23常用调理电路.pptx

传感器技术基础传感器技术基础Basic Knowledge of Sensor Technology 传感器技术基础传感器技术基础(绪论绪论(传感器技术基础传感器技术基础2024/10/5 周六3(传感器的组成及分类传感器的组成及分类(传感器的基本特性传感器的基本特性(常用信号调理电路常用信号调理电路传感器技术基础传感器技术基础2024/10/5 周六4传感器传感器调理与处理调理与处理显示或控制显示或控制装置装置被测信号被测信号电信号电信号 信号调理的信号调理的目的目的是便于信号的传输与处理。是便于信号的传输与处理。信号调理电路的功能：信号调理电路的功能：(1)电压、电流调幅。电压、电流调幅。(2)构成测量电路，实现补偿、调零等功能。构成测量电路，实现补偿、调零等功能。(3)调制与解调、滤波及线性化处理。调制与解调、滤波及线性化处理。信号调理电路信号调理电路2024/10/5 周六5常用信号调理电路常用信号调理电路1测量电桥测量电桥2 2信号放大电路信号放大电路3 3信号转换电路信号转换电路4 4滤波电路滤波电路5 5调制与解调调制与解调2024/10/5 周六6测量电桥测量电桥&电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化转换为电电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路，也是最常见的信号压或电流输出的一种测量电路，也是最常见的信号调理电路之一。调理电路之一。abcdZ1Z2Z3Z4UIUo&电桥的结构：四个桥臂中有一电桥的结构：四个桥臂中有一个或多个桥臂是传感器的敏感个或多个桥臂是传感器的敏感元件，其它为使电桥平衡而选元件，其它为使电桥平衡而选择的固定阻抗元件。择的固定阻抗元件。2024/10/5 周六7&电桥的分类电桥的分类按电桥的激励电源分类：按电桥的激励电源分类：直流电桥直流电桥：只能用来测量电阻：只能用来测量电阻变化。又分为恒压源电桥和恒变化。又分为恒压源电桥和恒流源电桥。流源电桥。交流电桥交流电桥：可用来测量电阻、电：可用来测量电阻、电感、电容变化。交流电桥功能上感、电容变化。交流电桥功能上相当于调幅器，输出为调幅波。相当于调幅器，输出为调幅波。测量电桥测量电桥2024/10/5 周六8平衡式电桥平衡式电桥：也叫零位法测量电桥，也叫零位法测量电桥，通过自动调整桥臂的阻抗值，使电桥通过自动调整桥臂的阻抗值，使电桥始终处于平衡状态。调整的阻抗值反始终处于平衡状态。调整的阻抗值反映了被测量的变化情况。映了被测量的变化情况。按电桥的工作状态分类：按电桥的工作状态分类：所谓电桥的平衡，是指电桥的输出电压为零的状态。所谓电桥的平衡，是指电桥的输出电压为零的状态。电桥平衡条件电桥平衡条件电桥平衡条件电桥平衡条件：相对臂阻抗乘积相等。：相对臂阻抗乘积相等。特点特点特点特点：测量精度取决于调整阻抗，：测量精度取决于调整阻抗，因此精度不高；对电源的稳定性要因此精度不高；对电源的稳定性要求不高。求不高。&电桥的分类电桥的分类HR1R2R3R4EG直流平衡电桥直流平衡电桥R5测量电桥测量电桥2024/10/5 周六9abcdZ1Z2Z3Z4UIUo按电桥的工作状态分类：按电桥的工作状态分类：不平衡式电桥不平衡式电桥：也叫偏差法测量电桥，指电桥的初始状态：也叫偏差法测量电桥，指电桥的初始状态是平衡状态，当电桥的工作臂阻抗变化时，电桥失衡，输出是平衡状态，当电桥的工作臂阻抗变化时，电桥失衡，输出电压不为零，输出电压反映了被测量的变化。电压不为零，输出电压反映了被测量的变化。特点特点特点特点：输出信号能量小，易：输出信号能量小，易受干扰，需进行相应的补偿，受干扰，需进行相应的补偿，如温度补偿；对电源的稳定如温度补偿；对电源的稳定性要求很高。性要求很高。&电桥的分类电桥的分类测量电桥测量电桥2024/10/5 周六10&电桥的分类电桥的分类按工作状态（工作桥臂的个数）分类：按工作状态（工作桥臂的个数）分类：单臂电桥：其中一个桥臂阻抗感受被测量。单臂电桥：其中一个桥臂阻抗感受被测量。半桥：有两个桥臂阻抗感受被测量。接桥原则：半桥：有两个桥臂阻抗感受被测量。接桥原则：变化变化方向相反接相邻臂；变化方向相同接相对臂。方向相反接相邻臂；变化方向相同接相对臂。全桥：四个桥臂阻抗都感受被测量。接桥原则同上。全桥：四个桥臂阻抗都感受被测量。接桥原则同上。