现代测试技术ppt.ppt

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1、现代测试技术Modern testing and measurement technology,苏州科技学院电子与信息工程学院电子科学技术系潘敬熙,Jingxi-,第2章 测试信号转换处理电路,本章学习要求：理解信号放大、信号滤波、信号运算、信号调制解调以及电桥等各种测试信号转换处理电路的基本原理，掌握其参数设计方法。,2.1 概述2.1.1对测试信号进行转换处理的目的：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。3.有些传感器输出的是电信号，但信号中混杂有干扰噪声，

2、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等原因，需要对传感器测量信号进行调制解调处理。,2.1.2传感器接口电路形式 传感器按集成程度分为传统传感器和智能传感器。按有无能量输出分为无源传感器和有源传感器（智能传感器一般都是有源传感器）。按输出信号性质分为模拟传感器和数字传感器。传感器主要变化参数有：电阻、电感与电容。传感器输出信号主要形式有：电压、电流（或电荷）与频率；交流与直流。传感器输出结构形式有：直接、电桥、差分等；,2.2 信号放大 2.2.1 概述 一、什么是测量放大电路？在测量控制系统中，用来放大传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号的放大电路称为测量放大电路，

3、亦称仪用放大电路。工程测试中所遇到的信号，多为100kHz以下的低频信号，在大多数的情况下，都可以用放大器集成芯片来设计放大电路。,二、对测量放大电路的基本要求：输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；一定的放大倍数和稳定的增益；低噪声；低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；足够的带宽和转换速率；高共模输入范围和高共模抑制比 可调的闭环增益；线性好、精度高；成本低。,三、集成运算放大器的最主要参数：开环增益A闭环增益Af差模开环直流电压增益（差模增益）AVD共模开环直流电压增益（共模增益）AVC输入失调电压VI0输入失调电流II0共模抑制比KCMR=差模增益AVD/共模增益AVC,四、应用集成

4、运放应注意的事项(1)调零消除失调误差“调零”技术是使用运放时必须掌握的。调零的原理是，在运放的输入端外加一个补偿电压，以抵消运放本身的失调电压，达到调零的目的。有些运放已经引出调零端，只需要按照器件的规定，接入调零电路进行调零即可。,(2)相位补偿消除高频自激 由于运算放大器是一个高增益的多级放大器组件，应用时一般接成闭环负反馈电路。当工作频率升高时，放大器会产生附加相移，可能使负反馈变成正反馈而引起自激。进行相位补偿可以消除高频自激。相位补偿的原理是，在具有高放大倍数的中间级，利用一小电容C（几十几百微微法）构成电压并联负反馈电路。有些运放已经在内部进行了补偿，如A741。有些运放引出了补

5、偿端，只需要按照器件手册的规定，外接补偿电路即可，如国产5G24运算放大器。,(3)过载保护 使用运放时要注意，不能超过其性能参数的极限值，如最大输入电压范围等。特别是在有强干扰源的场合更要注意。,2.2.2 同相放大器,闭环增益：,集成运算放大器可以作为一个器件构成各种基本功能的电路。这些基本电路又可以作为单元电路组成电子应用电路。同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。高输入阻抗电路常应用于传感器的输出阻抗很高的测量放大电路中。如电容式、压电式传感器的测量放大电路。,同相放大器输入阻抗ri+ri+=ri(1+AF)同相放大器输出阻抗ro+ro+=ro/(1+A

6、F),教材约定：在涉及同相放大器的输入阻抗时，均以ri+来表示，即指同相放大器所具有的最低在107以上的输入电阻，而不器刻意指明其具体的数值。,2.2.3 反相放大器,闭环增益：,反馈电阻R2值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于信号源Ui的内阻。,交流反相放大电路Af=R2/R1R3=R2 C1：隔直电容C3：旁路电容，防止振荡,2.2.4 基本差动（差分）放大器,什么是差动放大器？差动放大器是把二个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相二个输入端，然后在输出端取出二个信号的差模成分，而尽量抑制二个信号的共模成分。,2.2.4 基本差动放大器,

