第六章 測(cè)量電路-2010

第六章測(cè)量電路內(nèi)容電橋放大電路濾波電路調(diào)制解調(diào)數(shù)碼管1.傳感器輸出的信號(hào)很微弱，大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需要進(jìn)一步放大，有的還要進(jìn)行阻抗變換。

2.有些傳感器輸出的是電參量，需要轉(zhuǎn)換成電信號(hào)才能進(jìn)行處理。測(cè)量電路的作用？（1）測(cè)量電路的作用？（2）3.有些傳感器輸出的是電信號(hào)，但信號(hào)中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。4.某些場(chǎng)合，為便于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，需要對(duì)傳感器測(cè)量信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)處理。電橋電橋電路是電磁測(cè)量中電路連接的一種基本方式。由于它測(cè)量準(zhǔn)確，方法巧妙，使用方便，所以得到廣泛應(yīng)用。電橋電路不僅可以使用直流電源，而且可以使用交流電源，故有直流電橋和交流電橋之分。直流電橋主要用于電阻測(cè)量。交流電橋主要用于電容、電感等的測(cè)量。直流電橋*平衡條件1.工作原理令：（1）（2）（全等臂電橋）（輸出對(duì)稱電橋）2.電橋的接法單臂

半橋全橋

規(guī)律：變化相同的兩個(gè)電阻應(yīng)連接成相對(duì)橋臂；變化趨勢(shì)相異的兩個(gè)電阻應(yīng)連接成相鄰橋臂。FR1R3R2R4交流電橋*平衡條件*平衡條件放大電路放大電路的基本原理集成運(yùn)算放大電路及其應(yīng)用放大的基本元件-晶體三極管NPN型晶體三極管放大的基本元件-晶體三極管基本概念P型半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體的形成：在純凈的硅晶體中摻入三價(jià)元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，形成P型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體

N型半導(dǎo)體的形成：在純凈的硅晶體中摻入五價(jià)元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半導(dǎo)體三極管工作原理晶體三極管由美國(guó)的德福雷斯特發(fā)明的，1907年，德福雷斯特向美國(guó)專(zhuān)利局申報(bào)了真空三極管（電子管）的發(fā)明專(zhuān)利。一生獲得了多達(dá)300余項(xiàng)專(zhuān)利。實(shí)驗(yàn)：德福雷斯特把若干個(gè)三極管連接起來(lái)，與電話機(jī)話筒、耳機(jī)相互連接，再把他那只“走時(shí)相當(dāng)準(zhǔn)確的英格索爾手表”放在話筒前方，手表的“滴噠”聲幾乎把耳朵震聾。

第一節(jié)集成運(yùn)算放大電路概述一、集成運(yùn)算放大電路：多用于各種模擬信號(hào)的運(yùn)算。

1、集成運(yùn)算放大電路的主要性能指標(biāo)

2、集成運(yùn)放電路的工作原理

集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)1.差模開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)：AOd2.共模抑制比：KCMR3.差模輸入電阻：RId4.輸入偏置電流：IIB5.－3dB帶寬:fH6.輸入失調(diào)電壓及其溫漂：UIO,dUIO/dT7.輸入失調(diào)電流及其溫漂：IIO,dIIO/dT理想運(yùn)放的主要性能指標(biāo)1.開(kāi)環(huán)差模放大倍數(shù)：AOd→∞2.差模輸入電阻：Rid→∞3.輸出電阻：R0→04.共模抑制比：KCMR→∞5.－3dB帶寬:fBW＝fH

→∞4.輸入偏置電流：IIB→06.輸入失調(diào)電壓及其溫漂：UIO,dUIO/dT→07.輸入失調(diào)電流及其溫漂：IIO,dIIO/dT→0第三節(jié)集成運(yùn)放的兩個(gè)工作區(qū)線性放大區(qū)：曲線的斜率為電壓放大倍數(shù)非線性放大區(qū)：輸出電壓只有兩種可能，＋UOM和-UOM運(yùn)放工作在線性放大區(qū)的特點(diǎn)1.當(dāng)運(yùn)放工作在線性放大區(qū)時(shí)：引入（深度）負(fù)反饋集成運(yùn)放的差模開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)AOd有：

其中AOd非常高140dB∞因而有：UP-UN＝0或UP＝UN

“虛短”又因?yàn)椋簞t：“虛斷”U0=AOd(UP-UN)運(yùn)放工作在非線性放大區(qū)的特點(diǎn)2.當(dāng)運(yùn)放工作在非線性放大區(qū)時(shí)：開(kāi)環(huán)或者引入正反饋集成運(yùn)放的差模開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)AOd

