第十章 檢測電路設(shè)計及信號調(diào)理

1、第十章第十章 傳感器檢測電路設(shè)計傳感器檢測電路設(shè)計 10.1信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路 10.2 線性化線性化10.3信號變換技術(shù)信號變換技術(shù) 10.4濾波與阻抗匹配濾波與阻抗匹配 10.5噪聲及干擾抑制技術(shù)噪聲及干擾抑制技術(shù) 2014/10/24測試技術(shù) 洪冶15.1信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路 5.1.1 放大電路放大電路 1、 幾個基本概念幾個基本概念等效電路等效電路共模電壓、差模電壓（常模電壓）共模電壓、差模電壓（常模電壓）差模放大倍數(shù)、共模放大倍數(shù)差模放大倍數(shù)、共模放大倍數(shù)共模抑制比共模抑制比2014/10/24測試技術(shù) 洪冶25.1.1 放大電路（續(xù)）放大電路（續(xù)） 2、集成運算放大器、

2、集成運算放大器 3、比例放大電路、比例放大電路 121URAR 2014/10/24測試技術(shù) 洪冶35.1.1 放大電路（續(xù)）放大電路（續(xù)） 1fURAR Of SuR i 2014/10/24測試技術(shù) 洪冶45.1.1 放大電路（續(xù)）放大電路（續(xù)） 112122()OSRRuuuuRR4、儀用放大電路、儀用放大電路 1122(1)OUIIguRAuuR 2014/10/24測試技術(shù) 洪冶55.1.3 調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào) 調(diào)制調(diào)制是指利用某種信號來控制或改變普通為高頻振蕩信號的某個參數(shù)（幅值、頻率或相位）的過程。 當(dāng)被控制的量是高頻振蕩信號的幅值時，稱為幅值調(diào)制或調(diào)幅； 當(dāng)被控制的量為高頻振

3、蕩信號的頻率時，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻； 當(dāng)被控制的量為高頻振蕩信號的相位時，則稱為相位調(diào)制或調(diào)相。 2014/10/24測試技術(shù) 洪冶6 將控制高頻振蕩的低頻信號稱調(diào)制波，載送低頻信號的高頻振蕩信號稱為載波，而將經(jīng)過調(diào)制過程所得的高頻振蕩波稱已調(diào)制波。 從時域上講，調(diào)制過程即是使載波的某一參量隨調(diào)制波的變化而變化，而在頻域上，調(diào)制過程則是一個移頻的過程。 解調(diào)解調(diào)則是從已調(diào)制波信號中恢復(fù)出原有低頻調(diào)制信號的過程。 調(diào)制與解調(diào)(MODEM)是一對信號變換過程,在工程上常常結(jié)合在一起使用。 2014/10/24測試技術(shù) 洪冶7幅值調(diào)制幅值調(diào)制 原理： 設(shè)x(t)為被測信號，y(t)為高頻載波信號，若

4、選擇余弦信號：y(t)=cos2f0t，則已調(diào)制信號xm(t)為x(t)與y(t)的乘積： xm(t)=x(t) cos2f0t。由傅里葉變換性質(zhì)知：則有 )(*)()()(fYfXtytx 000*21*)(212cosfffXfffXtftx（4.25）2014/10/24測試技術(shù) 洪冶8v調(diào)幅的過程在頻域上就相當(dāng)于一個移頻的過程。 圖4.14 幅值調(diào)制原理（a）時域 （b）頻域 2014/10/24測試技術(shù) 洪冶9 調(diào)制信號為正弦信號 設(shè)調(diào)制信號為x(t)=ASsinSt，載波信號為y(t)=ACsinCt,則經(jīng)調(diào)制后的已調(diào)制波為 采用三角積化和差公式： 將上式應(yīng)用于公式（4.26）得