7、为分析电路的共模抑制性能，我们做如下变换,式中,假设电阻的误差为，也就是说，电阻的实际值分别为，则可得,在最坏的情况下，即所有的电阻都取最大的误差值，并且取最不利的方向，可得最大的共模电压增益(忽略高阶小量),共模抑制比KCMR为,输入电阻：,难以避免的缺点：,1.输入阻抗低,3.工艺性差,2.共模抑制比低,2.2.5 仪用放大器,什么是仪用放大器？是一类高输入阻抗，高共模抑制比的差分放大器。具有精度高，稳定性好等特点，经常用于精密仪器电路和测控电路中，故称为仪用放大器，也称为仪器放大器。,2.2.5 仪器（仪用）放大器,按照教材中3.2节的约定，同相放大器的输入阻抗为ri+，不难得出三运放电

8、路的输入阻抗：差动输入阻抗rid 2 ri+，共模输入阻抗ric ri+2。,2.2.5 仪器（仪用）放大器,可得放大器前级的差模增益AVD1和共模增益AVC1,2.2.5 仪器（仪用）放大器,仪器放大器前级的差模增益AVD和共模增益AVC,因此，三运放电路的共模抑制比在电阻匹配精度相同的情况下，要比基本差动放大器高 倍。由此可见，由三运放组成的差动放大器具有高共模抑制比、高输入阻抗和可变增益等一系列优点，它是目前测控系统和仪器仪表中最典型的前置放大器。,2.2.5 仪器（仪用）放大器,28,串联差分式输入仪用放大器,输入信号加于两个运放的同相输入端，差分输入电阻近似为两个运放的共模输入电阻之

9、和，提高了输入电阻。,利用迭加原理，分别作用于输入端,29,串联差分式输入仪用放大器,双端输入，输入电阻为无穷大。,2.2.6 可变增益放大器,2.2.6 可变增益放大器,2.2.6 可变增益放大器,2.2.6 可变增益放大器,2.2.6 可变增益放大器,2.2.7 隔离放大电路 什么是隔离放大电路？隔离放大电路的输入、输出和电源电路之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。应用于何种场合？隔离放大电路主要用于便携式测量仪器和某些测控系统（如生物医学人体测量、自动化试验设备、工业过程控制系统等）中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。,2.2.7 隔离放大器,1.

10、采用集成的线性光电耦合放大器,2.采用集成前置放大器和线性光电耦合放大器在一起的大规模集成电路,3.采用数字信号隔离技术,组成及符号,原理框图,常见的几种光电耦合器的内部电路,2.2.7 隔离放大器,几种光电耦合放大器的传输特性,2.2.7 隔离放大器,光电耦合放大器,2.2.7 隔离放大器,线性光电耦合放大器,2.2.7 隔离放大器,性能优良的线性光电耦合放大器,2.2.8 电桥放大电路,何谓电桥放大电路？由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。应用于何种场合？应用于电参量式传感器，如电感式、电阻应变式、电容式传感器等，经常通过电桥转换电路输

11、出电压或电流信号，并用运算放大器作进一步放大，或由传感器和运算放大器直接构成电桥放大电路，输出放大了的电压信号。,a、c两端接电源Ui，称供桥端；b、d两端接输出电压Uo，称输出端。,一、电桥 电桥的作用：将电阻R(应变片)、电感L、电容C等电参数变为电压U或电流I信号后输出。,根据桥臂阻抗性质的不同为:,电阻电桥电容电桥电感电桥,根据供桥电源分为:,直流电桥:采用直流电源 只用于测量电阻R的变化 交流电桥：采用交流电源测量电阻R、电容C、电感L的变化,1.电桥的分类,2.直流电桥,四个桥臂由电阻R1、R2、R3和R4组成。,直流电桥,平衡条件,R1R3=R2R4,直流电桥,电桥的输出：,平衡

