第五章 檢測電路設(shè)計及信號調(diào)理(附一)

第五章檢測電路設(shè)計

5.1信號調(diào)理電路

5.2信號變換技術(shù)

5.3噪聲及干擾抑制技術(shù)

12/14/20231<<test&measurementtechnolgy>>5.1信號調(diào)理電路

5.1.1放大電路1、幾個基本概念等效電路共模電壓、差模電壓（常模電壓）差模放大倍數(shù)、共模放大倍數(shù)共模抑制比12/14/20232<<test&measurementtechnolgy>>5.1.1放大電路（續(xù)）2、集成運算放大器3、比例放大電路12/14/20233<<test&measurementtechnolgy>>5.1.1放大電路（續(xù)）12/14/20234<<test&measurementtechnolgy>>5.1.1放大電路（續(xù)）4、儀用放大電路12/14/20235<<test&measurementtechnolgy>>5.1.2濾波電路1、基本概念通帶增益A0諧振頻率f0、截至頻率fp

頻帶寬度BW品質(zhì)因素Q、阻尼系數(shù)ξ12/14/20236<<test&measurementtechnolgy>>5.1.2濾波電路

（續(xù)）2、無源濾波器和有源濾波器12/14/20237<<test&measurementtechnolgy>>5.1.2濾波電路

（續(xù)）3、二階RC有源低通濾波器12/14/20238<<test&measurementtechnolgy>>5.1.2濾波電路

（續(xù)）3、二階RC有源低通濾波器12/14/20239<<test&measurementtechnolgy>>5.1.2濾波電路

（續(xù)）4、其它有源濾波器的設(shè)計12/14/202310<<test&measurementtechnolgy>>5.1.3調(diào)制與解調(diào)電路1、調(diào)制信號12/14/202311<<test&measurementtechnolgy>>5.1.3調(diào)制與解調(diào)電路（續(xù)）2、解調(diào)電路12/14/202312<<test&measurementtechnolgy>>5.2信號變換技術(shù)

5.2.1測量電橋1、基本概念特點：靈敏度高線性好測量范圍寬容易實現(xiàn)溫度補償分類：直流電橋

交流電橋電阻應(yīng)變式測力稱重傳感器電感式、差動變壓器式、電容式傳感器12/14/202313<<test&measurementtechnolgy>>5.2.1測量電橋（續(xù)）(1)(2)(3)(4)(5)12/14/202314<<test&measurementtechnolgy>>5.2.1測量電橋（續(xù)）2、電橋放大器電源浮置的電橋放大器差分輸入式電橋放大器12/14/202315<<test&measurementtechnolgy>>5.2.2電壓－電流轉(zhuǎn)換為了減少長線傳輸過程中線路電阻和負載電阻的影響，可以將直流電壓變換成直流電流后進行傳輸。信號制式：被測量電壓→4～20mA。12/14/202316<<test&measurementtechnolgy>>5.2.3電壓－頻率轉(zhuǎn)換

電壓－頻率轉(zhuǎn)換將模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換成與之成正比的振蕩頻率?？商岣咝盘杺鬏?shù)目垢蓴_能力，還可節(jié)省系統(tǒng)接口資源。12/14/202317<<test&measurementtechnolgy>>5.2.4模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換

1、采樣與量化12/14/202318<<test&measurementtechnolgy>>5.2.4模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換（續(xù)）

2、雙積分式A/D轉(zhuǎn)換12/14/202319<<test&measurementtechnolgy>>5.2.4模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換（續(xù)）

3、逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換12/14/202320<<test&measurementtechnolgy>>5.2.4模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換（續(xù)）

3、逐次比較式A/D轉(zhuǎn)換12/14/202321<<test&measurementtechnolgy>>5.2.4模擬－數(shù)字轉(zhuǎn)換（續(xù)）

