第五章 信号调理-调制与电桥

1、第五章、测试信号调理技术第五章、测试信号调理技术 工程测试技术基础工程测试技术基础 本章学习要求：本章学习要求： 1.1.了解模拟信号放大电路原理了解模拟信号放大电路原理 2 2、了解电桥工作原理、了解电桥工作原理 3.3.了解信号调制解调原理了解信号调制解调原理 4.4.了解信号滤波器工作原理了解信号滤波器工作原理 信号调理的目的是便于信号的传输以及后续处理。信号调理的目的是便于信号的传输以及后续处理。 5.1 5.1 信号调理的目的信号调理的目的 第五章、测试信号调理技术第五章、测试信号调理技术 1.1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能传感器输出的电信号很微弱，大多数不能 直接输送到显

2、示、记录或分析仪器中去，需直接输送到显示、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。要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。 2.2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪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。声，需要去掉噪声，提高信噪比。 3.3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要某些场合，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。对传感器测量信进行调制解调处理。 5.2 信号放大电路信号放大电路 电压增益电压增益: : 1) 1) 反相放大器反相放大器 1 R R A F v 反馈电阻反馈电阻R RF F值不能太大，否则

3、会产生较大的值不能太大，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。噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。R1R1的的 取值应远大于信号源取值应远大于信号源UiUi的内阻的内阻。 5.2 5.2 信号放大信号放大 2)2)同相放大器同相放大器 5.2 信号放大电路信号放大电路 同相放大器具有输入阻抗非同相放大器具有输入阻抗非 常高，输出阻抗很低的特点，常高，输出阻抗很低的特点， 广泛用于前置放大级。广泛用于前置放大级。 同相放大器也是最基同相放大器也是最基 本的电路本的电路 ，其闭环电压，其闭环电压 增益增益AvAv为为: : 1 1 R R A F v 3 3） 交流放大电路交流

4、放大电路 5.2 信号放大电路信号放大电路 R1R1一般取几十千欧。耦合电容一般取几十千欧。耦合电容C1C1、C3C3可根据交流可根据交流 放大器的下限频率放大器的下限频率fLfL来确定。来确定。 )2/()103( 31LL fRCC 1 1 R R A F v 若只需要放大交流信号，可采用图示的集成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。其中电容运放交流电压同相放大器。其中电容C1C1、C2C2及及C3C3 为隔直电容。为隔直电容。 4 4） 电荷放大器电荷放大器 fyiicai CeeCCCeq)()( ff y KCCC Kq e )( F + 5.2 信号放大

5、电路信号放大电路 电桥就是将电阻、电容、电感等参数转化电桥就是将电阻、电容、电感等参数转化 为电压或电流信号输出的一种测量电路。为电压或电流信号输出的一种测量电路。 5.3 电桥电路电桥电路 平衡条件平衡条件 4231 RRRR E RRRR RRRR V )( 4321 4231 1 1 直流电桥：供桥电源为直流直流电桥：供桥电源为直流 5.3 电桥电路电桥电路 上式中上式中,四个桥臂产生的电阻变化分别为四个桥臂产生的电阻变化分别为R1, R2, R3, 以及以及R4,且初始各臂阻值相等且初始各臂阻值相等R1=R2=R3=R4=R,考虑到考虑到 R1R,于于 是是,上式可简化为上式可简化为:

6、 R1R2R3R4 4RRRR E V 1234 4 g E VS 各应变片灵敏度相同为各应变片灵敏度相同为Sg,于是于是 由此可见由此可见：1 1）若相邻桥臂电阻同向变换，电桥输出电压变化相互抵消；）若相邻桥臂电阻同向变换，电桥输出电压变化相互抵消； 2 2）若相邻桥臂电阻反向变换，电桥输出电压变化叠加；若相邻桥臂电阻反向变换，电桥输出电压变化叠加； VE R1 R4 R2 R3 5.3 电桥电路电桥电路 对于半桥对于半桥 单臂，令：单臂，令： RR 1 dRRR 4 RR 2 RR 3 E dRRRRR dRRRRR V )( )( R dRE 4 5.3 电桥电路电桥电路 电桥的接法：电

7、桥的接法： 半桥单臂半桥单臂 半桥双臂半桥双臂全桥全桥 5.3 电桥电路电桥电路 电桥输出灵敏度增倍电桥输出灵敏度增倍 2 2 交流电桥交流电桥 电感电感电容电容 传感器传感器传感器传感器 平衡条件平衡条件 4231 ZZZZ 5.3 电桥电路电桥电路 第五章、测试信号调理技术第五章、测试信号调理技术 5.45.4调制与解调调制与解调 1 1 目的目的 解决微弱缓变信号的传输问题。解决微弱缓变信号的传输问题。 第五章、测试信号调理技术第五章、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，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，最后再从放大器的然后利