测量电桥测量电桥2024/10/5 周六11&电桥的特点电桥的特点电桥输出特性：电桥输出特性：电桥电桥放大器、放大器、解调电路解调电路R/L/CU(u)/I(i)指示指示仪表仪表能测量出微弱的阻抗变化量。能测量出微弱的阻抗变化量。可以通过采用对称差动式传感器结构组成差动半桥或全可以通过采用对称差动式传感器结构组成差动半桥或全桥，来实现非线性误差的补偿，并提高电桥输出的灵敏桥，来实现非线性误差的补偿，并提高电桥输出的灵敏度。度。能把电阻、电容、电感等电抗参数的变化，变换成电压能把电阻、电容、电感等电抗参数的变化，变换成电压或电流的变化。或电流的变化。测量电桥测量电桥2024/10/5 周六121.直流电桥直流电桥&直流电桥的激励电源为直流电源，四个桥臂均为电阻，用直流电桥的激励电源为直流电源，四个桥臂均为电阻，用于测量电阻、电阻率的变化。于测量电阻、电阻率的变化。(1)直流不平衡电桥的工作原理直流不平衡电桥的工作原理 电桥平衡条件：电桥平衡条件：相对臂电阻乘积相等。相对臂电阻乘积相等。输出特性：输出特性：abcdR1R2R3R4I1I2EUo直流电桥直流电桥测量电桥测量电桥2024/10/5 周六131.直流电桥直流电桥(1)直流不平衡电桥的工作原理直流不平衡电桥的工作原理 abcdR1R2R3R4I1I2EUo直流电桥直流电桥与电桥的供电电源电压与电桥的供电电源电压E成正比，故对电成正比，故对电源稳定性要求很高。源稳定性要求很高。与桥臂电阻的阻值比有关。设与桥臂电阻的阻值比有关。设R2/R1=n，则：则：与电桥的工作臂的个数有关。工作桥臂数目越多，输出灵敏与电桥的工作臂的个数有关。工作桥臂数目越多，输出灵敏度越大。度越大。输出电压灵敏度：输出电压灵敏度：测量电桥测量电桥2024/10/5 周六141.直流电桥直流电桥(2)电桥连接方式电桥连接方式 直流电桥的连接方式有单臂半桥、双臂半桥和全桥式直流电桥的连接方式有单臂半桥、双臂半桥和全桥式。通常为全等臂电桥，即。通常为全等臂电桥，即n=1。abcdR1+RR2R3R4I1 I2EU Uo o单臂电桥单臂电桥相对灵敏度相对灵敏度S S1 1为：为：单臂半桥单臂半桥输出电压：输出电压：测量电桥测量电桥2024/10/5 周六151.直流电桥直流电桥(2)电桥连接方式电桥连接方式 双臂半桥双臂半桥输出电压：输出电压：相对灵敏度相对灵敏度S S2 2为：为：全桥全桥输出电压：输出电压：相对灵敏度相对灵敏度S S2 2为：为：abcdR1+RR3R4I1I2EU Uo o双臂半桥双臂半桥R2-RabcdR1+RI1I2EU Uo o全桥全桥R2-RR3+RR4-R测量电桥测量电桥2024/10/5 周六162.交流电桥交流电桥&直流电桥的激励电源为交流电源，四个桥臂均为阻抗，可直流电桥的激励电源为交流电源，四个桥臂均为阻抗，可用于测量电阻、电容和电感的变化。用于测量电阻、电容和电感的变化。abcdZ1Z2Z3Z4UIUo&交流电桥的平衡条件：交流电桥的平衡条件：相对臂阻抗乘积相等相对臂阻抗乘积相等&交流电桥功能上相当于调幅器，交流电桥功能上相当于调幅器，输出输出为调幅波为调幅波。其后续测量电路应进行解。其后续测量电路应进行解调。调。测量电桥测量电桥2024/10/5 周六172.交流电桥交流电桥&交流电桥使用时的注意事项交流电桥使用时的注意事项交流电桥的平衡由两个条件决定，交流电桥的平衡由两个条件决定，供桥电源的稳定性供桥电源的稳定性将影响将影响平衡调节，因此对交流电桥的供桥电源要求较高。平衡调节，因此对交流电桥的供桥电源要求较高。电桥的供桥电源一般采用频率范围电桥的供桥电源一般采用频率范围510kHz的音频交流电的音频交流电源源。测量电桥测量电桥2024/10/5 周六18&放大电路应具有的功能：放大电路应具有的功能：足够的放大倍数足够的放大倍数高输入阻抗，低输出阻抗高输入阻抗，低输出阻抗高共模抑制能力高共模抑制能力低温漂、低噪声、低失调电压和电流低温漂、低噪声、低失调电压和电流信号放大电路信号放大电路&主要介绍：主要介绍：1.1.典型放大电路典型放大电路2.2.电荷放大电路电荷放大电路3.3.仪表放大电路仪表放大电路4.4.程控增益放大电路程控增益放大电路2024/10/5 周六19&典型放大电路分为直流放大电路和交流放大电路，包括反相典型放大电路分为直流放大电路和交流放大电路，包括反相放大电路、同相放大电路和差动放大电路，均由集成运算放放大电路、同相放大电路和差动放大电路，均由集成运算放大器构成。