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1、在线教务辅导网：在线教务辅导网：http:/教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网教材其余课件及动画素材请查阅在线教务辅导网QQ:349134187 或者直接输入下面地址：或者直接输入下面地址：http:/测试技术测试技术信号的调理信号的调理(4)第六章第六章问题：问题：1.测量中为什么常用电桥作为传感器的调测量中为什么常用电桥作为传感器的调理电路？理电路？2.精密测量中为什么要采用电荷放大器对精密测量中为什么要采用电荷放大器对压电传感器信号进行放大？压电传感器信号进行放大？3.有源滤波器与无源滤波器性能的主要区有源滤波器与无源滤波器性能的主要区别是什么？别是什么？内容内容1.概述概述2.
2、电桥电桥3.信号的调制和解调信号的调制和解调4.信号的放大信号的放大5.信号的滤波信号的滤波测试系统测试系统信号处理信号处理1 1、概述概述 信号调理信号调理1 1、概述概述 原因：原因：传感器输出信号微弱，不便于直接传输、采集处理和存储显示。传感器输出信号微弱，不便于直接传输、采集处理和存储显示。对象对象功能功能目的目的调理内容调理内容p电桥电桥p调制解调调制解调p放大器放大器p滤波滤波1 1、概述概述 1 1）基本概念）基本概念n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一种转换电路n与传感器配接的电桥主
3、要采用不平衡电桥测量。与传感器配接的电桥主要采用不平衡电桥测量。构成：构成：四臂四臂激励电源激励电源n输出电压：输出电压：直接测量、进行放大直接测量、进行放大n特点：特点：结构简单，精确度和灵敏度高，易消除温度及环境影响结构简单，精确度和灵敏度高，易消除温度及环境影响n分类：分类：按照所采用电源不同，分为按照所采用电源不同，分为直流电桥直流电桥和和交流电桥交流电桥2、电桥、电桥 对于电阻式传感器，既可采用直流电桥形式，也可采用交流电桥形式。 对于电感式（包括电涡流式传感器）、电容式传感器，则应配用交流电桥。 2)2)直流电桥直流电桥输出：输出：2、电桥、电桥特征：特征：直流源供电直流源供电桥臂
4、为电阻桥臂为电阻电桥平衡条件电桥平衡条件相对臂乘积相等相对臂乘积相等a）与输入电压成正比）与输入电压成正比b）与桥臂电阻变化率）与桥臂电阻变化率的代数和成正比的代数和成正比c)相邻臂电阻变换率相邻臂电阻变换率符号相反（相减），符号相反（相减），而相对臂电阻变换率而相对臂电阻变换率符号相同（相加）。符号相同（相加）。（全等臂电桥全等臂电桥）测量测量忽略高阶小量并利用初始平衡条件，得：忽略高阶小量并利用初始平衡条件，得：p几种连接形式几种连接形式单臂桥单臂桥全全桥桥2、电桥、电桥半半桥桥相邻臂变化相反相邻臂变化相反相对臂变化相同相对臂变化相同测量、放大：测量、放大：相邻异性，相对同性相邻异性，相对
5、同性补偿补偿：对同符号干扰量有抵偿作用对同符号干扰量有抵偿作用电桥的作用电桥的作用F 应变片应应变片应该如何接该如何接在电桥上在电桥上？灵敏度：灵敏度：单臂：单臂：半桥：半桥：全桥：全桥：2、电桥、电桥单桥：单桥：一个桥臂阻值变化，一个桥臂阻值变化，灵敏度最小，不常用灵敏度最小，不常用 半桥：半桥：二个桥臂阻值变化，二个桥臂阻值变化，灵敏度为单臂的灵敏度为单臂的2 2倍倍，常用，常用 全桥：全桥：四个桥臂阻值变化，四个桥臂阻值变化，灵敏度为单臂的灵敏度为单臂的4 4倍倍，常用，常用 只有一个工作只有一个工作臂时如何补偿臂时如何补偿温度误差？温度误差？直流电桥应用直流电桥应用问题：问题：弯曲力与
6、拉力同时作用，弯曲力与拉力同时作用，仅测量悬臂梁纯弯曲力仅测量悬臂梁纯弯曲力方法：方法：半桥半桥R1、R2差动变化差动变化应变片粘贴位置应变片粘贴位置2、电桥、电桥选择选择：则有则有：电桥连接方式电桥连接方式特点：特点：1）F的变化的变化不影响测量结不影响测量结果；果；2）温度的误）温度的误差得到补偿。差得到补偿。FF进一步提高灵敏度：进一步提高灵敏度：2组差动变化，全桥。组差动变化，全桥。应变片粘贴位置应变片粘贴位置电桥连接方式电桥连接方式2、电桥、电桥直流电桥的特点直流电桥的特点 优点：优点：所需高稳定度的所需高稳定度的直流电源直流电源容易获得容易获得电桥输出是直流，可以用直流仪表测量电桥
