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各位同学大家好
欢迎大家继续学习
测试与检测技术基础这门课程
从本节课开始
我们将学习第五章
测试信号的转换与调理
在这章当中我们将分
四个方面的内容跟大家介绍
首先介绍是运算放大器和电桥
接下来我们会给同学们介绍
调制与解调
第三个方面的内容
会给大家介绍滤波
最后是介绍模拟和数字转换器
首先我们看看信号调理的目的
信号调理的目的是什么呢
是让它便于信号的传输和处理
那么首先传感器输出的信号
通常而言都是相对比较微弱的
大多数是不能够直接
输送到显示、记录
和分析仪器当中去的
那么就需要进一步对它进行放大
有的还需要进行阻抗的变换
那么接下来有些传感器信号
是电信号当中
还混杂有很多干扰的噪声
我们需要把它去掉
同时呢需要提高信噪比
那么另外在某些场合
为了便于信号的远距离传输
还需要对传感器的测量信号
进行调制与解调的处理
那么首先我们看一下信号的放大
它的目的是什么呢
就是要把信号的幅度
进行适当的增加
接下来呢要做到抗干扰
阻抗匹配
那么信号放大分成这样几种类型
第一种是直流放大器
第二种是交流放大器
第三种是电荷放大器
最后是电桥
那么首先看看运算放大器
运算放大器是一种直流耦合
差模输入
通常呢是单端的输出的
高端增益电压放大器
最初主要是用于加法
减法等模拟运算
因此把它称之为放大器的
那么运算放大器
广泛应用于很多领域
比方说在消费电子
军事等等领域
下面这张图呢
是TI公司当时生产的
OPA378运算放大器
右边这张图实际上是
运算放大器芯片内部的
工作原理图
那么接下来我们看看
运算放大器发展的历程
在41年的时候
贝尔试验室发明了
真空管组成的第一个运算放大器
1963年GAP/R公司生产了
首款商用的真空管运算放大器
型号K2—W
美国的仙童半导体推出了
第一个被广泛使用的
集成电路的运算放大器
72年的时候
第一个可以使用单电源供应的
运算放大器LM324推出
目前运算放大器正在朝着低功耗
低电流温漂
高带宽
高共模抑制比等方向来去发展
那么对于理想的运算放大器
它的基本原理
我们可以看出
它要有几个方面的条件
第一对于理想运算放大器而言
它是无限大的输入阻抗
也就是Zin=∞
那么也就是说
理想的运算放大器
它的输入端
是不允许有任何的电流的输入的
那么对于趋于零的输出阻抗而言
这也是理想运算放大器的一个
重要的要求
也就是Zout=O
那么具体而言就是
理想运算放大器的输出端
是一个电压源
无论流到放大器负载的电流
如何变化
放大器的输出电压呢
都是一个恒定的值
也就是它的输出阻抗为零的
第三个方面对于理想放大器而言呢
它应该具有无限大的
开回路的增益
也就是Ad=∞
那么它的含义是
对于理想运算放大器而言
在开回路状态下
输入端的差动信号
有无限大的电压增益
另外在实际应用的时候
要适合加到负的反馈的组态
另外还有几个方面的要求
首先还要有
无限大的共模抑制比
以及无限大频宽
还有趋于零的失调和漂移
那么因此我们说
对于运算放大器而言
有同相输入端和反相输入端
所谓的输入端极性和输出端
是同一极性的
我们就把它认为是同相放大器
输入端极性和输出端极性
相反极性的
我们称之为反相放大器
下面我们看一看直流放大器
在直流放大器当中
我们首先看看反相放大器
右边这个图实际上是一个
反相放大器的一个示意图
那么我们可以看到
它的输入端的极性
和输出端的极性是相反的
那么它的增益放大计算
可以认为运放的内阻Ri=∞
其中I+等于零
I-也等于零
U+=U-=0
那么这个时候
我们就可以得到
电压放大倍数AV等于什么呢
等于U0/UI=-RF/R1
反相放大器它的反馈电阻
我们可以看到
一般来说是不能太大的
否则就会产生
比较大的噪声以及漂移
一般为几十千欧至几百千欧
R1在右图我们可以看到
它的取值应该远远大于
信号源UI的内阻
平衡电阻呢
一般来说RP等于什么呢
等于R1//RF
那么下面这个实际上就是
反相放大器的应用
比方说在我们烟雾报警器的
传感器当中
就使用了反相放大器
在酒精传感器当中
也使用了反相放大器
还有像二氧化碳传感器当中
也使用了反相放大器
实际上我们可以看到
反相放大器在实际的应用当中
是非常广泛的
接下来我们再看一看
对于反相放大器而言
右边是它的最基本的电路
其闭环的电压增益AV
是前面我们已经介绍了
是AV=-RF/R1
也就是说这个时候
反馈电阻值不能太大
那么同相放大器
它的特点是输入端的极性
和输出端的极性是同一极性
那么我们把它称之为
同相放大器
它的增益放大计算方面
首先它的运放的内阻
ri是趋于∞的
那么这个时候I+等于零
I-等于零
U+等于U-
由于Ui等于U+
这个时候Ui=RfU0/（RF+Rf）
我们得到同相电压放大器
它的增益AV=Uo/Ui=1+RF/Rf
对于同相放大器而言
输入阻抗应该是非常高的
它的输出阻抗应该是非常低的
由于不存在虚地的问题
因而呢要求运算放大器
有较高的共模抑制比
那么因此说
对于同相放大器而言
它广泛应用于
前置放大电路当中
好，同学们
下面我们介绍交流放大电路
如果只需要放大交流信号的话
我们就可以采用下面图所示的
集成运放交流电压同相放大器
其中电容C1、C2和C3
为隔值电容
它的放大系数AV=1+RF/R1
