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1、课程主讲人：（本科）第五章（本科）第五章 模拟信号处理模拟信号处理ppt课件课件机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院测试系统的基本特性测试系统的基本特性模拟信号处理模拟信号处理数字信号处理数字信号处理计算机与虚拟仪器测试技术计算机与虚拟仪器测试技术常用传感器常用传感器绪论绪论测试信号的描述与分析测试信号的描述与分析机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院主要内容主要内容1.1.电桥电桥 2.2.运算放大器运算放大器 3.3.调制与解调调制与解调4.4.滤波器滤波器5.5.测量电路及应用举例测量电
2、路及应用举例6.6.信号的显示与记录信号的显示与记录机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院信号调理的目的信号调理的目的 被测的物理量经过传感器变换以后，一般都是以电阻、被测的物理量经过传感器变换以后，一般都是以电阻、电容、电感或电荷、电流、电压等形式变化的微弱电信号，电容、电感或电荷、电流、电压等形式变化的微弱电信号，为了满足显示、记录、控制或输入计算机进行数据处理等为了满足显示、记录、控制或输入计算机进行数据处理等需要，尚须将这些微弱信号经过放大、调制、滤波等信号需要，尚须将这些微弱信号经过放大、调制、滤波等信号调理处理。调理处理。本章将讨论
3、常用的模拟信号处理装置，如电桥、本章将讨论常用的模拟信号处理装置，如电桥、放大器、调制器、滤波器等。数字信号处理装置将在第六放大器、调制器、滤波器等。数字信号处理装置将在第六章讨论。章讨论。第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院5.1 5.1 电桥电桥 电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化变为电压或电电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化变为电压或电流输出的一种测量电路。流输出的一种测量电路。其输出既可用指示仪表直接测量，其输出既可用指示仪表直接测量，也可以送入放大器进行放大。由于桥式测量电路结构简单，也可以
4、送入放大器进行放大。由于桥式测量电路结构简单，并具有较高的精确度和灵敏度，因此在测试装置中得到了广并具有较高的精确度和灵敏度，因此在测试装置中得到了广泛应用。泛应用。 与其他测试装置的分类一样，电桥亦有不同的分类方式：与其他测试装置的分类一样，电桥亦有不同的分类方式：按照激励电源的性质可分为按照激励电源的性质可分为直流电桥与交流电桥直流电桥与交流电桥；按照桥臂；按照桥臂阻抗性质又可分为阻抗性质又可分为电阻电桥、电容电桥和电感电桥。电阻电桥、电容电桥和电感电桥。第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院5.1.1
5、 直流电桥直流电桥 1、直流电桥的平衡条件、直流电桥的平衡条件平衡条件平衡条件4231RRRR13241412341234()()()oabadRRR RRRUUUUURRRRRRRR11112abRUI RURR42434adRUI RURR第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理112 UIRR234UIRR电桥有无输出仅与各桥臂的阻值有关，与激励电压无关；电桥输出的大小，不但与各桥电桥有无输出仅与各桥臂的阻值有关，与激励电压无关；电桥输出的大小，不但与各桥臂的阻值有关，而且与激励电压也有关。若要使电桥平衡，即输出电压为零臂的阻值有关，而且与激励电压也有关。若要使电桥平衡，即输出电压为零，应
6、满足应满足即只要相对桥臂的电阻乘积相等，电桥就可以达到平衡而没有电压输出。据此，如果适当调节各桥臂的电阻值，即只要相对桥臂的电阻乘积相等，电桥就可以达到平衡而没有电压输出。据此，如果适当调节各桥臂的电阻值，就可使得输出电压只与被测物理量引起的电阻变化量成比例，从而达到电阻变化值到电压值的变换。就可使得输出电压只与被测物理量引起的电阻变化量成比例，从而达到电阻变化值到电压值的变换。机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院2. 灵敏度灵敏度在平衡情况下，若电阻 变化 ，则电桥的输出电压为1R1R331211324144111234312114()()
7、()11oRRRRRR RR RRRRRUUURRRRRRRRRRR3214RRnRR令121 (1)oRnUUnR211/(1)oUnSURRn当 时，灵敏度 达到最大值。这时对于一定的 值，得到最大的输出电压。显然，满足 的条件为 （对称电桥）或 （等臂电桥）。在设计电桥时，一般取 1n S11RR1n 1234,RR RR1234RRRR1234RRRRd0dSn第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.1.1 直流电桥直流电桥 1n 机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院3. 电桥接法与输出特性电桥接法与输出特性 在机械测试技术中，一般
