1,第八章 中间转换电路,被测物理量通过信号检测传感器后转换为电参数或电量。其中电阻、电感、电容、电荷、频率等还需要进一步转换为电压或电流。一般情况下电压、电流还需要放大。这些功能都由中间转换电路来实现。因此，中间转换电路是信号检测传感器与测量记录仪表和计算机之间的重要桥梁。,2,中间变换电路,主要作用：将信号检测传感器输出的微弱信号进行放大、滤波，以满足测量、记录仪表的需要；完成信号的组合、比较，系统间阻抗匹配及反向等工作，以实现自动检测和控制；完成信号的转换。在信号检测技术中，常用的中间转换电路有电桥、放大器、滤波器、调频电路、阻抗匹配电路等。,3,1、概念 电桥是将电阻、电感、电容等参数的变化变换为电压或电流输出的一种测量电路。 2、优点 灵敏度高、测量范围宽、容易实现温度补偿等。 3、分类：直流电桥、交流电桥 当电桥输出端接入的仪表或放大器的输入阻抗足够大时，可认为其负载阻抗为无穷大。这时把电桥称为电压桥；当其输入阻抗与内电阻匹配时，满足最大功率传输条件，这时电桥被称为功率桥或电流桥。,8.1 电桥,4,8.1.1直流电桥,直流电桥的桥臂只能为电阻，如图所示。电阻R1、R2、R3、R4作为四个桥臂，在A、C端(称为输入端，电源端)接入直流电源U0，在B、D端(称为输出端，测量端)输出电压UBD。测量时常用等臂电桥，即R1R2R3R4，或电源端对称电桥，即R1R2，R3R4。,5,直流电桥的平衡条件,6,直流电桥的和差特性,设电桥四臂增量分别为R1、R、R、R，则电桥的输出为,7,直流电桥,组桥时，应变片的灵敏系数K必须一致，上式又可写成 上式在应变测量中非常重要。它表明各桥臂应变对电桥输出的影响，相对桥臂的应变值相加，相邻桥臂的应变值相减，有人又将其简称为加减特性。 三种典型桥路的输出特性 （1）单臂电桥 ：当R1为工作应变片，其他的为固定电阻时的桥路称为单臂电桥，只有电阻值发生变化，此时的输出电压：,8,（2）半桥：当相邻的两个电阻为应变片，其它两个为固定电阻时的桥路称为半桥。此时输出电压： （3）全桥：四个臂全为工作应变片的桥路称为全桥，此时的输出电压为： 从上面的介绍，我们可以看到单臂电桥、半桥、全桥的输出电压之比为：,9,8.1.2 交流电桥,交流电桥平衡条件：,10,由传感器输出的信号通常需要进行电压放大或功率放大，以便对信号进行检测，因此必须采用放大器。 放大器的种类很多，使用时应根据被测物理量的性质不同而合理选择（例如热电耦测温度时的热电势信号），如对变化缓慢、非周期性的微弱信号，可以选用直流放大器或调制放大器。对压电式传感器常配有电荷放大器。放大器应满足： （1）放大倍数大且线性度好； （2）抗干扰能力强且内部噪声低； （3）动态响应快； （4）输入阻抗高以保证测量精度； （5）输出阻抗低使之有足够的输出功率。,8.2 放大器,11,在放大电路中，运算放大器是应用最广泛的一种模拟电子器件。其特点是输入阻抗高、增益大、可靠性高、价格低廉、使用方便。一个理想的运算放大器具有以下性质： 1、开环增益为无穷； 2、输入阻抗为无穷； 3、输出阻抗为零； 4、带宽为无穷； 5、干扰噪声等于零。,8.2.1运算放大器,12,反相放大器是最基本的电路，如下图所示。其闭环电压增益Av为： 反馈电阻RF值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。R1 的取值应远大于信号源Ui 的内阻。,反相放大器,13,同相放大器也是最基本的电路，如下图所示。其闭环电压增益Av为 同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。,同相放大器,同相放大器,14,8.2.2 差动放大器,当运算放大器的反相端和同相端分别输入信号U1和U2时（如图所示），输出电压U0为 R1=R2，RF=R3时为差动放大器，其差模电压增益为,15,当R1=R2=RF=R3时，为减法器， 输出电压为： U0=U2-U1 。由于差动放大器具有双端输入、单端输出、共模抑制比较高（R1=R2，RF=R3）的特点，通常用作传感放大器或测量仪器的前端放大器。,16,8.2.3 测量放大器,运算放大器对微弱信号的放大，仅适用于信号回路不受干扰的情况。然而，传感器的工作环境往往比较恶劣和复杂，在传感器的两条输入线上经常产生较大的干扰信号，有时是完全相同的共模干扰。对微弱信号及具有较大共模干扰的场合，可采用测量放大器（或称仪用放大器、数据放大器）进行放大。,17,测量放大器,测量放大器的基本电路：,18,测量放大器,放大器由两级串联。前级由两个同向放大器组成，为对称结构，输入信号加在前两个运放的同向输入端，从而具有高抑制共模干扰的能力和高输入阻抗。后级是差动放大器，它不仅切断共模干扰的传输，还将双端输入方式变换成单端输入方式，以适应对地负载的需要。 差动放大器的输入Ui为：,19,测量放大器,测量放大器的放大倍数可由下式计算： R4是用于调节放大倍数的外接电阻，通常采用多圈电位器，并应靠近组件。若距离较远，应将连线绞合在一起。 组成前级差动放大器的两个芯片必须要配对，即两块芯片的温度漂移符号和数值尽量相同或接近，以保证模拟输入为零时，放大器的输出尽量接近于零。此外，还要满足：,20,8.2.4 微分放大器,由运算放大特性可得： 由上式可以看出，放大器的输出与输入的微分成正比，因此称其为微分放大器。