对对某某一一元元件件参参数数x x变变化化的的灵灵敏敏度度记记作作S Sx xy y，定定义为：义为：
47、 S Sx xy y=(dy/y)/(dx/x)=(dy/y)/(dx/x)。 该该灵灵敏敏度度与与测测量量仪仪器器或或电电路路系系统统灵灵敏敏度度不不是是一一个个概概念念，该该灵灵敏敏度度越越小小，标标志志着着电电路路容容错错能能力力越强，稳定性也越高。越强，稳定性也越高。 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 5 5、群时延函数、群时延函数 当滤波器幅频特性满足设计要求时，为保证当滤波器幅频特性满足设计要求时，为保证输出信号失真度不超过允许范围，对其相频特性输出信号失真度不超过允许范围，对其相频特性() )也应提出一定要求。在滤波器设计中，常也应
48、提出一定要求。在滤波器设计中，常用群时延函数用群时延函数d(d()/d)/d评价信号经滤波后相位评价信号经滤波后相位失真程度。群时延函数失真程度。群时延函数d(d()/d)/d越接近常数，越接近常数，信号相位失真越小。信号相位失真越小。 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 三、模拟滤波器的传递函数与频率特性三、模拟滤波器的传递函数与频率特性 （一）模拟滤波器的传递函数（一）模拟滤波器的传递函数 模拟滤波电路的特性可由传递函数来描述。模拟滤波电路的特性可由传递函数来描述。传递函数是输出与输入信号电压或电流拉氏变换传递函数是输出与输入信号电压或电流拉氏
49、变换之比。之比。 经分析，任意个互相隔离的线性网络级联后，经分析，任意个互相隔离的线性网络级联后，总的传递函数等于各网络传递函数的乘积。这样，总的传递函数等于各网络传递函数的乘积。这样，任何复杂的滤波网络，可由若干简单的一阶与二任何复杂的滤波网络，可由若干简单的一阶与二阶滤波电路级联构成。阶滤波电路级联构成。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 （二）模拟滤波器的频率特性（二）模拟滤波器的频率特性 模拟滤波器的传递函数模拟滤波器的传递函数H(s)H(s)表达了滤波器的表达了滤波器的输入与输出间的传递关系。若滤波器的输入信号输入与输出间的传递关系。若滤
50、波器的输入信号U Ui i是角频率为是角频率为的单位信号，滤波器的输出的单位信号，滤波器的输出U Uo o(j(j)=H(j)=H(j) )表达了在单位信号输入情况下的输表达了在单位信号输入情况下的输出信号随频率变化的关系，称为滤波器的频率特性出信号随频率变化的关系，称为滤波器的频率特性函数，简称函数，简称频率特性频率特性。 频率特性频率特性H(jH(j) )是一个复函数，其幅值是一个复函数，其幅值A(A() )称为称为幅频特性幅频特性，其幅角，其幅角() )表示输出信号的相位表示输出信号的相位相对于输入信号相位的变化，称为相对于输入信号相位的变化，称为相频特性相频特性。 现代测试技术第现代测
51、试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 （三）二阶滤波器（三）二阶滤波器 1 1、二阶低通滤波器、二阶低通滤波器 二阶低通滤波器的传递函数的一般形式为二阶低通滤波器的传递函数的一般形式为它的固有频率为它的固有频率为a a0 01/21/2，通带增益，通带增益K Kp p=b=b0 0/a/a0 0，阻尼系数，阻尼系数为为a a1 1/ /0 0。其幅频特性与相频特性为。其幅频特性与相频特性为现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 20lgA/dB-101-40-20020=2.5=1.67=1.25 =0.8=0.5=0.33=0
52、.2=0.1lg(/0)-60a) 幅频特性=0.2=0.1-101-180o-90o=2.5=1.67=1.25=0.8=0.5=0.33lg(/0)/()0b) 相频特性现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2 2、二阶高通滤波器、二阶高通滤波器二阶低通滤波器的传递函数的一般形式为二阶低通滤波器的传递函数的一般形式为其幅频特性与相频特性为其幅频特性与相频特性为现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 b)lg(/0)=2.5-101090180=1.67=1.25 =0.8=0.5=0.33=0.2=0.1
53、/()20lgA/dB)lg(/0)-20020=0.1=0.2=0.33=0.5=0.8=1.25=1.67=2.5-101-40a) 幅频特性b) 相频特性现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 3 3、二阶带通滤波器、二阶带通滤波器二阶带通滤波器的传递函数的一般形式为二阶带通滤波器的传递函数的一般形式为其幅频特性与相频特性分别为其幅频特性与相频特性分别为现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 b) 相频特性-10190oQ=100Q=40Q=20Q=10Q=5Q=2.5Q=1Q=0.5lg(/0)0o-9
54、0o/()20lgA/dBa) 幅频特性lg(/0)-101-60-40-20Q=0.5Q=1 Q=2.5Q=5Q=10Q=20Q=40Q=1000现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 4 4、二阶带阻滤波器、二阶带阻滤波器二阶带阻滤波器的传递函数的一般形式为二阶带阻滤波器的传递函数的一般形式为其幅频特性和相频特性为其幅频特性和相频特性为现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 01-20Q=5Q=2.5Q=1Q=0.1Q=0.2Q=0.5lg(/0)-40-6020lgA/dB0-1 -101-90o0o90
