910信号调节.电桥仪用放大器调制与解调滤波调理

传感器信号调节—电桥教师：龚立娇石河子大学电气工程系2016年9月VBR4R3+-VoR1R2直流电桥及其平衡条件THEWHEATSTONEBRIDGEATBALANCE,VBRR-△RVoRR+△RVBR+△RR-△RVoR-△RR+△RVBR+△RRVoRR+△R恒压驱动时电桥的输出以及其线性VBRRVoRR+△RLineartyError:0.5%/%0.5%/%00(A)Single-Element(B)Two-Element(C)Two-Element(D)All-ElementVaryingVarying(1)Varying(2)VaryingR1R2i2voi1R4R3=R0(1+x)半桥单臂的非线性+-VrIb-+-1-0.50.51x-0.25-0.5vo/Vr0.25理想输出实际输出

(a)(b)引线用在桥式电路中KELVIN(4-WIRE)SENSINGMINIMIZESERRORSDUETOLEADRESISANCE+--+6-LEADBRIDGE+VBVO+FORCE+SENSESENSE-FORCERLEADRLEAD恒流源用在桥路中+-4-LEADBRIDGEVORLEADRLEADVREFRSENSECONDTANTCURRENTEXCITATIONMINIZESWIRINGRESISTANCEERRORSFigure16IIIVBRR

RR+△R使用仪器放大器REF使用仪用放大器可以使测量电流几乎为零，因此对前级的影响可以忽略不计。-++VS-VS*RGVOUT*SEETEXTREGARDINGSINGLE-SUPPLYOPEARATION仪用放大器IAv1v2特别需要注意，输入实际上必须是三端连接方式。信号一般不能只连接两个差动端。+--+-+v1v2vavbR2R1R2R3

R4R3

R4vovref全差动放大器差动放大器由于R1不必满足任何匹配条件，故我们可以用R1来控制差模增益而不影响CMRR9仪器放大器INA114是一个低成本的普通放大器。其电路结构与基本接法如图4-39所示。图4-39仪用放大器的特点现有单片集成仪用放大器:AD621AD623，INA116INA125等在仪器中得到广泛的应用

1、输入阻抗很高2、共模抑制比很高3、放大倍数调整容易有单运放:OP07等组成仪用放大器

(当Vref=0)应变片的贴法132F1－工作应变片2－补偿应变片3－弹性元件直接补偿法应变片的贴法

弹性元件上应变片的粘贴和电桥连接，应尽可能消除偏心和弯矩的影响，一般将应变片对称地贴在应力均匀的圆柱表面中部，构成差动对,且处于对臂位置，以减小弯矩的影响。横向粘贴的应变片具有温度补偿作用。

u0UER1R3R5R7R6R8R2R4R6R7R8R2R3R4R5图柱式力传感器应变片的粘贴与桥路连接R1(a)圆柱面展开图(b)桥路连接VBRR-re+rt

R

R+re+rt差动方式re

应变rt

温度带来的电阻变化一般上下两部分同时、同方向变化。在平衡点，由温度引起的电压变化为：0；虽然偏离平衡点影响不能完全消除，但也可大大减弱。差动方式可以改善系统的线性减轻温度等干扰的影响提高检测系统的灵敏度所以使用非常广泛。另外一个差动改善线性很好的例子在：4电抗式传感器中。VO热电偶效应对直流电桥的影响及

消除方法参考：热电偶效应；调制与解调；相关检测。这个电路的后级最简单的接法是使用电容隔直通交，然后接相敏检波或者锁定放大器。+-+Vo-+EIB+IB-T1T2VOSAMPCOPPERTRACESKOVARPINSTHERMOCOUPLEVOLTAGE使用交流电桥消除热电偶效应-Vo++E+Vo-+E+-+--+-+EOSEOSNORMALDRIVEVOLTAGESREVERSEDRIVEVOLTAGESEOS=SUMOFALLOFFSETERRORSVB

=-

VO+

EOSVA

=VO+

EOSVA-VB=(VO+

EOS)-(-

VO+

EOS)=2VO作业补充作业：1、Pt100用来测温，使用两线传输，距离100米，导线为20AWG，问由此可能产生多大的测量误差？（20AWG，33.2欧姆/km）2、证明左面电路的输出为：3、假定某一铂电阻温度计的电阻为100欧姆，放在空气中的d=6mW/K,试计算为使自热误差小于0.1摄氏度允许流过传感器的最大电流。VBRR

R+△RR+-+VS-VS+VS+--VSR2R1VOUT4.右图是使用三根引线引入应变片，从而消除引线的影响。分析原理。RLRLRLeoERGR4R3R2VBR