7、输出是直流，可以用直流仪表测量对连接对连接导线要求导线要求较低较低电桥的电桥的平衡电路简单平衡电路简单缺点：缺点：直流直流放大器放大器比较复杂比较复杂易受易受零漂和接地零漂和接地电位的影响电位的影响2、电桥、电桥3）交流电桥）交流电桥组成：组成：激励源：激励源：高频电源高频电源e桥臂为：桥臂为：电阻电阻R、电容、电容C、电感、电感L用复阻抗用复阻抗Z表示桥臂参数，表示桥臂参数，4个桥臂为复阻抗个桥臂为复阻抗Z1Z4,为为复数复数2、电桥、电桥优势优势:易于放大易于放大R、L、C均可测量均可测量R、C、L的阻抗的阻抗Z是什么？是什么？Z=R, 交流电桥的基本工作原理与直流电桥相似，只不过交流电桥
8、的基本工作原理与直流电桥相似，只不过用用复阻抗复阻抗代替电阻代替电阻，用，用交流电源代替直流电源交流电源代替直流电源，桥路的输出电压为：，桥路的输出电压为： 可见可见,平衡平衡必须同时满足两个条件：必须同时满足两个条件：相对桥臂阻抗幅值之积相等、相位之和相等。相对桥臂阻抗幅值之积相等、相位之和相等。平衡条件平衡条件可见，可见，交流电桥平衡的条件为交流电桥平衡的条件为相对桥臂阻抗之积相等相对桥臂阻抗之积相等，即：，即： Z Z1 1Z Z4 4=Z=Z2 2Z Z3 3 若用幅值与相位表示，若用幅值与相位表示， ，上式可以表示为：，上式可以表示为：2、电桥、电桥交流电桥平衡条件交流电桥平衡条件
9、由于交流电桥必须满足两个平衡条件，使用中必须由于交流电桥必须满足两个平衡条件，使用中必须合理合理搭配电桥中的四臂元件，搭配电桥中的四臂元件，电桥才能电桥才能平衡平衡。即：。即： 当相邻两臂为纯电阻时，当相邻两臂为纯电阻时，则另两臂应同为纯电容，或同则另两臂应同为纯电容，或同为纯电感或同为纯电阻。为纯电感或同为纯电阻。 当相对臂为纯电阻时，当相对臂为纯电阻时，则另一对边臂必须一个为电感，则另一对边臂必须一个为电感，一个为电容。一个为电容。2、电桥、电桥由于每个交流电桥实际上有两个平衡条件，由于每个交流电桥实际上有两个平衡条件，电桥中需要有两个可电桥中需要有两个可调的参量，调的参量，两个量互相牵扯
10、，调节比较复杂。实验时需要对这两个两个量互相牵扯，调节比较复杂。实验时需要对这两个参量反复调节，才能使电桥调到完全平衡。参量反复调节，才能使电桥调到完全平衡。因此，交流电桥的平衡调节要比直流电桥的调节困难一些。因此，交流电桥的平衡调节要比直流电桥的调节困难一些。如果桥路只有一个电容如果桥路只有一个电容或一个电感，其它为纯或一个电感，其它为纯电阻可以平衡吗？电阻可以平衡吗？交流电桥的应用交流电桥的应用2、电桥、电桥理想电感测量理想电感测量取：取：Z1R1、Z2R2平衡条件平衡条件：理想电容测量理想电容测量取：取：Z1R1、Z2R2平衡条件平衡条件：如果交流电桥电感或电容或电阻发生变化，如果交流电
11、桥电感或电容或电阻发生变化，交流电桥输出电压计算式为交流电桥输出电压计算式为：式中，式中，分别为桥臂阻抗变化率。分别为桥臂阻抗变化率。调制信号调制信号四个桥臂阻抗：四个桥臂阻抗： 和和是两个固定电阻，阻值已知是两个固定电阻，阻值已知, 和和 分别代表可调电容和可调电分别代表可调电容和可调电阻，虚线框内是待测电容。阻，虚线框内是待测电容。ADCBmV2、电桥、电桥实际电容总存在损耗，可用电阻表示损耗。实际电容总存在损耗，可用电阻表示损耗。对于损耗小的电容，将其等效为一个电阻与一个纯电容的串联。对于损耗小的电容，将其等效为一个电阻与一个纯电容的串联。mVABCD四个桥臂阻抗：四个桥臂阻抗： 实际电
12、感感线圈圈总存在存在电阻，在阻，在低低频情况下，可将它等效成情况下，可将它等效成一一纯电感感线圈圈L和一和一损耗耗电阻阻 的串的串联。2、电桥、电桥测量低频电感的电桥测量低频电感的电桥特殊的交流电桥特殊的交流电桥带带感应耦合臂感应耦合臂的电桥的电桥2、电桥、电桥 若用差动电容传感器的电容，若用差动电容传感器的电容，或用差动变压器式电感传感器或用差动变压器式电感传感器的电感的电感代替代替Z Z3 3、Z Z4 4, ,此电桥就可此电桥就可测量参数的变化。测量参数的变化。 也可用差动变压器式电感传也可用差动变压器式电感传感器感器代替感应耦合臂代替感应耦合臂W W1 1、W W2 2, ,此此电桥就