∞則兩個(gè)輸入端只要有無(wú)窮小的輸入差值電壓，輸出電壓就可以達(dá)到最大值或最小值，即輸出電壓與輸入電壓不再是線性關(guān)系，此時(shí)的電壓傳輸關(guān)系為：由此時(shí)的電壓傳輸關(guān)系可以看出當(dāng)：UP＞UN時(shí)，UO=+UOM

當(dāng)：UP＜UN時(shí),UO=-UOM

第四節(jié)基本運(yùn)算電路的原理反相比例運(yùn)算電路1.反相比例運(yùn)算：

由于：U+=U-I+=I-=0

所以反相輸入端U-為“虛地”點(diǎn)，且輸入電流I-=0，故:Ii=If

2.同相比例運(yùn)算：

由于：U+=U-I+=I-=0由于反相輸入端不再為“虛地”點(diǎn)，且輸入電流Ii=0，故:IR=If即：

又稱為：電壓跟隨器！光電二極管放大電路3.反相加法運(yùn)算電路：由于：U+=U-I+=I-=0所以反相輸入端U-為“虛地”點(diǎn)，且輸入電流I-=0，反相加法運(yùn)算電路的函數(shù)關(guān)系式為：若取R1=R2=R，則有:

反相加法運(yùn)算原理圖

運(yùn)算中，調(diào)節(jié)某一路信號(hào)的輸入電阻時(shí)，不會(huì)影響其他輸入電壓與輸出電壓的比例關(guān)系，因而調(diào)節(jié)方便。4.減法運(yùn)算電路：實(shí)際應(yīng)用中，要求R1=R2,R3=Rf，且須嚴(yán)格配對(duì)，這有利于提高放大器的共模抑制比及減小失調(diào)。運(yùn)算關(guān)系為：100K減法運(yùn)算原理圖5.積分運(yùn)算電路由于：U+=U-I+=I-=0所以反相輸入端U-為“虛地”點(diǎn)，且輸入電流I-=0，積分運(yùn)算電路的運(yùn)算關(guān)系式為：

積分運(yùn)算電路由公式可知。Ui與U0的圖形將如下圖所示。6.微分運(yùn)算電路：微分運(yùn)算電路：由于：U+=U-I+=I-=0所以反相輸入端U-為“虛地”點(diǎn)，且輸入電流I-=0，微分運(yùn)算電路的運(yùn)算關(guān)系式為：U0=f(UP-UN)7、比較電路：A/D轉(zhuǎn)換電橋電路和放大電路掌握直流電橋的平衡條件、三種工作方式的靈敏度比較?；痉糯箅娐返姆糯蟊稊?shù)的計(jì)算。數(shù)碼管顯示濾波器濾波器的功能濾波器的分類(lèi)濾波器的主要參數(shù)濾波器的功能濾波器的功能就是允許某一部分頻率的信號(hào)順利的通過(guò)，而另外一部分頻率的信號(hào)則受到較大的抑制，它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)選頻電路。濾波器中，把信號(hào)能夠通過(guò)的頻率范圍，稱為通頻帶或通帶；反之，信號(hào)受到很大衰減或完全被抑制的頻率范圍稱為阻帶；通帶和阻帶之間的分界頻率稱為截止頻率；理想濾波器在通帶內(nèi)的電壓增益為常數(shù)，在阻帶內(nèi)的電壓增益為零；實(shí)際濾波器的通帶和阻帶之間存在一定頻率范圍的過(guò)渡帶。濾波器的分類(lèi)（1）按所處理的信號(hào)分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。（2）按所通過(guò)信號(hào)的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種。（3）按所采用的元器件分為無(wú)源和有源濾波器兩種。四種濾波器低通濾波器：它允許信號(hào)中的低頻或直流分量通過(guò)，抑制高頻分量或干擾和噪聲。高通濾波器：它允許信號(hào)中的高頻分量通過(guò)，抑制低頻或直流分量。帶通濾波器：它允許一定頻段的信號(hào)通過(guò)，抑制低于或高于該頻段的信號(hào)、干擾和噪聲。帶阻濾波器：它抑制一定頻段內(nèi)的信號(hào)，允許該頻段以外的信號(hào)通過(guò)。無(wú)源濾波器無(wú)源濾波器：僅由無(wú)源元件(R、L和C)組成的濾波器，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的。這類(lèi)濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：電路比較簡(jiǎn)單，不需要直流電源供電，可靠性高；缺點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)有能量損耗，負(fù)載效應(yīng)比較明顯，使用電感元件時(shí)容易引起電磁感應(yīng)，當(dāng)電感L較大時(shí)濾波器的體積和重量都比較大。有源濾波器有源濾波器：由無(wú)源元件（一般用R和C）和有源器件(如集成運(yùn)算放大器）組成。這類(lèi)濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號(hào)不僅沒(méi)有能量損耗，而且還可以放大，負(fù)載效應(yīng)不明顯，多級(jí)相聯(lián)時(shí)相互影響很小，利用級(jí)聯(lián)的簡(jiǎn)單方法很容易構(gòu)成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽(由于不使用電感元件）；缺點(diǎn)是：通帶范圍受有源器件(如集成運(yùn)算放大器）的帶寬限制，需要直流電源供電。濾波器的主要參數(shù)通帶增益：帶增益是指濾波器在通頻帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)。通帶截止頻率fp：定義幅頻特性值等于A0/

