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1、第五章、测试信号调理技术 工程测试技术基础 本章学习要求： 1.了解模拟信号放大电路原理 2.了解信号调制解调原理 3.了解信号滤波器工作原理 信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。 5.1 信号调理的目的 第五章、测试信号调理技术 1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能 直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需 要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。 2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪 声，需要去掉噪声，提高信噪比。 3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要 对传感器测量信进行调制解调处理。 5.2 信号放大 第五章、测试信号调理技术 分类 放大器 直流放大器 交流放大器 电荷放大
2、器 直流电桥 特点 交流电桥 低频保留,高频截止 高频保留,低频截止 1 直流放大电路 5.2 信号放大电路 电压增益: 1) 反相放大器 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。 烟雾报警器酒精传感器二氧化碳传感器 2)同相放大器 5.2 信号放大电路 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。 同相放大器也是最基 本的电路 ，其闭环电压 增益Av为: 2 交流放大电路 5.2 信号放大电路 R1一般取几十千欧。耦合电容C1、C3可根据交流 放大器的下限频率fL来确定。 若只需要放大交
3、流信号，可采用图示的集成 运放交流电压同相放大器。其中电容C1、C2及C3 为隔直电容。 3 直流电桥 5.2 信号放大电路 平衡条件 VE R1 R3 R2 R4 5.2 信号放大电路 令： 5.2 信号放大电路 4 交流电桥 电感电容 传感器传感器 平衡条件 5.2 信号放大电路 电桥的接法： 单臂 半桥全桥 5 电荷放大器 5.2 信号放大电路 F + 第五章、测试信号调理技术 5.3调制与解调 1 目的 解决微弱缓变信号的放大以及信号 的传输问题。 第五章、测试信号调理技术 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
4、缓变信号。 例：交流电桥 Vin Vo R1 R3 R2 R4 5.3调制与解调 2 种类 调制信号 x(t) 0t 载波信号 z(t) 0t 5.3调制与解调 a) 幅度凋制(AM) b) 频率调制(FM) c) 相位调制(PM) 5.3调制与解调 3 幅度调制 调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与 测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变 化而变化 缓变信号 调制 高频信号 放大 放大高 频信号 解调 放大缓 变信号 5.3调制与解调 幅度调制与解调过程（波形分析） 乘法器 放大器 x(t) z(t) x m(t) 乘法器 滤波器 z(t) x(t) 5.3调制与解调 幅度调制与解调过
5、程（频谱分析） 乘法器 放大器 x(t) z(t) x m(t) 乘法器 滤波器 z(t) x(t) 5.3调制与解调 幅度调制与解调过程（数学分析） 乘法器 放大器 x(t) z(t) x m(t) 乘法器 滤波器 z(t) x(t) 5.3调制与解调 实验：同步调治与解调实验 上述调制方法，将信号x(t) 直接与载波z(t)相乘这种 调幅波具有极性变化，解调 时必须再乘与z(t)相位相同 的z(t) 方能复原出原信号 ，故称同步解调 5.3调制与解调 非抑制调幅 若对信号x(t)进行偏置，叠加一个直流分量D ，使偏置后的信号都具有正电压。 5.3调制与解调 调幅 5.3调制与解调 解调 二
6、极管检波 低通滤波 5.3调制与解调 调幅波的波形失真 a）过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏 置必须足够大，否则x(t)的相位将发生180。 5.3调制与解调 b)重叠失真：调幅波是由一对每边为fm的双边带信 号组成当载波频率fz较低时，正频端的下边带将 与负频端的下边带相重叠要求: fzfm 5.3调制与解调 动手做： 用个人测试实验室中数字 信号发生器、波形运算器 等软件芯片，设计一个非 抑制调幅与解调系统。 5.3调制与解调 4 频率调制 调频是利用信号x(t)的幅值调制载波的频 率，或者说，调频波是一种随信号x(t)的电压 幅值而变化的疏密度不同的等幅波. 5.3调制与解调 5.
