第四章 信号的转换与调理汇总
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测试信号的转换与调理.
29
第四章 信号的转换与调理
4.4 滤波器 4.4.2 理想滤波器
2. 理想滤波器的单位脉冲响应
（e）滤波后的波形
14
第四章 信号的转换与调理
4.3.1 调幅与解调 3.解调方法
相敏检波：利用二极管的单向导通作用，将电 路输出极性换向。
考虑到交变信号在过零点时符号极性发生突 变，调幅波的相位也相应地发生180o的相位 跳变。利用载波信号与调幅波比相，便能既反 映原信号的幅值又反映其极性。
2
f0)1 2X(f)(f
f0)
7
第四章 信号的转换与调理 y(t) cos2f0t
Y(f )
1
1
2
2
4.3.1 调幅与解调 2.调幅信号的频谱
0
t
-f0
0
+f0 f
x(t )
X( f )
0 xm (t)
t
-fm
0
+fm
f
Xm( f ) X ( f )Y( f )
0
t
-f0
0
+f0 f
(a)
(b)
ua
高通滤波器
C2
R2
uo
包络检波器
2f f0
ua f
x
0
t
t
(a)鉴频器电路
图4.21 鉴频器原理
(a) 鉴频器电路 (b) 高通滤波器幅频特性 (c)恢复出的调制信号
(b)高通滤波器幅频特性
(c)恢复出的调2制4 信号
第四章 信号的转换与调理
4.4 滤波器 4.4.1 概述
滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频 带的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成 分。
第四章 信号的转换与调理
7
U0 K Ui Ui VRe f
Uo 6
PIN
2 U 1 i 8 3 U i
Δ
Rp1
INA114
REF 5
4
VD1 R3
A1
U1 R4
LD
Δ
+5V Rp 2
R2
A2 U REF
VD 2 I
-5V
U2
光功率自动控制电路的作用：克服供电电源波动或光源 老化等因素的影响，确保光源输出功率稳定。
应当注意的是，由于电路存在共模电压，应当选 用共模抑制比较高的集成运放，才能保证一定的 运算精度。
案例：INA114与测量电桥的连接
+5V
350Ω
0.1μF
350Ω
2
7
6
350Ω
350Ω
RP
1 8 3
INA114
4
5
Uo
-5V
0.1μF
案例：INA114在光功率自动控制电路中的应用
+5V
R1
+5V
现代测控系统都是采用微处理器或微控制器作为系统的控
制核心，因而可变增益放大器总是采用数控放大器的形式。 用模拟开关代替图4-10中可变电阻或波段开关可得到数控增 益放大器。如图4-11、4-12所示。
集成化的可变增益放大器有很多品种。单端输入的可变 增益放大器有PGA100、PGA103；差动输入的可变增益放 大器有PGA204、PGA205等等。 程控放大器是智能仪器的常用部件之一，在智能仪器中， 可变增益放大器的增益由仪器内置计算机的程序控制。 这种由程序控制增益的放大器，称为程控放大器。
16
（一）光耦合器件 目前用的较多的是利用光来耦合信号。用光来耦合信号 的器件叫光电耦合器，其内部有作为光源的半导体发 光二极管和作为光接收的光敏二极管或三极管。图4-3 给出了常见的几种光电耦合器的内部电路。
U0 K Ui Ui VRe f
Uo 6
PIN
2 U 1 i 8 3 U i
Δ
Rp1
INA114
REF 5
4
VD1 R3
A1
U1 R4
LD
Δ
+5V Rp 2
R2
A2 U REF
VD 2 I
-5V
U2
光功率自动控制电路的作用：克服供电电源波动或光源 老化等因素的影响，确保光源输出功率稳定。
应当注意的是，由于电路存在共模电压，应当选 用共模抑制比较高的集成运放，才能保证一定的 运算精度。
案例：INA114与测量电桥的连接
+5V
350Ω
0.1μF
350Ω
2
7
6
350Ω
350Ω
RP
1 8 3
INA114
4
5
Uo
-5V
0.1μF
案例：INA114在光功率自动控制电路中的应用
+5V
R1
+5V
现代测控系统都是采用微处理器或微控制器作为系统的控
