測(cè)試技術(shù)第4章

1、第第4 4章章 信號(hào)的調(diào)理與記錄信號(hào)的調(diào)理與記錄教學(xué)內(nèi)容：教學(xué)內(nèi)容：n1 1 電橋電橋n2 2 調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)n3 3 信號(hào)的放大與衰減信號(hào)的放大與衰減n4 4 濾波器濾波器n5 5 信號(hào)的顯示與記錄信號(hào)的顯示與記錄n傳感器輸出的電信號(hào)大多數(shù)不能直接輸送傳感器輸出的電信號(hào)大多數(shù)不能直接輸送 到顯示、記錄或分析儀器中去，需要經(jīng)過(guò)到顯示、記錄或分析儀器中去，需要經(jīng)過(guò) 適當(dāng)?shù)恼{(diào)理，使之轉(zhuǎn)換為便于處理、接收適當(dāng)?shù)恼{(diào)理，使之轉(zhuǎn)換為便于處理、接收 和顯示的形式。和顯示的形式。n信號(hào)調(diào)理與記錄中常用環(huán)節(jié)信號(hào)調(diào)理與記錄中常用環(huán)節(jié) ：n電橋、調(diào)制與解調(diào)、放大器、濾波器、記電橋、調(diào)制與解調(diào)、放大器、濾波器、

2、記錄器等。錄器等。 4.1 電 橋n定義：定義：電橋是將電阻、電感、電容等參量的變化電橋是將電阻、電感、電容等參量的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出的一種測(cè)量電路。轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出的一種測(cè)量電路。n其轉(zhuǎn)換的實(shí)質(zhì)是一種信息的傳遞，即通過(guò)電參量其轉(zhuǎn)換的實(shí)質(zhì)是一種信息的傳遞，即通過(guò)電參量來(lái)控制工作電壓的幅度變化，從而將電參量變化來(lái)控制工作電壓的幅度變化，從而將電參量變化的信息加到輸出電壓信號(hào)上，其能量由工作電源的信息加到輸出電壓信號(hào)上，其能量由工作電源提供。提供。n電橋電路簡(jiǎn)單可靠，具有很高的精度和靈敏度。電橋電路簡(jiǎn)單可靠，具有很高的精度和靈敏度。被廣泛的用作儀器測(cè)量電路。被廣泛的用作儀器測(cè)量電路。n按

3、激勵(lì)電源按激勵(lì)電源分為：直流電橋與交流電橋；分為：直流電橋與交流電橋；n按工作原理按工作原理分為：平衡電橋和不平衡電橋；分為：平衡電橋和不平衡電橋；n按橋臂接入的阻抗元件不同按橋臂接入的阻抗元件不同：電阻電橋、電容電：電阻電橋、電容電橋、電感電橋。橋、電感電橋。n4.1.1 4.1.1 直流電橋（適于靜態(tài)量的測(cè)量）直流電橋（適于靜態(tài)量的測(cè)量）n以電阻以電阻R1R1、R2R2、R3R3、R4R4組成電橋四個(gè)橋臂組成電橋四個(gè)橋臂n當(dāng)輸入端后接輸入阻抗較大的儀表或放大電路時(shí)，可視為開路，則直流電橋直流電橋04344202111143022101URRRRIUURRRRIURRUIRRUIadab輸出

4、電壓：04321423104340211)(URRRRRRRRURRRURRRUUUadabyn直流電橋的平衡條件：n常用的電橋連接形式： 4231RRRR 半橋單臂 半橋雙臂 全橋連接 圖4-2 直流電橋的連接方式a）半橋單臂 b）半橋雙臂 c）全橋n對(duì)于單臂電橋，在工作時(shí)僅有一個(gè)橋臂電阻值隨被測(cè)量變化，設(shè)該電阻為R1，其變化量為R，則輸出電壓為：004URRUy0434211URRRRRRRRUy設(shè)04321RRRRR則0024URRRUy（4-6）n半橋雙臂半橋雙臂連接形式：工作時(shí)有兩個(gè)橋臂連接形式：工作時(shí)有兩個(gè)橋臂（一般為相鄰橋臂）電阻值隨被測(cè)量而變（一般為相鄰橋臂）電阻值隨被測(cè)量而變

5、化，即：化，即： ，則由式（，則由式（4-44-4）可證明，當(dāng)可證明，當(dāng)R R1 1=R=R2 2=R=R0 0 ，RR1 1RR2 2RR， R R3 3=R=R4 4=R=R0 0 ，則電橋輸出，則電橋輸出，11RR22RR002URRUy（4-7）n全橋連接法全橋連接法：四個(gè)橋臂的阻值均隨被測(cè)量：四個(gè)橋臂的阻值均隨被測(cè)量而變化，即：而變化，即：11RR22RR33RR44RR 當(dāng)當(dāng)R1=R2=R3=R4=R0,且且RRRRR4321輸出為：00URRUy（4-8）結(jié)論：結(jié)論：式（式（4 46 6）、（）、（4 47 7）、（）、（4 48 8）表明，電橋）表明，電橋的輸出電壓與激勵(lì)電壓成

6、正比，但比例系數(shù)不同。的輸出電壓與激勵(lì)電壓成正比，但比例系數(shù)不同。電橋的和差特性：電橋的和差特性：n1 1）若相鄰兩橋臂電阻）若相鄰兩橋臂電阻同向變化同向變化，所產(chǎn)生輸出電壓的變化，所產(chǎn)生輸出電壓的變化將將相互抵消相互抵消；n2 2）若相鄰兩橋臂電阻）若相鄰兩橋臂電阻反向變化反向變化，所產(chǎn)生的輸出電壓的變，所產(chǎn)生的輸出電壓的變化將化將相互疊加相互疊加。和差特性應(yīng)用實(shí)例：和差特性應(yīng)用實(shí)例： n1 1）懸臂梁作敏感元件測(cè)力：）懸臂梁作敏感元件測(cè)力：為提高靈敏度，常在梁的上，為提高靈敏度，常在梁的上，下表面各貼一片應(yīng)變片，并將上述兩應(yīng)變片接入電橋的相下表面各貼一片應(yīng)變片，并將上述兩應(yīng)變片接入電橋的相

