《現(xiàn)代測試技術(shù)》PPT課件.ppt

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現(xiàn)代測試技術(shù)Moderntestingandmeasurementtechnology 蘇州科技學(xué)院電子與信息工程學(xué)院電子科學(xué)技術(shù)系潘敬熙 Jingxi pan 53832713 第2章測試信號轉(zhuǎn)換處理電路 本章學(xué)習(xí)要求 理解信號放大 信號濾波 信號運算 信號調(diào)制解調(diào)以及電橋等各種測試信號轉(zhuǎn)換處理電路的基本原理 掌握其參數(shù)設(shè)計方法 2 1概述2 1 1對測試信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理的目的 1 傳感器輸出的信號很微弱 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)換成電信號才能進(jìn)行處理 3 有些傳感器輸出的是電信號 但信號中混雜有干擾噪聲 需要去掉噪聲 提高信噪比 4 某些場合 為便于信號的遠(yuǎn)距離傳輸?shù)仍?需要對傳感器測量信號進(jìn)行調(diào)制解調(diào)處理 2 1 2傳感器接口電路形式傳感器按集成程度分為傳統(tǒng)傳感器和智能傳感器 按有無能量輸出分為無源傳感器和有源傳感器 智能傳感器一般都是有源傳感器 按輸出信號性質(zhì)分為模擬傳感器和數(shù)字傳感器 傳感器主要變化參數(shù)有 電阻 電感與電容 傳感器輸出信號主要形式有 電壓 電流 或電荷 與頻率 交流與直流 傳感器輸出結(jié)構(gòu)形式有 直接 電橋 差分等 2 2信號放大2 2 1概述一 什么是測量放大電路 在測量控制系統(tǒng)中 用來放大傳感器輸出的微弱電壓 電流或電荷信號的放大電路稱為測量放大電路 亦稱儀用放大電路 工程測試中所遇到的信號 多為100kHz以下的低頻信號 在大多數(shù)的情況下 都可以用放大器集成芯片來設(shè)計放大電路 二 對測量放大電路的基本要求 輸入阻抗應(yīng)與傳感器輸出阻抗相匹配 一定的放大倍數(shù)和穩(wěn)定的增益 低噪聲 低的輸入失調(diào)電壓和輸入失調(diào)電流以及低的漂移 足夠的帶寬和轉(zhuǎn)換速率 高共模輸入范圍和高共模抑制比 可調(diào)的閉環(huán)增益 線性好 精度高 成本低 三 集成運算放大器的最主要參數(shù) 開環(huán)增益A閉環(huán)增益Af差模開環(huán)直流電壓增益 差模增益 AVD共模開環(huán)直流電壓增益 共模增益 AVC輸入失調(diào)電壓VI0輸入失調(diào)電流II0共模抑制比KCMR 差模增益AVD 共模增益AVC 四 應(yīng)用集成運放應(yīng)注意的事項 1 調(diào)零消除失調(diào)誤差 調(diào)零 技術(shù)是使用運放時必須掌握的 調(diào)零的原理是 在運放的輸入端外加一個補(bǔ)償電壓 以抵消運放本身的失調(diào)電壓 達(dá)到調(diào)零的目的 有些運放已經(jīng)引出調(diào)零端 只需要按照器件的規(guī)定 接入調(diào)零電路進(jìn)行調(diào)零即可 2 相位補(bǔ)償消除高頻自激由于運算放大器是一個高增益的多級放大器組件 應(yīng)用時一般接成閉環(huán)負(fù)反饋電路 當(dāng)工作頻率升高時 放大器會產(chǎn)生附加相移 可能使負(fù)反饋變成正反饋而引起自激 進(jìn)行相位補(bǔ)償可以消除高頻自激 相位補(bǔ)償?shù)脑硎?在具有高放大倍數(shù)的中間級 利用一小電容C 幾十 幾百微微法 構(gòu)成電壓并聯(lián)負(fù)反饋電路 有些運放已經(jīng)在內(nèi)部進(jìn)行了補(bǔ)償 如 A741 有些運放引出了補(bǔ)償端 只需要按照器件手冊的規(guī)定 外接補(bǔ)償電路即可 如國產(chǎn)5G24運算放大器 3 過載保護(hù)使用運放時要注意 不能超過其性能參數(shù)的極限值 如最大輸入電壓范圍等 特別是在有強(qiáng)干擾源的場合更要注意 2 2 2同相放大器 閉環(huán)增益 集成運算放大器可以作為一個器件構(gòu)成各種基本功能的電路 