制核心，因而可变增益放大器总是采用数控放大器的形式。 用模拟开关代替图4-10中可变电阻或波段开关可得到数控增 益放大器。如图4-11、4-12所示。
集成化的可变增益放大器有很多品种。单端输入的可变 增益放大器有PGA100、PGA103；差动输入的可变增益放 大器有PGA204、PGA205等等。 程控放大器是智能仪器的常用部件之一，在智能仪器中， 可变增益放大器的增益由仪器内置计算机的程序控制。 这种由程序控制增益的放大器，称为程控放大器。
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（一）光耦合器件 目前用的较多的是利用光来耦合信号。用光来耦合信号 的器件叫光电耦合器，其内部有作为光源的半导体发 光二极管和作为光接收的光敏二极管或三极管。图4-3 给出了常见的几种光电耦合器的内部电路。
第四章 信号调制解调电路
us<0
+ + N1
R3 uA us
N+ uo=-us + 2
∞
c) 负输入等效电路
第二节 调幅式测量电路
4.2.3相敏检波电路 一、相敏检波的功用和原理 1、相敏检波电路 相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和 选频能力的检波电路。
第二节 调幅式测量电路
2、相敏检波 包络检波有两个问题：一是解调的主要过程是 对调幅信号进行半波或全波整流，无法从检波器的 输出鉴别调制信号的相位。第二，包络检波电路本 身不具有区分不同载波频率的信号的能力。对于不 同载波频率的信号它都以同样方式对它们整流，以 恢复调制信号，这就是说它不具有鉴别信号的能力。 为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力， 提高抗干扰能力，需采用相敏检波电路。
O u A, u o O t
第二节 调幅式测量电路
三、相敏检波电路的选频与鉴相特性 1、相敏检波电路的选频特性 相敏检波电路的选频特性是指它对不同频率的输 入信号有不同的传递特性。以参考信号为基波， 所有偶次谐波在载波信号的一个周期内平均输出 为零，即它有抑制偶次谐波的功能。对于n=1,3,5 等各奇次谐波，输出信号的幅值相应衰减为基波 的1/ n，即信号的传递系数随谐波次数增高而衰减， 对高次谐波有一定抑制作用。
第二节 调幅式测量电路
4、相敏检波电路与调幅电路在结构上相似之处及区 别 将调制信号ux乘以幅值为1的载波信号就可以得 到双边带调幅信号us，将双边带调幅信号us再乘以 载波信号，经低通滤波后就可以得到调制信号ux。 这就是相敏检波电路在结构上与调制电路相似的原 因。 二者主要区别是调幅电路实现低频调制信号与 高频载波信号相乘，输出为高频调幅信号；而相敏 检波器实现高频调幅信号与高频载波信号相乘，经 滤波后输出低频解调信号。这使它们的输入、输出 耦合回路与滤波器的结构和参数不同。
+ + N1
R3 uA us
N+ uo=-us + 2
∞
c) 负输入等效电路
第二节 调幅式测量电路
4.2.3相敏检波电路 一、相敏检波的功用和原理 1、相敏检波电路 相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和 选频能力的检波电路。
第二节 调幅式测量电路
2、相敏检波 包络检波有两个问题：一是解调的主要过程是 对调幅信号进行半波或全波整流，无法从检波器的 输出鉴别调制信号的相位。第二，包络检波电路本 身不具有区分不同载波频率的信号的能力。对于不 同载波频率的信号它都以同样方式对它们整流，以 恢复调制信号，这就是说它不具有鉴别信号的能力。 为了使检波电路具有判别信号相位和频率的能力， 提高抗干扰能力，需采用相敏检波电路。
O u A, u o O t
第二节 调幅式测量电路
三、相敏检波电路的选频与鉴相特性 1、相敏检波电路的选频特性 相敏检波电路的选频特性是指它对不同频率的输 入信号有不同的传递特性。以参考信号为基波， 所有偶次谐波在载波信号的一个周期内平均输出 为零，即它有抑制偶次谐波的功能。对于n=1,3,5 等各奇次谐波，输出信号的幅值相应衰减为基波 的1/ n，即信号的传递系数随谐波次数增高而衰减， 对高次谐波有一定抑制作用。
第二节 调幅式测量电路
