测试技术(第五章调理电路)

1、工程测试技术工程测试技术郭世伟郭世伟第五章第五章 信号变换及调理信号变换及调理传感器常用的测量电路传感器常用的测量电路（一）放大器（一）放大器 对微弱的电信号进行放大。放大器电路有分立元器件构成的对微弱的电信号进行放大。放大器电路有分立元器件构成的和集成电路。和集成电路。1、集成运算放大器、集成运算放大器 集成运算放大器是具有高放大集成运算放大器是具有高放大倍数，带深度负反馈的直接耦合放倍数，带深度负反馈的直接耦合放大器。其输入网络和反馈网络由线大器。其输入网络和反馈网络由线性或非线性元件组成，可对输入信性或非线性元件组成，可对输入信号进行多种数学运算和处理。号进行多种数学运算和处理。 实际应

2、用中有线性工作区和饱实际应用中有线性工作区和饱和（非线性）工作区。和（非线性）工作区。 “虚短虚短” “虚断虚断”3012()fiiRRKUK UURR当= 时，“电压跟随器电压跟随器”为其特为其特况况2、测量放大器、测量放大器 在传感器工作环境恶劣，输入信号微弱，输出阻抗较大时，在传感器工作环境恶劣，输入信号微弱，输出阻抗较大时，可用测量放大器（仪表放大器），它有更好的性能。可用测量放大器（仪表放大器），它有更好的性能。123456013,(12/)difRR RRRRUURR在时调节调节R3值可方便地调节电路的增益。值可方便地调节电路的增益。（二）电桥电路（二）电桥电路 电桥是一种可将电阻

3、、电容、电感等参数的变化转换为电电桥是一种可将电阻、电容、电感等参数的变化转换为电压或电流输出的测量电路。电桥测量电路简单，灵敏度和测量压或电流输出的测量电路。电桥测量电路简单，灵敏度和测量精度高，广泛应用于测量装置中。精度高，广泛应用于测量装置中。1、直流电桥、直流电桥ye 四个电阻组成四个桥臂，四个电阻组成四个桥臂，a、c为输入端，为输入端，b、d为输出端。为输出端。 电桥后接大输入阻抗的放大电桥后接大输入阻抗的放大器或仪表时，电桥输出端可认为器或仪表时，电桥输出端可认为是开路，其输出电压为：是开路，其输出电压为：241301234()()yR RR ReeRRRR13240yR RR R

4、e在满足条件：时，此时称为此时称为“电桥平衡电桥平衡”，以上条件称为，以上条件称为“电桥平衡条电桥平衡条件件” 把一个桥臂电阻换成为电阻传感器，当被测物理量的变化引把一个桥臂电阻换成为电阻传感器，当被测物理量的变化引起桥臂电阻的变化时，会引起输出电压的变化。变化前电桥平起桥臂电阻的变化时，会引起输出电压的变化。变化前电桥平衡时，输出电压为零，变化后电桥失衡，输出电压的大小、正衡时，输出电压为零，变化后电桥失衡，输出电压的大小、正负与被测物理量的变化有确定的对应关系。此即不平衡式直流负与被测物理量的变化有确定的对应关系。此即不平衡式直流电桥的测量原理。电桥的测量原理。 根据测量中电阻值参与变化的

5、桥臂数，一般有如下根据测量中电阻值参与变化的桥臂数，一般有如下三种连接三种连接方式方式。 在在 时，称为等臂电桥。实际桥臂时，称为等臂电桥。实际桥臂电阻的变化量电阻的变化量 。 对于对于半桥单臂电桥半桥单臂电桥，电阻传感器，电阻传感器 发生阻值变化发生阻值变化 时，时，输出电压为：输出电压为： 对于对于半桥双臂电桥半桥双臂电桥，电阻传感器，电阻传感器 发生等值（但反向）发生等值（但反向）阻值变化阻值变化 时，输出电压为：时，输出电压为： 对于对于全桥电路全桥电路，四个电阻传感器发生等值阻值变化，四个电阻传感器发生等值阻值变化 时，时，输出电压为：输出电压为： 因为：因为： 12340RRRRR