大器构成。(1)(1)直流放大电路直流放大电路反相放大电路反相放大电路典型放大电路典型放大电路典型放大电路典型放大电路放大倍数为：放大倍数为：同相放大电路同相放大电路放大倍数为：放大倍数为：2024/10/5 周六20(1)(1)直流放大电路直流放大电路差动放大电路差动放大电路典型放大电路典型放大电路典型放大电路典型放大电路放大倍数为：放大倍数为：R1+-RFR2R3UcUi1Ui2在差动放大电路中一般取在差动放大电路中一般取R1=R2，R3=RF，则：，则：假设放大器只有共模信号作用时，有假设放大器只有共模信号作用时，有ui1=ui2=uic，则，则uc=0，可见输出信，可见输出信号中无共模成分。差动放大电路的特点是能有效的抑制共模干扰信号，号中无共模成分。差动放大电路的特点是能有效的抑制共模干扰信号，电路结构简单，但输入阻抗较低（约电路结构简单，但输入阻抗较低（约2R1），增益调节困难。差动放大电），增益调节困难。差动放大电路是仪表放大器等放大电路的基础。路是仪表放大器等放大电路的基础。2024/10/5 周六21(2)(2)交流放大电路交流放大电路交流反相放大电路交流反相放大电路典型放大电路典型放大电路典型放大电路典型放大电路放大倍数为：放大倍数为：U Ui iC C1 1C C3 3交流同相放大电路交流同相放大电路放大倍数为：放大倍数为：C C3 3C C1 1U Ui i2024/10/5 周六22(3)(3)电桥放大电路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或由传感器由传感器电桥和运算放大器组成的放大电路或由传感器和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。常应用和运算放大器构成的电桥都称为电桥放大电路。常应用于电参量式传感器。于电参量式传感器。电桥放大电路有单端输入和差动输入两类。电桥放大电路有单端输入和差动输入两类。典型放大电路典型放大电路典型放大电路典型放大电路单端输入电桥放大电路单端输入电桥放大电路差动输入电桥放大电路差动输入电桥放大电路线性电桥放大电路线性电桥放大电路(a)反相输入电桥放大电路反相输入电桥放大电路Z1Z2Z3Z4eR1A+_R2R3uoab(b)同相输入电桥放大电路同相输入电桥放大电路Z1Z2Z3Z4eR1A+_R2uoabc图图2.32 差动输入电桥放大电路差动输入电桥放大电路 Z1Z2Z3Z4eR1A+_R2uoab 图图2.33 线性电桥放大电路线性电桥放大电路 Z1Z2Z3Z4eA+_uoab2024/10/5 周六23&电荷放大电路的输出电压与输入电荷成比例关系，也称为电电荷放大电路的输出电压与输入电荷成比例关系，也称为电荷荷/电压转换电路。同时也起着阻抗变换的作用，常用于压电压转换电路。同时也起着阻抗变换的作用，常用于压电传感器的测量电路。电传感器的测量电路。电荷放大电路电荷放大电路电荷放大电路电荷放大电路Q传感器传感器电缆电缆运算放大器运算放大器电荷电荷传感器电容传感器电容连接电缆的寄生电容连接电缆的寄生电容&电荷放大器的特点：电荷放大器的特点：优点优点：在一定条件下，：在一定条件下，uy与与Q成正比，与成正比，与Cc无关，采用电荷放大器时，无关，采用电荷放大器时，即使连接电缆长达百米以上，其灵敏度也无明显变化。即使连接电缆长达百米以上，其灵敏度也无明显变化。缺点缺点：电路复杂，调整困难，价格昂贵。：电路复杂，调整困难，价格昂贵。2024/10/5 周六24仪表放大电路仪表放大电路仪表放大电路仪表放大电路&仪表放大电路是专门精密差分电压的放大器。其特仪表放大电路是专门精密差分电压的放大器。其特点是：高输入阻抗、低偏置电流、低失调和低漂移、点是：高输入阻抗、低偏置电流、低失调和低漂移、高共模抑制比、平衡的差动输入和单端输出。高共模抑制比、平衡的差动输入和单端输出。2024/10/5 周六25电路的组成和原理电路的组成和原理仪表放大电路仪表放大电路仪表放大电路仪表放大电路组成：组成：三个低漂移、低失调运算放大器构成。三个低漂移、低失调运算放大器构成。两极结构：两极结构：第一级为两个对称的同相放大器第一级为两个对称的同相放大器输入级。输入级。第二级是一个差动放大器。第二级是一个差动放大器。电路为上、下对称结构。电路为上、下对称结构。AB2024/10/5 周六26电路的组成和原理电路的组成和原理仪表放大电路仪表放大电路仪表放大电路仪表放大电路原理：原理：a.a.