電子測量線路

1、課程名稱：電子測量線路 授課專業(yè)：測控技術(shù)與儀器 課程性質(zhì)：專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)主干課程（必修課， 3 學(xué)分） 教學(xué)進(jìn)程：總計(jì) 56學(xué)時(shí)（講課 48 學(xué)時(shí)， 8學(xué)時(shí)實(shí)驗(yàn)） 14周、尸、 亠前言當(dāng)今的時(shí)代是信息時(shí)代，在工業(yè)和科技領(lǐng)域信息主要是通過測量獲取。在現(xiàn)代生產(chǎn)中， 物質(zhì)流和能量流在信息流指揮和控制下運(yùn)動(dòng)。 測控技術(shù)已成為現(xiàn)代生產(chǎn)和高科技中的一項(xiàng)必 不可少的基礎(chǔ)技術(shù)。 為了適應(yīng)這一發(fā)展需要， 設(shè)立此課程， 主要介紹工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中 常用的測量與控制電路。 著重講清如何在電子技術(shù)與測量控制之間架起一座橋梁， 使同學(xué)們 理解怎樣運(yùn)用電子技術(shù)來解決測量與控制中的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)測控的總體思想， 圍繞精、快、

2、靈 和測控任務(wù)的其他要求來選用和設(shè)計(jì)電路。第一章 緒 論第一節(jié) 測控電路的功用產(chǎn)品的質(zhì)量和效率是衡量一切生產(chǎn)過程優(yōu)劣的兩項(xiàng)主要指標(biāo)。 為了獲得高質(zhì)量和高效 率，測量和控制必不可少。為了獲得高質(zhì)量的產(chǎn)品，必須要求機(jī)器按照給定的規(guī)程運(yùn)行。例如，為了加工出所需 尺寸、 形狀的高精度零件， 機(jī)床的刀架和主軸必須精確地按所要求的軌跡作相對運(yùn)動(dòng)。 為了 煉做到這些， 必需對機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行精確檢測， 當(dāng)發(fā)現(xiàn)它偏離規(guī)定要求， 或有偏離規(guī)定 要求的傾向時(shí)，控制它，使它按規(guī)定的要求運(yùn)行。為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，除對生產(chǎn)過程的檢測和控制外，還必須對產(chǎn)品進(jìn)行檢測。這一方 面是為了把好產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)， 另一方面也是為了檢測機(jī)

3、器與生產(chǎn)過程的模型是否準(zhǔn)確， 是否在 按正確的模型對機(jī)器與生產(chǎn)過程進(jìn)行控制，進(jìn)一步完善對生產(chǎn)過程的控制。生產(chǎn)效率一方面與機(jī)器的運(yùn)行速度有關(guān)， 另一方面取決于機(jī)器或生產(chǎn)系統(tǒng)的自動(dòng)化程 度。為了使機(jī)器能在高速下可靠運(yùn)行，必需要求機(jī)器本身的質(zhì)量高，其控制系統(tǒng)性能優(yōu)異。 要做到這兩點(diǎn)，還是離不開測量與控制。產(chǎn)品的質(zhì)量離不開測量與控制， 生產(chǎn)自動(dòng)化同樣離不開測量與控制。 特別是當(dāng)今時(shí)代 的自動(dòng)化是以電子、 計(jì)算機(jī)為核心的柔性自動(dòng)化、 自適應(yīng)控制與智能化。 越是柔性的系統(tǒng)就 越需要檢測。 自適應(yīng)控制就是要使機(jī)器和系統(tǒng)自動(dòng)地適應(yīng)變化了的內(nèi)外部環(huán)境與條件， 按最 佳的方案運(yùn)行， 這里首先需要的是對外部環(huán)境條件

