第4章 信号调理电路

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R
( R )F
单臂电桥
4.1 电桥
电桥加减特性的应用——提高灵敏度：
R1
M
R2
Ey
E0 2
(
R
R
)M
R1 R2
差动半桥
4.1 电桥
电桥加减特性的应用——提高灵敏度：
M
R1
R3
R2
R4
R
Ey E0( R )M
R1 R2 R4 R3
差动全桥
4.1 电桥
电桥加减特性的应用——测F，消除干扰因素M:
（1） 一阶RC低通滤波器 ( RC)
RC
dey dt
ey
ex
H( f ) 1
1 j2f
4.3 滤波器
A( f )
1
1 (2f )2
( f ) arctan(2f )
当 f 1/ 2 时，A( f ) 1，( f ) 0 ——理想状态
当
f
1/ 2
时，ey
1
exdt
——
积分器
上截止频率为：fc2 1/ 2
相，相敏检波器输
xo (t)
出xo(t)为负。
o
t
4.2 调制与解调
x(t)
xm (t )
o
to
t
xo (t )
x(t)
o
t
o
t
试件 电桥 放大器 相敏检波器 低通滤波器 显示记录仪表
振荡器
y(t)
o
t
差动电阻、电容、电感传感器后接仪表方框图
4.2 调制与解调
4.2.2 调频与鉴
频
调频是利用被测信号x(t)的幅值控制高频
压控振荡器的输出信号ey为方波，其频率与 被测信号ex成正比。
4.2 调制与解调
2. LC谐振回路调频(直接调频)
将电容(或电感)
传感器作为谐振回路
的一个调谐参数，谐 传
振回路的频率为：
感 C
器
f 1
2 LC
调 谐
C L振
荡 器
若电容传感器变化 C，则频率变为：
f f0 f f0(1
C
) 2C0
0
0
4.2 调制与解调
3. 相敏检波 (R2 R3 R4 R5 R6 R7 / 2)
作用： （1）同步解调 （2）判断极性
y(t) C
R1
xm (t )
R2
u(t )
V1
A1
R7
R3
R4 R5
A2
u(t )
V2
R6
xo(t)
4.2 调制与解调
当y(t)>0时，V1截止，V2导通，运算放大器A2
——
微分器
下截止频率为：fc1 1/ 2
4.3 滤波器
（3）二阶RC带通滤波器
带通滤波器可以看作为低通和高通滤波器的串联
A( f ) 2f1
1
1 (2f1 )2 1 (2f 2 )2
(
f
)
arctan
1
2f 1
arctan 2f 2
4.3 滤波器 （4）滤波器的串联／并联
低通和高通滤波器是最基本的形式，其它 滤波 器 一阶都低通可滤以波器分和解一阶为高这通滤两波种器串类联为型二的阶带滤通波滤波器器。
R1 R2 M F
R3 R4
Ey
(1
)E0
2
R
( R )F
R1 R2 R4 R3
差动全桥
4.1 电桥
4.1.2 交流电桥 *平衡条件
Z1Z3 Z2Z4
Zi Z0i e ji (i 1，2，3，4) Z01Z03 Z02Z04
1 3 2 4
b Z1
a
Z2 c ey
Z4
Z3
d
e0
4.1 电桥
4.1.1 直流电桥
b
R1
R2
1. 工作原理
a
c Ey
*平衡条件
R4
R1R3 R2 R4
Ey
R1R3 R2R4 (R1 R2 )(R3 R4 )
E0
R3
d
E0
4.1 电桥
在实际应用中：
（1）R1 R2 R3 R4 R (全等臂电桥) （2）R1 R2 R ，R3 R4 R (输出对称电桥)
4.2 调制与解调
非抑制调幅波形分析：
4.2 调制与解调 非抑制调 幅的解调 (包络检波)
二极管检波
低通滤波
4.2 调制与解调
调幅波的波形失真：
（1）过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏
置必须足够大，否则x(t)的相位将发生180o。
4.2 调制与解调
（2）重叠失真：抑制调幅波是由一对每边为fm的双 边带信号组成。当载波频率f0较低时，正频端的下 边带将与负频端的上边带相重叠。要求： f0＞10fm
R2
R3
R4 A2
xo(t)
R5
R6
x0(t)
R7 R3 R4
xm (t )
xm(t)
4.2 调制与解调
波形分析：
x(t)
o
当x(t)>0时，调幅
y(t )
t
波xm(t)与载波y(t)同频