6、0RR004yReeRR1R12RR、R002yReeRR00yReeR031240000()4yeRRRReRRRR 注意各电阻值的变化方向：注意各电阻值的变化方向：相邻两桥臂阻值变化极性要相反，相邻两桥臂阻值变化极性要相反，相对两桥臂阻值变化应相同相对两桥臂阻值变化应相同。 利用这一利用这一电桥和差特性电桥和差特性，可提高电桥的测量灵敏度和进行温可提高电桥的测量灵敏度和进行温度补偿度补偿。 上述电桥是在不平衡条件下工作的，为上述电桥是在不平衡条件下工作的，为不平衡桥式电路不平衡桥式电路。这。这种方式的输出电压受电源电压的稳定性、环境温度变化影响较大，种方式的输出电压受电源电压的稳定性、环境

7、温度变化影响较大，有较大的测量误差。有较大的测量误差。 为此可采用为此可采用平衡电桥平衡电桥（见下图）：调节电位器（见下图）：调节电位器H，改变电阻，改变电阻R5触点位置，总使电桥平衡。根据触点位置的变化标示桥臂阻值触点位置，总使电桥平衡。根据触点位置的变化标示桥臂阻值的变化，电位器的变化，电位器H上的标度与桥臂电阻值的变化成比例。读数时上的标度与桥臂电阻值的变化成比例。读数时电表电表G始终指零，故又称为始终指零，故又称为“零位测量法零位测量法”。该方法的测量误差。该方法的测量误差取决于可调电位器的精确度，与电源电压无关。取决于可调电位器的精确度，与电源电压无关。 一般静态应变仪常采用该平衡电

8、桥，有手动调平衡方式，自一般静态应变仪常采用该平衡电桥，有手动调平衡方式，自动调平衡方式（以伺服电机自动调整电位器的位置）。动调平衡方式（以伺服电机自动调整电位器的位置）。 直流电桥的特点直流电桥的特点：电路简单；对连接导线要求低；直流电桥：电路简单；对连接导线要求低；直流电桥只能测电阻值的变化；所需的直流放大器比较复杂且易受零漂和只能测电阻值的变化；所需的直流放大器比较复杂且易受零漂和接地电位的影响。接地电位的影响。2、交流电桥、交流电桥 交流电桥以交流电压激励，交流电桥以交流电压激励，四个桥臂可为电阻、电容和四个桥臂可为电阻、电容和电感电感。用。用阻抗阻抗来描述，交流电桥的来描述，交流电桥

9、的平衡关系式平衡关系式可表示为：可表示为：4231zzzz4321044033022011,jjjjeZzeZzeZzeZz423104020301ZZZZ则有则有: 此即交流电桥平衡需满足的两个条件。在电桥调平衡时此即交流电桥平衡需满足的两个条件。在电桥调平衡时需要调节几个参数。需要调节几个参数。 对于纯电阻交流电桥，因交流电源使导线之间存在分布对于纯电阻交流电桥，因交流电源使导线之间存在分布电容，相当于并联于各桥臂，也不是纯电阻电桥，除了电电容，相当于并联于各桥臂，也不是纯电阻电桥，除了电阻平衡，还需要电容平衡。阻平衡，还需要电容平衡。 在在动态应变仪动态应变仪中的纯电阻交流电桥，桥臂并联

10、有可调电中的纯电阻交流电桥，桥臂并联有可调电容容C2和可变电阻和可变电阻R3，分别实现电容平衡和电阻平衡。，分别实现电容平衡和电阻平衡。直流电桥与直流电桥的特点比较。直流电桥与直流电桥的特点比较。交流电桥的供桥电源必须有良好的电压波形交流电桥的供桥电源必须有良好的电压波形(频率单一频率单一性性)和频率稳定性。一般用音频交流电源（和频率稳定性。一般用音频交流电源（510kHz）利用交流电桥可把电容式、电感式等传感器的电参数变利用交流电桥可把电容式、电感式等传感器的电参数变化转换成为电压的变化。即交流电桥不仅可用以测电阻变化，化转换成为电压的变化。即交流电桥不仅可用以测电阻变化，也可测电容和电感值