4、的檢測， 檢測是控制的基礎(chǔ)。 智能化是能 在復(fù)雜的、 變化的環(huán)境條件下自行決策的自動(dòng)化， 決策的基礎(chǔ)是對內(nèi)部因素和外部環(huán)境條件 的掌握，它同樣離不開檢測?，F(xiàn)代的生產(chǎn)與生活離不開測量與控制，高新技術(shù)、尖端技術(shù)更離不開測控。當(dāng)今的時(shí) 代是信息時(shí)代， 它以計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用為主要標(biāo)志。 而計(jì)算機(jī)的發(fā)展首先取決于大規(guī)模集成電 路制作的進(jìn)步。 在一塊芯片上能集成多少個(gè)元件取決于光刻工藝能制作出多精細(xì)的圖案， 而 這依賴于光刻的精確重復(fù)定位， 依賴于定位系統(tǒng)的精密測量與控制。 航天發(fā)射與飛行， 都需 要靠精密測量與控制保證它們軌道的準(zhǔn)確性。測控系統(tǒng)主要由傳感器、測量控制電路（簡稱測控電路）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)三部分組成

5、，如 圖 1-1 。傳感器是敏感元件，它的功用是探測被測參數(shù)的變化。但是，傳感器的輸出信號(hào)一 般很微弱，還可能伴隨著各種噪聲，需要用測控電路將它放大，剔除噪聲、選取有用信號(hào)，按照測量與控制功能的要求，進(jìn)行所需演算、處理與轉(zhuǎn)換，輸出能控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作的信號(hào)。 在整個(gè)測控系統(tǒng)中，電路是最靈活的部分，它具有便于放大、便于轉(zhuǎn)換、便于傳輸、便于適 應(yīng)各種使用要求的特點(diǎn)。測控電路在整個(gè)測控系統(tǒng)中起著十分關(guān)鍵的作用，測控系統(tǒng)、乃至整個(gè)機(jī)器和生產(chǎn)系統(tǒng)的性能在很大程度取決于測控電路。傳感器測量控制電路二執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖1-1測控系統(tǒng)的組成第二節(jié)對測控電路的主要要求對測控電路的主要要求可概括為精、快、靈，當(dāng)然也還有一些

6、其他要求，例如可靠性 與經(jīng)濟(jì)性。一、精度高對于測控電路首先要求它具有高精度，要求測量裝置能準(zhǔn)確地測量被測對象的狀態(tài)與參數(shù)，這是獲得高質(zhì)量產(chǎn)品的基礎(chǔ)， 也是精確控制的基礎(chǔ)，使被控對象能精確地按要求運(yùn)行。 為了實(shí)現(xiàn)高精度，測控電路應(yīng)具備下列性能：（一）低噪聲與高抗干擾能力在精密測量中，要精確測得被測參數(shù)的微小變化。由于傳感器輸出信號(hào)的變化往往是很微小的。為了保證高的測量精度，必須要求電路具有低噪聲與高抗干擾能力，這里包括選用低噪聲器件，合理安排電路，合理布線與接線，采取適當(dāng)?shù)母綦x與屏蔽等。對信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，合理安排電路的通頻帶，對抑制干擾有重要作用。對信號(hào)進(jìn)行調(diào)制就是給信號(hào)賦予一定特征，使它與非所需

7、的信號(hào)（可將它們視為干擾）相區(qū)別，再經(jīng)過合理合理安排電路的通頻帶等，只讓所需信號(hào)通過，從而抑制干擾。采用具有高共模抑制比的電路，對抑制干擾也有重要作用。因?yàn)榇蠖鄶?shù)干擾表現(xiàn)為共模干擾，它同時(shí)作用于差動(dòng)電路的兩個(gè)輸入端，采用高共模抑制比差動(dòng)電路能有效地抑制干擾。（二）低漂移、高穩(wěn)定性大多數(shù)電子元器件的特性，如放大器的失調(diào)電壓與失調(diào)電流、晶體管與二極管的漏電流，都會(huì)受溫度影響而在一定程度上發(fā)生變化。由于電路在工作中總有電流流過，不可避免地會(huì)產(chǎn)生熱量，從而使電路發(fā)生漂移。為了減少漂移，首先應(yīng)選擇溫漂小，即對溫度不敏感的元器件，其次應(yīng)盡量減少電路的、特別是關(guān)鍵部分的溫度變化。包括減少電路中的電流， 讓大

