第六章常用传感器原理及其测量电路ppt课件.ppt

传感器常用测量电路,一 集成运算放大器 二 电桥电路 三 滤波器 四 调制与解调,这些处理手段称为信号调理,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1.传感器输出的电信号很微弱，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目的,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一 集成运算放大器,1、参数 （1）开环放大倍数A=; （2）输入阻抗ri=；输出阻抗ro=0; （3）频带宽度BW=； （4）当UP=UN,UO=0; （5）没有温漂；,传感器常用测量电路,通用集成运算放大器； 高输入电阻型运放； 高速型运放； 低失调电压运放； 高精度运放； 斩波稳零运放； 大功率运放；,2、常见集成运算放大器,传感器常用测量电路,信号放大分类,特点,传感器常用测量电路,A 直流放大电路,电压增益:,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。

3、常见放大电路,传感器常用测量电路,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:,传感器常用测量电路,B 交流放大电路,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来确定传感器常用测量电路,（1）差动输入放大电路：,（2）带平衡电阻的反向输入放大电路：,C 其他放大电路,传感器常用测量电路,（3）运算电路,传感器常用测量电路,（4）测量放大器电路,传感器常用测量电路,4 电荷放大器,,传感器常用测量电路,1 直流电桥,平衡条件,二 电桥电路,传感器常用测量电路,令：,传感器常用测量电路,所需的高稳定直流电源较易获得； 电桥输出电压是直流，可以用直流仪表测量； 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直流电桥优点：,直流放大器比较复杂，易受零漂和接地电位的影响缺点是：,传感器常用测量电路,电桥的接法：,传感器常用测量电路,2 交流电桥,电容,电感,传感器常用测量电路,两种常见的交流电桥：,a、RC电桥,b、RL电桥,电桥平衡条件,应用场合：,传感器常用测量电路,交流电桥优点： 可以调制输出电压的频率 交流放大容易； 缺点： 调节平衡困难 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,4 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。

加法特性的应用,减法特性的应用,三、滤波器,滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分,,传感器常用测量电路,1 滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）,低通,高通,传感器常用测量电路,带通,带阻,传感器常用测量电路,2 滤波器的串/并联,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,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,3 理想滤波器,理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，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,理想滤波器的物理不可实现,理想滤波器在时域内的脉冲响应函数 h(t)为 sinc函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t=0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不可实现传感器常用测量电路,4 实际滤波器,理想滤波器是不存在的，实际滤波器幅频特性中通带和阻带间没有严格界限，存在过渡带0,f,A,传感器常用测量电路,传感器常用测量电路,5 实际滤波器的技术指标,,,,0,f,1)截止频率fc：0.707A0所对应的频率,fc1----下截止频率 fc2----上截止频率,,,,0,f,传感器常用测量电路,2)纹波幅度d：绕幅频特性均值A0波动值,最大波动指标：,,,,0,f,3)带宽B： 上下两截频间的频率范围称为带宽。

传感器常用测量电路,4）倍频程选择性W 指在上截止频率fc2与2fc2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倍频程衰减量以dB/oct表示（Octave，倍频）衰减越快（即W值越大），滤波器的选择性越好传感器常用测量电路,或:,,,,0,f,5）中心频率fn：上下两截频间的频率fc1,fc2的集合平均值传感器常用测量电路,6）恒带宽、恒带宽比滤波器,实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实际滤波器中心频率与带宽之间的数值关系，可以分为两种b) 恒带宽比带通滤波器,a) 恒带宽带通滤波器,传感器常用测量电路,c）倍频程滤波器,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,fc2与fc1是带通滤波器的上、下截止频率，它们可以用下列关系式表示：,当n=1时，称为倍频程滤波器；,当n=1/3时，称为1/3倍频程滤波器；,,,,0,f,8）品质因数Q： 中心频率和带宽之比称为品质因数 传感器常用测量电路,6 RC无源滤波器,在测试系统中，常用RC滤波器因为这一领域中信号频率相对来说不高而RC滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标准阻容元件1) 一阶RC低通滤波器,传感器常用测量电路,传感器常用测量电路,2) 一阶RC高通滤波器,传感器常用测量电路,3) RC带通滤波器,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相互影响，因为后一级成为前一级的“负载”，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RC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传感器常用测量电路,7 有源滤波器,如果在低通滤波器后面接一个放大器：,,可见，其增益由,确定，而与时间常数RC无关传感器常用测量电路,通常利用一个运放可以构成一个二阶滤波器，其电路为：,,,该种类型滤波器被称为无限增益多路反馈型滤波器.下面推导其传递函数.,传感器常用测量电路,根据Y1到Y5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，以二阶低通为例：,,,,,传感器常用测量电路,产品,LineDa: LTC1564,MAXIM: MAX74xx,传感器常用测量电路,,传感器常用测量电路,8 滤波器的应用,案例：旅游索道钢缆检测,传感器常用测量电路,由案例提炼的典型实验：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,传感器常用测量电路,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： （1）表面坡度信号 x1(t) f1 （2）表面粗糙度信号 x2(t) f2 （3）高频电气干扰 x3(t) f3,且 f1< f2