這些基本電路又可以作為單元電路組成電子應(yīng)用電路 同相放大器具有輸入阻抗非常高 輸出阻抗很低的特點 廣泛用于前置放大級 高輸入阻抗電路常應(yīng)用于傳感器的輸出阻抗很高的測量放大電路中 如電容式 壓電式傳感器的測量放大電路 同相放大器輸入阻抗ri ri ri 1 AF 同相放大器輸出阻抗ro ro ro 1 AF 教材約定 在涉及同相放大器的輸入阻抗時 均以ri 來表示 即指同相放大器所具有的最低在107 以上的輸入電阻 而不器刻意指明其具體的數(shù)值 2 2 3反相放大器 閉環(huán)增益 反饋電阻R2值不能太大 否則會產(chǎn)生較大的噪聲及漂移 一般為幾十千歐至幾百千歐 R1的取值應(yīng)遠(yuǎn)大于信號源Ui的內(nèi)阻 交流反相放大電路Af R2 R1R3 R2C1 隔直電容C3 旁路電容 防止振蕩 2 2 4基本差動 差分 放大器 什么是差動放大器 差動放大器是把二個輸入信號分別輸入到運算放大器的同相和反相二個輸入端 然后在輸出端取出二個信號的差模成分 而盡量抑制二個信號的共模成分 2 2 4基本差動放大器 為分析電路的共模抑制性能 我們做如下變換 式中 假設(shè)電阻的誤差為 也就是說 電阻的實際值分別為 則可得 在最壞的情況下 即所有的電阻都取最大的誤差值 并且取最不利的方向 可得最大的共模電壓增益 忽略高階小量 共模抑制比KCMR為 輸入電阻 難以避免的缺點 1 輸入阻抗低 3 工藝性差 2 共模抑制比低 2 2 5儀用放大器 什么是儀用放大器 是一類高輸入阻抗 高共模抑制比的差分放大器 具有精度高 穩(wěn)定性好等特點 經(jīng)常用于精密儀器電路和測控電路中 故稱為儀用放大器 也稱為儀器放大器 2 2 5儀器 儀用 放大器 按照教材中3 2節(jié)的約定 同相放大器的輸入阻抗為ri 不難得出三運放電路的輸入阻抗 差動輸入阻抗rid 2ri 共模輸入阻抗ric ri 2 2 2 5儀器 儀用 放大器 可得放大器前級的差模增益AVD1和共模增益AVC1 2 2 5儀器 儀用 放大器 儀器放大器前級的差模增益AVD和共模增益AVC 因此 三運放電路的共模抑制比在電阻匹配精度相同的情況下 要比基本差動放大器高倍 由此可見 由三運放組成的差動放大器具有高共模抑制比 高輸入阻抗和可變增益等一系列優(yōu)點 它是目前測控系統(tǒng)和儀器儀表中最典型的前置放大器 2 2 5儀器 儀用 放大器 28 串聯(lián)差分式輸入儀用放大器 輸入信號加于兩個運放的同相輸入端 差分輸入電阻近似為兩個運放的共模輸入電阻之和 提高了輸入電阻 利用迭加原理 分別作用于輸入端 29 串聯(lián)差分式輸入儀用放大器 雙端輸入 輸入電阻為無窮大 2 2 6可變增益放大器 2 2 6可變增益放大器 2 2 6可變增益放大器 2 2 6可變增益放大器 2 2 6可變增益放大器 2 2 7隔離放大電路什么是隔離放大電路 隔離放大電路的輸入 輸出和電源電路之間沒有直接的電路耦合 即信號在傳輸過程中沒有公共的接地端 應(yīng)用于何種場合 隔離放大電路主要用于便攜式測量儀器和某些測控系統(tǒng) 如生物醫(yī)學(xué)人體測量 自動化試驗設(shè)備 工業(yè)過程控制系統(tǒng)等 中 能在噪聲環(huán)境下以高阻抗 高共模抑制能力傳送信號 2 2 7隔離放大器 1 采用集成的線性光電耦合放大器 2 采用集成前置放大器和線性光電耦合放大器在一起的大規(guī)模集成電路 3 采用數(shù)字信號隔離技術(shù) 組成及符號 原理框圖 常見的幾種光電耦合器的內(nèi)部電路 2 2 7隔離放大器 幾種光電耦合放大器的傳輸特性 2 2 7隔離放大器 光電耦合放大器 2 2 7隔離放大器 線性光電耦合放大器 2 2 7隔離放大器 性能優(yōu)良的線性光電耦合放大器 2 2 8電橋放大電路 何謂電橋放大電路 由傳感器電橋和運算放大器組成的放大電路或由傳感器和運算放大器構(gòu)成的電橋都稱為電橋放大電路 應(yīng)用于何種場合 應(yīng)用于電參量式傳感器 如電感式 電阻應(yīng)變式 電容式傳感器等 經(jīng)常通過電橋轉(zhuǎn)換電路輸出電壓或電流信號 并用運算放大器作進(jìn)一步放大 或由傳感器和運算放大器直接構(gòu)成電橋放大電路 輸出放大了的電壓信號 a c兩端接電源Ui 稱供橋端 b d兩端接輸出電壓Uo 稱輸出端 一 電橋電橋的作用 將電阻R 應(yīng)變片 電感L 電容C等電參數(shù)變?yōu)殡妷?U或電流 