信號調(diào)理裝置

SignalConditioningApparatus第4章信號調(diào)理裝置

學(xué)習(xí)測量電橋、測量放大器、調(diào)制器與解調(diào)器、濾波器等信號調(diào)理裝置的工作原理、基本特性等知識。學(xué)完本章后，應(yīng)對各種信號調(diào)理裝置的功能特點有較清楚的了解，初步具備正確設(shè)計、選用各種信號調(diào)理裝置的能力。電橋、幅值調(diào)制、RC濾波器的工作原理和特性。重點難點信號的調(diào)制原理。

學(xué)習(xí)目標(biāo)重點與難點4.1測量電橋4.2測量放大器4.3調(diào)制器與解調(diào)器4.4濾波器學(xué)習(xí)內(nèi)容

電橋是一種常用的電子線路，用來將電橋某些參數(shù)的微小變化轉(zhuǎn)換成較大的電壓或電流輸出。用于測量裝置中的電橋稱為測量電橋，被轉(zhuǎn)換的參數(shù)通常為傳感器的電阻、電感、電容或傳感器輸出的電壓等。測量裝置中最常用的電橋是惠斯登電橋。

4.1測量電橋ElectricBridgeforMeasurement電橋的輸出：——供橋電源（橋壓）——電橋輸出——電橋的四個橋臂惠斯登電橋電橋的平衡條件：或4.1.1電橋的分類1.按電橋供電電源的性質(zhì)分

●直流電橋——采用直流電源供電

●交流電橋——采用高頻穩(wěn)幅交流電源供電直流電橋交流電橋2.按橋臂元件的阻抗性質(zhì)分純電阻電橋阻抗角●純電阻電橋阻抗角純電容電橋●純電容電橋●純電感電橋阻抗角純電感電橋容性：感性：容性電橋、感性電橋●容性電橋、感性電橋3.按電橋輸出的測量方式分平衡電橋（零位法）不平衡電橋（偏差法）●平衡電橋——使電橋處于平衡狀態(tài)后讀數(shù)●不平衡電橋——讀數(shù)時電橋處于不平衡狀態(tài)

采用直流電源供電，四個橋臂元件均為純電阻。電橋輸出直流電橋的平衡條件：為簡化設(shè)計和分析，一般將四臂電阻設(shè)計成相等，即4.1.2直流電橋直流電橋

將傳感器（如電阻應(yīng)變片）接入電橋的某些橋臂上，則電橋的輸出就與被測量的變化有一一對應(yīng)關(guān)系。傳感器可以三種形式接入電橋（交流電橋亦同）。1.半橋單臂連接

當(dāng)時，電橋的輸出為

注意：電橋的輸出與傳感器電阻變化之間為非線性關(guān)系！2.半橋雙臂連接●工作橋臂相鄰連接時，兩電阻變化的極性應(yīng)相反；●工作橋臂相對連接時，兩電阻變化的極性應(yīng)相同。

當(dāng)時，電橋的輸出為3.全橋連接●相對橋臂的電阻按相同極性變化；●相鄰橋臂的電阻按相反極性變化。半橋雙臂連接和全橋連接也稱為電橋的差動連接。

半橋雙臂接法的靈敏度比半橋單臂接法高一倍；全橋接法的靈敏度又比半橋雙臂接法高一倍。

當(dāng)時，電橋的輸出為差動連接應(yīng)變片的貼法半橋雙臂全橋差動連接的優(yōu)點：（同樣適用于差動傳感器等裝置）●可以提高靈敏度；●可以極大地改善固有的非線性；●可對由溫度等因素變化所造成的同極性影響進行補償（抵消）。差動連接●所需的高穩(wěn)定度直流電源容易獲得；●輸出可用直流儀表直接測量顯示；●易于實現(xiàn)電橋的平衡調(diào)節(jié)；●輸出需接直流放大器，易受零漂和接地電位的影響。直流電橋的特點：

采用高頻穩(wěn)幅交流電源供電，四個橋臂元件一般是電阻、電容、電感或它們的復(fù)合。交流電橋的輸出一般為調(diào)幅信號：4.1.3交流電橋交流電橋各種橋臂元件的交流阻抗用復(fù)數(shù)表示：或或——阻抗的?！杩菇墙涣麟姌虻钠胶鈼l件：即——模平衡條件——相位平衡條件●輸出為高頻調(diào)幅波，不易受外界工頻干擾；●轉(zhuǎn)換精度較高；●后接的交流放大器結(jié)構(gòu)簡單、零漂??；●易于實現(xiàn)不失真測試；●輸出調(diào)幅波一般需經(jīng)相敏檢波器進行解調(diào)；●供橋電源要具有較高的幅值、頻率穩(wěn)定性和良好的波形。交流電橋的特點：