5、tAtAtytxxccssmsinsin(4.26)cos21cos21sinsin(4.27)ttAAxscsccsmcoscos2(4.28)2014/10/24測試技術(shù) 洪冶10 已調(diào)制波信號的頻譜是一個離散譜，僅僅位于頻率c -s和c +s處，即以載波信號c為中心，以調(diào)制信號s為間隔的左右兩頻率（邊頻）處。其幅值大小則等于As與Ac乘積之半。 圖4.15 正弦信號的幅值調(diào)制 2014/10/24測試技術(shù) 洪冶11 幅值調(diào)制裝置實質(zhì)上是一個乘法器，經(jīng)常采用電橋來作調(diào)制裝置，其中以高頻振蕩電源供給電橋作為裝置的載波信號，則電橋輸出ey便為調(diào)幅波。 圖例中電橋的電壓為5V，頻率為3000Hz

6、。若測量的應(yīng)變量其頻率變化比如為010Hz，電橋輸出信號的頻譜在2990和3010Hz之間。圖4.16 電橋調(diào)幅裝置應(yīng)用 2014/10/24測試技術(shù) 洪冶12幅值調(diào)制的解調(diào)幅值調(diào)制的解調(diào) 1. 同步解調(diào)法 原理：將調(diào)幅波再經(jīng)一乘法器與原載波信號相乘，則調(diào)幅波的頻譜在頻域上將再次被進行移頻。由于載波信號的頻率仍為f0，因此，再次移頻的結(jié)果是使原信號的頻譜圖形出現(xiàn)在0和的2f0頻率處。由于在解調(diào)過程中所乘的信號與調(diào)制時的載波信號具有相同的頻率與相位，因此這一解調(diào)的方法稱為同步解調(diào)。時域分析上有： tftxtxtftftx0004cos2122cos2cos(4.34)2014/10/24測試技術(shù)

7、 洪冶13圖4.19 同步解調(diào)原理 2014/10/24測試技術(shù) 洪冶142. 整流檢波 原理： 對調(diào)制信號偏置一個直流分量A，使偏置后的信號具有正電壓值。對該信號作調(diào)幅后得到的已調(diào)制波xm(t)的包絡(luò)線將具有原信號形狀。對該調(diào)幅波xm(t)作簡單的整流（全波或半波整流）和濾波便可恢復(fù)原調(diào)制信號。 2014/10/24測試技術(shù) 洪冶15圖4.20 調(diào)制信號加偏置的調(diào)幅波（a）偏置電壓足夠大 （b）偏置電壓不夠大 2014/10/24測試技術(shù) 洪冶163. 相敏解調(diào) 原理：相敏解調(diào)或相敏檢波能用來鑒別調(diào)制信號的極性，利用交變信號在過零位時其正、負(fù)極性發(fā)生突變，使調(diào)幅波相位與載波信號相比較也相應(yīng)地

8、產(chǎn)生180相位跳變，從而既能反映原信號的幅值又能反映其相位。 2014/10/24測試技術(shù) 洪冶17圖4.21 二極管相敏檢波器及其工作原理 (a)R(t)0,0 (b) R(t)0,2 (c)與(d) R(t)C1 1221CCQ2214CQC 212121011CCRCCRRRQC0221RQC012755.4濾波與阻抗匹配濾波與阻抗匹配 設(shè)計過程設(shè)計過程：選擇合適的電阻值選擇合適的電阻值計算兩個電容值計算兩個電容值若若C1 的值太大，重新選一個大一些的電阻的值太大，重新選一個大一些的電阻若若C2的值太小，重新選一個小一些的電阻的值太小，重新選一個小一些的電阻若若C2的值太小，的值太小，C

9、1 的值又太大，則濾波器到了性能極的值又太大，則濾波器到了性能極限限選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)元件值，重新計算，給出全部參數(shù)。選擇最接近的標(biāo)準(zhǔn)元件值，重新計算，給出全部參數(shù)。 765.4濾波與阻抗匹配濾波與阻抗匹配 注意注意： 很多情況下，要做的工作是選擇濾波器，而不是設(shè)計很多情況下，要做的工作是選擇濾波器，而不是設(shè)計濾波器。濾波器。 如：如：MAX280（單片集成（單片集成5階巴特沃斯低通濾波器）階巴特沃斯低通濾波器） MAX263/264 （單片集成通用有源濾波器）（單片集成通用有源濾波器）5.4.3阻抗匹配阻抗匹配 Impedance Matching 傳輸線的核心問題之一是功率傳輸，在低頻中傳輸