13、是电感式传感器的转换电桥就是电感式传感器的转换电路。电路。带感应耦合臂的电桥具有较高的精度和灵敏度，性能稳定，频率带感应耦合臂的电桥具有较高的精度和灵敏度，性能稳定，频率范围宽，近年来得到广泛应用。范围宽，近年来得到广泛应用。交流电桥的特点交流电桥的特点 交流供电交流供电电源电源除应有足够的除应有足够的功率功率外，还必须具有良好的外，还必须具有良好的电压波形电压波形和和频率稳定性频率稳定性, ,否则引起误差，扰乱电桥平衡。否则引起误差，扰乱电桥平衡。 一般由振荡器输出音频信号作为电桥电源。一般由振荡器输出音频信号作为电桥电源。 优点：优点：可测量电阻、电感、电容可测量电阻、电感、电容输出为调制
14、波，外界工频干扰不易从线路引进输出为调制波，外界工频干扰不易从线路引进后接的交流放大电路简单而无零飘后接的交流放大电路简单而无零飘缺点：缺点：电桥的平衡电路复杂电桥的平衡电路复杂2、电桥、电桥传输传输发射发射耦合耦合1)调制与解调的作用调制与解调的作用直流放大器存在零漂及级间耦合问题，难以不失真直流放大器存在零漂及级间耦合问题，难以不失真交流放大器工作在较高频段，利于信号的远程传输交流放大器工作在较高频段，利于信号的远程传输调制目的是将调制目的是将微弱缓变信号微弱缓变信号提高到高频提高到高频缓变信号缓变信号调制调制高频信号高频信号放大放大放大高放大高频信号频信号解调解调放大缓放大缓变信号变信号
15、耦耦合合器器3 3、调制与解调、调制与解调用微弱的缓变信号用微弱的缓变信号控制控制高频交流信号，然后交流放大、传输，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最后再解调出放大的信号2)术语术语n调制：调制：用被测信号控制高频信号的过程用被测信号控制高频信号的过程 调制信号：调制信号： 载波信号：载波信号： 已调信号：已调信号：n解调解调：从已调信号中恢复被测信号的过程从已调信号中恢复被测信号的过程3 3、调制与解调、调制与解调3)分类分类对象：对象：高频交流信号高频交流信号:工具：工具：低频慢变信号低频慢变信号:x(t)分类：分类：幅度幅度调制调制(AM)：频率频率调制调制(FM
16、)：相位相位调制调制(PM)：3 3、调制与解调、调制与解调三种调制波的基本波形三种调制波的基本波形3 3、调制与解调、调制与解调相位相位调制调制(PM)幅度幅度调制调制(AM)频率频率调制调制(FM)测试技术中常用测试技术中常用调幅调幅及及调频调频。功能：功能： 调幅是将一个高频简谐信号（载波）与测试信号在调幅是将一个高频简谐信号（载波）与测试信号在时域相乘时域相乘，使高频信号的幅值，使高频信号的幅值随被测信号的变化而变化。随被测信号的变化而变化。特点：特点：利用调制可以把利用调制可以把低频信号推移到高频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，利用带通放大器对信号进行放大，
17、从而减少工频信号的干扰，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。有效地提高信号质量，便于信号的远距离传输。用不同频率的载波对不同被测信号进行调制后，能够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移动它们的频谱位置，使它，使它们互相们互相不发生覆盖不发生覆盖。实现：实现：乘法器调幅乘法器调幅：使用乘法器使微弱电信号与高频载波信号相乘；：使用乘法器使微弱电信号与高频载波信号相乘；电参数直接调幅电参数直接调幅：（1）交流电桥调幅）交流电桥调幅（2）分压调幅）分压调幅o0 o F（1）调幅与解调）调幅与解调3 3、调制与解调、调制与解调调幅调幅:交流电桥调幅交
18、流电桥调幅对于不同臂桥连接：对于不同臂桥连接：值不同值不同将电参数（电阻、电感、电容）转换为电压（电流）将电参数（电阻、电感、电容）转换为电压（电流）适用于电阻电桥、电感电桥、电容电桥及其组合适用于电阻电桥、电感电桥、电容电桥及其组合3 3、调制与解调、调制与解调调幅调幅:分压电路调幅分压电路调幅3 3、调制与解调、调制与解调被测量引起电感或电容发生变化，被测量引起电感或电容发生变化，并联回路并联回路的阻抗也发生变化，电压的阻抗也发生变化，电压Ux也要发生变化也要发生变化. UoR L晶晶 体体 振荡器振荡器滤波滤波放大放大检波检波 C Ue Ux电涡流线圈电涡流线圈频率与幅频率与幅度固定的度