8、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。输出信号中取出放大了的缓变信号。 例：交流电桥例：交流电桥 Vin V o R1 R3 R2 R4 5.4调制与解调调制与解调 2 2 种类种类 调制信号调制信号 x(t)x(t) 0 0t t 载波信号载波信号)2cos()(ftAtz z(t)z(t) 0 0t t 5.4调制与解调调制与解调 a) a) 幅度凋制幅度凋制(AM)(AM) )2cos()(*)(fttxAty b) b) 频率调制频率调制(FM)(FM) )*)(2cos()( 0 ttxfAty c) c) 相位调制相位调制(PM(PM) )(2co

9、s()( 0 txftAty 5.4调制与解调调制与解调 3 3 幅度调制幅度调制 调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与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测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变 化而变化化而变化 )2cos()(*)( 0 fttxAty 缓变信号缓变信号 调制调制 高频信号高频信号 放大放大 放大高放大高 频信号频信号 解调解调 放大缓放大缓 变信号变信号 5.4调制与解调调制与解调 幅度调制与解调过程（波形分析）幅度调制与解调过程（波形分析） 乘法器乘法器 放大器放大器 x(t) z(t) x m(t) 乘法器乘法器 滤

10、波器滤波器 z(t) x(t) 5.4调制与解调调制与解调 幅度调制与解调过程（频谱分析）幅度调制与解调过程（频谱分析） 乘法器乘法器 放大器放大器 x(t) z(t) x m(t) 乘法器乘法器 滤波器滤波器 z(t) x(t) w w w w w w 5.4调制与解调调制与解调 幅度调制与解调过程（数学分析）幅度调制与解调过程（数学分析） 乘法器乘法器 放大器放大器 x(t) z(t) x m(t) 乘法器乘法器 滤波器滤波器 z(t) x(t) )(tx )2cos()()(tftxtx zm )(tz )(tz tftxty zm 2cos)()( 2 )22cos()()( 2 1

11、tftxtx z 5.4调制与解调调制与解调 实验：同步调治与解调实验实验：同步调治与解调实验 上述调制方法，将信号上述调制方法，将信号x(t)x(t) 直接与载波直接与载波z(t)z(t)相乘这种相乘这种 调幅波具有极性变化，解调调幅波具有极性变化，解调 时必须再乘与时必须再乘与z(t)z(t)相位相同相位相同 的的z(t) z(t) 方能复原出原信号，方能复原出原信号， 故称同步解调故称同步解调 5.4调制与解调调制与解调 调幅失真：调幅波是由一对每边为调幅失真：调幅波是由一对每边为fmfm的双边带信号的双边带信号 组成当载波频率组成当载波频率fzfz较低时，正频端的下边带将与较低时，正频

12、端的下边带将与 负频端的下边带相重叠要求负频端的下边带相重叠要求: : fz fzfmfm 5.4调制与解调调制与解调 非抑制调幅非抑制调幅 若对信号若对信号x(t)x(t)进行偏置，叠加一个直流分量进行偏置，叠加一个直流分量D D， 使偏置后的信号都具有正电压。使偏置后的信号都具有正电压。 )2cos()()(fttxDtxm )()( txDtx )(tx t t 5.4调制与解调调制与解调 调幅调幅 5.4调制与解调调制与解调 解调解调 二极管检波二极管检波 低通滤波低通滤波 5.4调制与解调调制与解调 调幅波的波形失真调幅波的波形失真 a a）过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏）过

13、调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏 置必须足够大，否则置必须足够大，否则x(t)x(t)的相位将发生的相位将发生180180。 5.4调制与解调调制与解调 4 4 频率调制频率调制 调频是利用信号调频是利用信号x(t)x(t)的幅值调制载波的频的幅值调制载波的频 率，或者说，调频波是一种随信号率，或者说，调频波是一种随信号x(t)x(t)的电压的电压 幅值而变化的疏密度不同的等幅波幅值而变化的疏密度不同的等幅波. . )*)(2cos()( 0 ttxfAty 5.4调制与解调调制与解调 5.4调制与解调调制与解调 鉴频：鉴频： T1 T2 T3 T4 F 5.4调制与解调调制与解调 优点：抗干扰能力强。优点：抗干扰能力强。 调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅 所要求带宽的所要求带宽的2020倍；调频系统较之调幅系统复