4、相敏检波电路与调幅电路在结构上相似之处及区 别 将调制信号ux乘以幅值为1的载波信号就可以得 到双边带调幅信号us，将双边带调幅信号us再乘以 载波信号，经低通滤波后就可以得到调制信号ux。 这就是相敏检波电路在结构上与调制电路相似的原 因。 二者主要区别是调幅电路实现低频调制信号与 高频载波信号相乘，输出为高频调幅信号；而相敏 检波器实现高频调幅信号与高频载波信号相乘，经 滤波后输出低频解调信号。这使它们的输入、输出 耦合回路与滤波器的结构和参数不同。
电气测量技术-第4章
并不是单纯的人器官的模拟，还能感受人的器官不能感受 的某些物质，如H2、CO。
7
传感器的一般特性
传感器的一般特性：传感器输入与输出之间的关系特性
静态特性：对应输入量为常量，或缓慢变化的信号 动态特性：对应输入量随时间变化较快的信号
特性与参数
线性度以及线性化处理：产生系统误差 迟滞：产生系统误差 重复性：产生随机误差 灵敏度与灵敏度误差： 分辨力与阈值：传感器能检测到的最小输入增量 分辨率：分辨力用满量程的百分数表示 稳定性：温度、抗干扰、时间等 静态误差（精度）： 动态误差：
位移式压力变送器：
将弹性测压元件的位移变换为电感、电容、电阻等电 学量 再经测量桥路、放大电路转换等，最后输出压力值。 精度远远超过力平衡式压力变送器 结构简单、运行可靠便于维护
23
压力变送器（3）
电容式差压变送器:采用位移式变送器原理构成的新型压力 测量仪表。
构成：测压部分、转换电路和放大输出电路
28
测量放大器(1)
F124/F224/F324系列：四集成运算放大器
高增益、低功耗、四运放、一致性好 可单电源工作，也可双电源工作 电源电压范围宽，价格便宜
A UOUT R3 (1 2R1 )
U IN U IN R2
RG
应用示例。特点：
输入阻抗非常高：差动输入端 IN-和IN+分别是两个运放的同 相输入端
可直接检测来自物体的辐射 信息 也可转换其他物理量成为光 信号
6
传感器的分类（3）
化学传感器：对各种化学物质敏感并将其浓度转换 为电信号进行检测的仪器
具有对被测化学物质的形状或分子结构选择性俘获的功能 （接受器功能） 将俘获的化学量有效转换为电信号的功能（转换器功能）。
7
传感器的一般特性
传感器的一般特性：传感器输入与输出之间的关系特性
静态特性：对应输入量为常量，或缓慢变化的信号 动态特性：对应输入量随时间变化较快的信号
特性与参数
线性度以及线性化处理：产生系统误差 迟滞：产生系统误差 重复性：产生随机误差 灵敏度与灵敏度误差： 分辨力与阈值：传感器能检测到的最小输入增量 分辨率：分辨力用满量程的百分数表示 稳定性：温度、抗干扰、时间等 静态误差（精度）： 动态误差：
位移式压力变送器：
将弹性测压元件的位移变换为电感、电容、电阻等电 学量 再经测量桥路、放大电路转换等，最后输出压力值。 精度远远超过力平衡式压力变送器 结构简单、运行可靠便于维护
23
压力变送器（3）
电容式差压变送器:采用位移式变送器原理构成的新型压力 测量仪表。
构成：测压部分、转换电路和放大输出电路
28
测量放大器(1)
F124/F224/F324系列：四集成运算放大器
高增益、低功耗、四运放、一致性好 可单电源工作，也可双电源工作 电源电压范围宽，价格便宜
A UOUT R3 (1 2R1 )
U IN U IN R2
RG
应用示例。特点：
输入阻抗非常高：差动输入端 IN-和IN+分别是两个运放的同 相输入端
可直接检测来自物体的辐射 信息 也可转换其他物理量成为光 信号
6
传感器的分类（3）
化学传感器：对各种化学物质敏感并将其浓度转换 为电信号进行检测的仪器
具有对被测化学物质的形状或分子结构选择性俘获的功能 （接受器功能） 将俘获的化学量有效转换为电信号的功能（转换器功能）。
第四章信号调理电路
R1 = R 0 ± ∆ R1 ——半桥单臂 半桥单臂
Uy = U0 U ∆R0 ≈ 0 ∆R0 2(2 R0 + ∆R0 ) 4 R0
①上式对另外三臂也适用。 上式对另外三臂也适用。 ③温度影响 R1 = R0 + ∆R + ∆Rt
U0 S= = ∆R0 R0 4
Uy
②分母中有微小电阻，存在一定非线性。 分母中有微小电阻，存在一定非线性。 ，则 U y =
e ' (t ) = k1 x (t ) cos(2π f n t ) 调幅
调频 调相
