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现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 现代测试技术现代测试技术Modern testing and measurement technology 苏州科技学院苏州科技学院电子与信息工程学院电子与信息工程学院电子科学技术系电子科学技术系潘敬熙潘敬熙 现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 第第2 2章章 测试信号转换处理电路测试信号转换处理电路 本章学习要求：本章学习要求：理解信号放大、信号滤波、信号运算、信号理解信号放大、信号滤波、信号运算、信号调制解调以及电桥等各种测试信号转换处理电路调制解调以及电桥等各种测试信号转换处理电路的基本原理，掌握其参数设计方法。的基本原理，掌握其参数设计方法。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 2.1 2.1 概述概述对测试信号进行转换处理的目的：对测试信号进行转换处理的目的：1.1.传传感感器器输输出出的的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，需需要要进进一一步步放放大大，有有的的还还要要进进行行阻阻抗变换。抗变换。2.2.有些传感器输出的是电参量，需要转换成电信号才能进行有些传感器输出的是电参量，需要转换成电信号才能进行处理。处理。3.3.有些传感器输出的是电信号，但信号中混杂有干扰噪声，有些传感器输出的是电信号，但信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。需要去掉噪声，提高信噪比。4.4.某些场合，为便于信号的远距离传输等原因，需要对传感某些场合，为便于信号的远距离传输等原因，需要对传感器测量信号进行调制解调处理。器测量信号进行调制解调处理。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 传感器接口电路形式传感器接口电路形式 传感器按集成程度分为传统传感器和智能传感器。传感器按集成程度分为传统传感器和智能传感器。按有无能量输出分为无源传感器和有源传感器（智能传按有无能量输出分为无源传感器和有源传感器（智能传感器一般都是有源传感器）。感器一般都是有源传感器）。按输出信号性质分为模拟传感器和数字传感器。按输出信号性质分为模拟传感器和数字传感器。传感器主要变化参数有：电阻、电感与电容。传感器主要变化参数有：电阻、电感与电容。传感器输出信号主要形式有：电压、电流（或电荷）与传感器输出信号主要形式有：电压、电流（或电荷）与频率；交流与直流。频率；交流与直流。传感器输出结构形式有：直接、电桥、差分等；传感器输出结构形式有：直接、电桥、差分等；现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 2.2 2.2 信号放大信号放大 2.2.1 2.2.1 概述概述 一、什么是测量放大电路？一、什么是测量放大电路？在测量控制系统中，用来放大传感器输出的在测量控制系统中，用来放大传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号的放大电路称为微弱电压、电流或电荷信号的放大电路称为测量测量放大电路放大电路，亦称，亦称仪用放大电路仪用放大电路。工程测试中所遇到的信号，多为工程测试中所遇到的信号，多为100kHz100kHz以下以下的低频信号，在大多数的情况下，都可以用放大的低频信号，在大多数的情况下，都可以用放大器集成芯片来设计放大电路。器集成芯片来设计放大电路。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 二、对测量放大电路的二、对测量放大电路的基本要求基本要求：输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；一定的放大倍数和稳定的增益；一定的放大倍数和稳定的增益；低噪声；低噪声；低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；移；足够的带宽和转换速率；足够的带宽和转换速率；高共模输入范围和高共模抑制比高共模输入范围和高共模抑制比 可调的闭环增益；可调的闭环增益；线性好、精度高；线性好、精度高；成本低。成本低。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 三、集成运算放大器的最主要参数：开环增益开环增益A A闭环增益闭环增益A Af f差模开环直流电压增益（差模增益）差模开环直流电压增益（差模增益）A AVDVD共模开环直流电压增益（共模增益）共模开环直流电压增益（共模增益）A AVCVC输入失调电压输入失调电压V VI0I0输入失调电流输入失调电流I II I0 0共模抑制比共模抑制比K KCMR CMR=差模增益差模增益A AVDVD/共模增益共模增益A AVCVC现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 四、四、应用集成运放应注意的事项应用集成运放应注意的事项 (1)(1)调零消除失调误差调零消除失调误差 “调零调零”技术是使用运放时必须掌握的。