测控电路总复习12要点Word格式.docx

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由被测参数的频率范围和载波频率决定（直流1011Hz）

1.基本要求

①测量放大电路输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；

②稳定放大倍数；

③低噪声；

④低输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；

⑤足够的带宽和转换速率；

⑥高共模输入范围和高共模抑制比；

⑦可调的闭环增益；

⑧线性好、精度高；

⑨成本低。

结论：

测量放大电路是一种综合指标很好的高性能放大电路。

2.基本类型

1）按结构原理

●差动直接耦合式（单端输入运放\电桥放大电路\电荷放大电路）

●调制式

●自动稳定式

2）按元件制造方式

●分立结构

●通用集成运放

●单片集成测量放大器

1.输入失调电压：

实际放前置级的差动放大器不一定完全对称，必须在输入端加上某一直流电压后才能使输出为零---u0s随时间和温度变化----零点漂移

结论：

失调电压的调整很重要

2.输入失调电流：

输入端直流偏置电流引起的I0s。

测量达电路主要误差来源：

噪声、干扰和漂移。

2.2典型测量放大器的设计

一、反相放大器

二、同相放大器

三、交流放大器

四、差动放大器

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。

有利于抑制共模干扰和减少温度漂移。

五、高共模抑制比放大电路

什么是高共模抑制比放大电路？

应用于何种场合？

用来抑制传感器输出共模电压（包括干扰电压）的放大电路称为高共模抑制比放大电路。

应用于要求共模抑制比大于100dB的场合，例如人体心电测量。

（一）双运放高共模抑制比放大电路

1、反相串联结构型

2、同相串联结构型

（二）三运放高共模抑制比放大电路

（三）有源屏蔽驱动电路

什么是有源屏蔽驱动电路？

将差动式传感器的两个输出经两个运算放大器构成的同相比例差动放大后，使其输入端的共模电压1∶1地输出，并通过输出端各自电阻（阻值相等）加到传感器的两个电缆屏蔽层上，即两个输入电缆的屏蔽层由共模输入电压驱动，而不是接地，电缆输入芯线和屏蔽层之间的共模电压为零，这种电路就是有源屏蔽驱动电路。

应用于何种场合?

经常使用于差动式传感器，如电容传感器、压阻传感器和电感传感器等组成的高精度测控系统。

（三运放结构集成：

AD612\AD614\LH0036、AD521、AD522等）

六、低漂移放大电路

1.斩波稳零放大电路（又叫调制式放大电路）

2.自动调零放大电路

3.低漂移单片集成放大电路

解决的失调（电压漂移）和低频干扰引起的零点漂移。

对微弱的直流或缓慢变化的信号进行低漂移和高精度的放大

1）轮换自动校零集成运算放大器（CAZ运算放大器）

什么是CAZ运算放大器？

CAZ运算放大器是轮换自动校零集成运算放大器的简称，它通过模拟开关的切换，使内部两个性能一致的运算放大器交替地工作在信号放大和自动校零两种不同的状态。

2）斩波稳零集成运算放大器（ICL7650）

ICL7650优点：

高增益、高输入电阻（1011Ω）、高共模抑制比

失调小、漂移低等

应用：

常常用在热电偶、电阻应变电桥、电荷传感器等测量微弱信号的前置放大器中。

一种近似理想的直流集成运算放大器。

七、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。

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

（一）单端输入电桥放大电路

（二）差动输入电桥放大电路

（三）线性电桥放大电路

八、高输入阻抗放大电路

1问题的提出：

电容式传感器、压电式传感器等具有很高输出阻抗（可达108以上），要求测量放大电路须有很高的输入阻抗匹配。

2解决方法：

通用集成运算放大器组成自举电路

高输入阻抗集成运算放大器

3应用场合:

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、压电式传感器等电荷式传感器的测量放大电路。

4何谓自举电路?

