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传感器常用测量电路传感器常用测量电路一一集成运算放大器集成运算放大器二二电桥电路电桥电路三三滤波器滤波器四四调制与解调调制与解调这些处理手段称为信号调理这些处理手段称为信号调理传感器常用测量电路传感器常用测量电路信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。1.1.传传感感器器输输出出的的电电信信号号很很微微弱弱，大大多多数数不不能能直直接接输输送送到到显显示示、记记录录或或分分析析仪仪器器中中去去，需需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。2.2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。声，需要去掉噪声，提高信噪比。3.3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量进行调制解调处理。对传感器测量进行调制解调处理。目的目的传感器常用测量电路传感器常用测量电路集成运算放大器是一种具有高放大倍数、带深度负反馈的直集成运算放大器是一种具有高放大倍数、带深度负反馈的直接耦合放大器，其输入网络和反馈网络由线性或非线性元件组接耦合放大器，其输入网络和反馈网络由线性或非线性元件组成，可对输入信号进行多种数学运算和处理。成，可对输入信号进行多种数学运算和处理。一一 集成运算放大器集成运算放大器1 1、参数、参数 （1）开环放大倍数）开环放大倍数A=;（2）输入阻抗）输入阻抗ri=；输出阻抗；输出阻抗ro=0;（3）频带宽度）频带宽度BW=；（4）当）当UP=UN,UO=0;（5）没有温漂；）没有温漂；传感器常用测量电路传感器常用测量电路l通用集成运算放大器；通用集成运算放大器；l高输入电阻型运放；高输入电阻型运放；l高速型运放；高速型运放；l低失调电压运放；低失调电压运放；l高精度运放；高精度运放；l斩波稳零运放；斩波稳零运放；l大功率运放；大功率运放；2、常见集成运算放大器、常见集成运算放大器传感器常用测量电路传感器常用测量电路信号放大信号放大分类分类特点特点放大器放大器直流放大器直流放大器交流放大器交流放大器电荷放大器电荷放大器直流电桥直流电桥交流电桥交流电桥低频保留低频保留,高频截止高频截止高频保留高频保留,低频截止低频截止传感器常用测量电路传感器常用测量电路A A 直流放大电路直流放大电路电压增益电压增益:1)1)反相放大器反相放大器反馈电阻反馈电阻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。为几十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于信号源的取值应远大于信号源Ui的内阻的内阻。3 3、常见放大电路、常见放大电路传感器常用测量电路传感器常用测量电路_+2)2)同相放大器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。特点，广泛用于前置放大级。同相放大器也是最基同相放大器也是最基本的电路本的电路，其闭环电压增，其闭环电压增益益Av为为:传感器常用测量电路传感器常用测量电路B B 交流放大电路交流放大电路R1一般取几十千欧。耦合电容一般取几十千欧。耦合电容C1、C3可根据交流可根据交流放大器的下限频率放大器的下限频率fL来确定。来确定。若只需要放大交流信号，可采用图示的集成运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。其中电容放交流电压同相放大器。其中电容C1、C2及及C3为隔直电容。为隔直电容。