对称同相放大器部分对称同相放大器部分输入级：输入级：当当R RG G为无穷大时，运放为无穷大时，运放A A1 1、A A2 2相当于两个电压跟相当于两个电压跟随器。随器。提高放大器的输入阻抗提高放大器的输入阻抗b.b.差放部分：差放部分：当当R3=R4=Ra，R5=R6=Rb时，时，uo=-(Rb/Ra)uAB=(Rb/Ra)(uB-uA)放大器增益：放大器增益：Av=-(Rb/Ra)。注意注意注意注意：不通过不通过Rb、Ra调增益。调增益。AB2024/10/5 周六27电路的组成和原理电路的组成和原理仪表放大电路仪表放大电路仪表放大电路仪表放大电路原理：原理：c.c.增益的调整：增益的调整：当当R3=R4=R5=R6，R1=R2=R时，时，令令ui=u1-u2，则：，则：uo=-uAB=-(1+2R/RG)ui放大器增益：放大器增益：Av=uo/ui=uo/(u1-u2)=-(1+2R/RG)通过改变通过改变R RG G可改变仪用放大器的闭环增益可改变仪用放大器的闭环增益仪表放大电路的设计及应用仪表放大电路的设计及应用仪表放大器电路的实现方法主要分为两大类：第一类由仪表放大器电路的实现方法主要分为两大类：第一类由分立元件组合而成；另一类由单片集成芯片直接实现。分立元件组合而成；另一类由单片集成芯片直接实现。AB2024/10/5 周六28程控增益放大电路程控增益放大电路程控增益放大电路程控增益放大电路&放大电路的增益调整有手动、自动和程控三种方法。放大电路的增益调整有手动、自动和程控三种方法。&程控增益放大电路是通过数字逻辑电路或计算机编程来改程控增益放大电路是通过数字逻辑电路或计算机编程来改变增益的方法，也称为可编程增益放大电路，简称变增益的方法，也称为可编程增益放大电路，简称PGA。&可编程增益放大器一般由放大器、可变反馈电阻网络可控可编程增益放大器一般由放大器、可变反馈电阻网络可控制接口组成。制接口组成。程控放大器与普通放大器的区别在于反馈电路网络可变，且受控于程控放大器与普通放大器的区别在于反馈电路网络可变，且受控于控制接口的输出信号。不同控制信号将产生不同反馈系数，从而改控制接口的输出信号。不同控制信号将产生不同反馈系数，从而改变放大器闭环增益。变放大器闭环增益。2024/10/5 周六29(1)单运放程控增益放大电路单运放程控增益放大电路由多路模拟开关由多路模拟开关AD7501和单运放组成的程控增益放大电路如图。和单运放组成的程控增益放大电路如图。R1A+_R21R3uiuo图图2.37 单运放程控增益放大电路单运放程控增益放大电路A2A1A0COMI0I1I2I77501R21R22R23R28(2)仪表放大器程控增益放大电路仪表放大器程控增益放大电路集成仪表放大器集成仪表放大器AD620和多路模拟开关和多路模拟开关AD7502组成的程控增益放大组成的程控增益放大电路如图。电路如图。图图2.38 AD620组成的程控增益放大电路组成的程控增益放大电路AD620+_uoVEEVCC+_uiA1A0I0I1I2I37502Rg1Rg2Rg3Rg46184532(3)集成程控增益放大器集成程控增益放大器 集成程控增益放大器是将运算放大电路、电阻网路、模拟开关和译集成程控增益放大器是将运算放大电路、电阻网路、模拟开关和译码电路等集成在一起，制成的单片集成电路。如美国国家半导体公码电路等集成在一起，制成的单片集成电路。如美国国家半导体公司生产的司生产的LH0084。程控增益放大电路程控增益放大电路程控增益放大电路程控增益放大电路2024/10/5 周六30&传感器能将非电量转换成电参量或电量，电参量有电传感器能将非电量转换成电参量或电量，电参量有电阻、电感、电容、频率和相位等多种形式。电量有电阻、电感、电容、频率和相位等多种形式。电量有电压、电流、电荷等形式。信号转换电路是将各类信号压、电流、电荷等形式。信号转换电路是将各类信号进行相互转换的电路。进行相互转换的电路。信号转换电路信号转换电路&主要介绍：主要介绍：1.1.阻抗与电压的转换阻抗与电压的转换2.2.电压和电流的相互转换电压和电流的相互转换2024/10/5 周六31阻抗与电压的转换阻抗与电压的转换阻抗与电压的转换阻抗与电压的转换&阻抗阻抗/电压变换电路包括将电阻、电感和电容参数转换到电电压变换电路包括将电阻、电感和电容参数转换到电压的信号转换电路。压的信号转换电路。