910信號調(diào)節(jié).電橋儀用放大器調(diào)制與解調(diào)濾波調(diào)理

傳感器信號調(diào)節(jié)—電橋教師：龔立嬌石河子大學(xué)電氣工程系2016年9月VBR4R3+-VoR1R2直流電橋及其平衡條件THEWHEATSTONEBRIDGEATBALANCE,VBRR-△RVoRR+△RVBR+△RR-△RVoR-△RR+△RVBR+△RRVoRR+△R恒壓驅(qū)動時電橋的輸出以及其線性VBRRVoRR+△RLineartyError:0.5%/%0.5%/%00(A)Single-Element(B)Two-Element(C)Two-Element(D)All-ElementVaryingVarying(1)Varying(2)VaryingR1R2i2voi1R4R3=R0(1+x)半橋單臂的非線性+-VrIb-+-1-0.50.51x-0.25-0.5vo/Vr0.25理想輸出實(shí)際輸出

(a)(b)引線用在橋式電路中KELVIN(4-WIRE)SENSINGMINIMIZESERRORSDUETOLEADRESISANCE+--+6-LEADBRIDGE+VBVO+FORCE+SENSESENSE-FORCERLEADRLEAD恒流源用在橋路中+-4-LEADBRIDGEVORLEADRLEADVREFRSENSECONDTANTCURRENTEXCITATIONMINIZESWIRINGRESISTANCEERRORSFigure16IIIVBRR

RR+△R使用儀器放大器REF使用儀用放大器可以使測量電流幾乎為零，因此對前級的影響可以忽略不計。-++VS-VS*RGVOUT*SEETEXTREGARDINGSINGLE-SUPPLYOPEARATION儀用放大器IAv1v2特別需要注意，輸入實(shí)際上必須是三端連接方式。信號一般不能只連接兩個差動端。+--+-+v1v2vavbR2R1R2R3

R4R3

R4vovref全差動放大器差動放大器由于R1不必滿足任何匹配條件，故我們可以用R1來控制差模增益而不影響CMRR9儀器放大器INA114是一個低成本的普通放大器。其電路結(jié)構(gòu)與基本接法如圖4-39所示。圖4-39儀用放大器的特點(diǎn)現(xiàn)有單片集成儀用放大器:AD621AD623，INA116INA125等在儀器中得到廣泛的應(yīng)用

1、輸入阻抗很高2、共模抑制比很高3、放大倍數(shù)調(diào)整容易有單運(yùn)放:OP07等組成儀用放大器

(當(dāng)Vref=0)應(yīng)變片的貼法132F1－工作應(yīng)變片2－補(bǔ)償應(yīng)變片3－彈性元件直接補(bǔ)償法應(yīng)變片的貼法

彈性元件上應(yīng)變片的粘貼和電橋連接，應(yīng)盡可能消除偏心和彎矩的影響，一般將應(yīng)變片對稱地貼在應(yīng)力均勻的圓柱表面中部，構(gòu)成差動對,且處于對臂位置，以減小彎矩的影響。橫向粘貼的應(yīng)變片具有溫度補(bǔ)償作用。

u0UER1R3R5R7R6R8R2R4R6R7R8R2R3R4R5圖柱式力傳感器應(yīng)變片的粘貼與橋路連接R1(a)圓柱面展開圖(b)橋路連接VBRR-re+rt

R

R+re+rt差動方式re

應(yīng)變rt

溫度帶來的電阻變化一般上下兩部分同時、同方向變化。在平衡點(diǎn)，由溫度引起的電壓變化為：0；雖然偏離平衡點(diǎn)影響不能完全消除，但也可大大減弱。差動方式可以改善系統(tǒng)的線性減輕溫度等干擾的影響提高檢測系統(tǒng)的靈敏度所以使用非常廣泛。另外一個差動改善線性很好的例子在：4電抗式傳感器中。VO熱電偶效應(yīng)對直流電橋的影響及

