第六章 測量電路-2010

第六章測量電路內(nèi)容電橋放大電路濾波電路調(diào)制解調(diào)數(shù)碼管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。測量電路的作用？（1）測量電路的作用？（2）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，需要對傳感器測量信號進(jìn)行調(diào)制解調(diào)處理。電橋電橋電路是電磁測量中電路連接的一種基本方式。由于它測量準(zhǔn)確，方法巧妙，使用方便，所以得到廣泛應(yīng)用。電橋電路不僅可以使用直流電源，而且可以使用交流電源，故有直流電橋和交流電橋之分。直流電橋主要用于電阻測量。交流電橋主要用于電容、電感等的測量。直流電橋*平衡條件1.工作原理令：（1）（2）（全等臂電橋）（輸出對稱電橋）2.電橋的接法單臂

半橋全橋

規(guī)律：變化相同的兩個電阻應(yīng)連接成相對橋臂；變化趨勢相異的兩個電阻應(yīng)連接成相鄰橋臂。FR1R3R2R4交流電橋*平衡條件*平衡條件放大電路放大電路的基本原理集成運(yùn)算放大電路及其應(yīng)用放大的基本元件-晶體三極管NPN型晶體三極管放大的基本元件-晶體三極管基本概念P型半導(dǎo)體

P型半導(dǎo)體的形成：在純凈的硅晶體中摻入三價元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，形成P型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體

N型半導(dǎo)體的形成：在純凈的硅晶體中摻入五價元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半導(dǎo)體三極管工作原理晶體三極管由美國的德福雷斯特發(fā)明的，1907年，德福雷斯特向美國專利局申報了真空三極管（電子管）的發(fā)明專利。一生獲得了多達(dá)300余項(xiàng)專利。實(shí)驗(yàn)：德福雷斯特把若干個三極管連接起來，與電話機(jī)話筒、耳機(jī)相互連接，再把他那只“走時相當(dāng)準(zhǔn)確的英格索爾手表”放在話筒前方，手表的“滴噠”聲幾乎把耳朵震聾。

第一節(jié)集成運(yùn)算放大電路概述一、集成運(yùn)算放大電路：多用于各種模擬信號的運(yùn)算。

1、集成運(yùn)算放大電路的主要性能指標(biāo)

2、集成運(yùn)放電路的工作原理

集成運(yùn)放的主要性能指標(biāo)1.差模開環(huán)放大倍數(shù)：AOd2.共模抑制比：KCMR3.差模輸入電阻：RId4.輸入偏置電流：IIB5.－3dB帶寬:fH6.輸入失調(diào)電壓及其溫漂：UIO,dUIO/dT7.輸入失調(diào)電流及其溫漂：IIO,dIIO/dT理想運(yùn)放的主要性能指標(biāo)1.開環(huán)差模放大倍數(shù)：AOd→∞2.差模輸入電阻：Rid→∞3.輸出電阻：R0→04.共模抑制比：KCMR→∞5.－3dB帶寬:fBW＝fH

→∞4.輸入偏置電流：IIB→06.輸入失調(diào)電壓及其溫漂：UIO,dUIO/dT→07.輸入失調(diào)電流及其溫漂：IIO,dIIO/dT→0第三節(jié)集成運(yùn)放的兩個工作區(qū)線性放大區(qū)：曲線的斜率為電壓放大倍數(shù)非線性放大區(qū)：輸出電壓只有兩種可能，＋UOM和-UOM運(yùn)放工作在線性放大區(qū)的特點(diǎn)1.當(dāng)運(yùn)放工作在線性放大區(qū)時：引入（深度）負(fù)反饋集成運(yùn)放的差模開環(huán)放大倍數(shù)AOd有：

其中AOd非常高140dB∞因而有：UP-UN＝0或UP＝UN

“虛短”又因?yàn)椋簞t：“虛斷”U0=AOd(UP-UN)運(yùn)放工作在非線性放大區(qū)的特點(diǎn)2.當(dāng)運(yùn)放工作在非線性放大區(qū)時：開環(huán)或者引入正反饋集成運(yùn)放的差模開環(huán)放大倍數(shù)AOd

