1、測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院1/121測試系統的基本特性測試系統的基本特性模擬信號處理模擬信號處理數字信號處理數字信號處理計算機與虛擬儀器測試技術計算機與虛擬儀器測試技術常用傳感器常用傳感器緒論緒論測試信號的描述與分析測試信號的描述與分析測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院2/121主要內容主要內容1.1.電橋電橋 2.2.運算放大器運算放大器 3.3.調制與解調調制與解調4.4.濾波器濾波器5.5.測量電路及應用舉例測量電路及應用舉例6.6.信號的顯示與記錄信號的顯示與記錄測試技術基礎測試技術基礎

2、杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院3/121信號調理的目的信號調理的目的 被測的物理量經過傳感器變換以后，一般都是以電阻、被測的物理量經過傳感器變換以后，一般都是以電阻、電容、電感或電荷、電流、電壓等形式變化的電容、電感或電荷、電流、電壓等形式變化的微弱電信號，微弱電信號，為了滿足顯示、記錄、控制或輸入計算機進行數據處理等為了滿足顯示、記錄、控制或輸入計算機進行數據處理等需要，尚須將這些微弱信號經過需要，尚須將這些微弱信號經過放大、運算、分析放大、運算、分析等信號等信號調理處理。調理處理。第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工

3、程學院杭州電子科技大學機械工程學院4/1215.1 5.1 電橋電橋 電橋是將電阻、電容、電感等參數的變化變為電壓或電電橋是將電阻、電容、電感等參數的變化變為電壓或電流輸出的一種測量電路。流輸出的一種測量電路。其輸出既可用指示儀表直接測量，其輸出既可用指示儀表直接測量，也可以送入放大器進行放大。由于橋式測量電路結構簡單，也可以送入放大器進行放大。由于橋式測量電路結構簡單，并具有較高的精確度和靈敏度，因此在測試裝置中得到了廣并具有較高的精確度和靈敏度，因此在測試裝置中得到了廣泛應用。泛應用。 與其他測試裝置的分類一樣，電橋亦有不同的分類方式：與其他測試裝置的分類一樣，電橋亦有不同的分類方式：按照

4、激勵電源的性質可分為按照激勵電源的性質可分為直流電橋與交流電橋直流電橋與交流電橋；按照橋臂；按照橋臂阻抗性質又可分為阻抗性質又可分為電阻電橋、電容電橋和電感電橋。電阻電橋、電容電橋和電感電橋。第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院5/1215.1.1 直流電橋直流電橋 1、直流電橋的平衡條件、直流電橋的平衡條件平衡條件平衡條件4231RRRR13241412341234()()()oabadRRR RRRUUUUURRRRRRRR11 112abRUI RURR42434adRUI RURR第五章第五章 模擬信號處

5、理模擬信號處理測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院6/1212. 靈敏度靈敏度在平衡情況下，若電阻 變化 ，則電橋的輸出電壓為1R1R331211324144111234312114()()()11oRRRRRR RR RRRRRUUURRRRRRRRRRR3214RRnRR令121 (1)oRnUUnR211/(1)oUnSURRn當 時，靈敏度 達到最大值。這時對于一定的 值，得到最大的輸出電壓。顯然，滿足 的條件為 （對稱電橋）或 （等臂電橋）。在設計電橋時，一般取 1n S11RR1n 1234,RR RR1234RRRR1234RRRRd0

6、dSn第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.1.1 直流電橋直流電橋 測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院7/1213. 電橋接法與輸出特性電橋接法與輸出特性 在機械測試技術中，一般根據工作中電阻值參與變在機械測試技術中，一般根據工作中電阻值參與變化的橋臂數可分為半橋式與全橋式連接。化的橋臂數可分為半橋式與全橋式連接。 第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.1.1 直流電橋直流電橋 輸出電壓，靈敏度？輸出電壓，靈敏度？測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院8/121（1）半橋單臂）半橋單臂 014oR

7、UUR0/0d14doRRUSURR00/14 1/ 2oRRUURR 工作中有一個橋臂阻值隨被測的量而變化，工作中有一個橋臂阻值隨被測的量而變化， 第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.1.1 直流電橋直流電橋 331211324144111234312114()()()11oRRRRRR RR RRRRRUUURRRRRRRRRRR何時成立？何時成立？ 誤差？誤差？ 32測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院9/121（2）半橋雙臂（差動電橋）半橋雙臂（差動電橋）工作中有兩個橋臂阻值隨被測物理量變化，而且必須一工作中有兩個橋臂阻值隨被測物理量變