I信號后輸出 根據(jù)橋臂阻抗性質(zhì)的不同為 電阻電橋電容電橋電感電橋 根據(jù)供橋電源分為 直流電橋 采用直流電源 只用于測量電阻R的變化交流電橋 采用交流電源 測量電阻R 電容C 電感L的變化 1 電橋的分類 2 直流電橋 四個橋臂由電阻R1 R2 R3和R4組成 直流電橋 平衡條件 R1 R3 R2 R4 直流電橋 電橋的輸出 平衡的條件 溫敏電阻 直流電橋 當(dāng)電橋輸出端接入儀表或放大器時 電橋輸出端可視為開路狀態(tài) 電流輸出為零 此時 橋路電流為 a b之間電位差為 a d之間電位差為 電橋輸出電壓為 直流電橋平衡條件推導(dǎo) 直流電橋 R1 R U0 U U R1 R1 R3 R2 R4 平衡的條件 電橋的輸出 這時 電橋平衡嗎 R 為了簡化設(shè)計 R2 R3 R4 R0 而R1 R0 R 直流電橋 R0 R U0 U U 電橋的靈敏度定義為 單片 半橋 單臂輸出 全橋 四臂輸出 半橋 雙臂輸出 四片 兩片 半橋 單臂輸出 全橋 四臂輸出 半橋 雙臂輸出 統(tǒng)一表示 四片 全橋 四臂輸出 當(dāng)R1 R1 R1 R2 R2 R2 由于 R1 R2 R3 R4 R0 R取相同值 可得 R3 R3 R3 R4 R2 R4時 電橋的靈敏度定義為 全橋 四臂平衡條件簡要推導(dǎo) 電橋常用調(diào)平衡的方法 電橋測量的誤差 非線性誤差 溫度誤差 直流電源的電壓穩(wěn)定性造成的誤差 半橋 單臂輸出 半橋 雙臂輸出 全橋 四臂輸出 直流電橋 平衡條件 3 交流電橋 交流電橋 而 其中 Z1 Z2 Z3 Z4為阻抗的模 而 1 2 3 4為阻抗角 是各橋臂電流與電壓之間的相位差 Z1Z3ej 1 3 Z2Z4ej 2 4 平衡條件 電容電橋 電容電橋 平衡條件 電感電橋 電感電橋 平衡條件 電容電橋 兩相鄰橋臂為純電阻R2 R3 另相鄰兩臂為電容C1 C4 R1 R4視為電容介質(zhì)損耗的等效電阻 根據(jù)平衡條件 電橋平衡條件 電容電橋平衡條件簡要推導(dǎo) 電感電橋 根據(jù)平衡條件 電橋平衡條件 電感電橋平衡條件簡要推導(dǎo) 一 單端輸入電橋放大電路 二 電橋放大電路 二 差動輸入電橋放大電路 三 線性電橋放大電路 2 2 9自舉式高輸入阻抗放大電路 何謂自舉電路 自舉電路是利用反饋使輸入電阻的兩端近似為等電位 減小向輸入回路索取電流 從而提高輸入阻抗的電路 是不是所有情況下都要求放大電路具有高的輸入阻抗 高輸入阻抗電路常應(yīng)用于傳感器的輸出阻抗很高的測量放大電路中 如電容式 壓電式傳感器的測量放大電路 a 同相交流放大電路 b 交流電壓跟隨電路 68 c 輸入電阻自舉擴(kuò)展電路 反相比例放大器 A1 主放大器A2 正反饋 提供電流 69 實際上 兩者之間阻值總有一定的偏差 同時為了放大器穩(wěn)定工作 防止電路自激振蕩 也必須人為地使略大于保證為正值 2 3信號濾波 2 3 1濾波器的基礎(chǔ)知識一 濾波器的功能和類型1 功能 濾波器是具有頻率選擇作用的電路或運算處理系統(tǒng) 具有濾除噪聲和分離各種不同信號的功能 2 類型 按處理信號形式分 模擬濾波器和數(shù)字濾波器按功能分 低通 高通 帶通 帶阻按電路組成分 LC無源 RC無源 由特殊元件構(gòu)成的無源濾波器 RC有源濾波器按傳遞函數(shù)的微分方程階數(shù)分 一階 二階 高階 從0 f2頻率之間 幅頻特性平直 它可以使信號中低于f2的頻率成分幾乎不受衰減地通過 而高于f2的頻率成分受到極大地衰減 與低通濾波相反 從頻率f1 其幅頻特性平直 它使信號中高于f1的頻率成分幾乎不受衰減地通過 而低于f1的頻率成分將受到極大地衰減 它的通頻帶在f1 f2之間 它使信號中高于f1而低于f2的頻率成分可以不受衰減地通過 而其它成分受到衰減 與帶通濾波相反 阻帶在頻率f1 f2之間 它使信號中高于f1而低于f2的頻率成分受到衰減 其余頻率成分的信號幾乎不受衰減地通過 低通濾波器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 例如 低通濾波器與高通濾波器的串聯(lián)為帶通濾波器 低通濾波器與高通濾波器的并聯(lián)為帶阻濾波器 二 濾波器的主要特性指標(biāo)1 特征頻率 通帶截頻fp p 2 為通帶與過渡帶邊界點的頻率 在該點信號增益下降到一個人為規(guī)定的下限 阻帶截頻fr r 2 為阻帶與過渡帶邊界點的頻率 