o
同相，相敏检波器输
t
出xo(t)为正。
xm (t)
当x(t)<0时，调幅波
o
t
xm(t)与载波y(t)同频反
x(t )
1 2
x(t ) cos4f 0t
4.2 调制与解调
2. 非抑制调幅: 把被测信号x(t)进行偏置，叠 加一个直流分量A，使偏置后的信号都具有正电压，
然后再与高频载波相乘得到调幅波。
x(t)
x(t )
A
x'(t) A x(t) 0
xm(t) x(t) y(t) [A x(t)]cos 2f0t
的
反相输入xm端(t接) 地，调幅波xm(t)R从7 A2同相输入端输入。
R2
R3
R4 A2
xo(t)
R5
R6
x0 (t )
(1
R7 ) R4
R2
R6 R5
R6
xm (t )
xm (t )
4.2 调制与解调
当y(t)<0时，V1导通，V2截止，运算放大器A2
的
同相输入xm端(t接) 地，调幅波xm(t)R从7 A2反相输入端输入。
4.2 调制与解调
3. 鉴频
采用变压器耦合的谐振回路鉴频，把频率 变化转换为电压幅值的变化。
VD
ef C1 L1 L2 C 2 ea C
R ec
频率－电压线性变换
包络检波
4.2 调制与解调
频率－电压线性变换部分将等幅的调频波
转换为幅值随频率变化的调频调幅波，包络检波部
分检测幅值的变化，即可得到原被测信号(调制信
测试技术
第4章 信号调理电路
本章学习要求： 1. 掌握电桥的测量原理和接桥方法； 2. 理解信号调制与解调的原理及目的； 3. 掌握滤波器和放大器的原理及作用。
第4章 信号调理电路
信号调理的目的：便于信号的传输与处理
1. 传感器输出的信号很微弱，不能直接送到 显示、记录或分析仪器中，需要进行放大。
4.3 滤波器
4.3.1 滤波器分类(按所选频率分) 低通
c2
高通
c1
4.3 滤波器
带通
c1
c2
带阻
c1
c2
4.3 滤波器
4.3.2 理想滤波器
理想滤波器是指在通带内信号的幅值为一
常数
A0，相位与频率成线性关系。阻带区的频率成分都 衰减为A(零f ) ，其A0 通带和阻带之间有竖直分界线。
-fc
R1 R2
R3
C
e0 R
R
电阻应变仪中电桥的电阻、电容平衡调节
4.1 电桥
e1 Z4
e0
W1 G
W2
e2 Z3
i1 Z4
W1
G
W2
i
e0 i2 Z3
带感应耦合臂的交流电桥
第4章 信号调理电路
4.2 调制与解调
目的：解决微弱缓变信号的放大以及 信号的远距离传输问题。
4.2 调制与解调
先将微弱的缓变信号(被测信号)用高频载波加载 到高频交流信号中，然后用交流放大器进行放大， 最后再从放大器的输出信号中取出放大的缓变信号。
载波的频率，即调频波是一种随被测信号x(t)的幅
值而变化的疏密程度不同的等幅波。
xf (t) cos 2[ f0 x(t)] t
xf (t )
t
4.2 调制与解调
4.2 调制与解调
1. 压控振荡器(VCO)调频
ex
ez
ey M
ex
C
Rf
R R2
e2 Rf
A2 R1
e1 R0
A1 VDZ
例：交流电桥具有调幅作用
R1
R2
e0
ey
R3
R4
4.2 调制与解调
y(t )
高频载波
o
t
x(t)
调制信号
o
t
调幅波
xm (t )
o
t
xf (t)
调频波
o
t
4.2 调制与解调
4.2.1 调幅与解调
1. 抑制调幅: 直接将高频载波与被测信号(调制信号) 相乘，使载波信号的幅值随被测信号而发生变化。
xm (t) x(t) y(t) x(t) cos 2f0t
4.2 调制与解调
案例：旋转机械扭矩测量(调幅)
4.2 调制与解调
案例：铁路机车调度 信号检测(调频)
调制频率8.5Hz，绿灯 调制频率23.5Hz，红灯
第4章 信号调理电路
4.3 滤波器
滤波器是一种选频装置，使 信号中特定频率成分通过，而极大地 衰减其他频率成分。
工件表面粗糙度测量， 滤掉表面形状误差。
ey
4.2 调制与解调
当ey=+ew(稳压管的稳压值)时，乘法器输 出ez>0，电容C充电，反相积分器A2的输出e2减小。 当e2<-ew时，正反馈放大器A1翻转，ey=-ew；
当ey=-ew时，乘法器输出ez<0，电容C放 电，反相积分器A2的输出e2增大。当e2>+ew时，正 反馈放大器A1又翻转，ey=+ew。