55、oQ=5Q=2.5Q=1Q=0.5Q=0.2Q=0.1lg(/0)/()a) 幅频特性b) 相频特性现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 5 5、二阶全通滤波电路（移相电路）、二阶全通滤波电路（移相电路）二阶全通滤波电路的传递函数的一般形式为二阶全通滤波电路的传递函数的一般形式为其幅频特性为常数，相频特性为其幅频特性为常数，相频特性为现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 三、滤波器特性的逼近三、滤波器特性的逼近 理想滤波器要求幅频特性理想滤波器要求幅频特性A(A() )在通带内为一常在通带内为一常数，在阻带
56、内为零，没有过渡带，还要求群延时函数，在阻带内为零，没有过渡带，还要求群延时函数在通带内为一常量，这在物理上是无法实现的。数在通带内为一常量，这在物理上是无法实现的。实践中往往选择适当逼近方法，实现对理想滤波器实践中往往选择适当逼近方法，实现对理想滤波器的最佳逼近。的最佳逼近。 测控系统中常用的三种逼近方法为：测控系统中常用的三种逼近方法为： 巴特沃斯逼近巴特沃斯逼近 切比雪夫逼近切比雪夫逼近 贝赛尔逼近贝赛尔逼近现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 （一）巴特沃斯逼近（一）巴特沃斯逼近这种逼近的基本原则是使幅频特性在通带内最这种逼近的基本原则是使幅
57、频特性在通带内最为平坦，并且单调变化。其幅频特性为为平坦，并且单调变化。其幅频特性为n n阶巴特沃斯低通滤波器的传递函数为阶巴特沃斯低通滤波器的传递函数为其中其中现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 0.51.0/0n=2n=4n=5120A1-1800/0n=5n=4n=2-3602/()现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 （二）切比雪夫逼近（二）切比雪夫逼近 这种逼近方法的基本原则是允许通带内有一这种逼近方法的基本原则是允许通带内有一定的波动量定的波动量KKp p。其幅频特性为。其幅频特性为（三）贝赛
58、尔逼近（三）贝赛尔逼近 这种逼近与前两种不同，它主要侧重于相频这种逼近与前两种不同，它主要侧重于相频特性，其基本原则是使通带内相频特性线性度最特性，其基本原则是使通带内相频特性线性度最高，群时延函数最接近于常量，从而使相频特性高，群时延函数最接近于常量，从而使相频特性引起的相位失真最小。引起的相位失真最小。 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 滤波器的传递函数与频率特性滤波器的传递函数与频率特性 1-五阶贝塞尔滤波器五阶贝塞尔滤波器 2-五阶巴特沃斯滤波器五阶巴特沃斯滤波器 3-五阶通带波纹为五阶通带波纹为0.5dB的切比的切比雪夫滤波器雪夫滤波器
59、 4-五阶五阶通带波纹为五阶五阶通带波纹为2dB的切比雪夫滤波器的切比雪夫滤波器 按滤波特性可将滤波分为三种类型：最大平坦型、按滤波特性可将滤波分为三种类型：最大平坦型、纹波型和恒延时型，对应的阻尼系数纹波型和恒延时型，对应的阻尼系数 分别等于、小分别等于、小于和大于于和大于 21A0/c1.00.5123410/c-360-18012234现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 1. 1. 巴特沃思逼近巴特沃思逼近 对于二阶的滤波器，巴特沃思滤波器的对于二阶的滤波器，巴特沃思滤波器的 2. 2. 切比雪夫逼近切比雪夫逼近 对于二阶的滤波器，切比雪夫滤
60、波器的对于二阶的滤波器，切比雪夫滤波器的 3. 3. 贝塞尔逼近贝塞尔逼近 对于二阶的滤波器，贝塞尔滤波器的对于二阶的滤波器，贝塞尔滤波器的 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 根据根据“最佳逼近特性最佳逼近特性”标准分类的三种滤波器的比较标准分类的三种滤波器的比较 巴特沃斯滤波器具有最大平坦幅度特性；巴特沃斯滤波器具有最大平坦幅度特性； 切切贝贝雪雪夫夫滤滤波波器器的的通通带带有有波波纹纹，过过渡渡带带轻轻陡陡直直，因因此此，在在不不允允许许通通带带内内有有纹纹波波的的情情况况下下，巴巴特特沃沃斯斯型型更更可可取取；从从相相频频响响应应来来看看，
61、巴巴特特沃沃斯斯型型也要优于切贝雪夫型；也要优于切贝雪夫型； 贝塞尔滤波器只满足相频特性而不关心幅频贝塞尔滤波器只满足相频特性而不关心幅频特性。贝塞尔滤波器又称最平时延或恒时延滤波特性。贝塞尔滤波器又称最平时延或恒时延滤波器。其相移和频率成正比，即为一线性关系。但器。其相移和频率成正比，即为一线性关系。但是由于它的幅频特性欠佳，而往往限制了它的应是由于它的幅频特性欠佳，而往往限制了它的应用。用。 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2.3.2 RC2.3.2 RC有源滤波电路有源滤波电路一、压控电压源型滤波电路一、压控电压源型滤波电路该电路压控增益
62、该电路压控增益K Kf f=1+R=1+R0 0/R /R ，传递函数为，传递函数为现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 1 1、低通滤波电路、低通滤波电路滤波器参数为滤波器参数为现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2、高通滤波器、高通滤波器现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 3、带通滤波器、带通滤波器现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 4、带阻滤波器、带阻滤波器现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处
