第六章 测量电路-2010

第六章测量电路内容电桥放大电路滤波电路调制解调数码管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。测量电路的作用？（1）测量电路的作用？（2）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，需要对传感器测量信号进行调制解调处理。电桥电桥电路是电磁测量中电路连接的一种基本方式。由于它测量准确，方法巧妙，使用方便，所以得到广泛应用。电桥电路不仅可以使用直流电源，而且可以使用交流电源，故有直流电桥和交流电桥之分。直流电桥主要用于电阻测量。交流电桥主要用于电容、电感等的测量。直流电桥*平衡条件1.工作原理令：（1）（2）（全等臂电桥）（输出对称电桥）2.电桥的接法单臂

半桥全桥

规律：变化相同的两个电阻应连接成相对桥臂；变化趋势相异的两个电阻应连接成相邻桥臂。FR1R3R2R4交流电桥*平衡条件*平衡条件放大电路放大电路的基本原理集成运算放大电路及其应用放大的基本元件-晶体三极管NPN型晶体三极管放大的基本元件-晶体三极管基本概念P型半导体

P型半导体的形成：在纯净的硅晶体中掺入三价元素（如硼），使之取代晶格中硅原子的位置，形成P型半导体。N型半导体

N型半导体的形成：在纯净的硅晶体中掺入五价元素（如磷），使之取代晶格中硅原子的位置，就形成了N型半导体三极管工作原理晶体三极管由美国的德福雷斯特发明的，1907年，德福雷斯特向美国专利局申报了真空三极管（电子管）的发明专利。一生获得了多达300余项专利。实验：德福雷斯特把若干个三极管连接起来，与电话机话筒、耳机相互连接，再把他那只“走时相当准确的英格索尔手表”放在话筒前方，手表的“滴哒”声几乎把耳朵震聋。

第一节集成运算放大电路概述一、集成运算放大电路：多用于各种模拟信号的运算。

1、集成运算放大电路的主要性能指标

2、集成运放电路的工作原理

集成运放的主要性能指标1.差模开环放大倍数：AOd2.共模抑制比：KCMR3.差模输入电阻：RId4.输入偏置电流：IIB5.－3dB带宽:fH6.输入失调电压及其温漂：UIO,dUIO/dT7.输入失调电流及其温漂：IIO,dIIO/dT理想运放的主要性能指标1.开环差模放大倍数：AOd→∞2.差模输入电阻：Rid→∞3.输出电阻：R0→04.共模抑制比：KCMR→∞5.－3dB带宽:fBW＝fH

→∞4.输入偏置电流：IIB→06.输入失调电压及其温漂：UIO,dUIO/dT→07.输入失调电流及其温漂：IIO,dIIO/dT→0第三节集成运放的两个工作区线性放大区：曲线的斜率为电压放大倍数非线性放大区：输出电压只有两种可能，＋UOM和-UOM运放工作在线性放大区的特点1.当运放工作在线性放大区时：引入（深度）负反馈集成运放的差模开环放大倍数AOd有：

其中AOd非常高140dB∞因而有：UP-UN＝0或UP＝UN

“虚短”又因为：则：“虚断”U0=AOd(UP-UN)运放工作在非线性放大区的特点2.当运放工作在非线性放大区时：开环或者引入正反馈集成运放的差模开环放大倍数AOd

∞则两个输入端只要有无穷小的输入差值电压，输出电压就可以达到最大值或最小值，即输出电压与输入电压不再是线性关系，此时的电压传输关系为：由此时的电压传输关系可以看出当：UP＞UN时，UO=+UOM

当：UP＜UN时,UO=-UOM

第四节基本运算电路的原理反相比例运算电路1.反相比例运算：

由于：U+=U-I+=I-=0

所以反相输入端U-为“虚地”点，且输入电流I-=0，故:Ii=If

2.同相比例运算：

由于：U+=U-I+=I-=0由于反相输入端不再为“虚地”点，且输入电流Ii=0，故:IR=If即：

又称为：电压跟随器！光电二极管放大电路3.反相加法运算电路：由于：U+=U-I+=I-=0所以反相输入端U-为“虚地”点，且输入电流I-=0，反相加法运算电路的函数关系式为：若取R1=R2=R，则有:

反相加法运算原理图

运算中，调节某一路信号的输入电阻时，不会影响其他输入电压与输出电压的比例关系，因而调节方便。4.减法运算电路：实际应用中，要求R1=R2,R3=Rf，且须严格配对，这有利于提高放大器的共模抑制比及减小失调。运算关系为：100K减法运算原理图5.积分运算电路由于：U+=U-I+=I-=0所以反相输入端U-为“虚地”点，且输入电流I-=0，积分运算电路的运算关系式为：

