現(xiàn)代測試技術ppt

現(xiàn)代測試技術Moderntestingandmeasurementtechnology

蘇州科技學院電子與信息工程學院電子科學技術系潘敬熙Jingxi-pan@163.com53832713@

第2章測試信號轉換處理電路

本章學習要求：理解信號放大、信號濾波、信號運算、信號調制解調以及電橋等各種測試信號轉換處理電路的基本原理，掌握其參數(shù)設計方法。2.1概述2.1.1對測試信號進行轉換處理的目的：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，需要進一步放大，有的還要進行阻抗變換。

2.有些傳感器輸出的是電參量，需要轉換成電信號才能進行處理。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，為便于信號的遠距離傳輸?shù)仍?，需要對傳感器測量信號進行調制解調處理。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。傳感器輸出結構形式有：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計放大電路。

二、對測量放大電路的基本要求：①輸入阻抗應與傳感器輸出阻抗相匹配；②一定的放大倍數(shù)和穩(wěn)定的增益；③低噪聲；④低的輸入失調電壓和輸入失調電流以及低的漂移；⑤足夠的帶寬和轉換速率；⑥高共模輸入范圍和高共模抑制比⑦可調的閉環(huán)增益；⑧線性好、精度高；⑨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輸入失調電壓VI0輸入失調電流II0共模抑制比KCMR=差模增益AVD/共模增益AVC

四、應用集成運放應注意的事項

(1)調零消除失調誤差“調零”技術是使用運放時必須掌握的。調零的原理是，在運放的輸入端外加一個補償電壓，以抵消運放本身的失調電壓，達到調零的目的。有些運放已經引出調零端，只需要按照器件的規(guī)定，接入調零電路進行調零即可。

(2)相位補償消除高頻自激

由于運算放大器是一個高增益的多級放大器組件，應用時一般接成閉環(huán)負反饋電路。當工作頻率升高時，放大器會產生附加相移，可能使負反饋變成正反饋而引起自激。進行相位補償可以消除高頻自激。相位補償?shù)脑硎?，在具有高放大倍?shù)的中間級，利用一小電容C（幾十～幾百微微法）構成電壓并聯(lián)負反饋電路。有些運放已經在內部進行了補償，如μA741。有些運放引出了補償端，只需要按照器件手冊的規(guī)定，外接補償電路即可，如國產5G24運算放大器。

(3)過載保護使用運放時要注意，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107Ω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的取值應遠大于信號源Ui的內阻。交流反相放大電路Af=–R2/R1R3=R2

C1：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為上式表明，電阻的誤差越小，差動增益越大共模抑制比越高。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

＝2

ri+，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)學人體測量、自動化試驗設備、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

組成及符號－＋輸入放大器R1R1R2RisoCisoR2uo隔離器輸出放大器－＋uducuiso原理框圖a)變壓器耦合浮置電源輸入調制放大器耦合變壓器輸出解調放大器輸出輸入－＋b)光電耦合浮置電源光耦合器輸入放大器－＋輸出放大器輸出輸入LEDV常見的幾種光電耦合器的內部電路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成的電橋都稱為電橋放大電路。應用于何種場合？應用于電參量式傳感器，如電感式、電阻應變式、電容式傳感器等，經常通過電橋轉換電路輸出電壓或電流信號，并用運算放大器作進一步放大，或由傳感器和運算放大器直接構成電橋放大電路，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(應變片)、電感L、電容C等電參數(shù)變?yōu)殡妷害或電流ΔI信號后輸出。

根據橋臂阻抗性質的不同為:電阻電橋電容電橋電感電橋根據供橋電源分為:

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VR1R2R3R4平衡條件R1·R3=R2·R4

直流電橋電橋的輸出：平衡的條件：VR1R2R3R4溫敏電阻直流電橋當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：直流電橋R1＋ΔR