7、鄰兩橋臂。鄰兩橋臂。n2 2）柱形梁作敏感元件測(cè)力：）柱形梁作敏感元件測(cè)力：四個(gè)縱向應(yīng)變片兩兩串聯(lián)，四個(gè)縱向應(yīng)變片兩兩串聯(lián)，接入相對(duì)橋臂接入相對(duì)橋臂; ;橫向應(yīng)變片主要起溫度補(bǔ)償作用。橫向應(yīng)變片主要起溫度補(bǔ)償作用。eURRRRRRRRU4321041靈敏度。全橋接法可以獲得最大靈敏度不同，結(jié)論：電橋接法不同，。全橋靈敏度；半橋靈敏度；單臂電橋靈敏度則有：定義電橋的靈敏度為00024UUURRUSy結(jié)論：電橋接法不同，靈敏度不同，全橋接法結(jié)論：電橋接法不同，靈敏度不同，全橋接法可以獲得最大靈敏度?？梢垣@得最大靈敏度。n例題1：以阻值 、靈敏度s=2的電阻絲應(yīng)變片與阻值為120 的固定電阻組成電橋

8、，供橋電壓為3V，并假定負(fù)載電阻為無(wú)窮大，當(dāng)應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)?時(shí)，分別求出單臂、雙臂電橋的輸出電壓，并比較兩種情況下的靈敏度。20002和120R圖4-3 平衡電橋 上述電橋是在上述電橋是在不平衡不平衡條條件下工作的，它的缺點(diǎn)是當(dāng)件下工作的，它的缺點(diǎn)是當(dāng)電源電壓不穩(wěn)定電源電壓不穩(wěn)定，或者，或者環(huán)境環(huán)境溫度溫度有變化時(shí)，都會(huì)引起電有變化時(shí)，都會(huì)引起電橋輸出的變化，從而產(chǎn)生測(cè)橋輸出的變化，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差。量誤差。 為此，在某些情況下采為此，在某些情況下采用用平衡電橋平衡電橋( (如圖如圖43)43)。 出于平衡電橋最終的輸出于平衡電橋最終的輸出為零，因此出為零，因此測(cè)量誤差取決測(cè)量誤差取決于可調(diào)電

9、位器的精確度于可調(diào)電位器的精確度，而，而與電橋電源電壓無(wú)關(guān)。與電橋電源電壓無(wú)關(guān)。 直流電橋適合于靜態(tài)量直流電橋適合于靜態(tài)量的測(cè)量。的測(cè)量。 n4.1.2 交流電橋n采用交流電源（510kHz）激勵(lì)。n交流電橋達(dá)到平衡時(shí)必須滿足：n各橋臂的復(fù)數(shù)阻抗為n則n上式成立的條件是ijiieZZ04231ZZZZ)(4002)(03104231jjeZZeZZ423140020310ZZZZ圖4-7 電容電橋4242133124431111jwCRRRjwCRRRRjwCRRjwCR若電橋平衡，則42134231CRCRRRRR兩相鄰橋臂為純電阻R2、R3，另外相鄰兩臂為電容C1、C4。此時(shí)R1、R4可視

10、為電容介質(zhì)損耗的等效電阻。圖4-8 電感電橋42314231RLRLRRRR若電橋平衡，則：圖圖4-94-9 電阻交流電橋的分布電容電阻交流電橋的分布電容圖圖4-104-10 具有電阻電容平衡的交流電阻電橋具有電阻電容平衡的交流電阻電橋?qū)Ь€間存在分布電容電容C2是一個(gè)差動(dòng)可變電容器影響交流電橋測(cè)量精度的因素：影響交流電橋測(cè)量精度的因素：n電橋各元件之間的互感耦合；電橋各元件之間的互感耦合；n泄漏電阻以及元件間、元件對(duì)地之間的分布泄漏電阻以及元件間、元件對(duì)地之間的分布電容；電容；n鄰近交流電路對(duì)電橋的感應(yīng)影響。鄰近交流電路對(duì)電橋的感應(yīng)影響。n交流電橋的激勵(lì)電源要求其交流電橋的激勵(lì)電源要求其電壓波

11、形電壓波形和和頻率頻率必須具有很好的必須具有很好的穩(wěn)定性。穩(wěn)定性。n一般采用音頻交流電源（一般采用音頻交流電源（5 510kHz10kHz）作為電）作為電橋電源。電橋輸出將為調(diào)制波，后接交流放橋電源。電橋輸出將為調(diào)制波，后接交流放大電路簡(jiǎn)單而無(wú)零漂，并且解調(diào)電路和濾波大電路簡(jiǎn)單而無(wú)零漂，并且解調(diào)電路和濾波電路容易去除干擾而獲得有用信號(hào)。電路容易去除干擾而獲得有用信號(hào)。4.2 調(diào)制與解調(diào)n調(diào)制：利用某種低頻信號(hào)來(lái)控制或改變一高頻振蕩信號(hào)的某個(gè)參數(shù)的過(guò)程。n解調(diào)：是指從已調(diào)制信號(hào)中恢復(fù)出原低頻調(diào)制信號(hào)的過(guò)程。n高頻振蕩信號(hào)稱為載波；控制高頻振蕩的低頻信號(hào)為調(diào)制信號(hào)；調(diào)制后的高頻振蕩信號(hào)為已調(diào)制信號(hào)