(1)电阻电阻/电压转换电路电压转换电路 电阻电阻/电压转换电路，实际上是一种电阻计，由输出电压值指示电电压转换电路，实际上是一种电阻计，由输出电压值指示电阻值。电阻的测量方法是：让恒定的电流流过未知阻值的电阻阻值。电阻的测量方法是：让恒定的电流流过未知阻值的电阻Rx，然后测量其两端的电压，求出然后测量其两端的电压，求出Rx的阻值。的阻值。(2)电容电容/电压转换电路电压转换电路电容检测的方法有两种：一是把电容作为一个阻抗元件，按照电阻电容检测的方法有两种：一是把电容作为一个阻抗元件，按照电阻与电压转换的方式进行变换；二是利用电容的充放电特性进行变换。与电压转换的方式进行变换；二是利用电容的充放电特性进行变换。运算放大电路法运算放大电路法+_图图2.40 电容电容/电压转换电路电压转换电路ARfCfCxCs1Cs2Ruoui2024/10/5 周六32阻抗与电压的转换阻抗与电压的转换阻抗与电压的转换阻抗与电压的转换当谐振频率等于电源的频率时，输出最大。谐振电路的输出当谐振频率等于电源的频率时，输出最大。谐振电路的输出随电容随电容C变化的曲线如图所示。变化的曲线如图所示。(2)电容电容/电压转换电路电压转换电路谐振电路法谐振电路法图图2.41 谐振电路谐振电路LCxC1 (a)uiucLCxC1 (b)ucRe谐振电路法适用于电感系数到电压的谐振电路法适用于电感系数到电压的转换电路，即自感转换电路，即自感/电压转换电路。电压转换电路。ucCabcd 谐振电路的特性曲线谐振电路的特性曲线电容转换为电压的方法还有脉冲调宽电容转换为电压的方法还有脉冲调宽电路法、直流极化电路法和调频电路电路法、直流极化电路法和调频电路法等其他方法。法等其他方法。2024/10/5 周六33电压和电流的相互转换电压和电流的相互转换电压和电流的相互转换电压和电流的相互转换&为了抑制外界干扰，常把传感器输出的电压信号经为了抑制外界干扰，常把传感器输出的电压信号经V/I转换转换电路转换成具有恒流特性的电流信号输出，然后在接收端电路转换成具有恒流特性的电流信号输出，然后在接收端再由电流再由电流/电压转换还原成电压信号。电压转换还原成电压信号。(1)电压电压/电流转换电路电流转换电路 电压电压/电流转换电路电流转换电路(也叫也叫V/I转换器转换器)就是把电压信号转换成就是把电压信号转换成满足线性关系的电流信号，转换后的电流相当一个输出可调满足线性关系的电流信号，转换后的电流相当一个输出可调的恒流源。其输出电流应能够保持稳定而不会随负载的变化的恒流源。其输出电流应能够保持稳定而不会随负载的变化而变化。而变化。负载浮地的负载浮地的V/I转换电路转换电路简单的简单的V/I转换电路转换电路2024/10/5 周六34(1)电压电压/电流转换电路电流转换电路 负载浮地的负载浮地的V/I转换电路转换电路输出端加入晶体管驱动的输出端加入晶体管驱动的V/I转换转换电路电路目的目的：降低功耗、增大输出电流。：降低功耗、增大输出电流。负载接地的负载接地的V/I转换电路转换电路负载负载RL一端接地。当一端接地。当R1=R2，R3=R4+R7时，输出电流：时，输出电流：差动输入的差动输入的V/I转换电路转换电路当当R1=R3，R2=R4时，输出电时，输出电流：流：R为输出采样电阻。为输出采样电阻。电压和电流的相互转换电压和电流的相互转换电压和电流的相互转换电压和电流的相互转换2024/10/5 周六35(2)电流电流/电压转换电路电压转换电路 在测试系统中，有一些环节在测试系统中，有一些环节(如记录仪和继电器等如记录仪和继电器等)需要用电需要用电压信号驱动，而且电流不能直接由压信号驱动，而且电流不能直接由A/D转换器转换，因此必须转换器转换，因此必须先将其转变成电压信号，然后才能转换。先将其转变成电压信号，然后才能转换。电流电流/电压转换电路也叫电压转换电路也叫I/V转换器，用于将输入电流信号转转换器，用于将输入电流信号转换成满足线性关系的电压信号输出。换成满足线性关系的电压信号输出。基本转换电路基本转换电路高输入阻抗电路高输入阻抗电路反相输入型反相输入型uoR3R1R4A+_(b)同相输入型同相输入型R2iR2A+_iuo(a)反相输入型反相输入型i1R1Rs同相输入型同相输入型电压和电流的相互转换电压和电流的相互转换电压和电流的相互转换电压和电流的相互转换2024/10/5 周六36&滤波电路（也称滤波器）就是一种选频装置，可使滤波电路（也称滤波器）就是一种选频装置，可使信号中特定的频率成分通过，而极大的衰减其他频信号中特定的频率成分通过，而极大的衰减其他频率成分。