《机械工程测试技术》课程授课教案（讲稿）第4章 信号调理装置（1/3）

机械工程测试技术第4章信号调理装置学习目标学习测量电桥、测量放大器、调制器与解调器、滤波器等信号调理装置的工作原理、基本特性等知识。学完本章后，应对各种信号调理装置的功能特点有较清楚的了解，初步具备正确设计、选用各种信号调理装置的能力。学习重点与难点重点：测量电桥、幅值调制、RC滤波器的工作原理和特性。难点：信号的调制原理。4.1 测量电桥测量电桥是将电阻、电感、电容等参数的变化转换成电压或电流变化的一种电子装置。测试装置中使用最广泛的是惠斯登电桥。惠斯登电桥电桥的输出为Z,Z, -Z,Ze.=(2, + Z,)(Z, + Z.)e,4.1.1电桥的分类■按电桥供电电源的性质分一一直流电桥、交流电桥：■按电桥输出的测量方式分一一平衡电桥、不平衡电桥：■按桥臂元件的阻抗性质分一一纯电阻电桥、纯电容电桥、纯电感电桥、容性电桥、感性电桥等。4.1.2直流电桥采用直流电源供电，四个桥臂均为纯电阻。1 / 10《机械工程测试技术》第10讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 10 讲 1 / 10 第 4 章 信号调理装置 学习目标 学习测量电桥、测量放大器、调制器与解调器、滤波器等信号调理装置的工作原理、基 本特性等知识。学完本章后，应对各种信号调理装置的功能特点有较清楚的了解，初步具备 正确设计、选用各种信号调理装置的能力。 学习重点与难点 重点：测量电桥、幅值调制、RC 滤波器的工作原理和特性。 难点：信号的调制原理。 4.1 测量电桥 测量电桥是将电阻、电感、电容等参数的变化转换成电压或电流变化的一种电子装置。 测试装置中使用最广泛的是惠斯登电桥。 惠斯登电桥 电桥的输出为 o s e Z Z Z Z Z Z Z Z e ( )( ) 1 2 3 4 1 3 2 4 + + − = 4.1.1 电桥的分类 ■ 按电桥供电电源的性质分——直流电桥、交流电桥； ■ 按电桥输出的测量方式分——平衡电桥、不平衡电桥； ■ 按桥臂元件的阻抗性质分——纯电阻电桥、纯电容电桥、纯电感电桥、容性电桥、 感性电桥等。 4.1.2 直流电桥 采用直流电源供电，四个桥臂均为纯电阻

机械工程测试技术直流电桥当电桥开路时的输出直流电压为R,R,R,RU=r(R, +R,)(R +R)直流电桥的平衡条件为RR =R,R为简化设计和分析，通常将电桥的四臂电阻设计成相等，即R,=R,=R,=R，=R。电桥的三种接法：b)a)c)电桥的接法a)半桥单臂b）半桥双臂c)全桥1.半桥单臂连接当R,的变化AR<<R），电桥的输出电压近似为U~祭E4R2.半桥双臂连接具体可以有两种连接方式：工作桥臂相邻连接一一两工作桥臂上电阻变化极性应相反：工作桥臂相对连接一一两工作桥臂上电阻变化极性应相同。电桥的输出电压近似为AREUR2R3.全桥连接四个桥臂均为工作桥臂，相对桥臂的电阻按相同极性变化，相邻桥臂的电阻按相反极性变化。全桥的输出电压近似为2 / 10《机械工程测试技术》第10讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 10 讲 2 / 10 直流电桥 当电桥开路时的输出直流电压为 E R R R R R R R R U ( )( ) 1 2 3 4 1 3 2 4 + + − = 直流电桥的平衡条件为 R1R3 = R2R4 为简化设计和分析，通常将电桥的四臂电阻设计成相等，即 R1 = R2 = R3 = R4 = R 。 电桥的三种接法： 电桥的接法 a) 半桥单臂 b) 半桥双臂 c) 全桥 1. 半桥单臂连接 当 R1 的变化 R  R ），电桥的输出电压近似为 E R R U 4   2. 半桥双臂连接 具体可以有两种连接方式： ● 工作桥臂相邻连接——两工作桥臂上电阻变化极性应相反； ● 工作桥臂相对连接——两工作桥臂上电阻变化极性应相同。 电桥的输出电压近似为 E R R U 2   3. 全桥连接 四个桥臂均为工作桥臂，相对桥臂的电阻按相同极性变化，相邻桥臂的电阻按相反极性 变化。全桥的输出电压近似为