积分运算电路由公式可知。Ui与U0的图形将如下图所示。6.微分运算电路：微分运算电路：由于：U+=U-I+=I-=0所以反相输入端U-为“虚地”点，且输入电流I-=0，微分运算电路的运算关系式为：U0=f(UP-UN)7、比较电路：A/D转换电桥电路和放大电路掌握直流电桥的平衡条件、三种工作方式的灵敏度比较。基本放大电路的放大倍数的计算。数码管显示滤波器滤波器的功能滤波器的分类滤波器的主要参数滤波器的功能滤波器的功能就是允许某一部分频率的信号顺利的通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制，它实质上是一个选频电路。滤波器中，把信号能够通过的频率范围，称为通频带或通带；反之，信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带；通带和阻带之间的分界频率称为截止频率；理想滤波器在通带内的电压增益为常数，在阻带内的电压增益为零；实际滤波器的通带和阻带之间存在一定频率范围的过渡带。滤波器的分类（1）按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。（2）按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。（3）按所采用的元器件分为无源和有源滤波器两种。四种滤波器低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。无源滤波器无源滤波器：仅由无源元件(R、L和C)组成的滤波器，它是利用电容和电感元件的电抗随频率的变化而变化的原理构成的。这类滤波器的优点是：电路比较简单，不需要直流电源供电，可靠性高；缺点是：通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，当电感L较大时滤波器的体积和重量都比较大。有源滤波器有源滤波器：由无源元件（一般用R和C）和有源器件(如集成运算放大器）组成。这类滤波器的优点是：通带内的信号不仅没有能量损耗，而且还可以放大，负载效应不明显，多级相联时相互影响很小，利用级联的简单方法很容易构成高阶滤波器，并且滤波器的体积小、重量轻、不需要磁屏蔽(由于不使用电感元件）；缺点是：通带范围受有源器件(如集成运算放大器）的带宽限制，需要直流电源供电。滤波器的主要参数通带增益：带增益是指滤波器在通频带内的电压放大倍数。通带截止频率fp：定义幅频特性值等于A0/

所对应的频率。滤波器的主要参数带宽B：通频带的宽度品质因数Q：定义带通滤波器中心频率fn和带宽B之比。Q=fn/B。其中：

Q值越高，滤波器的频率选择性越好。例如中心频率同为1000Hz的两个带通滤波器，品质因数分别为Q1=20，

Q2=40，则对应的B1=50Hz，B2=25Hz，由于第二个滤波器的分辨力比第一个滤波器高，所以它比第一个频率选择性好。滤波器的主要参数波纹幅度d

：在一定频率范围内，实际滤波器的幅频特性可能有波动，d值为幅频特性的最大波动值。一个优良的滤波器，d与Ａ０相比,应远远小于-3dB，例子：无源滤波器RC低通电压放大倍数(传递函数)为例子：有源滤波器掌握了解滤波器的功能知道滤波器的四种形式。（低通、高通、带通、带阻）。调制解调为什么要对信号进行调制？调制解调的基本概念调幅电路调制解调的功用与类型在测控系统中为什么要采用信号调制？

在测控系统中，进入测控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分离出来是测控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。

调制解调基本概念1、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。

2、什么是解调？解调：在将测量信号调制，并将它和噪声分离，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。

调制解调基本概念3、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。在测控系统中，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。

例如：例如某中波广播电台的频率为540kHz，这个频率是指载波的频率，它是由高频电磁振荡产生的等幅正弦波频率。用所要传播的语言或音乐信号去改变高频振荡的幅度，使高频振荡的幅度随语言或音乐信号的变化而变化，这个控制过程就称为调制。其中语言或音乐信号叫做调制信号，调制后的载波就载有调制信号所包含的信息，称为已调波。为什么要调制呢？

为什么要用语言或音乐信号去控制高频振荡呢？原来要使信号的能量以电场和磁场的形式向空中发射出去传向远方，需要较高的振荡频率方能使电场和磁场迅速变化；同时信号的波长要与天线的长度相匹配。为什么要调制呢？语言或音乐信号的频率太低，无法产生迅速变化的电场和磁场；相应地，它们的波长又太大，即使选用它的最高频率20000Hz来计算，其波长仍为15000m，实际上是不可能架设这么长的天线的。看来要把信号传递出去，必须提高频率，缩短波长。可是超过20kHz