传感器常用测量电路,案例：机床轴心轨迹的滤波处理,滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律,传感器常用测量电路,四 调制与解调,,,,传感器常用测量电路,“调制”与“解调”的过程:,人,飞机的参数（如重量、速度等）,控制,飞机 （载体）,载有人的飞机,,调制,人,,解调,低频信号,高频信号 （载波）,载波的参数（如幅度、频率、相位）,已调波,还原,低频信号,装载,卸载,传感器常用测量电路,用被传送的低频信号去控制高频信号（载波）的参数（幅度、频率、相位），实现低频信号搬移到高频段是调制的反过程即：把低频信号从高频段搬移下来，还原被传送的低频信号调制：,解调：,传感器常用测量电路,为什么要通过调制来发送信号？,天线尺寸的限制 只有天线实际长度与电信号的波长可比拟时，电信号才能以电磁波形式有效辐射 可实现的回路带宽 低频信号频率变化范围很大，很难做出参数在如此宽范围内变化的天线和调谐回路 区别不同的音频信号 有利于接收来自不同发射机的信号（因为不同发射机有不同的载波频率）传感器常用测量电路,2 种类,传感器常用测量电路,调制的方式:,,控制,,,,调制,低频信号,高频信号 （载波）,载波的参数,已调波,幅度调制（简称“调幅”，AM）,频率调制（简称“调频”，FM）,相位调制（简称“调相”，PM）,幅度,频率,相位,,角度调制,,相角,传感器常用测量电路,3 调幅及其解调,调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化 解调是利用检波、滤波或其它技术从以调幅波中恢复出缓变信号的过程。

传感器常用测量电路,调幅与解调过程（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),,,,,传感器常用测量电路,调幅与解调过程（频谱分析）,乘法器,放大器,x(t),z(t),x m(t),,,,,乘法器,滤波器,z(t),x(t),,,,,传感器常用测量电路,调幅的过程 相当于频率” 的搬移”过程,幅度调制与解调过程（数学分析）,,,,传感器常用测量电路,,,,,,,,AM信号波形特征,波形特征： (1)调幅波的振幅（包络）变化规律 与调制信号波形一致 (2)调幅波频率（即变化快慢） 与载波频率一致,,,,,,,,,,,,,,传感器常用测量电路,同步解调,包络检波,相敏检波,调幅波解调方法：,传感器常用测量电路,1）同步解调,上述调制方法，将信号x(t)直接与载波z(t)相乘这种调幅波具有极性变化，解调时必须再乘与z(t)相位相同的z(t) 方能复原出原信号，故称同步解调,传感器常用测量电路,调幅波的波形失真,b）过调失真,a）重叠失真：调幅波是由一对每边为fm的双边带信号组成当载波频率fz较低时，正频端的下边带将与负频端的下边带相重叠要求: fzfm,传感器常用测量电路,一般ma值越大调幅越深：,,波形特征： 调幅度ma反映了调幅的强弱程度,传感器常用测量电路,2）包络检波,若对信号x(t)进行偏置，叠加一个直流分量D，使偏置后的信号都具有正电压。

传感器常用测量电路,传感器常用测量电路,1、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 2、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，以恢复调制信号包络检波有两个问题：,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传感器常用测量电路,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A,5,4,1,2,3,B,C,d,.,.,.,.,3）相敏检波,在载波信号y(t) xm(t) 时,二极管的导通与截止全由载波信号y(t)决定调幅波,传感器常用测量电路,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A,5,4,1,2,3,B,C,d,.,.,.,.,3）相敏检波,工作原理： 调幅波与载波y(t)同相 载波电压为正 均为正 （ 原信号x(t)为正） 载波电压为负,传感器常用测量电路,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,。