63、理电路测试信号转换与处理电路 二、无限增益多路反馈型滤波电路二、无限增益多路反馈型滤波电路现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 1、低通滤波电路、低通滤波电路现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2、高通滤波器、高通滤波器现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 3、带通滤波器、带通滤波器现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 三、双二阶环滤波电路三、双二阶环滤波电路 双双二二阶阶环环电电路路利利用用两两个个以以上上由由加加法
64、法器器、积积分分器器等等组组成成的的运运算算放放大大电电路路，根根据据所所要要求求的的传传递函数，引入适当的反馈构成滤波电路。递函数，引入适当的反馈构成滤波电路。 其其突突出出特特点点是是电电路路灵灵敏敏度度低低，因因而而特特性性非非常常稳稳定定，并并可可实实现现多多种种滤滤波波功功能能，经经过过适适当当改改进还可将运算放大器数目减少到两个。进还可将运算放大器数目减少到两个。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 1、低通与带通滤波电路、低通与带通滤波电路 从从u u3 3点点输输出出为为带带通通滤滤波波电电路路，从从u u2 2点点与与u u1 1点
65、点输输出出为为低低通通滤滤波波电电路路。K Kp1p1、K Kp2p2、K Kp3p3分分别别为为由由u u1 1、u u2 2、u u3 3输输出出时的通带增益。时的通带增益。 可可 用用R R5 5调调 节节w w0 0，用用R R2 2调调节节Q Q，用用R R0 0调调节节K Kpipi，各各参参数数间间相相互互影影响响很小。很小。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2、可实现高通、带阻与全通滤波的双二阶环电路、可实现高通、带阻与全通滤波的双二阶环电路-+N1-+N2-+N3uo(t)ui(t)R01R1R2C1R3R4R5R02R03C2
66、现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 3、低通、高通、带通、带阻与全通滤波电路、低通、高通、带通、带阻与全通滤波电路-+N1-+N3-+N2-+N4ui(t)uh(t)ub(t)ul(t)ux(t)R01R02R04R03R1R2R05R06R07R0C2C1现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 四、有源滤波器设计四、有源滤波器设计有源滤波器的设计主要包括以下四个过程：有源滤波器的设计主要包括以下四个过程：确定传递函数确定传递
67、函数选择电路结构选择电路结构选择有源器件选择有源器件计算无源元件参数计算无源元件参数以无限增益多路反馈二阶巴特沃斯滤波器为例以无限增益多路反馈二阶巴特沃斯滤波器为例现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 在给定的在给定的f fc c下，参考下表选择电容下，参考下表选择电容C C1 1; ;根据根据C C1 1的实际值，按下式计算电阻换标系数的实际值，按下式计算电阻换标系数K;K;K=100/fK=100/fc cC C1 1 由表确定由表确定C C2 2及归一化电阻值及归一化电阻值r ri i，再换算出，再换算出R Ri i。f/Hz100kC1/uF
68、100.1 0.10.010.010.001(1000100)10-6(10010) 10-6现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 12610 3.1112.5651.6971.6254.0723.2924.9774.7233.1115.13010.180 16.252 0.20.150.050.033现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 开关电容滤波原理开关电容滤波原理Tc21c)现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 一、压控跟踪滤波器一、压控跟踪滤波器 利利用
69、用测测量量电电路路提提取取被被测测信信号号中中心心频频率率，进进行行f f/ /V V转转换换，即即可可形形成成所所需的控制电压需的控制电压u uc c。 uc决决定定R2的的变变化化，从从而而决决定定电电路路中中心心频频率率w0变变化化，即输出信号即输出信号uo的中心频率。的中心频率。 场场效效应应晶晶体体管管可可构构成成一个等效可变电阻一个等效可变电阻，随控制电压随控制电压uc而变化。而变化。 改改变变R2可可以以改改变变中中心心频频率率w0，而带宽，而带宽保持不变。保持不变。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 压控跟踪滤波器压控跟踪滤波器现代
