现代测试技术1ppt课件

1,现代测试技术Moderntestingandmeasurementtechnology,苏州科技学院电子与信息工程学院电子科学技术系潘敬熙,Jingxi-pan53832713,2,第2章测试信号转换处理电路,本章学习要求：理解信号放大、信号滤波、信号运算、信号调制解调以及电桥等各种测试信号转换处理电路的基本原理，掌握其参数设计方法。,3,2.1概述2.1.1对测试信号进行转换处理的目的：1.传感器输出的信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。2.有些传感器输出的是电参量，需要转换成电信号才能进行处理。3.有些传感器输出的是电信号，但信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。4.某些场合，为便于信号的远距离传输等原因，需要对传感器测量信号进行调制解调处理。,4,2.1.2传感器接口电路形式传感器按集成程度分为传统传感器和智能传感器。按有无能量输出分为无源传感器和有源传感器（智能传感器一般都是有源传感器）。按输出信号性质分为模拟传感器和数字传感器。传感器主要变化参数有：电阻、电感与电容。传感器输出信号主要形式有：电压、电流（或电荷）与频率；交流与直流。传感器输出结构形式有：直接、电桥、差分等；,5,2.2信号放大2.2.1概述一、什么是测量放大电路？在测量控制系统中，用来放大传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号的放大电路称为测量放大电路，亦称仪用放大电路。工程测试中所遇到的信号，多为100kHz以下的低频信号，在大多数的情况下，都可以用放大器集成芯片来设计放大电路。,6,二、对测量放大电路的基本要求：输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；一定的放大倍数和稳定的增益；低噪声；低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；足够的带宽和转换速率；高共模输入范围和高共模抑制比可调的闭环增益；线性好、精度高；成本低。,7,三、集成运算放大器的最主要参数：开环增益A闭环增益Af差模开环直流电压增益（差模增益）AVD共模开环直流电压增益（共模增益）AVC输入失调电压VI0输入失调电流II0共模抑制比KCMR=差模增益AVD/共模增益AVC,8,四、应用集成运放应注意的事项(1)调零消除失调误差“调零”技术是使用运放时必须掌握的。调零的原理是，在运放的输入端外加一个补偿电压，以抵消运放本身的失调电压，达到调零的目的。有些运放已经引出调零端，只需要按照器件的规定，接入调零电路进行调零即可。,9,(2)相位补偿消除高频自激由于运算放大器是一个高增益的多级放大器组件，应用时一般接成闭环负反馈电路。当工作频率升高时，放大器会产生附加相移，可能使负反馈变成正反馈而引起自激。进行相位补偿可以消除高频自激。相位补偿的原理是，在具有高放大倍数的中间级，利用一小电容C（几十几百微微法）构成电压并联负反馈电路。有些运放已经在内部进行了补偿，如A741。有些运放引出了补偿端，只需要按照器件手册的规定，外接补偿电路即可，如国产5G24运算放大器。,10,(3)过载保护使用运放时要注意，不能超过其性能参数的极限值，如最大输入电压范围等。特别是在有强干扰源的场合更要注意。,11,2.2.2同相放大器,闭环增益：,12,集成运算放大器可以作为一个器件构成各种基本功能的电路。这些基本电路又可以作为单元电路组成电子应用电路。同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。高输入阻抗电路常应用于传感器的输出阻抗很高的测量放大电路中。如电容式、压电式传感器的测量放大电路。,13,同相放大器输入阻抗ri+ri+=ri(1+AF)同相放大器输出阻抗ro+ro+=ro/(1+AF),教材约定：在涉及同相放大器的输入阻抗时，均以ri+来表示，即指同相放大器所具有的最低在107以上的输入电阻，而不器刻意指明其具体的数值。,14,2.2.3反相放大器,闭环增益：,反馈电阻R2值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于信号源Ui的内阻。,15,交流反相放大电路Af=R2/R1R3=R2C1：隔直电容C3：旁路电容，防止振荡,16,2.2.4基本差动（差分）放大器,什么是差动放大器？差动放大器是把二个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相二个输入端，然后在输出端取出二个信号的差模成分，而尽量抑制二个信号的共模成分。