12、的条件：,温敏电阻,直流电桥,当电桥输出端接入仪表或放大器时，电桥输出端可视为开路状 态，电流输出为零。,此时，桥路电流为：,a、b之间电位差为：,a、d之间电位差为：,电桥输出电压为：,+,直流电桥平衡条件推导：,直流电桥,R1R,U0U,U,R1,R1R3=R2R4,平衡的条件：,电桥的输出：,这时，电桥平衡吗？,R,为了简化设计，R2=R3=R4=R0，而 R1=R0+R,直流电桥,R0R,U0U,U,电桥的灵敏度定义为,单片,半桥、单臂输出,全桥、四臂输出,半桥、双臂输出,四片,两片,半桥、单臂输出,全桥、四臂输出,半桥、双臂输出,统一表示：,四片,全桥、四臂输出,当R1 R1R1，R

13、2 R2 R2，,由于，R1=R2=R3=R4=R0，R取相同值，可得,R3 R3R3，R4 R2 R4时,电桥的灵敏度定义为,全桥、四臂平衡条件简要推导,电桥常用调平衡的方法,电桥测量的误差,非线性误差,温度误差,直流电源的电压稳定性造成的误差,半桥、单臂输出：,半桥、双臂输出：,全桥、四臂输出：,直流电桥,平衡条件,3.交流电桥,交流电桥,而,其中，Z1、Z2、Z3、Z4为阻抗的模，而1、2、3、4为阻抗角，是各桥臂电流与电压之间的相位差。,Z1Z3ej(1+3)=Z2Z4ej(2+4),(*),平衡条件,电容电桥,电容电桥,平衡条件：,电感电桥,电感电桥,平衡条件：,电容电桥,两相邻桥臂

14、为纯电阻R2、R3，另相邻两臂为电容C1、C4,R1、R4视为电容介质损耗的等效电阻,根据平衡条件,电桥平衡条件：,电容电桥平衡条件简要推导,电感电桥,根据平衡条件,电桥平衡条件：,电感电桥平衡条件简要推导,（一）单端输入电桥放大电路,二、电桥放大电路,（二）差动输入电桥放大电路,（三）线性电桥放大电路,2.2.9自举式高输入阻抗放大电路,何谓自举电路?自举电路是利用反馈使输入电阻的两端近似为等电位，减小向输入回路索取电流，从而提高输入阻抗的电路。,是不是所有情况下都要求放大电路具有高的输入阻抗？高输入阻抗电路常应用于传感器的输出阻抗很高的测量放大电路中。如电容式、压电式传感器的测量放大电路。

15、,a)同相交流放大电路,b)交流电压跟随电路,68,c）输入电阻自举扩展电路,反相比例放大器,A1：主放大器 A2：正反馈，提供电流,69,实际上，两者之间阻值总有一定的偏差，同时为了放大器稳定工作，防止电路自激振荡，也必须人为地使 略大于 保证 为正值。,2.3 信号滤波,2.3.1 滤波器的基础知识 一、滤波器的功能和类型 1、功能：滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统，具有滤除噪声和分离各种不同信号的功能。2、类型：按处理信号形式分：模拟滤波器和数字滤波器 按功能分：低通、高通、带通、带阻 按电路组成分：LC无源、RC无源、由特殊元件构成的无源滤波器、RC有源滤波器 按传递函数的

16、微分方程阶数分：一阶、二阶、高阶,从0f2频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大地衰减。,与低通滤波相反，从频率f1，其幅频特性平直。它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于f1的频率成分将受到极大地衰减。,它的通频带在f1f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成分受到衰减。,与带通滤波相反，阻带在频率f1f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。,低通滤波器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

17、种类型的滤波器，例如：低通滤波器与高通滤波器的串联为带通滤波器，低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器。,二、滤波器的主要特性指标 1、特征频率：通带截频fp=p/(2)为通带与过渡带边界点的频率，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限。阻带截频fr=r/(2)为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗(增益的倒数)下降到一人为规定的下限。,转折频率fc=c/(2)为信号功率衰减到1/2(约3dB)时的频率，在很多情况下，常以fc作为通带或阻带截频。固有频率f0=0/(2)为电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率。,2、增益与衰耗 滤波器在通带内的增益并非常数。对低通滤