在該點信號衰耗 增益的倒數(shù) 下降到一人為規(guī)定的下限 轉(zhuǎn)折頻率fc c 2 為信號功率衰減到1 2 約3dB 時的頻率 在很多情況下 常以fc作為通帶或阻帶截頻 固有頻率f0 0 2 為電路沒有損耗時 濾波器的諧振頻率 復(fù)雜電路往往有多個固有頻率 2 增益與衰耗濾波器在通帶內(nèi)的增益并非常數(shù) 對低通濾波器通帶增益Kp一般指 0時的增益 高通指 時的增益 帶通則指中心頻率處的增益 對帶阻濾波器 應(yīng)給出阻帶衰耗 衰耗定義為增益的倒數(shù) 通帶增益變化量 Kp指通帶內(nèi)各點增益的最大變化量 如果 Kp以dB為單位 則指增益dB值的變化量 3 阻尼系數(shù)與品質(zhì)因數(shù)阻尼系數(shù)是表征濾波器對角頻率為 0信號的阻尼作用 是濾波器中表示能量衰耗的一項指標(biāo) 阻尼系數(shù)的倒數(shù)稱為品質(zhì)因數(shù) 是評價帶通與帶阻濾波器頻率選擇特性的一個重要指標(biāo) Q 0 式中的 為帶通或帶阻濾波器的3dB帶寬 0為中心頻率 在很多情況下中心頻率與固有頻率相等 4 靈敏度濾波電路由許多元件構(gòu)成 每個元件參數(shù)值的變化都會影響濾波器的性能 濾波器某一性能指標(biāo)y對某一元件參數(shù)x變化的靈敏度記作Sxy 定義為 Sxy dy y dx x 該靈敏度與測量儀器或電路系統(tǒng)靈敏度不是一個概念 該靈敏度越小 標(biāo)志著電路容錯能力越強(qiáng) 穩(wěn)定性也越高 5 群時延函數(shù)當(dāng)濾波器幅頻特性滿足設(shè)計要求時 為保證輸出信號失真度不超過允許范圍 對其相頻特性 也應(yīng)提出一定要求 在濾波器設(shè)計中 常用群時延函數(shù)d d 評價信號經(jīng)濾波后相位失真程度 群時延函數(shù)d d 越接近常數(shù) 信號相位失真越小 三 模擬濾波器的傳遞函數(shù)與頻率特性 一 模擬濾波器的傳遞函數(shù)模擬濾波電路的特性可由傳遞函數(shù)來描述 傳遞函數(shù)是輸出與輸入信號電壓或電流拉氏變換之比 經(jīng)分析 任意個互相隔離的線性網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)后 總的傳遞函數(shù)等于各網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)的乘積 這樣 任何復(fù)雜的濾波網(wǎng)絡(luò) 可由若干簡單的一階與二階濾波電路級聯(lián)構(gòu)成 二 模擬濾波器的頻率特性模擬濾波器的傳遞函數(shù)H s 表達(dá)了濾波器的輸入與輸出間的傳遞關(guān)系 若濾波器的輸入信號Ui是角頻率為 的單位信號 濾波器的輸出Uo j H j 表達(dá)了在單位信號輸入情況下的輸出信號隨頻率變化的關(guān)系 稱為濾波器的頻率特性函數(shù) 簡稱頻率特性 頻率特性H j 是一個復(fù)函數(shù) 其幅值A(chǔ) 稱為幅頻特性 其幅角 表示輸出信號的相位相對于輸入信號相位的變化 稱為相頻特性 三 二階濾波器1 二階低通濾波器二階低通濾波器的傳遞函數(shù)的一般形式為它的固有頻率為a01 2 通帶增益Kp b0 a0 阻尼系數(shù)為a1 0 其幅頻特性與相頻特性為 2 二階高通濾波器二階低通濾波器的傳遞函數(shù)的一般形式為其幅頻特性與相頻特性為 3 二階帶通濾波器二階帶通濾波器的傳遞函數(shù)的一般形式為其幅頻特性與相頻特性分別為 4 二階帶阻濾波器二階帶阻濾波器的傳遞函數(shù)的一般形式為其幅頻特性和相頻特性為 5 二階全通濾波電路 移相電路 二階全通濾波電路的傳遞函數(shù)的一般形式為其幅頻特性為常數(shù) 相頻特性為 三 濾波器特性的逼近理想濾波器要求幅頻特性A 在通帶內(nèi)為一常數(shù) 在阻帶內(nèi)為零 沒有過渡帶 還要求群延時函數(shù)在通帶內(nèi)為一常量 這在物理上是無法實現(xiàn)的 實踐中往往選擇適當(dāng)逼近方法 實現(xiàn)對理想濾波器的最佳逼近 測控系統(tǒng)中常用的三種逼近方法為 巴特沃斯逼近切比雪夫逼近貝賽爾逼近 一 巴特沃斯逼近這種逼近的基本原則是使幅頻特性在通帶內(nèi)最為平坦 并且單調(diào)變化 