机械工程测试技术UARER半桥双臂接法的灵敏度比半桥单臂接法高一倍，全桥接法又比半桥双臂接法高一倍。半桥双臂接法和全桥接法也称为电桥的差动连接，其优点是：●提高了电桥的灵敏度：●极大地改善了电桥所固有的非线性；?可对由温度等因素变化所造成的同极性影响进行补偿（抵消）。（上述关于电桥接法的结论同样也适用于交流电桥）R3RR2R4-RR2R3R4差动连接应变片的贴法直流电桥的特点：●所需的高稳定度直流电源容易获得；●电桥的输出为直流信号，可以用直流仪表进行测量显示：●电桥的平衡电路简单，易于实现电桥的平衡调节：●输出需接线路复杂的直流放大器，易受零漂和接地电位的影响。4.1.3交流电桥采用高频稳幅交流电源（正弦波、方波、三角波等）供电，四个桥臂可以是电感、电容或电阻等电抗元件或它们的复合。开路输出电压为Z,Z,-Z,Z4e. = (2, +2,)(2, +2.)°复数阻抗简介。交流电桥的平衡条件为Z,Z, =Z,Z.即[Z01Z03 =Z02Z04+=模平衡条件一一相对桥臂阻抗的模的乘积相等；相位平衡条件一一相对桥臂阻抗的阻抗角之和相等。简要说明采用交流电桥的主要原因（特别是实现不失真测试的考虑）。《机械工程测试技术》第10讲3/10

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 10 讲 3 / 10 E R R U   半桥双臂接法的灵敏度比半桥单臂接法高一倍，全桥接法又比半桥双臂接法高一倍。 半桥双臂接法和全桥接法也称为电桥的差动连接，其优点是： ● 提高了电桥的灵敏度； ● 极大地改善了电桥所固有的非线性； ● 可对由温度等因素变化所造成的同极性影响进行补偿（抵消）。 （上述关于电桥接法的结论同样也适用于交流电桥） 差动连接应变片的贴法 直流电桥的特点： ● 所需的高稳定度直流电源容易获得； ● 电桥的输出为直流信号，可以用直流仪表进行测量显示； ● 电桥的平衡电路简单，易于实现电桥的平衡调节； ● 输出需接线路复杂的直流放大器，易受零漂和接地电位的影响。 4.1.3 交流电桥 采用高频稳幅交流电源（正弦波、方波、三角波等）供电，四个桥臂可以是电感、电 容或电阻等电抗元件或它们的复合。开路输出电压为 o s e Z Z Z Z Z Z Z Z e ( )( ) 1 2 3 4 1 3 2 4 + + − = 复数阻抗简介。 交流电桥的平衡条件为 Z1Z3 = Z2Z4 即    + = + = 1 3 2 4 01 03 02 04     Z Z Z Z 模平衡条件——相对桥臂阻抗的模的乘积相等； 相位平衡条件——相对桥臂阻抗的阻抗角之和相等。 简要说明采用交流电桥的主要原因（特别是实现不失真测试的考虑）

