精密测试技术课程讲义(4章信号处理及接口电路)

精密测试技术

第四章 信号处理及接口电路

4．1概述

为了从传感器信号（检测信号）中提取有用信号，一般要经过两个处理过程：

模拟信号处理：对传感器的输出信号进行运算放大、滤波、变化等处理信号；

数字信号处理：对经过处理的模拟信号进行A/D变换，然后根据需要采用各种数字的算法进行处理，提取有用的信息。

4．2 中间转换电路 1．作用 阻抗匹配 放大 滤波 调制 A/D

2．种类

电桥（直流电桥、交流电桥） 模拟放大器

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滤波器 调制解调器 A/D D/A转换

4.3 电桥电路 1．直流电桥

只能用于测量电阻。

直流电桥

半桥双臂 半桥单臂

全桥

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平衡条件：

R1R3 R2R4

半桥单臂电桥：

U0 (

R1 R1R1 R1 R2

R4R3 R4

)Ui

U0

R0

4R0 2 R0

Ui

R0 R0

U0

SB

R04R0

Ui

14

U0 R0/R0

Ui

半桥双臂电桥：

U0

R02R0

Ui

全桥电桥：

U0

R0R0

Ui

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2．交流电桥

可以用于测量电阻、电容和电感。

电容电桥 电感电桥

交流电桥平衡条件：

Z1Z3 Z2Z4 j 1j 2Z1 z1e Z2 z2e j 3

Z3 z3e Z4 z4ej 4

Z1Z3e

j( 1 3)

Z2Z4e

j( 2 4)

Z1Z3 Z2Z4

1 3 2 4

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4.4 模拟信号放大处理

1．通用放大器 1） 理想运算放大器 特点

开环增益无穷大 输入阻抗无穷大 输出阻抗等于0 带宽无穷大 噪声等于0

2） 反相放大电路 Vo RVi

1

3） 正相放大电路

Rf

Vo (1

RfR1

)Vi

4） 加法运算电路：

Vo

RfR1

(V1 V2 V3)

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5） 减法运算电路

Vo

R2R1

(V2 V1)

6） 积分运算电路

Vo

Vdt RC

i

1

7） 微分运算电路

Vo RC

dVidt

2．仪器用放大器

除了通用放大器外，现在已生产出各种专门用途的放大器，如仪器用放大器。这类放大器特点是：具有高的线性度、高的共模抑制比、低漂移和低的噪声，是专门为在恶劣条件下进行高精度数据采集而设计的。生产各类仪器用放大器的著名厂家有：AD公司、BB公司。

3．隔离放大器

将非电量变成电信号不可避免地混杂着形形色色的干扰和噪声，而这些干扰和噪声大都来自地回路静电耦合以及电磁耦合。为了消除这些干扰，在检测系统中除了将模拟信号先经过低通滤波器滤掉部分

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高频干扰外，还必须合理地处理接地问题，将放大器加上静电和电磁屏蔽罩。能够完成上述任务的放大器叫隔离放大器，其输入输出电路电源没有直接的电路耦合（不共地）。隔离放大器内部分为输入、输出和电源三大部分。相互间都没有电器上直接联系。输入输出通过变压器耦合。

4．可编程增益放大器（PGA）

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4．5 模拟信号滤波处理 1．滤波器分类

1）根据滤波器的选频作用分 低通 高通 带通 带阻

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2）根据滤波器的电路性质分 有源滤波器 无源滤波器

3）根据滤波器的所处理的信号性质分 模拟滤波器 数字滤波器

2．理想滤波器与实际滤波器 1）理想滤波器

根据线性系统不失真测试条件，理想测试系统的频率响应函数应是：

H(f) A0e j2 ft0

若滤波器的频率响应满足下列条件： A0e j2 ft

H(f)

|f| fc

0 其它 则称为理想低通滤波器。

理想低通滤波器的幅频、相频特性图如下：

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2）实际滤波器

实际滤波器的特性参数： 截止频率 定义幅频特性值等于

Ao/频率。Ao/

所对应的频率称为滤波器的截止

对应-3dB, 即相对于Ao衰减3dB。

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带宽B

通频带的宽度称为带宽B，通频带即上下截止频率之间的频率范围。 B fc2 fc1 品质因素Q

定义中心频率和带宽B之比为滤波器的品质因素：

Q

fnB

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其中：

fn 纹波幅度d

实际滤波器在通频带内可能出现纹波变化，其波动幅度d与幅频特性的稳定值相比越小越好，一半应远小于-3dB

，即d A0/

倍频程选择性

实际滤波器至稳定状态需要一定的建立时间，在上下截止频率外侧有一个过渡带，其幅频曲线的斜率表明了幅频特性衰减的快慢，它决定着滤波器对带宽外频率成分的衰阻能力。通常在上截止频率fc2与2fc2，或者下截止频率fc1与

12

fc1之间幅频特性的衰减量来表示，

即频率变化一个倍频时的衰减量。很明显，衰减越快，滤波器选择性越好。

滤波器因素

滤波器需选择性的另一种表示方法，是用滤波器幅频特性的-60dB带宽与-3dB带宽的比值表示，即：

B 60dB

B 3dB

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