70、测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 变频跟踪滤波器变频跟踪滤波器被测信号源乘法器乘法器90O移相器乘法器加法器90O移相器乘法器晶体滤波器中心频率0低通滤波器1/N分频器e0e1e1e2e3e4e2e6e5e7e7e8e9e10e11带通滤波器中心频率0晶体振荡器Nf0现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 集成有源滤波芯片介绍集成有源滤波芯片介绍1 1、单片集成五阶巴特沃斯低通滤波器、单片集成五阶巴特沃斯低通滤波器MAX280MAX280内部开关电容网络RCRclkCclk(外部缓冲放大器)uo1(t)uo2
71、(t)14632587-5v+5 v(33pF)内部时钟电路ui(t)现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2 2、单片集成通用有源滤波器、单片集成通用有源滤波器MAX263/264MAX263/264+-+ 分频比编码控制电路品质因数编码控制电路工作模式编码控制电路S2S3S11S2S3qrrrr+INGNDM0M1Q0Q6CLKAOSCOUTLPBPN/HAF0F4求和节点同相积分器S1N1N2同相积分器N/HAAMAX263/26415141Q028Q1F1VGNDQ2Q3OSCOUT F2F0Q4Q6Q5N/HABBPBLPBF3F4V+M0
72、M1BPALPAINBINACLKBCLKA现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信
73、号转换与处理电路 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2.42.4信号的运算信号的运算 运运算算电电路路是是测测控控电电路路的的重重要要组组成成部部分分，广广泛泛应应用用于于各各种种仪仪器器中中。如如在在表表面面粗粗糙糙度度的的测测量量中中，平平均均偏偏差差R Ra a需需要要进进行行平平均均值值、绝绝对对值值和和积积分分等等运运算算才才能求得。能求得。 运运算算电电路路分分为为模模拟拟
74、运运算算电电路路和和数数字字运运算算电电路路两两大大类类。一一般般来来说说，在在精精度度要要求求低低于于0.1%0.1%的的情情况况下下，仍仍采采用用模模拟拟运运算算电电路路来来实实现现对对测测量量信信号号的的运运算算，更更主要的是模拟运算电路具有运算实时性。主要的是模拟运算电路具有运算实时性。 在在目目前前广广泛泛使使用用的的测测试试系系统统中中，绝绝大大多多数数的的模模拟运算电路都是有源的，即采用运算放大器。拟运算电路都是有源的，即采用运算放大器。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输运放的开环放大倍数很大，
75、输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将作为出电阻小，在分析时常将作为理想运放理想运放。理想运放的条件理想运放的条件虚短路虚短路放大倍数与负载无关。分析多放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。可以分别对每个运放进行。虚开路虚开路运放工作在线性区的特点运放工作在线性区的特点在分析信号运算电路时对运放的处理在分析信号运算电路时对运放的处理Exit现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2.4.1 2.4.1 加减运算电路加减运算电路一、加法运算电路一、加法运算电路反相加法电路反相加法电路现代测试技
76、术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 输出端再接一级反相放大器，可消除负号，输出端再接一级反相放大器，可消除负号，实现完全符合常规的算术加法。实现完全符合常规的算术加法。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 Exit同相加法电路同相加法电路现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 二、减法运算电路二、减法运算电路利用加法运算电路实现减法运算利用加法运算电路实现减法运算 将代表被减数的信号反相后，与代表减将代表被减数的信号反相后，与代表减数的信号相加，从而实现减法数的信号相加，从
77、而实现减法。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 优点：输入端没有共模信号，允许优点：输入端没有共模信号，允许U1、U2的共的共模电压范围较大。模电压范围较大。缺点：输入阻抗低。缺点：输入阻抗低。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 用单一运算放大器实现减法运算用单一运算放大器实现减法运算现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 电路特点：有较大的共模输入电压，为了电路特点：有较大的共模输入电压，为了提高运算精度，要求放大器要有较高的共提高运算精度，要求放大器要有较高
78、的共模抑制比。模抑制比。当当现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2.4.2 2.4.2 对数与指数运算电路对数与指数运算电路1、对数运算电路、对数运算电路 利利用用PNPN结结的的指指数数特特性性实实现对数运算现对数运算现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 因为因为UT和和IS都是温度的函数，所以运算精度受温都是温度的函数，所以运算精度受温度影响；度影响； 在小信号时误差较大，因为这时在小信号时误差较大，因为这时 和和1相差不是相差不是很多；很多； 二极管具有内阻，当二极管具有内阻，当电流流较大大时，压降