,17,2.2.4基本差动放大器,为分析电路的共模抑制性能，我们做如下变换,18,式中,19,20,假设电阻的误差为，也就是说，电阻的实际值分别为，则可得,在最坏的情况下，即所有的电阻都取最大的误差值，并且取最不利的方向，可得最大的共模电压增益(忽略高阶小量),21,共模抑制比KCMR为,22,输入电阻：,难以避免的缺点：,1.输入阻抗低,3.工艺性差,2.共模抑制比低,23,2.2.5仪用放大器,什么是仪用放大器？是一类高输入阻抗，高共模抑制比的差分放大器。具有精度高，稳定性好等特点，经常用于精密仪器电路和测控电路中，故称为仪用放大器，也称为仪器放大器。,24,2.2.5仪器（仪用）放大器,按照教材中3.2节的约定，同相放大器的输入阻抗为ri+，不难得出三运放电路的输入阻抗：差动输入阻抗rid2ri+，共模输入阻抗ricri+2。,25,2.2.5仪器（仪用）放大器,可得放大器前级的差模增益AVD1和共模增益AVC1,26,2.2.5仪器（仪用）放大器,仪器放大器前级的差模增益AVD和共模增益AVC,因此，三运放电路的共模抑制比在电阻匹配精度相同的情况下，要比基本差动放大器高倍。由此可见，由三运放组成的差动放大器具有高共模抑制比、高输入阻抗和可变增益等一系列优点，它是目前测控系统和仪器仪表中最典型的前置放大器。,27,2.2.5仪器（仪用）放大器,28,串联差分式输入仪用放大器,输入信号加于两个运放的同相输入端，差分输入电阻近似为两个运放的共模输入电阻之和，提高了输入电阻。,利用迭加原理，分别作用于输入端,29,串联差分式输入仪用放大器,双端输入，输入电阻为无穷大。,30,2.2.6可变增益放大器,31,2.2.6可变增益放大器,32,2.2.6可变增益放大器,33,2.2.6可变增益放大器,34,2.2.6可变增益放大器,35,2.2.7隔离放大电路什么是隔离放大电路？隔离放大电路的输入、输出和电源电路之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。应用于何种场合？隔离放大电路主要用于便携式测量仪器和某些测控系统（如生物医学人体测量、自动化试验设备、工业过程控制系统等）中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。,36,2.2.7隔离放大器,1.采用集成的线性光电耦合放大器,2.采用集成前置放大器和线性光电耦合放大器在一起的大规模集成电路,3.采用数字信号隔离技术,37,组成及符号,38,原理框图,39,常见的几种光电耦合器的内部电路,40,2.2.7隔离放大器,几种光电耦合放大器的传输特性,41,2.2.7隔离放大器,光电耦合放大器,42,2.2.7隔离放大器,线性光电耦合放大器,43,2.2.7隔离放大器,性能优良的线性光电耦合放大器,44,2.2.8电桥放大电路,何谓电桥放大电路？由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。应用于何种场合？应用于电参量式传感器，如电感式、电阻应变式、电容式传感器等，经常通过电桥转换电路输出电压或电流信号，并用运算放大器作进一步放大，或由传感器和运算放大器直接构成电桥放大电路，输出放大了的电压信号。,45,a、c两端接电源Ui，称供桥端；b、d两端接输出电压Uo，称输出端。,一、电桥电桥的作用：将电阻R(应变片)、电感L、电容C等电参数变为电压U或电流I信号后输出。,46,根据桥臂阻抗性质的不同为:,电阻电桥电容电桥电感电桥,根据供桥电源分为:,直流电桥:采用直流电源只用于测量电阻R的变化交流电桥：采用交流电源测量电阻R、电容C、电感L的变化,1.电桥的分类,47,2.直流电桥,四个桥臂由电阻R1、R2、R3和R4组成。,直流电桥,48,平衡条件,R1R3=R2R4,直流电桥,电桥的输出：,平衡的条件：,温敏电阻,49,直流电桥,当电桥输出端接入仪表或放大器时，电桥输出端可视为开路状态，电流输出为零。,此时，桥路电流为：,a、b之间电位差为：,a、d之间电位差为：,电桥输出电压为：,+,直流电桥平衡条件推导：,50,直流电桥,R1R,U0U,U,R1,R1R3=R2R4,平衡的条件：,电桥的输出：,这时，电桥平衡吗？,R,51,为了简化设计，R2=R3=R4=R0，而R1=R0+R,直流电桥,R0R,U0U,U,电桥的灵敏度定义为,52,单片,半桥、单臂输出,全桥、四臂输出,半桥、双臂输出,四片,两片,53,半桥、单臂输出,全桥、四臂输出,半桥、双臂输出,统一表示：,54,四片,全桥、四臂输出,当R1R1R1，R2R2R2，,由于，R1=R2=R3=R4=R0，R取相同值，可得,R3R3R3，R4R2R4时,电桥的灵敏度定义为,全桥、四臂平衡条件简要推导,55,电桥常用调平衡的方法,56,电桥测量的误差,非线性误差,温度误差,直流电源的电压稳定性造成的误差,半桥、单臂输出：,半桥、双臂输出：,全桥、四臂输出：,直流电桥,57,平衡条件,3.