第3讲：信号调理电路

• 控制高频信号的低频信号称为调制波；载送 低频信号的高频信号称为载玻；经过调制的 载玻称为已调制波。
为何要进行调制处理？
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调制的意义
• 某些传感器变换后得到的信号为低频信 号，直接进行直流放大会带来零漂和级 间耦合问题，造成信号失真。
• 直流信号的传输很容易被干扰。 • 防止所发射的信号间的串扰。主要是无
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简单的一阶系 统，频率衰减 慢，倍频程选 择性仅为6dB ／倍频程。可 通过RC电路级 联方式改善。
相频特性为负，何含义？ 倍频程选择性在图上的含义？
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RC级联电路
多个RC网络的级联 可以提高滤波网络的 阶次，提高衰减速度。 但必须考虑各个环节 之间的负载效应，可 通过运放构成的有源 滤波器解决。
RCdeo eo ei dt
•
传递函数
H(s)eo(s) 1
ei s1
• 幅频特性见下页图
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1 eo jwC 1 ei R 1 jwRC 1
jwC
20 lg(| eo |) 20 lg( (w )2 1) 3 当 w 1/
ei
arctan( wRC ) arctan( w ) / 4 当 w 1/
• 滤波器的性质分： ➢无源滤波器：L、C等储能元件构成 ➢有源滤波器：包含运算放大器
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滤波器的特征参数
• 理想滤波器与实际滤波器的幅频特性如下图
Fc1处增益为多少
• 主要特征参数：上下截止频率、带宽、纹波幅度、倍频 程选择性等。
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滤波器的特征参数
• 截止频率：幅频特性值为A0／√2（－3dB）所 对应的频率点，即半功率点。
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交流电桥的特点
优点：电源频率一般为5k-10kHz，此时电桥的输 出为调制波，工频干扰不易引入电桥线路中；交流 放大电路设计简单，没有零漂问题。
缺点：
– 影响测量精度的因素较多：元件间的互感耦合、对地电 容、相邻交流电路对电桥的感应影响等。
– 采用交流电源作激励电源，要求其电压波形和频率必须 具有很好的稳定性，否则会影响电桥的平衡。
平衡条件为：
(R1j 1C1)R3(R4j1C4)R2
展开后根据虚实部相等可得其 平衡条件为： –R1＊R3=R2＊R4 –R3／C1=R2／C4
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交流电桥举例
• 电感电桥如右图：两个桥 臂为纯电阻，另两个桥臂 为电感，R1和R4可视为 电感的导线电阻。
• 同样，可得其平衡条件为： –R1＊R3=R2＊R4 –L1＊R3=L4＊R2
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无源滤波器和有源滤波器
直接由R、C、L等构成的滤波器为无源滤波器，其所 有输出能量均来自输入。
优点：结构简单，噪声低，动态范围宽，无需电源。 缺点：倍频程选择性差，级间负载效应严重。
有源滤波器是基于运算放大器的R、C、L调谐网络， 需要电源供电。
优点：参数易于调节，频率范围宽，输入阻抗高输出 阻抗低，利于多级串联。
便于放大处理。
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直流电桥的特点
采用直流电源作激励电源，电源稳定性高。 输出eo为直流量，可直接用于直流仪表，精度高。 电桥与后接仪表的连接导线不会形成分布参数，对
导线连接的方式要求低。 另外，电桥的平衡电路简单，仅需调节电阻阻值。 缺点：输出为直流量，直流放大电路易受温漂和接
地电位的影响。因此仅适合于静态量的测量。 静态测量和动态测量可互相转换。例如：钢板测厚
第3讲：信号调理电路
eo与电阻值的关系
• eo与电阻值的关系如下
R2
• 电桥的平衡条件：R1＊R3=R2＊R4
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直流电桥的连接方式
连接方式有半桥单臂、半桥双臂和全桥式，如下图。
半桥单臂 半桥双臂 全桥式
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半桥单臂工作原理
对于半桥单臂式，当R1变化△R时， eo变为：
实践中常取R1=R2=R3=R4=R0，则
• 带宽：上下截止频率之间的频率范围， 又称－ 3dB带宽。
• 纹波幅度：通带中幅频特性值的变化值，δ越小 越好。
• 倍频程选择性：表示从阻带到通带的过渡带曲 线的倾斜度，等于上截止频率fc2与2fc2之间幅 频特性的衰减值。
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Hale Waihona Puke 几种低通滤波器• 几种低通滤波器如右 图：电器式、机械式、 液压式
• 以RC电路为例，其输入 －输出微分方程为：
e0=?
一般△R<<R0，故
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•
对于半桥双臂有：
R eo ex
2R0
• 对于全桥式有：
R eo ex
R0
• 当4个桥臂的电阻值变化同号时，即
R1＋ΔR1、 R2＋ΔR2、 R3＋ΔR3、 R4＋ΔR4 且R1=R2=R3=R4>> ΔR
eo1( R 1 R 2 R 3 R 4)ex 4R R R R
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交流电桥
交流电桥的结构右图 其激励源是交流信号，桥臂
可以是电阻，也可以是电容 和电感 电桥的平衡条件是：
z1＊z3=z2＊z4。
式中 zi Zieji
交流电桥平衡的两个条件： 相对桥臂阻抗模的乘积相 等；阻抗角的和相等。
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交流电桥举例
电容电桥如右图：两个桥臂为 纯电阻，另两个桥臂为电容， R1和R4可视为电容介质损耗 的等效电阻。
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桥臂阻值变化对输出电压的影响规律
相邻两桥臂电阻变化引起的输出电压为两桥臂 各阻值变化引起的电压之差；
相对两桥臂电阻变化引起的输出电压为两桥臂 各阻值变化引起的电压之和；
和差特性的应用：连接导线的自动补偿。
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• 用电桥实现铂电阻 测温非常方便。
• 半桥单臂电路即可。 • 可以剔除直流分量，
线广播或数据服务信号。
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滤波与整流
• 滤波：抑制或衰减 不需要的部分，只 选取信号中需要的 部分。
• 实现方式：电的、 机械的、气动液压 式等。几种低通滤 波器如右图
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滤波器的分类
• 按选频方式分：低通滤波器、高通滤波器、带通 滤波器和带阻滤波器，如下图
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滤波器的分类
• 按信号处理性质分： ➢模拟滤波器：模拟器件组成 ➢数字滤波器：数字滤波
– 电源电压波形畸变时，高次谐波也会导致电桥不平衡。 – 电桥的平衡必须满足幅值和阻抗角两个条，调节复杂。
另外，即使是纯电阻电桥，由于导线之间的分布电容也 会影响到电桥的平衡。
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调制与解调
• 调制：利用某种信号来控制或改变高频振荡 信号的某个参数（幅值、频率或相位）的过 程。
• 分类：调幅（被控制量是高频振荡信号的幅 值）、调频和调相。