所對(duì)應(yīng)的頻率。濾波器的主要參數(shù)帶寬B：通頻帶的寬度品質(zhì)因數(shù)Q：定義帶通濾波器中心頻率fn和帶寬B之比。Q=fn/B。其中：

Q值越高，濾波器的頻率選擇性越好。例如中心頻率同為1000Hz的兩個(gè)帶通濾波器，品質(zhì)因數(shù)分別為Q1=20，

Q2=40，則對(duì)應(yīng)的B1=50Hz，B2=25Hz，由于第二個(gè)濾波器的分辨力比第一個(gè)濾波器高，所以它比第一個(gè)頻率選擇性好。濾波器的主要參數(shù)波紋幅度d

：在一定頻率范圍內(nèi)，實(shí)際濾波器的幅頻特性可能有波動(dòng)，d值為幅頻特性的最大波動(dòng)值。一個(gè)優(yōu)良的濾波器，d與Ａ０相比,應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于-3dB，例子：無(wú)源濾波器RC低通電壓放大倍數(shù)(傳遞函數(shù))為例子：有源濾波器掌握了解濾波器的功能知道濾波器的四種形式。（低通、高通、帶通、帶阻）。調(diào)制解調(diào)為什么要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制？調(diào)制解調(diào)的基本概念調(diào)幅電路調(diào)制解調(diào)的功用與類(lèi)型在測(cè)控系統(tǒng)中為什么要采用信號(hào)調(diào)制？

在測(cè)控系統(tǒng)中，進(jìn)入測(cè)控電路的除了傳感器輸出的測(cè)量信號(hào)外，還往往有各種噪聲。而傳感器的輸出信號(hào)一般又很微弱，將測(cè)量信號(hào)從含有噪聲的信號(hào)中分離出來(lái)是測(cè)控電路的一項(xiàng)重要任務(wù)。為了便于區(qū)別信號(hào)與噪聲，往往給測(cè)量信號(hào)賦予一定特征，這就是調(diào)制的主要功用。

調(diào)制解調(diào)基本概念1、什么是信號(hào)調(diào)制？調(diào)制：就是用一個(gè)信號(hào)（稱為調(diào)制信號(hào)）去控制另一個(gè)做為載體的信號(hào)（稱為載波信號(hào)），讓后者的某一特征參數(shù)按前者變化。

2、什么是解調(diào)？解調(diào)：在將測(cè)量信號(hào)調(diào)制，并將它和噪聲分離，放大等處理后，還要從已經(jīng)調(diào)制的信號(hào)中提取反映被測(cè)量值的測(cè)量信號(hào)，這一過(guò)程稱為解調(diào)。

調(diào)制解調(diào)基本概念3、什么是調(diào)制信號(hào)、載波信號(hào)、已調(diào)信號(hào)？調(diào)制是給測(cè)量信號(hào)賦予一定特征，這個(gè)特征由作為載體的信號(hào)提供。常以一個(gè)高頻正弦信號(hào)或脈沖信號(hào)作為載體，這個(gè)載體稱為載波信號(hào)。用來(lái)改變載波信號(hào)的某一參數(shù)，如幅值、頻率、相位的信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)。在測(cè)控系統(tǒng)中，通常就用測(cè)量信號(hào)作調(diào)制信號(hào)。經(jīng)過(guò)調(diào)制的載波信號(hào)叫已調(diào)信號(hào)。

例如：例如某中波廣播電臺(tái)的頻率為540kHz，這個(gè)頻率是指載波的頻率，它是由高頻電磁振蕩產(chǎn)生的等幅正弦波頻率。用所要傳播的語(yǔ)言或音樂(lè)信號(hào)去改變高頻振蕩的幅度，使高頻振蕩的幅度隨語(yǔ)言或音樂(lè)信號(hào)的變化而變化，這個(gè)控制過(guò)程就稱為調(diào)制。其中語(yǔ)言或音樂(lè)信號(hào)叫做調(diào)制信號(hào)，調(diào)制后的載波就載有調(diào)制信號(hào)所包含的信息，稱為已調(diào)波。為什么要調(diào)制呢？

