《测试技术》第3章 信号转换与调理

第3章信号转换与调理测试技术1.根据被测对象的特点、现场工况条件和对测试信号的要求，制定合理的测试方案，确定信号转换与调理电路的总体方案；2.根据测试系统的要求，恰当选择转换与调理电路的核心元器件，构建并调试配套的外围电路。本章能力培养目标：1便于信号的传输与处理信号转换与调理的目的：

1.传感器输出信号很微弱，无法直接驱动显示记录仪表，需要进行放大。

4.能量转换型传感器输出的是电信号，但混杂有干扰噪声，需要进行滤波，提高信噪比。2.传感器输出信号不仅微弱，而且变化缓慢(频率低)，若用交流放大器放大，需要进行调制解调处理。

3.能量控制型传感器输出的是电参量，需要转换成电信号才能进行处理(电桥)。

5.传感器输出信号若送给计算机进行分析与处理时，必须进行A/D转换；为了实现远距离传输，必须进行V/I或V/F转换。2放大器的性能要求：开环增益足够大，闭环增益可调；输入阻抗高(与传感器输出阻抗相匹配)，输出阻抗低；共模抑制比高：CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc；足够的带宽和转换速率；漂移小、噪声低、输入失调电压低、输入失调电流小。3.1.1信号放大

3.1信号转换与放大31.反相放大器特点：性能稳定，但输入阻抗低。而且提高输入阻抗与提高增益之间存在矛盾。3.1.2信号放大R3UiR1R2∞A-++Uo4特点：输入阻抗高，但精度低，易受干扰。

2.同相放大器R2R3UiR1∞A-++Uo3.1.2信号放大53.差动放大器取R1=R3，R2=R4，则R3UoR4Ui2R1R2Ui1∞+-+AUid=Ui2﹣Ui1

Uic=(Ui1+Ui2)/2特点：CMRR高，但输入阻抗较低，增益调节困难。3.1.2信号放大64.仪用放大器A1A2：两个对称的同相放大器，以提高输入阻抗；A3：差动放大器，以抵消前级的共模干扰，而且还将双端输入转换为单端输出，适应对地负载的需要。3.1.2信号放大73.1.2信号放大8集成仪用放大器INA114的内部结构：9案例：INA114与测量电桥的连接RPUoINA11418327654+5V-5V10案例：INA114在光功率自动控制电路中的应用

光功率自动控制电路的作用：克服供电电源波动或光源老化等因素的影响，确保光源输出功率稳定。11当LD因某种原因功率增大时，耦合至光敏二极管PIN的光电流也同比例增大，从而使电阻R1上的电位升高。此时INA114的输出电压Uo降低，即U1也降低，流过激光器LD的电流I也相应降低，从而达到降低LD辐射功率。

125.程控增益放大器13案例：AD526在超声波测距中的应用微处理器根据输入信号的幅值自动调整AD526的增益，保证在整个测量范围处理后的回波信号具有合适的动态范围。

模拟开关：保证在发射超声波时接收电路关闭，避免干扰。

141.电压-电流转换

作用：减小传输导线阻抗对信号的衰减

（1）负载浮地型V/I转换电路

优点：与负载电阻RL无关，具有恒流特性。缺点：负载必须悬浮，不能接地，不适用于某些应用场合。3.1.2信号转换15（2）负载接地型V/I转换电路

(取)3.1.1信号转换16案例：AD694在啤酒发酵温度控制系统中的应用

LM35温度传感器对发酵罐内温度进行采样，信号放大后经A/D转换送至微处理器。微处理器根据模糊积分控制算法的运算结果将控制信号输出至D/A转换器，再放大为0-10V的电压信号，最后利用AD694进行V/I转换，得到4-20mA的电流信号，自动调节冷却阀门的开度，使冷却夹套内的冷媒带走多余的反应热，实现发酵罐温度的控制。

17利用AD694进行V/I转换的电路：

输入量程选择引脚4悬空，表示输入电压范围为0-10V，4mA偏置电流选择引脚9接地，表示输出电流范围4-20mA。由于感性负载电流输出引脚11与地之间跨接0.01μF的电容，二极管VD1和VD2防止负载电压过高或过低时损坏AD694。