8、化，而且必須一個增大一個減小，即個增大一個減小，即 ，所以也稱為差動，所以也稱為差動電橋。電橋。 1122,RR RR 01 2oRUUR0R /R1S=2U。 第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.1.1 直流電橋直流電橋 13241412341234()()()oabadR RR RRRUUUUURRRRRRRR測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院10/121（3）全橋）全橋工作中四個橋臂電阻值都隨被測物理量而變化，即工作中四個橋臂電阻值都隨被測物理量而變化，即11223344,RRRRRRRR 0 oRUUR0/R RSU第五章第五章 模擬

9、信號處理模擬信號處理全橋接法的靈敏度最高，它可以獲得最大的線性輸出。全橋接法的靈敏度最高，它可以獲得最大的線性輸出。測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院11/1214、電橋用于應變片傳感器的溫度補償、電橋用于應變片傳感器的溫度補償 1324R RR R0000()()0RR RRR R0oU 第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.1.1 直流電橋直流電橋 32測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院12/121U 交流電橋主要用于交流電橋主要用于動態信號的測量和輸出需要放大動態信號的測量和輸出需要放大的場的

10、場合，如廣泛使用的動態應變儀就采用此種電橋。因為電橋輸合，如廣泛使用的動態應變儀就采用此種電橋。因為電橋輸出常接放大器，故在分析中只需研究開路輸出時的動態特性。出常接放大器，故在分析中只需研究開路輸出時的動態特性。第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.1.2 交流電橋交流電橋 測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院13/1211. 交流電橋的平衡條件交流電橋的平衡條件 交流電橋的激勵電壓采用交交流電橋的激勵電壓采用交流，電橋的四個臂可以是電感流，電橋的四個臂可以是電感 、電容電容 或電阻或電阻 ，用復阻抗表示，用復阻抗表示j22j()zz() ar

11、ctgLCLCLCZRxxeRxxxxR 而且輸入電壓與輸出電壓分別用復數而且輸入電壓與輸出電壓分別用復數 與與 表示，那么表示，那么根據對直流電橋的討論可以得到根據對直流電橋的討論可以得到UoU5.1.2 交流電橋交流電橋 第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院14/1211. 交流電橋的平衡條件交流電橋的平衡條件13241234()()ooZ ZZ ZUUZZZZ1324 Z ZZ Z3124jjjj11223344e Z =z e Z =z e Z =z eZz1324()j()j1 324eez zz z所

12、以所以13241324z zz z 此式表明，交流電橋平衡必須同時滿足兩個條件，即此式表明，交流電橋平衡必須同時滿足兩個條件，即相相對兩臂阻抗之模的乘積應相等，相對兩臂阻抗角之和也必須對兩臂阻抗之模的乘積應相等，相對兩臂阻抗角之和也必須相等。相等。 第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.1.2 交流電橋交流電橋 哪幾種組合？哪幾種組合？ 32測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院15/1212. 電容電橋、電感電橋的平衡電容電橋、電感電橋的平衡阻抗平衡條件為阻抗平衡條件為1342143213241411jj jjRRRRCCRRR RR RCC欲使

13、復數相等，實部與虛部應分別相等，即欲使復數相等，實部與虛部應分別相等，即1324R RR R3214 RRCC由此可知，要使電容電橋平衡，必須同時調節電阻和電容兩個由此可知，要使電容電橋平衡，必須同時調節電阻和電容兩個參數，使它們分別達到平衡參數，使它們分別達到平衡 第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.1.2 交流電橋交流電橋 測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院16/1212. 電容電橋、電感電橋的平衡電容電橋、電感電橋的平衡電橋平衡條件應為電橋平衡條件應為113442(j)(j)RL RRL R1324 R RR R1342 L RL R要

14、使電感電橋平衡，除要考慮相位平衡外，還要保證電阻和要使電感電橋平衡，除要考慮相位平衡外，還要保證電阻和電感分別達到平衡。電感分別達到平衡。 第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.1.2 交流電橋交流電橋 測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院17/1213. 電阻交流電橋的平衡電阻交流電橋的平衡電橋各橋臂阻抗分別為電橋各橋臂阻抗分別為電橋平衡時滿足電橋平衡時滿足1324Z ZZ Z所以所以3321132432411442; RRRCR RR RR CR CRRRC或 或第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.1.2 交流電橋交流電橋 導線間存在的

15、分布電容導線間存在的分布電容測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院18/1214. 差動工作電橋差動工作電橋 在動態信號測試中，將許多傳感器及測量電路接成差動形在動態信號測試中，將許多傳感器及測量電路接成差動形式的交流電橋，這樣不但可以改善非線性，提高靈敏度，還可式的交流電橋，這樣不但可以改善非線性，提高靈敏度，還可以補償由于溫度等因素造成的誤差。以補償由于溫度等因素造成的誤差。 132401234()()Z RZ RUUZZRR（1）差動式變壓器電橋之一）差動式變壓器電橋之一第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.1.2 交流電橋交流電橋 測試技術

