工程测试技术 第四章模拟信号处理 第一讲

1、工程测试技术,第四章、模拟信号处理,本章学习要求：,掌握模拟信号放大原理 掌握电桥原理及基本特性 掌握信号调制及解调原理 掌握理想滤波器模型 了解实际滤波器基本参数,本章内容,概述 信号调理的目的和内容 信号放大原理 电桥原理和基本特性 调制原理 幅度调制及解调原理 频率调制原理 滤波器原理,信号处理电路,信号输出,传感器信号,模拟信号处理结构示意图,4.1 概述,从结构上来讲，具体的模拟信号处理过程实际上是一个系统，传感器信号是系统的输入，处理后的信号是系统的输出，处理的内容和复杂程度不同，系统的规模和结构也将不同。信号处理技术决定着检测设备的总体性能。,系统辨识,反求,预测,信号分析 不改

2、变信号本身的状态和特征，在信号的传输历程中，它是并联于该历程上的运算，由旁路输出运算结果,信号处理,结果输出,信号输入,信号分析,结果输出,信号输入,信号处理与信号分析的本质区别,信号处理 会改变信号本身的状态和特征，是串联于信号传输历程上的运算，运算后的输出改变信号的状态,信号处理的目的,将由探头输出的检测信号不失真地进行放大、滤波等处理，提高检测信号的信噪比和抗干扰能力，进一步进行信号的识别、分析、诊断、显示、存贮、打印、记录等，以显示出最明显的信号特征或检测结果。,典型模拟信号处理(最大)系统框图,当检测信号信噪比较高时，模拟信号识别是简单可行的；当检测信号背景噪声大或信号特征复杂时，则

3、效果剧减且电路复杂。定性(半定量)检测时模拟信号处理方法以其低成本和简单结构有明显优势；当检测要求较高或欲实现定量检测时，该方法则无法胜任。,信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。,信号调理的目的,4.2 信号放大,2 分类,放大器,直流放大器,交流放大器,电荷放大器,幅度增大；低频保留，高频截止(工作点会产生温漂，稳定性是设计重点) 幅度增大；高频保留，低频截止（工作点保持在0V不变，温漂影响小，电路稳定性好，结构简单） 电荷增大（特殊的放大器，设计中输出电压随传感器电荷变化而变化） Z U,1 目的:将传感器输出的微弱电信号进行增强，以达到后续处理要求,电桥,直流放大电路,1) 反相放大

4、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。,反相放大器是最基本的电路，其闭环电压增益Av为:,2）同相放大器,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:,直流放大电路,交流放大电路,若只需要放大交流信号，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。,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。,补充：石英晶体的压电效应,天然形成的石英晶体外形,补充：石英晶体的压电效应,天然形

5、成的石英晶体外形（续）,补充：石英晶体的压电效应,石英晶体切片及封装,石英晶体薄片,双面镀银并封装,补充：石英晶体的压电效应,在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的轴表示，纵轴Z称为光轴，通过六棱线而垂直于光铀的X轴称为电轴，与X-X轴和Z-Z轴垂直的Y-Y轴 (垂直于六棱柱体的棱面)称为机械轴。,晶片在正常情况下呈现电性。通常把沿电轴(X轴)方向的作用力产生的压电效应称为“纵向压电效应”，把沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生切向效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。,压电传感器等效电路,某些传

6、感器如压电式加速度传感器、压电式压力传感器，当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。故可把压电传感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器。阻抗非常高，工作时将产生正比于被测物理量的电荷量，具有较好的线性度。,其电容量为：,因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua和一个电容器Ca的串联电路，如图 (b)。,当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为,压电传感器等效电路,实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连接，连接导线的等效电容CC、前置放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci对电路的影响就必须一起考虑进去。当考虑了压电元件的绝缘电阻Ra以后，压电

7、传感器完整的等效电路可表示成下图所示的电压等效电路(a)和电荷等效电路(b)。这两种等效电路是完全等效的。,图 压电传感器的完整等效电路 (a) 电压源; (b) 电荷源,压电传感器等效电路,压电传感器适宜作动态测量 利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度。而在动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作动态测量。 压电式传感器的测量电路 由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示

8、仪表或记录器中。(其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大器。）,压电传感器等效电路,压电式传感器的测量电路,前置放大器的作用 将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信号。 前置放大器电路有两种形式 用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比； 用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。,电压放大器（阻抗变换器）,图 压电传感器接放大器的等效电路 (a)放大器电路；（b）输入简化后等效电路,连接导线等效电容CC、前置放大器输入电阻Ri、

