现代测试技术

现代测试技术Moderntestingandmeasurementtechnology

1整理ppt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根本原理，掌握其参数设计方法。2整理ppt2.1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。3整理ppt2.1.2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；4整理ppt2.2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。5整理ppt二、对测量放大电路的根本要求：①输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；②一定的放大倍数和稳定的增益；③低噪声；④低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；⑤足够的带宽和转换速率；⑥高共模输入范围和高共模抑制比⑦可调的闭环增益；⑧线性好、精度高；⑨本钱低。6整理ppt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AVC7整理ppt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，到达调零的目的。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。

8整理ppt(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响电路。当工作频率升高时，放大器会产生附加相移，可能使负反响变成正反响而引起自激。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〕构成电压并联负反响电路。有些运放已经在内部进行了补偿，如μA741。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。9整理ppt

(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。10整理ppt

2.2.2同相放大器

闭环增益：

11集成运算放大器可以作为一个器件构成各种根本功能的电路。这些根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。12整理ppt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107Ω以上的输入电阻，而不器刻意指明其具体的数值。13整理ppt2.2.3反相放大器闭环增益：反响电阻R2值不能太大，否那么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。14整理ppt交流反相放大电路Af=–R2/R1R3=R2

C1：隔直电容C3：旁路电容，防止振荡15整理ppt2.2.4根本差动〔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。16整理ppt2.2.4根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17式中1819整理ppt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)20共模抑制比KCMR为上式表明，电阻的误差

越小，差动增益越大共模抑制比越高。21输入电阻：难以防止的缺点：1.输入阻抗低3.工艺性差2.共模抑制比低222.2.5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。23整理ppt2.2.5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rid

＝2

ri+，共模输入阻抗ric

＝ri+／2。242.2.5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

252.2.5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。262.2.5仪器〔仪用〕放大器27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28整理ppt串联差分式输入仪用放大器双端输入，输入电阻为无穷大。29整理ppt2.2.6可变增益放大器

302.2.6可变增益放大器

312.2.6可变增益放大器

322.2.6可变增益放大器

332.2.6可变增益放大器

342.2.7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。35整理ppt2.2.7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

36组成及符号－＋输入放大器R1R1R2RisoCisoR2uo隔离器输出放大器－＋uducuiso37整理ppt原理框图a)变压器耦合浮置电源输入调制放大器耦合变压器输出解调放大器输出输入－＋b)光电耦合浮置电源光耦合器输入放大器－＋输出放大器输出输入LEDV38整理ppt常见的几种光电耦合器的内部电路392.2.7隔离放大器

几种光电耦合放大器的传输特性402.2.7隔离放大器

光电耦合放大器412.2.7隔离放大器

线性光电耦合放大器422.2.7隔离放大器

性能优良的线性光电耦合放大器432.2.8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。44整理ppta、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ΔU或电流ΔI信号后输出。

45整理ppt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46整理ppt2.直流电桥四个桥臂由电阻R1、R2、R3和R4组成。直流电桥VR1R2R3R447整理ppt平衡条件R1·R3=R2·R4

直流电桥电桥的输出：平衡的条件：VR1R2R3R4温敏电阻48整理ppt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：49整理ppt直流电桥R1＋ΔR

U0＋ΔUΔUR1VR2R3R4R1·R3=R2·R4

平衡的条件：电桥的输出：这时，电桥平衡吗？＋ΔR50整理ppt为了简化设计，R2=R3=R4=R0

，而

R1=R0+ΔR直流电桥R0＋ΔR

U0＋ΔUΔU电桥的灵敏度定义为51整理ppt单片单臂半桥R1R3R2R4

双臂半桥R1R3R2R4

全桥R1R3R2R4

半桥、单臂输出全桥、四臂输出半桥、双臂输出四片两片52单臂半桥R1R3R2R4

双臂半桥R1R3R2R4

全桥R1R3R2R4

半桥、单臂输出全桥、四臂输出半桥、双臂输出统一表示：53四片全桥、四臂输出当R1→

R1±ΔR1，R2→R2ΔR2

，由于，R1=R2=R3=R4=R0，ΔR取相同值，可得R3→

R3±ΔR3，R4→R2ΔR4时电桥的灵敏度定义为全桥、四臂平衡条件简要推导54整理ppt电桥常用调平衡的方法55整理ppt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56整理ppt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φ1、φ2、φ3、φ4为阻抗角，是各桥臂电流与电压之间的相位差。Z1Z3ej(φ1+φ3)=Z2Z4ej(φ2+φ4)