传感器常用测量电路传感器常用测量电路（1）差动输入放大电路：）差动输入放大电路：（2 2）带平衡电阻的反向输入放大电路：）带平衡电阻的反向输入放大电路：C C 其他放大电路其他放大电路传感器常用测量电路传感器常用测量电路（3）运算电路）运算电路传感器常用测量电路传感器常用测量电路（4）测量放大器电路）测量放大器电路传感器常用测量电路传感器常用测量电路4电荷放大器电荷放大器F+传感器常用测量电路传感器常用测量电路1 1 直流电桥直流电桥平衡条件平衡条件eye0R1R4R2R3二 电桥电路电桥电路传感器常用测量电路传感器常用测量电路令：令：传感器常用测量电路传感器常用测量电路n所需的高稳定直流电源较易获得；所需的高稳定直流电源较易获得；n电桥输出电压是直流，可以用直流仪表测量；电桥输出电压是直流，可以用直流仪表测量；n对从传感器到测量仪表的连接导线要求较低，对从传感器到测量仪表的连接导线要求较低，电桥的平衡电路简单。电桥的平衡电路简单。直流电桥优点：直流电桥优点：n直流放大器比较复杂，易受零漂和接地电位直流放大器比较复杂，易受零漂和接地电位的影响。的影响。缺点是：缺点是：传感器常用测量电路传感器常用测量电路电桥的接法：电桥的接法：半桥半桥单臂单臂半桥半桥双臂双臂全桥全桥传感器常用测量电路传感器常用测量电路2 2 交流电桥交流电桥电容电容电感电感传感器传感器传感器传感器平衡条件平衡条件传感器常用测量电路传感器常用测量电路两种常见的交流电桥：两种常见的交流电桥：a、RC电桥电桥b、RL电桥电桥电桥平衡条件电桥平衡条件应用场合：应用场合：电容传感器的转换电路电容传感器的转换电路电感传感器的转换电路电感传感器的转换电路传感器常用测量电路传感器常用测量电路交流电桥优点：交流电桥优点：可以调制输出电压的频率可以调制输出电压的频率交流放大容易；交流放大容易；缺点：缺点：调节平衡困难调节平衡困难易受分布参数影响；易受分布参数影响；传感器常用测量电路传感器常用测量电路传感器常用测量电路传感器常用测量电路4 4 电桥的应用电桥的应用 由电桥输出可以看出，不同的桥臂上的电阻（抗）的变化对输出的影响是不同的。由电桥输出可以看出，不同的桥臂上的电阻（抗）的变化对输出的影响是不同的。+加法特性的应用加法特性的应用减法特性的应用减法特性的应用三、滤波器三、滤波器滤波器是一种选频装置，可以使滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分衰减其他频率成分传感器常用测量电路传感器常用测量电路1 1 滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）低通低通高通高通传感器常用测量电路传感器常用测量电路带通带通带阻带阻传感器常用测量电路传感器常用测量电路2 滤波器的串滤波器的串/并联并联低低通通滤滤波波器器和和高高通通滤滤波波器器是是滤滤波波器器的的两两种种最最基基本本的的形形式式，其其它它的的滤滤波波器器都都可可以以分分解解为为这这两种类型的滤波器。两种类型的滤波器。低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器传感器常用测量电路传感器常用测量电路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串联为带通滤波器3 3 理想滤波器理想滤波器 理理想想滤滤波波器器是是指指能能使使通通带带内内信信号号的的幅幅值值和和相相位位都都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。传感器常用测量电路传感器常用测量电路fcH(f)f(f)理想滤波器的理想滤波器的物理不可实现物理不可实现理理想想滤滤波波器器在在时时域域内内的的脉脉冲冲响响应应函函数数h(t)为为sinc函函数。脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸。数。脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸。给理想滤波器一个脉冲激励，在给理想滤波器一个脉冲激励，在t=0t=0时刻单位脉时刻单位脉冲输入滤波器之前，滤波器就已经有响应了。故物理冲输入滤波器之前，滤波器就已经有响应了。故物理不可实现。不可实现。fcH(f)传感器常用测量电路传感器常用测量电路4 4 实际滤波器实际滤波器 理理想想滤滤波波器器是是不不存存在在的的，实实际际滤滤波波器器幅幅频频特特性中通带和阻带间没有严格界限，存在过渡带。性中通带和阻带间没有严格界限，存在过渡带。