e" (t ) = e0 cos[2π f n + k 2 x (t )]t
e" (t ) = e0 cos[2π f n t + k3 x (t )]
放大后再还原为过程——解调。 解调。 放大后再还原为过程 解调
在测试技术中， 在测试技术中，调制是工程测试信号在传输过程中常用的一种调 理方法，主要是为了解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。 理方法，主要是为了解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。
为了很好地解决缓变信号的放大问题， 为了很好地解决缓变信号的放大问题，信息技术中采用了一种对信号进行调制 的方法，即先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去， 的方法，即先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器 进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。 进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。上述信号传输 中的变换过程称为调制与解调。 中的变换过程称为调制与解调。
U U y = 0 ∆R 2 R0
变化时， ①如有温度T变化时，△R出现起到 R = 如有温度 变化时 出现起到 1 了温度补偿作用。 了温度补偿作用。 代入 ②灵敏度提高一倍 线性度改善了， ③线性度改善了，分母中无微小电阻 。
Uy = U0 U ∆R0 ≈ 0 ∆R0 2(2 R0 + ∆R0 ) 4 R0
①上式对另外三臂也适用。 上式对另外三臂也适用。 ③温度影响 R1 = R0 + ∆R + ∆Rt
U0 S= = ∆R0 R0 4
Uy
②分母中有微小电阻，存在一定非线性。 分母中有微小电阻，存在一定非线性。 ，则 U y =
e ' (t ) = k1 x (t ) cos(2π f n t ) 调幅
调频 调相
e" (t ) = e0 cos[2π f n + k 2 x (t )]t
e" (t ) = e0 cos[2π f n t + k3 x (t )]
放大后再还原为过程——解调。 解调。 放大后再还原为过程 解调
在测试技术中， 在测试技术中，调制是工程测试信号在传输过程中常用的一种调 理方法，主要是为了解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。 理方法，主要是为了解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。
为了很好地解决缓变信号的放大问题， 为了很好地解决缓变信号的放大问题，信息技术中采用了一种对信号进行调制 的方法，即先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去， 的方法，即先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器 进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。 进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。上述信号传输 中的变换过程称为调制与解调。 中的变换过程称为调制与解调。
U U y = 0 ∆R 2 R0
变化时， ①如有温度T变化时，△R出现起到 R = 如有温度 变化时 出现起到 1 了温度补偿作用。 了温度补偿作用。 代入 ②灵敏度提高一倍 线性度改善了， ③线性度改善了，分母中无微小电阻 。
什么是电子电路中的信号转换和信号调理
什么是电子电路中的信号转换和信号调理信号转换和信号调理是电子电路中非常重要的概念。
在电子设备和系统中，信号转换和信号调理起着至关重要的作用，它们能够将原始信号转换为适合处理的形式，并对信号进行必要的增强和处理，以保证信号的质量和可靠性。
一、信号转换信号转换是指将原始信号转换为适合特定应用的形式或者将信号转换为数字信号的过程。
原始信号可以是来自传感器、电机控制器、通讯信号等各种来源的模拟信号。