(*)平衡条件57整理ppt电容电桥电容电桥平衡条件：电感电桥电感电桥平衡条件：~▲58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59整理ppt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60整理ppt〔一〕单端输入电桥放大电路二、电桥放大电路61整理ppt62整理ppt〔二〕差动输入电桥放大电路63整理ppt〔三〕线性电桥放大电路64整理ppt2.2.9自举式高输入阻抗放大电路何谓自举电路?自举电路是利用反响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。65整理ppta)同相交流放大电路66整理pptb)交流电压跟随电路67整理pptc〕输入电阻自举扩展电路反相比例放大器A1：主放大器A2：正反响，提供电流68整理ppt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。

69整理ppt2.3信号滤波2.3.1滤波器的根底知识一、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，具有滤除噪声和别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70整理ppt

从0～f2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。71整理ppt

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。72整理ppt

它的通频带在f1～f2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。73整理ppt

与带通滤波相反，阻带在频率f1～f2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。74整理ppt低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最根本的形式，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。75整理ppt76整理ppt77整理ppt

二、滤波器的主要特性指标

1、特征频率：①通带截频fp=ωp/(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。②阻带截频fr=ωr/(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。78整理ppt③转折频率fc=ωc/(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。④固有频率f0=ω0/(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。

79整理ppt

c)a)b)OA(

)OA(

)OA(

)d)OA(

)80整理ppt2、增益与衰耗滤波器在通带内的增益并非常数。①对低通滤波器通带增益Kp一般指ω=0时的增益；高通指ω→∞时的增益；带通那么指中心频率处的增益。②对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒数。③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，那么指增益dB值的变化量。81整理ppt3、阻尼系数与品质因数

阻尼系数是表征滤波器对角频率为ω0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=ω0/△ω。式中的△ω为带通或带阻滤波器的3dB带宽，ω0为中心频率，在很多情况下中心频率与固有频率相等。82整理ppt4、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。83整理ppt5、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∮(ω)也应提出一定要求。在滤波器设计中，常用群时延函数d∮(ω)/dω评价信号经滤波后相位失真程度。群时延函数d∮(ω)/dω越接近常数，信号相位失真越小。84整理ppt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，可由假设干简单的一阶与二阶滤波电路级联构成。85整理ppt〔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。假设滤波器的输入信号Ui是角频率为ω的单位信号，滤波器的输出Uo(jω)=H(jω)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(jω)是一个复函数，其幅值A(ω)称为幅频特性，其幅角∮(ω)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。86整理ppt〔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/ω0。其幅频特性与相频特性为87整理ppt

20lgA/dB-101-40-20020α=2.5α=1.67α=1.25α=0.8α=0.5α=0.33α=0.2α=0.1lg(ω/ω0)-60a)幅频特性α=0.2α=0.1-101-180o-90oα=2.5α=1.67α=1.25α=0.8α=0.5α=0.33lg(ω/ω0)/(°)0°b)相频特性88整理ppt2、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89整理ppt

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)幅频特性b)相频特性90整理ppt3、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91整理ppt

b)相频特性-10190oQ=100Q=40Q=20Q=10Q=5Q=2.5Q=1Q=0.5lg(ω/ω0)0o-90o/(°)20lgA/dBa)幅频特性lg(ω/ω0)-101-60-40-20Q=0.5Q=1Q=2.5Q=5Q=10Q=20Q=40Q=100092整理ppt4、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93整理ppt

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)幅频特性b)相频特性94整理ppt5、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95整理ppt三、滤波器特性的逼近理想滤波器要求幅频特性A(ω)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正确逼近。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96整理ppt〔一〕巴特沃斯逼近这种逼近的根本原那么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97整理ppt0.51.0ω/ω0n=2n=4n=5120A1-180°0ω/ω0n=5n=4n=2-360°2/(°)98整理ppt〔二〕切比雪夫逼近这种逼近方法的根本原那么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，其根本原那么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。99整理ppt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21A0

/

c1.00.512341

0

/

c-360-180122341001.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<3.贝塞尔逼近对于二阶的滤波器，贝塞尔滤波器的＝101整理ppt根据“最正确逼近特性〞标准分类的三种滤波器的比较