R+re+rt5.讨论左图电路采用差动结构后如何：改善系统的线性减轻温度等干扰的影响提高检测系统的灵敏度VOR-re+rtR（后面部分参考资料）电线电阻的影响电阻是通过对其通以电流然后测量其上的电压计算得到的。要得到大的灵敏度，电流不能很小；但较大的电流会在电阻的连接导线上产生压降，因此会影响测量精度。iRlVout=i(2Rl+Rt)RtVccRlR=10.5WCOPPERR=10.5WCOPPER100WPtRTDRESISTANCETCOFCOPPER=0.40%/℃@20℃RESISTANCETCOFPtRTD=0.385%/℃@20℃四线传输Pt100导线电阻去高阻抗测量仪表激励端测量端优点：电阻的测量通过分离开激励回路与测量回路而大大提高了测量精度。一般仪表的输入阻抗十分高，因此测量回路中在传输线上的压降可以忽略不计。RL1RL2RL3RL4RTIEX

+V0

-VBRR

RR+△R后备作业：直接使用差动放大器的典型电路-+RFRF+VSR1R1VBRR

R+△RR单敏感元件的线性化方法2+-+VS-VS+VS+--VSR2R1VOUTQ1Q3Q2Q4简单的交流电桥+E+EVOV1,2V1,2V3,4V3,4+SENSE-SENSEQ1,Q2ONQ1,Q2ONQ3,Q4ONQ3,Q4ONSIMPLIFIEDACBIDGEDROVECIRCUITLINEARIZINGASINGLE-ELEMENTVARYINGBRIDGEMETHOD1VBRR

RR+△R单敏感元件的线性化方法1+-+VS-VS*第五次课堂练习对于如图所示的单敏感元件电桥，如果电阻的变化范围为，估计输出的非线性。VBRR

R

R+△RVORESISTANCEOFPOPULARSENSORS应变桥荷重单元压力传感器湿度热电阻热敏电阻StrainGages120Ώ,350Ώ,3500Ώweigh-scaleloadceils350Ώ—3500ΏPressureSensors350Ώ—3500ΏRelativeHumidity100kΏ—10MΏResistanceTemperatureDevices(RTDs)100Ώ,1000ΏThermistors100Ώ—10MΏ20度时导线的电阻实例记下红线框中的数据，作业用到。部分铜导线的数据AWGb

102030绞合导线实心线37/2649/27实心线10/3026/34实心线7/38直径/mm2.6002.9212.9460.8130.8990.9140.2540.305直流电阻/W/km3.283.643.5833.2033.8632.97340.00338.58电桥的灵敏度Thesensitivityofabridgeistheratioofthemaximumexpectedchangeintheoutputvoltagetotheexcitationvoltage.Forinstance,ifVB=10V,andthefullscalebridgeoutputis10mV,thenthesensitivityis1mV/V.电桥需要考虑的问题SelectingConfiguration(1,2,4–ElementVarying)SelectionofVoltageorCurrentExcitationStabilityofExcitationVoltageorCurrentBridgeSensitivity:FSOutputExcitationVoltage1mV/Vto10mV/VTypicalFullscaleBridgeOutputs:10mV–100mVTypicalPrecision,lowNoiseAmplification/ConditioningTechniquesRequiredLinearizationTechniquesMayBeRequiredRemoteSensorsPresentChallenges

消除引线影响的另外一种方式IBRR-△RVoRR+△RIBR+△RR-△RVoR-△RR+△RIBR+△RRVoRR+△R恒流激励时各种电桥的输出及其线性IBRRVoRR+△RLineartyError:0.25%/%000(A)Single-Element(B)Two-Element(C)Two-Element(D)All-ElementVaryingVarying(1)Varying(2)Varying传感器信号调节—调制与解调教师：龚立娇石河子大学电气工程系2016年9月目的解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。

×调制解调

先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。例：通过电桥交流供电实现调制调制是指利用某种低频信号来控制或改变一高频振荡信号的某个参数(幅值、频率或相位)的过程。信号调制信号x(t)0t载波信号z(t)0ta)幅值调制(AM)b)频率调制(FM)c)相位调制(PM)←