12、（便于放大和傳輸）。n調(diào)制分類：n當(dāng)被控制的量是高頻振蕩信號(hào)的幅值時(shí)，稱為調(diào)幅(AM)；已調(diào)制信號(hào)為調(diào)幅波；n當(dāng)被控制的量為高頻振蕩信號(hào)的頻率時(shí)，稱為調(diào)頻(FM)；已調(diào)制信號(hào)為調(diào)頻波；n當(dāng)被控制的量為高頻振蕩信號(hào)的相位時(shí)，稱為調(diào)相(PM)；已調(diào)制信號(hào)為調(diào)相波；n調(diào)制與解調(diào)的應(yīng)用：n應(yīng)用分析：傳感器輸出的低頻微弱信號(hào)需要放大。直流放大，存在零漂和級(jí)間耦合，容易失真；交流放大，抗零漂，故一般先將低頻信號(hào)調(diào)制為高頻信號(hào)，再交流放大，最后解調(diào)。n應(yīng)用實(shí)例：差動(dòng)變壓器式位移傳感器；交流電橋等。圖4-8 載波、調(diào)制信號(hào)、調(diào)幅波和調(diào)頻波n4.2.1 4.2.1 調(diào)幅及其解調(diào)調(diào)幅及其解調(diào)n1、調(diào)幅原理n將高頻

13、載波信號(hào)與被測(cè)信號(hào)相乘，使高頻信號(hào)的幅值隨被測(cè)信號(hào)的變化而變化。n調(diào)幅的過(guò)程如圖4-9。圖4-9 調(diào)幅過(guò)程圖4-9 調(diào)幅過(guò)程時(shí)域時(shí)域頻域頻域n總結(jié)：總結(jié)：n調(diào)幅的過(guò)程在頻域上就相當(dāng)于一個(gè)移頻的過(guò)程。n載波頻率f0必須高于信號(hào)中的最高頻率fmax，才不會(huì)出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。實(shí)際應(yīng)用中，載波頻率至少在調(diào)制信號(hào)上限頻率的十倍以上。n注意注意：調(diào)幅波是否可以看作是載波與調(diào)制信號(hào)的迭加？n否。因?yàn)檎{(diào)幅波是載波幅值隨調(diào)制信號(hào)大小成正比變化，只有相乘才能實(shí)現(xiàn)。幅值調(diào)制裝置實(shí)質(zhì)上是一個(gè)乘法器。n現(xiàn)在已有性能良好的線性乘法器組件。霍爾元件也是一種乘法器。電橋在本質(zhì)上也是一個(gè)乘法裝置，若以高頻振蕩電源供給電橋，則輸出u

14、y為調(diào)幅波。 500例2：已知調(diào)幅波 試求：（1） 所包含的各分量的頻率及幅值；（2）繪制調(diào)制信號(hào)與調(diào)幅波（已調(diào)制信號(hào)）的頻譜。，twtttxcacos)3cos20cos30100()(，其中HzfkHzfc50010)(txan2 2、整流檢波和相敏檢波、整流檢波和相敏檢波n調(diào)幅波解調(diào)（檢波）：調(diào)幅波解調(diào)（檢波）：n從已調(diào)制信號(hào)中檢出調(diào)制信號(hào)的過(guò)程。從已調(diào)制信號(hào)中檢出調(diào)制信號(hào)的過(guò)程。 n有三種方法：同步解調(diào)、包絡(luò)檢波、相敏檢波。有三種方法：同步解調(diào)、包絡(luò)檢波、相敏檢波。n同步解調(diào)：同步解調(diào)：已調(diào)制信號(hào)已調(diào)制信號(hào)X Xm m(t)(t)與載波與載波y(t)y(t)再次相乘，再次相乘，經(jīng)低通濾

15、波器，檢出調(diào)制信號(hào)。經(jīng)低通濾波器，檢出調(diào)制信號(hào)。n整流檢波（包絡(luò)檢波）：整流檢波（包絡(luò)檢波）：n幅值調(diào)制就是讓已調(diào)信號(hào)的幅值隨調(diào)制信號(hào)的值幅值調(diào)制就是讓已調(diào)信號(hào)的幅值隨調(diào)制信號(hào)的值變化，因此調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)線形狀與調(diào)制信號(hào)一變化，因此調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)線形狀與調(diào)制信號(hào)一致。只要能檢出調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)線即能實(shí)現(xiàn)解調(diào)。致。只要能檢出調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)線即能實(shí)現(xiàn)解調(diào)。這種方法稱為整流檢波或包絡(luò)檢波。這種方法稱為整流檢波或包絡(luò)檢波。 圖圖4-10 4-10 調(diào)制信號(hào)加偏置的調(diào)幅波調(diào)制信號(hào)加偏置的調(diào)幅波a a）偏置電壓足夠大）偏置電壓足夠大 b b）偏置電壓不夠大）偏置電壓不夠大n相敏檢波n為了使信號(hào)具有為了使信號(hào)