调技术是使用运放时必须掌握的。调零的原理是，在运放的输入端外加一个补偿电压，零的原理是，在运放的输入端外加一个补偿电压，以抵消运放本身的失调电压，达到调零的目的。以抵消运放本身的失调电压，达到调零的目的。有些运放已经引出调零端，只需要按照器件的规有些运放已经引出调零端，只需要按照器件的规定，接入调零电路进行调零即可。定，接入调零电路进行调零即可。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 (2)(2)相位补偿消除高频自激相位补偿消除高频自激 由于运算放大器是一个高增益的多级放大器组件，由于运算放大器是一个高增益的多级放大器组件，应用时一般接成闭环负反馈电路。当工作频率升高时，应用时一般接成闭环负反馈电路。当工作频率升高时，放大器会产生附加相移，可能使负反馈变成正反馈而放大器会产生附加相移，可能使负反馈变成正反馈而引起自激。进行相位补偿可以消除高频自激。相位补引起自激。进行相位补偿可以消除高频自激。相位补偿的原理是，在具有高放大倍数的中间级，利用一小偿的原理是，在具有高放大倍数的中间级，利用一小电容电容C C（几十几百微微法）构成电压并联负反馈电路。（几十几百微微法）构成电压并联负反馈电路。有些运放已经在内部进行了补偿，如有些运放已经在内部进行了补偿，如A741A741。有些运。有些运放引出了补偿端，只需要按照器件手册的规定，外接放引出了补偿端，只需要按照器件手册的规定，外接补偿电路即可，如国产补偿电路即可，如国产5G245G24运算放大器。运算放大器。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 (3)(3)过载保护过载保护 使用运放时要注意，不能超过其性能参数的使用运放时要注意，不能超过其性能参数的极限值，如最大输入电压范围等。特别是在有强极限值，如最大输入电压范围等。特别是在有强干扰源的场合更要注意。干扰源的场合更要注意。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 2.2.2 2.2.2 同相放大器同相放大器 闭环增益：闭环增益：现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 集成运算放大器可以作为一个器件构成各种集成运算放大器可以作为一个器件构成各种基本功能的电路。这些基本电路又可以作为单元基本功能的电路。这些基本电路又可以作为单元电路组成电子应用电路。电路组成电子应用电路。同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗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。很低的特点，广泛用于前置放大级。高输入阻抗电路常应用于传感器的输出阻抗高输入阻抗电路常应用于传感器的输出阻抗很高的测量放大电路中。如很高的测量放大电路中。如电容式、压电式传感电容式、压电式传感器器的测量放大电路。的测量放大电路。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 同相放大器输入阻抗同相放大器输入阻抗r ri+i+r ri+i+=r=ri i(1+AF)(1+AF)同相放大器输出阻抗同相放大器输出阻抗r ro+o+r ro+o+=r=ro o/(1+AF)/(1+AF)教材约定：在涉及同相放大器的输入阻抗时，均教材约定：在涉及同相放大器的输入阻抗时，均以以r ri+i+来表示，即指同相放大器所具有的最低在来表示，即指同相放大器所具有的最低在10107 7以上的输入电阻，而不器刻意指明其具体的以上的输入电阻，而不器刻意指明其具体的数值。数值。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 2.2.3 2.2.3 反相放大器反相放大器闭环增益：闭环增益：反馈电阻反馈电阻R R2 2值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，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。一般为几十千欧至几百千欧。R R1 1的取值应远大于信号源的取值应远大于信号源U Ui i的内阻。的内阻。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 交流反相放大电路交流反相放大电路Af=R2/R1R3=R2 C1：隔直电容：隔直电容C3：旁路电容，防止振荡：旁路电容，防止振荡现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 2.2.4 2.2.4 基本差动（差分）放大器基本差动（差分）放大器 什么是差动放大器？什么是差动放大器？差动放大器差动放大器是把二个输入信号分别输入到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。二个信号的共模成分。