79、也降也较大，大，其伏安特性于其伏安特性于对数关系有数关系有较大的偏差；大的偏差； 电流的流的变化化对校正系数校正系数m有影响。有影响。 鉴于以上情况，于以上情况，该电路只有在某一段路只有在某一段电流范流范围内能内能达到达到满意的精度，意的精度，该范范围只能达到一个至两个数量只能达到一个至两个数量级。 存在问题：存在问题：现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 将将二二极极管管改改为为晶晶体体管管也可实现对数运算也可实现对数运算 当当 时，时，2.4.2 对数与指数运算电路（5-21）现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换
80、与处理电路 其其中中，IES 是是发发射射结结反反向向饱饱和和电电流流，vO是是vI的对数运算。的对数运算。注注意意：vI必必须须大大于于零零，电电路的输出电压小于路的输出电压小于0.7伏伏利用虚短和虚断，电路有：利用虚短和虚断，电路有：现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 特点及存在问题：特点及存在问题： 晶体管型对数电路的输入范围远远超过二极管晶体管型对数电路的输入范围远远超过二极管型对数电路。一般情况下，集电极电流的工作范围型对数电路。一般情况下，集电极电流的工作范围为为pA到到mA数量级，即数量级，即9个数量级。当然，只有在运个数量级。当然，
81、只有在运算放大器的输入失调电流很小的情况下，才能充分算放大器的输入失调电流很小的情况下，才能充分利用此优点。利用此优点。 上述对数电流的缺点是受温度影响较大，其主上述对数电流的缺点是受温度影响较大，其主要原因是要原因是UT和和Is随温度变化，当温度从随温度变化，当温度从20升到升到50时，时，UT增大增大10，Is增加近增加近10倍。为了消除倍。为了消除Is的影响，可以采用的影响，可以采用 由两个晶体管组成的具有温度由两个晶体管组成的具有温度补偿功能的对数电路。补偿功能的对数电路。 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 电阻R4的作用是用来限制电流I
82、c1、Ic2。电容C1和C2是作相位补偿用的。R3可选合适的正温度系数（0.3/K）热敏电阻以补偿UT受温度的变化 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 vO是是vI的的指指数数运运算算（指数运算）（指数运算）要求要求说明：实用电路加有温度补偿电路说明：实用电路加有温度补偿电路二、二、 指数运算电路指数运算电路利用虚短和虚断，电路有：利用虚短和虚断，电路有：现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 现代测试技术第现代测试技术第2章
83、章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 若采用运算放大器构成实用对数和指数运算若采用运算放大器构成实用对数和指数运算电路，稳定性较差、很难取得高精度。因此，在电路，稳定性较差、很难取得高精度。因此，在实际应用时，应该优先考虑选用集成对数和指数实际应用时，应该优先考虑选用集成对数和指数运算电路。如美国运算电路。如美国ADIADI公司的公司的AD8304AD8304的信号输入范的信号输入范围可达围可达160dB160dB，精度可达，精度可达0.1dB0.1dB，只需，只需3.03.05.5V5.5V的的单电
84、源工作，但它的温度漂移仅有单电源工作，但它的温度漂移仅有0.02mV/0.02mV/。 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2.4.4 2.4.4 乘除与乘方开方运算电路乘除与乘方开方运算电路 集成乘法器有不少的品种。如美国集成乘法器有不少的品种。如美国ADIADI公公司的司的AD632AD632、AD534AD534可以实现可以实现 的运算，的运算，AD532AD532、AD633AD633、AD838AD838可以实现可以实现 的运算，而的运算，而MLT04MLT04具有具有4 4路乘法器。路乘法器。AD539AD539、AD734AD734可
85、以同时实现乘法可以同时实现乘法和除法运算。和除法运算。 利用乘法器可容易实现乘方与开方运算。利用乘法器可容易实现乘方与开方运算。（见（见p131p131）现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2.4.4 2.4.4 乘除与乘方开方运算电路乘除与乘方开方运算电路 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换
86、与处理电路测试信号转换与处理电路 2.4.5 2.4.5 微分积分运算电路微分积分运算电路 一、积分运算电路一、积分运算电路 应用广泛，不仅用作积分运算，还可以利用它应用广泛，不仅用作积分运算，还可以利用它的充放电过程实现延时、定时以及产生各种波形。的充放电过程实现延时、定时以及产生各种波形。反相积分电路反相积分电路现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 当当Ui为常数时：为常数时：适合做三角波或锯齿波发生器。适合做三角波或锯齿波发生器。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 实实际际情情况况：运运算算放放大大
87、器器的的输输入入偏偏置置电电流流Ib和和输输入入失失调调电电压压U0s也也随随时时间间而而积积分分，对对积积分分器器的的输输出出有有一定的影响。一定的影响。 由此产生的输出电压变化可写成：由此产生的输出电压变化可写成：若取若取C=1uF，1uA的误差电流会使的误差电流会使Uo以以1V/s的速的速度增长。度增长。当输入当输入Ui=0时：时：现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 具有补偿具有补偿I Ib b的积分电路的积分电路 采采用用下下图图所所示示电电路路，Rp=R，Rp上上压压降降为为IbR。因因此此流流经经R上的补偿电流为：上的补偿电流为：这一电