16、具有判別信號(hào)相位判別信號(hào)相位和和選頻選頻的能力，的能力，需采用相敏檢波電路。需采用相敏檢波電路。n要實(shí)現(xiàn)正確的解調(diào)必須要求參考信號(hào)的幅值要實(shí)現(xiàn)正確的解調(diào)必須要求參考信號(hào)的幅值遠(yuǎn)大于調(diào)幅信號(hào)的幅值，使開關(guān)器件的通斷遠(yuǎn)大于調(diào)幅信號(hào)的幅值，使開關(guān)器件的通斷完全由參考信號(hào)決定。其中完全由參考信號(hào)決定。其中x(t)x(t)為原信號(hào)；為原信號(hào)；y(t)y(t)為載波，為載波，xm(t)為調(diào)幅波。電路設(shè)計(jì)使為調(diào)幅波。電路設(shè)計(jì)使變變壓器壓器B B二次邊的輸出電壓二次邊的輸出電壓大于大于A A二次邊的輸出二次邊的輸出電壓，電壓，即滿足參考信號(hào)的幅值大于調(diào)幅信號(hào)即滿足參考信號(hào)的幅值大于調(diào)幅信號(hào)的幅值。的幅值。 n

17、相敏檢波過(guò)程：相敏檢波過(guò)程：n若原信號(hào)若原信號(hào)x(t)x(t)為正為正，調(diào)幅波，調(diào)幅波xm(t)與載波與載波y(t)y(t)同相，如圖中同相，如圖中0 0a a段所示。段所示。當(dāng)載波電壓為正時(shí)當(dāng)載波電壓為正時(shí)，VD1、VD2導(dǎo)通，且導(dǎo)通，且V23V12、i23i12，電流的流向是，電流的流向是52VD23d地地負(fù)載負(fù)載c c5 5。當(dāng)載波電壓為負(fù)時(shí)當(dāng)載波電壓為負(fù)時(shí)，變壓器，變壓器A A和和B B的極性同時(shí)的極性同時(shí)改變，改變，VD3、VD4導(dǎo)通，且導(dǎo)通，且V41V34，i41 i34，電流的流向，電流的流向是是54VD41d地負(fù)載地負(fù)載c c5 5。n也就是，當(dāng)原信號(hào)為正時(shí)，相敏檢波電路的輸出

18、為負(fù)，與也就是，當(dāng)原信號(hào)為正時(shí)，相敏檢波電路的輸出為負(fù)，與原信號(hào)反相。原信號(hào)反相。n若原信號(hào)若原信號(hào)x(t)為負(fù)，為負(fù)，調(diào)幅波與載波異相，調(diào)幅波與載波異相，當(dāng)載波為正時(shí)當(dāng)載波為正時(shí)，變，變 壓器壓器B的極性如圖中所示，變壓器的極性如圖中所示，變壓器A的極性與圖中相反。的極性與圖中相反。VD1、VD2導(dǎo)通，且導(dǎo)通，且V23V12，i23i12，電流的流向是電流的流向是d-1-VD1-2-5-c-負(fù)載負(fù)載-地地-d。當(dāng)載波電壓為負(fù)時(shí)，。當(dāng)載波電壓為負(fù)時(shí)，VD3、VD4導(dǎo)通，導(dǎo)通，且且V41V34、i41i34，電流的流向是，電流的流向是d-3-VD3-4-5-c-負(fù)負(fù) 載載-地地-d。n也就是，當(dāng)

19、原信號(hào)為負(fù)時(shí)，相敏檢波電路的輸出為正，與也就是，當(dāng)原信號(hào)為負(fù)時(shí)，相敏檢波電路的輸出為正，與原信號(hào)反相。原信號(hào)反相。圖圖4-11 4-11 相敏檢波相敏檢波n相敏檢波是利用二極管的單向?qū)ㄗ饔脤㈦娐份敵鰳O性換向。n在0-a段把xm(t)的零線上的正部翻下來(lái)，而在a-b段的負(fù)部翻上去。信號(hào)uf是經(jīng)過(guò)反轉(zhuǎn)后的相敏檢波的輸出，經(jīng)過(guò)電容C、Rf組成的低通濾波器后，輸出的信號(hào)uc能夠反應(yīng)調(diào)制信號(hào)的波形，經(jīng)過(guò)適當(dāng)放大倍數(shù)的反相放大器，能夠完全復(fù)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)。n動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀為電橋調(diào)幅與相敏檢波的典型實(shí)例。n振蕩器輸出等幅高頻振蕩電壓（一般頻率為10kHz或15kHz），一方面振蕩器為電橋提供電源，調(diào)制信號(hào)通過(guò)

20、電橋調(diào)制振蕩器輸出的高頻信號(hào),并輸出調(diào)幅波；另一方面，為相敏檢波電路提供參考信號(hào)。調(diào)幅波經(jīng)過(guò)放大，最后經(jīng)相敏檢波與低通濾波獲得所測(cè)信號(hào)。n其工作原理如圖4-12所示。圖圖4-12 4-12 動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀框圖動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀框圖（10KHz-15kHz）n4.2.2 調(diào)頻及其解調(diào)n1、調(diào)頻n利用信號(hào)電壓的幅值控制一個(gè)振蕩器，振蕩器輸出的是等幅波，但其振蕩頻率偏移量和信號(hào)電壓成正比。當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)，調(diào)頻波的頻率就等于中心頻率；信號(hào)電壓為正值時(shí)頻率提高，為負(fù)值時(shí)頻率降低。 00000( )cos( )cos( )fy tAtAtx ttkx txtAtk x t dt設(shè)載波若保持振幅 為常數(shù)，讓載