7、3调制与解调 鉴频： T1 T2 T3 T4 F 5.3调制与解调 优点：抗干扰能力强。 调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅 所要求带宽的20倍；调频系统较之调幅系统复 杂，因为频率调制足一种非线性调制。 因为调频信号所携带的信息包含在频率变化 之中，并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主 要表现在振幅之中 缺点：占频带宽度大，复杂 5.3调制与解调 案例：旋转机械扭距测量 5.3调制与解调 案例：铁路机车调度 信号检测 调制频率8.5Hz，绿灯 调制频率23.5Hz，红灯 5.3 信号的滤波 第五章、测试信号调理技术 滤波器是一种选频装置，可以使 信号中特定频率成分通过，而极大地 衰减其他频
8、率成分 第五章、测试信号调理技术 1 滤波器分类（根据滤波器的选频作用分） 低通 高通 第五章、测试信号调理技术 带通 带阻 2 滤波器的串/并联 低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种 最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这 两种类型的滤波器。 5.3 信号的滤波 3 理想滤波器 理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位 都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器 。 5.3 信号的滤波 fc H(f ) f Q(f ) 理想滤波器的物理不可实现 理想滤波器在时域内的脉冲响应函数 h（t ）为 sinc函数。脉冲响应的波形沿横坐标左、 右无限延伸。 给理想滤波器一个脉冲激励，在t=0时刻单
9、 位脉冲输入滤波器之前，滤波器就已经有响应了 。故物理不可实现。 5.3 信号的滤波 fc H(f ) 4 实际滤波器 理想滤波器是不存在的，实际滤波器幅频特 性中通带和阻带间没有严格界限,，存在过渡带。 5.3 信号的滤波 0 f A 5.3 信号的滤波 0 ffc1fc2 A0 0.707A0 1)截止频率fc：0.707A0所对应的频率 d 2)纹波幅度d：绕幅频特性均值A0波动值 3)带宽B和品质因数Q：下两截频间的频率范围 称为带宽。中心频率和带宽之比称为品质因数 。 B Q=W0 / B 4)倍频程选择性W 指在上截止频率fc2与2fc2之间幅频特性的衰 减值，即频率变化一个倍频程
10、时的衰减量。 5.3 信号的滤波 倍频程衰减量以dB/oct表示（Octave，倍频程 ）。衰减越快（即W值越大），滤波器的选择性越 好。 5 恒带宽、恒带宽比滤波器 实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实 际滤波器中心频率与带宽之问的数值关系，可以 分为两种。 5.3 信号的滤波 2) 恒带宽比带通滤波器 1) 恒带宽带通滤波器 5.3 信号的滤波 1/3倍频程滤波器 6 RC无源滤波器 在测试系统中，常用RC滤波器。因为这一领 域中信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简 单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标 准阻容元件 。 1) 一阶RC低通滤波器 5.3 信号的滤波 5.3 信号
11、的滤波 2) 一阶RC高通滤波器 5.3 信号的滤波 3) RC带通滤波器 可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联 5.3 信号的滤波 产品 5.3 信号的滤波 LineDa: LTC1564 MAXIM: MAX74xx 5.3 信号的滤波 2.2 信号的时域波形分析 6 滤波器的应用 超门限报警 案例：旅游索道钢缆检测 5.3 信号的滤波 由案例提炼的典型实验：钢管无损探伤 滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警 5.3 信号的滤波 案例：机床轴心轨迹的滤波处理 5.3 信号的滤波 案例：机床轴心轨迹的滤波处理 滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律 5.3 信号的滤波 动手做： 调节计算机mp3播放器等 软件中的声音均衡器，试 验其对音乐信号的滤波情 况。 5.3 信号的滤波 思考题： 1 信号调理的内容和目的 ？ 2 信号放大电路的种类，如何根据传感器输出 特性选择合适的放大电路 ？ 3 信号调制与解调的种类 ？ 4 幅度调制与解调的原理 ？ 5 调幅波的失真，如何消除 ？ 6 信号滤波器的种类 ？ 7 如何根据测试信号中有用成分和干扰成分的 频谱来选择滤波器种类和设定其参数 ？