第三章 测试电路基础知识

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2．机械量 位移、尺寸(长度、厚度、角度)、形状； 力、应力、力矩； 重量、质量； 转速、线速度； 振动、加速度、噪声。 3．物性和成分量 气体化学成分、液体化学成分； 酸城度、盐度、浓度、粘度； 密度、比重。 4 ．状态量 • 颜色、透明度、磨损量、裂纹、缺陷、泄漏、表面质量。 （严格地说，上述的一些量都是状态量，但是，习惯上不少 量已归纳为热工量、机械量、成分量等，因此，在这里指的 状态量是除了上面所列的一些量以外的状态量。）
• 以非电量变成电量的方法来分，主要是以传感 器的原理来区分，因为其它几个部分的工作都 是以电量为基础的，只有传感器把非电量转换 成电量。非电量电测的方法很多，归纳起来， 可以分为下列几类： 1．电磁检测 2．光学检测 3．超声波检测 4．同位素检测 5．微波检测 6．电化学检测
作为一台非电量电测仪器，以被测参数分时，对使用对象 比较明确，而以测量方法分时，则对仪器的原理比较清楚，现 在习惯上常把两者结合起来称呼，如光电式转速计，压电式加 速度计，振弦式压力计等。
传感器
信号变送器
数据采集 系统 R250
r1 I I0 R0 r2 传送线 传送器 I/V 变换电阻 R Usc = I R
采用直流4～20mA的电流信号来传送传感器输出 信号，具有以下优点： • 1.传送导线的电阻不会造成误差。
I R0 I0 r1 r2 R R0
• 式中 I0 ——变送器输出电流； • R0 ——变送器输出电阻； • r1、r2——传输线电阻； • R ——电流/电压（I/V）变换电阻或显示仪表内 阻。 • 当R0≥r1+r2及比R足够大时，则有
• 倍频程选择性是指在上截止频率fc2和2fc2之间，或者在 下截止频率fc1和fc1/2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，以dB表示。显然，衰减越 快，滤波器选择性越好。对于远离截止频率的衰减率 也可以用10倍频程衰减量表示。 • 滤波器因素是用滤波器幅频特性的-60dB带宽与3dB带宽的比值来表示，即 B 60 dB • （3-23） l
• 电压/电流变换电路除了用上述方法实现外，也 可采样集成电压/电流转换芯片来完成。这类芯 片有ZF2B20、AD694等。
3—3 滤波器
• 众所周知，在动态测试中所获取的信号往往是具有多 种频率成分的复杂信号，但是为了各种不同的目的， 需要将信号中人们感兴趣的频率成分提取出来，而将 不需要的频率成分衰减掉，以便对信号的某一方面特 征有更深的认识，或有利于对信号作进一步的分析和 处理。用于实现这一功能的环节称为选频滤波器，简 称滤波器。当信号通过滤波器后，部分频率成分的信 号可以通过，其它频率成分的信号则被阻挡或衰减。 对于一个滤波器来说，能通过它的频率范围称为该滤 波器的频率通带，被它拟制或很大衰减的频率范围称 为频率阻带，通带和阻带的交界点称为截止频率。
3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 运算放大器 仪表放大器 程控测量放大器 信号变换器（电压－电流变换电路）
• 3.2.1 运算放大器 • 对各种非电量的测量，通常由传感器将它们转 换为电压（或电流）信号，此电压信号一般情 况下属于微弱信号，对微弱信号的放大，可以 采用运算放大器。 • 在分析运算放大器时，一般可将它看成是一个 理想运算放大器。理想化的主要条件是： • 开环电压放大倍数Ao→∞； • 差模输入电阻Ri→∞； • 开环输出电阻Ro→0； • 共模拟制比KCMRR→∞。
• 3.2.3 程控测量放大器 • 由于传感器所提供的信号变化范围很宽（从微 伏到伏），特别是在多路检测系统中，当各检 测回路的参数信号不一样时，必须提供各种量 程的放大器，才能保证充分利用A/D转换器的有 效位，并保证测量精度。随着计算机的应用， 现 在 已 研 制 出 一 种 可 编 程 增 益 放 大 器 PGA （Programmable Gain Amplifier）。这种放大器 通用性很强，其放大倍数可根据需要用程序进 行控制。
fc1 fc2 （c）