其幅頻特性為n階巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)為其中 二 切比雪夫逼近這種逼近方法的基本原則是允許通帶內(nèi)有一定的波動量 Kp 其幅頻特性為 三 貝賽爾逼近這種逼近與前兩種不同 它主要側(cè)重于相頻特性 其基本原則是使通帶內(nèi)相頻特性線性度最高 群時延函數(shù)最接近于常量 從而使相頻特性引起的相位失真最小 濾波器的傳遞函數(shù)與頻率特性 1 五階貝塞爾濾波器2 五階巴特沃斯濾波器3 五階通帶波紋為0 5dB的切比雪夫濾波器4 五階五階通帶波紋為2dB的切比雪夫濾波器 按濾波特性可將濾波分為三種類型 最大平坦型 紋波型和恒延時型 對應(yīng)的阻尼系數(shù) 分別等于 小于和大于 1 巴特沃思逼近對于二階的濾波器 巴特沃思濾波器的 2 切比雪夫逼近對于二階的濾波器 切比雪夫濾波器的 3 貝塞爾逼近對于二階的濾波器 貝塞爾濾波器的 根據(jù) 最佳逼近特性 標(biāo)準(zhǔn)分類的三種濾波器的比較 巴特沃斯濾波器具有最大平坦幅度特性 切貝雪夫濾波器的通帶有波紋 過渡帶輕陡直 因此 在不允許通帶內(nèi)有紋波的情況下 巴特沃斯型更可取 從相頻響應(yīng)來看 巴特沃斯型也要優(yōu)于切貝雪夫型 貝塞爾濾波器只滿足相頻特性而不關(guān)心幅頻特性 貝塞爾濾波器又稱最平時延或恒時延濾波器 其相移和頻率成正比 即為一線性關(guān)系 但是由于它的幅頻特性欠佳 而往往限制了它的應(yīng)用 2 3 2RC有源濾波電路一 壓控電壓源型濾波電路該電路壓控增益Kf 1 R0 R 傳遞函數(shù)為 1 低通濾波電路濾波器參數(shù)為 2 高通濾波器 3 帶通濾波器 4 帶阻濾波器 二 無限增益多路反饋型濾波電路 1 低通濾波電路 2 高通濾波器 3 帶通濾波器 三 雙二階環(huán)濾波電路 雙二階環(huán)電路利用兩個以上由加法器 積分器等組成的運算放大電路 根據(jù)所要求的傳遞函數(shù) 引入適當(dāng)?shù)姆答仒?gòu)成濾波電路 其突出特點是電路靈敏度低 因而特性非常穩(wěn)定 并可實現(xiàn)多種濾波功能 經(jīng)過適當(dāng)改進(jìn)還可將運算放大器數(shù)目減少到兩個 1 低通與帶通濾波電路 從u3點輸出為帶通濾波電路 從u2點與u1點輸出為低通濾波電路 Kp1 Kp2 Kp3分別為由u1 u2 u3輸出時的通帶增益 可用R5調(diào)節(jié)w0 用R2調(diào)節(jié)Q 用R0調(diào)節(jié)Kpi 各參數(shù)間相互影響很小 2 可實現(xiàn)高通 帶阻與全通濾波的雙二階環(huán)電路 3 低通 高通 帶通 帶阻與全通濾波電路 四 有源濾波器設(shè)計有源濾波器的設(shè)計主要包括以下四個過程 確定傳遞函數(shù)選擇電路結(jié)構(gòu)選擇有源器件計算無源元件參數(shù)以無限增益多路反饋二階巴特沃斯濾波器為例 在給定的fc下 參考下表選擇電容C1 根據(jù)C1的實際值 按下式計算電阻換標(biāo)系數(shù)K K 100 fcC1 由表確定C2及歸一化電阻值ri 再換算出Ri 開關(guān)電容濾波原理 一 壓控跟蹤濾波器 利用測量電路提取被測信號中心頻率 進(jìn)行f V轉(zhuǎn)換 即可形成所需的控制電壓uc uc決定R2的變化 從而決定電路中心頻率w0變化 即輸出信號uo的中心頻率 壓控跟蹤濾波器 變頻跟蹤濾波器 集成有源濾波芯片介紹1 單片集成五階巴特沃斯低通濾波器MAX280 2 單片集成通用有源濾波器MAX263 264 2 4信號的運算 運算電路是測控電路的重要組成部分 廣泛應(yīng)用于各種儀器中 如在表面粗糙度的測量中 平均偏差Ra需要進(jìn)行平均值 絕對值和積分等運算才能求得 運算電路分為模擬運算電路和數(shù)字運算電路兩大類 一般來說 在精度要求低于0 1 的情況下 仍采用模擬運算電路來實現(xiàn)對測量信號的運算 更主要的是模擬運算電路具有運算實時性 在目前廣泛使用的測試系統(tǒng)中 絕大多數(shù)的模擬運算電路都是有源的 即采用運算放大器 運放的開環(huán)放大倍數(shù)很大 輸入電阻高 輸出電阻小 在分析時常將作為理想運放 理想運放的條件 放大倍數(shù)與負(fù)載無關(guān) 分析多個運放級聯(lián)組合的線性電路時可以分別對每個運放進(jìn)行 運放工作在線性區(qū)的特點 