率成分。&滤波电路的作用：滤波电路的作用：滤除测试系统中由于各种原因引入的噪声和干扰；滤除测试系统中由于各种原因引入的噪声和干扰；滤除信号调制过程中的载波等无用信号；滤除信号调制过程中的载波等无用信号；用于分离各种不同的频率信号，提取感兴趣的频率成分；用于分离各种不同的频率信号，提取感兴趣的频率成分；对系统的频率特性进行补偿。对系统的频率特性进行补偿。滤波电路滤波电路2024/10/5 周六37&对于一个滤波器，能通过它的频率范围称为该滤波器的对于一个滤波器，能通过它的频率范围称为该滤波器的频率频率通带通带；被它抑制或极大地衰减的频率范围称为；被它抑制或极大地衰减的频率范围称为频率阻带频率阻带；通；通带与阻带的交界点称为带与阻带的交界点称为截止频率截止频率。1.滤波器的分类滤波器的分类滤波电路滤波电路按处理的信号的形式分按处理的信号的形式分类：类：模拟滤波器模拟滤波器数字滤波器数字滤波器按采用的元件分类：按采用的元件分类：有源滤波器有源滤波器无源滤波器无源滤波器按信号选通的频率范围按信号选通的频率范围分类：分类：低通滤波器低通滤波器高通滤波器高通滤波器带通滤波器带通滤波器带阻滤波器带阻滤波器按滤波器传递函数的阶按滤波器传递函数的阶次分类：次分类：一阶滤波器一阶滤波器二阶滤波器二阶滤波器高阶滤波器高阶滤波器2024/10/5 周六382.滤波器的基本参数滤波器的基本参数滤波电路滤波电路增益增益A0：指通带内的幅频特性的幅值。指通带内的幅频特性的幅值。0fA()A0d 0.707A0fc1fc2B通带截止频率通带截止频率fp：通带与过渡带边通带与过渡带边界点的频率，在该点信号增益下降界点的频率，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限。到一个人为规定的下限。阻带截止频率阻带截止频率fr:阻带与过渡带边界阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗点的频率，在该点信号衰耗(增益的倒增益的倒数数)下降到一人为规定的下限。下降到一人为规定的下限。转折频率转折频率fc:信号增益下降到信号增益下降到 (即下降了即下降了3dB)时的频率，在很多情况时的频率，在很多情况下，常以下，常以fc作为截止频率。作为截止频率。带宽带宽B:B=fc2-fc1，两截止频率之间的频率范围。带宽决定着滤波器两截止频率之间的频率范围。带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力。分离信号中相邻频率成分的能力。中心频率中心频率f0:品质因数品质因数Q:Q=f0/B波纹幅度波纹幅度d:绕幅频特性均值绕幅频特性均值A A0 0波动值波动值2024/10/5 周六392.滤波器的基本参数滤波器的基本参数滤波电路滤波电路0fA()A00.707A0fc1fc2B倍频程选择性倍频程选择性W:表征过渡带幅频表征过渡带幅频特性衰减的快慢程度。指在上截止频特性衰减的快慢程度。指在上截止频率率fc2与与2fc2之间或下截止频率之间或下截止频率fc1与与(1/2)fc1之间幅频特性的衰减值，即频之间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。它反率变化一个倍频程时的衰减量。它反映了滤波器对通频带以外的频率成分映了滤波器对通频带以外的频率成分的衰减能力。的衰减能力。滤波器因数（矩形系数）滤波器因数（矩形系数）：滤波器滤波器-60dB与与-30dB带宽之比。带宽之比。2024/10/5 周六403.常见滤波器常见滤波器滤波电路滤波电路模拟滤波器一般用传递函数模拟滤波器一般用传递函数H(s)表示输入与输出间的传递表示输入与输出间的传递关系。而频率特性函数关系。而频率特性函数H(j)表示滤波器对在输入正弦信表示滤波器对在输入正弦信号幅值不变的条件下，输出信号随频率变化的关系。号幅值不变的条件下，输出信号随频率变化的关系。(1)无源滤波器无源滤波器无源无源RC低通滤波器低通滤波器 2024/10/5 周六413.