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。

5自举式高输入阻抗放大电路：

1）同相交流放大电路

2）交流电压跟随电路

3）自举组合电路

九、电荷放大电路

一种输出电压与输入电荷成比例关系的测量放大电路。

用于放大来自压电器件的电荷信号的放大电路。

比如：

压电传感器或电容式传感器等。

十、增益调整放大电路

既能方便调整放大电路的增益，又不降低放大电路共模抑制比的专门电路。

10.1手动增益调整放大电路

10.2自动增益调整放大电路

10.3可编程增益调整放大电路

2.3隔离放大电路

1什么是隔离放大电路？

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，一种特殊的测量电路。

隔离包括：

（1）.电源隔离 

（2）.地网络隔离 

（3）信号线隔离

主要的隔离方式？

▪电磁耦合（变压器）：

用以实现载波调制。

线性度好，隔离性能好，共模抑制比高，技术成熟。

缺点：

带宽较窄（1kHz）,体积大，工艺复杂，应用不便。

▪光电耦合：

结构简单，成本低，重量轻，线性度好，有一定转换速率，带宽较宽，与TTL电路兼容。

2、组成及符号

3、原理框图

4光电耦合隔离放大电路

（1）AD277变压器耦合隔离放大器

（2）互补式光电耦合放大电路

2.3噪声基本知识

1什么是噪声？

噪声（音）是指从设备内和设备外发出的一种不和谐的声音，它与该设备必须的操作信号混合在一起，是一种有害的成分，所以称之为噪声（音）。

⏹干扰有用信号的某种不希望的扰动。

⏹在运放的输出端包含有与输入信号无关的随机信号，而且它不能从已知的闭环传输函数中精确预测，这些不需要的信号即是噪声。

⏹干扰和噪声无本质区别。

外部来的扰动称为干扰；

内部产生的称为噪声。

2.分类：

白噪声/色噪声

⏹白噪声（whitenoise）:

是指功率谱密度在整个频域内均匀分布的噪声。

所有频率具有相同能量的随机噪声称为白噪声.是一种功率频谱密度为常数的随机信号或随机过程。

噪声的波形是随机的（幅值、相位、频率），瞬时值无法预测，但每赫带宽内包含的噪声功率从统计观点来看是一个常量。

⏹色噪声----噪声的频率固定，可以预测，而幅值、相位可能是随机的。

通常接地噪声是一种色噪声。

粉红色噪音又被称做频率反比（1/f）噪音，因为它的能量分布与频率成反比，或者说是每一个八度音程（Octave）能量就衰退3dB。

第3章信号调制解调电路

3.1调制解调的功用与类型

❑调制的主要功用:

为了便于区别信号与噪声，往往给测量信号赋予一定特征

解调的主要功用:

从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号

❑什么是信号调制？

调制就是用一个信号（称为调制信号）去控制另一个作为载体的信号（称为载波信号），让后者的某一特征参数（幅值、频率、相位、脉冲宽度）按前者变化。

❑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的过程称为解调

❑什么是调制信号、载波信号、已调信号？

（1）调制是给测量信号赋予一定特征，这个特征由作为载体的信号提供，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。

（2）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。

（3）在测控系统中，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。

3.2调幅式测量电路

一、调幅原理与方法

1一般表达式

v什么是调幅？

----用调制信号（代表测量值的信号）x去控制高频载波信号的幅值，使载波信号的幅值随x变化。

线性调幅---让调幅信号的幅值按调制信号x的线性函数变化。

us=（Um0+mx）cosct

m---调制度

Um0---调幅信号中，载波信号的幅值

c----载波信号频率

特点：

调制方法和电路简单。

v何谓双边带调幅？

假设调制信号x是角频率为Ω的余弦信号x=XmcosΩt则有:

us=Um0cosωct+

[mXmcos（ωc+Ω）t+

mXmcos（ωc-Ω）t]/2

它包含三个不同频率的信号:

角频率为ωc的载波信号和角频率分别为ωc±

Ω的上、下边频信号。

载波信号中不含调制信号x的信息，因此可以取Um0=0，只保留两个边频信号。

这种调制称为双边带调制。

双边带调制可用调制信号与载波信号相乘实现.

v思考题：

在测控系统中被测信号的变化频率为0~100Hz，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？

为了正确进行信号调制必须要求ωc>

>

Ω，通常至少要求ωc>

10Ω。

这样，根据香农定理，防止产生混叠现象，解调时滤波器能较好地将调制信号与载波信号分开，检出调制信号。

若被测信号的变化频率为0~100Hz，则载波信号的频率ωc>

1000Hz。

调幅信号放大器的通频带应为900~1100Hz。

信号解调后，滤波器的通频带应>

100Hz，即让0~100Hz的信号顺利通过，而将900Hz以上的信号抑制，可选通频带为200Hz。

2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，常要求从信号形成开始就已经是已调信号，因此常常在传感器中进行调制。