電橋的兩個橋臂由傳感器或變壓器的兩個感應(yīng)耦合線圈所構(gòu)成，另兩個橋臂則是固定的電抗元件或差動傳感器的電感、電容等。差動電感傳感器電橋4.1.4帶感應(yīng)耦合臂的交流電橋差動變壓器電橋

差動電容傳感器電橋

帶感應(yīng)耦合臂交流電橋的特點：

●克服了寄生參數(shù)（寄生電容、電感等）的影響；●使用變壓器可隔離直流干擾；●頻率范圍較寬，性能穩(wěn)定、靈敏度及轉(zhuǎn)換精度較高。測量放大器的特點：

測試裝置中常見的放大器包括：基本運算放大電路、專用放大電路、單片集成測量放大器、功率放大電路、隔離放大電路、增益調(diào)整放大電路等?！駨V泛使用各種集成放大器，其中以由集成運算放大器組成的數(shù)學(xué)運算放大器和專用測量放大器應(yīng)用最多；●廣泛采用各種負反饋技術(shù)來改善放大器的性能。4.2測量放大器AmplifierforMeasurement4.2.1理想運算放大器與實際運算放大器開環(huán)放大倍數(shù)A

失調(diào)電壓偏流輸入阻抗

輸出阻抗特性理想運放實際運放或更高∞∞000±1mV（25℃）或更高1.反相比例運算電路4.2.2常用放大電路反相比例運算電路反相比例加法器若則2.同相比例運算電路同相比例運算電路電壓跟隨器3.求差運算電路（差動放大電路）

差動放大電路若則4.微分運算電路

微分運算電路

5.積分運算電路

積分運算電路6.對數(shù)運算電路對數(shù)運算電路7.精密整流電路精密全波整流電路

當(dāng)滿足時,電路就能夠輸出非常精確的全波整流波形。1.調(diào)制（Modulation）用原始緩變信號（通常為被測信號）控制高頻信號的某個特征參數(shù)（幅值、頻率或相位），使已調(diào)波的相應(yīng)參數(shù)隨被測信號的變化而變化。4.3.1調(diào)制與解調(diào)2.解調(diào)（Demodulation）從已調(diào)波中恢復(fù)原始緩變信號。4.3調(diào)制器與解調(diào)器ModulatorandDemodulator●

調(diào)制信號——用來控制高頻信號的緩變信號●

載波——被控的高頻信號●

已調(diào)波——經(jīng)過調(diào)制后所得到的高頻信號（調(diào)幅波、調(diào)頻波等）3.信號的調(diào)制方法●幅值調(diào)制（調(diào)幅，AM）●頻率調(diào)制（調(diào)頻，F(xiàn)M）●相位調(diào)制（調(diào)相，PM）●脈沖寬度調(diào)制（調(diào)寬，PWM）調(diào)幅過程的頻譜變化●

提高信號傳輸中的抗干擾能力和信噪比，且有利于信號的遠距離傳輸●便于實現(xiàn)不失真測試

4.調(diào)制的目的4.3.2調(diào)幅及其解調(diào)（鑒幅）●在時域內(nèi)，調(diào)幅就是用調(diào)制信號與高頻載波信號相乘，所得到的高頻已調(diào)波（稱為調(diào)幅波或調(diào)幅信號）的幅值隨調(diào)制信號的變化而變化。1.調(diào)幅原理●在頻域內(nèi)，調(diào)幅過程是一個“頻譜搬移”過程。

●調(diào)幅波的頻譜分布在相對變化很窄的一個范圍內(nèi)，有利于信號的交流放大、有用信號與無用信號的鑒別，易于保證不失真測試條件的實現(xiàn)?！裾{(diào)幅過程中的載波不僅要保證幅值的高度穩(wěn)定，其頻率也要足夠高。一般要保證。2.調(diào)幅裝置（調(diào)幅器）交流電橋調(diào)幅

凡是能實現(xiàn)信號相乘的裝置都可作為調(diào)幅器（例如：交流電橋、霍耳傳感器等）。3.調(diào)幅的解調(diào)（鑒幅）及解調(diào)器■同步解調(diào)

■包絡(luò)檢波

包絡(luò)檢波適用于調(diào)制信號為單邊（單極性）變化的調(diào)幅信號的解調(diào)。

包絡(luò)檢波通過整流、濾波兩個環(huán)節(jié)，將調(diào)幅波中的包絡(luò)線（低頻成分，與原信號波形一致）還原出來，即得到了原信號的波形?！裾鳌獙㈦p邊變化的調(diào)幅信號整理成單邊變化的調(diào)幅信號；●濾波——濾除單邊變化調(diào)幅信號中的高頻成分。