0fA传感器常用测量电路传感器常用测量电路传感器常用测量电路传感器常用测量电路5 5 实际滤波器的技术指标实际滤波器的技术指标0ffc1fc2A00.707A01)截止频率截止频率fc：0.707A0所对应的频率所对应的频率fc1-下截止频率下截止频率fc2-上截止频率上截止频率0f传感器常用测量电路传感器常用测量电路2)纹波幅度纹波幅度d：绕绕幅频特性均值幅频特性均值A0波动值波动值最大波动指标：最大波动指标：d0ffc1fc2A00.707A03)带宽带宽B：上下两截频间的频率范围称为带宽。上下两截频间的频率范围称为带宽。B传感器常用测量电路传感器常用测量电路4）倍频程选择性）倍频程选择性W指在上截止频率指在上截止频率fc2与与2fc2之间幅频特性的衰减值，之间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。即频率变化一个倍频程时的衰减量。倍频程衰减量以倍频程衰减量以dB/oct表示（表示（Octave，倍频）。，倍频）。衰减越快（即衰减越快（即W值越大），滤波器的选择性越好。值越大），滤波器的选择性越好。传感器常用测量电路传感器常用测量电路或或:0ffc1fc2A00.707A05）中心频率）中心频率fn：上下两截频间的频率上下两截频间的频率fc1,fc2的集合的集合平均值平均值。传感器常用测量电路传感器常用测量电路6 6）恒带宽、恒带宽比滤波器）恒带宽、恒带宽比滤波器实实际际滤滤波波器器频频率率通通带带通通常常是是可可调调的的，根根据据实实际际滤滤波波器器中中心心频频率率与与带带宽宽之之间间的的数数值值关关系系，可可以以分为两种。分为两种。b)b)恒带宽比带通滤波器恒带宽比带通滤波器a)a)恒带宽带通滤波器恒带宽带通滤波器传感器常用测量电路传感器常用测量电路c c）倍频程滤波器）倍频程滤波器倍频程滤波器是一种恒带宽比滤波器。倍频程滤波器是一种恒带宽比滤波器。传感器常用测量电路传感器常用测量电路 fc2与与fc1是是带带通通滤滤波波器器的的上上、下下截截止止频频率率，它它们们可以用下列关系式表示：可以用下列关系式表示：当当n=1时，称为倍频程滤波器；时，称为倍频程滤波器；当当n=1/3时，称为时，称为1/3倍频程滤波器；倍频程滤波器；0ffc1fc2A00.707A08）品质因数）品质因数Q：中心频率和带宽之比称为品质因数中心频率和带宽之比称为品质因数。B传感器常用测量电路传感器常用测量电路6 RC6 RC无源滤波器无源滤波器 在在测测试试系系统统中中，常常用用RCRC滤滤波波器器。因因为为这这一一领领域域中中信信号号频频率率相相对对来来说说不不高高。而而RCRC滤滤波波器器电电路路简简单单，抗抗干干扰扰强强，有有较较好好的的低低频频性性能能，并并且且选选用用标标准阻容元件。准阻容元件。1)1)一阶一阶RCRC低通滤波器低通滤波器传感器常用测量电路传感器常用测量电路传感器常用测量电路传感器常用测量电路2)2)一阶一阶RCRC高通滤波器高通滤波器传感器常用测量电路传感器常用测量电路3)RC3)RC带通滤波器带通滤波器 可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联 传感器常用测量电路传感器常用测量电路应注意，当高、低通两级串联时，应消除两级耦合时的应注意，当高、低通两级串联时，应消除两级耦合时的相互影响，因为后一级成为前一级的相互影响，因为后一级成为前一级的“负载负载”，而前一级又，而前一级又是后一级的信号源内阻。实际上两级间常用射极输出器或者是后一级的信号源内阻。实际上两级间常用射极输出器或者用运算放大器进行隔离。所以实际的带通滤波器常常是有源用运算放大器进行隔离。所以实际的带通滤波器常常是有源的。有源滤波器由的。有源滤波器由RC调谐网络和运算放大器组成。运算放大调谐网络和运算放大器组成。运算放大器既可起级间隔离作用，又可起信号幅值的放大作用。器既可起级间隔离作用，又可起信号幅值的放大作用。传感器常用测量电路传感器常用测量电路7 7 有源滤波器有源滤波器如果在低通滤波器后如果在低通滤波器后面接一个放大器：面接一个放大器：可见，其增益由可见，其增益由确定，而与时间常数确定，而与时间常数RC无关。无关。