在分析信號運算電路時對運放的處理 Exit 2 4 1加減運算電路一 加法運算電路反相加法電路 輸出端再接一級反相放大器 可消除負(fù)號 實現(xiàn)完全符合常規(guī)的算術(shù)加法 Exit 同相加法電路 二 減法運算電路利用加法運算電路實現(xiàn)減法運算 將代表被減數(shù)的信號反相后 與代表減數(shù)的信號相加 從而實現(xiàn)減法 優(yōu)點 輸入端沒有共模信號 允許U1 U2的共模電壓范圍較大 缺點 輸入阻抗低 用單一運算放大器實現(xiàn)減法運算 電路特點 有較大的共模輸入電壓 為了提高運算精度 要求放大器要有較高的共模抑制比 當(dāng) 2 4 2對數(shù)與指數(shù)運算電路 1 對數(shù)運算電路 利用PN結(jié)的指數(shù)特性實現(xiàn)對數(shù)運算 因為UT和IS都是溫度的函數(shù) 所以運算精度受溫度影響 在小信號時誤差較大 因為這時和1相差不是很多 二極管具有內(nèi)阻 當(dāng)電流較大時 壓降也較大 其伏安特性于對數(shù)關(guān)系有較大的偏差 電流的變化對校正系數(shù)m有影響 鑒于以上情況 該電路只有在某一段電流范圍內(nèi)能達(dá)到滿意的精度 該范圍只能達(dá)到一個至兩個數(shù)量級 存在問題 將二極管改為晶體管也可實現(xiàn)對數(shù)運算 當(dāng)時 2 4 2對數(shù)與指數(shù)運算電路 5 21 其中 IES是發(fā)射結(jié)反向飽和電流 vO是vI的對數(shù)運算 注意 vI必須大于零 電路的輸出電壓小于0 7伏 利用虛短和虛斷 電路有 特點及存在問題 晶體管型對數(shù)電路的輸入范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過二極管型對數(shù)電路 一般情況下 集電極電流的工作范圍為pA到mA數(shù)量級 即9個數(shù)量級 當(dāng)然 只有在運算放大器的輸入失調(diào)電流很小的情況下 才能充分利用此優(yōu)點 上述對數(shù)電流的缺點是受溫度影響較大 其主要原因是UT和Is隨溫度變化 當(dāng)溫度從20 升到50 時 UT增大10 Is增加近10倍 為了消除Is的影響 可以采用由兩個晶體管組成的具有溫度補(bǔ)償功能的對數(shù)電路 電阻R4的作用是用來限制電流Ic1 Ic2 電容C1和C2是作相位補(bǔ)償用的 R3可選合適的正溫度系數(shù) 0 3 K 熱敏電阻以補(bǔ)償U(kuò)T受溫度的變化 vO是vI的指數(shù)運算 指數(shù)運算 要求 說明 實用電路加有溫度補(bǔ)償電路 二 指數(shù)運算電路 利用虛短和虛斷 電路有 若采用運算放大器構(gòu)成實用對數(shù)和指數(shù)運算電路 穩(wěn)定性較差 很難取得高精度 因此 在實際應(yīng)用時 應(yīng)該優(yōu)先考慮選用集成對數(shù)和指數(shù)運算電路 如美國ADI公司的AD8304的信號輸入范圍可達(dá)160dB 精度可達(dá)0 1dB 只需3 0 5 5V的單電源工作 但它的溫度漂移僅有0 02mV 2 4 4乘除與乘方開方運算電路 集成乘法器有不少的品種 如美國ADI公司的AD632 AD534可以實現(xiàn)的運算 AD532 AD633 AD838可以實現(xiàn)的運算 而MLT04具有4路乘法器 AD539 AD734可以同時實現(xiàn)乘法和除法運算 利用乘法器可容易實現(xiàn)乘方與開方運算 見p131 2 4 4乘除與乘方開方運算電路 2 4 5微分積分運算電路一 積分運算電路 應(yīng)用廣泛 不僅用作積分運算 還可以利用它的充放電過程實現(xiàn)延時 定時以及產(chǎn)生各種波形 反相積分電路 實際情況 運算放大器的輸入偏置電流Ib和輸入失調(diào)電壓U0s也隨時間而積分 對積分器的輸出有一定的影響 由此產(chǎn)生的輸出電壓變化可寫成 若取C 1uF 1uA的誤差電流會使Uo以1V s的速度增長 當(dāng)輸入Ui 0時 具有補(bǔ)償Ib的積分電路 采用下圖所示電路 Rp R Rp上壓降為IbR 因此流經(jīng)R上的補(bǔ)償電流為 這一電流提供了偏差電流 于是誤差電流被補(bǔ)償了 預(yù)設(shè) 保持積分電路 可以實現(xiàn)設(shè)置初始積分輸出電壓以及控制停止積分 保持 