消除方法參考：熱電偶效應(yīng)；調(diào)制與解調(diào)；相關(guān)檢測。這個電路的后級最簡單的接法是使用電容隔直通交，然后接相敏檢波或者鎖定放大器。+-+Vo-+EIB+IB-T1T2VOSAMPCOPPERTRACESKOVARPINSTHERMOCOUPLEVOLTAGE使用交流電橋消除熱電偶效應(yīng)-Vo++E+Vo-+E+-+--+-+EOSEOSNORMALDRIVEVOLTAGESREVERSEDRIVEVOLTAGESEOS=SUMOFALLOFFSETERRORSVB

=-

VO+

EOSVA

=VO+

EOSVA-VB=(VO+

EOS)-(-

VO+

EOS)=2VO作業(yè)補(bǔ)充作業(yè)：1、Pt100用來測溫，使用兩線傳輸，距離100米，導(dǎo)線為20AWG，問由此可能產(chǎn)生多大的測量誤差？（20AWG，33.2歐姆/km）2、證明左面電路的輸出為：3、假定某一鉑電阻溫度計的電阻為100歐姆，放在空氣中的d=6mW/K,試計算為使自熱誤差小于0.1攝氏度允許流過傳感器的最大電流。VBRR

R+△RR+-+VS-VS+VS+--VSR2R1VOUT4.右圖是使用三根引線引入應(yīng)變片，從而消除引線的影響。分析原理。RLRLRLeoERGR4R3R2VBR

R+re+rt5.討論左圖電路采用差動結(jié)構(gòu)后如何：改善系統(tǒng)的線性減輕溫度等干擾的影響提高檢測系統(tǒng)的靈敏度VOR-re+rtR（后面部分參考資料）電線電阻的影響電阻是通過對其通以電流然后測量其上的電壓計算得到的。要得到大的靈敏度，電流不能很??；但較大的電流會在電阻的連接導(dǎo)線上產(chǎn)生壓降，因此會影響測量精度。iRlVout=i(2Rl+Rt)RtVccRlR=10.5WCOPPERR=10.5WCOPPER100WPtRTDRESISTANCETCOFCOPPER=0.40%/℃@20℃RESISTANCETCOFPtRTD=0.385%/℃@20℃四線傳輸Pt100導(dǎo)線電阻去高阻抗測量儀表激勵端測量端優(yōu)點(diǎn)：電阻的測量通過分離開激勵回路與測量回路而大大提高了測量精度。一般儀表的輸入阻抗十分高，因此測量回路中在傳輸線上的壓降可以忽略不計。RL1RL2RL3RL4RTIEX

+V0

-VBRR

RR+△R后備作業(yè)：直接使用差動放大器的典型電路-+RFRF+VSR1R1VBRR

R+△RR單敏感元件的線性化方法2+-+VS-VS+VS+--VSR2R1VOUTQ1Q3Q2Q4簡單的交流電橋+E+EVOV1,2V1,2V3,4V3,4+SENSE-SENSEQ1,Q2ONQ1,Q2ONQ3,Q4ONQ3,Q4ONSIMPLIFIEDACBIDGEDROVECIRCUITLINEARIZINGASINGLE-ELEMENTVARYINGBRIDGEMETHOD1VBRR

RR+△R單敏感元件的線性化方法1+-+VS-VS*第五次課堂練習(xí)對于如圖所示的單敏感元件電橋，如果電阻的變化范圍為，估計輸出的非線性。VBRR

R

R+△RVORESISTANCEOFPOPULARSENSORS應(yīng)變橋荷重單元壓力傳感器濕度熱電阻熱敏電阻StrainGages120?,350?,3500?weigh-scaleloadceils350?—3500?PressureSensors350?—3500?RelativeHumidity100k?—10M?ResistanceTemperatureDevices(RTDs)100?,1000?Thermistors100?—10M?20度時導(dǎo)線的電阻實(shí)例記下紅線框中的數(shù)據(jù)，作業(yè)用到。部分銅導(dǎo)線的數(shù)據(jù)AWGb