8、根据工作中电阻值参与变在机械测试技术中，一般根据工作中电阻值参与变化的桥臂数可分为半桥式与全桥式连接。化的桥臂数可分为半桥式与全桥式连接。 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.1.1 直流电桥直流电桥 机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院（1）半桥单臂）半桥单臂 014oRUUR0/0d14doRRUSURR00/14 1/ 2oRRUURR （2）半桥双臂（差动电桥）半桥双臂（差动电桥）工作中有两个桥臂阻值随被测物理量变化，而且必须一工作中有两个桥臂阻值随被测物理量变化，而且必须一个增大一个减小，即个增大一个减小，即 ，所以也称为差动
9、，所以也称为差动电桥。电桥。 1122,RR RR 01 2oRUUR0R /R1S=2U工作中有一个桥臂阻值随被测的量而变化，工作中有一个桥臂阻值随被测的量而变化， 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.1.1 直流电桥直流电桥 0RR机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院（3）全桥）全桥工作中四个桥臂电阻值都随被测物理量而变化，即工作中四个桥臂电阻值都随被测物理量而变化，即11223344,RRRRRRRR 0 oRUUR0/R RSU第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州
10、电子科技大学机械工程学院4、电桥用于应变片传感器的温度补偿、电桥用于应变片传感器的温度补偿 1324R RR R0000()()0RR RRR R0oU 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.1.1 直流电桥直流电桥 机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院1. 交流电桥的平衡条件交流电桥的平衡条件 交流电桥的激励电压采用交流，电桥的四个交流电桥的激励电压采用交流，电桥的四个臂可以是电感臂可以是电感 、电容、电容 或电阻或电阻 ，用复阻抗表示，用复阻抗表示j22j()zz() arctgLCLCLCZRxxeRxxxxR 而且输入电压与输出电
11、压分别用复数而且输入电压与输出电压分别用复数 与与 表示，那么根据对直表示，那么根据对直流电桥的讨论可以得到流电桥的讨论可以得到UoU5.1.2 交流电桥交流电桥 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理 交流电桥主要用于动态信号的测量和输出需要放大的场合，如广泛使用的交流电桥主要用于动态信号的测量和输出需要放大的场合，如广泛使用的动态应变仪就采用此种电桥。因为电桥输出常接放大器，故在分析中只需研究开动态应变仪就采用此种电桥。因为电桥输出常接放大器，故在分析中只需研究开路输出时的动态特性。路输出时的动态特性。机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院
12、1. 交流电桥的平衡条件交流电桥的平衡条件13241234()()oZ ZZ ZUUZZZZ&1324 Z ZZ Z3124jjjj11223344e Z =z e Z =z e Z =z eZz1324()j()j1 324eez zz z所以所以13241324z zz z 此式表明，交流电桥平衡必须同时满足两个条件，此式表明，交流电桥平衡必须同时满足两个条件，即相对两臂阻抗即相对两臂阻抗之模的乘积应相等，相对两臂阻抗角之和也必须相等。之模的乘积应相等，相对两臂阻抗角之和也必须相等。 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.1.2 交流电桥交流电桥 机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电
13、子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院2. 电容电桥、电感电桥的平衡电容电桥、电感电桥的平衡阻抗平衡条件为阻抗平衡条件为1342143213241411jj jjRRRRCCRRR RR RCC欲使复数相等，实部与虚部应分别相等，即欲使复数相等，实部与虚部应分别相等，即1324R RR R3214 RRCC由此可知，要使电容电桥平衡，必须同时调节电阻和电容两个参数，使它们分别达到平由此可知，要使电容电桥平衡，必须同时调节电阻和电容两个参数，使它们分别达到平衡衡 。电桥结构对称，相位平衡自然满足（如果电容传感器接入某一桥臂或者两桥臂接成。电桥结构对称，相位平衡自然满足（如果电容传感器
14、接入某一桥臂或者两桥臂接成差动式结构，输出电压就与输入电容的变化成比例，使电容参数的变化转变为输出的电差动式结构，输出电压就与输入电容的变化成比例，使电容参数的变化转变为输出的电压的变化）压的变化）第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.1.2 交流电桥交流电桥 13241324z zz z机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院2. 电容电桥、电感电桥的平衡电容电桥、电感电桥的平衡电桥平衡条件应为电桥平衡条件应为113442(j)(j)RL RRL R1324 R RR R1342 L RL R要使电感电桥平衡，除要考虑相位平衡外，还要保证电