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 2.2.4 基本差动放大器基本差动放大器为分析电路的共模抑制性能，我们做如下变换为分析电路的共模抑制性能，我们做如下变换 现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 式中 现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 假设电阻的误差为假设电阻的误差为，也就是说，电阻的实际值分，也就是说，电阻的实际值分别为别为 ，则可得，则可得 在最坏的情况下，即所有的电阻都取最大的误差值在最坏的情况下，即所有的电阻都取最大的误差值，并且取最不利的方向，可得最大的共模电压增益并且取最不利的方向，可得最大的共模电压增益(忽略忽略高阶小量高阶小量)现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 共模抑制比KCMR为 上式表明，电阻的误差越小，差动增益越大共模抑制比越高。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 输入电阻：难以避免的缺点：难以避免的缺点：1.输输入阻抗低入阻抗低3.工工艺艺性差性差 2.共模抑制比低共模抑制比低现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 2.2.5 2.2.5 仪用放大器仪用放大器 什么是仪用放大器？什么是仪用放大器？是一类高输入阻抗，高共模抑制比的差分放是一类高输入阻抗，高共模抑制比的差分放大器。具有精度高，稳定性好等特点，经常用于大器。具有精度高，稳定性好等特点，经常用于精密仪器电路和测控电路中，故称为仪用放大器，精密仪器电路和测控电路中，故称为仪用放大器，也称为仪器放大器。也称为仪器放大器。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 2.2.5 仪器（仪用）放大器仪器（仪用）放大器按照教材中3.2节的约定，同相放大器的输入阻抗为ri+，不难得出三运放电路的输入阻抗：差动输入阻抗rid 2 ri+，共模输入阻抗ric ri+2。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 2.2.5 仪器（仪用）放大器仪器（仪用）放大器可得放大器前级的差模增益AVD1和共模增益AVC1 现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 2.2.5 仪器（仪用）放大器仪器（仪用）放大器仪器放大器前级的差模增益AVD和共模增益AVC因此，三运放电路的共模抑制比在电阻匹配精度相同的情况下，要比基本差动放大器高 倍。由此可见，由三运放组成的差动放大器具有高共模抑制比、高输入阻抗和可变增益等一系列优点，它是目前测控系统和仪器仪表中最典型的前置放大器。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 2.2.5 仪器（仪用）放大器仪器（仪用）放大器现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 28串联差分式输入仪用放大器串联差分式输入仪用放大器输入信号加于两个运放的同输入信号加于两个运放的同相输入端，相输入端，差分输入电阻近差分输入电阻近似为两个运放的共模输入电似为两个运放的共模输入电阻之和，提高了输入电阻。阻之和，提高了输入电阻。利用迭加原理，利用迭加原理，分别作用于输入端分别作用于输入端现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 29串联差分式输入仪用放大器串联差分式输入仪用放大器双端输入，输入电阻为无穷大。双端输入，输入电阻为无穷大。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 2.2.6 可变增益放大器可变增益放大器 现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 2.2.6 可变增益放大器可变增益放大器 现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 2.2.6 可变增益放大器可变增益放大器 现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 2.2.6 可变增益放大器可变增益放大器 现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 2.2.6 可变增益放大器可变增益放大器 现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 2.2.7 2.2.7 隔离放大电路隔离放大电路 什么是隔离放大电路？什么是隔离放大电路？隔离放大电路的输入、输出和电源电路之间隔离放大电路的输入、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。公共的接地端。应用于何种场合？应用于何种场合？隔离放大电路主要用于便携式测量仪器和某隔离放大电路主要用于便携式测量仪器和某些测控系统（如生物医学人体测量、自动化试验些测控系统（如生物医学人体测量、自动化试验设备、工业过程控制系统等）中，能在噪声环境设备、工业过程控制系统等）中，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 2.2.7 隔离放大器隔离放大器 1.采用集成的线性光电耦合放大器 2.采用集成前置放大器和线性光电耦合放大器在一起的大规模集成电路3.