而信号转换的目的是为了使得信号能够在数字系统中进行处理和传输。
在信号转换中，常见的转换方式有模拟转数字（A/D）转换和数字转模拟（D/A）转换。
模拟转数字转换是将连续的模拟信号转换为离散的数字信号，可以通过采样和量化两个步骤来完成。
采样是指对连续信号按照一定的时间间隔进行取样，将连续信号转换为离散的时间序列。
量化是指对取样的信号进行幅度的离散化，将连续的信号转换为离散的幅度序列。
而数字转模拟转换是将数字信号转换为模拟信号，通常通过数模转换器来实现。
二、信号调理信号调理是在信号转换之后对信号进行增强和处理的过程。
原始信号经过转换之后，有可能会带有噪声、失真等问题，因此需要进行相应的处理和调整，以提高信号质量和可靠性。
在信号调理中，常见的操作包括滤波、放大、采样率转换等。
滤波是为了去除信号中的噪声和干扰，可以通过低通滤波器、带通滤波器等进行实现。
放大是为了增强信号的幅度，使得信号能够适应后续的处理和传输需求，可以通过放大器来实现。
采样率转换是为了将信号的采样率转换为适合特定应用的采样率，可以通过插值和抽取等技术来实现。
此外，信号调理还包括信号校准、线性化等操作。
信号校准是为了使得信号的测量和控制结果更加准确和可靠，可以通过校准电路和算法来实现。
线性化是为了使得非线性信号能够线性化处理，常见的技术包括自动增益控制（AGC）、自动调零（Auto-Zero）等。
综上所述，信号转换和信号调理是电子电路中非常重要的环节。
信号转换可以将原始信号转换为适合处理和传输的形式，而信号调理则是对转换之后的信号进行增强和处理，以提高信号的质量和可靠性。
机械工程测试技术基础第四章小结及测试题
第四章 信号调理、记录和显示
一、重点内容及难点 （一）电桥
1、电桥平衡条件：
2、应变电桥输出电压表达式： 半桥单臂
e
u R ΔR u 0
041≈
；半桥双臂
e
u R R u 0
021∆=；全桥e u R R
u 0
0∆=。
（二）滤波器
1、分类：从选频角度，可将滤波器分为：低通、高通、带通和带阻滤波器。
其中低通滤波器是最根本的。
2、主要参数：
（1）滤波器的截止频率 （2）滤波器的带宽B ： （3）品质因数Q ：
3、实际滤波器（RC 低通、高通、带通） 二、章节测试题 （一）填空题
1、RC 低通滤波器的动态特性参数是 ，其在 元器件两端输出信号。
2、RC 高通滤波器是 阶系统，动态特性参数是 ，其在 元器件两端输出信号。
3、滤波器的带宽越宽，其滤波的分辨率就越 。
4、电桥的作用是把电感、电阻、电容的变化转化为 输出的装置。
5、在桥式测量电路中，按照 的性质，电桥可分为直流和交流电桥。
6、在桥式测量电路中，根据工作时阻抗参与变化的可将其分为半桥与全桥测量电路。
7、常用滤波器的上、下截止频率
f、2c f的定义
1c
为，其带宽B＝。
8、RC低通滤波器中RC值愈，则上截止频率愈低。
（二）简答题
1、简述滤波器的作用
(三)计算题
1、P152课后习题4-1
2、P153课后习题4-10
3、P153课后习题4-11。
chapter4 信号调理和记录new
Z1 Z 3 Z 2 Z 4
把各阻抗代入平衡条件式，得：
Z 01 Z 03 e
j ( 1 3 )
Z 02 Z 04 e
j ( 2 4 )
若此式成立，必须同时满足下列两等式：
兰州理工大学机电工程学院
Z 01 Z 03 Z 02 Z 04 1 3 2 4
一、 直流电桥
a
●平衡条件
R1
R1R3 R2 R4
b
R4 E
d
V
R3
c
R2
R1 R3 R2 R4 V E ( R1 R2 )(R3 R4 )
不平衡条件
兰州理工大学机电工程学院
如果电桥的4个电阻中任一个或者多个 电阻阻值发生变化，将打破平衡条件，使得 输出电压发生变化。 测量电桥正是利用这一特点。
相对臂阻抗模之积相等 相对臂阻抗角之和相等
为满足上述条件，交流电桥各臂可有不同的组合。常用 的电容、电感电桥，其相邻两臂接入电阻
（例如 Z R , Z R
02 2 03
3
2 3 0
）
而另外两个桥臂接入相同性质的阻抗，例如都是电容或 者都是电感，保持 1 4 。
兰州理工大学机电工程学院
兰州理工大学机电工程学院
第四章 信号的调理与记录
本章学习要求：
1.电桥原理与应用 2.信号调制解调原理