8、功率電路遠(yuǎn)離前級(jí)電路，安排好散熱等。電路工作穩(wěn)定是保證電路精度的首要條件。噪聲和干擾引起電路在短的時(shí)段內(nèi)工作不穩(wěn)定。漂移使電路在1天或若干小時(shí)的中等時(shí)段內(nèi)輸出發(fā)生變化。除此以外，還有電路長期工作穩(wěn)定性，元器件老化、開關(guān)與接插件的彈性疲勞和氧化引起接觸電阻變化等都是影響電 路長期穩(wěn)定性的主要原因。（三）線性與保真度好線性度是衡量一個(gè)儀器或系統(tǒng)精度的又一個(gè)重要指標(biāo)。從理論上講，一個(gè)系統(tǒng)輸入與輸出間具有非線性關(guān)系并不一定影響精度。但因?yàn)榫€性關(guān)系使用方便，如線性標(biāo)尺便于讀出，在換擋時(shí)不必重新定標(biāo)， 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換、細(xì)分、侍服跟蹤時(shí)不必考慮非線性因素，波形不失真等。保真度是視聽設(shè)備中借用的概念。為使波形不

9、失真除要求電路有良好的線性外，還要求在信號(hào)所占有的頻帶內(nèi)，有良好的頻率特性。（四）有合適的輸入與輸出阻抗從不影響前級(jí)的工作狀態(tài)出發(fā)，要求電路有高輸入阻抗。但輸入阻抗越高，輸入端噪聲也越大，因此合理的要求是使電路的輸入阻抗與前級(jí)的輸出阻抗相匹配。同樣若電路的輸出阻抗太大，在接入輸入阻抗較低的負(fù)載后，會(huì)使電路輸出下降。要求電路的輸出阻抗與后級(jí)的輸入阻抗相匹配。二、響應(yīng)快生產(chǎn)的節(jié)奏在不斷地加快，機(jī)器的運(yùn)轉(zhuǎn)速度在不斷地加快，響應(yīng)速度快就成為對測控電路性能的另一項(xiàng)重要要求。實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測量已成為測量技術(shù)發(fā)展的主要方向。測量電路沒有良好的頻率特性、高的響應(yīng)速度，就不能準(zhǔn)確地測出被測對象的運(yùn)動(dòng)狀況，無法對被測系

10、統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確控制。對一個(gè)存在高速變化因素的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，控制的滯后可能引起系統(tǒng)產(chǎn)生振蕩， 振蕩的幅度還可能越來越大，導(dǎo)致系統(tǒng)失去穩(wěn)定。 為了能夠測出快速變化參數(shù)，為了使一個(gè)高速運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定，要求測控電路有高的響應(yīng)速度和良好的頻率特性。三、轉(zhuǎn)換靈活為了適應(yīng)在各種情況下測量與控制的需要，要求測控電路有靈活地進(jìn)行各種轉(zhuǎn)換的能力。它包括：（一）模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換自然界客觀存在的物理量多為模擬量，傳感器的輸出信號(hào)也是模擬量居多。為了讀數(shù)方便和提高在信號(hào)傳輸中的抗干擾能力， 為了便于與計(jì)算機(jī)連接和便于長期保存等， 常常需要數(shù)字信號(hào)，這就需要模數(shù)轉(zhuǎn)換。而為了控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作，又常需要模擬信號(hào)，這時(shí)又需數(shù)模轉(zhuǎn)換。（二）