U0＋ΔUΔUR1VR2R3R4R1·R3=R2·R4

平衡的條件：電橋的輸出：這時，電橋平衡嗎？＋ΔR為了簡化設計，R2=R3=R4=R0

，而

R1=R0+ΔR直流電橋R0＋ΔR

U0＋ΔUΔU電橋的靈敏度定義為單片單臂半橋R1R3R2R4

雙臂半橋R1R3R2R4

全橋R1R3R2R4

半橋、單臂輸出全橋、四臂輸出半橋、雙臂輸出四片兩片單臂半橋R1R3R2R4

雙臂半橋R1R3R2R4

全橋R1R3R2R4

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R1→

R1±ΔR1，R2→R2ΔR2

，由于，R1=R2=R3=R4=R0，ΔR取相同值，可得R3→

R3±ΔR3，R4→R2ΔR4時電橋的靈敏度定義為全橋、四臂平衡條件簡要推導電橋常用調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φ1、φ2、φ3、φ4為阻抗角，是各橋臂電流與電壓之間的相位差。Z1Z3ej(φ1+φ3)=Z2Z4ej(φ2+φ4)

(*)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視為電容介質損耗的等效電阻根據平衡條件

電橋平衡條件：電容電橋平衡條件簡要推導電感電橋根據平衡條件

電橋平衡條件：電感電橋平衡條件簡要推導（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68c）輸入電阻自舉擴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

1、特征頻率：①通帶截頻fp=ωp/(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。②阻帶截頻fr=ωr/(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。③轉折頻率fc=ωc/(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。④固有頻率f0=ω0/(2)

為電路沒有損耗時，濾波器的諧振頻率，復雜電路往往有多個固有頻率。

c)a)b)OA()OA()OA()d)OA()

2、增益與衰耗濾波器在通帶內的增益并非常數(shù)。①對低通濾波器通帶增益Kp

一般指ω=0時的增益；高通指ω→∞時的增益；帶通則指中心頻率處的增益。②對帶阻濾波器，應給出阻帶衰耗，衰耗定義為增益的倒數(shù)。③通帶增益變化量△Kp

指通帶內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)與品質因數(shù)

阻尼系數(shù)是表征濾波器對角頻率為ω0信號的阻尼作用，是濾波器中表示能量衰耗的一項指標。阻尼系數(shù)的倒數(shù)稱為品質因數(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，Q=ω0/△ω。式中的△ω為帶通或帶阻濾波器的3dB帶寬，ω0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，標志著電路容錯能力越強，穩(wěn)定性也越高。5、群時延函數(shù)當濾波器幅頻特性滿足設計要求時，為保證輸出信號失真度不超過允許范圍，對其相頻特性∮(ω)也應提出一定要求。在濾波器設計中，常用群時延函數(shù)d∮(ω)/dω評價信號經濾波后相位失真程度。群時延函數(shù)d∮(ω)/dω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。經分析，任意個互相隔離的線性網絡級聯(lián)后，總的傳遞函數(shù)等于各網絡傳遞函數(shù)的乘積。這樣，任何復雜的濾波網絡，可由若干簡單的一階與二階濾波電路級聯(lián)構成。

（二）模擬濾波器的頻率特性模擬濾波器的傳遞函數(shù)H(s)表達了濾波器的輸入與輸出間的傳遞關系。若濾波器的輸入信號Ui是角頻率為ω的單位信號，濾波器的輸出Uo(jω)=H(jω)表達了在單位信號輸入情況下的輸出信號隨頻率變化的關系，稱為濾波器的頻率特性函數(shù)，簡稱頻率特性。頻率特性H(jω)是一個復函數(shù)，其幅值A(ω)稱為幅頻特性，其幅角∮(ω)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/ω0。其幅頻特性與相頻特性為

20lgA/dB-101-40-20020α=2.5α=1.67α=1.25α=0.8α=0.5α=0.33α=0.2α=0.1lg(ω/ω0)-60a)幅頻特性α=0.2α=0.1-101-180o-90oα=2.5α=1.67α=1.25α=0.8α=0.5α=0.33lg(ω/ω0)/(°)0°b)相頻特性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

b)lg(ω/ω0)α=2.5-1010°90°180°α=1.67α=1.25α=0.8α=0.5α=0.33α=0.2α=0.1/(°)20lgA/dB)lg(ω/ω0)-20020α=0.1α=0.2α=0.33α=0.5α=0.8α=1.25α=1.67α=2.5-101-40a)幅頻特性b)相頻特性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

b)相頻特性-10190oQ=100Q=40Q=20Q=10Q=5Q=2.5Q=1Q=0.5lg(ω/ω0)0o-90o/(°)20lgA/dBa)幅頻特性lg(ω/ω0)-101-60-40-20Q=0.5Q=1Q=2.5Q=5Q=10Q=20Q=40Q=10004、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