11、的变化。也可测电容和电感值的变化。采用交流电桥时，影响测量误差的因素较多，如分布电采用交流电桥时，影响测量误差的因素较多，如分布电容、感应作用等等。容、感应作用等等。 下图为变压器式电感交流电桥（也叫带感应耦合臂的电下图为变压器式电感交流电桥（也叫带感应耦合臂的电桥），左侧相当于变压器的二次边绕组，右侧接入的是差动桥），左侧相当于变压器的二次边绕组，右侧接入的是差动式电感传感器，把电感量的变化转换成电压量的输出。式电感传感器，把电感量的变化转换成电压量的输出。 与一般电桥相比，它具有较高的精确度、灵敏度和稳定性。与一般电桥相比，它具有较高的精确度、灵敏度和稳定性。（三）滤波器（三）滤波器 滤波

12、器是一种选频装置，有滤波器是一种选频装置，有“筛选频率筛选频率”的作用的作用对信号对信号中的某些频率成分有极大的衰减，而对其它频率衰减小或有放中的某些频率成分有极大的衰减，而对其它频率衰减小或有放大作用（称为大作用（称为“通过通过”）。在信号处理、测试技术中应用非常）。在信号处理、测试技术中应用非常广泛。广泛。 模拟式滤波器模拟式滤波器 数字式滤波器数字式滤波器按选频作用分：低通、高通、带通、带阻按选频作用分：低通、高通、带通、带阻理想滤波器直角转折，没有过渡带，但是不能物理实现理想滤波器直角转折，没有过渡带，但是不能物理实现的。的。直观的反映了系统对直观的反映了系统对不同频率成分输入信不同频

13、率成分输入信号的扭曲情况。号的扭曲情况。理想带通与实际带通滤波器的幅频特性低通频率特性在性能与成本间的折中低通频率特性在性能与成本间的折中 实际滤波器的频率特性不可能出现直角锐变，在阻带内的频实际滤波器的频率特性不可能出现直角锐变，在阻带内的频率成分只能极大衰减，不可能完全截止。通带和阻带内的值也存率成分只能极大衰减，不可能完全截止。通带和阻带内的值也存在一定的波动。在一定的波动。 实际滤波器的技术指标：实际滤波器的技术指标：1、通带截止频率、通带截止频率fp，波纹幅度，波纹幅度d应远小于应远小于3dB2、阻带下限（起始）频率、阻带下限（起始）频率fs3、带宽、带宽B，中心频率，中心频率fn，

14、品质因数品质因数Q，表示通带的窄宽，表示通带的窄宽，频率的选择性；频率的选择性；4、倍频程选择性，等。、倍频程选择性，等。滤波器的设计滤波器的设计通带大小对系统响应的影响通带大小对系统响应的影响滤波器的分辨率与测量快速性要求相矛盾滤波器的分辨率与测量快速性要求相矛盾恒带宽比与恒带宽滤波器恒带宽比与恒带宽滤波器实际滤波器种类：实际滤波器种类：1、无源滤波器、无源滤波器 由无源三元件构成由无源三元件构成2、有源滤波器、有源滤波器 由放大器和电容、电阻等外围元件构成。性能优于无源滤波由放大器和电容、电阻等外围元件构成。性能优于无源滤波器。器。运放起运放起级间隔级间隔离作用离作用3、集成滤波器、集成滤

15、波器 其关键技术是采用了开关电容来取代电路中的电阻。开关其关键技术是采用了开关电容来取代电路中的电阻。开关电容等效为一个电阻，其阻值可由开关频率控制。电容等效为一个电阻，其阻值可由开关频率控制。（四）调制与解调（四）调制与解调 调制：用缓变信号控制高频振荡信号的某个参数调制：用缓变信号控制高频振荡信号的某个参数幅值、幅值、频率、相位，使其随缓变信号做有规律的变化。频率、相位，使其随缓变信号做有规律的变化。 缓变信号称为调制信号，高频信号称为载波（被调制信号），缓变信号称为调制信号，高频信号称为载波（被调制信号），经过调制的高频信号称为已调信号。经过调制的高频信号称为已调信号。 调幅信号，调频信