19、固定的高频信号高频信号3、调制与解调、调制与解调相敏检波器的鉴相与选频特性相敏检波器的鉴相与选频特性解调解调定义：定义：从调幅信号中恢复原从调幅信号中恢复原有用被测信号的过程有用被测信号的过程分类：分类：同步解调、整流检波同步解调、整流检波和相敏检波三种，其中和相敏检波三种，其中相敏相敏检波最常用检波最常用相敏检波相敏检波能同时鉴别信号的能同时鉴别信号的幅值和相位幅值和相位常用相敏检波电路由四个常用相敏检波电路由四个二二极管极管组成环形结构，利用其组成环形结构，利用其单向导通作用将电路输出极单向导通作用将电路输出极性换向性换向 1 1）信号电压与载波同相，输出为正；信号）信号电压与载波同相，输
20、出为正；信号电压与载波反相，输出为负；电压与载波反相，输出为负； 2 2）输出电压的大小仅与信号电压成正比，）输出电压的大小仅与信号电压成正比，而与载波电压无关。而与载波电压无关。理论理论实际实际解调解调相敏检波器相敏检波器：鉴别信号的幅值和相位、低通：鉴别信号的幅值和相位、低通功能：功能：变压器变压器B B的输出与变压器的输出与变压器A A的输出进行比较。电路设置使变压器的输出进行比较。电路设置使变压器B B信号远大于变压信号远大于变压 器器A A信号，使参考电压起开关作用信号，使参考电压起开关作用, ,决定二极管的导通与截止。决定二极管的导通与截止。结果：结果：原信号为正，调幅波与载波同相
21、，恢复正；原信号为正，调幅波与载波同相，恢复正； 原信号为负，调幅波与载波异相，原信号为负，调幅波与载波异相， 恢复负。恢复负。参考：载波调幅相敏滤波3 3、调制与解调、调制与解调被测应变信号被测应变信号被测应变信号被测应变信号调幅后输出电压调幅后输出电压调幅后输出电压调幅后输出电压一般检波器检波一般检波器检波一般检波器检波一般检波器检波相敏检波器检波相敏检波器检波相敏检波器检波相敏检波器检波3 3、调制与解调、调制与解调 动态电阻应变仪方框图动态电阻应变仪方框图 解调相敏检波的应用解调相敏检波的应用3 3、调制与解调、调制与解调2）调频和解调）调频和解调p调频：调频：频率可控的等幅振荡器频率
22、可控的等幅振荡器调频比较容易实现调频比较容易实现数字化数字化调频信号在传输过程中不易受到干扰调频信号在传输过程中不易受到干扰p组成：组成：由线圈与电容器组成的振荡电路由线圈与电容器组成的振荡电路谐振频率谐振频率为：为：将将待待测测的的电电容容或或电电感感作作为为振振荡荡器器谐谐振振回回路路中中的的一个调谐参数，若测量电容，则：一个调谐参数，若测量电容，则： 中心频率为中心频率为o o的调频信号的调频信号LC3 3、调制与解调、调制与解调p鉴频鉴频变压器耦合的谐振回路鉴频法变压器耦合的谐振回路鉴频法L L1 1-C-C1 1、L L2 2-C-C2 2组成的组成的谐振回路谐振回路，利用特性曲线的
23、利用特性曲线的亚谐振区亚谐振区近似直近似直线的一段实现频率线的一段实现频率- -电压变换，调频信号电压变换，调频信号u uf f变为调幅信号变为调幅信号u ua a经过二级管进行经过二级管进行半波整流半波整流，再经过，再经过RCRC组成的组成的低通滤波低通滤波器滤波，器滤波，滤波器的输出滤波器的输出 u uc c与调制信号成正比，复现被测信号与调制信号成正比，复现被测信号 频率频率电压线性变换电压线性变换 幅值检波幅值检波3 3、调制与解调、调制与解调 可见，鉴频分两步完成：第一步将等幅的调频波变成幅值随频率变化的调频可见，鉴频分两步完成：第一步将等幅的调频波变成幅值随频率变化的调频- -调幅
24、波，第二步检出幅值的变化，从而得到原调制信号。调幅波，第二步检出幅值的变化，从而得到原调制信号。应用应用电台电台电视电视电话电话涡流传感涡流传感交流电桥交流电桥3 3、调制与解调、调制与解调目的目的对对传传感感器器或或测测量量电电路路输输出出的的弱弱信信号号进进行行放放大大，以以满满足足显显示、记录或示、记录或A/D转换需要。转换需要。放大器的基本要求放大器的基本要求高阻抗输入：高阻抗输入：隔离前级隔离前级低阻抗输出：低阻抗输出：驱动能力驱动能力规范输出规范输出:电压：电压：5v,电流：电流：420mA（传输）传输）失真小失真小:非线性小、精度高、一定带宽非线性小、精度高、一定带宽:DC10k
