第五章 信号变换和处理.pptVIP

第五章 信号的变换与处理; 在测试系统中，传感器或测试装置的输出大部分都是较弱的模拟信号，不能直接用于显示、记录或A/D转换，必须进行放大。 对于直流或缓变信号，由于集成运算放大器性能的改善，己经可以组成性能良好的直流放大器。 集成运算放大器根据其性能可分为通用型、高输入阻抗型、高速型、高精度型、低漂移型、低功耗型等，可根据不同要求选用。 利用运算放大器可组成反相输入、同相输入和差动输入放大器。; 一、测量放大器 由运算放大器组成的上述三种放大器，一般仅适用于信号回路不受干扰或信噪比较大的场合。 实际上，传感器所处的工作环境住住是较复杂和恶劣的，传感器的输出信号中含有较大的噪声和共模干扰。 所谓共模干扰是指在传感器的两条传输线上产生的完全相同的干扰。 在这种情况下，可采用测量放大器对信号进行放大。 测量放大器又称仪表放大器，它是线性好、共模抑制比高、输入阻抗高和噪声低的放大器。; 测量放大器的基本电路如图5-1，由三个运算放大器组成。 它是一种两级串联放大器，前级由两个同相放大器组成，为对称结构。;当两个输入信号是共模信号时，由于同相放大器A1和A2的增益相等，输出电压Uo1和Uo2也是共模相等的。 经A3差动放大，这两个共模信号可被完全消除，总输出信号Uo为零。 由此可见，这种电路的输出几乎不受输入共模干扰的影响。;当两个输入信号是差模信号时，经A1和A2同相放大后仍是差模的，再经A3差动放大后输出。 差动放大器A3的增益; 二、隔离放大器 强电或强电磁干扰的环境中，传感器的输出信号中混杂着许多干扰和噪声，而干扰和噪声大都来自地回路、静电耦合以及电磁耦合。 为了消除干扰和噪声，将模拟信号先经过低通滤波器滤掉部分高频干扰外，还必须合理地处理接地问题。 将放大器实行静电和电磁屏蔽并浮置起来。这样的放大器叫作隔离放大器。 它的 输入和输出电路之间没有直接的电路联系，只有磁路或光路的联系。; 隔离放大器电路的原理框图如图5-2所示。; 输入信号经过放??并调制成交流信号后，由变压器耦合，再经解调、滤波和放大后输出。; 输入信号放大后由光耦合器中的发光二极管LED变换成光信号，再通过光电器件转换为电压或电流，由输出放大器放大输出。; 第二节 电 桥 电桥是将电阻、电感、电容等电参量的变化，转变为电压或电流输出的一种变换电路。 其输出信号的大小，可用仪表直接测量显示，也可输入到放大器进行放大。 电桥电路连接简单、灵敏度和精确度较高，在测试装置中得到了广泛的应用。 电桥根据激励电源的不同分为直流电桥和交流电桥。 电桥电路有两种基本的工作方式：平衡电桥（零检测器）和不平衡电桥。 在传感器应用中主要是不平衡电桥。; 一、直流电桥 直流电桥的基本形式见图5-3。R1、R2、R3、R4是电桥各桥臂电阻，U0是直流电源电压，Uy是输出电压。 当电桥输出端连接阻抗较大的仪表或放大器时，可视为开路。此时桥路分支电流为;输出电压为;将上式展开，取初始状态电桥的各臂阻值相等，即R1= R2 = R3 =R4=R，且一般情况下ΔRR ，忽略ΔR的高次项，则上式可写成; 根据电桥的加减特征，通过适当的组桥的方法来提高测量灵敏度或消除由于温度等影响而产生的不需要的电阻变化。 当电桥的四个桥臂是电阻应变片时，式（5-8）可写成;1）半桥单臂 如果电桥的四个桥臂中只有一个桥臂R1为应变片，另外三个是固定电阻，则称为半桥单臂。 它在工作时只有一个桥臂阻值随被测量变化，由式（5一9）可得电桥的输出电压为; 2）半桥双臂 若相邻的两个桥臂接成应变片，其中一个受拉，另一个受压，另外两个桥臂是固定电阻，例如ε1= - ε2， ε3= ε4=0；其输出电压; 相对的两个桥臂接成应变片，两个应变片的应变方向相同，另外两个桥臂是固定电阻，例如ε1= ε4， ε2= ε3=0 ，这种电桥称为半桥双臂。其输出电压; 3）全桥 如果电桥的四个桥臂都接成应变片，则称全桥。 若桥臂上四个应变片的应变为ε1= - ε2= ε3= - ε4 ，则输出电压; 二、交流电桥 为适应电感、电容式传感器 及交流放大器的需要，交流电桥 的应用场合很多。 交流电桥采用交流激励电压。 电桥的四个桥臂分别用阻抗 Z1、Z2、Z3、Z4表示，它们可