15、阻和要使电感电桥平衡，除要考虑相位平衡外，还要保证电阻和电感分别达到平衡。（测量原理同电容电桥）电感分别达到平衡。（测量原理同电容电桥） 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.1.2 交流电桥交流电桥 13241324z zz z机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院3. 电阻交流电桥的平衡电阻交流电桥的平衡电桥各桥臂阻抗分别为电桥各桥臂阻抗分别为电桥平衡时满足电桥平衡时满足1324Z ZZ Z所以所以3321132432411442; RRRCR RR RR CR CRRRC或 或第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.1.2 交流电桥
16、交流电桥 机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院4. 差动工作电桥差动工作电桥 在动态信号测试中，将许多传感器及测量电路接成差动形在动态信号测试中，将许多传感器及测量电路接成差动形式的交流电桥，这样不但可以改善非线性，提高灵敏度，还可式的交流电桥，这样不但可以改善非线性，提高灵敏度，还可以补偿由于温度等因素造成的误差。以补偿由于温度等因素造成的误差。 132401234()()Z RZ RUUZZRR（1）差动式变压器电桥之一）差动式变压器电桥之一第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.1.2 交流电桥交流电桥 机械工程测试技术机械工程测试技
17、术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院4. 差动工作电桥差动工作电桥当有被测信号输入，传感器工作时，当有被测信号输入，传感器工作时， 并取，并取，12,ZZZ ZZZ34RRR()() 2 ()2oR ZZR ZZUZUUR ZZZZZ j,jsZRLZL 取取222()osLUURL如果线圈的品质因素比较高如果线圈的品质因素比较高 忽略忽略 2oLUUL如果两线圈的阻抗变化为如果两线圈的阻抗变化为 12,ZZZ ZZZ则则 2oLUUL 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.1.2 交流电桥交流电桥 sR其值大小相等、方向相反，说明输出电压既能反映被测物理量的大小，又
18、能反映被测物理量的方向。由于电其值大小相等、方向相反，说明输出电压既能反映被测物理量的大小，又能反映被测物理量的方向。由于电桥采用交流电源供电，故欲从输出电压得到被测物理量的大小和方向两种信息，须采用相敏检波器桥采用交流电源供电，故欲从输出电压得到被测物理量的大小和方向两种信息，须采用相敏检波器。机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院4. 差动工作电桥差动工作电桥13241423()()oZ RZ RUUZRZR设设 代入上式，并略去高阶微量代入上式，并略去高阶微量 ，得，得1234,ZZZ ZZZ RRR2()Z22 ()oR ZUUZR差动
19、式变压器电桥之二差动式变压器电桥之二第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.1.2 交流电桥交流电桥 13241234()()oZ ZZ ZUUZZZZ机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院4. 差动工作电桥差动工作电桥同样取同样取 ，上式变为，上式变为j, jZLZL22222j()oRLUUR LRL反之，若阻抗反之，若阻抗 的变化反向，亦即电感变化反向，的变化反向，亦即电感变化反向，则式（则式（5-29）为负。）为负。Z第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.1.2 交流电桥交流电桥 机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机
20、械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院4. 差动工作电桥差动工作电桥（2）差动式传感器电桥）差动式传感器电桥 差动式传感器电桥一般是由差动传感器与带中间抽头的电差动式传感器电桥一般是由差动传感器与带中间抽头的电源变压器副边绕组构成的交流电桥。其中差动传感器可以是电源变压器副边绕组构成的交流电桥。其中差动传感器可以是电感式的（图感式的（图5-12，表达式同，表达式同 ）也可以是电容式的。）也可以是电容式的。第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.1.2 交流电桥交流电桥 2oLUUL机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院4. 差动工作电桥差动工
21、作电桥差动式传感器电桥差动式传感器电桥电桥中电桥中 和和 组成一对差动电容，其桥臂的阻抗组成一对差动电容，其桥臂的阻抗 1C所以所以2C12123411,jjjZZCCZZL12122oZZUUZZ因为因为将阻抗表达式代入上式得将阻抗表达式代入上式得21122oCCUUCC 差动工作电桥与一般电桥相比，具有精确度和灵敏度高以差动工作电桥与一般电桥相比，具有精确度和灵敏度高以及性能稳定、频率范围大等优点，近年来，在测试工程中得到及性能稳定、频率范围大等优点，近年来，在测试工程中得到了比较广泛的应用。了比较广泛的应用。第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.1.2 交流电桥交流电桥 132412