25、Hz抗干扰：抗干扰：共模抑制共模抑制4、信号的放大、信号的放大放大器分类放大器分类幅度增大；低频保留，高频截止幅度增大；低频保留，高频截止(工作点会产生温漂工作点会产生温漂或零漂，稳定性是设计重点或零漂，稳定性是设计重点)幅度增大；高频保留，低频截止（工作点保持在幅度增大；高频保留，低频截止（工作点保持在0V不变，温漂影响小，电路稳定性好，结构简单）不变，温漂影响小，电路稳定性好，结构简单） 幅度增大（特殊的放大器，设计中输出电压随传感幅度增大（特殊的放大器，设计中输出电压随传感器电荷变化而变化）器电荷变化而变化）放大器放大器直流放大器直流放大器交流放大器交流放大器电荷放大器电荷放大器4、信号
26、的放大、信号的放大回顾运算放大器回顾运算放大器V VV V U U0 0A A4、信号的放大、信号的放大运算放大器是具有很高放大倍运算放大器是具有很高放大倍数的数的电路电路单元。在实际电路中，通单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能常结合反馈网络共同组成某种功能模块。模块。 高增益高增益（A很大很大,实际可达实际可达104106倍）倍）U0（VV）虚地（短路）虚地（短路）高输入阻抗高输入阻抗（Ri非常高）非常高）输入电流很小输入电流很小虚断（开路）虚断（开路）低输出阻抗低输出阻抗R0很大的带宽很大的带宽 因此，运算放大器因此，运算放大器是常用的放大元件。是常用的放大元件。特点：特
27、点：运算放大器的运算放大器的分类：分类：4、信号的放大、信号的放大直流放大器直流放大器反向放大器反向放大器同向放大器同向放大器差动放大器差动放大器测量放大器测量放大器交流放大器交流放大器隔离放大器隔离放大器通用型运算放大器通用型运算放大器 高阻型运算放大器高阻型运算放大器 低温漂型运算放大器低温漂型运算放大器 高速型运算放大器高速型运算放大器 低功耗型运算放大器低功耗型运算放大器 高压大功率型运算放大器高压大功率型运算放大器可编程控制运算放大器可编程控制运算放大器 （1 1）反相放大器）反相放大器反相增益反相增益特点：特点：大增益，取决于反馈电阻大增益，取决于反馈电阻RF4、信号的放大、信号的
28、放大 注意：注意： 反馈电阻反馈电阻RF值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千值不能太大，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。欧至几百千欧。 R1的取值应远大于信号源的取值应远大于信号源Ui的内阻的内阻。 1）直流放大器）直流放大器4、信号的放大、信号的放大（2 2）同相放大器）同相放大器同相增益同相增益特点：特点：输入阻抗非常高：隔离输入阻抗非常高：隔离输出阻抗很低输出阻抗很低 由于同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的由于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。特点，广泛用于前置放大级。 （3 3）差动放大器）差动放大器当
29、当R1=R2，RF=R3时，差动时，差动放大器的差模电压增益为：放大器的差模电压增益为： 4、信号的放大、信号的放大特点：特点：双端输入双端输入单端输出单端输出共模抑制比较高共模抑制比较高（4 4）测量放大器）测量放大器 p通用运算放大器通用运算放大器温漂：温漂：每度数十微伏每度数十微伏失调电压：失调电压：毫伏级毫伏级抗共模干扰能力弱抗共模干扰能力弱不宜直接对微弱信号进行不宜直接对微弱信号进行精密放大精密放大p测量放大器测量放大器抗共模干扰能力强抗共模干扰能力强适合微弱信号放大适合微弱信号放大线性度高，噪声低，线性度高，噪声低，用于精密测量用于精密测量4、信号的放大、信号的放大测量放大器电路测
30、量放大器电路 特点：特点：（R1=R2R3=R4R5=R6）高精密、高稳定差动放大高精密、高稳定差动放大第一级第一级:第二级第二级:总电压增益总电压增益Rg调节放大倍数调节放大倍数三个运放分三个运放分二级放大二级放大第一级是两个同相放大器，高输人阻抗、低输出阻抗第一级是两个同相放大器，高输人阻抗、低输出阻抗第二级是普通的差动放大器第二级是普通的差动放大器，双端输入，双端输入单端输出单端输出4、信号的放大、信号的放大具有高输人阻抗、低输出阻抗具有高输人阻抗、低输出阻抗强抗共模干扰能力、低温漂、强抗共模干扰能力、低温漂、低失调电压低失调电压程控测量放大器电路程控测量放大器电路 程控增益：程控增益：
