910信號(hào)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(hào)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(dòng)時(shí)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(cè)量電流幾乎為零，因此對(duì)前級(jí)的影響可以忽略不計(jì)。-++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(hào)一般不能只連接兩個(gè)差動(dòng)端。+--+-+v1v2vavbR2R1R2R3

R4R3

R4vovref全差動(dòng)放大器差動(dòng)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(gè)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(duì)稱地貼在應(yīng)力均勻的圓柱表面中部，構(gòu)成差動(dòng)對(duì),且處于對(duì)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(dòng)方式re

應(yīng)變r(jià)t

溫度帶來的電阻變化一般上下兩部分同時(shí)、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(dòng)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(cè)系統(tǒng)的靈敏度所以使用非常廣泛。另外一個(gè)差動(dòng)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(duì)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(cè)。這個(gè)電路的后級(jí)最簡(jiǎn)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(cè)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(cè)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(jì)的電阻為100歐姆，放在空氣中的d=6mW/K,試計(jì)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(dòng)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(cè)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(duì)其通以電流然后測(cè)量其上的電壓計(jì)算得到的。要得到大的靈敏度，電流不能很??；但較大的電流會(huì)在電阻的連接導(dǎo)線上產(chǎn)生壓降，因此會(huì)影響測(cè)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(cè)量?jī)x表激勵(lì)端測(cè)量端優(yōu)點(diǎn)：電阻的測(cè)量通過分離開激勵(lì)回路與測(cè)量回路而大大提高了測(cè)量精度。一般儀表的輸入阻抗十分高，因此測(cè)量回路中在傳輸線上的壓降可以忽略不計(jì)。RL1RL2RL3RL4RTIEX

+V0

-VBRR

RR+△R后備作業(yè)：直接使用差動(dòng)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(jiǎn)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(duì)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(jì)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(shí)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(lì)時(shí)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(hào)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(hào)的放大以及信號(hào)的傳輸問題。

×調(diào)制解調(diào)

先將微弱的緩變信號(hào)加載到高頻交流信號(hào)中去，然后利用交流放大器進(jìn)行放大，最后再?gòu)姆糯笃鞯妮敵鲂盘?hào)中取出放大了的緩變信號(hào)。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(hào)來控制或改變一高頻振蕩信號(hào)的某個(gè)參數(shù)(幅值、頻率或相位)的過程。信號(hào)調(diào)制信號(hào)x(t)0t載波信號(hào)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(gè)高頻載波信號(hào)（此處采用余弦波）與被測(cè)信號(hào)（調(diào)制信號(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。幅值調(diào)制如圖4-12所示。圖4-12422.調(diào)幅信號(hào)的頻域分析一個(gè)函數(shù)與單位脈沖函數(shù)卷積的結(jié)果是：將這個(gè)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(hào)的頻譜如圖4-13所示。圖4-13433.調(diào)幅信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(shí)必須再乘與z(t)相位相同的z’(t)方能復(fù)原出原信號(hào)，故稱同步解調(diào)。它要求有性能良好的線性乘法器，否則會(huì)引起信號(hào)失真。453.調(diào)幅信號(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(hào)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(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。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(shí)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(gè)脈沖激勵(lì)，在t=0

時(shí)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(hào)中相鄰頻率成分的能力。0ffc1fc2A00.707A0(1)截止頻率fc：0.707A0所對(duì)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(duì)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(gè)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(gè)倍頻程時(shí)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(duì)理想濾波器有

l

=

1。對(duì)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(gè)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(duì)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(gè)RC環(huán)節(jié)或LC環(huán)節(jié)級(jí)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