16、基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院19/1214. 差動工作電橋差動工作電橋當有被測信號輸入，傳感器工作時，當有被測信號輸入，傳感器工作時， 并并取取 ，得，得12,Z Z ZZ Z Z 34R R R ()() 2 ()2oR ZZR ZZUZUUR ZZZZZ 取取222()osLUURL第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.1.2 交流電橋交流電橋 13241234()()ooZ ZZ ZUUZZZZj,jsZRLZLj 2josULURL輸出電壓的幅值輸出電壓的幅值如果線圈的品質因素比較高如果線圈的品質因素比較高 2oLUUL線圈的損耗電阻sR

17、就可忽略不計 如果兩線圈的阻抗變化為如果兩線圈的阻抗變化為 12,ZZZ ZZZ 2oLUUL 說明？說明？ 33測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院20/1214. 差動工作電橋差動工作電橋13241423()()oZ RZ RUUZRZR設設 代入上式，并略去高階微量代入上式，并略去高階微量 ，得得1234,ZZZ ZZZ RRR 2()Z22 ()oR ZUUZR差動式變壓器電橋之二差動式變壓器電橋之二第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.1.2 交流電橋交流電橋 測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程

18、學院21/1214. 差動工作電橋差動工作電橋同樣取同樣取 ，上，上式變為式變為j, jZLZL22222j()oRLUUR LRL反之，若阻抗反之，若阻抗 的變化反向，亦即電感變化反向的變化反向，亦即電感變化反向Z第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.1.2 交流電橋交流電橋 測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院22/1214. 差動工作電橋差動工作電橋（2）差動式傳感器電橋）差動式傳感器電橋 差動式傳感器電橋一般是由差動傳感器與帶中間抽頭的差動式傳感器電橋一般是由差動傳感器與帶中間抽頭的電源變壓器副邊繞組構成的交流電橋。其中差動傳感器可以電源

19、變壓器副邊繞組構成的交流電橋。其中差動傳感器可以是電感式的也可以是電容式的。是電感式的也可以是電容式的。第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.1.2 交流電橋交流電橋 測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院23/1214. 差動工作電橋差動工作電橋差動式傳感器電橋差動式傳感器電橋電橋中電橋中 和和 組成一對差動電容，其橋臂的阻抗組成一對差動電容，其橋臂的阻抗 1C2C121211,jjZZCC12122oZZUUZZ因為因為將阻抗表達式代入上式得將阻抗表達式代入上式得21122oCCUUCC 差動工作電橋與一般電橋相比，具有精確度和靈敏度高以差動工

20、作電橋與一般電橋相比，具有精確度和靈敏度高以及性能穩定、頻率范圍大等優點，近年來，在測試工程中得到及性能穩定、頻率范圍大等優點，近年來，在測試工程中得到了比較廣泛的應用。了比較廣泛的應用。第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.1.2 交流電橋交流電橋13241234()()ooZ ZZ ZUUZZZZ 141 例例5-1 （141）測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院24/1215.2 5.2 運算放大器運算放大器 運算放大器本質上是一個運算放大器本質上是一個高增益的負反饋直流放大器高增益的負反饋直流放大器。加上外部反饋網絡可以實現加上外部反饋網

21、絡可以實現加、減、乘、除、微分和積分加、減、乘、除、微分和積分等數學運算，還可以與其它外設電路組成測試系統中常用等數學運算，還可以與其它外設電路組成測試系統中常用的差動放大器、電橋放大器、電荷放大器、壓頻變換器、的差動放大器、電橋放大器、電荷放大器、壓頻變換器、有源濾波器以及交流放大器等測試裝置。有源濾波器以及交流放大器等測試裝置。 第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院25/1215.2.1 運算放大器的符號及特點運算放大器的符號及特點 集成運算放大器具有集成運算放大器具有開環電開環電壓增益高、輸入阻抗高、輸出阻

22、壓增益高、輸入阻抗高、輸出阻抗低、漂移小、可靠性高、體積抗低、漂移小、可靠性高、體積小小等主要特點，所以它已成為一等主要特點，所以它已成為一種通用器件，在各個技術領域中種通用器件，在各個技術領域中得到了十分廣泛而靈活的應用。得到了十分廣泛而靈活的應用。第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院26/121電壓增益電壓增益: :1) 1) 反相放大器反相放大器 1RRAFv 反饋電阻反饋電阻RFRF值不能太大，否則會產生較大的噪聲及漂值不能太大，否則會產生較大的噪聲及漂移，一般為幾十千歐至幾百千歐。移，一般為幾十千歐至幾