10、線的核心問題之一是功率傳輸，在低頻中間有最大功率傳輸定理。只要負(fù)載滿足間有最大功率傳輸定理。只要負(fù)載滿足 時，可達到電源最大功率輸出，即資用功率時，可達到電源最大功率輸出，即資用功率P Pa a ZZlq*PPERZaegmax/()182(8-1)(8-1)(8-2)(8-2)EZgZl一、匹配網(wǎng)絡(luò)特性 進一步推廣低頻電路問題?，F(xiàn)在有一匹配網(wǎng)絡(luò)進一步推廣低頻電路問題?，F(xiàn)在有一匹配網(wǎng)絡(luò)( (它可以是傳輸線段，也可以是任意的它可以是傳輸線段，也可以是任意的Network。但但滿足無耗條件滿足無耗條件) )，處于電源與負(fù)載之間。如圖所示，處于電源與負(fù)載之間。如圖所示定理互易匹配網(wǎng)絡(luò)無耗。在系統(tǒng)匹配

11、時定理互易匹配網(wǎng)絡(luò)無耗。在系統(tǒng)匹配時, ,有有 則則 ZZing* ZZinl* 證明證明 對于無耗網(wǎng)絡(luò)可寫出對于無耗網(wǎng)絡(luò)可寫出 *222112112121222212121111ZaZjajaZaZjaAaAjaAaAllni(8-3)(8-3)一、匹配網(wǎng)絡(luò)特性 EZinZgZlZin匹配網(wǎng)絡(luò)mathing Net圖圖 8-2 8-2 匹配網(wǎng)絡(luò)匹配網(wǎng)絡(luò) 容易導(dǎo)出容易導(dǎo)出 Za Zjaja Zalgg22122111*一、匹配網(wǎng)絡(luò)特性 也也即即 另一方面另一方面 由網(wǎng)絡(luò)輸出端向電源看，計及由網(wǎng)絡(luò)輸出端向電源看，計及Za Zjaja Zalgg*22122111UIAAAAUI221112212

12、2111Zin匹配網(wǎng)絡(luò)mathing NetZg-I1-I2圖圖 8-3 8-3 匹配網(wǎng)絡(luò)匹配網(wǎng)絡(luò) (8-4)(8-4)一、匹配網(wǎng)絡(luò)特性 和和( (上面已應(yīng)用了網(wǎng)絡(luò)互易條件上面已應(yīng)用了網(wǎng)絡(luò)互易條件) )可知可知 AAAAAAAA11122122122122111UA UAIIA UAI22211212211111()()()ZUIZUIZinlg/ (),/ (),2211 (8-5)(8-5)Z ina Zjaja Zagg22122111考慮到，考慮到， 可知可知一、匹配網(wǎng)絡(luò)特性 對比式對比式(8-4)(8-4)和和(8-5)(8-5)馬上得到匹配網(wǎng)絡(luò)定理馬上得到匹配網(wǎng)絡(luò)定理如果網(wǎng)絡(luò)是一段

13、特性阻抗為如果網(wǎng)絡(luò)是一段特性阻抗為Z的傳輸線，則的傳輸線，則 可達到無反射的行波匹配。也分別稱為電源和負(fù)載的可達到無反射的行波匹配。也分別稱為電源和負(fù)載的阻抗匹配。阻抗匹配。 需要注意：匹配的概念與匹配區(qū)域相關(guān)，以后將需要注意：匹配的概念與匹配區(qū)域相關(guān)，以后將清楚看到，在匹配區(qū)域外，實際上是存在反射波的。清楚看到，在匹配區(qū)域外，實際上是存在反射波的。 ZZinl*ZZZZgl00(8-6)(8-6)一、匹配網(wǎng)絡(luò)特性 EZ =Zg0Z0Z =Zl0圖圖 8-4 8-4 阻抗匹配阻抗匹配 二、電阻性負(fù)載匹配 阻抗匹配大致分成兩類：電阻性負(fù)載匹配和任意阻抗匹配大致分成兩類：電阻性負(fù)載匹配和任意負(fù)載匹