巴特沃斯滤波器具有最大平坦幅度特性；

切贝雪夫滤波器的通带有波纹，过渡带轻陡直，因此，在不允许通带内有纹波的情况下，巴特沃斯型更可取；从相频响应来看，巴特沃斯型也要优于切贝雪夫型；贝塞尔滤波器只满足相频特性而不关心幅频特性。贝塞尔滤波器又称最平时延或恒时延滤波器。其相移和频率成正比，即为一线性关系。但是由于它的幅频特性欠佳，而往往限制了它的应用。

102整理ppt2.3.2RC有源滤波电路一、压控电压源型滤波电路该电路压控增益Kf=1+R0/R，传递函数为103整理ppt1、低通滤波电路滤波器参数为104整理ppt2、高通滤波器105整理ppt3、带通滤波器106整理ppt4、带阻滤波器107整理ppt二、无限增益多路反响型滤波电路108整理ppt1、低通滤波电路109整理ppt2、高通滤波器110整理ppt3、带通滤波器111整理ppt三、双二阶环滤波电路双二阶环电路利用两个以上由加法器、积分器等组成的运算放大电路，根据所要求的传递函数，引入适当的反响构成滤波电路。其突出特点是电路灵敏度低，因而特性非常稳定，并可实现多种滤波功能，经过适当改进还可将运算放大器数目减少到两个。112整理ppt1、低通与带通滤波电路

从u3点输出为带通滤波电路，从u2点与u1点输出为低通滤波电路。Kp1、Kp2、Kp3分别为由u1、u2、u3输出时的通带增益。

可用R5调节w0，用R2调节Q，用R0调节Kpi，各参数间相互影响很小。113整理ppt2、可实现高通、带阻与全通滤波的双二阶环电路∞-++N1∞-++N2∞-++N3uo(t)ui(t)R01R1R2C1R3R4R5R02R03C2114整理ppt

115整理ppt3、低通、高通、带通、带阻与全通滤波电路∞-++N1∞-++N3∞-++N2∞-++N4ui(t)uh(t)ub(t)ul(t)ux(t)R01R02R04R03R1R2R05R06R07R0C2C1116整理ppt四、有源滤波器设计有源滤波器的设计主要包括以下四个过程：确定传递函数选择电路结构选择有源器件计算无源元件参数以无限增益多路反响二阶巴特沃斯滤波器为例117整理ppt⑴在给定的fc下，参考下表选择电容C1;⑵根据C1的实际值，按下式计算电阻换标系数K;K=100/fcC1

⑶由表确定C2及归一化电阻值ri，再换算出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)×10-6118整理ppt126103.1112.5651.6971.6254.0723.2924.9774.7233.1115.13010.18016.252

0.20.150.050.033119开关电容滤波原理Tc

2

1c)120整理ppt一、压控跟踪滤波器

利用测量电路提取被测信号中心频率，进行f/V转换，即可形成所需的控制电压uc。

uc决定R2的变化，从而决定电路中心频率w0变化，即输出信号uo的中心频率。

场效应晶体管可构成一个等效可变电阻，随控制电压uc而变化。

改变R2可以改变中心频率w0，而带宽保持不变。121整理ppt压控跟踪滤波器122整理ppt变频跟踪滤波器被测信号源乘法器乘法器90O移相器乘法器加法器90O移相器乘法器晶体滤波器中心频率

0低通滤波器1/N分频器e0e1e1e2e3e4e2e6e5e7e7e8e9e10e11带通滤波器中心频率

0晶体振荡器Nf0123整理ppt集成有源滤波芯片介绍1、单片集成五阶巴特沃斯低通滤波器MAX280内部开关电容网络RCRclkCclk(外部缓冲放大器)uo1(t)uo2(t)14632587-5v+5v(33pF)内部时钟电路ui(t)124整理ppt2、单片集成通用有源滤波器MAX263/264++∫++∫∞-++

分频比编码控制电路品质因数编码控制电路工作模式编码控制电路S2S3S11S2S3

qrrrr+−INGNDM0M1Q0~Q6CLKAOSCOUTLPBPN/HAF0~F4求和节点同相积分器S1N1N2同相积分器−N/HAAMAX263/26415141Q028Q1F1V¯GNDQ2Q3OSCOUT