4、增量調(diào)制型A/D轉(zhuǎn)換12/14/202322<<test&measurementtechnolgy>>5.3噪聲及干擾抑制技術(shù)

噪聲及干擾的來源：自然界的雷電、無線電發(fā)射裝置發(fā)出的電磁波、生產(chǎn)現(xiàn)場的電弧、高壓發(fā)電、電火花加工產(chǎn)生的電磁干擾、電源產(chǎn)生的工頻干擾等噪聲及干擾的危害：降低檢測裝置的分辨力和靈敏度，或引起放大器飽和而進入非線性區(qū)，甚至使整個檢測系統(tǒng)工作失?？垢蓴_措施：1、接地技術(shù)2、屏蔽技術(shù)3、平衡技術(shù)4、調(diào)制解調(diào)技術(shù)5、電源退耦、濾波技術(shù)6、隔離技術(shù)7、看門狗技術(shù)12/14/202323<<test&measurementtechnolgy>>5.3.1干擾的傳播途徑

1、靜電耦合

2、電磁耦合

12/14/202324<<test&measurementtechnolgy>>5.3.1干擾的傳播途徑（續(xù)）

3、電磁輻射

4、共阻抗耦合

12/14/202325<<test&measurementtechnolgy>>5.3.2屏蔽技術(shù)

12/14/202326<<test&measurementtechnolgy>>5.2.3接地技術(shù)

1、采樣與量化12/14/202327<<test&measurementtechnolgy>>5.2.3接地技術(shù)（續(xù)）1、采樣與量化12/14/202328<<test&measurementtechnolgy>>5.2.4驅(qū)動技術(shù)

1、采樣與量化12/14/202329<<test&measurementtechnolgy>>12/14/202330<<test&measurementtechnolgy>>4.2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制是指利用某種信號來控制或改變普通為高頻振蕩信號的某個參數(shù)（幅值、頻率或相位）的過程。當(dāng)被控制的量是高頻振蕩信號的幅值時，稱為幅值調(diào)制或調(diào)幅；當(dāng)被控制的量為高頻振蕩信號的頻率時，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻；當(dāng)被控制的量為高頻振蕩信號的相位時，則稱為相位調(diào)制或調(diào)相。12/14/202331<<test&measurementtechnolgy>>將控制高頻振蕩的低頻信號稱調(diào)制波，載送低頻信號的高頻振蕩信號稱為載波，而將經(jīng)過調(diào)制過程所得的高頻振蕩波稱已調(diào)制波。從時域上講，調(diào)制過程即是使載波的某一參量隨調(diào)制波的變化而變化，而在頻域上，調(diào)制過程則是一個移頻的過程。解調(diào)則是從已調(diào)制波信號中恢復(fù)出原有低頻調(diào)制信號的過程。調(diào)制與解調(diào)(MODEM)是一對信號變換過程,在工程上常常結(jié)合在一起使用。12/14/202332<<test&measurementtechnolgy>>幅值調(diào)制原理： 設(shè)x(t)為被測信號，y(t)為高頻載波信號，若選擇余弦信號：y(t)=cos2πf0t，則已調(diào)制信號xm(t)為x(t)與y(t)的乘積：xm(t)=x(t)cos2πf0t。由傅里葉變換性質(zhì)知： 則有

（4.25）12/14/202333<<test&measurementtechnolgy>>調(diào)幅的過程在頻域上就相當(dāng)于一個移頻的過程。

圖4.14幅值調(diào)制原理（a）時域（b）頻域12/14/202334<<test&measurementtechnolgy>>調(diào)制信號為正弦信號