23、百千歐。R1R1的取值應遠大于信號的取值應遠大于信號源源UiUi的內阻的內阻。 煙霧報警煙霧報警器器酒精傳感酒精傳感器器二氧化碳傳感二氧化碳傳感器器5.2 5.2 運算放大器運算放大器 第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院27/121 同相放大器也是最基本的同相放大器也是最基本的電路電路 ，其閉環電壓增益，其閉環電壓增益AvAv為為: :11RRAFv2)2)同相放大器同相放大器 同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點，廣泛用于前置放大級。的特點，廣泛用于前置放

24、大級。 5.2 5.2 運算放大器運算放大器 第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院28/1212 2 交流放大電路交流放大電路 R1R1一般取幾十千歐。耦合電容一般取幾十千歐。耦合電容C1C1、C3C3可根據交流放大器可根據交流放大器的下限頻率的下限頻率fLfL來確定。來確定。 )2/()103(31LLfRCC11RRAFv 若只需要放大交流信號，可采用圖示的集成運放交若只需要放大交流信號，可采用圖示的集成運放交流電壓同相放大器。其中電容流電壓同相放大器。其中電容C1C1、C2C2及及C3C3為隔直電容。為隔直

25、電容。 5.2 5.2 運算放大器運算放大器 第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院29/121具有理想參數的運算放大器叫理想運算放大器。具有理想參數的運算放大器叫理想運算放大器。 特點特點dr 0dUUIr入dK UU0U0U 這就是說反相輸入端的電位接近于這就是說反相輸入端的電位接近于“地地”電位，它是一個不接電位，它是一個不接“地地”的接的接“地地”端，通常稱為端，通常稱為“虛地虛地”。 第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.2.2 理想運算放大器理想運算放大器 33測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大

26、學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院30/1211. 差動放大器差動放大器 差動放大器就是用來放大差模差動放大器就是用來放大差模信號，抑制共模信號的，它的兩信號，抑制共模信號的，它的兩個輸入端都有信號輸入。個輸入端都有信號輸入。 1111111ioiiFUUUUI RURRR2323iUURRRUU因為因為當當123,FRR RR得得211() FoiiRUUUR0211FiiURSUUR第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.2.3 測試裝置中幾種常見的運算放大器測試裝置中幾種常見的運算放大器測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院31/121

27、可見輸出電壓可見輸出電壓 與兩個輸入電壓的差值成正比。當與兩個輸入電壓的差值成正比。當 時，則得時，則得oU1FRR21oiiUUU 差動放大器被廣泛地應用于測試和控制系統中，形成了差動放大器被廣泛地應用于測試和控制系統中，形成了一個專用測量放大器領域。一個專用測量放大器領域。1. 差動放大器5.2.3 測試裝置中幾種常見的運算放大器測試裝置中幾種常見的運算放大器第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理211() FoiiRUUUR測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院32/1212. 測量放大器測量放大器 三運放差動放大器通常也稱為測量放大器，或稱儀表

28、放大器。三運放差動放大器通常也稱為測量放大器，或稱儀表放大器。 由電路分析可知由電路分析可知 11112(1)oiiGGRRuuuRR22221(1)oiiGGRRuuuRR644123365(1)oooRRRuuuRRRR 通常電路中通常電路中 12RR35RR46RR則測量放大器的增益為則測量放大器的增益為411232(1)ofiiGuRRuuRR 第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.2.3 5.2.3 測試裝置中幾種常見的運算放大器測試裝置中幾種常見的運算放大器特點？特點？P144測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院33/1213. 電橋

29、放大器電橋放大器 與差動放大器一樣，直流電橋放大器也是用于在大的共與差動放大器一樣，直流電橋放大器也是用于在大的共模信號下測量來自傳感器的微弱信號，而且模信號下測量來自傳感器的微弱信號，而且差動電橋也具有差動電橋也具有抑制共模信號的能力抑制共模信號的能力。第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.2.3 測試裝置中幾種常見的運算放大器測試裝置中幾種常見的運算放大器測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院34/121圖圖5-18 電橋放大器電橋放大器 加在放大器兩個輸入端的電壓信號分別為加在放大器兩個輸入端的電壓信號分別為1112RUERR4234 RUE

30、RR若電橋為全等臂若電橋為全等臂 1234RRRRR且為半橋雙臂接法（差動電橋），即且為半橋雙臂接法（差動電橋），即 34, RRR RRR則則1 2EU 2 12ERUR那么那么 3. 電橋放大器電橋放大器5.2.3 測試裝置中幾種常見的運算放大器測試裝置中幾種常見的運算放大器第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院35/1213. 電橋放大器212112()()/2FFFoRRRRUUUUUERRRRR令令 RR則則 FoRUER0 FURSER由上式易見，由上式易見，輸出電壓與橋臂電阻輸出電壓與橋臂電阻 有關有