11、信號(hào)形式的轉(zhuǎn)換模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換是信號(hào)形式的轉(zhuǎn)換的一種。為了信號(hào)處理與傳輸上的需要，還常需要 進(jìn)行直流與交流、電壓與電流信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換。一個(gè)信號(hào)的大小，可以用它的幅值、相位、 頻率、脈寬等表示，為了信號(hào)處理、傳輸與控制上的需要，也常需要進(jìn)行幅值、相位、頻率 與脈寬信號(hào)等之間的轉(zhuǎn)換。（三）量程的變換一個(gè)測控系統(tǒng)需要測量和控制的量可以差百萬倍以上，為了適應(yīng)測量、控制不同大小量值的需要，而不一起飽和與顯著的失真，電路應(yīng)能根據(jù)信號(hào)的大小進(jìn)行量程的變換。（四）信號(hào)的選取一個(gè)實(shí)際的信號(hào)中不僅包括信號(hào)與噪聲，而且在信號(hào)中也包含具有不同特征的信號(hào)，例如不同頻率的信號(hào)。 這些不同特征的信號(hào)可能由不同的源泉產(chǎn)生， 也

12、可以有不同的物理含 義。在測量與控制中常要選取某一頻率或某一頻帶， 或某一瞬時(shí)的信號(hào)， 電路應(yīng)具有選取所 需信號(hào)的能力。（五）信號(hào)的處理與運(yùn)算在測量與控制中常需要對信號(hào)進(jìn)行處理與運(yùn)算，如求平均值、差值、峰值、絕對值、求導(dǎo)數(shù)、積分等。也包括對非線性環(huán)節(jié)進(jìn)行線性處理與誤差補(bǔ)償，進(jìn)行復(fù)雜函數(shù)運(yùn)算、邏輯判斷等。四、可靠性與經(jīng)濟(jì)性隨著科技與生產(chǎn)的發(fā)展，測控系統(tǒng)應(yīng)用越來越廣、規(guī)模越來越大，這對可靠性提出了 越來越高的要求。對測控電路的另一個(gè)要求是它的經(jīng)濟(jì)性。一個(gè)成本高昂的電路難以獲得廣泛的應(yīng)用。要在滿足性能要求的基礎(chǔ)上， 盡可能地簡化電路。要合理設(shè)計(jì)電路，能在不對器件提出過分 要求的情況下獲得較好的性能。

13、第三節(jié)測控電路的輸入信號(hào)與輸出信號(hào)一、模擬式信號(hào)1非調(diào)制信號(hào)2、經(jīng)調(diào)制信號(hào)：調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相二、數(shù)字式信號(hào)1增量碼信號(hào)2、絕對碼信號(hào)3、開關(guān)信號(hào)第四節(jié)測控電路的類型與組成測控電路的組成隨被測參數(shù)、信號(hào)類型與控制系統(tǒng)的功能要求的不同而異。按其基本 組成可分為下列類型：一、測量電路的基本組成（一）模擬式測量電路的基本組成圖1-2 模擬式測量電路的基本組成、數(shù)字式測量電路的基本組成圖1-3增量碼數(shù)字式測量電路的基本組成:、控制電路的基本組成(一) 開環(huán)控制圖1-4開環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成(二) 閉環(huán)控制第五節(jié)測控電路的發(fā)展趨勢(1) 優(yōu)質(zhì)化(2) 集成化(3) 數(shù)字化(4) 通用化、模塊化(5) 測控

14、一體化(6 )自動(dòng)化與智能化第二章信號(hào)放大電路信號(hào)放大電路是為了將微弱的傳感器信號(hào)，放大到足以進(jìn)行各種轉(zhuǎn)換處理，或推動(dòng)指 示器、記錄器以及各種控制機(jī)構(gòu)。 由于傳感器輸出的信號(hào)形式和信號(hào)大小各不相同，傳感器所處的環(huán)境條件、噪聲對傳感器的影響也不一樣，因此所采用的放大電路的形式和性能指標(biāo)也不同。隨著集成技術(shù)的發(fā)展，集成運(yùn)算放大器的性能不斷完善，價(jià)格不斷降低，完全采用分 立元件的信號(hào)放大電路已基本被淘汰，主要是用集成運(yùn)算放大器組成的各種形式的放大電 路，或?qū)ｉT設(shè)計(jì)制成具有某些性能的單片集成放大器。但在功率放大電路中，晶體管仍有相當(dāng)應(yīng)用。第一節(jié)測量放大電路測量放大電路：在測量控制系統(tǒng)中，用來放大傳感器