交流电桥,交流电桥,而,其中，Z1、Z2、Z3、Z4为阻抗的模，而1、2、3、4为阻抗角，是各桥臂电流与电压之间的相位差。,Z1Z3ej(1+3)=Z2Z4ej(2+4),(*),平衡条件,58,电容电桥,电容电桥,平衡条件：,电感电桥,电感电桥,平衡条件：,59,电容电桥,两相邻桥臂为纯电阻R2、R3，另相邻两臂为电容C1、C4,R1、R4视为电容介质损耗的等效电阻,根据平衡条件,电桥平衡条件：,电容电桥平衡条件简要推导,60,电感电桥,根据平衡条件,电桥平衡条件：,电感电桥平衡条件简要推导,61,（一）单端输入电桥放大电路,二、电桥放大电路,62,63,（二）差动输入电桥放大电路,64,（三）线性电桥放大电路,65,2.2.9自举式高输入阻抗放大电路,何谓自举电路?自举电路是利用反馈使输入电阻的两端近似为等电位，减小向输入回路索取电流，从而提高输入阻抗的电路。,是不是所有情况下都要求放大电路具有高的输入阻抗？高输入阻抗电路常应用于传感器的输出阻抗很高的测量放大电路中。如电容式、压电式传感器的测量放大电路。,66,a)同相交流放大电路,67,b)交流电压跟随电路,68,c）输入电阻自举扩展电路,反相比例放大器,A1：主放大器A2：正反馈，提供电流,69,实际上，两者之间阻值总有一定的偏差，同时为了放大器稳定工作，防止电路自激振荡，也必须人为地使略大于保证为正值。,70,2.3信号滤波,2.3.1滤波器的基础知识一、滤波器的功能和类型1、功能：滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统，具有滤除噪声和分离各种不同信号的功能。2、类型：按处理信号形式分：模拟滤波器和数字滤波器按功能分：低通、高通、带通、带阻按电路组成分：LC无源、RC无源、由特殊元件构成的无源滤波器、RC有源滤波器按传递函数的微分方程阶数分：一阶、二阶、高阶,71,从0f2频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大地衰减。,72,与低通滤波相反，从频率f1，其幅频特性平直。它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于f1的频率成分将受到极大地衰减。,73,它的通频带在f1f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成分受到衰减。,74,与带通滤波相反，阻带在频率f1f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。,75,低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器，例如：低通滤波器与高通滤波器的串联为带通滤波器，低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器。,76,77,78,二、滤波器的主要特性指标1、特征频率：通带截频fp=p/(2)为通带与过渡带边界点的频率，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限。阻带截频fr=r/(2)为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗(增益的倒数)下降到一人为规定的下限。,79,转折频率fc=c/(2)为信号功率衰减到1/2(约3dB)时的频率，在很多情况下，常以fc作为通带或阻带截频。固有频率f0=0/(2)为电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率。,80,81,2、增益与衰耗滤波器在通带内的增益并非常数。对低通滤波器通带增益Kp一般指=0时的增益；高通指时的增益；带通则指中心频率处的增益。对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒数。通带增益变化量Kp指通带内各点增益的最大变化量，如果Kp以dB为单位，则指增益dB值的变化量。,82,3、阻尼系数与品质因数阻尼系数是表征滤波器对角频率为0信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的一项指标。阻尼系数的倒数称为品质因数，是评价带通与带阻滤波器频率选择特性的一个重要指标，Q=0/。式中的为带通或带阻滤波器的3dB带宽，0为中心频率，在很多情况下中心频率与固有频率相等。,83,4、灵敏度滤波电路由许多元件构成，每个元件参数值的变化都会影响滤波器的性能。