采用数字信号隔离技术 现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 组成及符号组成及符号输入放大器R1R1R2RisoCisoR2uo隔离器输 出放大器uducuiso现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 原理框图原理框图a)变压器耦合变压器耦合浮置电源输入调制放 大 器耦合变压器输出解调放 大 器输出输入b)光电耦合光电耦合浮置电源光耦合器输 入放大器输 出放大器输出输入LEDV现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 常见的几种光电耦合器的内部电路常见的几种光电耦合器的内部电路现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 2.2.7 隔离放大器隔离放大器 几种光电耦合放大器的传输特性 现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 2.2.7 隔离放大器隔离放大器 光电耦合放大器 现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 2.2.7 隔离放大器隔离放大器 线性光电耦合放大器 现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 2.2.7 隔离放大器隔离放大器 性能优良的线性光电耦合放大器 现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 2.2.8 2.2.8 电桥放大电路电桥放大电路何谓电桥放大电路？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都称为电桥或由传感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。放大电路。应用于何种场合？应用于何种场合？应用于电参量式传感器，如电感式、电阻应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。大电路，输出放大了的电压信号。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 a a、c c两端接电两端接电源源U Ui i，称，称供桥端供桥端；b b、d d两端接输出两端接输出电压电压U Uo o，称，称输出输出端端。一、电桥一、电桥 电桥的作用：将电阻电桥的作用：将电阻R(R(应变片应变片)、电感、电感L L、电容、电容C C等等电参数变为电压电参数变为电压UU或电流或电流II信号后输出信号后输出。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 根据桥臂阻抗性质的不同为根据桥臂阻抗性质的不同为 :电阻电桥电阻电桥电容电桥电容电桥电感电桥电感电桥根据供桥电源分为根据供桥电源分为 :直流电桥直流电桥:采用直流电源采用直流电源 只用于只用于测量电测量电阻阻R R的变化的变化 交流电桥：采用交流电源交流电桥：采用交流电源测量电阻测量电阻R R 、电、电容容C C、电感、电感L L的变化的变化1.电桥的分类电桥的分类现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 2.2.直流电桥直流电桥四个桥臂由电阻四个桥臂由电阻R1、R2、R3和和R4组成。组成。直流电桥直流电桥VR1R2R3R4现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 平衡条件平衡条件R R1 1R R3 3=R R2 2R R4 4 直流电桥直流电桥电桥的输出：电桥的输出：平衡的条件：平衡的条件：VR1R2R3R4温敏电阻温敏电阻现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 直流电桥直流电桥当电桥输出端接入仪表或放大器时，电桥输出端可视为开路状当电桥输出端接入仪表或放大器时，电桥输出端可视为开路状 态，电流输出为零态，电流输出为零。此时，桥路电流为：此时，桥路电流为：a a、b b之间电位差为：之间电位差为：a a、d d之间电位差为之间电位差为：电桥输出电压为：电桥输出电压为：+直流电桥平衡条件推导：直流电桥平衡条件推导：现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 直流电桥直流电桥R1R U0U U R1VR2R3R4R1R3=R2R4 平衡的条件：平衡的条件：电桥的输出：电桥的输出：这时，电桥平衡吗？这时，电桥平衡吗？