201010工程测试技术第四章第一讲.ppt

本章学习要求：,掌握模拟信号放大原理 掌握电桥原理及基本特性 掌握信号调制及解调原理 掌握理想滤波器模型 了解实际滤波器基本参数,本讲内容,概述 信号调理的目的和内容 信号放大原理 电桥原理和基本特性,信号处理电路,信号输出,传感器信号,模拟信号处理结构示意图,4.1 概述,从结构上来讲，具体的模拟信号处理过程实际上是一个系统，传感器信号是系统的输入，处理后的信号是系统的输出，处理的内容和复杂程度不同，系统的规模和结构也将不同。信号处理技术决定着检测设备的总体性能。,信号分析 不改变信号本身的状态和特征，在信号的传输历程中，它是并联于该历程上的运算，由旁路输出运算结果,信号处理,结果输出,信号输入,信号分析,结果输出,信号输入,信号处理与信号分析的本质区别,信号处理 会改变信号本身的状态和特征，是串联于信号传输历程上的运算，运算后的输出改变信号的状态,信号处理的目的,将由探头输出的检测信号不失真地进行放大、滤波等处理，提高检测信号的信噪比和抗干扰能力，进一步进行信号的识别、分析、诊断、显示、存贮、打印、记录等，以显示出最明显的信号特征或检测结果。,典型模拟信号处理(最大)系统框图,当检测信号信噪比较高时，模拟信号识别是简单可行的；当检测信号背景噪声大或信号特征复杂时，则效果剧减且电路复杂。定性(半定量)检测时模拟信号处理方法以其低成本和简单结构有明显优势；当检测要求较高或欲实现定量检测时，该方法则无法胜任。,信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。,信号调理的目的,4.2 信号放大,2 分类,放大器,直流放大器,交流放大器,电荷放大器,幅度增大；低频保留，高频截止(工作点会产生温漂，稳定性是设计重点) 幅度增大；高频保留，低频截止（工作点保持在0V不变，温漂影响小，电路稳定性好，结构简单） 电荷增大（特殊的放大器，设计中输出电压随传感器电荷变化而变化） Z U,1 目的:将传感器输出的微弱电信号进行增强，以达到后续处理要求,电桥,直流放大电路,1) 反相放大器,反馈电阻RF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。,反相放大器是最基本的电路，其闭环电压增益Av为:,2）同相放大器,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。,同相放大器也是最基本的电路 ，其闭环电压增益Av为:,直流放大电路,交流放大电路,若只需要放大交流信号，可采用图示的集成运放交流电压同相放大器。其中电容C1、C2及C3为隔直电容。,R1一般取几十千欧。耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限频率fL来确定。,电荷放大器,某些传感器如压电式加速传感器、压力传感器等属于电容性传感器，阻抗非常高，工作时将产生正比于被测物理量的电荷量，具有较好的线性度。,积分运算电路可以将电荷量转换成很微弱的输出电压量，电容性传感器可等效为因存储电荷而产生的电动势与一个输出电容串联。,放大器特性比较,放大是测试系统的基本环节，放大器的放大倍数是关键的参数!,4.3 电桥,电桥是测试中常用的信号处理方法，是将电阻、电感、电容及阻抗参量的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路，由于电路简单，并具有较高的精确度和灵敏度，被广泛使用。 电桥分类: (按照其激励电源) 直流电桥 交流电桥,对于电阻式传感器，既可采用直流电桥形式，也可采用交流电桥形式。 对于电感式、电容式传感器或阻抗式传感器（如电涡流式传感器），则应配用交流电桥，与传感器配接的电桥主要采用不平衡电桥。,1）直流电桥,平衡条件,2）交流电桥,平衡条件,电桥的变换原理,电压源供电电桥电路,电流源供电电桥电路,电压源供电，桥路电流,输出电压（电压源供电条件下的桥臂值与输出电压的关系式）,电桥的基本特性,单臂电桥，一个桥臂阻值发生变化，其余三个臂的阻值均恒定，对应接入一个传感器的变换器情况。,差动半桥，两个桥臂阻值发生差动变化，其余两个恒定，对应于接入一个差动式传感器的两个差动变换器情况。,差动全桥，四个桥臂阻值均发生差动变化，对应于接入一个传感器的四个差动变换器作为电桥的四个桥梁情况。,1、输入输出特性,假设1：采用等臂电桥,假设2：桥臂阻值改变量的绝对值相同,单臂电桥,差动半桥,差动全桥,单臂电桥,2,差动半桥,差动全桥,电压源供电时的输入-输出（Z-U）特性,单臂电桥,差动半桥,差动全桥,在输入量Z相同的情况下： 差动半桥的输出U近似为单臂电桥的两倍； 差动全桥的输出是差动半桥的两倍，近似为单臂电桥的四倍。,2、灵敏度,单臂电桥,差动半桥,差动全桥,电压源供电,单臂电桥的灵敏度是输入Z的函数，即在全量程范围内不为常量，Z U 特性不是一条直线，具有非线性。,差动半桥与差动全桥的灵敏度与输入量Z无关，它是不随输入量Z变化的常量，Z U 特性是一条理想直线,差动半桥的灵敏度是单臂电桥的两倍。 差动全桥的灵敏度是差动半桥的两倍，近似为单臂电桥的四倍。,3、电桥对同符号干扰量的补偿特性,假设1：各差动变换器的改变量符号相同 假设2：各差动变换器的改变量的数值相同,单臂电桥,差动半桥,差动全桥,桥臂阻值的改变量是有用信号与温度干扰信号共同作用的结果：,单臂电桥,差动半桥,差动全桥,电压源供电、有同符号温度干扰量时的输入-输出(Z-U)特性,差动电桥（半桥及全桥）对同符号的温度干扰量ZT具有抵偿作用： 分子中没有干扰量ZT，清除了干扰量ZT对被测作用量Z的影响； 在分母中存在有干扰量ZT ，但它以比值ZT /Z0形式出现，对输出的影响小，因此温度误差大大减小。,恒流源供电差动全桥，在输入-输出特性中没有干扰量ZT ，理论上无温度误差！,电桥原理及特性小结,与单臂电桥相比，差动电桥的特性获得很大改善，如灵敏度提高，非线性误差减小，对同符号干扰量有抵偿作用等。差动式传感器与差动电桥相配合，能使测量系统获得更为优良的特性。 直流电桥与交流电桥的分析有较大的区别： 前者用直流电路分析方法； 后者用交流电路分析方法，电路中的频率、相位均会产生影响。,思考题：,1 信号调理的内容和目的？,2 信号放大电路的种类，如何根据传感器输出 特性选择合适的放大电路？,