31、R1=R2R1=R2、R3=R4 R3=R4 、R5=R6R5=R6模拟开关切换模拟开关切换R1/R2R1/R2实现量程自动切换实现量程自动切换4、信号的放大、信号的放大2 2）交流放大器）交流放大器输入电阻输入电阻： R Rinin=R=R1 1交流增益交流增益交流带宽交流带宽fL ：取决于取决于C C1 1、C C3 3C1=C3=(310)/(2RLfL) 4、信号的放大、信号的放大 若只需要放大交流信号，可采用集若只需要放大交流信号，可采用集成运放交流电压成运放交流电压同相放大器同相放大器。 电容电容C1、C2及及C3为隔直电容。为隔直电容。 3 3）隔离放大器）隔离放大器p目的目的解
32、决模拟信号传输过程中的解决模拟信号传输过程中的可靠性可靠性问题问题模拟信号微弱模拟信号微弱测试现场的干扰比较大（强电）测试现场的干扰比较大（强电）对信号的传输精度要求高对信号的传输精度要求高4、信号的放大、信号的放大隔离放大器特征及形式隔离放大器特征及形式p特征特征具有一般通用具有一般通用运放运放的特性的特性其输入端与输出端之间其输入端与输出端之间(包括所包括所使用的电源之间使用的电源之间)无直接耦合通无直接耦合通路路隔离隔离信息传送是通过片内信息传送是通过片内磁路、光路、磁路、光路、电容电容等来实现等来实现p耦合方式耦合方式变压器耦合（磁耦合）变压器耦合（磁耦合）电容耦合电容耦合光电耦合（适
33、应数字量隔离）光电耦合（适应数字量隔离）4、信号的放大、信号的放大高性能的输入运算放大器、高性能的输入运算放大器、调制器和解调器调制器和解调器信号耦合器、信号耦合器、输出运算放大器、输出运算放大器、电源电源隔离放大器电路隔离放大器电路4、信号的放大、信号的放大4、信号的放大、信号的放大4）电荷放大器）电荷放大器（1）测量）测量压电传感器压电传感器电荷信号的电荷信号的电压放大器电压放大器AAQQCRuiuiCaRaCcCiRi压电传感器电缆放大器简化等效电路 等效电容：等效电容：等效电阻：等效电阻：电荷：电荷： 若作用于压电元件上的力表示为若作用于压电元件上的力表示为，经推导可得：，经推导可得：
34、 方程特解的模为：方程特解的模为：等效电容及电阻上电压为：等效电容及电阻上电压为：电压放大器测量电路的不足电压放大器测量电路的不足在高频范围内在高频范围内（），有：），有：，即：，即： 电压放大器的输入电压受系统等效电容的影响，该电容越大，输电压放大器的输入电压受系统等效电容的影响，该电容越大，输入电压越小。入电压越小。在工程实际测量中，电缆电容会因电缆长度不同而不同，使得压在工程实际测量中，电缆电容会因电缆长度不同而不同，使得压电传感器的灵敏度成为电缆长度的函数，给测量带来不确定因素电传感器的灵敏度成为电缆长度的函数，给测量带来不确定因素。由由于于电电压压放放大大器器自自身身存存在在着着上上
35、述述电电压压灵灵敏敏度度随随频频率率及及电电缆缆电电容变化容变化的不足之处，因此只用于精度要求不高的测量中。的不足之处，因此只用于精度要求不高的测量中。分析：分析：4、信号的放大、信号的放大在低频范围内在低频范围内（1），有：），有：，即：，即：电压放大器的输入电压是频率的函数，随着频率的下降而下降。电压放大器的输入电压是频率的函数，随着频率的下降而下降。当当频频率率等等于于零零时时，输输出出电电压压等等于于零零，可可见见，压压电电传传感感器器配配用用电电压压放放大大器器时时，不不可可以用于静态测量。以用于静态测量。4、信号的放大、信号的放大（2）测量）测量压电传感器压电传感器电荷信号的电荷信
36、号的电荷放大器电荷放大器 一种具有一种具有电容负反馈电容负反馈的、输入阻抗非常高的高增益的、输入阻抗非常高的高增益运算放大器。运算放大器。 其输出电压正比于电荷量，反比于反馈电容，几乎其输出电压正比于电荷量，反比于反馈电容，几乎不受电缆电容的影响。不受电缆电容的影响。 主要用于主要用于压电传感器压电传感器的信号调理，能将压电式传感的信号调理，能将压电式传感器的输出电荷转换成一定比例关系的低阻抗电压，并器的输出电荷转换成一定比例关系的低阻抗电压，并进行放大进行放大 其灵敏度可按测量需要在一定范围内分挡调节。其灵敏度可按测量需要在一定范围内分挡调节。4、信号的放大、信号的放大电荷放大器分析电荷放大