15、輸出的微弱電壓、電流或電荷信號(hào)的放大電路稱為測量放大電路，也稱儀用放大電路。測量放大電路的頻帶寬度是由被測參數(shù)的頻率范圍及其載波信號(hào)頻率決定的。被測信 號(hào)的頻率范圍越寬，測量放大電路的頻帶也應(yīng)越寬，才能使不同的頻率信號(hào)具有同樣的靈敏度，使輸出不失真。一、基本要求與類型對測量放大電路的基本要求是：測量放大電路的輸入阻抗應(yīng)與傳感器的輸出阻抗相匹配； 穩(wěn)定的放大倍數(shù)； 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（無畸變的放大瞬態(tài)信號(hào)）： 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。按測量放大電路的結(jié)構(gòu)原理可分為差動(dòng)直接耦合式、調(diào)制

16、式和自動(dòng)穩(wěn)定式三種。按元件的制造方式可分為分立元件結(jié)構(gòu)形式、通用集成運(yùn)算放大器組成形式和單片集成測量放大器。二、穩(wěn)零放大電路通常，傳感器輸出的信號(hào)電壓是在零至數(shù)毫伏范圍內(nèi)變化。因此，減少測量放大電路 的電壓漂移，實(shí)現(xiàn)低漂移信號(hào)放大是至關(guān)重要的。為了減少集成運(yùn)算放大器的失調(diào)和低頻干擾引起的零點(diǎn)漂移，可采用由通用集成運(yùn)算 放大器組成的斬波穩(wěn)零放大電路或自動(dòng)調(diào)零放大電路，也可采用低漂移單片集成運(yùn)算放大 器。（一）斬波穩(wěn)零放大電路斬波穩(wěn)零放大電路又稱為調(diào)制式放大電路。它是利用同步調(diào)制一解調(diào)，并用隔直電容隔離失調(diào)和干擾電壓來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)零的。其原理框圖如圖2-1所示。UiUo圖2-1斬波穩(wěn)零放大電路原理框

17、圖輸入直流或緩慢變化的信號(hào)Ui經(jīng)調(diào)制器（斬波器）調(diào)制成較高的交流調(diào)幅信號(hào)，調(diào)制頻率由方波發(fā)生器決定。調(diào)幅信號(hào)經(jīng)交流放大器放大，最后由解調(diào)器解調(diào)輸出放大了的輸入 信號(hào)。由于信號(hào)在調(diào)制后與解調(diào)前均有隔直電容，因此隔離了失調(diào)和低頻干擾電壓。為了使斬波穩(wěn)零放大電路既能對微弱的直流或緩慢變換的信號(hào)進(jìn)行低漂移和高精度的放大，又能在較高的頻率范圍內(nèi)工作，可采用圖2-2所示的典型斬波穩(wěn)零放大電路。（二）自動(dòng)調(diào)零放大電路自動(dòng)調(diào)零放大電路又稱為動(dòng)態(tài)校零放大電路，其原理如圖2-3a所示。自動(dòng)調(diào)零放大電路的性能優(yōu)于斬波穩(wěn)零放大電路，輸出電壓較穩(wěn)定，波動(dòng)也小。與普通放大電路相比，其失調(diào)和低頻干擾降低了三個(gè)數(shù)量級(jí)。這種電