机械工程测试技术交流电桥的特点：●输出为高频调幅波（注：交流电桥是一个典型的调幅装置），不易受外界工频干扰；●后接的交流放大器结构简单、零漂小：●转换精度较高；●输出的调幅波经放大后需用线路复杂的相敏检波器进行解调：供桥电源应具有较高的幅值、频率稳定性和良好的波形质量4.1.4带感应合的电桥（特殊的交流电桥）两个桥臂由传感器或变压器的两个感应耦合线圈所构成，另两个桥臂则可能是固定的电抗元件或差动传感器的电感、电容。Cj=Co+△CL,-Lo+Les(0)s()()0(0)。。0(0) 。1eo(t)e2(0)C2=Co-ACL-Lo-ALa)b)c)带感应耦合臂的电桥a)差动电感传感器电桥b)差动变压器电桥c)差动电容传感器电桥特点：●克服了一般交流电桥桥臂存在的寄生参数（主要是寄生电容）的影响；●使用变压器可以隔离直流干扰●具有较宽的频率范围，性能稳定、灵敏度及转换精度都比较高。4.2 测量放大器测试装置中常见的放大器包括：基本数学运算放大电路、专用放大电路、单片集成测量放大器、功率放大电路、隔离放大电路、增益调整放大电路等。测量放大器的基本特点：广泛使用各种集成放大器（以通用运算放大器和专用测量放大器应用得最广）：广泛采用各种负反馈技术来改善放大电路的性能（扩展频带、稳定幅频特性、补偿相频特性、提高输入阻抗、降低输出阻抗等）。4.2.1理超运算放大器与实际运算放大器V0ININOUTOUT-IN+IN运算放大器的逻辑符号4 /10《机械工程测试技术》第10讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 10 讲 4 / 10 交流电桥的特点： ● 输出为高频调幅波（注：交流电桥是一个典型的调幅装置），不易受外界工频干扰； ● 后接的交流放大器结构简单、零漂小； ● 转换精度较高； ● 输出的调幅波经放大后需用线路复杂的相敏检波器进行解调； ● 供桥电源应具有较高的幅值、频率稳定性和良好的波形质量。 4.1.4 带感应耦合臂的电桥（特殊的交流电桥） 两个桥臂由传感器或变压器的两个感应耦合线圈所构成，另两个桥臂则可能是固定的电 抗元件或差动传感器的电感、电容。 带感应耦合臂的电桥 a) 差动电感传感器电桥 b) 差动变压器电桥 c) 差动电容传感器电桥 特点： ● 克服了一般交流电桥桥臂存在的寄生参数（主要是寄生电容）的影响； ● 使用变压器可以隔离直流干扰； ●具有较宽的频率范围，性能稳定、灵敏度及转换精度都比较高。 4.2 测量放大器 测试装置中常见的放大器包括：基本数学运算放大电路、专用放大电路、单片集成测 量放大器、功率放大电路、隔离放大电路、增益调整放大电路等。 测量放大器的基本特点： ● 广泛使用各种集成放大器（以通用运算放大器和专用测量放大器应用得最广）； ● 广泛采用各种负反馈技术来改善放大电路的性能（扩展频带、稳定幅频特性、补偿 相频特性、提高输入阻抗、降低输出阻抗等）。 4.2.1 理想运算放大器与实际运算放大器 运算放大器的逻辑符号

机械工程测试技术运算放大器的特性性理想运算放大器特实际运算放大器8开环放大倍数A104~10°或更高失调电压Vos0±ImV(25℃)偏流，010-~ 10-14A输入阻抗Z810~10"Q或更高1~102输出阻抗Z。04.2.2 基本数学运算放大电路（简介）1.反相比例运算电路Rr4RKV80e;Aeoo0RpR,e.=eR,反相比例运算电路RrRiR02Do0eNAeoRNoRolR,e。=JeR.k=l反相比例加法器2.同相比例运算电路RRDe工CoAeoRpei01R,e。=(1+-eR同相比例运算电路5 /10《机械工程测试技术》第10讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 10 讲 5 / 10 运算放大器的特性 特 性 理想运算放大器 实际运算放大器 开环放大倍数 A ∞ 4 5 10 ~ 10 或更高 失调电压 VOS 0 ±1mV（25℃） 偏流 A i ， B i 0 10 ~ 10 A −6 −14 输入阻抗 Zi ∞  5 11 10 ~10 或更高 输出阻抗 Zo 0 1~10 4.2.2 基本数学运算放大电路（简介） 1. 反相比例运算电路 i f o e R R e 1 = − 反相比例运算电路 = = − N k ik k f o e R R e 1 ( ) 反相比例加法器 2. 同相比例运算电路 i f o e R R e (1 ) 1 = + 同相比例运算电路

机械工程测试技术D 00oAeoei1电压跟随器3.求差运算电路（差动放大电路）RRiil.eoe20Ro差动放大电路若R,/R,=R,/R=k,则有e。 =k(eiz -en)4.微分运算电路eieoRpdee。=-RCdt微分运算电路5.积分运算电路V0ei2o8RpJe,dteRC积分运算电路在微分和积分运算电路中，T=RC被分别称为微分、积分运算电路的时间常数。6.对数运算电路6 /10《机械工程测试技术》第10讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 10 讲 6 / 10 电压跟随器 3. 求差运算电路（差动放大电路） 差动放大电路 若 R R R R k 2 / p = f / 1 = ，则有 ( ) o i2 i1 e = k e − e 4. 微分运算电路 dt de e RC i o = − 微分运算电路 5. 积分运算电路  = − t o eidt RC e 0 1 积分运算电路 在微分和积分运算电路中，  = RC 被分别称为微分、积分运算电路的时间常数。 6. 对数运算电路