22、34()()oZ ZZ ZUUZZZZ 2oLUUL2oCUUC12,CCC CCC12,ZZZ ZZZ机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院例例1 当直流电桥的四个桥臂都是测量臂时，求电桥的输出电压。n解 对式（5-3）作全微分可得12341234 dddddoooooUUUUURRRRRRRR3433412112242222121122343344dddd()()()()R RRR RR RRR RRRURRRRRRRRRRRR 1234()RRRR1234(,)RR RR对于全等臂电桥或对称电桥，上式可简化为 31241234ddddd4
23、oRRRRUURRRR当iiRR时，可变为增量表达式312412344oRRRRUURRRR如果把两个变化方向相同的输入量称为共模输入，把变化方向相反的两个输入量称为差模输入，则上式表明，电桥在半桥或全桥工作时，必须保持相邻臂为差模输入，相对臂为共模输入，电桥方有最大输出，反之，电桥输出为零。13241234()()oR RR RUURRRR机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院5.2 5.2 运算放大器运算放大器 运算放大器本质上是一个高增益的负反馈直流放大器。运算放大器本质上是一个高增益的负反馈直流放大器。加上外部反馈网络可以实现加、减、乘
24、、除、微分和积分加上外部反馈网络可以实现加、减、乘、除、微分和积分等数学运算，还等数学运算，还可以与其它外设电路组成测试系统中常用可以与其它外设电路组成测试系统中常用的差动放大器、电桥放大器、电荷放大器、压频变换器、的差动放大器、电桥放大器、电荷放大器、压频变换器、有源滤波器以及交流放大器等测试装置。有源滤波器以及交流放大器等测试装置。 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院5.2.1 运算放大器的符号及特点运算放大器的符号及特点 运算放大器不管其放大电路如何复杂，为了运算放大器不管其放大电路如何复杂，为了
25、简便起见，都用图简便起见，都用图5-15所示的符号来表示。所示的符号来表示。它代表了一个差动输入、单端输出的直接耦它代表了一个差动输入、单端输出的直接耦合放大器。合放大器。同相输入端以同相输入端以“+ ”表示，其含义是输入电表示，其含义是输入电压压 与输出电压与输出电压 同相；反相输入端以同相；反相输入端以“ -”表示，意即输入电压表示，意即输入电压 与输出电压与输出电压 反相。反相。+E 为接正电源的端点，为接正电源的端点， -E为接负电源的端点，为接负电源的端点，o 为输出端，为输出端， 为接地端。为接地端。集成运算放大器具有开环电压增益高、输入集成运算放大器具有开环电压增益高、输入阻抗高
26、、输出阻抗低、漂移小、可靠性高、阻抗高、输出阻抗低、漂移小、可靠性高、体积小等主要特点，体积小等主要特点，所以它已成为一种通用所以它已成为一种通用器件，在各个技术领域中得到了十分广泛而器件，在各个技术领域中得到了十分广泛而灵活的应用。灵活的应用。第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院具有理想参数的运算放大器叫理想运算放大器。具有理想参数的运算放大器叫理想运算放大器。 特点特点dr 0dUUIr入dK UU0U0U这就是说反相输入端的电位接近于这就是说反相输入端的电位接近于“地地”电位，它是一个不接电位，它是
27、一个不接“地地”的接的接“地地”端，通常称为端，通常称为“虚地虚地”。 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.2.2 理想运算放大器理想运算放大器 () odUK UU0odUUUK机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院1. 差动放大器 差动放大器就是用来放大差模差动放大器就是用来放大差模信号，抑制共模信号的，它的两信号，抑制共模信号的，它的两个输入端都有信号输入。个输入端都有信号输入。 1111111ioiiFUUUUI RURRR2323iUURRRUU因为因为当当123,FRR RR得得211() FoiiRUUUR0211FiiUR
28、SUUR第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运算放大器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院可见输出电压可见输出电压 与两个输入电压的差值成正比。当与两个输入电压的差值成正比。当 时，则得时，则得oU1FRR21oiiUUU差动放大器成为一个减法器差动放大器成为一个减法器差动放大器被广泛地应用于测试和控制系统中，形成了一个差动放大器被广泛地应用于测试和控制系统中，形成了一个专用测量放大器领域。专用测量放大器领域。1. 差动放大器5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几
29、种常见的运算放大器第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院2. 测量放大器n图5-17所示的三运放差动放大器通常也称为测量放大器，或称仪表放大器。其中、 为两个性能一致（主要指共模抑制比、输入阻抗和开环增益）的集成运放，工作于同相放大方式，构成平衡对称的差动放大输入级； 工作于差动放大方式，用来进一步抑制 、 的共模信号，并接成单端输出方式以适应接地负载的需要。1A2A3A1A2A机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院2. 测量放大器测量放大器 三运放差动放大