31、關R 為了排除為了排除 的影響，可采用右圖的接法將電橋電源浮置，的影響，可采用右圖的接法將電橋電源浮置，則其輸出電壓為則其輸出電壓為 R圖圖5-19 電橋電源浮置的電橋放大器電橋電源浮置的電橋放大器11 2FoREUR011) 2FURESR第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.2.3 測試裝置中幾種常見的運算放大器測試裝置中幾種常見的運算放大器測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院36/121 由于由于壓電式傳感器輸出的電信號是很微弱的電荷，而且傳壓電式傳感器輸出的電信號是很微弱的電荷，而且傳感器本身也存在很大內阻，故輸出能量甚微感器本身也存在很

32、大內阻，故輸出能量甚微，這給后接電路帶，這給后接電路帶來一定困難。為此，通常把傳感器信號先傳輸到高輸入阻抗的來一定困難。為此，通常把傳感器信號先傳輸到高輸入阻抗的前置放大器，經過阻抗變換以后，方可用一般的放大、檢波電前置放大器，經過阻抗變換以后，方可用一般的放大、檢波電路將信號輸給指示儀表或記錄儀器或信號處理器。路將信號輸給指示儀表或記錄儀器或信號處理器。4. 電荷放大器電荷放大器第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.2.3 測試裝置中幾種常見的運算放大器測試裝置中幾種常見的運算放大器測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院37/121 前置放大器有

33、兩種形式，一種是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出前置放大器有兩種形式，一種是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓（即傳感器的輸出電壓）成正比，不過要受電纜長度的電壓與輸入電壓（即傳感器的輸出電壓）成正比，不過要受電纜長度的影響；另一種是帶電容反饋的電荷放大器，其影響；另一種是帶電容反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正輸出電壓與輸入電荷成正比，且與電纜長度無關，還具有很寬廣的頻率響應，故電荷放大器得到比，且與電纜長度無關，還具有很寬廣的頻率響應，故電荷放大器得到了更為廣泛的應用。了更為廣泛的應用。它已成為與壓電式傳感器配套使用的專用測量儀器。它已成為與壓電式傳感器配套使用的專用測量儀

34、器。第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理4. 電荷放大器電荷放大器5.2.3 5.2.3 測試裝置中幾種常見的運算放大器測試裝置中幾種常見的運算放大器測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院38/1214. 電荷放大器電荷放大器 電荷放大器是一個高增電荷放大器是一個高增益帶電容反饋的運算放大器。益帶電容反饋的運算放大器。當略去傳感器的漏電阻及電當略去傳感器的漏電阻及電荷放大器的輸入電阻時，它荷放大器的輸入電阻時，它的等效電路如圖的等效電路如圖5-20所示。所示。() ()iaciiofqU CCCUU C其中其中 為傳感器電容；為傳感器電容； 為外接電

35、路的輸入端電容；為外接電路的輸入端電容； 為電纜電容。為電纜電容。 令令 得到得到aciCCCCiCaCcC第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.2.3 測試裝置中幾種常見的運算放大器測試裝置中幾種常見的運算放大器測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院39/121()offKqUCCKC如果放大器的增益足夠大，則如果放大器的增益足夠大，則 ，上式可簡化為，上式可簡化為()ffKCCCofqUC 4. 電荷放大器電荷放大器5.2.3 5.2.3 測試裝置中幾種常見的運算放大器測試裝置中幾種常見的運算放大器第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理測試技術

36、基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院40/1214. 電荷放大器電荷放大器 通常在反饋電容的兩端并聯一個大電阻通常在反饋電容的兩端并聯一個大電阻 （約（約 ） 以提供直流反饋，改善低頻響應。以提供直流反饋，改善低頻響應。 fR電荷放大器的下限截止頻率（放大器增益下降電荷放大器的下限截止頻率（放大器增益下降3dB時的對應時的對應頻率）為頻率）為ffLCRf21 此式表明，電荷放大器的輸出電壓與電纜電容無關，亦此式表明，電荷放大器的輸出電壓與電纜電容無關，亦即其靈敏度與電纜電容無關。因此，采用電荷放大器時，即即其靈敏度與電纜電容無關。因此，采用電荷放大器時，即使

37、連接電纜長度達百米以上，其靈敏度亦無明顯變化，這是使連接電纜長度達百米以上，其靈敏度亦無明顯變化，這是電荷放大器的一個突出優點電荷放大器的一個突出優點8101010第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.2.3 5.2.3 測試裝置中幾種常見的運算放大器測試裝置中幾種常見的運算放大器ofqUC 測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院41/121若選取若選取 1041210.00162101010LfHz 由此可見，電荷放大器在適當選取由此可見，電荷放大器在適當選取 和和 后，后，低端截低端截止頻率幾乎接近于零止頻率幾乎接近于零。也就是說，壓電式傳感器