16、号，调相信号调幅信号，调频信号，调相信号 解调：是利用检波、滤波或其他技术从已调波中恢复出缓变解调：是利用检波、滤波或其他技术从已调波中恢复出缓变信号的过程，相当于调制的反过程信号的过程，相当于调制的反过程 。 采用调制解调技术的原因：采用调制解调技术的原因：1、提高信号抗干扰能力，以便、提高信号抗干扰能力，以便信号的放大和远距离传输；信号的放大和远距离传输；2、多路信号的单信道传输；、多路信号的单信道传输；3、在、在测试技术中某些传感器的工作原理就是调制的过程，当然也需要测试技术中某些传感器的工作原理就是调制的过程，当然也需要解调才能得到被测信号；等。解调才能得到被测信号；等。1、调幅及其解

17、调、调幅及其解调（1）调幅实为缓变信号与高频信号的相乘运算，设缓变信号）调幅实为缓变信号与高频信号的相乘运算，设缓变信号 的频谱为的频谱为 ，取高频载波信号为，取高频载波信号为 ，其频谱为，其频谱为tfty02cos)()(tx)( fX)(21)(212cos000fffftf)(21)(21)()(21)()(212cos)(00000ffXffXfffXfffXtftx载波频率载波频率f0应应大于缓变信号大于缓变信号的最大频率的最大频率fm，一般应大于几一般应大于几倍甚至数十倍。倍甚至数十倍。调幅装置实为一乘法器调幅装置实为一乘法器在测试上的应用：在测试上的应用：交流电桥为调幅原理交流电

18、桥为调幅原理以下测量电容的谐振电路也为调幅原理！以下测量电容的谐振电路也为调幅原理！调幅式调幅式测可变电感值也有同样原理！测可变电感值也有同样原理！（2）调幅波解调）调幅波解调 同步解调同步解调 把已调制波与原载波信号再相乘，可得到原缓变把已调制波与原载波信号再相乘，可得到原缓变信号和倍频信号的迭加，后者可再由一低通滤波器除去。信号和倍频信号的迭加，后者可再由一低通滤波器除去。需要良好的线性需要良好的线性乘法器件乘法器件 包络检波（又叫整流检波）包络检波（又叫整流检波） 过程：加直流信号偏置，整流，滤波，减去偏置信号。过程：加直流信号偏置，整流，滤波，减去偏置信号。若所加的偏置信号不能使信号电

19、压在零线一侧，简单地整流就不若所加的偏置信号不能使信号电压在零线一侧，简单地整流就不能恢复原信号。能恢复原信号。相敏检波相敏检波为已调波为载波信号，为原测试信号，)()()(txtytxm设计要求设计要求)()(txtym大于载波信号与已调波进行载波信号与已调波进行相位比较。相位比较。 这种检波方法利用了二极管的单向导通作用将电路的输出这种检波方法利用了二极管的单向导通作用将电路的输出极性换向。负载电阻极性换向。负载电阻Rf上的电压信号仍为高频信号，其包络线上的电压信号仍为高频信号，其包络线 就是原缓变信号，需要低通滤波才能恢复为原测量信号。就是原缓变信号，需要低通滤波才能恢复为原测量信号。

20、动态应变仪就是交流电桥调制和相敏检波的典型实例。动态应变仪就是交流电桥调制和相敏检波的典型实例。2、调频与鉴频、调频与鉴频 频率调制是用缓变信号控制高频信号的频率，输出的调制信号频率调制是用缓变信号控制高频信号的频率，输出的调制信号是频率随调制信号变化的疏密不等的等幅波，其频率偏移量（相对是频率随调制信号变化的疏密不等的等幅波，其频率偏移量（相对于中心频率）和调制信号电压成正比。于中心频率）和调制信号电压成正比。 调频信号的频谱结构很复杂，但调频信号的频谱结构很复杂，但 信号抗干扰能力很强，便于信号抗干扰能力很强，便于信号的传输和数字处理。信号的传输和数字处理。 频率调制的方法很多，现简单介绍直接调频测量电路。频率调制的