测试第5章测试信号的转换与调节(清华版)2015

测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）概述传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步处理或调解。一.信号调节器的功能：对传感器输出的原始信号或系统中某一环节的输出信号进行再加工，以满足下一环节输入要求的需要。测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）二.信号调节器的种类1.参量变换型：常用于参量型传感器，将电参量变换成电压，电流量。被测量参考型传感器电桥、谐振电路ΔR.ΔL.ΔCΔV.ΔI2.阻抗变换、幅度调节被测量发电型传感器放大、衰减、阻抗匹配、变换ΔU.ΔI.ΔQV.I3.调制、解调被测量传感器解调调制放大、传送调制波输出测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）4.品质调节：线性化处理—扩大测量范围，减少非线性失真；滤波—保持有用信号，消除干扰；倍频、细分—提高测量精度；5.A/D、D/A转换：与计算机相联系。二.信号调节器的种类（续）测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）５.1测量电桥一.阻抗电桥的构成及平衡条件1.构成：如图所示，由四个阻抗构成四个桥臂。A和C接入电源E，B和D端为输出端。输出电压:桥臂阻抗可以是电阻、电感和电容式传感器。313242034121234---[]()()CDCBzzzzzzVVVEEEzzzzzzzz+-测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）2.电桥的平衡条件当被测量为某一初始值并未发生变化时希望电桥输出为0。z2z4-z1z3=0——称之为电桥平衡条件或者：z2z4=z1z3——即对边乘积相等；考虑zi为复阻抗ijiizz平衡条件可改写为：——模值平衡条件，相对边幅值乘积相等2413——相位平衡条件，相对边相角之和相等2413zzzz测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）当电桥的电源为直流时称之为直流电桥。显然直流电桥只能是纯电阻电桥。电源若为交流称之为交流电桥，交流电桥桥臂可为电阻、电感或电容。VER1R3R2R4测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）3．电桥的工作方式：①偏位法：电桥失衡，输出不平衡的电压，反应快。工业测控经常使用的都是这类电桥②零位法：电桥失衡后，伺服机构调节调整臂阻抗，使输出恢复为零，调整量的大小与被测量成正比，精度高。最常见的是惠斯登电桥测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）二、电桥的特性1.电桥的电压灵敏度以单工作臂直流电桥为例132401234()()()ERRRRVRRRR设工作臂为R1，则：0031213242113412234222341212()[]()()()()()dvvRRRRRRRESdRRRRRRERRRRERRRRRR测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）通常使用电桥相对电压灵敏度012021121.()vVRRSERRRR对于输出对称电桥12344VERRRRRRS对于电源对称电桥2()VRRSERR对于全等臂电桥4VES对输出对称电桥和全等臂电桥，其灵敏度只与电源关。若采用应变片作传感器，可根据应变片的额定电流适当选择电源。另外，电压灵敏度Sv是在△RR时推出的，若此条件不符合，则会出现非线性误差。测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）单臂半桥全桥2.电桥桥臂的接入特性（指电桥工作臂在不同的设置方式下的输出灵敏度）四个阻抗臂都感受被测量的变化称之为全桥，相应有半桥和单臂工作。测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）对于由电阻构成的全桥，这时输出的关系式为：132401234()()()ERRRRVRRRR0000012341234vvvvdvdRdRdRdRRRRR对于全等臂电桥或输出对称电桥，可写作：312401234()4dRdRdRdREdvRRRR测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）从这个等式中我们可以看出：当一对相对边感受大小相等、方向相同的信号时，电桥输出不为0，感受大小相等、方向相反的信号时，输出为0。当相邻边感受大小相等、方向相反的信号时，电桥输出不为0；而感受大小相等、方向相同的信号时，输出为0。因此，我们把相对边称为同变输入端——工作时接入同变信号；把相邻边称为差变输入端——工作是接入差变信号。这样电桥才有最大输出。这就是电桥的接入特性。利用这一特性，通常电桥可用于信号分离、抑制干扰和温度补偿等，使输出信号保持为最大。312401234()4dRdRdRdREdvRRRR测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）信号分离应用：悬臂梁力的分解八角环测力仪实际电桥还要考虑到电桥的电阻平衡或电容平衡问题测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）一.测量放大电路的作用1.在测量控制系统中，用来放大传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号的放大电路称为测量放大电路。2.对其基本要求：①高输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；②可调的闭环增益；③低噪声、低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；④足够的带宽和转换速率；⑤高共模输入范围和高共模抑制比；⑥线性好、精度高；５.２测量放大电路测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）V+V-V0R0RiARi→∞；Ii→0；R0→0；带宽=∞；V0=A（V+-V-）；A→∞；V+=V-。二、理想运放及其基本电路测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）1、u/u放大器-+V0ViR1R2021iiVVVRR201(1)iRVVR1R时，可构成跟随器或恒压源当测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）2、u/i放大器电流与负载大小无关，可构成恒流源或热电阻测量电路。