R现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 为了简化设计，为了简化设计，R R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=R0 0 ，而，而 R R1 1=R=R0 0+R+R直流电桥直流电桥R0R U0U U 电桥的灵敏度定义为电桥的灵敏度定义为 现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 单片单片 单臂单臂半桥半桥R1R3R2R4 双臂双臂半桥半桥R1R3R2R4 全桥全桥R1R3R2R4 半半桥桥、单单臂臂输输出出 全全桥桥、四四臂臂输输出出 半半桥、桥、双双臂臂输输出出 四片四片 两片两片 现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 单臂单臂半桥半桥R1R3R2R4 双臂双臂半桥半桥R1R3R2R4 全桥全桥R1R3R2R4 半桥、单臂输出半桥、单臂输出 全桥、四臂输出全桥、四臂输出 半桥、双臂输出半桥、双臂输出 统一表示：统一表示：统一表示：统一表示：现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 四片四片 全桥、四臂输出全桥、四臂输出 当当R1 R1R1，R2 R2 R2 ，由于，由于，R1=R2=R3=R4=R0，R取相同值，可得取相同值，可得 R3 R3R3，R4 R2 R4时时电桥的灵敏度定义为电桥的灵敏度定义为 全桥、四臂平衡条件简要推导全桥、四臂平衡条件简要推导现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 电桥常用调平衡的方法电桥常用调平衡的方法现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 电桥测量的误差电桥测量的误差非线性误差非线性误差温度误差温度误差 直流电源的电压稳定性造成的误差直流电源的电压稳定性造成的误差半桥、单臂输出：半桥、单臂输出：半桥、单臂输出：半桥、单臂输出：半桥、双臂输出：半桥、双臂输出：半桥、双臂输出：半桥、双臂输出：全桥、四臂输出：全桥、四臂输出：全桥、四臂输出：全桥、四臂输出：直流电桥直流电桥现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 平衡条件平衡条件3.交流电桥交流电桥交流电桥交流电桥而而 其中，其中，Z Z1 1、Z Z2 2、Z Z3 3、Z Z4 4为为阻抗的模阻抗的模，而，而1 1、2 2、3 3、4 4为为阻抗角阻抗角，是各桥臂电流与，是各桥臂电流与电压之间的相位差。电压之间的相位差。Z1Z3ej(1+3)=Z2Z4ej(2+4)(*)平衡条件平衡条件现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 电容电桥电容电桥电容电桥电容电桥 平衡条件：平衡条件：电感电桥电感电桥电感电桥电感电桥 平衡条件：平衡条件：现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 电容电桥电容电桥 两相邻桥臂为纯电阻两相邻桥臂为纯电阻R2、R3，另相邻两臂为电容，另相邻两臂为电容C1、C4 R1、R4视为电容介质损耗的等效电阻视为电容介质损耗的等效电阻 根据平衡条件根据平衡条件 电桥平衡条件：电桥平衡条件：电容电桥平衡条件简要推导电容电桥平衡条件简要推导现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 电感电桥电感电桥 根据平衡条件根据平衡条件 电桥平衡条件：电桥平衡条件：电感电桥平衡条件简要推导电感电桥平衡条件简要推导现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 （一）单端输入电桥放大电路（一）单端输入电桥放大电路二、电桥放大电路二、电桥放大电路现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 （二）差动输入电桥放大电路（二）差动输入电桥放大电路现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 （三）线性电桥放大电路（三）线性电桥放大电路现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 自举式高输入阻抗放大电路自举式高输入阻抗放大电路何谓自举电路何谓自举电路?自自举举电电路路是是利利用用反反馈馈使使输输入入电电阻阻的的两两端端近近似似为为等等电电位位，减减小小向向输输入入回回路路索索取取电电流流，从从而而提高输入阻抗的电路。提高输入阻抗的电路。是是不不是是所所有有情情况况下下都都要要求求放放大大电电路路具具有有高高的的输输入阻抗？入阻抗？高高输输入入阻阻抗抗电电路路常常应应用用于于传传感感器器的的输输出出阻阻抗抗很很高高的的测测量量放放大大电电路路中中。如如电电容容式式、压压电电式式传传感感器器的测量放大电路。的测量放大电路。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 a)a)同相交流放大电路同相交流放大电路现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 b)b)交流电压跟随电路交流电压跟随电路现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 68c）输入电阻自举扩展电路）输入电阻自举扩展电路反相比例放大器反相比例放大器 A1：主放大器：主放大器 A2：正反馈，提供电流：正反馈，提供电流现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 69实际上，两者之间阻值总有一实际上，两者之间阻值总有一定的偏差，同时为了放大器稳定的偏差，同时为了放大器稳定工作，防止电路自激振荡，定工作，防止电路自激振荡，也必须人为地使也必须人为地使 略大于略大于 保保证证 为正值为正值。