∞則兩個輸入端只要有無窮小的輸入差值電壓，輸出電壓就可以達(dá)到最大值或最小值，即輸出電壓與輸入電壓不再是線性關(guān)系，此時的電壓傳輸關(guān)系為：由此時的電壓傳輸關(guān)系可以看出當(dāng)：UP＞UN時，UO=+UOM

當(dāng)：UP＜UN時,UO=-UOM

第四節(jié)基本運(yùn)算電路的原理反相比例運(yùn)算電路1.反相比例運(yùn)算：

由于：U+=U-I+=I-=0

所以反相輸入端U-為“虛地”點(diǎn)，且輸入電流I-=0，故:Ii=If

2.同相比例運(yùn)算：

由于：U+=U-I+=I-=0由于反相輸入端不再為“虛地”點(diǎn)，且輸入電流Ii=0，故:IR=If即：

又稱為：電壓跟隨器！光電二極管放大電路3.反相加法運(yùn)算電路：由于：U+=U-I+=I-=0所以反相輸入端U-為“虛地”點(diǎn)，且輸入電流I-=0，反相加法運(yùn)算電路的函數(shù)關(guān)系式為：若取R1=R2=R，則有:

反相加法運(yùn)算原理圖

運(yùn)算中，調(diào)節(jié)某一路信號的輸入電阻時，不會影響其他輸入電壓與輸出電壓的比例關(guān)系，因而調(diào)節(jié)方便。4.減法運(yùn)算電路：實(shí)際應(yīng)用中，要求R1=R2,R3=Rf，且須嚴(yán)格配對，這有利于提高放大器的共模抑制比及減小失調(diào)。運(yùn)算關(guān)系為：100K減法運(yùn)算原理圖5.積分運(yùn)算電路由于：U+=U-I+=I-=0所以反相輸入端U-為“虛地”點(diǎn)，且輸入電流I-=0，積分運(yùn)算電路的運(yùn)算關(guān)系式為：

積分運(yùn)算電路由公式可知。Ui與U0的圖形將如下圖所示。6.微分運(yùn)算電路：微分運(yùn)算電路：由于：U+=U-I+=I-=0所以反相輸入端U-為“虛地”點(diǎn)，且輸入電流I-=0，微分運(yùn)算電路的運(yùn)算關(guān)系式為：U0=f(UP-UN)7、比較電路：A/D轉(zhuǎn)換電橋電路和放大電路掌握直流電橋的平衡條件、三種工作方式的靈敏度比較。基本放大電路的放大倍數(shù)的計算。數(shù)碼管顯示濾波器濾波器的功能濾波器的分類濾波器的主要參數(shù)濾波器的功能濾波器的功能就是允許某一部分頻率的信號順利的通過，而另外一部分頻率的信號則受到較大的抑制，它實(shí)質(zhì)上是一個選頻電路。濾波器中，把信號能夠通過的頻率范圍，稱為通頻帶或通帶；反之，信號受到很大衰減或完全被抑制的頻率范圍稱為阻帶；通帶和阻帶之間的分界頻率稱為截止頻率；理想濾波器在通帶內(nèi)的電壓增益為常數(shù)，在阻帶內(nèi)的電壓增益為零；實(shí)際濾波器的通帶和阻帶之間存在一定頻率范圍的過渡帶。濾波器的分類（1）按所處理的信號分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器兩種。（2）按所通過信號的頻段分為低通、高通、帶通和帶阻濾波器四種。（3）按所采用的元器件分為無源和有源濾波器兩種。四種濾波器低通濾波器：它允許信號中的低頻或直流分量通過，抑制高頻分量或干擾和噪聲。高通濾波器：它允許信號中的高頻分量通過，抑制低頻或直流分量。帶通濾波器：它允許一定頻段的信號通過，抑制低于或高于該頻段的信號、干擾和噪聲。帶阻濾波器：它抑制一定頻段內(nèi)的信號，允許該頻段以外的信號通過。無源濾波器無源濾波器：僅由無源元件(R、L和C)組成的濾波器，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：電路比較簡單，不需要直流電源供電，可靠性高；缺點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號有能量損耗，負(fù)載效應(yīng)比較明顯，使用電感元件時容易引起電磁感應(yīng)，當(dāng)電感L較大時濾波器的體積和重量都比較大。有源濾波器有源濾波器：由無源元件（一般用R和C）和有源器件(如集成運(yùn)算放大器）組成。這類濾波器的優(yōu)點(diǎn)是：通帶內(nèi)的信號不僅沒有能量損耗，而且還可以放大，負(fù)載效應(yīng)不明顯，多級相聯(lián)時相互影響很小，利用級聯(lián)的簡單方法很容易構(gòu)成高階濾波器，并且濾波器的體積小、重量輕、不需要磁屏蔽(由于不使用電感元件）；缺點(diǎn)是：通帶范圍受有源器件(如集成運(yùn)算放大器）的帶寬限制，需要直流電源供電。濾波器的主要參數(shù)通帶增益：帶增益是指濾波器在通頻帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)。通帶截止頻率fp：定義幅頻特性值等于A0/