过渡带
f
1 0.7 通带 fc （b） f 0 （d） fc1 通带 fc2 f
0
过渡带 阻带 过渡带
• （a）低通滤波电路；（b）高通滤波电路； • （c）带通滤波电路；（d）带阻滤波电路
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。
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． 滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）
低通 带通
高通
带阻
|H(f)| 1 0.7 通带
过渡带
|H(f)| 1 0.7
阻带
阻带 通带
阻带
0 |H(f)| 1 0.7 阻带
fc （a） 过渡带 通带
f |H(f)|
0
过渡带
传 感 器
放 大 器
滤 波
采 样 保 持
ADC
存 储 器
控 制 系 统 CPU 总线
图3-1 传感器输出模拟量接口示意图
传 感 器
整 形 电 路
计 数 器
存 储 器
控 制 系 统 CPU 总线
图3-2 传感器输出数字量接口示意图
§3—2
检测信号的放大与变换
本节重点讨论仪表放大器、可编程放 大器和信号变换器。实际应用当中，传感 器的安装环境和输出特性形形色色、复杂 多样，因此，选用哪种类型的放大器应取 决于应用场合和测试系统的要求。
实际滤波器 理想滤波器是不存在的， 在实际滤波器的幅频特 性图中通带和阻带间应 没有严格的界限,，存在 一个过渡带。
1)纹波幅度d ：波动幅度d与幅频特性平均值A0相比应小于-3dB。 2)截止频率fc :幅频特性值等于0.707A0所对应的频率．
3)带宽B和品质因数Q:上下两截频间的频率范围称为带宽 中心频率和带宽之比称为品质因数
B 3 dB
• 理想滤波器l =1，通常使用的滤波器l =1～5。有些滤 波器因器件影响（如电容漏阻等），阻带衰减倍数达 不到-60dB，则以标明的衰减倍数（如-40dB或-30dB） 带宽与-3dB带宽之比来表示其选择性。
滤波器电路原理
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 。
第三章 基本测量仪器和电路
3—1测量仪器的分类 在非电量电测仪器中，分类的方法很多，常见的有两种： 一种是以被测的非电量分，另一种是以把非电量变成电量的 方法来分。 以被测的非电量来分，可以分为以下几类： 1.热工量 温度、热量、比热、热流、热分布； 压力、压差、真空度； 流量、流速、风速； 物位、液位、界面。
•
UIN2
10k
4D 琐存器 选通 CPU 总线
470k
A2
• •
10k
A4 10k
A1、A2 电源地
•
图3-6 实用可编程放大器
• 3.2.4 信号变换器（电压－电流变换电路） • 将传感器信号转换为统一标准信号，不仅便于使用微 型计算机进行巡回检测，同时可以使指示、记录仪表 单一化。目前，世界各国均以直流信号作为统一信号， 并将直流电压0～5V及直流电流0～10mA或4～20mA 作为统一标准信号。 • 由于直流电流信号它的“恒流性能”，在采用直流电 流信号传送时，传送导线长度在一定范围内的变化不 会影响信号的精度。 • 通常，传感器的输出信号多数为电压信号，为了将 电压信号变成电流，需采用电压电流信号变送器 （V/I）。
1) 一阶RC低通滤波器
2) 一阶RC高通滤波器
3) RC带通滤波器
可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联
滤波器在测试技术中的应用
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
机床轴心轨迹的滤波处理
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
• 三、滤波器的串接 滤波器的串接是为了加强滤波效果。两个中心 频率相同的滤波器串接，其总幅频特性将是两 个滤波器幅频特性的乘积，因此，通带外的频 率成分将有更大的衰减斜率。高阶滤波器就是 由多个低阶滤波器串联而成。但需要注意的是， 在改善频率选择性的同时，串接后滤波器的总 的相频特性也将是各个环节相频特性的叠加， 即两个中心频率相同的带通滤波器串接的结果 将使相位变化更为剧烈，往往恶化使用效果。