18、波器通带增益Kp 一般指=0时的增益；高通指时的增益；带通则指中心频率处的增益。对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒数。通带增益变化量Kp 指通带内各点增益的最大变化量，如果Kp以dB为单位，则指增益dB值的变化量。,3、阻尼系数与品质因数 阻尼系数是表征滤波器对角频率为0信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的一项指标。阻尼系数的倒数称为品质因数，是评价带通与带阻滤波器频率选择特性的一个重要指标，Q=0/。式中的为带通或带阻滤波器的3dB带宽，0为中心频率，在很多情况下中心频率与固有频率相等。,4、灵敏度 滤波电路由许多元件构成，每个元件参数值的变化都会影响滤波器的性能。滤波器某

19、一性能指标y对某一元件参数x变化的灵敏度记作Sxy，定义为：Sxy=(dy/y)/(dx/x)。该灵敏度与测量仪器或电路系统灵敏度不是一个概念，该灵敏度越小，标志着电路容错能力越强，稳定性也越高。,5、群时延函数 当滤波器幅频特性满足设计要求时，为保证输出信号失真度不超过允许范围，对其相频特性()也应提出一定要求。在滤波器设计中，常用群时延函数d()/d评价信号经滤波后相位失真程度。群时延函数d()/d越接近常数，信号相位失真越小。,三、模拟滤波器的传递函数与频率特性（一）模拟滤波器的传递函数 模拟滤波电路的特性可由传递函数来描述。传递函数是输出与输入信号电压或电流拉氏变换之比。经分析，任意个

20、互相隔离的线性网络级联后，总的传递函数等于各网络传递函数的乘积。这样，任何复杂的滤波网络，可由若干简单的一阶与二阶滤波电路级联构成。,（二）模拟滤波器的频率特性 模拟滤波器的传递函数H(s)表达了滤波器的输入与输出间的传递关系。若滤波器的输入信号Ui是角频率为的单位信号，滤波器的输出Uo(j)=H(j)表达了在单位信号输入情况下的输出信号随频率变化的关系，称为滤波器的频率特性函数，简称频率特性。频率特性H(j)是一个复函数，其幅值A()称为幅频特性，其幅角()表示输出信号的相位相对于输入信号相位的变化，称为相频特性。,（三）二阶滤波器 1、二阶低通滤波器 二阶低通滤波器的传递函数的一般形式为它

21、的固有频率为a01/2，通带增益Kp=b0/a0，阻尼系数为a1/0。其幅频特性与相频特性为,2、二阶高通滤波器二阶低通滤波器的传递函数的一般形式为其幅频特性与相频特性为,3、二阶带通滤波器二阶带通滤波器的传递函数的一般形式为其幅频特性与相频特性分别为,4、二阶带阻滤波器二阶带阻滤波器的传递函数的一般形式为其幅频特性和相频特性为,5、二阶全通滤波电路（移相电路）二阶全通滤波电路的传递函数的一般形式为其幅频特性为常数，相频特性为,三、滤波器特性的逼近 理想滤波器要求幅频特性A()在通带内为一常数，在阻带内为零，没有过渡带，还要求群延时函数在通带内为一常量，这在物理上是无法实现的。实践中往往选择适

22、当逼近方法，实现对理想滤波器的最佳逼近。测控系统中常用的三种逼近方法为：巴特沃斯逼近 切比雪夫逼近 贝赛尔逼近,（一）巴特沃斯逼近这种逼近的基本原则是使幅频特性在通带内最为平坦，并且单调变化。其幅频特性为n阶巴特沃斯低通滤波器的传递函数为其中,（二）切比雪夫逼近 这种逼近方法的基本原则是允许通带内有一定的波动量Kp。其幅频特性为（三）贝赛尔逼近 这种逼近与前两种不同，它主要侧重于相频特性，其基本原则是使通带内相频特性线性度最高，群时延函数最接近于常量，从而使相频特性引起的相位失真最小。,滤波器的传递函数与频率特性,1-五阶贝塞尔滤波器 2-五阶巴特沃斯滤波器 3-五阶通带波纹为0.5dB的切比