所對應(yīng)的頻率。濾波器的主要參數(shù)帶寬B：通頻帶的寬度品質(zhì)因數(shù)Q：定義帶通濾波器中心頻率fn和帶寬B之比。Q=fn/B。其中：

Q值越高，濾波器的頻率選擇性越好。例如中心頻率同為1000Hz的兩個帶通濾波器，品質(zhì)因數(shù)分別為Q1=20，

Q2=40，則對應(yīng)的B1=50Hz，B2=25Hz，由于第二個濾波器的分辨力比第一個濾波器高，所以它比第一個頻率選擇性好。濾波器的主要參數(shù)波紋幅度d

：在一定頻率范圍內(nèi)，實(shí)際濾波器的幅頻特性可能有波動，d值為幅頻特性的最大波動值。一個優(yōu)良的濾波器，d與Ａ０相比,應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于-3dB，例子：無源濾波器RC低通電壓放大倍數(shù)(傳遞函數(shù))為例子：有源濾波器掌握了解濾波器的功能知道濾波器的四種形式。（低通、高通、帶通、帶阻）。調(diào)制解調(diào)為什么要對信號進(jìn)行調(diào)制？調(diào)制解調(diào)的基本概念調(diào)幅電路調(diào)制解調(diào)的功用與類型在測控系統(tǒng)中為什么要采用信號調(diào)制？

在測控系統(tǒng)中，進(jìn)入測控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控電路的一項(xiàng)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)基本概念1、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。

2、什么是解調(diào)？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)。

調(diào)制解調(diào)基本概念3、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。在測控系統(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。

例如：例如某中波廣播電臺的頻率為540kHz，這個頻率是指載波的頻率，它是由高頻電磁振蕩產(chǎn)生的等幅正弦波頻率。用所要傳播的語言或音樂信號去改變高頻振蕩的幅度，使高頻振蕩的幅度隨語言或音樂信號的變化而變化，這個控制過程就稱為調(diào)制。其中語言或音樂信號叫做調(diào)制信號，調(diào)制后的載波就載有調(diào)制信號所包含的信息，稱為已調(diào)波。為什么要調(diào)制呢？

為什么要用語言或音樂信號去控制高頻振蕩呢？原來要使信號的能量以電場和磁場的形式向空中發(fā)射出去傳向遠(yuǎn)方，需要較高的振蕩頻率方能使電場和磁場迅速變化；同時信號的波長要與天線的長度相匹配。為什么要調(diào)制呢？語言或音樂信號的頻率太低，無法產(chǎn)生迅速變化的電場和磁場；相應(yīng)地，它們的波長又太大，即使選用它的最高頻率20000Hz來計算，其波長仍為15000m，實(shí)際上是不可能架設(shè)這么長的天線的。看來要把信號傳遞出去，必須提高頻率，縮短波長?？墒浅^20kHz

的高頻信號，人耳就聽不見了。為了解決這個矛盾，只有采用把音頻信號“搭乘”在高頻載波上，也就是調(diào)制，借助于高頻電磁波將低頻信號發(fā)射出去，傳向遠(yuǎn)方。調(diào)制解調(diào)的類型在測控系統(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。

調(diào)幅式測量電路一、調(diào)幅原理與方法（一）1、什么是調(diào)幅？寫出調(diào)幅信號的數(shù)學(xué)表達(dá)式，畫出其波形。