9、输入电容Ci。压电元件绝缘电阻Ra,在上图(b)中，电阻R=RaRi/(Ra+Ri),电容C=Cc+Ci，而ua=q/Ca，若压电元件受正弦力f=Fm sint的作用，则其电压为：,式中： Um压电元件输出电压幅值； Um=dFm/Ca；d压电系数，下标的意义为产生电荷的面的轴向及施加作用力的轴向。,由此可得放大器输入端电压Ui，其复数形式为：,的幅值Uim为：,输入电压和作用力之间相位差为,电压放大器（阻抗变换器）,电压放大器（阻抗变换器）,在理想情况下，传感器的泄漏电阻Ra与前置放大器输入电阻Ri都为无限大，即(Ca+Cc+Ci)R1，则理想情况下输入电压幅值Uim为,上式表明前置放大器输

10、入电压Uim与频率无关，一般在/03时，就可以认为Uim与无关，0为测量电路时间常数之倒数，即,上式表明压电传感器有很好的高频响应，但是，当作用于压电元件的力为静态力(=0)时，前置放大器的输出电压等于零，因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉，所以压电传感器不能用于静态力的测量。,当(Ca+Cc+Ci)R1 时，式中Cc为连接电缆电容，当电缆长度改变时，Cc也将改变，因而Uim也随之变化。因此，压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换，否则将引入测量误差。,电压放大器（阻抗变换器）,图 电荷放大器等效电路,电荷放大器,连接导线等效电容CC、前置放大器输入电阻Ri、输入电容C

11、i。压电元件绝缘电阻Ra,电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容CF和高增益运算放大器构成。由于运算放大器输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流，故可略去Ra和Ri并联电阻。,式中 ： Uo放大器输出电压； Ucf 反馈电容两端电压。,由运算放大器基本特性， 可求出电荷放大器的输出电压,通常A=104108，当满足(1+A)CfCa+Cc+Ci时，上式可表示为：,由上式知，电荷放大器的输出电压Uo只取决于输入电荷与反馈电容CF，与电缆电容Cc无关，且与q成正比，因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的最大特点。 在实际电路中，CF

12、的容量做成可选择的，范围一般为100104pF。,放大器特性比较,放大是测试系统的基本环节，放大器的放大倍数是关键的参数!,4.3 电桥,电桥是测试中常用的信号处理方法，是将电阻、电感、电容及阻抗参量的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路，由于电路简单，并具有较高的精确度和灵敏度，被广泛使用。 电桥分类: (按照其激励电源) 直流电桥 交流电桥,对于电阻式传感器，既可采用直流电桥形式，也可采用交流电桥形式。 对于电感式、电容式传感器或阻抗式传感器（如电涡流式传感器），则应配用交流电桥，与传感器配接的电桥主要采用不平衡电桥。,1）直流电桥,平衡条件,2）交流电桥,平衡条件,电桥的变换原理,电压

13、源供电电桥电路,电流源供电电桥电路,电压源供电，桥路电流,输出电压（电压源供电条件下的桥臂值与输出电压的关系式）,电桥的基本特性,单臂电桥，一个桥臂阻值发生变化，其余三个臂的阻值均恒定，对应接入一个传感器的变换器情况。,差动半桥，两个桥臂阻值发生差动变化，其余两个恒定，对应于接入一个差动式传感器的两个差动变换器情况。,差动全桥，四个桥臂阻值均发生差动变化，对应于接入一个传感器的四个差动变换器作为电桥的四个桥梁情况。,1、输入输出特性,假设1：采用等臂电桥,假设2：桥臂阻值改变量的绝对值相同,单臂电桥,差动半桥,差动全桥,单臂电桥,2,差动半桥,差动全桥,电压源供电时的输入-输出（Z-U）特性,