常见滤波器常见滤波器滤波电路滤波电路(1)无源滤波器无源滤波器无源无源RC高通滤波器高通滤波器 无源无源RC带通滤波器带通滤波器 图图2.48 无源无源RCRC带通滤波器及幅频特性带通滤波器及幅频特性(a)ui(t)uo(t)R1C1R2C2(b)A(f)f10 当当R2R1时，后面的低通滤波器时，后面的低通滤波器对前面的高通滤波器影响较小，可对前面的高通滤波器影响较小，可以忽略两级耦合时的负载效应，无以忽略两级耦合时的负载效应，无源源RC带通滤波器可以看作是低通和带通滤波器可以看作是低通和高通滤波器的串联，滤波器的传递高通滤波器的串联，滤波器的传递函数函数H(s)为：为：2024/10/5 周六423.常见滤波器常见滤波器滤波电路滤波电路(2)有源滤波器有源滤波器有源滤波器一般由集成运算放大器和有源滤波器一般由集成运算放大器和RC网络组成，网络组成，RC网络实现滤波作用，集成运算放大器将负载端和滤网络实现滤波作用，集成运算放大器将负载端和滤波网络隔离，可以提高增益和带负载能力。波网络隔离，可以提高增益和带负载能力。有源低通滤波器有源低通滤波器 有源高通滤波器有源高通滤波器有源带通滤波器有源带通滤波器2024/10/5 周六43调制与解调调制与解调为什么要进行调制与解调？为什么要进行调制与解调？传感器输出一般是一些缓变且较弱的电信号，无论传感器输出一般是一些缓变且较弱的电信号，无论在放大器选择，还是传输方面都有诸多不便。调制与解在放大器选择，还是传输方面都有诸多不便。调制与解调的目的是解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问调的目的是解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题题，提高电路的抗干扰能力、传输能力及有效地提高信提高电路的抗干扰能力、传输能力及有效地提高信噪比。噪比。2024/10/5 周六44调制与解调调制与解调&调制调制调制调制：就是使一个信号（：就是使一个信号（高频载波高频载波高频载波高频载波）的某些参数（幅值、）的某些参数（幅值、频率或相位）在另一低频信号（频率或相位）在另一低频信号（调制信号调制信号调制信号调制信号）的控制下发生变）的控制下发生变化的过程，输出化的过程，输出已调制波已调制波已调制波已调制波。&解调解调解调解调：从已调制波中恢复出调制信号的过程。：从已调制波中恢复出调制信号的过程。&分类分类分类分类：按被调制信号（载波）形式：连续波调制和脉冲调制。按被调制信号（载波）形式：连续波调制和脉冲调制。按调制信号的形式：模拟调制和数字调制。按调制信号的形式：模拟调制和数字调制。按被调制信号的参数不同，连续波调制和脉冲调制又可按被调制信号的参数不同，连续波调制和脉冲调制又可分为：分为：2024/10/5 周六45调制与解调调制与解调&分类分类分类分类：按被调制信号的参数不同，连续波调制和脉冲调制又可按被调制信号的参数不同，连续波调制和脉冲调制又可分为：分为：以简谐信号为载波：以简谐信号为载波：调幅调幅（幅值调制（幅值调制AM）载波信号的幅值受调制信号控制载波信号的幅值受调制信号控制调频调频（频率调制（频率调制FM）载波信号的频率受调制信号控制载波信号的频率受调制信号控制调相调相（相位调制（相位调制PM）载波信号的相位受调制信号控制载波信号的相位受调制信号控制2024/10/5 周六46调制与解调调制与解调&分类分类分类分类：按被调制信号的参数不同，连续波调制和脉冲调制又可按被调制信号的参数不同，连续波调制和脉冲调制又可分为：分为：以脉冲信号为载波：以脉冲信号为载波：脉幅调制脉幅调制（PAM）：调制脉冲的幅度。当脉冲幅度用一组二进）：调制脉冲的幅度。当脉冲幅度用一组二进制码表示时称为脉冲编码调制。（制码表示时称为脉冲编码调制。（PCM）脉宽调制脉宽调制（PDM）：调制脉冲的宽度。）：调制脉冲的宽度。脉位调制脉位调制（PPM）：调制脉冲的重复频率。）：调制脉冲的重复频率。2024/10/5 周六47调制与解调调制与解调1.幅度调制与解调幅度调制与解调幅度调制与解调幅度调制与解调(1)(1)幅度调制（调幅）幅度调制（调幅）幅度调制（调幅）幅度调制（调幅）：使高频信号的幅值随被测信号的变化而使高频信号的幅值随被测信号的变化而变化，输出已调制波的过程。变化，输出已调制波的过程。线性调幅线性调幅时域分析时域分析：就是用被测低频缓变信号与高频：就是用被测低频缓变信号与高频信号相乘信号相乘，使载波的幅值随着调制信号而变。使载波的幅值随着调制信号而变。2024/10/5 周六48调制与解调调制与解调1.幅度调制与解调幅度调制与解调幅度调制与解调幅度调制与解调线性调幅线性调幅频域分析频域分析：实现信号的：实现信号的频谱搬移频谱搬移。