38、配用電荷。也就是說，壓電式傳感器配用電荷放大器時，低頻響應很好，可進行穩態參數的測量。放大器時，低頻響應很好，可進行穩態參數的測量。fRfC第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理4. 電荷放大器電荷放大器5.2.3 5.2.3 測試裝置中幾種常見的運算放大器測試裝置中幾種常見的運算放大器測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院42/1215. 電壓比較器電壓比較器 在測試電路中常常需要對兩個電壓進行比較，一個在測試電路中常常需要對兩個電壓進行比較，一個是被測信號電壓，另一個是參考電壓；或者兩個都是被是被測信號電壓，另一個是參考電壓；或者兩個都是被測信號電

39、壓。測信號電壓。當當iRUU輸出電壓等于穩壓管的穩定電壓輸出電壓等于穩壓管的穩定電壓 1WU當當 輸出端電位被輸出端電位被 箍住，箍住， iRUU2WD2oWUU第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.2.3 5.2.3 測試裝置中幾種常見的運算放大器測試裝置中幾種常見的運算放大器 33測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院43/121 當用放大器的輸出來推動負載時，希望放大器能最大限度當用放大器的輸出來推動負載時，希望放大器能最大限度地把能量傳輸給負載。兩者之間能滿足上述要求的聯配，稱地把能量傳輸給負載。兩者之間能滿足上述要求的聯配，稱之為阻抗匹配

40、。之為阻抗匹配。 當兩個裝置聯接后當兩個裝置聯接后 12EIZZ2212ABZEIZEZZ第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.2.4 5.2.4 放大器及其負載的阻抗匹配放大器及其負載的阻抗匹配測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院44/121則輸給后級裝置（負載）則輸給后級裝置（負載） 的功率為的功率為2H2222121212()ABEZZEPIEEZZZZZZ令令 20dPdZ得得 12220ZZZ即即 12ZZ表明，表明，當前級裝置的輸出阻抗（內阻）與后級裝置的輸入阻當前級裝置的輸出阻抗（內阻）與后級裝置的輸入阻抗相等時，前級裝置傳輸給后級

41、裝置的功率最大，這就是裝抗相等時，前級裝置傳輸給后級裝置的功率最大，這就是裝置之間的阻抗匹配原則。置之間的阻抗匹配原則。5.2.4 5.2.4 放大器及其負載的阻抗匹配放大器及其負載的阻抗匹配第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理2212ABZEIZEZZ測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院45/121 解決微弱緩變信號的放大以及信號的傳輸解決微弱緩變信號的放大以及信號的傳輸問題。問題。 例如下面的調幅波例如下面的調幅波5.3 5.3 調制與解調調制與解調 第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.3.1 5.3.1 測試信號的調制測試信號的調制 測

42、試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院46/121 先將微弱的緩變信號加載到高頻交流信號中去，先將微弱的緩變信號加載到高頻交流信號中去，然后利用交流放大器進行放大，最后再從放大器的然后利用交流放大器進行放大，最后再從放大器的輸出信號中取出放大了的緩變信號。輸出信號中取出放大了的緩變信號。 例：交流電橋例：交流電橋VinVoR1R3R2R4測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院47/121 調制是利用緩變信號來控制或改變高頻振蕩的某個參數調制是利用緩變信號來控制或改變高頻振蕩的某個參數（幅值、頻率或相位），使它隨著

43、被測信號作有規律的變化，（幅值、頻率或相位），使它隨著被測信號作有規律的變化，以利于實現信號的放大與傳輸。調制過程有三種：以利于實現信號的放大與傳輸。調制過程有三種： 高頻振蕩的幅值受緩變信號控制時，稱為調幅，以高頻振蕩的幅值受緩變信號控制時，稱為調幅，以AM表示。表示。 高頻振蕩的頻率受緩變信號控制時，稱為調頻，以高頻振蕩的頻率受緩變信號控制時，稱為調頻，以FM表示。表示。 高頻振蕩的相位受緩變信號控制時，稱為調相，以高頻振蕩的相位受緩變信號控制時，稱為調相，以PM表示。表示。 第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.3.1 5.3.1 測試信號的調制測試信號的調制 測試技術基礎測試技術基

44、礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院48/121 一般將控制高頻振蕩的緩變信號稱為一般將控制高頻振蕩的緩變信號稱為調制波調制波；載送緩變；載送緩變信號的高頻振蕩波稱為信號的高頻振蕩波稱為載波載波；經過調制的高頻振蕩波稱為；經過調制的高頻振蕩波稱為已已調波調波。已調波相應地有調幅波、調頻波和調相波三種已調波相應地有調幅波、調頻波和調相波三種，測試，測試技術中常用的是技術中常用的是調幅和調頻兩種調幅和調頻兩種。 解調則是對已調波進行鑒別以恢復緩變的測量信號（調解調則是對已調波進行鑒別以恢復緩變的測量信號（調制信號）。制信號）。 緩變信號緩變信號調制調制高頻信號高頻信號放大放大