30、器通常也称为测量放大器，或称仪表放大器。三运放差动放大器通常也称为测量放大器，或称仪表放大器。 由电路分析可知由电路分析可知 11112(1)oiiGGRRuuuRR22221(1)oiiGGRRuuuRR644123365(1)oooRRRuuuRRRR 通常电路中通常电路中 12RR35RR46RR则测量放大器的增益为则测量放大器的增益为411232(1)ofiiGuRRuuRR 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.2.3 5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运算放大器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院2
31、. 测量放大器n测量放大器的共模抑制比主要取决于输入级运放 、的对称性以及输出级运放 的共模抑制比和输出级外接电阻、及、的匹配精度( 以内)。一般其共模抑制比可达120dB以上。n此外，测量放大器电路还具有增益调节功能，调节 可以改变增益而不影响电路的对称性。而且由于输入级采用了对称的同相放大器，输入电阻可达数百兆欧以上。n测量放大器已有多种形式，能够处理几微伏到几伏的电压信号。GR0.1%123机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院3. 电桥放大器电桥放大器 与差动放大器一样，直流电桥放大器也是用于在大的共与差动放大器一样，直流电桥放大器也是
32、用于在大的共模信号下测量来自传感器的微弱信号，而且差动电桥也具有模信号下测量来自传感器的微弱信号，而且差动电桥也具有抑制共模信号的能力。抑制共模信号的能力。第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运算放大器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院图图5-18 电桥放大器电桥放大器 加在放大器两个输入端的电压信号分别为加在放大器两个输入端的电压信号分别为1112RUERR4234 RUERR若电桥为全等臂若电桥为全等臂 1234RRRRR且为半桥双臂接法（差动电桥），即且为半桥双臂接法（差动电桥），
33、即 34, RRR RRR则则1 2EU 2 12ERUR那么那么 3. 电桥放大器电桥放大器 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运算放大器第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院3. 电桥放大器212112()()/2FFFoRRRRUUUUUERRRRR令令 RR则则 FoRUER0 FURSER由上式易见，输出电压与桥臂电阻由上式易见，输出电压与桥臂电阻 有关有关R为了排除为了排除 的影响，可采用右图的接法将电桥电源浮置，则其输出电压为的影响，可采用右图的接法将电桥电源浮置，则其输出电压
34、为R图图5-19 电桥电源浮置的电桥放大器电桥电源浮置的电桥放大器11 2FoREUR011) 2FURESR第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运算放大器34, RRR RRR1 2EU 2 12ERUR以上桥式电路主要用于电阻、电容、电感式等能量控制性传感器的后接装置以上桥式电路主要用于电阻、电容、电感式等能量控制性传感器的后接装置 机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院 由于压电式传感器输出的电信号是很微弱的电荷，而且传由于压电式传感器输出的电信号是很微弱的电荷，而且传感器本
35、身也存在很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带感器本身也存在很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。为此，通常把传感器信号先传输到高输入阻抗的来一定困难。为此，通常把传感器信号先传输到高输入阻抗的前置放大器，经过阻抗变换以后，方可用一般的放大、检波电前置放大器，经过阻抗变换以后，方可用一般的放大、检波电路将信号输给指示仪表或记录仪器或信号处理器。路将信号输给指示仪表或记录仪器或信号处理器。4. 电荷放大器电荷放大器第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运算放大器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子
36、科技大学机械工程学院 前置放大器有两种形式，一种是用前置放大器有两种形式，一种是用电阻反馈的电压放电阻反馈的电压放大器大器，其输出电压与输入电压（即传感器的输出电压）成其输出电压与输入电压（即传感器的输出电压）成正比，不过要受电缆长度的影响正比，不过要受电缆长度的影响；另一种是；另一种是带电容反馈的带电容反馈的电荷放大器电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比，且与电缆长其输出电压与输入电荷成正比，且与电缆长度无关，还具有很宽广的频率响应度无关，还具有很宽广的频率响应，故电荷放大器得到了，故电荷放大器得到了更为广泛的应用。它已成为与压电式传感器配套使用的专更为广泛的应用。它已成为与压电式传感器配