21、波瞬時(shí)角頻率（）隨調(diào)制信號(hào)（）變化，有此時(shí)調(diào)頻信號(hào)可表示圖4-13 調(diào)制信號(hào)為三角波時(shí)的調(diào)頻信號(hào)波形n2、常用的頻率調(diào)制方法n（1）直接調(diào)頻法 被測(cè)參數(shù)的變化直接引起傳感器輸出信號(hào)頻率的改變。如振弦式傳感器,振蕩器式頻率傳感器。n（2）參數(shù)調(diào)頻法 其基本原理是首先將被測(cè)參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為傳感器的L、R或C的變化，將傳感器線圈、電容或電阻接在一定振蕩回路中，被測(cè)參數(shù)的變化將會(huì)引起振蕩器振蕩頻率的變化，輸出調(diào)頻信號(hào)。（例如：電渦流傳感器、電容式傳感器）n（3）電壓調(diào)頻法n基本原理是利用電壓變化來(lái)控制振蕩頻率的變化，壓控振蕩器是一種常用的調(diào)頻方法。其輸出瞬時(shí)頻率輸出瞬時(shí)頻率與輸入的控輸入的控制電壓值制

22、電壓值成線性關(guān)系。LCf21文氏電橋正弦波發(fā)生器圖4-14 采用乘法器的壓控振蕩器n3 3、鑒頻電路、鑒頻電路n調(diào)頻波的解調(diào)稱為鑒頻，是指將頻率變化恢復(fù)成調(diào)制信號(hào)電壓幅值變化的過(guò)程。圖圖4-15 4-15 用變壓器耦合的失諧回路鑒頻（斜率鑒頻用變壓器耦合的失諧回路鑒頻（斜率鑒頻) ) a a）鑒頻器）鑒頻器 b b）頻率）頻率電壓特性曲線電壓特性曲線圖圖4-16 4-16 雙失諧回路鑒頻電路雙失諧回路鑒頻電路調(diào)諧回路調(diào)諧回路幅頻特性幅頻特性輸入調(diào)輸入調(diào)頻信號(hào)頻信號(hào)回路回路1 1輸出輸出回路回路2 2輸出輸出輸出輸出信號(hào)信號(hào)圖圖4-164-164.3 信號(hào)的放大與衰減n信號(hào)放大是為了將微弱的傳感

23、器信號(hào)，放大到足以進(jìn)行各種轉(zhuǎn)換處理，或推動(dòng)指示器、記錄器以及各種控制機(jī)構(gòu)。n為保證測(cè)量精度，要求放大電路具有如下：n足夠的放大倍數(shù)；n高輸入阻抗，低輸出阻抗；n高共模抑制能力；n低溫漂、低噪聲、低失調(diào)電壓和電流。n差動(dòng)放大、電橋放大、電荷放大、高輸入阻抗放大、高共模抑制比放大、程控放大電路等。4.3.1 基本放大器三種基本放大電路的基本形式如圖4-17所示。a）反相放大器）反相放大器b）同相放大器）同相放大器c c）基本差動(dòng)放大器）基本差動(dòng)放大器圖4-17 基本放大電路n運(yùn)算放大器理想模型：n運(yùn)算放大器的輸入電流為零，即 。n運(yùn)算放大器的差動(dòng)輸入電壓為零，即n1.反相比例放大器n反相比例放大器

24、的特點(diǎn)是：n輸出與輸入信號(hào)反相；n電壓放大倍數(shù)的絕對(duì)值 或 ； n放大器的輸入阻抗?。?）；n 只能放大對(duì)地的單端信號(hào)。n2.同相比例放大器圖圖 11-6 用同相比例放大器放大電橋信號(hào)用同相比例放大器放大電橋信號(hào)圖圖11-5 同相比例放大器同相比例放大器n同相比例放大器的特點(diǎn)為：n輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同相；n電壓放大器倍數(shù)大于等于1；n放大器的輸入阻抗很大；n只能放大單端信號(hào)。n3.差動(dòng)放大器圖11-8 差動(dòng)放大器圖11-9 單臂電橋接差動(dòng)放大器特點(diǎn)：放大器的放大倍數(shù)與頻率有關(guān)，其頻帶寬度在f1和f2之間，因此在信號(hào)放大時(shí)，可以抑制直流漂移和高頻干擾電壓。n反相放大電路反相放大電路性能穩(wěn)定，但輸

25、入阻抗比較低，容易對(duì)傳感器形成負(fù)載效應(yīng)；n同相放大電路同相放大電路輸入阻抗高，但易受干擾和精度低；n差動(dòng)放大電路差動(dòng)放大電路把兩個(gè)輸入信號(hào)分別輸入到運(yùn)算放大器的同相和反相輸入端，然后在輸出端取出兩個(gè)信號(hào)的差模成分，抑制兩個(gè)信號(hào)的共模成分的電路。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸入阻抗較低，增益調(diào)節(jié)困難，使其應(yīng)用受到很大限制；n運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器不論是作為同相放大器還是反相放大器，電路都是采用電壓負(fù)反饋的形式，電路的閉環(huán)輸出阻抗都非常小。n4.3.2 儀器放大器n典型的儀器放大電路由三個(gè)集成運(yùn)放構(gòu)成的，如圖所示。n兩個(gè)輸入端分別是兩個(gè)集成運(yùn)放、的同相輸入端，因此輸入電阻很高。n構(gòu)成差分放大電路，兩邊電阻對(duì)稱，可以

26、消除上述遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)的共模干擾。n同時(shí)當(dāng)、輸出端上產(chǎn)生的漂移電壓對(duì)稱時(shí)，在輸出V中也被消除。因此該電路有很高的共模抑制能力和較低的輸出漂移電壓。圖4-18 儀器放大器n為提高電路的抗共模干擾能力和抑制漂移的影響，應(yīng)使電路上下對(duì)稱，即取R1R2，R4R6，R5R7。若A1、A2、A3都是理想運(yùn)放，則V1V4，V2=V5，故有： 2212612113RRVVVVRRVVVVGGGGfRRRRRVVVVA12121631211該電路輸出電壓與差動(dòng)輸入電壓之間的關(guān)系，即增益可以用下式表示：45121021RRRRVVVAGfn若取RlR2=R4R6=R5R7=10K，即可以構(gòu)成一個(gè)Af =201倍的高