18、路實(shí)際上用一塊四運(yùn)放 （如LF347，LM324 ， 5G14573 等）和一塊 4 位模擬開關(guān)（如 CD4066，5G811 等）即可組成， 電路成本低。（三）低漂移集成運(yùn)算放大器1、輪換自動(dòng)校零集成運(yùn)算放大器 輪換自動(dòng)校零集成運(yùn)算放大器簡稱 CAZ 運(yùn)算放大器，它是一種新穎的運(yùn)算放大器組合 器件，如圖 2-4 所示。它通過模擬開關(guān)的切換，使內(nèi)部兩個(gè)性能一致的運(yùn)算放大器N1、 N2交替地工作在信號(hào)放大和自動(dòng)校零兩種不同的狀態(tài)。由于集成電路中兩個(gè)放大器輪換工作， 因此始終保持有一個(gè)運(yùn)算放大器對輸入信號(hào)進(jìn) 行放大并輸出，輸出穩(wěn)定，性能優(yōu)于由通用集成運(yùn)算放大器組成的低漂移放大電路。2、斬波穩(wěn)零集成

19、運(yùn)算放大器斬波穩(wěn)零集成運(yùn)算放大器 （國產(chǎn) CF7650、5G7650、美國Intersil公司ICL7650、ICL7600 等）是一種 CMOS 差動(dòng)式低漂移集成運(yùn)算放大器。三、高輸入阻抗放大電路有些傳感器（如電容式、壓電式）的輸出阻抗很高，可達(dá)108 Q以上，這就要求其測量放大電路具有很高的輸入阻抗。 開環(huán)集成運(yùn)算放大器的輸入阻抗通常都很高， 但對反相運(yùn) 算放大器等，其輸入阻抗遠(yuǎn)低于同相運(yùn)算放大器。 為了提高反相（或差動(dòng)） 運(yùn)算放大器的輸 入阻抗， 可在輸入端加接電壓跟隨器， 但這樣會(huì)引入跟隨器的共模誤差。 在要求較高的場合 下，可采用高輸入阻抗集成運(yùn)算放大器或采用由通用集成運(yùn)算放大器組成

20、的自舉電路。（一）高輸入阻抗的集成運(yùn)算放大器（二）自舉式高輸入阻抗放大電路應(yīng)當(dāng)指出的是，測量放大電路的輸入阻抗月高，輸入端的噪聲也越大。因此，不是所 有情況下都要求放大電路具有高的輸入阻抗， 而是與傳感器的輸出阻抗相匹配， 使測量放大 電路的輸出信噪比達(dá)到最大值。四、高共模抑制比放大電路來自傳感器的信號(hào)通常都伴隨著很大的共模電壓（包括干擾電壓）。一般采用差動(dòng)輸入集成運(yùn)算放大器來抑制它， 但是必須要求外接電阻完全平衡對稱、 運(yùn)算放大器具有理想特 性。否則， 運(yùn)算放大器將有共模誤差輸出，其大小既與外接電阻對稱精度有關(guān)，又與運(yùn)算放 大器本身的共模抑制能力有關(guān)。一般運(yùn)算放大器共模抑制比可達(dá)80dB,而

21、采用由幾個(gè)運(yùn)算放大器組成的測量放大電路，共模抑制比可達(dá)100120 dB。（一）雙運(yùn)放高共模抑制比放大電路1 、 反相串聯(lián)結(jié)構(gòu)型2、 同相串聯(lián)結(jié)構(gòu)型（二）三運(yùn)放高共模抑制比放大電路（三）有源屏蔽驅(qū)動(dòng)電路（四）浮動(dòng)電源共模自舉式放大電路五、電橋放大電路電參量式傳感器，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(hào)， 并用運(yùn)算放大器作進(jìn)一步放大。因此，由傳感器電橋和運(yùn)算放大器組成的放大電路或由傳感器和運(yùn)算放大器構(gòu)成的電橋都稱為電橋放大電路。電橋放大電路有單端輸入和差動(dòng)輸入兩類。（一）單端輸入電橋放大電路（二）差動(dòng)輸入電橋放大電路（三）線性電橋放大電路六、電荷放大電路電

