第五章 检测电路设计及信号调理(附一)

第五章检测电路设计

5.1信号调理电路

5.2信号变换技术

5.3噪声及干扰抑制技术

12/14/20231<<test&measurementtechnolgy>>5.1信号调理电路

5.1.1放大电路1、几个基本概念等效电路共模电压、差模电压（常模电压）差模放大倍数、共模放大倍数共模抑制比12/14/20232<<test&measurementtechnolgy>>5.1.1放大电路（续）2、集成运算放大器3、比例放大电路12/14/20233<<test&measurementtechnolgy>>5.1.1放大电路（续）12/14/20234<<test&measurementtechnolgy>>5.1.1放大电路（续）4、仪用放大电路12/14/20235<<test&measurementtechnolgy>>5.1.2滤波电路1、基本概念通带增益A0谐振频率f0、截至频率fp

频带宽度BW品质因素Q、阻尼系数ξ12/14/20236<<test&measurementtechnolgy>>5.1.2滤波电路

（续）2、无源滤波器和有源滤波器12/14/20237<<test&measurementtechnolgy>>5.1.2滤波电路

（续）3、二阶RC有源低通滤波器12/14/20238<<test&measurementtechnolgy>>5.1.2滤波电路

（续）3、二阶RC有源低通滤波器12/14/20239<<test&measurementtechnolgy>>5.1.2滤波电路

（续）4、其它有源滤波器的设计12/14/202310<<test&measurementtechnolgy>>5.1.3调制与解调电路1、调制信号12/14/202311<<test&measurementtechnolgy>>5.1.3调制与解调电路（续）2、解调电路12/14/202312<<test&measurementtechnolgy>>5.2信号变换技术

5.2.1测量电桥1、基本概念特点：灵敏度高线性好测量范围宽容易实现温度补偿分类：直流电桥

交流电桥电阻应变式测力称重传感器电感式、差动变压器式、电容式传感器12/14/202313<<test&measurementtechnolgy>>5.2.1测量电桥（续）(1)(2)(3)(4)(5)12/14/202314<<test&measurementtechnolgy>>5.2.1测量电桥（续）2、电桥放大器电源浮置的电桥放大器差分输入式电桥放大器12/14/202315<<test&measurementtechnolgy>>5.2.2电压－电流转换为了减少长线传输过程中线路电阻和负载电阻的影响，可以将直流电压变换成直流电流后进行传输。信号制式：被测量电压→4～20mA。12/14/202316<<test&measurementtechnolgy>>5.2.3电压－频率转换

电压－频率转换将模拟输入电压转换成与之成正比的振荡频率。可提高信号传输的抗干扰能力，还可节省系统接口资源。12/14/202317<<test&measurementtechnolgy>>5.2.4模拟－数字转换

1、采样与量化12/14/202318<<test&measurementtechnolgy>>5.2.4模拟－数字转换（续）

2、双积分式A/D转换12/14/202319<<test&measurementtechnolgy>>5.2.4模拟－数字转换（续）

3、逐次比较式A/D转换12/14/202320<<test&measurementtechnolgy>>5.2.4模拟－数字转换（续）

3、逐次比较式A/D转换12/14/202321<<test&measurementtechnolgy>>5.2.4模拟－数字转换（续）

4、增量调制型A/D转换12/14/202322<<test&measurementtechnolgy>>5.3噪声及干扰抑制技术

噪声及干扰的来源：自然界的雷电、无线电发射装置发出的电磁波、生产现场的电弧、高压发电、电火花加工产生的电磁干扰、电源产生的工频干扰等噪声及干扰的危害：降低检测装置的分辨力和灵敏度，或引起放大器饱和而进入非线性区，甚至使整个检测系统工作失常抗干扰措施：1、接地技术2、屏蔽技术3、平衡技术4、调制解调技术5、电源退耦、滤波技术6、隔离技术7、看门狗技术12/14/202323<<test&measurementtechnolgy>>5.3.1干扰的传播途径

1、静电耦合

2、电磁耦合

12/14/202324<<test&measurementtechnolgy>>5.3.1干扰的传播途径（续）

3、电磁辐射

4、共阻抗耦合

12/14/202325<<test&measurementtechnolgy>>5.3.2屏蔽技术

12/14/202326<<test&measurementtechnolgy>>5.2.3接地技术

1、采样与量化12/14/202327<<test&measurementtechnolgy>>5.2.3接地技术（续）1、采样与量化12/14/202328<<test&measurementtechnolgy>>5.2.4驱动技术