37、器分析输入端电压输入端电压 输出端电压输出端电压输出电压输出电压开环增益开环增益很大，很大，时：时： 因为运放的输入电阻很因为运放的输入电阻很大，忽略电阻泄漏电荷大，忽略电阻泄漏电荷 电荷放大器能将电荷放大器能将压电传感器输出的压电传感器输出的电荷转换为电压电荷转换为电压（Q/U转换器），转换器），但并无放大电荷的但并无放大电荷的作用，只是一种习作用，只是一种习惯叫法。惯叫法。可见：可见：电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，并且电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，并且与电与电缆分布电容及频率无关缆分布电容及频率无关电荷放大器的灵敏度取决于电荷放大器的灵敏度取决于Cf灵敏度的选择
38、，分档切换灵敏度的选择，分档切换常做高精度测量常做高精度测量加速度计加速度计 电缆电缆 电荷放大器电荷放大器4、信号的放大、信号的放大放大器下限截止频率放大器下限截止频率 为保持下限频率不变为保持下限频率不变Rf作用：作用：稳定直流工作点；与稳定直流工作点；与cf同步变化，确保反馈电路时间常同步变化，确保反馈电路时间常数不变。数不变。3、信号的放大、信号的放大电荷放大器电荷放大器 灵敏度灵敏度输入范围输入范围低通滤波低通滤波放大器特性比较放大器特性比较放大器类型放大器类型特点特点 传感器典型应用传感器典型应用直流放大器直流放大器对信号电压的大小放大，工作点会随对信号电压的大小放大，工作点会随温
39、度等的变化而波动，信号在零点上温度等的变化而波动，信号在零点上方或下方波动，电路的稳定性成为设方或下方波动，电路的稳定性成为设计的重点计的重点电阻式传感器、铂热电电阻式传感器、铂热电阻测温传感器等阻测温传感器等交流放大器交流放大器对信号电压大小的变化放大，工作点对信号电压大小的变化放大，工作点保持在保持在0V 0V 不变、信号在不变、信号在0V 0V 上下波动上下波动变化，温漂影响较小，电路的稳定性变化，温漂影响较小，电路的稳定性好、结构简单好、结构简单差动变压器、电容式、差动变压器、电容式、电感式传感器等。电感式传感器等。电荷放大器电荷放大器 一种特殊的放大器，输出电压随传感一种特殊的放大器
40、，输出电压随传感器电荷的变化而变化器电荷的变化而变化, ,对电荷信号直接对电荷信号直接放大放大压电式传感器。压电式传感器。放大是测试系统的基本环节，放大器的放大倍数是关键的参数!3、信号的放大、信号的放大作用作用使信号中特定的频率成分通过使信号中特定的频率成分通过极大地衰减其它频率成分极大地衰减其它频率成分5 5、信号的滤波、信号的滤波基本类型基本类型按选频作用：按选频作用：低通；高通；低通；高通；带通；带阻带通；带阻按有无电源：按有无电源：有源滤波器；有源滤波器；无源滤波器无源滤波器按电路元件：按电路元件： RC 滤波器；滤波器； LC 滤波器等滤波器等低通截低通截止频率止频率大于大于高高通
41、截止通截止频率频率低通截低通截止频率止频率小于小于高高通截止通截止频率频率5 5、信号的滤波、信号的滤波理想滤波器特性理想滤波器特性 实际滤波器特性实际滤波器特性:通带和阻带间没有严格界限通带和阻带间没有严格界限通带内幅值波动通带内幅值波动 021ft2)(0)(pf-=ffffAfHcco其他 fc2 H(f) f A0 A0 f fc1 fc2 0 dB H(f)0.707A 0 fc1 0 滤波器指标滤波器指标截止频率截止频率:fc1、fc2带宽带宽:B品质因数品质因数：中心频：中心频率和带宽之比；率和带宽之比；纹波幅度纹波幅度:d-3db倍频程选择性倍频程选择性W令：令：，称其为截止频
42、率。，称其为截止频率。当当fR1射极射极输出器隔离出器隔离运算放大器隔离运算放大器隔离高通、低通电路串联高通、低通电路串联低、高通截止频率低、高通截止频率调节高、低通时间常数，就可得到不同的上、下截止频率和带宽调节高、低通时间常数，就可得到不同的上、下截止频率和带宽无源无源滤波缺点滤波缺点（1）电路的增益小，最大为）电路的增益小，最大为1；（2）带负载能力差，）带负载能力差，当外载荷变化时，滤波特性也随之变化当外载荷变化时，滤波特性也随之变化；（3）过渡带较宽，幅频特性不理想；）过渡带较宽，幅频特性不理想；（4）无源滤波器存在能量损耗。）无源滤波器存在能量损耗。目目前前采采用用由由运运算算放放