88、流提供了偏差电流，于是误差电流被补偿了。这一电流提供了偏差电流，于是误差电流被补偿了。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 u 预设、保持积分电路预设、保持积分电路现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 可以实现设置初始积分输出可以实现设置初始积分输出电压以及控制停止积分（保持）电压以及控制停止积分（保持）。设置初始状态，设置初始状态，S1断开，断开，S2接接通，此时积分器工作在反相放通，此时积分器工作在反相放大状态，输出为：大状态，输出为： 然后然后S1接通，接通，S2断开，电路为一个积分器，对断开，电路为
89、一个积分器，对U1进行积分。再断开进行积分。再断开S1，积分电流为零，积分器输出，积分电流为零，积分器输出保持不变，电路处于保持状态。保持不变，电路处于保持状态。实际电路中，实际电路中，S1和和S2一般由场效应管构成。一般由场效应管构成。 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 二、具有特殊性能的积分电路二、具有特殊性能的积分电路 1 1、增量积分电路、增量积分电路（比例积分电路比例积分电路）补偿积分器复原和比较器滞后带来的误差补偿积分器复原和比较器滞后带来的误差UoUiOOttUib)R2R1R2R1Ui现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转
90、换与处理电路测试信号转换与处理电路 多重积分运算电路多重积分运算电路现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 输出电压为：输出电压为： 幅幅频频特特性性曲曲线线在在对对数数坐坐标标系系中中为为一一条条+6dB/ /倍倍频频程程的的直直线线确确定定微微分分电电路路的的简简单单原则。原则。二、微分运算电路二、微分运算电路当输入信号为正弦波当输入信号为正弦波现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信
91、号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 1 1、在测试系统中为什么要采用信号调制？、在测试系统中为什么要采用信号调制？ 在测试系统中，进入测试电路的除了传感在测试系统中，进入测试电路的除了传感器输出的测量信号外，还往往有各种噪声。而器输出的测量信号外，还往往有各种噪声。而传感器的输出信号一般又很微弱，将测量信号传感器的输出信号一般又很微弱，将测量信号从含有噪声的信号中分离出来是测试电路的一从含有噪声的信号中分离出来是测试电路的一项重要任务。为了便于区别信号与噪声，往往项重要任务。为了便于区别信号与噪声，往往给测量
92、信号赋予一定特征给测量信号赋予一定特征，这就是调制的主要，这就是调制的主要功用。功用。 调制解调的功用与类型调制解调的功用与类型2.5 2.5 信号调制解调电路信号调制解调电路现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2 2、什么是信号调制？、什么是信号调制？ 调制调制就是用一个信号（称为调制信号）去就是用一个信号（称为调制信号）去控制另一个做为载体的信号（称为载波信号），控制另一个做为载体的信号（称为载波信号），让后者的某一特征参数按前者变化。让后者的某一特征参数按前者变化。 3 3、什么是解调？、什么是解调？ 在将测量信号调制，并将它和噪声分离，在将
93、测量信号调制，并将它和噪声分离，放大等处理后，还要从已经调制的信号中提取放大等处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称为反映被测量值的测量信号，这一过程称为解调解调。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 4 4、在测试系统中常用的调制方法有哪几种？、在测试系统中常用的调制方法有哪几种？ 在在信信号号调调制制中中常常以以一一个个高高频频正正弦弦信信号号作作为为载载波波信信号号。一一个个正正弦弦信信号号有有幅幅值值、频频率率、相相位位三三个个参参数数，可可以以对对这这三三个个参参数数进进行行调调制制，分分别别称称为为调调幅幅、
94、调调频频和和调调相相。也也可可以以用用脉脉冲冲信信号号作作载载波波信信号号。可可以以对对脉脉冲冲信信号号的的不不同同特特征征参参数数作作调调制制，最最常常用用的的是是对对脉脉冲冲的宽度进行调制，称为的宽度进行调制，称为脉冲调宽脉冲调宽。 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 5 5、什么是调制信号、载波信号、已调信号？、什么是调制信号、载波信号、已调信号？ 调调制制是是给给测测量量信信号号赋赋予予一一定定特特征征，这这个个特特征征由由作作为为载载体体的的信信号号提提供供
95、。常常以以一一个个高高频频正正弦弦信信号号或或脉脉冲冲信信号号作作为为载载体体，这这个个载载体体称称为为载载波波信号信号。 用用来来改改变变载载波波信信号号的的某某一一参参数数，如如幅幅值值、频率、相位的信号称为频率、相位的信号称为调制信号调制信号。 在在测测试试系系统统中中，通通常常就就用用测测量量信信号号作作调调制制信号。经过调制的载波信号叫信号。经过调制的载波信号叫已调信号已调信号。 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 （一）概念和定义（一）概念和定义 1 1、什么是调幅？调幅信号（即调幅式测量、什么是调幅？调幅信号（即调幅式测量电路中的已调