1、采样与量化12/14/202329<<test&measurementtechnolgy>>12/14/202330<<test&measurementtechnolgy>>4.2调制与解调调制是指利用某种信号来控制或改变普通为高频振荡信号的某个参数（幅值、频率或相位）的过程。当被控制的量是高频振荡信号的幅值时，称为幅值调制或调幅；当被控制的量为高频振荡信号的频率时，称为频率调制或调频；当被控制的量为高频振荡信号的相位时，则称为相位调制或调相。12/14/202331<<test&measurementtechnolgy>>将控制高频振荡的低频信号称调制波，载送低频信号的高频振荡信号称为载波，而将经过调制过程所得的高频振荡波称已调制波。从时域上讲，调制过程即是使载波的某一参量随调制波的变化而变化，而在频域上，调制过程则是一个移频的过程。解调则是从已调制波信号中恢复出原有低频调制信号的过程。调制与解调(MODEM)是一对信号变换过程,在工程上常常结合在一起使用。12/14/202332<<test&measurementtechnolgy>>幅值调制原理： 设x(t)为被测信号，y(t)为高频载波信号，若选择余弦信号：y(t)=cos2πf0t，则已调制信号xm(t)为x(t)与y(t)的乘积：xm(t)=x(t)cos2πf0t。由傅里叶变换性质知： 则有

（4.25）12/14/202333<<test&measurementtechnolgy>>调幅的过程在频域上就相当于一个移频的过程。

图4.14幅值调制原理（a）时域（b）频域12/14/202334<<test&measurementtechnolgy>>调制信号为正弦信号

设调制信号为x(t)=ASsinωSt， 载波信号为y(t)=ACsinωCt,

则经调制后的已调制波为 采用三角积化和差公式： 将上式应用于公式（4.26）得(4.26)(4.27)(4.28)12/14/202335<<test&measurementtechnolgy>>已调制波信号的频谱是一个离散谱，仅仅位于频率ωc-ωs和ωc+ωs处，即以载波信号ωc为中心，以调制信号ωs为间隔的左右两频率（边频）处。其幅值大小则等于As与Ac乘积之半。图4.15正弦信号的幅值调制12/14/202336<<test&measurementtechnolgy>>幅值调制装置实质上是一个乘法器，经常采用电桥来作调制装置，其中以高频振荡电源供给电桥作为装置的载波信号，则电桥输出ey便为调幅波。图例中电桥的电压为5V，频率为3000Hz。若测量的应变量其频率变化比如为0～10Hz，电桥输出信号的频谱在2990和3010Hz之间。图4.16电桥调幅装置应用12/14/202337<<test&measurementtechnolgy>>幅值调制的解调同步解调法原理：

将调幅波再经一乘法器与原载波信号相乘，则调幅波的频谱在频域上将再次被进行移频。由于载波信号的频率仍为f0，因此，再次移频的结果是使原信号的频谱图形出现在0和的2f0频率处。由于在解调过程中所乘的信号与调制时的载波信号具有相同的频率与相位，因此这一解调的方法称为同步解调。时域分析上有：(4.34)12/14/202338<<test&measurementtechnolgy>>图4.19同步解调原理12/14/202339<<test&measurementtechnolgy>>整流检波原理： 对调制信号偏置一个直流分量A，使偏置后的信号具有正电压值。对该信号作调幅后得到的已调制波xm(t)的包络线将具有原信号形状。对该调幅波xm(t)作简单的整流（全波或半波整流）和滤波便可恢复原调制信号。12/14/202340<<test&measurementtechnolgy>>图4.20调制信号加偏置的调幅波（a）偏置电压足够大（b）偏置电压不够大12/14/202341<<test&measurementtechnolgy>>相敏解调原理：相敏解调或相敏检波能用来鉴别调制信号的极性，利用交变信号在过零位时其正、负极性发生突变，使调幅波相位与载波信号相比较也相应地产生180°相位跳变，从而既能反映原信号的幅值又能反映其相位。12/14/202342<<test&measurementtechnolgy>>图4.21二极管相敏检波器及其工作原理(a)R(t)>0,0~π(b)R(t)>0,π~2π(c)与(d)R(t)<012/14/202343<<test&measurementtechnolgy>>图4.22相敏解调过程的波形转换情形