45、放大高放大高頻信號頻信號解調解調放大緩放大緩變信號變信號第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.3.1 5.3.1 測試信號的調制測試信號的調制 測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院49/121 調幅、調頻、調相波的圖解過調幅、調頻、調相波的圖解過程：程： 圖中被測信號是梯形波，圖中被測信號是梯形波，載波是余弦波。載波是余弦波。調幅波其包絡調幅波其包絡線形狀由被測信號決定，載波線形狀由被測信號決定，載波信號的頻率和相位均不改變信號的頻率和相位均不改變。調頻波，其載波信號的調頻波，其載波信號的振幅與振幅與相位不變，而頻率改變相位不變，而頻率改變。當被

46、。當被測信號的幅值減小時，頻率降測信號的幅值減小時，頻率降低；幅值增大時，頻率提高。低；幅值增大時，頻率提高。所以，所以，調頻波可以看成是一個調頻波可以看成是一個頻率受被測信號幅值控制的正頻率受被測信號幅值控制的正弦波。弦波。第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.3.1 5.3.1 測試信號的調制測試信號的調制 測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院50/1212 2 種類種類調制信號調制信號x(t)x(t)0 0t t載波信號載波信號)2cos()(ftAtzz(t)z(t)0 0t t測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子

47、科技大學機械工程學院51/121a) a) 幅值調制幅值調制(AM)(AM)( )( )cos(2)y tA x tftb) b) 頻率調制頻率調制(FM)(FM)0( )cos(2 ( )y tAfkx ttc) c) 相位調制相位調制(PM(PM)0( )cos(2( )y tAftkx t第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.3.1 5.3.1 測試信號的調制測試信號的調制 測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院52/121載波信號載波信號 0( )cos2y tf t時域分析時域分析-兩信號的乘積兩信號的乘積 0( )( ) ( )( )c

48、os2 mxtx t y tx tf t調幅是將一個高頻正弦信號（或稱載波）與測試信號相乘，調幅是將一個高頻正弦信號（或稱載波）與測試信號相乘，使載波信號幅值隨測試信號的變化而變化使載波信號幅值隨測試信號的變化而變化第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理1. 調幅原理調幅原理5.3.2 5.3.2 調幅與其解調調幅與其解調 測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院53/12100011()cos2( )()( )()22xtf tX fffX fff 0011( )( )()()22X fY fX ffX ff在時域上的調幅過程就相當于在頻域上的頻率搬移

49、過程。在時域上的調幅過程就相當于在頻域上的頻率搬移過程。 頻域分析頻域分析-兩信號的卷積兩信號的卷積 1. 調幅原理調幅原理5.3.2 5.3.2 調幅與其解調調幅與其解調 第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理 P24測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院54/121幅度調制與解調過程（波形分析）幅度調制與解調過程（波形分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器乘法器濾波器濾波器z(t)x(t)測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院55/1212. 解調原理解調原理若把調幅波再次與載波信

50、號相乘若把調幅波再次與載波信號相乘 ，從時域分析看，從時域分析看000011( )cos2( )cos2cos2( )( )cos4 22mxtf tx tf tf tx tx tf t用低通濾波器將頻率為用低通濾波器將頻率為 的高頻信號濾去，則得到的高頻信號濾去，則得到 02 f1( )2x t從頻域分析中亦可以得到從頻域分析中亦可以得到 0001( )cos2( )()()2mmxtf tXfffff 即即 00001( )( )()()()()4mXfY fX ffX ffffff00111()(2)(2)244XfXffXff 調幅的目的是為了讓緩變信號變為高頻調制信號，便于調幅的目的

51、是為了讓緩變信號變為高頻調制信號，便于放大和傳輸。解調的目的則是為了恢復原信號。放大和傳輸。解調的目的則是為了恢復原信號。第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.3.2 5.3.2 調幅與其解調調幅與其解調 測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院56/121圖5-25 同步解調0fmf從調幅原理，載波頻率從調幅原理，載波頻率 必須高于原信號中的最高頻率必須高于原信號中的最高頻率 才才能使已調波仍保持原信號的頻譜圖形，不致重疊。能使已調波仍保持原信號的頻譜圖形，不致重疊。 010mff第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理2. 解調原理解調原理5.3.