14、单臂电桥,差动半桥,差动全桥,在输入量Z相同的情况下： 差动半桥的输出U近似为单臂电桥的两倍； 差动全桥的输出是差动半桥的两倍，近似为单臂电桥的四倍。,2、灵敏度,单臂电桥,差动半桥,差动全桥,电压源供电,单臂电桥的灵敏度是输入Z的函数，即在全量程范围内不为常量，Z U 特性不是一条直线，具有非线性。,差动半桥与差动全桥的灵敏度与输入量Z无关，它是不随输入量Z变化的常量，Z U 特性是一条理想直线,差动半桥的灵敏度是单臂电桥的两倍。 差动全桥的灵敏度是差动半桥的两倍，近似为单臂电桥的四倍。,3、电桥对同符号干扰量的补偿特性,假设1：各差动变换器的改变量符号相同 假设2：各差动变换器的改变量的数

15、值相同,单臂电桥,差动半桥,差动全桥,桥臂阻值的改变量是有用信号与温度干扰信号共同作用的结果：,单臂电桥,差动半桥,差动全桥,电压源供电、有同符号温度干扰量时的输入-输出(Z-U)特性,差动电桥（半桥及全桥）对同符号的温度干扰量ZT具有抵偿作用： 分子中没有干扰量ZT，清除了干扰量ZT对被测作用量Z的影响； 在分母中存在有干扰量ZT ，但它以比值ZT /Z0形式出现，对输出的影响小，因此温度误差大大减小。,恒流源供电差动全桥，在输入-输出特性中没有干扰量ZT ，理论上无温度误差！,电桥原理及特性小结,与单臂电桥相比，差动电桥的特性获得很大改善，如灵敏度提高，非线性误差减小，对同符号干扰量有抵偿

16、作用等。差动式传感器与差动电桥相配合，能使测量系统获得更为优良的特性。 直流电桥与交流电桥的分析有较大的区别： 前者用直流电路分析方法； 后者用交流电路分析方法，电路中的频率、相位均会产生影响。,4.4 调制,1 调制 (1) 为什么要调制? (a) 传感器输出的直流信号放大问题; (b) 模拟信号处理器要求; (c) 信号传输要求.,解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题！,电缆 电阻值：0.033欧姆/米；电容值：30pF/米 工作频带窄、传输速率低、保密性能差 光缆 工作频带宽、传输速率高、保密性能好 费用高 无线 工作频带受限、传输距离大、保密性能差 费用高,传输干扰,1. 先将微弱

17、的缓变信号加载到高频交流信号中 2. 然后利用交流放大器进行放大 3. 最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。,调制解调过程,调制种类,调制信号x(t),载波信号,a) 幅度凋制(AM),b) 频率调制(FM),c) 相位调制(PM),使载波的振幅与信号振幅成比例地变化的方法，称为调幅。,使载波的频率与信号振幅成比例地变化的方法，称为调频。,使载波的相位与信号振幅成比例地变化的方法，称为调相。,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,载波,调幅波,信号,由卷积定理，在时域中两个信号相乘，则对应在频域中这两个信号进行卷积。,调

18、幅过程，相当于频率“搬移”过程！,解调,将原信号从接收到的调制波中抽取出来称为解调(demodulatlon)。,只解调调幅波时，特称为检波(detection)。 将解调电路称为解调器(demodulator)， 有时也称检波器(detector)。,同步解调,若用一个低通滤波器滤除中心频率为2fz 的高频成分，就可以复现原信号的频谱（幅值减半，可用放大处理补偿），这一过程称为同步解调。 “同步”指解调时所乘的信号与调制时的载波信号具有相同的频率和相位。,把调幅波再次与载波信号相乘，则频域图形将再一次进行“搬移”。,幅度调制与解调过程（波形与频谱分析）,幅度调制与解调过程（数学描述）,实验：

19、同步调制与解调实验,抑制调幅,将调制信号x(t)直接与载波信号z(t)相乘，这种调幅波具有极性变化。 即：在信号过零线时幅值发生由正到负(或由负到正）的突然变化，调幅波的相位(相对于载波)也相应地发生180度的相位变化，此种调制方法称为抑制调幅。 抑制调幅波须采用同步解调（也叫相敏解调，相敏检波），方能反映出原信号的幅值和极性。,非抑制调幅,对信号x(t)进行偏置，叠加直流分量A，使偏置后信号都具有正电压，这种调制方法称为非抑制调幅，或偏置调幅，其调幅波包络线具有原信号形状。,称为调幅指数,非抑制调幅波一般采用整流、滤波（或称包络法）检波就可以恢复原信号！,1) 过调失真,正常调制,m1 时，当x(t)取最大负值时，可能使A1+mx(t)0，意味着x(t)的相位将发生180的倒相，称为过调。,调幅误差分析,过调