96、信号）和调制信号、载波信号的数电路中的已调信号）和调制信号、载波信号的数学关系怎样表达？波形又是怎样？学关系怎样表达？波形又是怎样？ 调幅调幅就是用调制信号去控制高频载波信号的就是用调制信号去控制高频载波信号的幅值。常用的是线性调幅，即让调幅信号的幅值。常用的是线性调幅，即让调幅信号的幅值幅值按按调制信号调制信号的线性函数变化。的线性函数变化。 2.5.2 2.5.2 调幅式测量电路调幅式测量电路一、一、 调幅原理与方法调幅原理与方法现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 载波信号为正弦波载波信号为正弦波vc c调幅信号（即已调波）调幅信号（即已调波）
97、v设调制信号为余弦波设调制信号为余弦波vv=Vocost= =Vocos2f ft（12-212-2）现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 tvOtOucusa)a)调制信号调制信号b)b)载波信号载波信号Otc)c)双边带调幅信号双边带调幅信号现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2 2、什么是双边带调幅？、什么是双边带调幅？ 设调制信号是角频率为设调制信号是角频率为的余弦信号的余弦信号v v=V=Vo ocostcost 对式（式（12-212-2）进行数学处理可得：）进行数学处理可得： v = V v
98、 = Vc cm mcoscosc ct t +V +Vc cm mm mA Acos(cos(c c+)t+V+)t+Vc cm mm mA Acos(cos(c c-)t/2 -)t/2 它它包包含含三三个个不不同同频频率率的的信信号号: : 角角频频率率为为c c的的载载波信号和角频率分别为波信号和角频率分别为c c的上下边频信号。的上下边频信号。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 载载波波信信号号中中不不含含调调制制信信号号v v=V=Vo ocostcost的的信信息息，因因此此可可以以取取其其为为0 0，只只保保留留两两个个边边频频信信
99、号号。这这种调制称为种调制称为双边带调制双边带调制。其其数学表达式数学表达式为：为： v=V v=Vc cm mm mA Acostcost coscosc ct t 为为了了正正确确进进行行信信号号调调制制必必须须要要求求c c，通通常至少要求常至少要求c c1010。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 3、在在测测试试系系统统中中被被测测信信号号的的变变化化频频率率为为0100Hz，应应怎怎样样选选取取载载波波信信号号的的频频率率？应应怎怎样样选选取取调调幅幅信信号号放放大大器器的的通通频频带带？信信号号解解调调后后，怎怎样样选选取取滤滤波波器
100、器的的通频带？通频带？ 若若被被测测信信号号的的变变化化频频率率为为0100Hz，则则载载波波信信号号的的频频率率c1000 Hz。调调幅幅信信号号放放大大器器的的通通频频带带应应为为9001100 Hz。信信号号解解调调后后，滤滤波波器器的的通通频频带带应应100 Hz，即即让让0100Hz的的信信号号顺顺利利通通过过，而而将将900 Hz以上的信号抑制，可选通频带为以上的信号抑制，可选通频带为200 Hz。 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 幅度调制与解调过程（波形分析）幅度调制与解调过程（波形分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)z(t)x
101、 m(t)乘法器乘法器滤波器滤波器z(t)x(t)现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 幅度调制与解调过程（频谱分析）幅度调制与解调过程（频谱分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器乘法器滤波器滤波器z(t)x(t)现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 幅度调制与解调过程（数学分析）幅度调制与解调过程（数学分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器乘法器滤波器滤波器z(t)x(t)现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路
102、（二）传感器调制（二）传感器调制 为什么在测控系统中常常在传感器中进行为什么在测控系统中常常在传感器中进行信号调制？信号调制？ 为了提高测量信号抗干扰能力，常要求从为了提高测量信号抗干扰能力，常要求从信号一形成就已经是已调信号，因此常常在传信号一形成就已经是已调信号，因此常常在传感器中进行调制。感器中进行调制。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 通过交流供电实现调制：如电阻式传感器、电通过交流供电实现调制：如电阻式传感器、电感式传感器和电容式传感器等。感式传感器和电容式传感器等。R1FR4R2 R3R1R2UoUR3R4应变式传感器输出信号的调制应
103、变式传感器输出信号的调制 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 这里用这里用4 4个应变片测量梁的变形，并由此确个应变片测量梁的变形，并由此确定作用在梁上的力定作用在梁上的力F F的大小。的大小。4 4个应变片接入电桥，个应变片接入电桥，并采用交流电压并采用交流电压U U供电。设供电。设4 4个应变片在没有应力个应变片在没有应力作用的情况下它们的阻值作用的情况下它们的阻值R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=R，电桥的，电桥的输出输出实现了载波信号实现了载波信号U与测量信号的相乘，即幅值调制。与测量信号的相乘，即幅值调制。现代测