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。
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。
波 形
给理想滤波器一个脉冲激励，从图中可以看出，在t=0时 刻单位脉冲输入滤波器之前，即在t＜0时，滤波器就已 经有响应了。故物理不可实现。
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。
• 1.纹波幅度d 在一定频率范围内，实际滤波器的幅频特性可能 呈波纹变化，其波动幅度d与幅频特性的顶部平均值A0 相比，越小越好，一般应远小于-3dB，即d= / 2 A
H( f )
0Βιβλιοθήκη Baidu
A0
那么选择何种放大器来放大微弱信号？ 目前市场上的放大器有以下特点。 通用运算放大器： 类型 特点
具有mV级失调电压、数μV/℃的 温漂，不能用于放大微弱信号。
测量（仪表）放大器：
具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗 共模干扰、低温漂、低失调电压，广泛 用于放大微弱信号。
• 3.2.2 仪表放大器 U U －U 1 2 RF R2 sc in 2 in 1 RG R1
I I0
• 传送电流与传送线电阻无关。借助于R可进行I/V变换。 若传送器的输出电路采用恒流电路（R0=∞），使用 250W（0.1％级）的I/V变换电阻，可将4～20mA的电 流信号变换为1～5V的直流电压信号。
•
2.能够实现传送线的断电自检。由于这种传 送信号方式，在正常工作时有4mA的基本电流， 故接收端信号电压为1～5V。当传送线断线时， 经A/D转换器后的信号为零值，据此即可以检 出断线。
UIN1 反向输入 A1 R5 RG Ua R1 R1 R2
A3
同 向 输 入
UIN2
输入 USC
A2
R6 Ub R3 R4
有两级运放：
第一级：两个同相放大器A1、A2输入阻抗高。 第二级：普通差动放大器A3
• 在理论上表明，用户在得到前端增益（由RG来 决定）的同时，并不增加共模增益和误差，即 差分信号将按增益成比例增加，而共模误差则 不然，故增益（差分输入电压/共模误差电压） 的比率将增大。因此共模拟制比（CMRR）理 论上直接与增益成比例增加，这是一个非常有 用的特性。从结构上的对称性可知，输入放大 器的共模误差在输出级的减法器中被最终消除 掉了。 • 目前，国内外已有不少厂家生产仪表放大器单 芯片集成块，如美国AD公司提供有AD521、 AD522、AD612及AD605等。
R2 Usr S1 A1 S2 S3 开关 驱动 电路 S'1 S'2 S'3
R3
数 字 量 输 入
Usc
A2 Usr
•
R'2
R'3
图3-5 程控测量放大器原理图
UIN1
A1 R1 10k R0 RT
IN0 INT
10k
10k 0.01
470k
UOUT A3
输入
OUT
CD4501
A B C TNH
A0 2
0
fc1
fc2
d
d
f
•
图3-14
实际滤波器
幅频特性值等于 A0 / 2 . 所对应的频率称为滤波器 的截止频率，其中fc1称为上截止频率，fc2称为下截止频率。 2 以A0为参考值， A0 / 为对应于-3dB点，即相对于A0衰减 -3dB。若以信号的幅值平方表示信号功率，则所对应的点 正好是半功率点。 • 3.带宽B和品质因素Q值 上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器的带宽， 或-3dB带宽，单位为Hz。带宽决定着滤波器分离信号中 相邻频率成分的能力——频率分辨力；通常把中心频率f0 和带宽B之比称为滤波器的品质因素Q。 • 4.选择性 实际滤波器在两截止频率外侧有一过渡带，这个过渡 带的幅频特性曲线倾斜程度表明了幅频特性衰减的快慢， 它决定着滤波器对带宽外频率成分衰阻的能力，通常用选 择性来表征。选择性是滤波器的一个重要指标，它有两种 定义方法，一是用幅频特性值，即倍频程（10倍频程）选 择性，另一个是用带宽值，即滤波器因素l 。