設(shè)置初始狀態(tài) S1斷開 S2接通 此時積分器工作在反相放大狀態(tài) 輸出為 然后S1接通 S2斷開 電路為一個積分器 對U1進(jìn)行積分 再斷開S1 積分電流為零 積分器輸出保持不變 電路處于保持狀態(tài) 實際電路中 S1和S2一般由場效應(yīng)管構(gòu)成 二 具有特殊性能的積分電路1 增量積分電路 比例積分電路 多重積分運算電路 輸出電壓為 幅頻特性曲線在對數(shù)坐標(biāo)系中為一條 6dB 倍頻程的直線 確定微分電路的簡單原則 二 微分運算電路 當(dāng)輸入信號為正弦波 1 在測試系統(tǒng)中為什么要采用信號調(diào)制 在測試系統(tǒng)中 進(jìn)入測試電路的除了傳感器輸出的測量信號外 還往往有各種噪聲 而傳感器的輸出信號一般又很微弱 將測量信號從含有噪聲的信號中分離出來是測試電路的一項重要任務(wù) 為了便于區(qū)別信號與噪聲 往往給測量信號賦予一定特征 這就是調(diào)制的主要功用 調(diào)制解調(diào)的功用與類型 2 5信號調(diào)制解調(diào)電路 2 什么是信號調(diào)制 調(diào)制就是用一個信號 稱為調(diào)制信號 去控制另一個做為載體的信號 稱為載波信號 讓后者的某一特征參數(shù)按前者變化 3 什么是解調(diào) 在將測量信號調(diào)制 并將它和噪聲分離 放大等處理后 還要從已經(jīng)調(diào)制的信號中提取反映被測量值的測量信號 這一過程稱為解調(diào) 4 在測試系統(tǒng)中常用的調(diào)制方法有哪幾種 在信號調(diào)制中常以一個高頻正弦信號作為載波信號 一個正弦信號有幅值 頻率 相位三個參數(shù) 可以對這三個參數(shù)進(jìn)行調(diào)制 分別稱為調(diào)幅 調(diào)頻和調(diào)相 也可以用脈沖信號作載波信號 可以對脈沖信號的不同特征參數(shù)作調(diào)制 最常用的是對脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制 稱為脈沖調(diào)寬 5 什么是調(diào)制信號 載波信號 已調(diào)信號 調(diào)制是給測量信號賦予一定特征 這個特征由作為載體的信號提供 常以一個高頻正弦信號或脈沖信號作為載體 這個載體稱為載波信號 用來改變載波信號的某一參數(shù) 如幅值 頻率 相位的信號稱為調(diào)制信號 在測試系統(tǒng)中 通常就用測量信號作調(diào)制信號 經(jīng)過調(diào)制的載波信號叫已調(diào)信號 一 概念和定義1 什么是調(diào)幅 調(diào)幅信號 即調(diào)幅式測量電路中的已調(diào)信號 和調(diào)制信號 載波信號的數(shù)學(xué)關(guān)系怎樣表達(dá) 波形又是怎樣 調(diào)幅就是用調(diào)制信號去控制高頻載波信號的幅值 常用的是線性調(diào)幅 即讓調(diào)幅信號的幅值按調(diào)制信號的線性函數(shù)變化 2 5 2調(diào)幅式測量電路一 調(diào)幅原理與方法 載波信號為正弦波vc 調(diào)幅信號 即已調(diào)波 v 設(shè)調(diào)制信號為余弦波v v Vocos t Vocos2 ft 12 2 t v O t O uc us a 調(diào)制信號 b 載波信號 O t c 雙邊帶調(diào)幅信號 2 什么是雙邊帶調(diào)幅 設(shè)調(diào)制信號是角頻率為 的余弦信號v Vocos t對式 12 2 進(jìn)行數(shù)學(xué)處理可得 v Vcmcos ct VcmmAcos c t VcmmAcos c t 2它包含三個不同頻率的信號 角頻率為 c的載波信號和角頻率分別為 c 的上下邊頻信號 載波信號中不含調(diào)制信號v Vocos t的信息 因此可以取其為0 只保留兩個邊頻信號 這種調(diào)制稱為雙邊帶調(diào)制 其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 v VcmmAcos tcos ct為了正確進(jìn)行信號調(diào)制必須要求 c 通常至少要求 c 10 3 在測試系統(tǒng)中被測信號的變化頻率為0 100Hz 應(yīng)怎樣選取載波信號的頻率 