常用的包絡(luò)檢波電路有：二極管環(huán)形檢波電路、精密整流電路+濾波電路等?！鱿嗝魴z波二極管環(huán)型相敏檢波電路的幅值應(yīng)遠大于的幅值，各二極管的導(dǎo)通與截止主要取決于。的頻率可以是頻率的1倍或2倍。單邊調(diào)制信號的相敏檢波雙邊調(diào)制信號的相敏檢波4.調(diào)幅的應(yīng)用

動態(tài)電阻應(yīng)變儀

1.調(diào)頻原理

調(diào)頻是將調(diào)制信號的變化轉(zhuǎn)換成調(diào)頻波頻率的變化。具體地講，就是用調(diào)制信號控制一振蕩器，使振蕩器的振蕩頻率隨調(diào)制信號的變化而變化。

調(diào)制信號為零時，振蕩器輸出的調(diào)頻波的頻率稱為中心頻率（即載波頻率f0）。調(diào)制信號為“+”時，f>f0；調(diào)制信號為“-”時，f<f0。4.3.3調(diào)頻及其解調(diào)（鑒頻）2.調(diào)頻裝置（調(diào)頻器）■直接調(diào)頻電路設(shè)則諧振頻率■壓控振蕩器（VCO）

單片壓控振蕩器芯片：MAX2622~MAX2624等3.調(diào)頻的解調(diào)（鑒頻）實現(xiàn)鑒頻的裝置稱為鑒頻器。

諧振式振幅鑒頻器

濾波器的作用是使信號中某些特定的頻率成分通過，極大地衰減其他頻率成分。濾波器在抑制噪聲干撓、平滑信號、分離信號中不同頻率成分中起著重要作用，它是信號轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)處理不可缺少的有力工具。

4.4濾波器Filter4.4.1濾波器的基本知識1.濾波器的分類●低通濾波器●高通濾波器●帶通濾波器●帶阻濾波器■按選頻范圍分●電子濾波器●機械濾波器●光學(xué)濾波器

……■按工作原理分四類濾波器的幅頻特性——下截止頻率——上截止頻率2.理想濾波器

理想濾波器在其通頻帶內(nèi)應(yīng)滿足不失真測試條件，即幅頻特性為常數(shù)，相頻特性與頻率保持線性關(guān)系，阻帶內(nèi)的幅頻特性應(yīng)等于零。其頻率響應(yīng)函數(shù)應(yīng)為

（通帶內(nèi)，為常數(shù)）（阻帶內(nèi)）●理想濾波器是非因果系統(tǒng)，在物理上是不可能實現(xiàn)的。

●理想濾波器的建立時間與濾波器的帶寬B成反比，它們的乘積為常數(shù)。即建立時間

建立時間反映了濾波器對輸入的響應(yīng)速度（濾波時間）；帶寬反映了濾波器的頻率分辨力。——二者相矛盾3.實際濾波器的特征參數(shù)實際帶通濾波器的幅頻特性曲線

●中心頻率

●帶寬●幅頻特性平均值

●紋波幅度●截止頻率●品質(zhì)因數(shù)●頻率選擇性濾波器因數(shù)倍頻程選擇性或

4.4.2無源RC濾波器傳遞函數(shù)上截止頻率

時間常數(shù)過渡帶：-20dB/十倍頻程

-20dB/dec幅頻特性1.一階無源RC低通濾波器

2.一階無源RC高通濾波器傳遞函數(shù)過渡帶：-20dB/十倍頻程

-20dB/dec幅頻特性下截止頻率

時間常數(shù)3.二階無源RC帶通濾波器傳遞函數(shù)截止頻率過渡帶：-40dB/十倍頻程-40dB/dec時間常數(shù)（交叉時間常數(shù)）

1.一階有源RC濾波器傳遞函數(shù)截止頻率通帶增益優(yōu)點：●有增益（放大）●有隔離作用（減小負載效應(yīng)）

4.4.3有源RC濾波器一階有源RC低通濾波器（同相輸入）傳遞函數(shù)截止頻率通帶增益

一階有源RC低通濾波器（反相輸入）2.二階有源RC濾波器■無限增益多路負反饋型無限增益多路負反饋型二階有源RC濾波器的基本結(jié)構(gòu)——元件的復(fù)數(shù)導(dǎo)納可構(gòu)成低通