18要求:（1）电流源内阻RS很大，减小输入失调电压影响；（2）IS>>Ib——运放的输入偏置电流。2.电流-电压转换简单方法：在输出电路中串接精密电阻，通过测量电阻两端的电压即可完成转换，但对后续电路会产生负载效应。（1）反相输入型Uo∞-+A+IS

RSR2R1I3.1.1信号转换19（2）同相输入型要求：R4=R2//R3例如：4~20mA→0~10V

取R1=250Ω，I=

4~20mA→

Ui=1~5V→Uo=0~10V

，，，，Uo∞-+A+UbR3R1I

R4R2Ui3.1.1信号转换203.电压-频率转换

当Uo1=0>UREF时，输出Uo为高电平，V1截止，积分器对Ui积分，使Uo1减小。当Uo1<UREF时，Uo将跃变为低电平，V1导通，C1迅速放电，使Uo1增大，如此重复电路产生自激振荡。21案例：LM331在香烟包装机温度检测中的应用

热电偶输出的电压信号放大后再利用LM331转换为频率信号，频率信号经长距离传输通过光电隔离送入微处理器，微处理器对该频率信号进行处理，输出控制信号经功率放大后驱动可控硅，利用过零触发方式控制加热器电源的通断。

3.1.1信号转换22利用LM331进行V/F转换的电路：

Rt、Ct、A2、V1和RS触发器组成单稳定时器。

R1和C1组成低通滤波器，减少输入电压的干扰，提高转换精度。RS用于调节充电电流IS。23案例：LM331在齿轮转速测量中的应用4.频率-电压转换

3.1.1信号转换245.模拟信号-数字信号转换双积分型：对输入信号的交流干扰有较强的抑制能力，精度较高，缺点是转换速度较慢。逐次逼近型：转换速度较快，精度较高，而且电路较为简单，因此应用最为广泛，种类也最多。并行比较型：转换速度最快，但难以达到很高的分辨率，且电路复杂，功耗大，成本高。A/D转换过程：采样、量化和编码采样：在时间上离散，用模拟信号与脉冲序列相乘实现。量化：在幅值上离散，利用四舍五入规则，用有限个某一最小当量的整数倍数值来代替采样值。编码：编码与量化同时完成，通常用二进制码表示。3.1.1信号转换25A/D转换器的技术指标：分辨率：对应一个数字输出的模拟输入电压有一定范围，若超过这个幅度范围，数字输出就会发生变化，能分辨的输入模拟电压的最小变化量叫做分辨率。通常用一个单位分辨率(LSB)或输出二进制位数来表示。或量化误差：通过量化将连续量转换成离散量，必然存在类似于四舍五入产生的误差，最大量化误差=±LSB/2。3.1.1信号转换且

26转换精度：实际ADC在量化值上与理想ADC量化值的差值，可用绝对误差或相对误差表示。由于实际ADC

的量化值除了含有量化误差外，还有非线性误差、使用元件和噪声等产生误差。A/D转换器的技术指标：转换时间：完成一次转换所需要的时间，转换速率是转换时间的倒数。双积分型转换速率较低，转换时间为毫秒级，可用于温度、压力或流量等缓慢变化的信号检测。逐次逼近型属于中速ADC转换器，可用于多通道数据采集或声频数字转换等领域。并行转换型转换速率很高，适用于雷达、数字通信、实时光谱分析、实时信号记录或视频数字转换等。3.1.1信号转换27案例：AD1674与89C51的接口电路

286.数字信号-模拟信号转换案例：DAC1208与89C51的接口电路

转换结果通过IOUT1和IOUT2以电流形式输出，运算放大器A的作用是将输出电流转换为电压，输出电压为单极性方式，且29DAC1208的双极性电压输出方式：

当被控对象需要双极性电压时，可用两个运算放大器A1和A2，输出电压为当参考电压UREF为正时，若输入数字量的最高位d11为“1”，则输出电压uo2为正；若d11为“0”，则uo2为负。