14、配。電阻性負(fù)載指的是負(fù)載匹配。電阻性負(fù)載指的是Zl=RlZ，最常見的是最常見的是采用采用 線匹配，有線匹配，有 容易得到匹配段的特性阻抗容易得到匹配段的特性阻抗 再次注意到：只有匹配區(qū)才無反射波。再次注意到：只有匹配區(qū)才無反射波。 ZZRZinl020ZR Zl0014(8-7)(8-7)(8-8)(8-8)二、電阻性負(fù)載匹配 Z0Z0Z =Rlll/4匹配區(qū)外匹配區(qū)圖圖 8-5 8-5 匹配段匹配段 定理定理 電抗性阻抗電抗性阻抗 ZRjZlll 121010tantanXZRXZRllll14通過通過(8-9)(8-9)二、電阻性負(fù)載匹配 變換成純阻變換成純阻 RZRZZRZZRZZRZZ

15、lllllllll()()()()0220220220220圖圖 8-6 8-6 Z0Z =R +jXlllR l因為這個問題前面已經(jīng)討論過，此處不再證明。因為這個問題前面已經(jīng)討論過，此處不再證明。 (8-10)(8-10)三、電抗性負(fù)載匹配 這里的電抗性負(fù)載匹配指的是直接用傳輸線段和這里的電抗性負(fù)載匹配指的是直接用傳輸線段和并聯(lián)支節(jié)匹配帶電抗性負(fù)載并聯(lián)支節(jié)匹配帶電抗性負(fù)載( (Note，不是純電抗不是純電抗) )。 1. 1. 單枝節(jié)匹配單枝節(jié)匹配 匹配對象：任意負(fù)載匹配對象：任意負(fù)載 其中其中 調(diào)節(jié)參數(shù)：枝節(jié)距負(fù)載距離調(diào)節(jié)參數(shù)：枝節(jié)距負(fù)載距離d 和枝節(jié)長度和枝節(jié)長度l。 分析枝節(jié)匹配的方法

16、均采用倒推法分析枝節(jié)匹配的方法均采用倒推法由結(jié)果推由結(jié)果推向原因向原因。 Zrjxlllrl 0三、電抗性負(fù)載匹配 另外，由于短路枝節(jié)并聯(lián)，我們?nèi)坎捎脤?dǎo)納更另外，由于短路枝節(jié)并聯(lián)，我們?nèi)坎捎脤?dǎo)納更為方便。為方便。 結(jié)果要求結(jié)果要求 并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系有并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系有 Yjin100.YYYinisinYjbYjbinin 1YgjblllYjbin 1g 10 .(8-11)(8-11)(8-12)(8-12) 利用利用 和系統(tǒng)的和系統(tǒng)的|不變性，沿等不變性，沿等|圓轉(zhuǎn)圓轉(zhuǎn)到到 。專門把。專門把 的圓稱為匹配圓。的圓稱為匹配圓。三、電抗性負(fù)載匹配 ldYBin=1+jYin=1YBin=-jYB

17、ll= +Gl圖圖 8-7 8-7 單枝節(jié)匹配單枝節(jié)匹配 單枝節(jié)匹配通常有兩組解。單枝節(jié)匹配通常有兩組解。 三、電抗性負(fù)載匹配 例例1 1Z=50的無耗傳輸線，接負(fù)載的無耗傳輸線，接負(fù)載Zl=25+j75 采用并聯(lián)單枝節(jié)匹配采用并聯(lián)單枝節(jié)匹配 圖圖 8-8 8-8 ir00.00.60.4120.3080.192匹配圓向電源ZlY1Y1Yl三、電抗性負(fù)載匹配 1 1. . 負(fù)載歸一化負(fù)載歸一化 2. 2. 采用導(dǎo)納計算采用導(dǎo)納計算 ( (對應(yīng)對應(yīng)0.412)0.412)3. 3. 將將 向電源向電源( (順時針順時針) )旋轉(zhuǎn)，與匹配圓旋轉(zhuǎn)，與匹配圓( (g=1) )相交相交兩點兩點4. 4.