V0-+ViR1RLi0i01Vi=R测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）3、i/u放大器Vi0i2ViR可接入电流型传感器（如光电元件），还可以构成加法器。-+V0R2iiR1201RVRiV测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）4、i/i放大器-+R1R2RLiii0i202iiiiV212222iiRViRR102(1)iRiiR测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）5、差动（数据）放大器431321241(1/)()oiiRRRRuuuRRR差动放大器是把二个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相二个输入端，然后在输出端取出二个信号的差模成分，而尽量抑制二个信号的共模成分。R3uoR4ui2R1∞-++N1R2ui1若R1=R2=R3=R4，则21oiiuuu测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）6、电桥放大电路由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路称为电桥放大电路。应用于电参量式传感器，如电感式、电阻应变式、电容式传感器构成电桥，经运算放大器放大，输出放大了的电压或电流信号。测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）R+ΔRR2R1uoRRRu∞-++Nb)同相输入（一）单端输入电桥放大电路Z1Z2Z4Z3R2R1bauou∞-++Na)反相输入测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）（二）差动输入电桥放大电路∞-++NR2=R1uoR1uR(1+δ)uaubRRR测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）在现代的数据采集系统中，大量使用了电阻电桥作为把非电量变换为电信号的变换电路。常用电路为由INA102集成芯片组成的电阻电桥放大电路。利用该电路，可对由热敏电阻、光敏电阻、热电偶、应变片等敏感元件感应的力矩、力、位移、光、温度等非电量进行测量。测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）•INA102的集成仪表用放大器INA102的集成仪表用放大器测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）由于INA102的内部附设有9个精度极高的金属膜电阻，且其温度稳定性也很高，所以具有很高的增益精度。在使用时不需外接电阻，因而应用极为方便，即只要连接INA102的不同引脚便可得到不同的增益：1、10、100、1000。测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）下图中由INA102集成芯片组成的电桥放大电路的电压放大倍数为1000，所以其输出电压u0=1000（u+-u-）。为了抑制交流干扰，在电阻式电桥传感器与放大器之间应采用屏蔽线。测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）下图为采用半导体二极管温度传感器构成的的数字式温度计电路，测量范围为+150~-50oC，分辨率为0.1oC。电路由三部分组成。图中R1、R2、D和RW1构成测量电桥，D为温度传感器。电桥的输出信号接到集成信表放大器INA102的输入端进行放大。A2构成的电压跟随器，起隔离作用，数显表实现数字化显示。测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）INA102构成的人体生物电信号前置放大器电路图测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）7、隔离放大电路什么是隔离放大电路？隔离放大电路的输入、输出和电源电路之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。应用于何种场合？隔离放大电路主要用于某些使用在恶劣环境中的测控系统，能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）（一）基本原理利用电磁耦合或光电耦合原理进行电气隔离放大a)变压器耦合输入调制放大器耦合变压器输出解调放大器输出输入－＋b)光电耦合光耦合器输入放大器－＋输出放大器输出输入LEDV原理框图测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）（二）通用隔离放大电路1.变压器耦合隔离放大器变压器耦合放大电路不能放大变化缓慢的直流信号和频率很低的交流信号。在隔离放大器中，在变压器的输入侧，将输入电压与一个具有较高固定频率的信号混合（称为调制）；经变压器耦合，在输出侧，再将调制信号还原成原信号（称为解调），然后输出；从而达到传递直流信号和低频信号的目的。测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）AD210变压器耦合隔离放大器测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）图中A1为输入放大电路，可以同相输入，也可以反相输入，分别构成同相比例运算电路或反相比例运算电路，从而设定整个电路的增益，增益数值为1～100。A1的输出信号经调制电路与振荡器的输出电压波形混合，然后通过变压器耦合到输出侧，再经解调电路还原，最后通过A2构成的电压跟随器输出，以增强带负载能力。振荡器的输出通过变压器耦合到输入侧，经电源电路变换为直流电，为A1和调制电路供电；振荡器的输出通过变压器耦合输出侧，经电源电路变换为直流电，为A2和解调电路供电；而振荡器由外部供电。测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）2.光电耦合隔离放大器（1）ISO100的光耦合放大器，由两个运放A1和A2、两个恒流源IREF1和IREF2以及一个光电耦合器组成。光电耦合器由一个发光二极管LED和两个光电二极管D1和D2组成，起隔离作用，使输入侧和输出侧没有电通路。两侧电路的电源与地也相独立。R和Rf为外接电阻，调整它们可以改变增益。若D1和D2所受光照相同，则U0=(RF/R)Ui测试技术基础第五章测试信号的转换与调理（信号调节器）（2）HCNR200型线性光耦HCNR200型线性光耦的原理如图1所示。它由发光二极管D1、反馈光电二极管D2、输出光电二极管D3组成。当D1通过驱动电流If时,发出红外光(伺服光通量)。该光分别照射在D2、D3上,反馈光电二极管吸收D2光通量的一部分,从而产生控制电流I1(I1=0.005If)。该电流用来调节If以补偿D