F2F0Q4Q6Q5N/HABBPBLPBF3F4V+M0M1BPALPAINBINACLKBCLKA125整理ppt126整理ppt127整理ppt128整理ppt129整理ppt130整理ppt131整理ppt132整理ppt133整理ppt134整理ppt2.4信号的运算运算电路是测控电路的重要组成局部，广泛应用于各种仪器中。如在外表粗糙度的测量中，平均偏差Ra需要进行平均值、绝对值和积分等运算才能求得。运算电路分为模拟运算电路和数字运算电路两大类。一般来说，在精度要求低于0.1%的情况下，仍采用模拟运算电路来实现对测量信号的运算，更主要的是模拟运算电路具有运算实时性。在目前广泛使用的测试系统中，绝大多数的模拟运算电路都是有源的，即采用运算放大器。135整理ppt

运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将作为理想运放。理想运放的条件虚短路放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。虚开路运放工作在线性区的特点在分析信号运算电路时对运放的处理Exit136整理ppt2.4.1加减运算电路一、加法运算电路反相加法电路137整理ppt

输出端再接一级反相放大器，可消除负号，实现完全符合常规的算术加法。138整理pptExit同相加法电路139整理ppt二、减法运算电路利用加法运算电路实现减法运算

——将代表被减数的信号反相后，与代表减数的信号相加，从而实现减法。140整理ppt优点：输入端没有共模信号，允许U1、U2的共模电压范围较大。缺点：输入阻抗低。141用单一运算放大器实现减法运算142整理ppt

电路特点：有较大的共模输入电压，为了提高运算精度，要求放大器要有较高的共模抑制比。当143整理ppt2.4.2对数与指数运算电路1、对数运算电路

利用PN结的指数特性实现对数运算144整理ppt①因为UT和IS都是温度的函数，所以运算精度受温度影响；②在小信号时误差较大，因为这时和1相差不是很多；③二极管具有内阻，当电流较大时，压降也较大，其伏安特性于对数关系有较大的偏差；④电流的变化对校正系数m有影响。鉴于以上情况，该电路只有在某一段电流范围内能到达满意的精度，该范围只能到达一个至两个数量级。存在问题：145将二极管改为晶体管也可实现对数运算

当时，2.4.2对数与指数运算电路〔5-21〕146整理ppt

其中，IES是发射结反向饱和电流，vO是vI的对数运算。注意：vI必须大于零，电路的输出电压小于0.7伏利用虚短和虚断，电路有：147整理ppt特点及存在问题：

晶体管型对数电路的输入范围远远超过二极管型对数电路。一般情况下，集电极电流的工作范围为pA到mA数量级，即9个数量级。当然，只有在运算放大器的输入失调电流很小的情况下，才能充分利用此优点。上述对数电流的缺点是受温度影响较大，其主要原因是UT和Is随温度变化，当温度从20℃升到50℃时，UT增大10％，Is增加近10倍。为了消除Is的影响，可以采用由两个晶体管组成的具有温度补偿功能的对数电路。

148整理ppt电阻R4的作用是用来限制电流Ic1、Ic2。电容C1和C2是作相位补偿用的。R3可选适宜的正温度系数〔0.3﹪/K〕热敏电阻以补偿UT受温度的变化149整理ppt150整理pptvO是vI的指数运算〔指数运算〕要求说明：实用电路加有温度补偿电路二、指数运算电路利用虚短和虚断，电路有：151整理ppt152整理ppt153整理ppt假设采用运算放大器构成实用对数和指数运算电路，稳定性较差、很难取得高精度。因此，在实际应用时，应该优先考虑选用集成对数和指数运算电路。如美国ADI公司的AD8304的信号输入范围可达160dB，精度可达0.1dB，只需3.0～5.5V的单电源工作，但它的温度漂移仅有0.02mV/℃。154整理ppt2.4.4乘除与乘方开方运算电路集成乘法器有不少的品种。如美国ADI公司的AD632、AD534可以实现的运算，AD532、AD633、AD838可以实现的运算，而MLT04具有4路乘法器。AD539、AD734可以同时实现乘法和除法运算。利用乘法器可容易实现乘方与开方运算。〔见p131〕

155整理ppt2.4.4乘除与乘方开方运算电路

156157整理ppt158整理ppt159整理ppt2.4.5微分积分运算电路一、积分运算电路

——应用广泛，不仅用作积分运算，还可以利用它的充放电过程实现延时、定时以及产生各种波形。反相积分电路160整理ppt当Ui为常数时：适合做三角波或锯齿波发生器。161

实际情况：运算放大器的输入偏置电流Ib和输入失调电压U0s也随时间而积分，对积分器的输出有一定的影响。由此产生的输出电压变化可写成：假设取C=1uF，1uA的误差电流会使Uo以1V/s的速度增长。当输入Ui=0时：162整理ppt具有补偿Ib的积分电路采用以下图所示电路，Rp=R，Rp上压降为IbR。因此流经R上的补偿电流为：这一电流提供了偏差电流，于是误差电流被补偿了。163

