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1、本章學習要求：,掌握模擬信號放大原理 掌握電橋原理及基本特性 掌握信號調制及解調原理 掌握理想濾波器模型 了解實際濾波器基本參數,本講內容,概述 信號調理的目的和內容 信號放大原理 電橋原理和基本特性,信號處理電路,,,信號輸出,傳感器信號,模擬信號處理結構示意圖,4.1 概述,從結構上來講，具體的模擬信號處理過程實際上是一個系統(tǒng)，傳感器信號是系統(tǒng)的輸入，處理后的信號是系統(tǒng)的輸出，處理的內容和復雜程度不同，系統(tǒng)的規(guī)模和結構也將不同。信號處理技術決定著檢測設備的總體性能。,信號分析 不改變信號本身的狀態(tài)和特征，在信號的傳輸歷程中，它是并聯于該歷程上的運算，由旁路輸出運算結果,信號處理,,,結果輸
2、出,信號輸入,信號分析,,,結果輸出,信號輸入,,信號處理與信號分析的本質區(qū)別,信號處理 會改變信號本身的狀態(tài)和特征，是串聯于信號傳輸歷程上的運算，運算后的輸出改變信號的狀態(tài),信號處理的目的,將由探頭輸出的檢測信號不失真地進行放大、濾波等處理，提高檢測信號的信噪比和抗干擾能力，進一步進行信號的識別、分析、診斷、顯示、存貯、打印、記錄等，以顯示出最明顯的信號特征或檢測結果。,典型模擬信號處理(最大)系統(tǒng)框圖,當檢測信號信噪比較高時，模擬信號識別是簡單可行的；當檢測信號背景噪聲大或信號特征復雜時，則效果劇減且電路復雜。定性(半定量)檢測時模擬信號處理方法以其低成本和簡單結構有明顯優(yōu)勢；當檢測要求較
3、高或欲實現定量檢測時，該方法則無法勝任。,信號調理的的目的是便于信號的傳輸與處理。,信號調理的目的,4.2 信號放大,2 分類,放大器,直流放大器,交流放大器,電荷放大器,幅度增大；低頻保留，高頻截止(工作點會產生溫漂，穩(wěn)定性是設計重點) 幅度增大；高頻保留，低頻截止（工作點保持在0V不變，溫漂影響小，電路穩(wěn)定性好，結構簡單） 電荷增大（特殊的放大器，設計中輸出電壓隨傳感器電荷變化而變化） Z U,,1 目的:將傳感器輸出的微弱電信號進行增強，以達到后續(xù)處理要求,電橋,直流放大電路,1) 反相放大器,反饋電阻RF值不能太大，否則會產生較大的噪聲及漂移，一般為幾十千歐至幾百千歐。R1的取值應遠大
4、于信號源Ui的內阻。,反相放大器是最基本的電路，其閉環(huán)電壓增益Av為:,2）同相放大器,同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點，廣泛用于前置放大級。,同相放大器也是最基本的電路 ，其閉環(huán)電壓增益Av為:,直流放大電路,交流放大電路,,若只需要放大交流信號，可采用圖示的集成運放交流電壓同相放大器。其中電容C1、C2及C3為隔直電容。,R1一般取幾十千歐。耦合電容C1、C3可根據交流放大器的下限頻率fL來確定。,電荷放大器,,某些傳感器如壓電式加速傳感器、壓力傳感器等屬于電容性傳感器，阻抗非常高，工作時將產生正比于被測物理量的電荷量，具有較好的線性度。,積分運算電路可以將電荷量轉換成很微
5、弱的輸出電壓量，電容性傳感器可等效為因存儲電荷而產生的電動勢與一個輸出電容串聯。,放大器特性比較,放大是測試系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)，放大器的放大倍數是關鍵的參數!,4.3 電橋,,電橋是測試中常用的信號處理方法，是將電阻、電感、電容及阻抗參量的變化轉換為電壓或電流輸出的一種測量電路，由于電路簡單，并具有較高的精確度和靈敏度，被廣泛使用。 電橋分類: (按照其激勵電源) 直流電橋 交流電橋,對于電阻式傳感器，既可采用直流電橋形式，也可采用交流電橋形式。 對于電感式、電容式傳感器或阻抗式傳感器（如電渦流式傳感器），則應配用交流電橋，與傳感器配接的電橋主要采用不平衡電橋。,1）直流電橋,平衡條件,2）交流電
6、橋,平衡條件,電橋的變換原理,電壓源供電電橋電路,電流源供電電橋電路,電壓源供電，橋路電流,輸出電壓（電壓源供電條件下的橋臂值與輸出電壓的關系式）,電橋的基本特性,單臂電橋，一個橋臂阻值發(fā)生變化，其余三個臂的阻值均恒定，對應接入一個傳感器的變換器情況。,差動半橋，兩個橋臂阻值發(fā)生差動變化，其余兩個恒定，對應于接入一個差動式傳感器的兩個差動變換器情況。,差動全橋，四個橋臂阻值均發(fā)生差動變化，對應于接入一個傳感器的四個差動變換器作為電橋的四個橋梁情況。,1、輸入輸出特性,假設1：采用等臂電橋,假設2：橋臂阻值改變量的絕對值相同,單臂電橋,差動半橋,差動全橋,單臂電橋,,2,差動半橋,,,差動全橋,
7、電壓源供電時的輸入-輸出（Z-U）特性,單臂電橋,差動半橋,差動全橋,在輸入量Z相同的情況下： 差動半橋的輸出U近似為單臂電橋的兩倍； 差動全橋的輸出是差動半橋的兩倍，近似為單臂電橋的四倍。,2、靈敏度,單臂電橋,差動半橋,差動全橋,電壓源供電,,單臂電橋的靈敏度是輸入Z的函數，即在全量程范圍內不為常量，Z U 特性不是一條直線，具有非線性。,,差動半橋與差動全橋的靈敏度與輸入量Z無關，它是不隨輸入量Z變化的常量，Z U 特性是一條理想直線,,,差動半橋的靈敏度是單臂電橋的兩倍。 差動全橋的靈敏度是差動半橋的兩倍，近似為單臂電橋的四倍。,3、電橋對同符號干擾量的補償特性,假設1：各差動變換器的
8、改變量符號相同 假設2：各差動變換器的改變量的數值相同,單臂電橋,差動半橋,差動全橋,橋臂阻值的改變量是有用信號與溫度干擾信號共同作用的結果：,單臂電橋,差動半橋,差動全橋,電壓源供電、有同符號溫度干擾量時的輸入-輸出(Z-U)特性,差動電橋（半橋及全橋）對同符號的溫度干擾量ZT具有抵償作用： 分子中沒有干擾量ZT，清除了干擾量ZT對被測作用量Z的影響； 在分母中存在有干擾量ZT ，但它以比值ZT /Z0形式出現，對輸出的影響小，因此溫度誤差大大減小。,恒流源供電差動全橋，在輸入-輸出特性中沒有干擾量ZT ，理論上無溫度誤差！,,,電橋原理及特性小結,與單臂電橋相比，差動電橋的特性獲得很大改善，如靈敏度提高，非線性誤差減小，對同符號干擾量有抵償作用等。差動式傳感器與差動電橋相配合，能使測量系統(tǒng)獲得更為優(yōu)良的特性。 直流電橋與交流電橋的分析有較大的區(qū)別： 前者用直流電路分析方法； 后者用交流電路分析方法，電路中的頻率、相位均會產生影響。,思考題：,1 信號調理的內容和目的？,2 信號放大電路的種類，如何根據傳感器輸出 特性選擇合適的放大電路？,
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