設(shè)調(diào)制信號為x(t)=ASsinωSt， 載波信號為y(t)=ACsinωCt,

則經(jīng)調(diào)制后的已調(diào)制波為 采用三角積化和差公式： 將上式應(yīng)用于公式（4.26）得(4.26)(4.27)(4.28)12/14/202335<<test&measurementtechnolgy>>已調(diào)制波信號的頻譜是一個離散譜，僅僅位于頻率ωc-ωs和ωc+ωs處，即以載波信號ωc為中心，以調(diào)制信號ωs為間隔的左右兩頻率（邊頻）處。其幅值大小則等于As與Ac乘積之半。圖4.15正弦信號的幅值調(diào)制12/14/202336<<test&measurementtechnolgy>>幅值調(diào)制裝置實質(zhì)上是一個乘法器，經(jīng)常采用電橋來作調(diào)制裝置，其中以高頻振蕩電源供給電橋作為裝置的載波信號，則電橋輸出ey便為調(diào)幅波。圖例中電橋的電壓為5V，頻率為3000Hz。若測量的應(yīng)變量其頻率變化比如為0～10Hz，電橋輸出信號的頻譜在2990和3010Hz之間。圖4.16電橋調(diào)幅裝置應(yīng)用12/14/202337<<test&measurementtechnolgy>>幅值調(diào)制的解調(diào)同步解調(diào)法原理：

將調(diào)幅波再經(jīng)一乘法器與原載波信號相乘，則調(diào)幅波的頻譜在頻域上將再次被進行移頻。由于載波信號的頻率仍為f0，因此，再次移頻的結(jié)果是使原信號的頻譜圖形出現(xiàn)在0和的2f0頻率處。由于在解調(diào)過程中所乘的信號與調(diào)制時的載波信號具有相同的頻率與相位，因此這一解調(diào)的方法稱為同步解調(diào)。時域分析上有：(4.34)12/14/202338<<test&measurementtechnolgy>>圖4.19同步解調(diào)原理12/14/202339<<test&measurementtechnolgy>>整流檢波原理： 對調(diào)制信號偏置一個直流分量A，使偏置后的信號具有正電壓值。對該信號作調(diào)幅后得到的已調(diào)制波xm(t)的包絡(luò)線將具有原信號形狀。對該調(diào)幅波xm(t)作簡單的整流（全波或半波整流）和濾波便可恢復(fù)原調(diào)制信號。12/14/202340<<test&measurementtechnolgy>>圖4.20調(diào)制信號加偏置的調(diào)幅波（a）偏置電壓足夠大（b）偏置電壓不夠大12/14/202341<<test&measurementtechnolgy>>相敏解調(diào)原理：相敏解調(diào)或相敏檢波能用來鑒別調(diào)制信號的極性，利用交變信號在過零位時其正、負極性發(fā)生突變，使調(diào)幅波相位與載波信號相比較也相應(yīng)地產(chǎn)生180°相位跳變，從而既能反映原信號的幅值又能反映其相位。12/14/202342<<test&measurementtechnolgy>>圖4.21二極管相敏檢波器及其工作原理(a)R(t)>0,0~π(b)R(t)>0,π~2π(c)與(d)R(t)<012/14/202343<<test&measurementtechnolgy>>圖4.22相敏解調(diào)過程的波形轉(zhuǎn)換情形

12/14/202344<<test&measurementtechnolgy>>相敏解調(diào)器解調(diào)的波形轉(zhuǎn)換過程： 當(dāng)調(diào)制信號R(t)為正時(圖4.22(c)中的0~t1時間內(nèi))，檢波器相應(yīng)輸出為ey1。從圖4.21(a)和(b)中可以看到，無論在0~π或π~2π時間里，電流if流過負載Rf的方向不變，即此時輸出電壓ey1為正值。 當(dāng)R(t)=0時（圖4.22(b)中的t1點），負載電阻Rf兩端電位差為零，因此無電流流過Rf，此時輸出電壓ey1=0。