预设、保持积分电路164整理ppt可以实现设置初始积分输出电压以及控制停止积分〔保持〕。设置初始状态，S1断开，S2接通，此时积分器工作在反相放大状态，输出为：

然后S1接通，S2断开，电路为一个积分器，对U1进行积分。再断开S1，积分电流为零，积分器输出保持不变，电路处于保持状态。实际电路中，S1和S2一般由场效应管构成。

165整理ppt二、具有特殊性能的积分电路1、增量积分电路〔比例积分电路〕补偿积分器复原和比较器滞后带来的误差UoUiOOttUib)R2R1R2R1Ui166整理ppt多重积分运算电路167整理ppt168整理ppt输出电压为：幅频特性曲线在对数坐标系中为一条+6dB/倍频程的直线——确定微分电路的简单原那么。二、微分运算电路当输入信号为正弦波169整理ppt170整理ppt171整理ppt调制解调的功用与类型1、在测试系统中为什么要采用信号调制？在测试系统中，进入测试电路的除了传感器输出的测量信号外，还往往有各种噪声。而传感器的输出信号一般又很微弱，将测量信号从含有噪声的信号中别离出来是测试电路的一项重要任务。为了便于区别信号与噪声，往往给测量信号赋予一定特征，这就是调制的主要功用。2.5信号调制解调电路172整理ppt2、什么是信号调制？调制就是用一个信号〔称为调制信号〕去控制另一个做为载体的信号〔称为载波信号〕，让后者的某一特征参数按前者变化。3、什么是解调？在将测量信号调制，并将它和噪声别离，放大等处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称为解调。173整理ppt4、在测试系统中常用的调制方法有哪几种？

在信号调制中常以一个高频正弦信号作为载波信号。一个正弦信号有幅值、频率、相位三个参数，可以对这三个参数进行调制，分别称为调幅、调频和调相。也可以用脉冲信号作载波信号。可以对脉冲信号的不同特征参数作调制，最常用的是对脉冲的宽度进行调制，称为脉冲调宽。174整理ppt175整理ppt5、什么是调制信号、载波信号、已调信号？调制是给测量信号赋予一定特征，这个特征由作为载体的信号提供。常以一个高频正弦信号或脉冲信号作为载体，这个载体称为载波信号。用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位的信号称为调制信号。在测试系统中，通常就用测量信号作调制信号。经过调制的载波信号叫已调信号。176整理ppt2.5.2调幅式测量电路

一、调幅原理与方法〔一〕概念和定义1、什么是调幅？调幅信号〔即调幅式测量电路中的已调信号〕和调制信号、载波信号的数学关系怎样表达？波形又是怎样？调幅就是用调制信号去控制高频载波信号的幅值。常用的是线性调幅，即让调幅信号的幅值按调制信号的线性函数变化。

177整理ppt载波信号为正弦波vc调幅信号〔即已调波〕v设调制信号为余弦波vΩvΩ=VocosΩt==Vocos2πft〔12-2〕178tvΩOtOucusa)调制信号b)载波信号Otc)双边带调幅信号179整理ppt2、什么是双边带调幅？设调制信号是角频率为Ω的余弦信号vΩ=VocosΩt对式〔12-2〕进行数学处理可得：v=Vcmcosωct+[VcmmAcos(ωc+Ω)t+VcmmAcos(ωc-Ω)t]/2它包含三个不同频率的信号:角频率为ωc的载波信号和角频率分别为ωc±Ω的上下边频信号。180整理ppt载波信号中不含调制信号vΩ=VocosΩt的信息，因此可以取其为0，只保存两个边频信号。这种调制称为双边带调制。其数学表达式为：v=VcmmAcosΩtcosωct为了正确进行信号调制必须要求ωc>>Ω，通常至少要求ωc>10Ω。181整理ppt3、在测试系统中被测信号的变化频率为0~100Hz，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？假设被测信号的变化频率为0~100Hz，那么载波信号的频率ωc>1000Hz。调幅信号放大器的通频带应为900~1100Hz。信号解调后，滤波器的通频带应>100Hz，即让0~100Hz的信号顺利通过，而将900Hz以上的信号抑制，可选通频带为200Hz。182整理ppt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)183整理ppt幅度调制