滤波器某一性能指标y对某一元件参数x变化的灵敏度记作Sxy，定义为：Sxy=(dy/y)/(dx/x)。该灵敏度与测量仪器或电路系统灵敏度不是一个概念，该灵敏度越小，标志着电路容错能力越强，稳定性也越高。,84,5、群时延函数当滤波器幅频特性满足设计要求时，为保证输出信号失真度不超过允许范围，对其相频特性()也应提出一定要求。在滤波器设计中，常用群时延函数d()/d评价信号经滤波后相位失真程度。群时延函数d()/d越接近常数，信号相位失真越小。,85,三、模拟滤波器的传递函数与频率特性（一）模拟滤波器的传递函数模拟滤波电路的特性可由传递函数来描述。传递函数是输出与输入信号电压或电流拉氏变换之比。经分析，任意个互相隔离的线性网络级联后，总的传递函数等于各网络传递函数的乘积。这样，任何复杂的滤波网络，可由若干简单的一阶与二阶滤波电路级联构成。,86,（二）模拟滤波器的频率特性模拟滤波器的传递函数H(s)表达了滤波器的输入与输出间的传递关系。若滤波器的输入信号Ui是角频率为的单位信号，滤波器的输出Uo(j)=H(j)表达了在单位信号输入情况下的输出信号随频率变化的关系，称为滤波器的频率特性函数，简称频率特性。频率特性H(j)是一个复函数，其幅值A()称为幅频特性，其幅角()表示输出信号的相位相对于输入信号相位的变化，称为相频特性。,87,（三）二阶滤波器1、二阶低通滤波器二阶低通滤波器的传递函数的一般形式为它的固有频率为a01/2，通带增益Kp=b0/a0，阻尼系数为a1/0。其幅频特性与相频特性为,88,89,2、二阶高通滤波器二阶低通滤波器的传递函数的一般形式为其幅频特性与相频特性为,90,91,3、二阶带通滤波器二阶带通滤波器的传递函数的一般形式为其幅频特性与相频特性分别为,92,93,4、二阶带阻滤波器二阶带阻滤波器的传递函数的一般形式为其幅频特性和相频特性为,94,95,5、二阶全通滤波电路（移相电路）二阶全通滤波电路的传递函数的一般形式为其幅频特性为常数，相频特性为,96,三、滤波器特性的逼近理想滤波器要求幅频特性A()在通带内为一常数，在阻带内为零，没有过渡带，还要求群延时函数在通带内为一常量，这在物理上是无法实现的。实践中往往选择适当逼近方法，实现对理想滤波器的最佳逼近。测控系统中常用的三种逼近方法为：巴特沃斯逼近切比雪夫逼近贝赛尔逼近,97,（一）巴特沃斯逼近这种逼近的基本原则是使幅频特性在通带内最为平坦，并且单调变化。其幅频特性为n阶巴特沃斯低通滤波器的传递函数为其中,98,99,（二）切比雪夫逼近这种逼近方法的基本原则是允许通带内有一定的波动量Kp。其幅频特性为（三）贝赛尔逼近这种逼近与前两种不同，它主要侧重于相频特性，其基本原则是使通带内相频特性线性度最高，群时延函数最接近于常量，从而使相频特性引起的相位失真最小。,100,滤波器的传递函数与频率特性,1-五阶贝塞尔滤波器2-五阶巴特沃斯滤波器3-五阶通带波纹为0.5dB的切比雪夫滤波器4-五阶五阶通带波纹为2dB的切比雪夫滤波器,按滤波特性可将滤波分为三种类型：最大平坦型、纹波型和恒延时型，对应的阻尼系数分别等于、小于和大于,101,1.巴特沃思逼近对于二阶的滤波器，巴特沃思滤波器的2.切比雪夫逼近对于二阶的滤波器，切比雪夫滤波器的，通常至少要求c10。,182,3、在测试系统中被测信号的变化频率为0100Hz，应怎样选取载波信号的频率？应怎样选取调幅信号放大器的通频带？信号解调后，怎样选取滤波器的通频带？若被测信号的变化频率为0100Hz，则载波信号的频率c1000Hz。调幅信号放大器的通频带应为9001100Hz。信号解调后，滤波器的通频带应100Hz，即让0100Hz的信号顺利通过，而将900Hz以上的信号抑制，可选通频带为200Hz。,183,幅度调制与解调过程（波形分析）,乘法器,放大器,x(t),z(t),xm(t),乘法器,滤波器,z(t),x(t),184,幅度调制与解调过程（频谱分析）,乘法器,放大器,x(t),z(t),xm(t),乘法器,滤波器,z(t),x(t),185,幅度调制与解调过程（数学分析）,186,（二）传感器调制为什么在测控系统中常常在传感器中进行信号调制？为了提高测量信号抗干扰能力，常要求从信号一形成就已经是已调信号，因此常常在传感器中进行调制。,187,通过交流供电实现调制：如电阻式传感器、电感式传感器和电容式传感器等。,应变式传感器输出信号的调制,188,这里用4个应变片测量梁的变形，并由此确定作用在梁上的力F的大小。4个应变片接入电桥，并采用交流电压U供电。设4个应变片在没有应力作用的情况下它们的阻值R1=R2=R3=R4=R，电桥的输出,实现了载波信号U与测量信号的相乘，即幅值调制。,189,用激光扫描的方法测量工件直径,激光器,反射镜,电动机,透镜,扫描棱镜,工件,保护