y(t)的幅值随x(t)变化而变化←

y(t)的频率随x(t)变化而变化←

y(t)的相位随x(t)变化而变化调制类型401.幅值调制一、幅值调制与解调幅值调制是将一个高频载波信号（此处采用余弦波）与被测信号（调制信号）相乘，使高频信号的幅值随被测信号的变化而变化。幅值调制如图4-12所示。图4-12422.调幅信号的频域分析一个函数与单位脉冲函数卷积的结果是：将这个函数的波形由坐标原点平移至该脉冲函数处。调频信号的频谱如图4-13所示。图4-13433.调幅信号的解调方法（1）同步调节若把调幅波再次与原载波信号相乘，则频域的频谱图形将再一次进行“搬家”，气息结果是使原信号的频谱图形平移到0和±2f0的频率处。同步解调，如图4-14所示。图4-14上述调制方法，将信号x(t)直接与载波z(t)（））相乘。这种调幅波具有极性变化，解调时必须再乘与z(t)相位相同的z’(t)方能复原出原信号，故称同步解调。它要求有性能良好的线性乘法器，否则会引起信号失真。453.调幅信号的解调方法（1）同步调节若把调幅波再次与原载波信号相乘，则频域的频谱图形将再一次进行“搬家”，气息结果是使原信号的频谱图形平移到0和±2f0的频率处。同步解调，如图4-14所示。图4-14幅度调制与解调过程（频谱分析）乘法器放大器乘法器滤波器x(t)xm(t)z(t)x(t)X(f)Z(f)Z(f)X(f)低通滤波器调制与解调Xm(f)-fzfz-2fz2fz解调电路(相敏检波)回忆部分放大器相敏检波Rx振荡器传感器信号调节—滤波教师：龚立娇石河子大学电气工程系2016年9月

滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。一、概述滤波基

本

概

念2、一阶阻容滤波器及其他滤波器的传递函数单极点低通滤波器+E1(S)-RI(S)CE2(S)2、一阶阻容滤波器及其他滤波器的传递函数单极点低通滤波器单极点低通滤波器幅频相频特性

幅度(dB)相角(度)0-4-8-12-16-200-20-40-60-800w

0

w6dB/oct-3dB+E1(S)-RI(S)CE2(S)6dB/oct（6dB/倍频程）相当于：20dB/dec一阶高通滤波器CE1(S)RE2(S)滤波器的串/并联

低通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。低通和高通滤波器的串联成为带通滤波器LPFHPF低通和高通滤波器的并联成为带阻滤波器LPFHPF滤波器1.理想滤波器—是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。fj

(

f

)-fcfc以理想的低通滤波器为例，其特性为-fc|H(

f

)|fcf0二、滤波器性能分析理想滤波器的物理不可实现

理想滤波器在时域内的脉冲响应函数

h(t)为

sinc函数。脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸。

给理想滤波器一个脉冲激励，在t=0

时刻单位脉冲输入滤波器之前，滤波器就已经有响应了。故为物理不可实现。fcH(f)2.实际滤波器的特征参数

理想滤波器是不存在的，实际滤波器幅频特性中通带和阻带间没有严格界限，存在过渡带。0fA滤波器又称-3dB带宽，单位为Hz。带宽表示滤波器的分辨能力，即滤波器分离信号中相邻频率成分的能力。0ffc1fc2A00.707A0(1)截止频率fc：0.707A0所对应的频率。(3)纹波幅度d：通带中幅频特性值的起伏变化值。(4)品质因子Q：中心频率和带宽之比。BQ=f0

/B2d(2)带宽B：上下两截止频率之间的频率范围。B=fc2-fc1f0d值应越小越好Q越大，则相对带宽越小，滤波器的选择性越好。

从阻带到通带或从通带到阻带，实际滤波器有一个过渡带，过渡带的曲线倾斜度代表着幅频特性衰减的快慢程度，通常用倍频程选择性来表征。倍频程衰减量以dB或dB/oct表示(Octave，倍频程)。衰减越快（即W值越大），滤波器的选择性越好。或

指在上截止频率fc2

与2fc2

之间或下截止频率fc1与fc1/2

之间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。(5)倍频程选择性W

定义为滤波器幅频特性的-60dB带宽与-3dB带宽的比，即对理想滤波器有

l

=

1。对普通使用的滤波器，l

一般为1~5。(6)滤波器因数(矩形系数)l滤波器RC带通滤波器可以看作为高通滤波器和低通滤波器的串联

滤波器带通带阻滤波器?R1C1C2ui+uoR2+带通滤波器(图4-26）

一阶RC滤波器在过渡带内的衰减速率非常慢，每个倍频程只有6dB（见上图），通带和阻带之间没有陡峭的界限，故这种滤波器的性能较差，因此常常要使用更复杂的滤波器。滤波器

电感和电容一起使用可以使滤波器的谐振特性相对于一阶RC电路产生较为陡峭的滤波器边缘。图4-28中给出了一些此类滤波器的构成方法。滤波器

通过采用多个RC环节或LC环节级联的方式(见图4-29)，可以使滤波器的性能有显著的提高，使