應(yīng)怎樣選取調(diào)幅信號放大器的通頻帶 信號解調(diào)后 怎樣選取濾波器的通頻帶 若被測信號的變化頻率為0 100Hz 則載波信號的頻率 c 1000Hz 調(diào)幅信號放大器的通頻帶應(yīng)為900 1100Hz 信號解調(diào)后 濾波器的通頻帶應(yīng) 100Hz 即讓0 100Hz的信號順利通過 而將900Hz以上的信號抑制 可選通頻帶為200Hz 幅度調(diào)制與解調(diào)過程 波形分析 乘法器 放大器 x t z t xm t 乘法器 濾波器 z t x t 幅度調(diào)制與解調(diào)過程 頻譜分析 乘法器 放大器 x t z t xm t 乘法器 濾波器 z t x t 幅度調(diào)制與解調(diào)過程 數(shù)學(xué)分析 二 傳感器調(diào)制為什么在測控系統(tǒng)中常常在傳感器中進(jìn)行信號調(diào)制 為了提高測量信號抗干擾能力 常要求從信號一形成就已經(jīng)是已調(diào)信號 因此常常在傳感器中進(jìn)行調(diào)制 通過交流供電實現(xiàn)調(diào)制 如電阻式傳感器 電感式傳感器和電容式傳感器等 應(yīng)變式傳感器輸出信號的調(diào)制 這里用4個應(yīng)變片測量梁的變形 并由此確定作用在梁上的力F的大小 4個應(yīng)變片接入電橋 并采用交流電壓U供電 設(shè)4個應(yīng)變片在沒有應(yīng)力作用的情況下它們的阻值R1 R2 R3 R4 R 電橋的輸出 實現(xiàn)了載波信號U與測量信號的相乘 即幅值調(diào)制 用激光掃描的方法測量工件直徑 激光器 反射鏡 電動機(jī) 透鏡 掃描棱鏡 工件 保護(hù)玻璃 保護(hù)玻璃 用機(jī)械或光學(xué)的方法實現(xiàn)調(diào)制 透鏡 光電元件 由激光器4發(fā)出的光束經(jīng)反射鏡5與6反射后 照到掃描棱鏡2的表面 棱鏡2由電動機(jī)3帶動連續(xù)回轉(zhuǎn) 它使由棱鏡2表面反射返回的光束方向不斷變化 掃描角 為棱鏡2中心角的2倍 透鏡1將這一掃描光束變成一組平行光 對工件8進(jìn)行掃描 這一平行光束經(jīng)透鏡10匯聚 由光電元件11接收 7和9為保護(hù)玻璃 使光學(xué)系統(tǒng)免受污染 當(dāng)光束掃過工件時 它被工件擋住 沒有光線照到光電元件11上 對應(yīng)于 暗 的信號寬度與被測工件8的直徑成正比 即脈沖寬度受工件直徑調(diào)制 三 電路調(diào)制1 乘法器調(diào)制 在電路進(jìn)行調(diào)制的基本原理是用測量信號ux去控制 改變 載波信號幅值就可以實現(xiàn)調(diào)制 只要用乘法器將測量信號 調(diào)制信號 ux與載波信號uc相乘 就可以實現(xiàn)調(diào)幅 2 開關(guān)電路調(diào)制 3 信號相加調(diào)制 二 包絡(luò)檢波電路 什么是檢波 從已調(diào)信號中檢出調(diào)制信號的過程稱為解調(diào)或檢波 什么是包絡(luò)檢波 幅值調(diào)制就是讓已調(diào)信號的幅值隨調(diào)制信號的值變化 因此調(diào)幅信號的包絡(luò)線形狀與調(diào)制信號一致 只要能檢出調(diào)幅信號的包絡(luò)線即能實現(xiàn)解調(diào) 這種方法稱為包絡(luò)檢波 包絡(luò)檢波的基本工作原理是什么 由圖可見 只要從圖a所示的調(diào)幅信號中 截去它的下半部 即可獲得圖b所示半波檢波后的信號 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 即可獲得所需調(diào)制信號 實現(xiàn)解調(diào) 只要采用適當(dāng)?shù)膯蜗驅(qū)щ娖骷∑渖习氩?也可取其下半部 波形 即能實現(xiàn)包絡(luò)檢波 為什么有時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)電壓超過一定值時才導(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給檢波帶來誤差 在一般的通信中 只要這一誤差不太大 就不致于造成明顯的信號失真 而在精密測量與控制中 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