104、试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 1243567910118M用激光扫描的方法测量工件直径用激光扫描的方法测量工件直径 激光器激光器反射镜反射镜电动机电动机透镜透镜扫描棱镜扫描棱镜 工件工件 保护玻璃保护玻璃 保护玻璃保护玻璃 用机械或光学的方法实现调制：用机械或光学的方法实现调制：透镜透镜光电元件光电元件 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 由激光器由激光器4 4发出的光束经反射镜发出的光束经反射镜5 5与与6 6反反射后，照到扫描棱镜射后，照到扫描棱镜2 2的表面。棱镜的表面。棱镜2 2由电动机由电动机
105、3 3带带动连续回转，它使由棱镜动连续回转，它使由棱镜2 2表面反射返回的光束方表面反射返回的光束方向不断变化，扫描角向不断变化，扫描角为棱镜为棱镜2 2中心角的中心角的2 2倍。透镜倍。透镜1 1将这一扫描光束变成一组平行光，对工件将这一扫描光束变成一组平行光，对工件8 8进行扫进行扫描。这一平行光束经透镜描。这一平行光束经透镜1010汇聚，由光电元件汇聚，由光电元件1111接接收。收。7 7和和9 9为保护玻璃，使光学系统免受污染。当光为保护玻璃，使光学系统免受污染。当光束扫过工件时，它被工件挡住，没有光线照到光电束扫过工件时，它被工件挡住，没有光线照到光电元件元件1111上，对应于上，对
106、应于“暗暗”的信号宽度与被测工件的信号宽度与被测工件8 8的直径成正比，即脉冲宽度受工件直径调制。的直径成正比，即脉冲宽度受工件直径调制。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 （三）电路调制（三）电路调制 1 1、乘法器调制、乘法器调制a)a)原理图原理图ucuxuoxyKxyb) 实用电路实用电路 -8V47k0.1F1k0.1F5175014 10 161k38MC14961k3.3k3.3k7501k680k20F20Fuc1k0.1F21254uoux+12V现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 在
107、电路进行调制的基本原理是用测量信号在电路进行调制的基本原理是用测量信号u ux x去控制（改变）载波信号幅值就可以实现调制。去控制（改变）载波信号幅值就可以实现调制。 只要用乘法器将测量信号（调制信号）只要用乘法器将测量信号（调制信号）u ux x与与载波信号载波信号u uc c相乘，就可以实现调幅。相乘，就可以实现调幅。 现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 2 2、开关电路调制、开关电路调制uxuoUcV2V1Uc uotO Uc OttO ux现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 3 3、信号相加调制
108、、信号相加调制T1+ ux -+ ux -+ uc -VD1i1VD2i2载波信号T3T2RLi3+uo_RP调制信号现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 二、包络检波电路二、包络检波电路 什么是检波？什么是检波？ 从已调信号中检出调制信号的过程称为从已调信号中检出调制信号的过程称为解调解调或或检波检波。 什么是包络检波？什么是包络检波？ 幅值调制就是让已调信号的幅值随调制信号的幅值调制就是让已调信号的幅值随调制信号的值变化，因此调幅信号的包络线形状与调制信号一值变化，因此调幅信号的包络线形状与调制信号一致。只要能检出调幅信号的包络线即能实现解调。致
109、。只要能检出调幅信号的包络线即能实现解调。这种方法称为这种方法称为包络检波包络检波。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 包络检波的基本工作原理是什么？包络检波的基本工作原理是什么？ 由由图图可可见见，只只要要从从图图a a所所示示的的调调幅幅信信号号中中，截截去去它它的的下下半半部部，即即可可获获得得图图b b所所示示半半波波检检波波后后的的信信号号 ( (经经全全波波检检波波或或截截去去它它的的上上半半部部也也可可) )，再再经经低低通通滤滤波波，滤滤除除高高频频信信号号，即即可可获获得得所所需需调调制制信信号号，实现解调。实现解调。usuoOO
110、tta)b) 只要采用适当的单向导电器件取其上半部只要采用适当的单向导电器件取其上半部（也可取其下半部）波形，即能实现包络检波。（也可取其下半部）波形，即能实现包络检波。现代测试技术第现代测试技术第2章章 测试信号转换与处理电路测试信号转换与处理电路 为什么有时要采用精密检波电路？为什么有时要采用精密检波电路？ 二二极极管管V VD D和和晶晶体体管管V V都都有有一一定定死死区区电电压压，即即二二极极管管的的正正向向压压降降、晶晶体体管管的的发发射射结结电电压压超超过过一一定定值值时时才才导导通通，它它们们的的特特性性也也是是一一根根曲曲线线。二二极极管管V VD D和和晶晶体体管管V V的的特特性性偏偏离离理理想想特特性性会会给给检检波波带带来来误误差。差。 在在一一般般的的通通信信中中，只只要要这这一一误误差差不不太太大大，就就不不致致于于造造成成明明显显的的信信号号失失真真。而而在在精精密密测测量量与与控控制制中中，为为了了提提高高检检波波精精度度，常常需需采采用用精精密密检检波波电电路路，它又称为，它又称为线性检波电路线性检波电路。
