信号调理装置

SignalConditioningApparatus第4章信号调理装置

学习测量电桥、测量放大器、调制器与解调器、滤波器等信号调理装置的工作原理、基本特性等知识。学完本章后，应对各种信号调理装置的功能特点有较清楚的了解，初步具备正确设计、选用各种信号调理装置的能力。电桥、幅值调制、RC滤波器的工作原理和特性。重点难点信号的调制原理。

学习目标重点与难点4.1测量电桥4.2测量放大器4.3调制器与解调器4.4滤波器学习内容

电桥是一种常用的电子线路，用来将电桥某些参数的微小变化转换成较大的电压或电流输出。用于测量装置中的电桥称为测量电桥，被转换的参数通常为传感器的电阻、电感、电容或传感器输出的电压等。测量装置中最常用的电桥是惠斯登电桥。

4.1测量电桥ElectricBridgeforMeasurement电桥的输出：——供桥电源（桥压）——电桥输出——电桥的四个桥臂惠斯登电桥电桥的平衡条件：或4.1.1电桥的分类1.按电桥供电电源的性质分

●直流电桥——采用直流电源供电

●交流电桥——采用高频稳幅交流电源供电直流电桥交流电桥2.按桥臂元件的阻抗性质分纯电阻电桥阻抗角●纯电阻电桥阻抗角纯电容电桥●纯电容电桥●纯电感电桥阻抗角纯电感电桥容性：感性：容性电桥、感性电桥●容性电桥、感性电桥3.按电桥输出的测量方式分平衡电桥（零位法）不平衡电桥（偏差法）●平衡电桥——使电桥处于平衡状态后读数●不平衡电桥——读数时电桥处于不平衡状态

采用直流电源供电，四个桥臂元件均为纯电阻。电桥输出直流电桥的平衡条件：为简化设计和分析，一般将四臂电阻设计成相等，即4.1.2直流电桥直流电桥

将传感器（如电阻应变片）接入电桥的某些桥臂上，则电桥的输出就与被测量的变化有一一对应关系。传感器可以三种形式接入电桥（交流电桥亦同）。1.半桥单臂连接

当时，电桥的输出为

注意：电桥的输出与传感器电阻变化之间为非线性关系！2.半桥双臂连接●工作桥臂相邻连接时，两电阻变化的极性应相反；●工作桥臂相对连接时，两电阻变化的极性应相同。

当时，电桥的输出为3.全桥连接●相对桥臂的电阻按相同极性变化；●相邻桥臂的电阻按相反极性变化。半桥双臂连接和全桥连接也称为电桥的差动连接。

半桥双臂接法的灵敏度比半桥单臂接法高一倍；全桥接法的灵敏度又比半桥双臂接法高一倍。

当时，电桥的输出为差动连接应变片的贴法半桥双臂全桥差动连接的优点：（同样适用于差动传感器等装置）●可以提高灵敏度；●可以极大地改善固有的非线性；●可对由温度等因素变化所造成的同极性影响进行补偿（抵消）。差动连接●所需的高稳定度直流电源容易获得；●输出可用直流仪表直接测量显示；●易于实现电桥的平衡调节；●输出需接直流放大器，易受零漂和接地电位的影响。直流电桥的特点：

采用高频稳幅交流电源供电，四个桥臂元件一般是电阻、电容、电感或它们的复合。交流电桥的输出一般为调幅信号：4.1.3交流电桥交流电桥各种桥臂元件的交流阻抗用复数表示：或或——阻抗的模——阻抗角交流电桥的平衡条件：即——模平衡条件——相位平衡条件●输出为高频调幅波，不易受外界工频干扰；●转换精度较高；●后接的交流放大器结构简单、零漂小；●易于实现不失真测试；●输出调幅波一般需经相敏检波器进行解调；●供桥电源要具有较高的幅值、频率稳定性和良好的波形。交流电桥的特点：

电桥的两个桥臂由传感器或变压器的两个感应耦合线圈所构成，另两个桥臂则是固定的电抗元件或差动传感器的电感、电容等。差动电感传感器电桥4.1.4带感应耦合臂的交流电桥差动变压器电桥

差动电容传感器电桥

带感应耦合臂交流电桥的特点：

●克服了寄生参数（寄生电容、电感等）的影响；●使用变压器可隔离直流干扰；●频率范围较宽，性能稳定、灵敏度及转换精度较高。测量放大器的特点：

测试装置中常见的放大器包括：基本运算放大电路、专用放大电路、单片集成测量放大器、功率放大电路、隔离放大电路、增益调整放大电路等。●广泛使用各种集成放大器，其中以由集成运算放大器组成的数学运算放大器和专用测量放大器应用最多；●广泛采用各种负反馈技术来改善放大器的性能。4.2测量放大器AmplifierforMeasurement4.2.1理想运算放大器与实际运算放大器开环放大倍数A

失调电压偏流输入阻抗

输出阻抗特性理想运放实际运放或更高∞∞000±1mV（25℃）或更高1.反相比例运算电路4.2.2常用放大电路反相比例运算电路反相比例加法器若则2.同相比例运算电路同相比例运算电路电压跟随器3.求差运算电路（差动放大电路）