27、輸入阻抗、高共模抑制比的放大器。n世界許多公司都有自己的集成儀器放大器，如美國(guó)AD公司生產(chǎn)的AD612和AD614，美國(guó)BB公司推出的INA114等。都是根據(jù)儀器放大器原理設(shè)計(jì)的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)單片集成電路，其它型號(hào)的儀器放大器，雖然電路有所區(qū)別，但基本性能是一致的，如AD521、AD522等。 圖圖4-19 AD6124-19 AD612集成儀器放大器集成儀器放大器圖4-20 電橋與AD612組成的放大電路保護(hù)端經(jīng)緩沖器A與屏蔽層相連，可有效減小共模干擾n4.3.3 可編程增益放大器n在多回路檢測(cè)系統(tǒng)中，由于各回路傳感器信號(hào)的變化范圍不同，只有通過(guò)不同量程的放大器，才能使放大后的信號(hào)幅值變化范圍一

28、致（例如05V）。n利用計(jì)算機(jī)編程改變?cè)鲆妫≒GA）的放大器為可編程增益放大器。n可編程增益放大器為可編程增益的反相放大器。包括：電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)、譯碼器和儀器放大器。n也可不用譯碼器，由計(jì)算機(jī)I/O口控制y1、y2、y3、y4，得到24個(gè)不同增益。圖4-21 可編程增益放大器的基本原理 x1 x2y1 y2 y3 y4閉合開關(guān) 0 00 1 1 1 S1 0 11 0 1 1 S2 1 01 1 0 1 S3 1 11 1 1 0 S4圖圖4-22 4-22 LH0084LH0084集成集成可編程增益可編程增益放大器放大器n經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換的電信號(hào)或其他被測(cè)電信號(hào)，通常是由多個(gè)頻率分量組合而成

29、的，除了包含有效信息外，一般都混雜有不同頻率的干擾和其他不希望得到的成分。n濾波：濾波：能抑制掉無(wú)用的、與信號(hào)頻率不同的噪聲，選出有用的頻率信號(hào)。n濾波器：濾波器：具有濾波功能的電路。n濾波器的分類：濾波器的分類：根據(jù)其選頻方式不同，可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。4.4 濾波器 圖4-23 四類理想濾波器的幅頻特性a）低通 b）高通 c）帶通 d）帶阻 通帶、阻帶、過(guò)渡帶的概念。 其他分類方法：按照濾波器的構(gòu)成形式，可分為 有源濾波器和無(wú)源濾波器。n4.4.1 濾波器性能分析n1、模型：理想濾波器能使通帶內(nèi)信號(hào)的幅值和相位都不失真，阻帶內(nèi)的頻率成分都衰減為零的濾波器，其

30、通帶和阻帶之間有明顯的分界線。 ccjwteAjH000幅頻特性幅頻特性相頻特性相頻特性圖4-24 理想低通濾波器的幅頻和相頻特性 圖圖4-25 4-25 理想低通濾波器的脈沖響應(yīng)函數(shù)理想低通濾波器的脈沖響應(yīng)函數(shù) 傅立葉變換傅立葉變換時(shí)時(shí)頻對(duì)稱性頻對(duì)稱性n2、濾波器參數(shù)n理想濾波器只需規(guī)定截止頻率即可說(shuō)明其特性，而實(shí)際濾波器的特性曲線無(wú)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，通帶中幅頻特性也非常數(shù)，需更多參數(shù)描述其性能。n主要參數(shù)包括：紋波幅度、截止頻率、帶寬、品質(zhì)因數(shù)、倍頻程選擇性、濾波器因數(shù)。圖圖4-26 4-26 實(shí)際低通濾波器實(shí)際低通濾波器的幅頻特性的幅頻特性圖4-27 理想和實(shí)際的帶通濾波器的幅頻特性n（1 1

31、）截止頻率：）截止頻率：幅頻特性值等于幅頻特性值等于 所所對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)；對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)；n（2 2）帶寬）帶寬B B：上下兩截止頻率之間的頻率范圍上下兩截止頻率之間的頻率范圍 B= B= c2c2-c1c1 ，又稱，又稱-3dB-3dB帶寬；帶寬；n（3 3）紋波幅度）紋波幅度：通帶中幅頻特性值的起伏變通帶中幅頻特性值的起伏變化值；化值；n（4 4）品質(zhì)因子（）品質(zhì)因子（Q Q值）：值）：對(duì)于一個(gè)帶通濾波器，對(duì)于一個(gè)帶通濾波器，其品質(zhì)因子其品質(zhì)因子Q Q則定義為中心頻率則定義為中心頻率0 0與帶寬與帶寬B B之比，之比，即即Q= Q= 0 0/B/B。)3(20dBA實(shí)際濾波器參數(shù)：n（5 5）

32、倍頻程選擇性：）倍頻程選擇性：上截止頻率上截止頻率c2c2與與2 2c2c2之之間或下截止頻率間或下截止頻率c1c1 與與c1c1 /2/2間幅頻特性的衰間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個(gè)倍頻程的衰減量，以減值，即頻率變化一個(gè)倍頻程的衰減量，以dBdB表示。倍頻程選擇性表征過(guò)渡帶的幅頻曲線傾表示。倍頻程選擇性表征過(guò)渡帶的幅頻曲線傾斜的程度，即幅頻特性衰減的快慢。斜的程度，即幅頻特性衰減的快慢。n（6 6）濾波器因數(shù)（矩形系數(shù)）濾波器因數(shù)（矩形系數(shù)）：濾波器幅頻濾波器幅頻特性的特性的-60dB-60dB帶寬與帶寬與-3dB-3dB帶寬的比，即帶寬的比，即 n對(duì)理想濾波器有對(duì)理想濾波器有=1=1。