37、套使用的专用测量仪器。用测量仪器。第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理4. 电荷放大器电荷放大器5.2.3 5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运算放大器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院4. 电荷放大器电荷放大器 电荷放大器是一个高增益带电荷放大器是一个高增益带电容反馈的运算放大器。当略去传电容反馈的运算放大器。当略去传感器的漏电阻及电荷放大器的输入感器的漏电阻及电荷放大器的输入电阻时，它的等效电路如图电阻时，它的等效电路如
38、图5-20所示。所示。() ()iaciiofqU CCCUU C其中其中 为传感器电容；为传感器电容； 为外接电路的输入端电容；为外接电路的输入端电容； 为电缆电容。为电缆电容。 令令 K为电荷放大器的开环放大倍数，为电荷放大器的开环放大倍数，aciCCCCiCaCcCoiUKU第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运算放大器()offKqUCCKC()ffKCCCofqUC 机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院()offKqUCCKC如果放大器的增益足够大，则如果放大器的增益足够大，则
39、上式可简化为上式可简化为()ffKCCC?ofqUC 4. 电荷放大器电荷放大器5.2.3 5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运算放大器第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院4. 电荷放大器电荷放大器 通常在反馈电容的两端并联一个大电阻通常在反馈电容的两端并联一个大电阻 （约（约 ） 以提供以提供直流反馈，改善低频响应。直流反馈，改善低频响应。 fR电荷放大器的下限截止频率（放大器增益下降电荷放大器的下限截止频率（放大器增益下降3dB时的对应频率）为时的对应频率）为ffLCRf2
40、1 此式表明，电荷放大器的输出电压与电缆电容无关，亦即其灵敏此式表明，电荷放大器的输出电压与电缆电容无关，亦即其灵敏度与电缆电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度达百度与电缆电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度达百米以上，其灵敏度亦无明显变化，这是电荷放大器的一个突出优点米以上，其灵敏度亦无明显变化，这是电荷放大器的一个突出优点8101010第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.2.3 5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运算放大器ofqUC 机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院若选取若
41、选取 1041210.00162101010LfHz 由此可见，电荷放大器在适当选取由此可见，电荷放大器在适当选取 和和 后，低端截后，低端截止频率几乎接近于零。也就是说，压电式传感器配用电荷止频率几乎接近于零。也就是说，压电式传感器配用电荷放大器时，低频响应很好，可进行稳态参数的测量。放大器时，低频响应很好，可进行稳态参数的测量。fRfC第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理4. 电荷放大器电荷放大器5.2.3 5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运算放大器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院5. 电压比较器电压比
42、较器 在测试电路中常常需要对两个电压进行比较，一个在测试电路中常常需要对两个电压进行比较，一个是被测信号电压，另一个是参考电压；或者两个都是被是被测信号电压，另一个是参考电压；或者两个都是被测信号电压。测信号电压。当当iRUU输出电压等于稳压管的稳定电压输出电压等于稳压管的稳定电压 1WU当当 输出端电位被输出端电位被 箍住，箍住， iRUU2WD2oWUU第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.2.3 5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运算放大器机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院 当用放大器的输出来推动负载时
43、，希望放大器能最大限度当用放大器的输出来推动负载时，希望放大器能最大限度地把能量传输给负载。两者之间能满足上述要求的联配，称地把能量传输给负载。两者之间能满足上述要求的联配，称之为之为阻抗匹配阻抗匹配。 当两个装置联接后当两个装置联接后 12EIZZ2212ABZEIZEZZ第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.2.4 5.2.4 放大器及其负载的阻抗匹配放大器及其负载的阻抗匹配机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院则输给后级装置（负载）则输给后级装置（负载） 的功率为的功率为2H2222121212()ABEZZEPIEEZZZZZZ令令