為什么要用語(yǔ)言或音樂(lè)信號(hào)去控制高頻振蕩呢？原來(lái)要使信號(hào)的能量以電場(chǎng)和磁場(chǎng)的形式向空中發(fā)射出去傳向遠(yuǎn)方，需要較高的振蕩頻率方能使電場(chǎng)和磁場(chǎng)迅速變化；同時(shí)信號(hào)的波長(zhǎng)要與天線的長(zhǎng)度相匹配。為什么要調(diào)制呢？語(yǔ)言或音樂(lè)信號(hào)的頻率太低，無(wú)法產(chǎn)生迅速變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)；相應(yīng)地，它們的波長(zhǎng)又太大，即使選用它的最高頻率20000Hz來(lái)計(jì)算，其波長(zhǎng)仍為15000m，實(shí)際上是不可能架設(shè)這么長(zhǎng)的天線的?？磥?lái)要把信號(hào)傳遞出去，必須提高頻率，縮短波長(zhǎng)?？墒浅^(guò)20kHz

的高頻信號(hào)，人耳就聽(tīng)不見(jiàn)了。為了解決這個(gè)矛盾，只有采用把音頻信號(hào)“搭乘”在高頻載波上，也就是調(diào)制，借助于高頻電磁波將低頻信號(hào)發(fā)射出去，傳向遠(yuǎn)方。調(diào)制解調(diào)的類(lèi)型在測(cè)控系統(tǒng)中常用的調(diào)制方法有哪幾種？

在信號(hào)調(diào)制中常以一個(gè)高頻正弦信號(hào)作為載波信號(hào)。一個(gè)正弦信號(hào)有幅值、頻率、相位三個(gè)參數(shù)，可以對(duì)這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)制，分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。也可以用脈沖信號(hào)作載波信號(hào)?？梢詫?duì)脈沖信號(hào)的不同特征參數(shù)作調(diào)制，最常用的是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，稱為脈沖調(diào)寬。

調(diào)幅式測(cè)量電路一、調(diào)幅原理與方法（一）1、什么是調(diào)幅？寫(xiě)出調(diào)幅信號(hào)的數(shù)學(xué)表達(dá)式，畫(huà)出其波形。

調(diào)幅就是用調(diào)制信號(hào)x去控制高頻載波信號(hào)的幅值。常用的是線性調(diào)幅，即讓調(diào)幅信號(hào)的幅值按調(diào)制信號(hào)x的線性函數(shù)變化。

調(diào)幅信號(hào)的一般表達(dá)式可寫(xiě)為：

us=(Um+mx)coswct

調(diào)幅式測(cè)量電路

txOtOucusa)調(diào)制信號(hào)b)載波信號(hào)Otc)雙邊帶調(diào)幅信號(hào)調(diào)幅式測(cè)量電路

在測(cè)控系統(tǒng)中被測(cè)信號(hào)的變化頻率為0~100Hz，應(yīng)怎樣選取載波信號(hào)的頻率？應(yīng)怎樣選取調(diào)幅信號(hào)放大器的通頻帶？信號(hào)解調(diào)后，怎樣選取濾波器的通頻帶？

調(diào)幅式測(cè)量電路為了正確進(jìn)行信號(hào)調(diào)制必須要求ωc>>Ω，通常至少要求ωc>10Ω。這樣，解調(diào)時(shí)濾波器能較好地將調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào)分開(kāi)，檢出調(diào)制信號(hào)。若被測(cè)信號(hào)的變化頻率為0~100Hz，則載波信號(hào)的頻率ωc>1000Hz。調(diào)幅信號(hào)放大器的通頻帶應(yīng)為900~1100Hz。信號(hào)解調(diào)后，濾波器的通頻帶應(yīng)>100Hz，即讓0~100Hz的信號(hào)順利通過(guò)，而將900Hz以上的信號(hào)抑制，可選通頻帶為200Hz。

調(diào)幅式測(cè)量電路傳感器調(diào)制1、

為什么在測(cè)控系統(tǒng)中常常在傳感器中進(jìn)行信號(hào)調(diào)制？為了提高測(cè)量信號(hào)抗干擾能力，常要求從信號(hào)一形成就已經(jīng)是已調(diào)信號(hào)，因此常常在傳感器中進(jìn)行調(diào)制。