那么其中R1一般是取几十千欧
耦合电容C1和C3
可以根据交流放大器的
下限频率fL来确定
那么这是C1=C3
一般是（3～10）/2πRLfL来确定
信号放大电路当中的
电荷放大器
电荷放大器通常是作为
微弱信号的测量调节电路的
电荷放大器实际上
是负反馈放大器
那么选择电流源模型
作为传感器的模型
表明传感器
主要为一种高输出阻抗的器件
那么信号调节电路是把
电荷变换成与其成正比的电压
那么将高输出阻抗
变为低输出阻抗
以收集传感器的大部分的
电荷的输出
那么下面这张图
就是电荷放大器
那么它是一个
比较理想的解决方案的情况
电荷放大器的增益方面
那么放大器信号
通常是输入为虚拟接地的
它的输出电流呢
形成输出电压摆动
另外呢CFB电容越小
那么它的增益就越大
增益的近似值可以表示为1/CFB
那么另外呢就是
电压增益根本上并非取决于
传感器的电容Cd
但是应该注意它对噪声的影响
那么对于电荷放大器的带宽而言
为了对放大器进行偏置
那么需要反馈的电阻RFB
在低频的情况下
电容CFB它的反馈支路
就是为开路的
反馈电阻RFB为主要的电阻
从而用它来有效的降低增益
在高频的情况下呢
电容电路的阻抗就更小
那么要有效消除
电阻反馈通路的影响
那么同时我们要对交流的激励
呈现高通滤波器的响应
其中fHPF=1/（2πRFBCFB）
那么稍微做一个总结
通常而言常用的
传感器信号的放大方式
我们可以看到下面的表
对于电阻式传感器而言
通常是直流放大和交流放大
对于电容传感器而言
是采用直流放大和交流放大
和电阻式传感器是一样的
但是对于电感式传感器而言
就是采用交流放大的形式
那么对于压电传感器
则是采用电荷放大
和直流放大的方式
那么磁电式传感器呢
是采用直流放大的
但是同样对于光电传感器而言
我们依然也是要采用
电荷放大的方式
对于霍尔传感器呢
通常是采用直流放大的方式
光纤传感器呢
也是采用电荷放大器来进行放大的
可见在很多的传感器当中
都使用了电荷放大
下面介绍一下
信号调理的主要方法
应该说信号调理电路
实际上是实现传感器灵敏度
线性度、输出阻抗、失调
漂移、时延等参数达到要求的
一个重要的关键环节
大部分传感器的输出式电压
电流或者电阻的微弱变化
需要进行适当的调理后
才能够应用
常用的调理电路有这么几个方面
比方说电桥、信号放大
阻抗变换和硬件的滤波等等
还有常用的信号调理的软件
那么包括数字滤波的软件
相关分析、谱分析等等软件
实际上信号调理的方法
不仅有硬件的
还有软件的
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--标准及其单位
-本章小结 (Chapter summary)
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-非周期信号的频域描述 (Fourier transform)
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--功率信号的傅里叶变换 (Fourier transform of power signal)
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--随机过程主要特征参数 (Characteristic parameters of stochastic process)
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-离散傅里叶变换的性质 (The property of discrete Fourier transform)
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--被测量获取的基本概念 (Outline of sensors)
-传感器的分类 (The category of sensors)
--传感器的分类 (The category of sensors)
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-测试信号转换绪论 (The introduction of signal conditioning)
--测试信号转换绪论 (The introduction of signal conditioning)
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--调制与解调 (Modulation and demodulation)
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-Homework10
-滤波器概述 (Outline of filter)
-滤波器的一般特性 (The characteristics of filter)
--滤波器的一般特性 (The characteristics of filter)
-滤波器的类型介绍 (The category of filter)
--滤波器的类型介绍 (The category of filter)
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