3.信号滤波器工作原理
4.模拟信号放大电路原理 5.信号的记录
兰州理工大学机电工程学院
概述
第一节、电桥 第二节、调制与解调
第三节、滤波器
第四节、信号放大
第五节、测试信号的显示与记录
兰州理工大学机电工程学院
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美国AD公司生产 INA114/118：BB公司生产的高精度仪用放大器。 MAX4195/4196/4197：MAX公司生产
2、仪用放大器的工作原理 仪用放大器是在运算放大器的基础上演变而来的模拟
集成专用器件，其内部有如图4-1所示的三运放结构。
INA114集成仪用放大器为例说明仪用放大器的工作原理。
Uo
R2 R1
Ui1
(1
R2 R1
)
R4 R3 R4
Ui2
Ui1
R1
Ui2
R3
∞ -+ +A
Uo
R4 取 R1=R3，R2=R4，则
Uo
R2 R1
UidKBiblioteka R2 R1特点：CMRR高，但输入阻抗较低，增益调节困难。
4. 仪用放大器
A1A2：两个对称 的同相放大器，以 提高输入阻抗；
A3：差动放大器， 以抵消前级的共模 干扰，而且还将双 端输入转换为单端 输出，适应对地负 载的需要。
二、隔离放大器
在隔强离电或放强大磁器干是扰指的输环境入中、，输有出静、电电耦合源、、电电磁流耦和合电及接阻地上回彼路此的 干扰隔。离所，以使除输了人将模与拟输信出号间先没经有低通直滤接波耦器合滤的掉测高频量干放扰大，器还。必隔须 合理离接放地大，器并具将有放大以器下加特上点静：电屏蔽和电磁屏蔽，称作隔离放大技 术，（具1）有这能种保功护能系的统放中大器器称件作不隔受离高放共大器模。电压损害，防止高
第四章 检测系统中信号的转换与调理
第一节 信号的放大与隔离 第二节 调制与解调 第三节 滤波电路 第四节 信号变换电路 第五节 线性化
1
信号转换与调理的目的：便于信号的传输与处理
1. 传感器输出信号很微弱，无法直接驱动显示记录仪表，需 要进行放大。
2. 传感器输出信号不仅微弱，而且变化缓慢(频率低)，若用 交流放大器放大，需要进行调制解调处理。
U1
+5V Rp 2
8
3 Ui
R2
REF 5 4
R4 LD
A2 UREF VD 2 I
-5V
U2
光功率自动控制电路的作用：克服供电电源波动或光源 老化等因素的影响，确保光源输出功率稳定。
+5V
+5V
I U1 U2 K (Ui Ui )
R1
PIN
7
2 1
Ui
Uo 6
R4
Rp 1
INA114
3
放大器的性能要求：
开环增益足够大，闭环增益可调； 输入阻抗高(与传感器输出阻抗相匹配)，输出阻抗低；
共模抑制比高：CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc；
足够的带宽和转换速率； 漂移小、噪声低、输入失调电压低、输入失调电流小。
（一）测量放大器电路原理
1. 反相放大器
R2
K R2 R1
Ui
R1
)(Ui
Ui
)
Ui
Δ
R2 A2 Uo R4 R6
Uo
R5 R3
Uo
(1
R5 ) R3
R6 R4 R6
Uo
R5 R3
(Uo
Uo )
K Uo (1 R1 R2 ) R5
Ui+ Ui
RP R3
（二）集成测量放大器
1、典型的程控仪用放大器集成电路芯片 AD521,AD522，AD612，AD614,AD620，AD623：
案例：INA114与测量电桥的连接
350Ω 350Ω
+5V
350Ω
0.1μF
27
350Ω
RP 1 INA114 6 Uo
8
34
5
-5V 0.1μF
案例：INA114在光功率自动控制电路中的应用
+5V
+5V U0 K Ui Ui VRe f
Δ Δ
R1
PIN
7
2
1 Ui
Uo 6
Rp 1
INA114 VD1 R3 A1
3. 能量控制型传感器输出的是电参量，需要转换成电信号 才能进行处理(电桥)。 4. 能量转换型传感器输出的是电信号，但混杂有干扰噪声， 需要进行滤波，提高信噪比。
5. 传感器输出信号若送给计算机进行分析与处理时，必须进 行A/D转换；为了实现远距离传输，必须进行V/I或V/F转换。
第一节 信号的放大与隔离
INA114是一种通用仪用放大器,尺寸小,精度高,价格便宜. 如图4-2所示，为INA114的内部结构图：