23、雪夫滤波器 4-五阶五阶通带波纹为2dB的切比雪夫滤波器,按滤波特性可将滤波分为三种类型：最大平坦型、纹波型和恒延时型，对应的阻尼系数分别等于、小于和大于,1.巴特沃思逼近 对于二阶的滤波器，巴特沃思滤波器的 2.切比雪夫逼近 对于二阶的滤波器，切比雪夫滤波器的 3.贝塞尔逼近 对于二阶的滤波器，贝塞尔滤波器的,根据“最佳逼近特性”标准分类的三种滤波器的比较,巴特沃斯滤波器具有最大平坦幅度特性；切贝雪夫滤波器的通带有波纹，过渡带轻陡直，因此，在不允许通带内有纹波的情况下，巴特沃斯型更可取；从相频响应来看，巴特沃斯型也要优于切贝雪夫型；贝塞尔滤波器只满足相频特性而不关心幅频特性。贝塞尔滤波器又称

24、最平时延或恒时延滤波器。其相移和频率成正比，即为一线性关系。但是由于它的幅频特性欠佳，而往往限制了它的应用。,2.3.2 RC有源滤波电路一、压控电压源型滤波电路该电路压控增益Kf=1+R0/R，传递函数为,1、低通滤波电路滤波器参数为,2、高通滤波器,3、带通滤波器,4、带阻滤波器,二、无限增益多路反馈型滤波电路,1、低通滤波电路,2、高通滤波器,3、带通滤波器,三、双二阶环滤波电路,双二阶环电路利用两个以上由加法器、积分器等组成的运算放大电路，根据所要求的传递函数，引入适当的反馈构成滤波电路。其突出特点是电路灵敏度低，因而特性非常稳定，并可实现多种滤波功能，经过适当改进还可将运算放大器数目

25、减少到两个。,1、低通与带通滤波电路,从u3点输出为带通滤波电路，从u2点与u1点输出为低通滤波电路。Kp1、Kp2、Kp3分别为由u1、u2、u3输出时的通带增益。,可用R5调节w0，用R2调节Q，用R0调节Kpi，各参数间相互影响很小。,2、可实现高通、带阻与全通滤波的双二阶环电路,3、低通、高通、带通、带阻与全通滤波电路,四、有源滤波器设计有源滤波器的设计主要包括以下四个过程：确定传递函数选择电路结构选择有源器件计算无源元件参数以无限增益多路反馈二阶巴特沃斯滤波器为例,在给定的fc下，参考下表选择电容C1;根据C1的实际值，按下式计算电阻换标系数K;K=100/fcC1 由表确定C2及归

26、一化电阻值ri，再换算出Ri。,开关电容滤波原理,一、压控跟踪滤波器,利用测量电路提取被测信号中心频率，进行f/V转换，即可形成所需的控制电压uc。,uc决定R2的变化，从而决定电路中心频率w0变化，即输出信号uo的中心频率。,压控跟踪滤波器,变频跟踪滤波器,集成有源滤波芯片介绍1、单片集成五阶巴特沃斯低通滤波器MAX280,2、单片集成通用有源滤波器MAX263/264,2.4信号的运算,运算电路是测控电路的重要组成部分，广泛应用于各种仪器中。如在表面粗糙度的测量中，平均偏差Ra需要进行平均值、绝对值和积分等运算才能求得。运算电路分为模拟运算电路和数字运算电路两大类。一般来说，在精度要求低于

27、0.1%的情况下，仍采用模拟运算电路来实现对测量信号的运算，更主要的是模拟运算电路具有运算实时性。在目前广泛使用的测试系统中，绝大多数的模拟运算电路都是有源的，即采用运算放大器。,运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将作为理想运放。,理想运放的条件,放大倍数与负载无关。分析多个运放级联组合的线性电路时可以分别对每个运放进行。,运放工作在线性区的特点,在分析信号运算电路时对运放的处理,Exit,2.4.1 加减运算电路一、加法运算电路反相加法电路,输出端再接一级反相放大器，可消除负号，实现完全符合常规的算术加法。,Exit,同相加法电路,二、减法运算电路利用加法运算电路实现