,21,8.2.4积分放大器,积分放大器与反向放大器类似，主要区别在于其反馈采用了电容元件。由运算放大特性可得：,22,滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。 根据带通和带阻所处的范围不同，滤波器可以进行如下的分类： 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器,8.3 滤波器,1) 低通滤波器 从0f2频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大地衰减。 2) 高通滤波器与低通滤波相反，从频率f1，其幅频特性平直。它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于f1的频率成分将受到极大地衰减。,3) 带通滤波器它的通频带在f1f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成分受到衰减。4) 带阻滤波器与带通滤波相反，阻带在频率f1f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。,25,RC滤波器 在测试系统中，常用RC滤波器。因为在这一领域中，信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰性强，有较好的低频性能，并且选用标准的阻容元件，所以在工程测试的领域中最经常用到的滤波器是RC滤波器。 1)一阶RC低通滤波器 RC低通滤波器的电路及其幅频、相频特性如图所示。 分析可知，当 f 很小时，A(f)=1，信号不受衰减地通过；当 f 很大时，A(f )=0，信号完全被阻挡，不能通过。,26,2)一阶RC高通滤波器 RC高通滤波器的电路及其幅频、相频特性如图所示。 分析可知，当f 很小时，A(f)=0，信号完全被阻挡，不能通过；当f 很大时，A(f )=1，信号不受衰减的通过。 低通和高通的截止频率相同，f c =1 / ( 2RC ),27,3) RC带通滤波器,带通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联，其电路及其幅频、相频特性如下图所示。,28,极低和极高的频率成分都完全被阻挡，不能通过；只有位于频率通带内的信号频率成分能通过。 应注意，当高、低通两级串联时，应消除两级耦合时的相互影响，因为后一级成为前一级的“负载”，而前一级又是后一级的信号源内阻。实际上两级间常用射极输出器或者用运算放大器进行隔离。所以实际的带通滤波器通常是有源的。有源滤波器由RC调谐网络和运算放大器组成。运算放大器既可起级间隔离作用，又可起信号幅值的放大作用。,29,LC滤波器 利用电感的感抗与频率成正比、电容的容抗与频率成反比的特性，以电感作串臂、电容并臂构成的就是LC滤波器。由于电感对高频的阻流作用和电容对高频的分流作用，它可以使较低频率的信号通过，从而抑制了高频的噪声干扰。 选用滤波器时注意以下几点： （1）仪表的外接阻抗及放大器的输入阻抗； （2）滤波器时间常数对仪表动态性能的影响； （3）滤波器的频率特性。,30,电压/频率转换器的作用是把电压信号转变成频率信号。将涡流流量计、光电式或磁阻式转速传感器与其配合使用，可以实现稳态和动态测量和记录；若与计算机连接，可以对流量、转速等物理量自动实现数据采集、处理和控制。,8.4 V/F变换,31,V/F变换器,集成LM131/231/331 V/F变换 特点： 1）线性度高； 2）可工作在单电源或双电源下； 3）脉冲输出与TTL CMOS等逻辑电平兼容； 4）温度稳定性好； 5）低功耗，5伏供电典型值为15mw； 6）输入电压02Vcc； 7）频率范围1100KHz； 8）价格低。,32,线路图及输出：,33,在工业控制系统中，常常以电流方式为传输信号。因为电流信号适合于长距离传输，传输中信号衰减小、抗干扰能力强。因此，大量的常规工业仪表是以电流方式互相配接。按仪器仪表标准，DDZ-系列仪表各单元之间的联络信号为010mA,而DDZ-系列仪表各单元之间的联络信号为420mA。一般D/A转换器的的输出信号有的是电压方式，有的是电流方式，但是电流幅度大都在微安数量级。因此，D/A转换器的输出常常需要配接V/I（电压/电流）转换器。常用的V/I转换器可分为两种，一种为负载共源方式，另一种为负载共地方式.,8.5 V/I转换器,34,V/I转换,对于负载共源方式的V/I转换电路，由于运算放大器输入负端与输入正端电位基本相等，即ViVf，可得：,负载共地方式：是一个电流并联负反馈电路。由于运算放大器正负输入端电位近似相等，当R2很大且远大于Rf，可得,化简得：,如果取R1=100k,R2=20k,Rf=100 则当Vi在0+5V时，I0为010mA。,36,使用负载共地方式需要注意以下几点：电路中各电阻应当选用精密电阻，以保证足够的转换精度。转换器的零位可以由运算放大器的调零端实现。如果采用没有调零端的运算放大器，就必须附加额外的高零电路。正电源的取值必须满足+V ( R f + RL )Iomax，Iomax为Io 的最大值。如果需要改变输入电压范围，只需要改变R2/R1的数值就可以实现。如果需要将单极性输入改变为双极性输入，则需要在运算放大器输入端附加偏置电压。,