43、大大器器和和阻阻容容滤滤波波网网络络构构成成的的有有源源滤滤波波电电路路就就可可克服上述无源滤波器的不足。克服上述无源滤波器的不足。2)有源滤波器有源滤波器定义：定义：由运算放大器等由运算放大器等有源器件有源器件组成的调谐网络组成的调谐网络 功能：功能：运算放大器既可作为运算放大器既可作为级间隔离级间隔离作用，又可起信号幅值的作用，又可起信号幅值的放大放大作用。作用。构成：构成：RC网络通常作为运算放大器的同向端输入或负反馈网络。网络通常作为运算放大器的同向端输入或负反馈网络。 5 5、信号的滤波、信号的滤波（1）一阶有源）一阶有源低通低通滤波网络滤波网络RC低通低通滤波网络作为滤波网络作为输
44、入端输入端RC高通高通滤波网络作为滤波网络作为负反馈负反馈5 5、信号的滤波、信号的滤波可见：截止频率与无源低通相同，但放大倍数大幅提高。可见：截止频率与无源低通相同，但放大倍数大幅提高。运算放大器起运算放大器起隔离负载影响、提高增益和提高带负载能力的作用隔离负载影响、提高增益和提高带负载能力的作用截止频率：截止频率：fc1=1/(2)放大倍数：放大倍数：k=1+Rf/R1截止频率：截止频率：fc1=1/(2)放大倍数：放大倍数：k=Rf/R15 5、信号的滤波、信号的滤波二阶有源低通滤波器二阶有源低通滤波器a）b）a)是两个一阶低通的简单组合，目的是使通带外高频衰减率是两个一阶低通的简单组合
45、，目的是使通带外高频衰减率更快：更快：-40dB/10倍频程倍频程b)具有多路负反馈，是具有多路负反馈，是a）的改进，削弱）的改进，削弱RF 负反馈作用，低负反馈作用，低通特性更好通特性更好（2）二阶有源低通滤波网络）二阶有源低通滤波网络 电桥电桥特点：结构简单，精确度和灵敏度高，易消除环境温度影响特点：结构简单，精确度和灵敏度高，易消除环境温度影响分类：按照所采用电源不同，分为直流电桥和交流电桥分类：按照所采用电源不同，分为直流电桥和交流电桥测量：相邻臂差动、对应臂相同测量：相邻臂差动、对应臂相同补偿：相同干扰接在相邻臂补偿：相同干扰接在相邻臂应用：应用：R R、L L、C C测量测量调制与
46、解调调制与解调作用：微弱缓变信号的放大、信号的远程传输作用：微弱缓变信号的放大、信号的远程传输分类：幅、频、相调制解调分类：幅、频、相调制解调调幅：三种调幅方法、解调方法（相敏检波）调幅：三种调幅方法、解调方法（相敏检波）调频：调频：LC电路调频、电路调频、LC电路耦合鉴频电路耦合鉴频应用：应用：R R、L L、C C电参数的测量电参数的测量回顾回顾信号放大信号放大放大器的目的、基本要求放大器的目的、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测量放大器的结构和特点隔离放大器的用途、特点和种类隔离放大器的用途、特点和种类电荷放大器的
47、电路特点：线性输出、连接电缆影响小、灵敏度可选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信号滤波滤波的作用和基本类型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：无源滤波典型电路：RCRC高、低通、带通滤波高、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）有源滤波：一、二阶低通滤波器（低通输入回路、高通反馈回路）回顾回顾5 5、放大与滤波、放大与滤波思考题思考题1.直流电桥的三种工作方式是什么？直流电桥的三种工作方式是什么？2.电桥平衡的条件是什么？电桥平衡的条件是什么？3.信号调理的目的是什么？调幅可以通过哪种电路实现信号调理的目的是什么？调幅可以通过哪种电路实现？调频可以通过什么电路实现？调频可以通过什么电路实现？4.相敏检波器的功能是什么？相敏检波器的功能是什么？5.测量放大器由什么电路组成？优势是什么？测量放大器由什么电路组成？优势是什么？6.电荷放大器用于什么信号的放大？电荷放大器用于什么信号的放大？7.滤波器的特性参数有哪些？滤波器的特性参数有哪些？作业作业教材教材6-2、6-3、6-5