28、减法运算,将代表被减数的信号反相后，与代表减数的信号相加，从而实现减法。,优点：输入端没有共模信号，允许U1、U2的共模电压范围较大。,缺点：输入阻抗低。,用单一运算放大器实现减法运算,电路特点：有较大的共模输入电压，为了提高运算精度，要求放大器要有较高的共模抑制比。,当,2.4.2 对数与指数运算电路,1、对数运算电路,利用PN结的指数特性实现对数运算,因为UT和IS都是温度的函数，所以运算精度受温度影响；在小信号时误差较大，因为这时 和1相差不是很多；二极管具有内阻，当电流较大时，压降也较大，其伏安特性于对数关系有较大的偏差；电流的变化对校正系数m有影响。鉴于以上情况，该电路只有在某一段电

29、流范围内能达到满意的精度，该范围只能达到一个至两个数量级。,存在问题：,将二极管改为晶体管也可实现对数运算,当 时，,2.4.2 对数与指数运算电路,（5-21）,其中，IES 是发射结反向饱和电流，vO是vI的对数运算。,注意：vI必须大于零，电路的输出电压小于0.7伏,利用虚短和虚断，电路有：,特点及存在问题：,晶体管型对数电路的输入范围远远超过二极管型对数电路。一般情况下，集电极电流的工作范围为pA到mA数量级，即9个数量级。当然，只有在运算放大器的输入失调电流很小的情况下，才能充分利用此优点。上述对数电流的缺点是受温度影响较大，其主要原因是UT和Is随温度变化，当温度从20升到50时，

30、UT增大10，Is增加近10倍。为了消除Is的影响，可以采用 由两个晶体管组成的具有温度补偿功能的对数电路。,电阻R4的作用是用来限制电流Ic1、Ic2。电容C1和C2是作相位补偿用的。R3可选合适的正温度系数（0.3/K）热敏电阻以补偿UT受温度的变化,vO是vI的指数运算（指数运算）,要求,说明：实用电路加有温度补偿电路,二、指数运算电路,利用虚短和虚断，电路有：,若采用运算放大器构成实用对数和指数运算电路，稳定性较差、很难取得高精度。因此，在实际应用时，应该优先考虑选用集成对数和指数运算电路。如美国ADI公司的AD8304的信号输入范围可达160dB，精度可达0.1dB，只需3.05.5

31、V的单电源工作，但它的温度漂移仅有0.02mV/。,2.4.4 乘除与乘方开方运算电路,集成乘法器有不少的品种。如美国ADI公司的AD632、AD534可以实现 的运算，AD532、AD633、AD838可以实现 的运算，而MLT04具有4路乘法器。AD539、AD734可以同时实现乘法和除法运算。利用乘法器可容易实现乘方与开方运算。（见p131）,2.4.4 乘除与乘方开方运算电路,2.4.5 微分积分运算电路 一、积分运算电路 应用广泛，不仅用作积分运算，还可以利用它的充放电过程实现延时、定时以及产生各种波形。,反相积分电路,实际情况：运算放大器的输入偏置电流Ib和输入失调电压U0s也随时

32、间而积分，对积分器的输出有一定的影响。,由此产生的输出电压变化可写成：,若取C=1uF，1uA的误差电流会使Uo以1V/s的速度增长。,当输入Ui=0时：,具有补偿Ib的积分电路,采用下图所示电路，Rp=R，Rp上压降为IbR。因此流经R上的补偿电流为：,这一电流提供了偏差电流，于是误差电流被补偿了。,预设、保持积分电路,可以实现设置初始积分输出电压以及控制停止积分（保持）。设置初始状态，S1断开，S2接通，此时积分器工作在反相放大状态，输出为：,然后S1接通，S2断开，电路为一个积分器，对U1进行积分。再断开S1，积分电流为零，积分器输出保持不变，电路处于保持状态。实际电路中，S1和S2一般