30案例：DAC1208在程控低通滤波器中的应用

DAC1208的参考电压UREF由电压跟随器A1提供，频率特性为：低通滤波器的截止频率

与输入的12位数字量D有关，利用微处理器改变D值即可改变截止频率。313.2.1直流电桥*平衡条件1.电桥的工作原理3.2测量电桥

电压或电流第3章信号转换与调理32(输出对称电桥)（2），（1）(全等臂电桥)若，且在实际应用中：3.2.1直流电桥332.电桥的连接方式单臂电桥

差动半桥差动全桥3.2.1直流电桥343.电桥的加减特性及其应用

工程上利用电桥的加减特性，可以提高灵敏度、温度补偿和消除干扰因素等。

当电桥相邻臂阻值增量相反，相对臂阻值增量相同时，电桥输出增大；当电桥相邻臂阻值增量相同，相对臂阻值增量相反时，电桥输出减小。这一特性称为电桥的加减特性。35电桥加减特性的应用-温度补偿：36电桥加减特性的应用-提高灵敏度：37电桥加减特性的应用-提高灵敏度：38电桥加减特性的应用-消除干扰因素

:3940图（a）为双连椭圆孔弹性体，秤盘用悬臂梁端部上平面的两个螺孔紧固；图（b）为梅花型四连孔弹性体，秤盘用悬臂梁端部侧面的三个螺孔坚固，中间支杆上粘贴补偿用的应变片。这两种形式的称重传感器，在电子计价秤中用得最多。图（c）为三梁式弯曲弹性体，采样弯曲应力，对重量反应敏感，宜用来制作小称量电子计价秤。图（d）为三梁式剪切弹性体，采样中间敏感梁的剪切应力，宜用来制作几百公斤称量范围电子计价秤。王琦,电阻应变式称重传感器的设计.木材加工机械，2005，（3）413.2.2交流电桥3.2测量电桥

*平衡条件42常用交流电桥:3.2.2交流电桥43动态电阻应变仪中电桥的电阻、电容平衡调节案例:443.3调制与解调目的：解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。

第3章信号转换与调理45

先将微弱的缓变信号(被测信号)用高频载波加载到高频交流信号中，然后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的缓变信号。3.3调制与解调例：交流电桥具有调幅作用46473.3.1调幅及其解调

被测信号调幅高频调幅信号放大放大高频调幅信号解调放大被测信号1.抑制调幅:

直接将高频载波与被测信号(调制波)相乘，使载波信号的幅值随被测信号而发生变化。48抑制调幅与同步解调过程(波形分析——时域分析)乘法器放大器x(t)y(t)xm(t)乘法器滤波器y(t)x(t)xo(t)49抑制调幅与同步解调过程(频域分析)乘法器放大器x(t)y(t)xm(t)乘法器滤波器y(t)x(t)xo(t)50抑制调幅与同步解调过程(数学分析)乘法器放大器x(t)y(t)xm(t)乘法器滤波器y(t)x(t)xo(t)51

2.非抑制调幅:

把被测信号x(t)进行偏置，叠加一个直流分量A，使偏置后的信号都具有正电压，然后再与高频载波相乘得到调幅波。A52非抑制调幅波形分析：53非抑制调幅的解调低通滤波二极管检波(包络检波)54调幅波的波形失真：（1）过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏置必须足够大，否则x(t)的相位将发生180o。55（2）重叠失真：抑制调幅波是由一对每边为fm的双边带信号组成。当载波频率f0较低时，正频端的下边带将与负频端的上边带相重叠。要求：

f0＞10fm

0056y(t)xo(t)3.相敏检波作用：（1）同步解调（2）判断极性57

当y(t)>0时，V1截止，V2导通，运算放大器A2的反相输入端接地，调幅波xm(t)从A2同相输入端输入。58

当y(t)<0时，V1导通，V2截止，运算放大器A2的同相输入端接地，调幅波xm(t)从A2反相输入端输入。59

当x(t)>0时，调幅波xm(t)与载波y(t)同频同相，相敏检波器输出xo(t)为正。

当x(t)<0时，调幅波xm(t)与载波y(t)同频反相，相敏检波器输出xo(t)为负。波形分析：60差动电阻、电容、电感传感器后接仪表方框图

613.3.2调频及其鉴频

调频是利用被测信号x(t)的幅值控制高频载波的频率，即调频波是一种随被测信号x(t)的幅值而变化的疏密程度不同的等幅波。调频实质是电压-频率转换的过程。

1.调频原理

6263压控振荡器(VCO)调频：

64

当Uy=+UD(稳压管的稳压值)时，乘法器输出Uz>0，电容C充电，反相积分器A2的输出U2减小。当U2<-UD时，正反馈放大器A1翻转，Uy=-UD；当Uy=-UD时，乘法器输出Uz<0，电容C放电，反相积分器A2的输出U2增大。当U2>+UD时，正反馈放大器A1又翻转，Uy=+UD。由此可见，压控振荡器的输出信号Uy为方波，其频率与被测信号Ux成正比。设Ux是恒值正电压，则