的高频信号，人耳就听不见了。为了解决这个矛盾，只有采用把音频信号“搭乘”在高频载波上，也就是调制，借助于高频电磁波将低频信号发射出去，传向远方。调制解调的类型在测控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。

调幅式测量电路一、调幅原理与方法（一）1、什么是调幅？写出调幅信号的数学表达式，画出其波形。

调幅就是用调制信号x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x的线性函数变化。

调幅信号的一般表达式可写为：

us=(Um+mx)coswct

调幅式测量电路

txOtOucusa)调制信号b)载波信号Otc)双边带调幅信号调幅式测量电路

在测控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？

调幅式测量电路为了正确进行信号调制必须要求ωc>>Ω，通常至少要求ωc>10Ω。这样，解调时滤波器能较好地将调制信号与载波信号分开，检出调制信号。若被测信号的变化频率为0~100Hz，则载波信号的频率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。

调幅式测量电路传感器调制1、

为什么在测控系统中常常在传感器中进行信号调制？为了提高测量信号抗干扰能力，常要求从信号一形成就已经是已调信号，因此常常在传感器中进行调制。

调幅式测量电路2、通过交流供电实现调制如，电阻式传感器、电感式传感器和电容式传感器。

R1FR4R2

R3R1R2UoUR3R4应变式传感器输出信号的调制

调幅式测量电路电路调制1、乘法器调制

a)原理图

ucuxuoxyKxy

b)实用电路

-8V

47kΩ0.1μF1kΩ0.1μF51Ω750Ω14

10161kΩ38MC14961kΩ3.3kΩ3.3kΩ750Ω1kΩ680kΩ20μF20μFuc1kΩ0.1μF21254uoux+12V

调幅式测量电路二、包络检波电路什么是包络检波？从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波。幅值调制就是让已调信号的幅值随调制信号的值变化，因此调幅信号的包络线形状与调制信号一致。只要能检出调幅信号的包络线即能实现解调。这种方法称为包络检波。

调幅式测量电路包络检波的基本工作原理是什么？

由图可见，只要从图a所示的调幅信号中，截去它的下半部，即可获得图b所示半波检波后的信号

(经全波检波或截去它的上半部也可)，再经低通滤波，滤除高频信号，即可获得所需调制信号，实现解调。包络检波就是建立在整流的原理基础上的。

us

uo'

OOtta)

b)

1、基本电路VDRL

C2Ti+us

_+uo

_非线性

器件

低通滤波器C1a)二极管检波电路C1V

RL

C2Tic+us

_+_非线性

器件

低通滤波器uo

Ec

b)晶体管检波电路（一）二极管与三极管包络检波

（二）相敏检波1、什么是相敏检波电路？

相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。（二）相敏检波2、为什么要采用相敏检波？

包络检波有两个问题：一是解调的主要过程是对调幅信号进行半波或全波整流，无法从检波器的输出鉴别调制信号的相位。第二，包络检波电路本身不具有区分不同载波频率的信号的能力。对于不同载波频率的信号它都以同样方式对它们整流，以恢复调制信号，这就是说它不具有鉴别信号的能力。为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力，提高抗干扰能力，需采用相敏检波电路。（二）相敏检波3、相敏检波电路与包络检波电路在功能与电路构成上最主要的区别是什么？

相敏检波电路与包络检波电路在功能上的主要区别是相敏检波电路能够鉴别调制信号相位，从而判别被测量变化的方向，同时相敏检波电路还具有选频的能力，从而提高测控系统的抗干扰能力。从电路结构上看，相敏检波电路的主要特点是，除了所需解调的调幅信号外，还要输入一个参考信号。有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。（二）相敏检波RRRVUousUc开关式相敏检波电路注：V相当于开关，当Uc<0时，V截止；Uc≥0时，V导通思考：us相反相位时，输出波形为什么要采用精密检波电路？二极管VD和晶体管V都有一定死区电压，即二极管的正向压降、晶体管的发射结电压超过一定值时才导通，它们的特性也是一根曲线。二极管VD和晶体管V的特性偏离理想特性会给检波带来误差。为了提高检波精度，常需采用精密检波电路，它又称为线性检波电路。

（三）精密检波电路调幅式测量电路1、半波精密检波电路

+us–

半波整流器低通滤波器+u΄s

–

iiCR4uoR1R΄2

R2R3VD1VD2+