33、n對(duì)普通使用的濾波器，對(duì)普通使用的濾波器，一般為（一般為（1 15 5）。）。dBdBBB360n3、可實(shí)現(xiàn)的典型濾波網(wǎng)絡(luò)函數(shù)n實(shí)際可實(shí)現(xiàn)濾波器的傳遞函數(shù)的一般表達(dá)式為n式中，a、b為電路結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)值決定的實(shí)常數(shù)；Sj；為保證線性網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，分母中的各系數(shù)均應(yīng)為正，且要求mn，n為濾波器的階，反映了濾波器的復(fù)雜程度。濾波器的幅頻特性逼進(jìn)理想頻率特性的程度取決于傳遞函數(shù)的階數(shù)n。nnnnmmmmaSaSaSbSbSbSbSH1111110)(n二階濾波器傳遞函數(shù)的形式為n為了使其具有更明顯的物理意義，令2012212( )b sbsbk ssa sa10a220a20122200( )b

34、sbsbk sss0 為阻尼系數(shù)， 為固有頻率，當(dāng)系數(shù)bk 取不同的值時(shí)，可以得到不同特性的濾波器。 （1 1）低通濾波器：）低通濾波器： b b0 0b b1 10 0，b b2 2k k0 00 02 2 2002200( )kk sss（2 2）高通濾波器：）高通濾波器： b b0 0k k0 0，b b1 1b b2 20 0202200( )k sk sss（3 3）帶通濾波器）帶通濾波器：b b0 0b b2 20 0，b b1 1002200( )ksk sss00k（4 4）帶阻濾波器：）帶阻濾波器：b b0 0k k0 0，b b1 10 0， b b2 2 k k0 00

35、02 222002200()( )k sk sssn根據(jù)不同的逼近準(zhǔn)則，可形成以下幾種濾波器：n（1）巴特沃斯濾波器）巴特沃斯濾波器 特點(diǎn)是在通帶內(nèi)具有最大平坦幅度特性，但阻帶衰減較為緩慢，選擇性較差。n（2）切比雪夫?yàn)V波器）切比雪夫?yàn)V波器 幅頻特性在通帶內(nèi)有一定的波動(dòng)，在階數(shù)一定的情況下，其幅頻特性更接近理想的矩形。n（3）貝塞爾濾波器）貝塞爾濾波器 相頻特性在通帶內(nèi)具有最高線形度，使濾波器的相頻特性引起的失真最小。1、五階貝塞爾濾波器 2、五階巴特沃斯濾波器 3、五階切比雪夫?yàn)V波器d=0.5dB 4、五階切比雪夫?yàn)V波器 （d=2dB）n4.4.2 實(shí)際濾波電路n1、RC無(wú)源濾波器nRC低通

36、濾波器低通濾波器的典型電路和幅頻 特性如圖4-29所示。n設(shè)輸入和輸出信號(hào)電壓分別為ux和 uy，電路時(shí)間常數(shù)RC1()1H jj21( )1()A分析：分析：當(dāng)輸入信號(hào)頻率 ，A(w)為常數(shù)，信號(hào)可以不被衰減地通過(guò)濾波器；當(dāng) ， 信號(hào)衰減-3dB，因此RC值決定著上截止頻率。當(dāng) 時(shí)，信號(hào)受到很大衰減， 此時(shí)濾波器相當(dāng)于積分器的作用。圖圖4-29 RC4-29 RC低通濾波器低通濾波器/1/12/1)(A/1)/(1)(jjHnRCRC高通濾波器：高通濾波器：時(shí)間常數(shù)時(shí)間常數(shù) ，頻率響應(yīng)函數(shù)和幅頻特性，頻率響應(yīng)函數(shù)和幅頻特性RC()1jH jj2( )1 ()A分析：分析：當(dāng)輸入信號(hào)頻率當(dāng)輸入

37、信號(hào)頻率 時(shí)，時(shí)， ，信號(hào)可以不被，信號(hào)可以不被衰減地通過(guò)濾波器；當(dāng)衰減地通過(guò)濾波器；當(dāng) 時(shí)，時(shí)， ，信號(hào)衰減，信號(hào)衰減-3dB，即截止頻率為，即截止頻率為 。當(dāng)。當(dāng) 時(shí)，信號(hào)受到很大衰時(shí)，信號(hào)受到很大衰減，此時(shí)減，此時(shí) ，此時(shí)濾波器相當(dāng)于微分器的作用，此時(shí)濾波器相當(dāng)于微分器的作用，對(duì)低頻成分的衰減率為對(duì)低頻成分的衰減率為-20dB/10倍頻程。倍頻程。/11)(A/12/1)(A1/1jjH)(nRCRC帶通濾波器帶通濾波器：將高通與低通濾波器串聯(lián)起來(lái)：將高通與低通濾波器串聯(lián)起來(lái)222111211111)(CRCRKjjjjH圖圖4-31 4-31 RC RC 帶通濾波器帶通濾波器 兩個(gè)環(huán)節(jié)