01-20Q=5Q=2.5Q=1Q=0.1Q=0.2Q=0.5lg(ω/ω0)-40-6020lgA/dB0-1

-101-90o0o90oQ=5Q=2.5Q=1Q=0.5Q=0.2Q=0.1lg(ω/ω0)/(°)a)幅頻特性b)相頻特性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(ω)在通帶內為一常數(shù)，在阻帶內為零，沒有過渡帶，還要求群延時函數(shù)在通帶內為一常量，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最為平坦，并且單調變化。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0.51.0ω/ω0n=2n=4n=5120A1-180°0ω/ω0n=5n=4n=2-360°2/(°)（二）切比雪夫逼近這種逼近方法的基本原則是允許通帶內有一定的波動量△Kp。其幅頻特性為（三）貝賽爾逼近這種逼近與前兩種不同，它主要側重于相頻特性，其基本原則是使通帶內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，對應的阻尼系數(shù)分別等于、小于和大于21A0/c1.00.5123410/c-360-180122341.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“最佳逼近特性”標準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，在不允許通帶內有紋波的情況下，巴特沃斯型更可取；從相頻響應來看，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，即為一線性關系。但是由于它的幅頻特性欠佳，而往往限制了它的應用。

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，根據所要求的傳遞函數(shù)，引入適當?shù)姆答仒嫵蔀V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，經過適當改進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調節(jié)w0，用R2調節(jié)Q，用R0調節(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∞-++N1∞-++N2∞-++N3uo(t)ui(t)R01R1R2C1R3R4R5R02R03C2

3、低通、高通、帶通、帶阻與全通濾波電路∞-++N1∞-++N3∞-++N2∞-++N4ui(t)uh(t)ub(t)ul(t)ux(t)R01R02R04R03R1R2R05R06R07R0C2C1四、有源濾波器設計有源濾波器的設計主要包括以下四個過程：確定傳遞函數(shù)選擇電路結構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⑴在給定的fc下，參考下表選擇電容C1;⑵根據C1的實際值，按下式計算電阻換標系數(shù)K;K=100/fcC1

⑶由表確定C2及歸一化電阻值ri，再換算出Ri。f/Hz<100100~1000(1~10)k(10~100)k>100kC1/uF10~0.10.1~0.010.01~0.001(1000~100)×10-6(100~10)×10-6126103.1112.5651.6971.6254.0723.2924.9774.7233.1115.13010.18016.252

50.033開關電容濾波原理Tc21c)一、壓控跟蹤濾波器

利用測量電路提取被測信號中心頻率，進行f/V轉換，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。

場效應晶體管可構成一個等效可變電阻，隨控制電壓uc而變化。

改變R2可以改變中心頻率w0，而帶寬保持不變。壓控跟蹤濾波器變頻跟蹤濾波器被測信號源乘法器乘法器90O移相器乘法器加法器90O移相器乘法器晶體濾波器中心頻率0低通濾波器1/N分頻器e0e1e1e2e3e4e2e6e5e7e7e8e9e10e11帶通濾波器中心頻率0晶體振蕩器Nf0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內部開關電容網絡RCRclkCclk(外部緩沖放大器)uo1(t)uo2(t)14632587-5v+5v(33pF)內部時鐘電路ui(t)2、單片集成通用有源濾波器MAX263/264++∫++∫∞-++

分頻比編碼控制電路品質因數(shù)編碼控制電路工作模式編碼控制電路S2S3S11S2S3qrrrr+?INGNDM0M1Q0~Q6CLKAOSCOUTLPBPN/HAF0~F4求和節(jié)點同相積分器S1N1N2同相積分器?N/HAAMAX263/26415141Q028Q1F1VˉGNDQ2Q3OSCOUT