52、2 5.3.2 調幅與其解調調幅與其解調 例如廣播電臺例如廣播電臺測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院57/121例例2用電阻應變片接成全橋，測量某一構件的應變。用電阻應變片接成全橋，測量某一構件的應變。已知其變化規律為已知其變化規律為如果電橋的激勵電壓為如果電橋的激勵電壓為求此電橋的輸出信號頻譜。求此電橋的輸出信號頻譜。解法解法1 由全橋接法知電橋的輸出信號為由全橋接法知電橋的輸出信號為 那么那么又又 000cos2uUf t0/( )R RR t00( )cos2yuSU R tf t( )cos10tAt0( )sin1000u tEt000(

53、 )( )( )( )( )yR tu tu tSt u tR0( )( )( )yUfSfUf( )( )(5)(5)2AfFtff第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理2. 解調原理解調原理5.3.2 5.3.2 調幅與其解調調幅與其解調 書書P135測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院58/121所以所以 j(505)(495)(495)(505)4SAEffff0( )( )( )cos10sin1000sin(1010)sin(990)2ySAEutSt u tSAt Ettt( )j(505)(505)(495)(495)4ySAEUff

54、fff00( )( )j(500)(500)2EUfF u tff( )(5)(5)j(500)(500)22ySAEUfffff解法解法2所以所以其頻譜如上圖所示。其頻譜如上圖所示。第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院59/121幅度調制與解調過程（頻譜分析）幅度調制與解調過程（頻譜分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器乘法器濾波器濾波器z(t)x(t)測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院60/1213. 相敏檢波原理相敏檢波原理相敏檢波器實

55、際上是一個相敏檢波器實際上是一個受參考電壓控制的橋式全波整流電路受參考電壓控制的橋式全波整流電路 第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.3.2 5.3.2 調幅與其解調調幅與其解調 測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院61/1213. 相敏檢波原理相敏檢波原理第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.3.2 5.3.2 調幅與其解調調幅與其解調 測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院62/121第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理0t1 前半周期Uy0,U000t1 前半周期前半周期Uy0,U00測試技

56、術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院63/121第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理0t1 前半周期Uy0,U000t1 后半周期后半周期Uy0,U00測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院64/121第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理t1t2 前半周前半周期期Uy0測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院65/121第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理t1t2 后半周期后半周期Uy0,U00測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程

57、學院66/121 調頻就是用被測信號的電壓幅值去控制一個振蕩器，使其調頻就是用被測信號的電壓幅值去控制一個振蕩器，使其輸出信號的幅值不變而振蕩頻率改變，頻率的變化量與被測信輸出信號的幅值不變而振蕩頻率改變，頻率的變化量與被測信號的幅值成正比。號的幅值成正比。 圖5-29 調頻波與信號幅值的關系第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理5.3.3 5.3.3 調頻與其解調調頻與其解調 測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院67/121第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理 根據不同的電壓根據不同的電壓頻率轉換電路（簡稱頻率轉換電路（簡稱VFC），調頻波可），

58、調頻波可以是類似正弦波形的，或者三角波形的，也可以是疏密不等的以是類似正弦波形的，或者三角波形的，也可以是疏密不等的方波或者脈沖形波。方波或者脈沖形波。這種載有被測信息的高頻波具有抗干擾能這種載有被測信息的高頻波具有抗干擾能力強、便于遠距離傳輸、不易錯亂和失真等優點，也便于使用力強、便于遠距離傳輸、不易錯亂和失真等優點，也便于使用數字技術進行處理。數字技術進行處理。 調頻方式有許多種，經常采用的有直接調頻方式和壓控振調頻方式有許多種，經常采用的有直接調頻方式和壓控振蕩器方式。蕩器方式。5.3.3 5.3.3 調頻與其解調調頻與其解調 測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子

59、科技大學機械工程學院68/1211. 直接調頻直接調頻 用諧振電路調頻的方法，用諧振電路調頻的方法，稱為直接調頻法。稱為直接調頻法。 初始電容為初始電容為 ，當位移改變時，電容，當位移改變時，電容變為變為 。設調制信號（被測信號）。設調制信號（被測信號）為為 ，那么，由位移變化引起的可變，那么，由位移變化引起的可變電容量總可以寫成電容量總可以寫成0CxC( )x t000( )xxCCCCK C x t 5.3.3 5.3.3 調頻與其解調調頻與其解調 Kx=比例系數比例系數測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院69/121當無信號輸入時，調頻器的諧振

60、頻率為 0012()fL CC當有信號輸入時， 0112()2()xfL CCL CCC1200112()CCCL CC( )0 x t諧振頻率為1. 直接調頻直接調頻5.3.3 5.3.3 調頻與其解調調頻與其解調 第五章第五章 模擬信號處理模擬信號處理測試技術基礎測試技術基礎杭州電子科技大學機械工程學院杭州電子科技大學機械工程學院70/1211. 直接調頻直接調頻由于由于 0( )xCK C x t所以所以000001( )1( )2()xC Kffx tfK x tCC1201CCC經二項式公式展開，取前兩項經二項式公式展開，取前兩項 00001112()2()2()CCffCCCCL