18、 求出枝節(jié)位置求出枝節(jié)位置Zjl0515.Yjl0206.YlYjYjll 1220192122.(.). (0.308) 對應(yīng)對應(yīng))(396. 0308. 0088. 0308. 0)412. 05 . 0()(280. 0192. 0088. 0192. 0)412. 05 . 0(21dd三、電抗性負(fù)載匹配 5 5短路枝節(jié)長度短路枝節(jié)長度 由于短路表示由于短路表示 ，且是電抗，所以要看單位，且是電抗，所以要看單位外圓，如圖外圓，如圖8-98-9所示。所示。 ir00.0向電源l2l10.1820.3180.25Y1Y1Yl圖圖 8-9 8-9 Yl 三、電抗性負(fù)載匹配 ll1203180

19、25006802501820732.( ).( )共有兩組解答，一般選長度較短的一組。共有兩組解答，一般選長度較短的一組。 2. 2. 雙枝節(jié)匹配雙枝節(jié)匹配 剛才已經(jīng)注意到：單枝節(jié)匹配中枝節(jié)距離剛才已經(jīng)注意到：單枝節(jié)匹配中枝節(jié)距離d是要是要改變的，為了使改變的，為了使主饋線主饋線位置固定，自然出現(xiàn)了雙枝節(jié)位置固定，自然出現(xiàn)了雙枝節(jié)匹配。匹配。 雙枝節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)是由兩個可變并聯(lián)短路枝節(jié)，中雙枝節(jié)匹配網(wǎng)絡(luò)是由兩個可變并聯(lián)短路枝節(jié)，中間有一個已知固定距離間有一個已知固定距離d=1/8（個別也有個別也有1/4或或3/8）構(gòu)成。構(gòu)成。 三、電抗性負(fù)載匹配 匹配對象：任意負(fù)載匹配對象：任意負(fù)載 調(diào)節(jié)參數(shù)：雙

20、枝節(jié)長度調(diào)節(jié)參數(shù)：雙枝節(jié)長度l和和l 分析的方法同樣采用倒推法，假定已經(jīng)匹配，則分析的方法同樣采用倒推法，假定已經(jīng)匹配，則十分明顯，十分明顯， 在匹配圓軌跡。通過傳輸線在匹配圓軌跡。通過傳輸線 ( (也即向也即向負(fù)載方向轉(zhuǎn)負(fù)載方向轉(zhuǎn)90) )，構(gòu)成，構(gòu)成 軌跡。軌跡。( (在雙枝節(jié)匹配中在雙枝節(jié)匹配中, , 專門稱為輔助圓專門稱為輔助圓) )。 Zrjx(r)llll 0YjYjbYjbb 10013242.Y3/ 8YaYa三、電抗性負(fù)載匹配 YgjbYYjbl12 也即按等也即按等 圓旋轉(zhuǎn)到輔助圓上，由此算出圓旋轉(zhuǎn)到輔助圓上，由此算出 。 Yjb2 YbY3YaY1YlY2Y4l2l1d=

21、81l圖圖 8-10 8-10 雙枝節(jié)匹配雙枝節(jié)匹配 g三、電抗性負(fù)載匹配 ir0輔助圓Y3軌跡Ya軌跡匹配圓圖圖 8-11 8-11 雙枝節(jié)輔助圓雙枝節(jié)輔助圓 三、電抗性負(fù)載匹配 例例2 2 解決如圖的特殊雙枝節(jié)匹配。解決如圖的特殊雙枝節(jié)匹配。 ll88l2l1Z =jl100+ 50 Z=50 圖圖 8-12 8-12 解解 1. 1. 采用采用Z=50的歸一化的歸一化Zjl21三、電抗性負(fù)載匹配 2 2. . 并聯(lián)枝節(jié)應(yīng)用導(dǎo)納處理并聯(lián)枝節(jié)應(yīng)用導(dǎo)納處理3. 3. 通過通過/8/8距離距離( (向電源方向向電源方向) )4. 4. 按等電導(dǎo)圓交輔助圓于按等電導(dǎo)圓交輔助圓于 ( (本來應(yīng)該有兩