調(diào)幅式測(cè)量電路2、通過(guò)交流供電實(shí)現(xiàn)調(diào)制如，電阻式傳感器、電感式傳感器和電容式傳感器。

R1FR4R2

R3R1R2UoUR3R4應(yīng)變式傳感器輸出信號(hào)的調(diào)制

調(diào)幅式測(cè)量電路電路調(diào)制1、乘法器調(diào)制

a)原理圖

ucuxuoxyKxy

b)實(shí)用電路

-8V

47kΩ0.1μF1kΩ0.1μF51Ω750Ω14

10161kΩ38MC14961kΩ3.3kΩ3.3kΩ750Ω1kΩ680kΩ20μF20μFuc1kΩ0.1μF21254uoux+12V

調(diào)幅式測(cè)量電路二、包絡(luò)檢波電路什么是包絡(luò)檢波？從已調(diào)信號(hào)中檢出調(diào)制信號(hào)的過(guò)程稱為解調(diào)或檢波。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)。這種方法稱為包絡(luò)檢波。

調(diào)幅式測(cè)量電路包絡(luò)檢波的基本工作原理是什么？

由圖可見(jiàn)，只要從圖a所示的調(diào)幅信號(hào)中，截去它的下半部，即可獲得圖b所示半波檢波后的信號(hào)

(經(jīng)全波檢波或截去它的上半部也可)，再經(jīng)低通濾波，濾除高頻信號(hào)，即可獲得所需調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)解調(diào)。包絡(luò)檢波就是建立在整流的原理基礎(chǔ)上的。

us

uo'

OOtta)

b)

1、基本電路VDRL

C2Ti+us

_+uo

_非線性

器件

低通濾波器C1a)二極管檢波電路C1V

RL

C2Tic+us

_+_非線性

器件

低通濾波器uo

Ec

b)晶體管檢波電路（一）二極管與三極管包絡(luò)檢波

（二）相敏檢波1、什么是相敏檢波電路？

相敏檢波電路是具有鑒別調(diào)制信號(hào)相位和選頻能力的檢波電路。（二）相敏檢波2、為什么要采用相敏檢波？

包絡(luò)檢波有兩個(gè)問(wèn)題：一是解調(diào)的主要過(guò)程是對(duì)調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行半波或全波整流，無(wú)法從檢波器的輸出鑒別調(diào)制信號(hào)的相位。第二，包絡(luò)檢波電路本身不具有區(qū)分不同載波頻率的信號(hào)的能力。對(duì)于不同載波頻率的信號(hào)它都以同樣方式對(duì)它們整流，以恢復(fù)調(diào)制信號(hào)，這就是說(shuō)它不具有鑒別信號(hào)的能力。為了使檢波電路具有判別信號(hào)相位和頻率的能力，提高抗干擾能力，需采用相敏檢波電路。（二）相敏檢波3、相敏檢波電路與包絡(luò)檢波電路在功能與電路構(gòu)成上最主要的區(qū)別是什么？

相敏檢波電路與包絡(luò)檢波電路在功能上的主要區(qū)別是相敏檢波電路能夠鑒別調(diào)制信號(hào)相位，從而判別被測(cè)量變化的方向，同時(shí)相敏檢波電路還具有選頻的能力，從而提高測(cè)控系統(tǒng)的抗干擾能力。從電路結(jié)構(gòu)上看，相敏檢波電路的主要特點(diǎn)是，除了所需解調(diào)的調(diào)幅信號(hào)外，還要輸入一個(gè)參考信號(hào)。有了參考信號(hào)就可以用它來(lái)鑒別輸入信號(hào)的相位和頻率。（二）相敏檢波RRRVUousUc開(kāi)關(guān)式相敏檢波電路注：V相當(dāng)于開(kāi)關(guān)，當(dāng)Uc<0時(shí)，V截止；Uc≥0時(shí)，V導(dǎo)通思考：us相反相位時(shí)，輸出波形為什么要采用精密檢波電路？二極管VD和晶體管V都有一定死區(qū)電壓，即二極管的正向壓降、晶體管的發(fā)射結(jié)電壓超過(guò)一定值時(shí)才導(dǎo)通，它們的特性也是一根曲線。二極管VD和晶體管V的特性偏離理想特性會(huì)給檢波帶來(lái)誤差。為了提高檢波精度，常需采用精密檢波電路，它又稱為線性檢波電路。

（三）精密檢波電路調(diào)幅式測(cè)量電路1、半波精密檢波電路

+us–

半波整流器低通濾波器+u?s

–

iiCR4uoR1R?2

R2R3VD1VD2+