12/14/202344<<test&measurementtechnolgy>>相敏解调器解调的波形转换过程： 当调制信号R(t)为正时(图4.22(c)中的0~t1时间内)，检波器相应输出为ey1。从图4.21(a)和(b)中可以看到，无论在0~π或π~2π时间里，电流if流过负载Rf的方向不变，即此时输出电压ey1为正值。 当R(t)=0时（图4.22(b)中的t1点），负载电阻Rf两端电位差为零，因此无电流流过Rf，此时输出电压ey1=0。

当调制信号R(t)为负时(图4.22(b)中的t1～t2段)，调幅波ey相对于载波e0的极性正好相差180°，此时从图4.21(c)和(d)中可看到，电流流过Rf的方向与前相反，即此时输出电压ey1为负值。12/14/202345<<test&measurementtechnolgy>>分析：通过相敏检波可得到一个幅值和极性均随调制信号的幅值与极性改变的信号，它真正地重现了原被测信号。在电路设计时应注意的是，变压器B副边的输出电压应大于变压器A副边的输出电压。相敏检波的应用：动态应变仪。图4.24动态应变仪方框图12/14/202346<<test&measurementtechnolgy>>4.3 滤波一、概述二、滤波器的一般特性三、滤波器类型介绍四、滤波器综合运用五、其它种类的滤波12/14/202347<<test&measurementtechnolgy>>一、概述滤波：选取信号中感兴趣的成分，而抑制或衰减掉其它不需要的成分。滤波器：能实施滤波功能的装置。滤波方式的分类：对输入量滤波（简称输入滤波）；对输出量滤波（简称输出滤波）。图4.33滤波的一般方式（a）输入滤波（b）输出滤波12/14/202348<<test&measurementtechnolgy>>系统的输入—输出关系

期望输入iD:仪器专门意图要测量的物理量；干扰输入iL:仪器无意中所敏感的物理量；修正输入iM:对期望输入和干扰输入的输入——输出关系产生一种改变的量。图4.32系统输入—输出结构12/14/202349<<test&measurementtechnolgy>>不同滤波种类举例（一）12/14/202350<<test&measurementtechnolgy>>不同滤波种类举例（二）12/14/202351<<test&measurementtechnolgy>>不同滤波种类举例（三）图4.34不同滤波种类例子12/14/202352<<test&measurementtechnolgy>>根据其选频的方式分类：低通滤波器；高通滤波器；带通滤波器；带阻滤波器。图4.35不同滤波器的幅频特性（a）低通（b）高通（c）带通（d）带阻12/14/202353<<test&measurementtechnolgy>>二、滤波器的一般特性

对于一个理想的线性系统来说，若要满足不失真测试的条件，该系统的频率响应函数应为： 若一个滤波器的频率响应函数H(f)具有如下形式： 则该滤波器称为理想低通滤波器。图4.36理想低通滤波器的幅、相频特性（4.55）（4.56）12/14/202354<<test&measurementtechnolgy>>理想低通滤波器对单位脉冲的响应 将单位脉冲输入理想低通滤波器，则它的响应

若考虑t0≠0，亦即有时延时， 理想低通滤波器:脉冲响应函数其波形在整个时间轴上延伸，且其输出在输入到来之前，亦即t<0时便已经出现。理想低通滤波器，在物理上是不可实现的。

图4.37理想低通滤波器的脉冲响应(4.57)12/14/202355<<test&measurementtechnolgy>>理想低通滤波器对单位阶跃的响应 给理想低通滤波器输入一阶跃函数 滤波器的响应为 其中图4.38理想低通滤波器对单位阶跃输入的响应（a）无相角滞后，时移t0=0（b）有相角滞后，时移t0≠0（4.58）12/14/202356<<test&measurementtechnolgy>>结论：建立时间(tb-ta)：输出从零（图中a点）到稳定值A0(b点)经过的时间。建立时间的意义：输入信号突变处必然包含有丰富的高频分量，低通滤波器阻挡住了高频分量。通带越宽，衰减的高频分量便越少，信号便