33、由场效应管构成。,二、具有特殊性能的积分电路 1、增量积分电路（比例积分电路）,多重积分运算电路,输出电压为：,幅频特性曲线在对数坐标系中为一条+6dB/倍频程的直线确定微分电路的简单原则。,二、微分运算电路,当输入信号为正弦波,1、在测试系统中为什么要采用信号调制？在测试系统中，进入测试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试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。,调制解调的功用与类型,2.5 信号调制解调电路,2、什么是信号调制？调制就是用一个信号（

34、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。3、什么是解调？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。,4、在测试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。,5、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

35、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。在测试系统中，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。,（一）概念和定义 1、什么是调幅？调幅信号（即调幅式测量电路中的已调信号）和调制信号、载波信号的数学关系怎样表达？波形又是怎样？调幅就是用调制信号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的线性函数变化。,2.5.2 调幅式测量电路一、调幅原理与方法,载波信号为正弦波vc,调幅信号（即已调波）v,设调制信号为余弦波v,v=Vocost=Vocos2f

36、t,（12-2）,t,v,O,t,O,uc,us,a)调制信号,b)载波信号,O,t,c)双边带调幅信号,2、什么是双边带调幅？设调制信号是角频率为的余弦信号v=Vocost 对式（12-2）进行数学处理可得：v=Vcmcosct+VcmmAcos(c+)t+VcmmAcos(c-)t/2 它包含三个不同频率的信号:角频率为c的载波信号和角频率分别为c的上下边频信号。,载波信号中不含调制信号v=Vocost的信息，因此可以取其为0，只保留两个边频信号。这种调制称为双边带调制。其数学表达式为：v=VcmmAcost cosct 为了正确进行信号调制必须要求c，通常至少要求c10。,3、在测试系统

37、中被测信号的变化频率为0100Hz，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？若被测信号的变化频率为0100Hz，则载波信号的频率c1000 Hz。调幅信号放大器的通频带应为9001100 Hz。信号解调后，滤波器的通频带应100 Hz，即让0100Hz的信号顺利通过，而将900 Hz以上的信号抑制，可选通频带为200 Hz。,幅度调制与解调过程（波形分析）,乘法器,放大器,x(t),z(t),x m(t),乘法器,滤波器,z(t),x(t),幅度调制与解调过程（频谱分析）,乘法器,放大器,x(t),z(t),x m(t),乘法器,滤波器,

38、z(t),x(t),幅度调制与解调过程（数学分析）,（二）传感器调制 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。,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等。,应变式传感器输出信号的调制,这里用4个应变片测量梁的变形，并由此确定作用在梁上的力F的大小。4个应变片接入电桥，并采用交流电压U供电。设4个应变片在没有应力作用的情况下它们的阻值R1=R2=R3=R4=R，电桥的输出,实现了载波信号U与测量信号的相乘，即幅值调制。,用激光扫描的方法测量工件直径,激光器,反射镜,电动机,

39、透镜,扫描棱镜,工件,保护玻璃,保护玻璃,用机械或光学的方法实现调制：,透镜,光电元件,由激光器4发出的光束经反射镜5与6反射后，照到扫描棱镜2的表面。棱镜2由电动机3带动连续回转，它使由棱镜2表面反射返回的光束方向不断变化，扫描角为棱镜2中心角的2倍。透镜1将这一扫描光束变成一组平行光，对工件8进行扫描。这一平行光束经透镜10汇聚，由光电元件11接收。7和9为保护玻璃，使光学系统免受污染。当光束扫过工件时，它被工件挡住，没有光线照到光电元件11上，对应于“暗”的信号宽度与被测工件8的直径成正比，即脉冲宽度受工件直径调制。,（三）电路调制 1、乘法器调制,在电路进行调制的基本原理是用测量信号u

40、x去控制（改变）载波信号幅值就可以实现调制。只要用乘法器将测量信号（调制信号）ux与载波信号uc相乘，就可以实现调幅。,2、开关电路调制,3、信号相加调制,二、包络检波电路,什么是检波？从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波。,什么是包络检波？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。,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。,只要采用适当的单向导电器件取其上半部（也可取其下半部）波形，即能实现包络检波。,为什么有时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。在一般的通信中，只要这一误差不太大，就不致于造成明显的信号失真。而在精密测量与控制中，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。,