F2F0Q4Q6Q5N/HABBPBLPBF3F4V+M0M1BPALPAINBINACLKBCLKA2.4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。理想運放的條件虛短路放大倍數(shù)與負載無關。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行。虛開路運放工作在線性區(qū)的特點在分析信號運算電路時對運放的處理Exit2.4.1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，可消除負號，實現(xiàn)完全符合常規(guī)的算術加法。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結的指數(shù)特性實現(xiàn)對數(shù)運算①因為UT和IS都是溫度的函數(shù)，所以運算精度受溫度影響；②在小信號時誤差較大，因為這時和1相差不是很多；③二極管具有內阻，當電流較大時，壓降也較大，其伏安特性于對數(shù)關系有較大的偏差；④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能達到滿意的精度，該范圍只能達到一個至兩個數(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)電路的輸入范圍遠遠超過二極管型對數(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。當然，只有在運算放大器的輸入失調電流很小的情況下，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是作相位補償用的。R3可選合適的正溫度系數(shù)（0.3﹪/K）熱敏電阻以補償UT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，在實際應用時，應該優(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160dB，精度可達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、定時以及產生各種波形。反相積分電路當Ui為常數(shù)時：適合做三角波或鋸齒波發(fā)生器。

實際情況：運算放大器的輸入偏置電流Ib和輸入失調電壓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。當輸入Ui=0時：具有補償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R上的補償電流為：這一電流提供了偏差電流，于是誤差電流被補償了。

預設、保持積分電路

可以實現(xiàn)設置初始積分輸出電壓以及控制停止積分（保持）。設置初始狀態(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S2一般由場效應管構成。

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）補償積分器復原和比較器滯后帶來的誤差UoUiOOttUib)R2R1R2R1Ui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制？

在測試系統(tǒng)中，進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。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，這就是調制的主要功用。

調制解調的功用與類型2.5信號調制解調電路2、什么是信號調制？

調制就是用一個信號（稱為調制信號）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？在將測量信號調制，并將它和噪聲分離，放大等處理后，還要從已經調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。4、在測試系統(tǒng)中常用的調制方法有哪幾種？

在信號調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)進行調制，分別稱為調幅、調頻和調相。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)作調制，最常用的是對脈沖的寬度進行調制，稱為脈沖調寬。5、什么是調制信號、載波信號、已調信號？調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、相位的信號稱為調制信號。在測試系統(tǒng)中，通常就用測量信號作調制信號。經過調制的載波信號叫已調信號。（一）概念和定義

1、什么是調幅？調幅信號（即調幅式測量電路中的已調信號）和調制信號、載波信號的數(shù)學關系怎樣表達？波形又是怎樣？

調幅就是用調制信號去控制高頻載波信號的幅值。常用的是線性調幅，即讓調幅信號的幅值按調制信號的線性函數(shù)變化。

2.5.2調幅式測量電路

一、調幅原理與方法載波信號為正弦波vc調幅信號（即已調波）v設調制信號為余弦波vΩvΩ=VocosΩt==Vocos2πft（12-2）tvΩOtOucusa)調制信號b)載波信號Otc)雙邊帶調幅信號

2、什么是雙邊帶調幅？

設調制信號是角頻率為Ω的余弦信號vΩ=VocosΩt

對式（12-2）進行數(shù)學處理可得：

v=Vcmcosωct+[VcmmAcos(ωc+Ω)t+VcmmAcos(ωc-Ω)t]/2

它包含三個不同頻率的信號:角頻率為ωc的載波信號和角頻率分別為ωc±Ω的上下邊頻信號。

載波信號中不含調制信號vΩ=VocosΩt的信息，因此可以取其為0，只保留兩個邊頻信號。這種調制稱為雙邊帶調制。其數(shù)學表達式為：

v=VcmmAcosΩt

cosωct

為了正確進行信號調制必須要求ωc>>Ω，通常至少要求ωc>10Ω。

3、在測試系統(tǒng)中被測信號的變化頻率為0~100Hz，應怎樣選取載波信號的頻率？應怎樣選取調幅信號放大器的通頻帶？信號解調后，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ωc>1000Hz。調幅信號放大器的通頻帶應為900~1100Hz。信號解調后，濾波器的通頻帶應>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。幅度調制與解調過程（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)幅度調制與解調過程（頻譜分析）乘法器放大器x(t)z(t)