22、荷放大電路是一種輸出電壓與輸入電荷成比例關(guān)系的測量放大電路。例如，壓電式傳感器或電容式傳感器可將某些被測量（如力、壓力等）轉(zhuǎn)換成電荷信號(hào)輸出，再通過電荷放大電路輸出放大了的電壓信號(hào)。因此，電荷放大電路亦稱為電荷一電壓轉(zhuǎn)換電路。（一）基本原理（二）電荷放大電路的特性1、開環(huán)電壓增益的影響2、頻率特性3、噪聲及漂移（三）電荷放大電路實(shí)例七、單片集成測量放大器近年來，利用線性集成電路先進(jìn)工藝而設(shè)計(jì)制成的單片集成測量放大器，如AD521、AD522、LH0038、LM363和INA101等獲得了很大的進(jìn)展。它們使用方便，體積小，無需 為組裝而精確挑選性能匹配良好的幾個(gè)集成運(yùn)算放大器，綜合性能指標(biāo)好。第

23、三章信號(hào)調(diào)制解調(diào)電路第一節(jié) 調(diào)制解調(diào)電路的功用和類型調(diào)制：用一個(gè)信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）去控制另一個(gè)作為載體的信號(hào)（載波信號(hào)），讓后者的某一參數(shù)（幅值、頻率、相位、脈沖寬度等）按前者的值變化。調(diào)制的功用：為了抑制干擾，區(qū)別信號(hào)和噪聲，往往給測量信號(hào)賦予一定特征。解調(diào)的功用：從已經(jīng)調(diào)制的信號(hào)中提取反映被測量值的測量信號(hào)。正弦信號(hào)作為載波的調(diào)制類型：調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相脈沖信號(hào)作為載波的調(diào)制類型：脈幅調(diào)制、脈時(shí)調(diào)制（脈寬調(diào)制、脈位調(diào)制）第二節(jié)調(diào)幅式測量電路一、調(diào)幅原理與方法（一）調(diào)幅信號(hào)的一般表達(dá)式調(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

24、。調(diào)幅信號(hào) us的一般表達(dá)式可寫為：us = (U m mx)cos ct(3-1)式中-'c載波信號(hào)的角頻率;Um調(diào)幅信號(hào)中載波信號(hào)的幅值；m調(diào)制度。調(diào)制信號(hào)x可以按任意規(guī)律變化，設(shè) x=Xmcost，則調(diào)幅信號(hào)可寫為：us =Umcos ct mXm cos4cos ctmXmmXm=U m cos ct_COS（ c n）t_COS（ c_H）t2 2它包含三個(gè)不同頻率的信號(hào)：角頻率為.c的載波信號(hào) Umcos ct和角頻率分別為-1的上下邊頻信號(hào)。載波信號(hào)不含調(diào)制信號(hào)，即不含被測量x的信息，因此可以取Um=0,即只保留兩個(gè)邊頻信號(hào)。這種調(diào)制稱為雙邊帶調(diào)制，對于雙邊帶調(diào)制UsmX

25、m2mXm2cos(，c -1)t = mXm cos1tcos ct = U Xm cos】tcos ct雙邊帶調(diào)制的調(diào)幅信號(hào)波形見圖3-1。雙邊帶調(diào)制可以用調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào)相乘來實(shí)現(xiàn)。為了正確進(jìn)行信號(hào)調(diào)制必須要求 1>>門，通常至少要求 c> 10門。在這種情況下,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，檢出調(diào)制信號(hào)。（二）傳感器調(diào)制為了提高測量信號(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。1、通過交流供電實(shí)現(xiàn)調(diào)制2、用機(jī)械或光學(xué)的方法實(shí)現(xiàn)調(diào)制（三）電路調(diào)制1、乘法器調(diào)制如果傳感器輸出為非調(diào)制信號(hào)，也可以用電路對信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。用