差动放大电路若则4.微分运算电路

微分运算电路

5.积分运算电路

积分运算电路6.对数运算电路对数运算电路7.精密整流电路精密全波整流电路

当满足时,电路就能够输出非常精确的全波整流波形。1.调制（Modulation）用原始缓变信号（通常为被测信号）控制高频信号的某个特征参数（幅值、频率或相位），使已调波的相应参数随被测信号的变化而变化。4.3.1调制与解调2.解调（Demodulation）从已调波中恢复原始缓变信号。4.3调制器与解调器ModulatorandDemodulator●

调制信号——用来控制高频信号的缓变信号●

载波——被控的高频信号●

已调波——经过调制后所得到的高频信号（调幅波、调频波等）3.信号的调制方法●幅值调制（调幅，AM）●频率调制（调频，FM）●相位调制（调相，PM）●脉冲宽度调制（调宽，PWM）调幅过程的频谱变化●

提高信号传输中的抗干扰能力和信噪比，且有利于信号的远距离传输●便于实现不失真测试

4.调制的目的4.3.2调幅及其解调（鉴幅）●在时域内，调幅就是用调制信号与高频载波信号相乘，所得到的高频已调波（称为调幅波或调幅信号）的幅值随调制信号的变化而变化。1.调幅原理●在频域内，调幅过程是一个“频谱搬移”过程。

●调幅波的频谱分布在相对变化很窄的一个范围内，有利于信号的交流放大、有用信号与无用信号的鉴别，易于保证不失真测试条件的实现。●调幅过程中的载波不仅要保证幅值的高度稳定，其频率也要足够高。一般要保证。2.调幅装置（调幅器）交流电桥调幅

凡是能实现信号相乘的装置都可作为调幅器（例如：交流电桥、霍耳传感器等）。3.调幅的解调（鉴幅）及解调器■同步解调

■包络检波

包络检波适用于调制信号为单边（单极性）变化的调幅信号的解调。

包络检波通过整流、滤波两个环节，将调幅波中的包络线（低频成分，与原信号波形一致）还原出来，即得到了原信号的波形。●整流——将双边变化的调幅信号整理成单边变化的调幅信号；●滤波——滤除单边变化调幅信号中的高频成分。

常用的包络检波电路有：二极管环形检波电路、精密整流电路+滤波电路等。■相敏检波二极管环型相敏检波电路的幅值应远大于的幅值，各二极管的导通与截止主要取决于。的频率可以是频率的1倍或2倍。单边调制信号的相敏检波双边调制信号的相敏检波4.调幅的应用

动态电阻应变仪

1.调频原理

调频是将调制信号的变化转换成调频波频率的变化。具体地讲，就是用调制信号控制一振荡器，使振荡器的振荡频率随调制信号的变化而变化。

调制信号为零时，振荡器输出的调频波的频率称为中心频率（即载波频率f0）。调制信号为“+”时，f>f0；调制信号为“-”时，f<f0。4.3.3调频及其解调（鉴频）2.调频装置（调频器）■直接调频电路设则谐振频率■压控振荡器（VCO）

单片压控振荡器芯片：MAX2622~MAX2624等3.调频的解调（鉴频）实现鉴频的装置称为鉴频器。

谐振式振幅鉴频器

滤波器的作用是使信号中某些特定的频率成分通过，极大地衰减其他频率成分。滤波器在抑制噪声干挠、平滑信号、分离信号中不同频率成分中起着重要作用，它是信号转换和数据处理不可缺少的有力工具。

4.4滤波器Filter4.4.1滤波器的基本知识1.滤波器的分类●低通滤波器●高通滤波器●带通滤波器●带阻滤波器■按选频范围分●电子滤波器●机械滤波器●光学滤波器

……■按工作原理分四类滤波器的幅频特性——下截止频率——上截止频率2.理想滤波器

理想滤波器在其通频带内应满足不失真测试条件，即幅频特性为常数，相频特性与频率保持线性关系，阻带内的幅频特性应等于零。其频率响应函数应为

（通带内，为常数）（阻带内）●理想滤波器是非因果系统，在物理上是不可能实现的。

●理想滤波器的建立时间与滤波器的带宽B成反比，它们的乘积为常数。即建立时间

建立时间反映了滤波器对输入的响应速度（滤波时间）；带宽反映了滤波器的频率分辨力。——二者相矛盾3.实际滤波器的特征参数实际带通滤波器的幅频特性曲线

●中心频率

●带宽●幅频特性平均值

●纹波幅度●截止频率●品质因数●频率选择性滤波器因数倍频程选择性或

4.4.2无源RC滤波器传递函数上截止频率

时间常数过渡带：-20dB/十倍频程

-20dB/dec幅频特性1.一阶无源RC低通滤波器

2.一阶无源RC高通滤波器传递函数过渡带：-20dB/十倍频程

-20dB/dec幅频特性下截止频率

时间常数3.二阶无源RC带通滤波器传递函数截止频率过渡带：-40dB/十倍频程-40dB/dec时间常数（交叉时间常数）

1.一阶有源RC滤波器传递函数截止频率通带增益优点：●有增益（放大）●有隔离作用（减小负载效应）

4.4.3有源RC滤波器一阶有源RC低通滤波器（同相输入）传递函数截止频率通带增益

一阶有源RC低通滤波器（反相输入）2.二阶有源RC滤波器■无限增益多路负反馈型无限增益多路负反馈型二阶有源RC滤波器的基本结构——元件的复数导纳可构成低通