102030絞合導(dǎo)線實(shí)心線37/2649/27實(shí)心線10/3026/34實(shí)心線7/38直徑/mm2.6002.9212.9460.8130.8990.9140.2540.305直流電阻/W/km3.283.643.5833.2033.8632.97340.00338.58電橋的靈敏度Thesensitivityofabridgeistheratioofthemaximumexpectedchangeintheoutputvoltagetotheexcitationvoltage.Forinstance,ifVB=10V,andthefullscalebridgeoutputis10mV,thenthesensitivityis1mV/V.電橋需要考慮的問題SelectingConfiguration(1,2,4–ElementVarying)SelectionofVoltageorCurrentExcitationStabilityofExcitationVoltageorCurrentBridgeSensitivity:FSOutputExcitationVoltage1mV/Vto10mV/VTypicalFullscaleBridgeOutputs:10mV–100mVTypicalPrecision,lowNoiseAmplification/ConditioningTechniquesRequiredLinearizationTechniquesMayBeRequiredRemoteSensorsPresentChallenges

消除引線影響的另外一種方式IBRR-△RVoRR+△RIBR+△RR-△RVoR-△RR+△RIBR+△RRVoRR+△R恒流激勵時各種電橋的輸出及其線性IBRRVoRR+△RLineartyError:0.25%/%000(A)Single-Element(B)Two-Element(C)Two-Element(D)All-ElementVaryingVarying(1)Varying(2)Varying傳感器信號調(diào)節(jié)—調(diào)制與解調(diào)教師：龔立嬌石河子大學(xué)電氣工程系2016年9月目的解決微弱緩變信號的放大以及信號的傳輸問題。

×調(diào)制解調(diào)

先將微弱的緩變信號加載到高頻交流信號中去，然后利用交流放大器進(jìn)行放大，最后再從放大器的輸出信號中取出放大了的緩變信號。例：通過電橋交流供電實(shí)現(xiàn)調(diào)制調(diào)制是指利用某種低頻信號來控制或改變一高頻振蕩信號的某個參數(shù)(幅值、頻率或相位)的過程。信號調(diào)制信號x(t)0t載波信號z(t)0ta)幅值調(diào)制(AM)b)頻率調(diào)制(FM)c)相位調(diào)制(PM)←

y(t)的幅值隨x(t)變化而變化←

y(t)的頻率隨x(t)變化而變化←

y(t)的相位隨x(t)變化而變化調(diào)制類型401.幅值調(diào)制一、幅值調(diào)制與解調(diào)幅值調(diào)制是將一個高頻載波信號（此處采用余弦波）與被測信號（調(diào)制信號）相乘，使高頻信號的幅值隨被測信號的變化而變化。幅值調(diào)制如圖4-12所示。圖4-12422.調(diào)幅信號的頻域分析一個函數(shù)與單位脈沖函數(shù)卷積的結(jié)果是：將這個函數(shù)的波形由坐標(biāo)原點(diǎn)平移至該脈沖函數(shù)處。調(diào)頻信號的頻譜如圖4-13所示。圖4-13433.調(diào)幅信號的解調(diào)方法（1）同步調(diào)節(jié)若把調(diào)幅波再次與原載波信號相乘，則頻域的頻譜圖形將再一次進(jìn)行“搬家”，氣息結(jié)果是使原信號的頻譜圖形平移到0和±2f0的頻率處。同步解調(diào)，如圖4-14所示。圖4-14上述調(diào)制方法，將信號x(t)直接與載波z(t)（））相乘。這種調(diào)幅波具有極性變化，解調(diào)時必須再乘與z(t)相位相同的z’(t)方能復(fù)原出原信號，故稱同步解調(diào)。它要求有性能良好的線性乘法器，否則會引起信號失真。453.調(diào)幅信號的解調(diào)方法（1）同步調(diào)節(jié)若把調(diào)幅波再次與原載波信號相乘，則頻域的頻譜圖形將再一次進(jìn)行“搬家”，氣息結(jié)果是使原信號的頻譜圖形平移到0和±2f0的頻率處。同步解調(diào)，如圖4-14所示。圖4-14幅度調(diào)制與解調(diào)過程（頻譜分析）乘法器放大器乘法器濾波器x(t)xm(t)z(t)x(t)X(f)Z(f)Z(f)X(f)低通濾波器調(diào)制與解調(diào)Xm(f)-fzfz-2fz2fz解調(diào)電路(相敏檢波)回憶部分放大器相敏檢波Rx振蕩器傳感器信號調(diào)節(jié)—濾波教師：龔立嬌石河子大學(xué)電氣工程系2016年9月

濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分。一、概述濾波基

本

概

念2、一階阻容濾波器及其他濾波器的傳遞函數(shù)單極點(diǎn)低通濾波器+E1(S)-RI(S)CE2(S)2、一階阻容濾波器及其他濾波器的傳遞函數(shù)單極點(diǎn)低通濾波器單極點(diǎn)低通濾波器幅頻相頻特性

幅度(dB)相角(度)0-4-8-12-16-200-20-40-60-800w

0

w6dB/oct-3dB+E1(S)-RI(S)CE2(S)6dB/oct（6dB/倍頻程）相當(dāng)于：20dB/dec一階高通濾波器CE1(S)RE2(S)濾波器的串/并聯(lián)

低通和高通濾波器是濾波器的兩種最基本的形式，其它的濾波器都可以分解為這兩種類型的濾波器。低通和高通濾波器的串聯(lián)成為帶通濾波器LPFHPF低通和高通濾波器的并聯(lián)成為帶阻濾波器LPFHPF濾波器1.理想濾波器—是指能使通帶內(nèi)信號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。fj

(

f

)-fcfc以理想的低通濾波器為例，其特性為-fc|H(

f

)|fcf0二、濾波器性能分析理想濾波器的物理不可實(shí)現(xiàn)

理想濾波器在時域內(nèi)的脈沖響應(yīng)函數(shù)

h(t)為

sinc函數(shù)。脈沖響應(yīng)的波形沿橫坐標(biāo)左、右無限延伸。

給理想濾波器一個脈沖激勵，在t=0

時刻單位脈沖輸入濾波器之前，濾波器就已經(jīng)有響應(yīng)了。故為物理不可實(shí)現(xiàn)。fcH(f)2.實(shí)際濾波器的特征參數(shù)

理想濾波器是不存在的，實(shí)際濾波器幅頻特性中通帶和阻帶間沒有嚴(yán)格界限，存在過渡帶。0fA濾波器又稱-3dB帶寬，單位為Hz。帶寬表示濾波器的分辨能力，即濾波器分離信號中相鄰頻率成分的能力。0ffc1fc2A00.707A0(1)截止頻率fc：0.707A0所對應(yīng)的頻率。(3)紋波幅度d：通帶中幅頻特性值的起伏變化值。(4)品質(zhì)因子Q：中心頻率和帶寬之比。BQ=f0

/B2d(2)帶寬B：上下兩截止頻率之間的頻率范圍。B=fc2-fc1f0d值應(yīng)越小越好Q越大，則相對帶寬越小，濾波器的選擇性越好。

從阻帶到通帶或從通帶到阻帶，實(shí)際濾波器有一個過渡帶，過渡帶的曲線傾斜度代表著幅頻特性衰減的快慢程度，通常用倍頻程選擇性來表征。倍頻程衰減量以dB或dB/oct表示(Octave，倍頻程)。衰減越快（即W值越大），濾波器的選擇性越好。或

指在上截止頻率fc2

與2fc2

之間或下截止頻率fc1與fc1/2

之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個倍頻程時的衰減量。(5)倍頻程選擇性W

定義為濾波器幅頻特性的-60dB帶寬與-3dB帶寬的比，即對理想濾波器有

l

=

1。對普通使用的濾波器，l

一般為1~5。(6)濾波器因數(shù)(矩形系數(shù))l濾波器RC帶通濾波器可以看作為高通濾波器和低通濾波器的串聯(lián)

濾波器帶通帶阻濾波器?R1C1C2ui+uoR2+帶通濾波器(圖4-26）

一階RC濾波器在過渡帶內(nèi)的衰減速率非常慢，每個倍頻程只有6dB（見上圖），通帶和阻帶之間沒有陡峭的界限，故這種濾波器的性能較差，因此常常要使用更復(fù)雜的濾波器。濾波器

電感和電容一起使用可以使濾波器的諧振特性相對于一階RC電路產(chǎn)生較為陡峭的濾波器邊緣。圖4-28中給出了一些此類濾波器的構(gòu)成方法。濾波器

通過采用多個RC環(huán)節(jié)或LC環(huán)節(jié)級聯(lián)的方式(見圖4-29)，可以使濾波器的性能有顯著的提高，使