传感器常用测量电路传感器常用测量电路通常利用一个运放可以构成通常利用一个运放可以构成一个二阶滤波器，其电路为：一个二阶滤波器，其电路为：该种类型滤波器被称为无限该种类型滤波器被称为无限增益多路反馈型滤波器增益多路反馈型滤波器.下下面推导其传递函数面推导其传递函数.传感器常用测量电路传感器常用测量电路根据根据Y1到到Y5取值及阻抗类型的不同组合，可以得到二阶低、取值及阻抗类型的不同组合，可以得到二阶低、高、带通及带阻滤波器，高、带通及带阻滤波器，以二阶低通为例：以二阶低通为例：传感器常用测量电路传感器常用测量电路产品产品LineDa:LTC1564MAXIM:MAX74xx传感器常用测量电路传感器常用测量电路传感器常用测量电路传感器常用测量电路8 8 滤波器的应用滤波器的应用超门限报警超门限报警案例：案例：旅游索道钢缆检测旅游索道钢缆检测传感器常用测量电路传感器常用测量电路由案例提炼的典型实验：由案例提炼的典型实验：钢管无损探伤钢管无损探伤滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警传感器常用测量电路传感器常用测量电路案例：案例：在机械加工中常常使用的电动轮廓仪来测量工件表面粗糙在机械加工中常常使用的电动轮廓仪来测量工件表面粗糙度。在测量过程中，电感传感器的测针沿被测表面滑过，这时，度。在测量过程中，电感传感器的测针沿被测表面滑过，这时，传感器输出的电压信号中包含三种成分：传感器输出的电压信号中包含三种成分：（1）表面坡度信号表面坡度信号x1(t)f1（2）表面粗糙度信号表面粗糙度信号x2(t)f2（3）高频电气干扰高频电气干扰x3(t)f3且且f1f2xm(t)时时,二极管的导通与截止全由载波二极管的导通与截止全由载波信号信号y(t)决定。决定。调幅波调幅波传感器常用测量电路传感器常用测量电路A A5 54 41 12 23 3B BC Cd d.3）相敏检波相敏检波工作原理：工作原理：调幅波与载波调幅波与载波y(t)同相同相载波电压为正载波电压为正均为正均为正（原信号原信号x(t)为正）为正）载波电压为负载波电压为负传感器常用测量电路传感器常用测量电路A A5 54 41 12 23 3B BC Cd d.3）相敏检波相敏检波工作原理：工作原理：调幅波与载波调幅波与载波y(t)异相异相载波电压为正载波电压为正均为负均为负（原信号（原信号x(t)为负）为负）载波电压为负载波电压为负传感器常用测量电路传感器常用测量电路例：动态应变仪例：动态应变仪传感器常用测量电路传感器常用测量电路4 4 频率调制与鉴频频率调制与鉴频调调频频是是利利用用信信号号x(t)的的幅幅值值调调制制载载波波的的频频率率，或或者者说说，调调频频波波是是一一种种随随信信号号x(t)的的电电压压幅幅值值而变化的疏密度不同的等幅波而变化的疏密度不同的等幅波.传感器常用测量电路传感器常用测量电路传感器常用测量电路传感器常用测量电路波形特征：波形特征：(1)调频波的振幅变化规律调频波的振幅变化规律与载波频率一致与载波频率一致(2)调频波频率（即变化快慢）调频波频率（即变化快慢）与调制信号波形变化一致与调制信号波形变化一致鉴频：鉴频：T1T2T3T4F传感器常用测量电路传感器常用测量电路优点：抗干扰能力强。优点：抗干扰能力强。调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的所要求带宽的2020倍；调频系统较之调幅系统复倍；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率调制足一种非线性调制。杂，因为频率调制足一种非线性调制。因为调频信号所携带的信息包含在频率变化因为调频信号所携带的信息包含在频率变化之中，并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主之中，并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主要表现在振幅之中要表现在振幅之中缺点：占频带宽度大，复杂缺点：占频带宽度大，复杂传感器常用测量电路传感器常用测量电路谐振电路调频谐振电路调频传感器常用测量电路传感器常用测量电路
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