當(dāng)調(diào)制信號R(t)為負時(圖4.22(b)中的t1～t2段)，調(diào)幅波ey相對于載波e0的極性正好相差180°，此時從圖4.21(c)和(d)中可看到，電流流過Rf的方向與前相反，即此時輸出電壓ey1為負值。12/14/202345<<test&measurementtechnolgy>>分析：通過相敏檢波可得到一個幅值和極性均隨調(diào)制信號的幅值與極性改變的信號，它真正地重現(xiàn)了原被測信號。在電路設(shè)計時應(yīng)注意的是，變壓器B副邊的輸出電壓應(yīng)大于變壓器A副邊的輸出電壓。相敏檢波的應(yīng)用：動態(tài)應(yīng)變儀。圖4.24動態(tài)應(yīng)變儀方框圖12/14/202346<<test&measurementtechnolgy>>4.3 濾波一、概述二、濾波器的一般特性三、濾波器類型介紹四、濾波器綜合運用五、其它種類的濾波12/14/202347<<test&measurementtechnolgy>>一、概述濾波：選取信號中感興趣的成分，而抑制或衰減掉其它不需要的成分。濾波器：能實施濾波功能的裝置。濾波方式的分類：對輸入量濾波（簡稱輸入濾波）；對輸出量濾波（簡稱輸出濾波）。圖4.33濾波的一般方式（a）輸入濾波（b）輸出濾波12/14/202348<<test&measurementtechnolgy>>系統(tǒng)的輸入—輸出關(guān)系

期望輸入iD:儀器專門意圖要測量的物理量；干擾輸入iL:儀器無意中所敏感的物理量；修正輸入iM:對期望輸入和干擾輸入的輸入——輸出關(guān)系產(chǎn)生一種改變的量。圖4.32系統(tǒng)輸入—輸出結(jié)構(gòu)12/14/202349<<test&measurementtechnolgy>>不同濾波種類舉例（一）12/14/202350<<test&measurementtechnolgy>>不同濾波種類舉例（二）12/14/202351<<test&measurementtechnolgy>>不同濾波種類舉例（三）圖4.34不同濾波種類例子12/14/202352<<test&measurementtechnolgy>>根據(jù)其選頻的方式分類：低通濾波器；高通濾波器；帶通濾波器；帶阻濾波器。圖4.35不同濾波器的幅頻特性（a）低通（b）高通（c）帶通（d）帶阻12/14/202353<<test&measurementtechnolgy>>二、濾波器的一般特性

對于一個理想的線性系統(tǒng)來說，若要滿足不失真測試的條件，該系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)應(yīng)為： 若一個濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)H(f)具有如下形式： 則該濾波器稱為理想低通濾波器。圖4.36理想低通濾波器的幅、相頻特性（4.55）（4.56）12/14/202354<<test&measurementtechnolgy>>理想低通濾波器對單位脈沖的響應(yīng) 將單位脈沖輸入理想低通濾波器，則它的響應(yīng)

若考慮t0≠0，亦即有時延時， 理想低通濾波器:脈沖響應(yīng)函數(shù)其波形在整個時間軸上延伸，且其輸出在輸入到來之前，亦即t<0時便已經(jīng)出現(xiàn)。理想低通濾波器，在物理上是不可實現(xiàn)的。

圖4.37理想低通濾波器的脈沖響應(yīng)(4.57)12/14/202355<<test&measurementtechnolgy>>理想低通濾波器對單位階躍的響應(yīng) 給理想低通濾波器輸入一階躍函數(shù) 濾波器的響應(yīng)為 其中圖4.38理想低通濾波器對單位階躍輸入的響應(yīng)（a）無相角滯后，時移t0=0（b）有相角滯后，時移t0≠0（4.58）12/14/202356<<test&measurementtechnolgy>>結(jié)論：建立時間(tb-ta)：輸出從零（圖中a點）到穩(wěn)定值A(chǔ)0(b點)經(jīng)過的時間。建立時間的意義：輸入信號突變處必然包含有豐富的高頻分量，低通濾波器阻擋住了高頻分量。通帶越寬，衰減的高頻分量便越少，信號便