Ui RP
Ui
V
V
7
4
50kΩ K 1
Rp
2 输入
Δ
25 kΩ 25 kΩ
保护
A1
1
25 kΩ
Δ
A3
6 Uo
8 输入
3 保护
Δ
5
A2 25 kΩ 25 kΩ
REF
参考电压输出端通常接地，为了确保良好的共模抑制比，连接低阻抗，
-
∞ +
+A
Uo
R3 R1 / / R2
R3
特点：性能稳定，但输入阻抗低。 而且提高输入阻抗与提高增益之间存在矛盾。
2. 同相放大器
K 1 R2 R1
Ui
R3
∞
++
Uo
-A
R3 R1 / / R2
R1
R2
特点：输入阻抗高，但精度低，易受干扰。
3. 差动放大器
Uid= Ui2﹣Ui1
R2
Uic=(Ui1+ Ui2)/2
Ui
Δ
Uo R3
A1 R1
A
Rp I
B
R2
Δ
Ui
A2 Uo R4
R1 R2 R3 R4
Δ
R5
A3
Uo
R6 R5 R6
Uo
(1
R1 RP
)Ui
R1 RP
Ui
Ui
Δ
Uo R3 R5 A1 R1
A
Δ
Uo
(1
R2 Rp
)Ui
R2 Rp
Ui
Rp I B
A3
Uo
Uo
Uo
(1
R1 R2 Rp
一、 测量放大器 在典型的工业环境中，传感器到放大器的距离有时在
3m以上，为了测量由远距离处的传感输送的低电平 信号，采用的放大器就应有足够的共模抑制比、电压 增益、输入阻抗和稳定性。 共模信号和差模信号是指差动放大器双端输入时的输入 信号。 共模信号：双端输入时，两个信号同相。 差模信号：双端输入时，两个信号的相位相差180度。 任何两个信号都可以分解为共模信号和差模信号。
如果一个5欧的电阻串联在此引脚，将引起共模抑制比下降80dB
可以看到： R1 = R2 = R3 = R4 = 25K ，所以， INA114的输出为：
V0
(1
50K RG
)(Vin
Vin )
VRe
f
应当注意的是，由于电路存在共模电压，应当选 用共模抑制比较高的集成运放，才能保证一定的 运算精度。
VD1 R3 A1
R4
U1
Δ Δ
+5V Rp 2
8
3 Ui
R2
REF 5 4
R4 LD
A2 UREF VD 2 I
-5V
U2
当激光器LD因某种原因功率增大时，耦合至光敏二极
管PIN的光电流也同比例增大，从而使电阻R1上的电位升 高。此时INA114的输出电压Uo降低，即U1也降低，流过 LD的电流I也相应降低，从而达到降低LD辐射功率。
2、仪用放大器的工作原理 仪用放大器是在运算放大器的基础上演变而来的模拟
集成专用器件，其内部有如图4-1所示的三运放结构。
INA114集成仪用放大器为例说明仪用放大器的工作原理。
Uo
R2 R1
Ui1
(1
R2 R1
)
R4 R3 R4
Ui2
Ui1
R1
Ui2
R3
∞ -+ +A
Uo
R4 取 R1=R3，R2=R4，则
Uo
R2 R1
UidKBiblioteka R2 R1特点：CMRR高，但输入阻抗较低，增益调节困难。
4. 仪用放大器
A1A2：两个对称 的同相放大器，以 提高输入阻抗；
A3：差动放大器， 以抵消前级的共模 干扰，而且还将双 端输入转换为单端 输出，适应对地负 载的需要。
二、隔离放大器
在隔强离电或放强大磁器干是扰指的输环境入中、，输有出静、电电耦合源、、电电磁流耦和合电及接阻地上回彼路此的 干扰隔。离所，以使除输了人将模与拟输信出号间先没经有低通直滤接波耦器合滤的掉测高频量干放扰大，器还。必隔须 合理离接放地大，器并具将有放大以器下加特上点静：电屏蔽和电磁屏蔽，称作隔离放大技 术，（具1）有这能种保功护能系的统放中大器器称件作不隔受离高放共大器模。电压损害，防止高
第四章 检测系统中信号的转换与调理
第一节 信号的放大与隔离 第二节 调制与解调 第三节 滤波电路 第四节 信号变换电路 第五节 线性化
1
信号转换与调理的目的：便于信号的传输与处理
1. 传感器输出信号很微弱，无法直接驱动显示记录仪表，需 要进行放大。
2. 传感器输出信号不仅微弱，而且变化缓慢(频率低)，若用 交流放大器放大，需要进行调制解调处理。
U1
+5V Rp 2
8
3 Ui
R2
REF 5 4
R4 LD
A2 UREF VD 2 I
-5V
U2
光功率自动控制电路的作用：克服供电电源波动或光源 老化等因素的影响，确保光源输出功率稳定。