机械工程测试技术Eeoe,=V,[n(I,R)- ne,]对数运算电路4.2.3专用测量放大电路1.电压比较电路e;(0)Erei(t)R>00Erere0(0)4eo(i)EwYvS 本。CEu电压比较电路及其工作波形2.精密整流电路利用运算放大器在采用负反馈时反向输入端具有“虚地”这一特点，可将整流二极管死区电压的影响减小到1/A（A为运算放大器的开环放大倍数），从而大大提高了整流的精度。teol()e(0)T7RVVVVea(0)VDi?De02(0)RAAV:80VD2R;D/ye;(0)ea(0)AiA2eo(0)e0(0)R:1精密整流电路及其工作波形运算放大器A,与电阻R、R,及二极管VD、VD,构成半波整流电路。A,与电阻R，、R,及R构成反相比例加法器。RYR)Re,(t)+e,(t)e.(0)=当e,(t)处于负半周时R,RR当e,(t)处于正半周时e.(t):e.(t)《机械工程测试技术》第10讲7 / 10

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 10 讲 7 / 10 [ln( ) ln ] o T s i e =V I R − e 对数运算电路 4.2.3 专用测量放大电路 1. 电压比较电路 电压比较电路及其工作波形 2. 精密整流电路 利用运算放大器在采用负反馈时反向输入端具有“虚地”这一特点，可将整流二极管死 区电压的影响减小到 1/A（A 为运算放大器的开环放大倍数），从而大大提高了整流的精度。 精密整流电路及其工作波形 运算放大器 A1 与电阻 R1 、 R2 及二极管 VD1、VD2 构成半波整流电路。 A2 与电阻 R3 、 ' R3 及 R4 构成反相比例加法器。 ( ) ( ) ( ) ' 3 4 3 4 1 2 e t R R e t R R R R e t o i  i        + −                 = 当 e (t) i 处于负半周时 ( ) ( ) ' 3 4 e t R R e t o  i        = − 当 e (t) i 处于正半周时

机械工程测试技术只要使电路满足R/R=2(R/R），电路就能够输出非常精确的全波整流波形。3.高输入阻抗放大电路●用电压跟随器做前置输入缓冲级使用高阻型集成运算放大器采用由通用运算放大器组成的自举式高输入阻抗放大电路。RRRb)a)c)自举式高输入阻抗放大电路a)同相交流放大电路b）交流电压跟随器c)自举组合电路4.高共模抑制比放大电路ei。R.ei2R4R6三运放高共模抑制比放大电路5.电桥放大电路■单端输入电桥放大电路Rb)单端输入电桥放大电路a）反相输入b）同相输入■差动输入电桥放大电路■线性电桥放大电路8 / 10《机械工程测试技术》第10讲

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 10 讲 8 / 10 只要使电路满足 / 2( / ) ' R2 R1 = R3 R3 ，电路就能够输出非常精确的全波整流波形。 3. 高输入阻抗放大电路 ● 用电压跟随器做前置输入缓冲级; ● 使用高阻型集成运算放大器; ● 采用由通用运算放大器组成的自举式高输入阻抗放大电路。 自举式高输入阻抗放大电路 a) 同相交流放大电路 b) 交流电压跟随器 c) 自举组合电路 4. 高共模抑制比放大电路 三运放高共模抑制比放大电路 5. 电桥放大电路 ■ 单端输入电桥放大电路 单端输入电桥放大电路 a) 反相输入 b) 同相输入 ■ 差动输入电桥放大电路 ■ 线性电桥放大电路

机械工程测试技术R+ARRes9差动输入电桥放大电路线性电桥放大电路4.单片集成测量放大器AD612一输人23+V816kQ1o16kgAR16.8k040kQD 8输出40kQA16.8koV13REF16kQ216k+输入2419200OT+15VON's01sOTET3X299715V10S222262728292102123242312ot0.00-0010二AD612的内部结构I2316UAD61214241315AF22201921R应变电桥100kQluFluFE+EAD612与测量电桥的连接特点：?共模抑制比高，一般可达100~120dB：●输入阻抗高，一般高于109Q；。平衡的差动输入，单端输出，输入端可承受较高的输入电压，有较强的过载能力：增益可由用户按需要通过选择不同的增益电阻来确定：●动态特性好，工作频带宽；《机械工程测试技术》第10讲9/10

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 10 讲 9 / 10 差动输入电桥放大电路 线性电桥放大电路 4. 单片集成测量放大器 AD612 的内部结构 AD612 与测量电桥的连接 特点： ● 共模抑制比高，一般可达 100~120dB； ● 输入阻抗高，一般高于 109Ω； ● 平衡的差动输入，单端输出，输入端可承受较高的输入电压，有较强的过载能力； ● 增益可由用户按需要通过选择不同的增益电阻来确定； ● 动态特性好，工作频带宽；

机械工程测试技术?低失调，低漂移。《机械工程测试技术》第10讲10 / 10

机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 10 讲 10 / 10 ● 低失调，低漂移