652.鉴频原理采用变压器耦合的谐振回路进行鉴频，把频率变化转换为电压幅值的变化。鉴频实质是频率-电压转换的过程。66频率－电压线性变换部分将等幅的调频波uf转换为幅值随频率变化的调频调幅波ua。幅值检波部分检测幅值的变化，得到叠加了偏置电压的调制波uo，去掉uo中的直流偏置电压即可获得原被测信号(调制信号)。67调频优点：抗干扰能力强

调频波通常要求频带很宽，为调幅所要求带宽的20倍；调频电路比调幅电路复杂，因为频率调制是一种非线性调制。因为调频波所携带的信息包含在频率变化中，并非幅值变化，而干扰波的干扰作用则主要表现在幅值中。

调频缺点：要求频带宽、电路复杂68案例：旋转机械扭矩测量(调幅)69案例：铁路机车调度信号检测(调频)调制频率8.5Hz，绿灯调制频率23.5Hz，红灯703.4滤波器

滤波器是一种选频装置，使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。工件表面粗糙度测量，滤掉表面形状误差。713.4.1滤波器的分类(按所选频率分)

高通c1低通c272带阻c1c2带通c1c2733.4.2滤波器的特性

理想滤波器是指在通带内信号的幅值为一常数A0，相位与频率成线性关系。阻带区的频率成分都衰减为零，其通带和阻带之间有竖直分界线。A(f)fcf-fcoA0ffc-fco其他1.理想滤波器

742.实际滤波器

理想滤波器是不存在的，实际滤波器的幅频特性并非为常数，通带和阻带之间也没有严格界限，存在过渡带。

ofA(f)75（1）纹波幅度d：通带内幅频特性的波动量；offc1fc2A00.707A0BQ=f0/B2dA(f)f0（2）截止频率fc：A(f)=0.707A0所对应的频率；

76（4）倍频程选择性W：频率变化一倍幅值的衰减量。

（5）滤波器因数

：-60dB带宽与-3dB带宽的比值。

（3）带宽B和品质因数Q：上下截止频率之差称为带宽。中心频率和-3dB带宽B之比称为品质因数。773.4.3RC有源滤波器

RC有源滤波器由RC无源滤波网络和运算放大器组成。运算放大器的作用：

（1）放大信号；（2）减小负载效应(级间隔离)1.一阶有源低通滤波器78当时，——理想状态当时，——

积分器上截止频率：通带增益：79上截止频率：通带增益：通带外侧的高频衰减率为-20dB/十倍频程。

802.二阶有源低通滤波器通带外侧的高频衰减率为-40dB/十倍频程。（1）由两个一阶低通滤波器的简单组合

81（2）压控电压源型低通滤波器

由运算放大器A和电阻RF、R3组成的电压源受控于同相端电压，故称为压控电压源型滤波器。82（3）无限增益多路反馈型低通滤波器

该电路以高增益的运算放大器和多反馈回路为核心，故称为无限增益多路反馈型滤波器。

833.二阶有源带通滤波器84当，时，K1闭合，K2断开，ui向C充电，充电电荷为：4.开关电容滤波器利用开关和电容代替电路中与频率有关的电阻。（1）开关电容单元电路当，时，K1断开，K2闭合，C向外放电，放电电荷为：85在一个时钟脉冲周期TCLK内电容单元转移的电荷为：流过电容单元的平均电流为：当TCLK很小时，开关电容单元的等效电阻为：86（2）开关电容低通滤波器由等效电路可得上截止频率为：改变时钟脉冲频率fCLK即可调节滤波器的截止频率。

87恒带宽与恒带宽比滤波器：

实际滤波器的中心频率是可调的，根据中心频率与带宽之间的数值关系，可分为两种。（1）恒带宽比带通滤波器(高频分辨率低)

（2）恒带宽带通滤波器(分辨率高)

88若将低通滤波器中的RC互换位置，则变为高通滤波器，低通滤波器和高通滤波器是最基本的形式，其它滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。滤波器的串联／并联：

低通滤波器和高通滤波器并联为带阻滤波器低通滤波器和高通滤波器串联为带通滤波器89产品：LineDa:LTC1564MAXIM:MAX74xx90超门限报警