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 2.3 2.3 信号滤波信号滤波 2.3.1 2.3.1 滤波器的基础知识滤波器的基础知识 一、滤波器的功能和类型一、滤波器的功能和类型 1 1、功能：、功能：滤波器是具有频率选择作用的电路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信或运算处理系统，具有滤除噪声和分离各种不同信号的功能。号的功能。2 2、类型：、类型：按处理信号形式分：模拟滤波器和数字滤波器按处理信号形式分：模拟滤波器和数字滤波器 按功能分：按功能分：低通、高通、带通、带阻低通、高通、带通、带阻 按电路组成分：按电路组成分：LCLC无源、无源、RCRC无源、由特殊元件无源、由特殊元件构成的无源滤波器、构成的无源滤波器、RCRC有源滤波器有源滤波器 按传递函数的微分方程阶数分：一阶、二阶、按传递函数的微分方程阶数分：一阶、二阶、高阶高阶现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 从从0 0f f2 2频率之间，幅频特性平直，它可以使信号频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低于中低于f f2 2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f f2 2的频率成分受到极大地衰减。的频率成分受到极大地衰减。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 与低通滤波相反，从频率与低通滤波相反，从频率f f1 1，其幅频特性平，其幅频特性平直。它使信号中高于直。它使信号中高于f f1 1的频率成分几乎不受衰减地的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于通过，而低于f f1 1的频率成分将受到极大地衰减。的频率成分将受到极大地衰减。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 它的通频带在它的通频带在f f1 1f f2 2之间。它使信号中高于之间。它使信号中高于f f1 1而低于而低于f f2 2的频率成分可以不受衰减地通过，而的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成分受到衰减。其它成分受到衰减。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 与带通滤波相反，阻带在频率与带通滤波相反，阻带在频率f f1 1f f2 2之间。它之间。它使信号中高于使信号中高于f f1 1而低于而低于f f2 2的频率成分受到衰减，其的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最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，例如：低通滤波器与高通滤波器类型的滤波器，例如：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，低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器。的并联为带阻滤波器。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 二、滤波器的主要特性指标二、滤波器的主要特性指标 1 1、特征频率：、特征频率：通带截频通带截频f fp p=p p/(2/(2)为通带与过渡带边界点的频率，在该点信号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。增益下降到一个人为规定的下限。阻带截频阻带截频f fr r=r r/(2/(2)为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗衰耗(增益的倒数增益的倒数)下降到一人为规定的下限。下降到一人为规定的下限。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 转折频率转折频率f fc c=c c/(2/(2)为信号为信号功率功率衰减到衰减到1/2(1/2(约约3dB)3dB)时的频率，在时的频率，在很多情况下，常以很多情况下，常以f fc c作为通带或阻带截频。作为通带或阻带截频。固有频率固有频率f f0 0=0 0/(2/(2)为为电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，复电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率。杂电路往往有多个固有频率。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 c)a)b)OA()OA()OA()d)OA()现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 2 2、增益与衰耗、增益与衰耗 滤波器在通带内的增益并非常数。