方法一方法一：方法二方法二：(1)(1)幅度调制幅度调制幅度调制幅度调制2024/10/5 周六49调制与解调调制与解调1.幅度调制与解调幅度调制与解调幅度调制与解调幅度调制与解调(1)(1)幅度调制幅度调制幅度调制幅度调制：调幅装置实质是乘法器，如交流电桥和交流激励的霍调幅装置实质是乘法器，如交流电桥和交流激励的霍尔元件都是乘法器，都相当于调幅器。尔元件都是乘法器，都相当于调幅器。载波载波f0fmax，实际载波频率至少数倍甚至十倍于调制信，实际载波频率至少数倍甚至十倍于调制信号。号。2024/10/5 周六50调制与解调调制与解调1.幅度调制与解调幅度调制与解调幅度调制与解调幅度调制与解调(2)(2)幅度调制的解调幅度调制的解调幅度调制的解调幅度调制的解调：从调幅波中恢复出调制信号的过程。：从调幅波中恢复出调制信号的过程。包络检波法包络检波法：通过检测调幅波的包络线的办法恢复出被测：通过检测调幅波的包络线的办法恢复出被测信号，从而实现调幅的解调。适用条件：信号，从而实现调幅的解调。适用条件：调制信号无极性调制信号无极性变化。变化。2024/10/5 周六51调制与解调调制与解调1.幅度调制与解调幅度调制与解调幅度调制与解调幅度调制与解调(2)(2)幅度调制的解调幅度调制的解调幅度调制的解调幅度调制的解调：相敏检波法相敏检波法 载波载波y(t)=cos2f0t乘法器乘法器调幅波调幅波xm(t)=x(t)cos2f0t0.5x(t)低通滤波器低通滤波器同步解调同步解调频域分析频域分析频域分析频域分析：同步解调同步解调时域分析时域分析时域分析时域分析：2024/10/5 周六52由于相敏检波电路需要有一个与输入的调制信号同频由于相敏检波电路需要有一个与输入的调制信号同频的信号作参考信号，因此相敏检波电路又称为同步检的信号作参考信号，因此相敏检波电路又称为同步检波电路。波电路。调制与解调调制与解调1.幅度调制与解调幅度调制与解调幅度调制与解调幅度调制与解调(2)(2)幅度调制的解调幅度调制的解调幅度调制的解调幅度调制的解调：相敏检波法相敏检波法 相敏检波电路利用调制信号为正时，载波信号和调幅相敏检波电路利用调制信号为正时，载波信号和调幅波的相位相同，而调制信号为负时，载波信号和调幅波的相位相同，而调制信号为负时，载波信号和调幅波的相位相反的特点能判断调制信号的极性，可以不波的相位相反的特点能判断调制信号的极性，可以不用对调制信号加直流偏置电压就能正确恢复出原始的用对调制信号加直流偏置电压就能正确恢复出原始的被测低频信号。被测低频信号。2024/10/5 周六53(2)(2)频率调制的解调频率调制的解调频率调制的解调频率调制的解调频率调制频率调制(调频调频)的解调称为鉴频或频率检波，是从调频波的解调称为鉴频或频率检波，是从调频波中检出反映被测量变化的调制信号的过程。中检出反映被测量变化的调制信号的过程。调频波的解调是先将调频波变换成调频调幅波，然后再进调频波的解调是先将调频波变换成调频调幅波，然后再进行幅值检波。调频波的解调由鉴频器完成。行幅值检波。调频波的解调由鉴频器完成。调频的方法很多，一般都采用振荡电路，如调频的方法很多，一般都采用振荡电路，如LC振荡电路、振荡电路、压控振荡器等。压控振荡器等。调制与解调调制与解调2.频率调制与解调频率调制与解调频率调制与解调频率调制与解调(1)(1)频率调制（调频）频率调制（调频）频率调制（调频）频率调制（调频）：用低频被测信号用低频被测信号(调制信号调制信号)控制高频载控制高频载波信号的频率的过程，输出的是调频波。调频波的幅值恒定不波信号的频率的过程，输出的是调频波。调频波的幅值恒定不变，而频率的变化量随调制信号的幅值成正比变化，所以调频变，而频率的变化量随调制信号的幅值成正比变化，所以调频波是随输入信号变化的疏密不等的等幅波。波是随输入信号变化的疏密不等的等幅波。2024/10/5 周六54(2)(2)频率调制的解调频率调制的解调频率调制的解调频率调制的解调鉴频的基本思路是，通过回路对调频波的载频产生适当的失谐而鉴频的基本思路是，通过回路对调频波的载频产生适当的失谐而起鉴频作用。将调频波送至起鉴频作用。将调频波送至LC谐振电路，产生失谐后的调频谐振电路，产生失谐后的调频调幅波调幅波，再用幅度检波器将，再用幅度检波器将 中的调制信号检出。中的调制信号检出。调制与解调调制与解调2.频率调制与解调频率调制与解调频率调制与解调频率调制与解调