38、之間串入具有高輸入阻抗的放大器進(jìn)行隔離。nRCRC帶阻濾波器帶阻濾波器：將兩者并聯(lián)起來(lái)：將兩者并聯(lián)起來(lái) 圖4-32 RC 帶阻濾波器n2、RC有源濾波器n僅由阻容元件組成的無(wú)源濾波器，具有線路簡(jiǎn)單、體積小、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但它們都是低階系統(tǒng)，由于過(guò)渡帶衰減緩慢,選擇性差。nRC有源濾波器是用RC無(wú)源網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器等有源器件結(jié)合在一起構(gòu)成的。n其特點(diǎn)：n1) 可以放大信號(hào)；n2) 具有高輸入阻抗的運(yùn)算放大器可以進(jìn)行級(jí)間隔離，消除或減小負(fù)載效應(yīng)的影響。n有源濾波器可以多級(jí)串聯(lián)組成高階濾波器，明顯地提高了濾波器的選擇性。 圖4-33 壓控電壓源型二階有源濾波電路低通高通帶通n3、開關(guān)電容濾波器n開關(guān)

39、電容濾波器是一種新型的大規(guī)模集成器件，由MOS模擬開關(guān)、電容和運(yùn)算放大器組成，MOS模擬開關(guān)受時(shí)鐘脈沖信號(hào)的控制。其特點(diǎn)是利用開關(guān)和電容代替電路中的電阻，屬于數(shù)字電路和模擬電路相結(jié)合的產(chǎn)物。開關(guān)頻率開關(guān)電容。容；運(yùn)算放大器的反饋電fCCfCC11利用集成電路技術(shù)可以精確而穩(wěn)定地保持電容比，同時(shí)可使開關(guān)電容電路尺寸極小，在一個(gè)芯片上可集成多個(gè)濾波器。n開關(guān)電容等效于電阻的原理如圖4-34所示。圖4-34a 電容C通過(guò)開關(guān)Q交替接通A、B兩端。接通A時(shí)，電容C上儲(chǔ)存電荷為CuA ，當(dāng)Q接通B時(shí)則通過(guò)負(fù)載放電而形成電壓uB，這時(shí)電容C中儲(chǔ)存電荷為CuB。在一個(gè)開關(guān)周期T內(nèi)通過(guò)電容C由A傳送到B的電荷

40、量qABqCuCu ABCuCuIT其平均電流量若等效為圖4-34b中的電阻R，則其阻值CTIuuRBA圖圖4-34 4-34 開關(guān)電容的等效電阻原理開關(guān)電容的等效電阻原理圖圖4-35 開關(guān)電容的等效電阻電路開關(guān)電容的等效電阻電路 圖圖4-36 有源低通濾波器及相應(yīng)的開關(guān)電容電路有源低通濾波器及相應(yīng)的開關(guān)電容電路n式（4-47）表明濾波器特性只取決于開關(guān)頻率和網(wǎng)絡(luò)中的電容比。改變脈沖頻率就可改變開關(guān)頻率，從而改變?yōu)V波器的時(shí)間常數(shù)和截止頻率。n由于集成電路技術(shù)可以精確而穩(wěn)定地保持式（4-47）中的電容比，也能將電容值做得很小，使開關(guān)電容電路尺寸極小，在一個(gè)芯片上可集成多個(gè)濾波器。)474(111

41、fCCCRn例題：已知某RC低通濾波器，R=1k，C=1F，n1）確定各函數(shù)式H(s)；H()；A()；()。n2）當(dāng)輸入信號(hào)ui=10sin1000t時(shí)，求輸出信號(hào)uo，并比較其幅值及相位關(guān)系。n解： 4.5 信號(hào)的顯示與記錄n信號(hào)顯示的作用是顯示信號(hào)的特征量(如幅值、頻率、相位角、峰峰值)、信號(hào)的波形，以及復(fù)雜信號(hào)的特定輸出狀態(tài)的顯示等。其特點(diǎn)是輸出信號(hào)直觀，并能充分反映測(cè)試與檢測(cè)信號(hào)的實(shí)時(shí)性。n記錄儀器是用于記錄反映被測(cè)信號(hào)變化過(guò)程的輸出設(shè)備，可以將被測(cè)信號(hào)記錄存儲(chǔ)起來(lái)，供人或儀器做進(jìn)一步處理和分析。 n4.5.1 信號(hào)的顯示n1、LED（light Emitting Diode）顯示（

42、發(fā)光二極管）nLED數(shù)碼顯示器件分別有7段“8”字形數(shù)碼管、“米”字形數(shù)碼管、數(shù)碼點(diǎn)陣、數(shù)碼條柱等類型。n7段LED顯示器的段排列結(jié)構(gòu)如圖4-37(a)所示，n圖4-37 (b)給出共陰極7段LED顯示電路，所有發(fā)光二極管的公共陰極接地。當(dāng)某個(gè)字段的陽(yáng)極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就被點(diǎn)亮。若陽(yáng)極為低電平，則該字段不亮。n圖4-37 (c)給出共陽(yáng)極7段LED顯示電路，所有發(fā)光二極管的公共陽(yáng)極接+5v，當(dāng)某個(gè)字段的陰極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。 圖4-37 7段LED顯示器 a）段排列 b）共陰極 c）共陽(yáng)極圖圖4-39 4-39 大寫英文字母大寫英文字母G G的字形顯示的字形顯示G字形代碼由：3FH、21H、29H、79H、09H五個(gè)代碼組成點(diǎn)陣式LED顯示器工作原理：n2、LCD(Liquid Crystal Display)LCD(Liquid Crystal Display)顯示顯示( (液晶顯示）液晶顯示）nLCD的基本結(jié)構(gòu)及顯示原理如圖所示。由于液晶的四壁效應(yīng)，在定向膜的作用下，液晶分子在正、背玻璃電極上呈水平排列，但排列方向互為正交，而玻璃間的分子呈連續(xù)扭轉(zhuǎn)過(guò)渡。這樣的構(gòu)造能使液晶對(duì)光產(chǎn)生旋光作用，使光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90。當(dāng)外部光線通過(guò)上偏振片后形成偏振光，偏振方向成垂直方向，當(dāng)此偏