滤波器在通带内的增益并非常数。对低通滤波器通带增益对低通滤波器通带增益K Kp p 一般指一般指=0=0时的增益；高通指时的增益；高通指时的增益；时的增益；带通则指中心频率处的增益。带通则指中心频率处的增益。对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定义对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒数。为增益的倒数。通带增益变化量通带增益变化量K Kp p 指通带内各点增益的指通带内各点增益的最大变化量最大变化量，如果，如果K Kp p以以dBdB为单位，则指增益为单位，则指增益dBdB值的变化量。值的变化量。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 3 3、阻尼系数与品质因数、阻尼系数与品质因数 阻尼系数阻尼系数是表征滤波器对角频率为是表征滤波器对角频率为0 0信信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的一项指标。一项指标。阻尼系数的倒数称为阻尼系数的倒数称为品质因数品质因数，是评价，是评价带通与带阻滤波器频率选择特性的一个重要带通与带阻滤波器频率选择特性的一个重要指标，指标，Q=Q=0 0/。式中的式中的为带通或带为带通或带阻滤波器的阻滤波器的3dB3dB带宽，带宽，0 0为中心频率，在很多为中心频率，在很多情况下中心频率与固有频率相等。情况下中心频率与固有频率相等。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 4 4、灵敏度、灵敏度 滤滤波波电电路路由由许许多多元元件件构构成成，每每个个元元件件参参数数值值的的变变化化都都会会影影响响滤滤波波器器的的性性能能。滤滤波波器器某某一一性性能能指指标标y y对对某某一一元元件件参参数数x x变变化化的的灵灵敏敏度度记记作作S Sx xy y，定定义为：义为：S Sx xy y=(dy/y)/(dx/x)=(dy/y)/(dx/x)。该该灵灵敏敏度度与与测测量量仪仪器器或或电电路路系系统统灵灵敏敏度度不不是是一一个个概概念念，该该灵灵敏敏度度越越小小，标标志志着着电电路路容容错错能能力力越强，稳定性也越高。越强，稳定性也越高。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 5 5、群时延函数、群时延函数 当滤波器幅频特性满足设计要求时，为保证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。在滤波器设计中，常也应提出一定要求。在滤波器设计中，常用群时延函数用群时延函数d(d()/d)/d评价信号经滤波后相位评价信号经滤波后相位失真程度。群时延函数失真程度。群时延函数d(d()/d)/d越接近常数，越接近常数，信号相位失真越小。信号相位失真越小。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 三、模拟滤波器的传递函数与频率特性三、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（一）模拟滤波器的传递函数 模拟滤波电路的特性可由传递函数来描述。模拟滤波电路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传递函数是输出与输入信号电压或电流拉氏变换之比。之比。经分析，任意个互相隔离的线性网络级联后，经分析，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。这样，总的传递函数等于各网络传递函数的乘积。这样，任何复杂的滤波网络，可由若干简单的一阶与二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。阶滤波电路级联构成。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 （二）模拟滤波器的频率特性（二）模拟滤波器的频率特性 模拟滤波器的传递函数模拟滤波器的传递函数H(s)H(s)表达了滤波器的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输入与输出间的传递关系。若滤波器的输入信号U Ui i是角频率为是角频率为的单位信号，滤波器的输出的单位信号，滤波器的输出U Uo o(j(j)=H(j)=H(j)表达了在单位信号输入情况下的输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，简称函数，简称频率特性频率特性。频率特性频率特性H(jH(j)是一个复函数，其幅值是一个复函数，其幅值A(A()称为称为幅频特性幅频特性，其幅角，其幅角()表示输出信号的相位表示输出信号的相位相对于输入信号相位的变化，称为相对于输入信号相位的变化，称为相频特性相频特性。现现代代测测试试技技术术第第2章章 测测试试信信号号转转换换与与处处理理电电路路 （三）二阶滤波器（三）二阶滤波器 1 1、二阶低通滤波器、二阶低通滤波器 二阶低通滤波器的传递函数的一般形式为二阶低通滤波器的传递函数的一般形式为它的固有频率为它的固有频率为a a0 01/21/2，通带增益，通带增益K Kp p=b=b0 0/a/a0 0，阻尼系数，阻尼系数为为a