1）通过交流供电实现调制

电阻式传感器、电感式传感器和电容式传感器。

2）用机械或光学的方法实现调制

为了减少杂散光的影响，采用多孔盘或多槽（或频闪灯）调制盘2使光信号得到调指，以提高信噪比。

3.电路调制

❑乘法器调制

❑开关电路调制

❑信号相加调制

调制信号ux=UxmcosΩ与uc=Ucmcosωct载波信号相加减后去控制开关器件，选Ucm>

Uxm实际起控制作用的是载波信号uc

两个信号相加不能实现调制，只有通过控制开关电路获得乘积项实现调制。

二、包络检波电路

1什么是包络检波？

从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波。

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。

原理简单、电路简单，在通信中广泛应用。

包络检波的基本工作原理是什么？

包络检波输出不完全是调制信号，还含有直流分量，大小由载波信号幅值Um决10定。

在测控系统中包络检波输出直流成分与交流成分具有不同的含义是什么？

2为什么要采用精密检波电路？

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。

●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。

（1）半波精密检波电路

（2）全波精密检波电路

3包络检波存在问题：

第一，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。

第二，不具有区分不同载波频率的信号的能力，即电路本身无法区分信号与噪声。

三、相敏检波电路

（一）相敏检波的功用和原理

1、相敏检波电路特点：

●鉴别调制信号相位

●选频能力

●需要输入一个参考信号（与载波信号同频）又称为同步检波电路。

实现方法：

将双边带调幅信号us再乘以cosct，经低通滤波后就可以得到调制信号ux

2、为什么要采用相敏检波？

（1）包络检波有两个问题：

一是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。

二是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，这就是说它不具有鉴别信号与噪声的能力。

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。

3、相敏检波电路与包络检波电路在功能与电路构成上最主要的区别

（1）功能上的主要区别：

相敏检波电路能够鉴别调制信号相位，从而判别被测量变化的方向，同时相敏检波电路还具有选频的能力，从而提高测控系统的抗干扰能力。

（2）相敏检波电路的主要特点:

输入一个参考信号。

有了参考信号就可以用它来鉴别输入信号的相位和频率。

4、相敏检波电路与调幅电路在结构上有哪些相似之处？

它们又有哪些区别？

（1）相似之处：

将调制信号ux乘以幅值为1的载波信号就可以得到双边带调幅信号us，将双边带调幅信号us再乘以载波信号，经低通滤波后就可以得到调制信号ux。

这就是相敏检波电路在结构上与调制电路相似的原因。

（2）二者主要区别：

是调幅电路实现低频调制信号与高频载波信号相乘，输出为高频调幅信号；

而相敏检波器实现高频调幅信号与高频载波信号相乘，经滤波后输出低频解调信号。

这使它们的输入、输出耦合回路与滤波器的结构和参数不同。

（二）常用相敏检波电路

1、乘法器式相敏检波电路

2、开关式相敏检波电路

（1）开关式半波相敏检波电路

（2）开关式全波相敏检波电路

3、相加式相敏检波电路

半波相敏检波电路：

全波相敏检波电路：

图3-20

4、精密整流型全波相敏检波电路

5、脉冲箝位式相敏检波电路

（三）相敏检波电路的选频与鉴相特性:

相敏检波电路也具有抑制干扰的功能。

1、选频特性

1）什么是相敏检波电路的选频特性？

2）相敏检波电路基本工作机理：

将输入信号与载波频率为c的单位参考信号相乘，再通过滤波将高频载波滤除。

选频特性：

对不同频率的输入信号有不同的传递特性。

2、相敏检波电路的鉴相特性的作用：

●作相位计

●有利于提高电路抑制干扰信号的能力

只要干扰频率与参考信号略有差别，它与参考信号的相位差就不断变化，经低通滤波后平均输出接近零。

●抑制零点残余电压影响。

3.3调频式测量电路

一、调频原理与方法

（一）什么是调频？

写出调频信号的数学表达式，画出其波形。

调频就是用调制信号x去控制高频载波信号的频率。

常用的是线性调频，即让调频信号的频率按调制信号x的线性函数变化。

调频信号us的一般表达式可写为：

us=Umcos（c+mx）t

（二）传感器调制

（三）电路调制

1、电容三点式LC振荡器调频电路

2、多谐振荡器调频电路

3、压控振荡器

二、鉴频电路

什么是鉴频？

对调频信号实现解调，从调频信号中检出反映被测量变化的调制信号称为频率解调或鉴频。

（一）微分鉴频

（二）窄脉冲鉴频电路

（三）斜率鉴频：

双失谐回路鉴频电路

（四）比例鉴频

（五）数字式频率计

测量频率的两种方法：

1测量在某一时段内信号变化的周期数。

2基于测量信号的周期，根据在信号的一个周期内进入计数器的高频时钟脉冲数即可测得信号周期，从而确定它的频率。

应用：

适合被测频率较低场合

3.4调相式测量电路

一、调相原理与方法

（一）什么是调相？

写出调相信号的数学表达式，画出其波形。

调相就是用调制信号x去控制高频载波信号的相位。

常用的是线性调相，即让调相信号的相位按调制信号x的线性函数变化。

调相信号us的一般表达式可写为：

us=Umcos（ct+mx）

（1）扭矩测量

（2）莫尔条纹信号的调制

1、调相电桥

2、脉冲采样式调相电路

二、鉴相电路

鉴相就是从调相信号中将反映被测量变化的调制信号检出来，实现调相信号的解调，又称为相位检波。

（一）用相敏检波器或乘法器鉴相

（二）通过相位—脉宽变换鉴相

1、异或门鉴相

2、RS触发器鉴相

（三）脉冲采样式鉴相

三、各种鉴相方法比较

（精度、误差因素、鉴相范围）

影响鉴相误差的主要因素有：

非线性、信号幅值、占空比、门电路与时钟脉冲频率等。

⏹相敏检波器或乘法器鉴相：

原理上有非线性，信号幅值影响鉴相误差。

鉴相范围为±

/2。

⏹脉冲采样鉴相：

锯齿波的非线性影响鉴相误差。

鉴相范围接近2。

⏹异或门鉴相：

占空比影响鉴相误差。

鉴相范围为0--。

要求US，UC的占空比为1：

1

⏹RS触发器鉴相：

精度最高，线性好，对Us和Uc的占空比没有要求。

/

相位—脉宽变换鉴相：

时钟门电路的动作时间与时钟脉冲频率误差对精度有影响，但一般误差较小。

3.5脉冲调制式测量电路

一、脉冲调制原理与方法

（一）什么是脉冲调宽？

写出脉冲调宽信号的数学表达式，画出其波形。

脉冲调制是指用脉冲作为载波信号的调制方法。

脉冲调宽的数学表达式：

B=b+mx

用激光扫描的方法测量工件直径

1、参量调宽

2、电压调宽

二、脉冲调制信号的解调

（脉冲调宽信号的解调主要有哪些方式？

）

脉冲调宽信号的解调两种方式：

1将脉宽信号Uo送入一个低通滤波器，滤波后的输出uo与脉宽B成正比。

2Uo用作门控信号，只有当Uo为高电平时，时钟脉冲Cp才能通过门电路进入计数器。

这样进入计数器的脉冲数N与脉宽B成正比。

两种方法均具有线性特性。

第4章信号分离电路

利用滤波器从频率域中实现对噪声抑制，提取所需要的测量信号，是测控系统中必不可少的组成部分/

4.1滤波器的基本知识

⏹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频率信号的功能。

⏹工作原理：

当噪声与信号分布在不同频带中时，可以在频率域中实现信号与噪声分离。

（1）利用滤波器有效抑制噪声功率，提高测精度

测量精度很大程度上由信噪比决定。

即测量信号频带内有用功率与噪声功率之比。

（2）分离各种不同信号

⏹三种选择作用：

带通、带阻、过度渡带

4.1.1滤波器类型

☐信号形式：

模拟滤波器和数字滤波器

☐按功能分：

低通、高通、带通、带阻、全通

☐电路器件：

LC无源、特殊元件构成的无源滤波器（机械滤波器、压电陶瓷滤波器、晶体滤波器、声表面滤波器等）、RC无源、RC有源滤波器

☐按传递函数的微分方程阶数分：

一阶、二阶、高阶

4.1.2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

模拟滤波电路为线性四端网络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。

线性网络理论：

任意个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。

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。

▪幅频特性：

频率特性H（j）是一个复函数，其幅值A（）=∣H（j）∣。

滤波器的选频特性主要由其幅频特性决定

▪幅角（）：

表示输出信号的相位相对于输入信号相位的变化（）=arctanH（j），称为相频特性。

（三）滤波器的主要特性指标

1、特征频率：

（1）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---通带截止频率。

（2）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---阻带截止频率。

。

（3）转折频率:

fc=c/

（2）工程中以信号功率衰减到1/2（约3dB）时的频率作为通带与阻带的边界点。

在很多情况下，常以fc作为通带或阻带截频。

（4）固有频率:

f0=0/

（2）为电路没有损耗时，滤波器的谐振频率（二阶而言），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Kp并非常数。

①低通滤波器通带增益指=0时的增益；

高通滤波器指→∞时的增益；

带通则指中心频率（f0）处的增益。

②带阻滤波器阻带衰耗（减）

衰耗定义：

增益的倒数或通带与阻带中心频率处增益之差。

③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α:

是表征滤波器对角频率为ω0信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的一项指标。

品质因数Q:

阻尼系数α的倒数，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=ω0/△ω

△ω为带通或带阻滤波器的3dB绝对带宽，

1/Q=△ω./ω0相对带宽

Q值越大，相对带宽越小，选频性能越强。

ω0为中心频率，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。

作用：

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。

4.1.3基本滤波器

1、一阶滤波器

2、二阶低通滤波器

三、滤波器特性的逼近

理想滤波器:

要求