調(diào)幅就是用調(diào)制信號x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x的線性函數(shù)變化。

調(diào)幅信號的一般表達(dá)式可寫為：

us=(Um+mx)coswct

調(diào)幅式測量電路

txOtOucusa)調(diào)制信號b)載波信號Otc)雙邊帶調(diào)幅信號調(diào)幅式測量電路

在測控系統(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？

調(diào)幅式測量電路為了正確進(jìn)行信號調(diào)制必須要求ωc>>Ω，通常至少要求ωc>10Ω。這樣，解調(diào)時濾波器能較好地將調(diào)制信號與載波信號分開，檢出調(diào)制信號。若被測信號的變化頻率為0~100Hz，則載波信號的頻率ωc>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。

調(diào)幅式測量電路傳感器調(diào)制1、

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。

調(diào)幅式測量電路2、通過交流供電實(shí)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。

R1FR4R2

R3R1R2UoUR3R4應(yīng)變式傳感器輸出信號的調(diào)制

調(diào)幅式測量電路電路調(diào)制1、乘法器調(diào)制

a)原理圖

ucuxuoxyKxy

b)實(shí)用電路

-8V

47kΩ0.1μF1kΩ0.1μF51Ω750Ω14

10161kΩ38MC14961kΩ3.3kΩ3.3kΩ750Ω1kΩ680kΩ20μF20μFuc1kΩ0.1μF21254uoux+12V

調(diào)幅式測量電路二、包絡(luò)檢波電路什么是包絡(luò)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。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(shí)現(xiàn)解調(diào)。這種方法稱為包絡(luò)檢波。

調(diào)幅式測量電路包絡(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(shí)現(xiàn)解調(diào)。包絡(luò)檢波就是建立在整流的原理基礎(chǔ)上的。

us

uo'

OOtta)

b)

1、基本電路VDRL

C2Ti+us

_+uo

_非線性

器件

低通濾波器C1a)二極管檢波電路C1V

RL

C2Tic+us

_+_非線性

器件

低通濾波器uo

Ec

b)晶體管檢波電路（一）二極管與三極管包絡(luò)檢波

（二）相敏檢波1、什么是相敏檢波電路？

相敏檢波電路是具有鑒別調(diào)制信號相位和選頻能力的檢波電路。（二）相敏檢波2、為什么要采用相敏檢波？

包絡(luò)檢波有兩個問題：一是解調(diào)的主要過程是對調(diào)幅信號進(jìn)行半波或全波整流，無法從檢波器的輸出鑒別調(diào)制信號的相位。第二，包絡(luò)檢波電路本身不具有區(qū)分不同載波頻率的信號的能力。對于不同載波頻率的信號它都以同樣方式對它們整流，以恢復(fù)調(diào)制信號，這就是說它不具有鑒別信號的能力。為了使檢波電路具有判別信號相位和頻率的能力，提高抗干擾能力，需采用相敏檢波電路。（二）相敏檢波3、相敏檢波電路與包絡(luò)檢波電路在功能與電路構(gòu)成上最主要的區(qū)別是什么？

相敏檢波電路與包絡(luò)檢波電路在功能上的主要區(qū)別是相敏檢波電路能夠鑒別調(diào)制信號相位，從而判別被測量變化的方向，同時相敏檢波電路還具有選頻的能力，從而提高測控系統(tǒng)的抗干擾能力。從電路結(jié)構(gòu)上看，相敏檢波電路的主要特點(diǎn)是，除了所需解調(diào)的調(diào)幅信號外，還要輸入一個參考信號。有了參考信號就可以用它來鑒別輸入信號的相位和頻率。（二）相敏檢波RRRVUousUc開關(guān)式相敏檢波電路注：V相當(dāng)于開關(guān)，當(dāng)Uc<0時，V截止；Uc≥0時，V導(dǎo)通思考：us相反相位時，輸出波形為什么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。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。

（三）精密檢波電路調(diào)幅式測量電路1、半波精密檢波電路

+us–

半波整流器低通濾波器+u?s

–

iiCR4uoR1R?2

R2R3VD1VD2+