+5V
+5V
I U1 U2 K (Ui Ui )
R1
PIN
7
2 1
Ui
Uo 6
R4
Rp 1
INA114
3
放大器的性能要求：
开环增益足够大，闭环增益可调； 输入阻抗高(与传感器输出阻抗相匹配)，输出阻抗低；
共模抑制比高：CMRR=差模增益Kd/共模增益Kc；
足够的带宽和转换速率； 漂移小、噪声低、输入失调电压低、输入失调电流小。
（一）测量放大器电路原理
1. 反相放大器
R2
K R2 R1
Ui
R1
)(Ui
Ui
)
Ui
Δ
R2 A2 Uo R4 R6
Uo
R5 R3
Uo
(1
R5 ) R3
R6 R4 R6
Uo
R5 R3
(Uo
Uo )
K Uo (1 R1 R2 ) R5
Ui+ Ui
RP R3
（二）集成测量放大器
1、典型的程控仪用放大器集成电路芯片 AD521,AD522，AD612，AD614,AD620，AD623：
案例：INA114与测量电桥的连接
350Ω 350Ω
+5V
350Ω
0.1μF
27
350Ω
RP 1 INA114 6 Uo
8
34
5
-5V 0.1μF
案例：INA114在光功率自动控制电路中的应用
+5V
+5V U0 K Ui Ui VRe f
Δ Δ
R1
PIN
7
2
1 Ui
Uo 6
Rp 1
INA114 VD1 R3 A1
3. 能量控制型传感器输出的是电参量，需要转换成电信号 才能进行处理(电桥)。 4. 能量转换型传感器输出的是电信号，但混杂有干扰噪声， 需要进行滤波，提高信噪比。
5. 传感器输出信号若送给计算机进行分析与处理时，必须进 行A/D转换；为了实现远距离传输，必须进行V/I或V/F转换。
第一节 信号的放大与隔离
INA114是一种通用仪用放大器,尺寸小,精度高,价格便宜. 如图4-2所示，为INA114的内部结构图：
Ui RP
Ui
V
V
7
4
50kΩ K 1
Rp
2 输入
Δ
25 kΩ 25 kΩ
保护
A1
1
25 kΩ
Δ
A3
6 Uo
8 输入
3 保护
Δ
5
A2 25 kΩ 25 kΩ
REF
参考电压输出端通常接地，为了确保良好的共模抑制比，连接低阻抗，
-
∞ +
+A
Uo
R3 R1 / / R2
R3
特点：性能稳定，但输入阻抗低。 而且提高输入阻抗与提高增益之间存在矛盾。
2. 同相放大器
K 1 R2 R1
Ui
R3
∞
++
Uo
-A
R3 R1 / / R2
R1
R2
特点：输入阻抗高，但精度低，易受干扰。
3. 差动放大器
Uid= Ui2﹣Ui1
R2
Uic=(Ui1+ Ui2)/2
Ui
Δ
Uo R3
A1 R1
A
Rp I
B
R2
Δ
Ui
A2 Uo R4
R1 R2 R3 R4
Δ
R5
A3
Uo
R6 R5 R6
Uo
(1
R1 RP
)Ui
R1 RP
Ui
Ui
Δ
Uo R3 R5 A1 R1
A
Δ
Uo
(1
R2 Rp
)Ui
R2 Rp
Ui
Rp I B
A3
Uo
Uo
Uo
(1
R1 R2 Rp
一、 测量放大器 在典型的工业环境中，传感器到放大器的距离有时在
3m以上，为了测量由远距离处的传感输送的低电平 信号，采用的放大器就应有足够的共模抑制比、电压 增益、输入阻抗和稳定性。 共模信号和差模信号是指差动放大器双端输入时的输入 信号。 共模信号：双端输入时，两个信号同相。 差模信号：双端输入时，两个信号的相位相差180度。 任何两个信号都可以分解为共模信号和差模信号。
如果一个5欧的电阻串联在此引脚，将引起共模抑制比下降80dB
可以看到： R1 = R2 = R3 = R4 = 25K ，所以， INA114的输出为：
V0
(1
50K RG
)(Vin
Vin )
VRe
f
应当注意的是，由于电路存在共模电压，应当选 用共模抑制比较高的集成运放，才能保证一定的 运算精度。
VD1 R3 A1
R4
U1
Δ Δ
+5V Rp 2
8
3 Ui
R2
REF 5 4
R4 LD
A2 UREF VD 2 I
-5V
U2
当激光器LD因某种原因功率增大时，耦合至光敏二极
管PIN的光电流也同比例增大，从而使电阻R1上的电位升 高。此时INA114的输出电压Uo降低，即U1也降低，流过 LD的电流I也相应降低，从而达到降低LD辐射功率。