26、乘法器將與測量信號(hào)x成正比的調(diào)制信號(hào) Ux與載波信號(hào) Uc =u m cos ct相乘，就可以實(shí)現(xiàn)雙邊帶調(diào)幅。MC1496乘法 器。2、開關(guān)電路調(diào)制3、信號(hào)相加調(diào)制信號(hào)相加調(diào)制是就其電路形式而言，在這種電路中調(diào)制信號(hào) ux = U Xm cos11與載波信號(hào)Uc二U cm cos ct相加減后去控制開關(guān)器件，選取Uc >>UX，實(shí)際起控制作用的是載波信 號(hào)Uc。二、包絡(luò)檢波電路從已調(diào)信號(hào)中檢出調(diào)制信號(hào)的過程稱為解調(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。（一）二極

27、管與三極管包絡(luò)檢波1、基本電路2、峰值檢波與平均值檢波（二）精密檢波電路1、半波精密檢波電路2、全波精密檢波電路三、相敏檢波電路（一）相敏檢波的功用和原理（二）常用相敏檢波電路1、乘法器式相敏檢波電路2、開關(guān)式相敏檢波電路3、相加式相敏檢波電路4、精密整流型相敏檢波電路5、脈沖箝位式相敏檢波電路（四）相敏檢波電路的選頻與鑒相特性第三節(jié)調(diào)頻式測量電路一、調(diào)頻原理與方法（一）調(diào)頻信號(hào)的一般表達(dá)形式調(diào)頻就是用調(diào)制信號(hào) X去控制高頻載波信號(hào)的頻率。常用的是線性調(diào)頻，即讓調(diào)頻信號(hào)的頻率按調(diào)制信號(hào) X的線性函數(shù)變化。調(diào)頻信號(hào) us的一般表達(dá)式可寫為us =Um cos（ c mx）t式中'c 載波

28、信號(hào)的角頻率；Um調(diào)幅信號(hào)中載波信號(hào)的幅值；m 調(diào)制度。（二）傳感器調(diào)制與調(diào)幅的情況一樣，為了提高測量信號(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（三）電路調(diào)制信號(hào)的調(diào)頻也可以用電路來實(shí)現(xiàn)。只要能用調(diào)制信號(hào)去控制產(chǎn)生載波信號(hào)的振蕩器頻 率，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。載波信號(hào)可以用LC、RC或多諧振蕩器產(chǎn)生，只要讓決定其頻率的某個(gè)參數(shù)，如電感 L、電阻R或電容C隨調(diào)制信號(hào)變化，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。二、鑒頻電路對調(diào)頻信號(hào)實(shí)現(xiàn)解調(diào)，從調(diào)頻信號(hào)中檢出反映被測量變化的調(diào)制信號(hào)稱為頻率解調(diào)或 鑒頻。（一）微分鑒頻1、工作原理調(diào)頻信號(hào)us的數(shù)學(xué)表達(dá)式us二Umcos（，c mx）t，將

29、此式對t求導(dǎo)數(shù)得到dUs - -Um（ c mx）sin（ c mx）tdt這是一個(gè)調(diào)頻調(diào)幅信號(hào)。利用包絡(luò)檢波檢出它的幅值變化，就可以得到含有調(diào)制信號(hào)的信息UmC c mx）。通過定零，即測定 x=0時(shí)的輸出，可以求出 Um 'c。通過靈敏度標(biāo) 定，即測定x改變時(shí)輸出的變化，可以求出U mm，從而獲得調(diào)制信號(hào) x。2、微分鑒頻電路微分鑒頻電路的原理見圖。電容G與晶體管V的發(fā)射結(jié)正向電阻r組成微分電路。二極管VD 方面為晶體管 V提供直流偏壓，另一方面為電容G提供放電回路。電容 C2為濾除高頻載波信號(hào)用。3、窄脈沖鑒頻（二）斜率鑒頻將一個(gè)調(diào)頻信號(hào)送到一個(gè)具有變化的幅頻特性的網(wǎng)絡(luò)，就可以得到調(diào)頻調(diào)幅信號(hào)輸出， 然后