22、個解，這里只討論其中一個本來應(yīng)該有兩個解，這里只討論其中一個) )。 則可得則可得 Yjl0402.Yj105050088.(.) 對應(yīng)YaYjYYa0501412.Yjjj2014050036 .l104450250195( .).三、電抗性負(fù)載匹配 5 5. . 由由 向負(fù)載向負(fù)載9090與匹配圓交于與匹配圓交于 YjYYYb344107210 .Yj4072 .155. 0)25. 0405. 0(2lYaY3另另一組解這里未作討論一組解這里未作討論。于是于是三、電抗性負(fù)載匹配 ir0Y1YaY30.088圖圖 8-13 8-13 三、電抗性負(fù)載匹配 3. 3. 關(guān)于關(guān)于“死區(qū)死區(qū)” 雙

23、枝節(jié)的一個主要問題是，對于某些負(fù)載雙枝節(jié)的一個主要問題是，對于某些負(fù)載 無法無法匹配，即所謂匹配，即所謂“死區(qū)死區(qū)”問題。具體問題。具體 若，則若，則 2 2 則無法匹配。一般地則無法匹配。一般地 是是“死區(qū)死區(qū)”。d / 8glgdl12sinY1(8-13)(8-13)(8-14)(8-14)三、電抗性負(fù)載匹配 對于雙枝節(jié)對于雙枝節(jié) ，而，而 是純電納。因此，是純電納。因此， 和和 有共同的電導(dǎo)有共同的電導(dǎo)g。換句話說，換句話說， 和和 在一個等電在一個等電導(dǎo)圓上。另一方面，導(dǎo)圓上。另一方面， 又必須在輔助圓上。這就從又必須在輔助圓上。這就從反面表明：如果等電導(dǎo)圓不與輔助圓相交，即此類反面

24、表明：如果等電導(dǎo)圓不與輔助圓相交，即此類負(fù)載無法用雙枝節(jié)匹配。負(fù)載無法用雙枝節(jié)匹配。若以若以 為例，幾何關(guān)系有為例，幾何關(guān)系有 12112222() rrYYYa122YaYY1Y1YaYad / 8(8-15)(8-15)其中，其中，r是是“死區(qū)死區(qū)”圓的半徑。圓的半徑。三、電抗性負(fù)載匹配 很易得到很易得到rg1113ir0死區(qū)A2211(1- )rrg圖圖 8-14 8-14 “死區(qū)死區(qū)”問問題題 g g=2=2顯然顯然( (1010-16)-16) 一、一、 無耗同軸線的特性阻抗為無耗同軸線的特性阻抗為50W，負(fù)載阻負(fù)載阻抗為抗為100W，工作頻率為工作頻率為1 000 MHz，今用今用 /4線進行線進行匹配，求此匹配，求此 /4線的特性阻抗和長度。線的特性阻抗和長度。 二二、 無耗雙導(dǎo)線的歸一化負(fù)載導(dǎo)納無耗雙導(dǎo)線的歸一化負(fù)載導(dǎo)納yL為為(1) 0.45+j0.2；(2)0.45+j0.2，求支節(jié)的長度應(yīng)是多少。求支節(jié)的長度應(yīng)是多少。 三、在特性阻抗三、在特性阻抗600W的無耗雙導(dǎo)線上測得的無耗雙導(dǎo)線上測得|Vmax|=200V，|Vmin|=40V，dmin=0.15l，求求ZL；今用短今用短路支節(jié)進