44、 20dPdZ得得 12220ZZZ即即 12ZZ表明，表明，当前级装置的输出阻抗（内阻）与后级装置的输入阻当前级装置的输出阻抗（内阻）与后级装置的输入阻抗相等时，前级装置传输给后级装置的功率最大，这就是装抗相等时，前级装置传输给后级装置的功率最大，这就是装置之间的阻抗匹配原则。置之间的阻抗匹配原则。5.2.4 5.2.4 放大器及其负载的阻抗匹配放大器及其负载的阻抗匹配第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院5.3 5.3 调制与解调调制与解调调幅与其解调调幅与其解调- -电阻应变仪电阻应变仪YD-15型型
45、动态应变仪的工作原理方框图动态应变仪的工作原理方框图YD-15型型00( )cos2uSUR tf t0/( )RRR t0cos2uUf t0 oRUSUR机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院 解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。一般被测的物理一般被测的物理量，如力、位移等，经过传感器变换以后，常常是一些缓变的微弱电信号，量，如力、位移等，经过传感器变换以后，常常是一些缓变的微弱电信号，需要经过放大处理才能予以显示和记录。一个十分常用的办法是把缓变信号需要经过放大处理才能予以显示和记录。一个十
46、分常用的办法是把缓变信号先变为频率适当的交流信号，然后用交流放大器进行放大，最后再还原为放先变为频率适当的交流信号，然后用交流放大器进行放大，最后再还原为放大的直流缓变信号。这样一个过程称为信号的调制与解调，它被广泛用于传大的直流缓变信号。这样一个过程称为信号的调制与解调，它被广泛用于传感器和测量电路中。感器和测量电路中。 例如下面的调幅波例如下面的调幅波5.3 5.3 调制与解调调制与解调 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.3.1 5.3.1 测试信号的调制测试信号的调制 机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院 调制是利用缓变信号来控
47、制或改变高频振荡的某个参数（幅调制是利用缓变信号来控制或改变高频振荡的某个参数（幅值、频率或相位），使它随着被测信号作有规律的变化，以利于值、频率或相位），使它随着被测信号作有规律的变化，以利于实现信号的放大与传输。调制过程有三种：（语言表述）实现信号的放大与传输。调制过程有三种：（语言表述）用缓变信号控制高频振荡信号的幅值，称为调幅，以用缓变信号控制高频振荡信号的幅值，称为调幅，以AM表示。表示。用缓变信号控制高频振荡信号的频率，称为调频，以用缓变信号控制高频振荡信号的频率，称为调频，以FM表示。表示。用缓变信号控制高频振荡信号的相位，称为调相，以用缓变信号控制高频振荡信号的相位，称为调相，
48、以PM表示。表示。 一般将控制高频振荡的缓变信号称为一般将控制高频振荡的缓变信号称为调制波调制波；载送缓变信号；载送缓变信号的高频振荡波称为的高频振荡波称为载波载波；经过调制的高频振荡波称为；经过调制的高频振荡波称为已调波已调波。已已调波相应地有调幅波、调频波和调相波三种调波相应地有调幅波、调频波和调相波三种，测试技术中常用的，测试技术中常用的是是调幅和调频两种调幅和调频两种。 解调则是对已调波进行鉴别以恢复缓变的测量信号（调制信解调则是对已调波进行鉴别以恢复缓变的测量信号（调制信号）。号）。 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.3 调制与解调调制与解调5.3.1 5.3.1 测试信号的
49、调制测试信号的调制 机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院 调幅、调频、调相波的调幅、调频、调相波的图解过程图解过程： 图中被测信号是梯形波，图中被测信号是梯形波，载波是余弦波。载波是余弦波。调幅波：调幅波：其包其包络线形状由被测信号决定，载络线形状由被测信号决定，载波信号的频率和相位均不改变。波信号的频率和相位均不改变。调频波：调频波：其载波信号的振幅与其载波信号的振幅与相位不变，而频率改变。当被相位不变，而频率改变。当被测信号的幅值减小时，频率降测信号的幅值减小时，频率降低；幅值增大时，频率提高。低；幅值增大时，频率提高。所以，调频波可以看
50、成是一个所以，调频波可以看成是一个频率受被测信号幅值控制的正频率受被测信号幅值控制的正弦波。弦波。第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.3.1 5.3.1 测试信号的调制测试信号的调制 机械工程测试技术机械工程测试技术杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院a) a) 幅值调制幅值调制(AM)(AM)( )( )cos(2)y tA x tftb) b) 频率调制频率调制(FM)(FM)0( )cos(2 ( )y tAfkx t tc) c) 相位调制相位调制(PM(PM)0( )cos(2( )y tAftkx t第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.3.1 5.3