当电桥相邻臂阻值增量相反，相对臂阻值 增量相同时，电桥输出增大；当电桥相邻臂阻值增 量相同，相对臂阻值增量相反时，电桥输出减小。 这一特性称为电桥的加减特性。
工程上利用电桥的加减特性，可以提 高灵敏度、温度补偿和消除干扰因素等。
4.1 电桥
电桥加减特性的应用——温度补偿：
R1
F
R2
R1 R2
Ey
E0 4
o fc f
A(
f
)
A0
0
fc f fc
其它
( f )
-fc o
fc f
( f ) 2 ft0 f
4.3 滤波器
4.3 3 实际滤波器
A( f )
o
f
理想滤波器是不存在的，实际滤波器的幅频特 性并非为常数，通带和阻带之间也没有严格界限， 存在过渡带。
4.3 滤波器
A( f )
A0 0.707A0
若 Ri Ri Ri ，且 R R
Ey
E0 4
( R1
R1
R2
R2
R3
R3
R4
R4
)
4.1 电桥
2. 电 桥 的 连 接 方 式
单臂电桥
Ey
E0 4
R
R
差动半桥
差动全桥
Ey
E0 2
R
R
R
Ey E0 R
4.1 电桥
3．电桥的加减特性与应用
Ey
E0 4
( R1
R1
R2
R2
R3
R3
R4
R4
)
2d
Q=f 0 / B
B
o
fc1
f0
fc2
f
（1）纹波幅度d：通带内幅频特性的波动量； （2）截止频率fc：A( f )=0.707A0所对应的频率；
4.3 滤波器
（3）带宽B和品质因数Q：上下截止频率之差称为带 宽。中心频率 f0 和-3dB带宽B之比称为品质因数 。
f0 fc1 fc2
Q f0 / B
4.3 滤波器
（2） 一阶RC高通滤波器
ey
1 RC
eydt
ex
A( f ) 2f
1 (2f )2
H ( f ) j2f 1 j2f
( f ) arctan(1/ 2f )
4.3 滤波器
当 f 1/ 2 时，A( f ) 1，( f ) 0 ——理想状态
当
f
1/ 2
时， ey
RC dex dt
常用交流电桥:
b
R1 C1
a
C4 R4
d e0
R2
c ey
R3
b
R1 L1
a
L4 R4
d e0
R2
c ey
R3
b
C1
C2
R1 R2
a
c ey
R4
R3
d
e0
R1R3 R2R4 C1R2 C4R3
R1R3 R2R4
L1 R3 L4 R2
R1R3 R2R4
C1R4 C2 R3
4.1 电桥
R
K R ey
（4）倍频程选择性W：频率变化一倍幅值的衰减量。
W 20lg A(2 f c2) A( f c 2)
（5）滤波器因数：-60dB带宽与-3dB带宽的比值。
B60dB 1 ~ 5
B 3 dB
4.3 滤波器
1. RC无源滤波器
RC无源滤波器选用标准阻容元件，电路
简 单，抗干扰能力强，具有较好的低频特性。
号)。
ea
ea
ec
o
f0 fn
o f
ef
t
to
t
ec
o
t
4.2 调制与解调
优点：抗干扰能力强
因为调频信号所携带的信息包含在频率变化 中，并非幅值变化，而干扰波的干扰作用则主要 表现在幅值中。
缺点：要求频带宽、电路复杂
调频波通常要求频带很宽，为调幅所要求 带宽的20倍；调频电路比调幅电路复杂，因为 频率调制是一种非线性调制。
放大器
y(t)
乘法器
xo(t)
滤波器
x(t)
4.2 调制与解调
抑制调幅与同步解调过程(数学分析)
x(t) y(t)
乘法器
xm(t)
放大器
x(t) y(t )
xm (t) x(t) cos 2f0t
y(t )
y(t)
乘法器
xo(t)
滤波器
x(t)
xo (t ) x(t )cos 2 2f0t
1 2
被测信号
调幅 高频调 幅信号
放大 放大高频 调幅信号
解调 放大被测信 号
4.2 调制与解调 抑制调幅与同步解调过程(波形分析——时域分析)
x(t) y(t)
乘法器
xm(t)
放大器
y(t)
乘法器
xo(t)
滤波器
x(t)
4.2 调制与解调 抑制调幅与同步解调过程(频域分析)
x(t) y(t)
乘法器
xm(t)
2. 能量控制型传感器输出的是电参量，需要 转换成电信号才能进行处理(电桥)。
3. 能量转换型传感器输出的是电信号，但混 杂有干扰噪声，需要进行滤波，提高信噪比。
4. 某些场合，为便于信号的远距离传输，需 要对传感器输出信号进行调制解调处理。
第4章 信号调理电路
4.1 测量电桥 R，C，L 电压或电流