模拟信号处理汇总

1、测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院1/121测试系统的基本特性测试系统的基本特性模拟信号处理模拟信号处理数字信号处理数字信号处理计算机与虚拟仪器测试技术计算机与虚拟仪器测试技术常用传感器常用传感器绪论绪论测试信号的描述与分析测试信号的描述与分析测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院2/121主要内容主要内容1.1.电桥电桥 2.2.运算放大器运算放大器 3.3.调制与解调调制与解调4.4.滤波器滤波器5.5.测量电路及应用举例测量电路及应用举例6.6.信号的显示与记录信号的显示与记录测试技术基础测试技术基础

2、杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院3/121信号调理的目的信号调理的目的 被测的物理量经过传感器变换以后，一般都是以电阻、被测的物理量经过传感器变换以后，一般都是以电阻、电容、电感或电荷、电流、电压等形式变化的电容、电感或电荷、电流、电压等形式变化的微弱电信号，微弱电信号，为了满足显示、记录、控制或输入计算机进行数据处理等为了满足显示、记录、控制或输入计算机进行数据处理等需要，尚须将这些微弱信号经过需要，尚须将这些微弱信号经过放大、运算、分析放大、运算、分析等信号等信号调理处理。调理处理。第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工

3、程学院杭州电子科技大学机械工程学院4/1215.1 5.1 电桥电桥 电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化变为电压或电电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化变为电压或电流输出的一种测量电路。流输出的一种测量电路。其输出既可用指示仪表直接测量，其输出既可用指示仪表直接测量，也可以送入放大器进行放大。由于桥式测量电路结构简单，也可以送入放大器进行放大。由于桥式测量电路结构简单，并具有较高的精确度和灵敏度，因此在测试装置中得到了广并具有较高的精确度和灵敏度，因此在测试装置中得到了广泛应用。泛应用。 与其他测试装置的分类一样，电桥亦有不同的分类方式：与其他测试装置的分类一样，电桥亦有不同的分类方式：按照

4、激励电源的性质可分为按照激励电源的性质可分为直流电桥与交流电桥直流电桥与交流电桥；按照桥臂；按照桥臂阻抗性质又可分为阻抗性质又可分为电阻电桥、电容电桥和电感电桥。电阻电桥、电容电桥和电感电桥。第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院5/1215.1.1 直流电桥直流电桥 1、直流电桥的平衡条件、直流电桥的平衡条件平衡条件平衡条件4231RRRR13241412341234()()()oabadRRR RRRUUUUURRRRRRRR11 112abRUI RURR42434adRUI RURR第五章第五章 模拟信号处

5、理模拟信号处理测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院6/1212. 灵敏度灵敏度在平衡情况下，若电阻 变化 ，则电桥的输出电压为1R1R331211324144111234312114()()()11oRRRRRR RR RRRRRUUURRRRRRRRRRR3214RRnRR令121 (1)oRnUUnR211/(1)oUnSURRn当 时，灵敏度 达到最大值。这时对于一定的 值，得到最大的输出电压。显然，满足 的条件为 （对称电桥）或 （等臂电桥）。在设计电桥时，一般取 1n S11RR1n 1234,RR RR1234RRRR1234RRRRd0

6、dSn第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.1.1 直流电桥直流电桥 测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院7/1213. 电桥接法与输出特性电桥接法与输出特性 在机械测试技术中，一般根据工作中电阻值参与变在机械测试技术中，一般根据工作中电阻值参与变化的桥臂数可分为半桥式与全桥式连接。化的桥臂数可分为半桥式与全桥式连接。 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.1.1 直流电桥直流电桥 输出电压，灵敏度？输出电压，灵敏度？测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院8/121（1）半桥单臂）半桥单臂 014oR

7、UUR0/0d14doRRUSURR00/14 1/ 2oRRUURR 工作中有一个桥臂阻值随被测的量而变化，工作中有一个桥臂阻值随被测的量而变化， 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.1.1 直流电桥直流电桥 331211324144111234312114()()()11oRRRRRR RR RRRRRUUURRRRRRRRRRR何时成立？何时成立？ 误差？误差？ 32测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院9/121（2）半桥双臂（差动电桥）半桥双臂（差动电桥）工作中有两个桥臂阻值随被测物理量变化，而且必须一工作中有两个桥臂阻值随被测物理量变

8、化，而且必须一个增大一个减小，即个增大一个减小，即 ，所以也称为差动，所以也称为差动电桥。电桥。 1122,RR RR 01 2oRUUR0R /R1S=2U。 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.1.1 直流电桥直流电桥 13241412341234()()()oabadR RR RRRUUUUURRRRRRRR测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院10/121（3）全桥）全桥工作中四个桥臂电阻值都随被测物理量而变化，即工作中四个桥臂电阻值都随被测物理量而变化，即11223344,RRRRRRRR 0 oRUUR0/R RSU第五章第五章 模拟

9、信号处理模拟信号处理全桥接法的灵敏度最高，它可以获得最大的线性输出。全桥接法的灵敏度最高，它可以获得最大的线性输出。测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院11/1214、电桥用于应变片传感器的温度补偿、电桥用于应变片传感器的温度补偿 1324R RR R0000()()0RR RRR R0oU 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.1.1 直流电桥直流电桥 32测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院12/121U 交流电桥主要用于交流电桥主要用于动态信号的测量和输出需要放大动态信号的测量和输出需要放大的场的

10、场合，如广泛使用的动态应变仪就采用此种电桥。因为电桥输合，如广泛使用的动态应变仪就采用此种电桥。因为电桥输出常接放大器，故在分析中只需研究开路输出时的动态特性。出常接放大器，故在分析中只需研究开路输出时的动态特性。第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.1.2 交流电桥交流电桥 测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院13/1211. 交流电桥的平衡条件交流电桥的平衡条件 交流电桥的激励电压采用交交流电桥的激励电压采用交流，电桥的四个臂可以是电感流，电桥的四个臂可以是电感 、电容电容 或电阻或电阻 ，用复阻抗表示，用复阻抗表示j22j()zz() ar

11、ctgLCLCLCZRxxeRxxxxR 而且输入电压与输出电压分别用复数而且输入电压与输出电压分别用复数 与与 表示，那么表示，那么根据对直流电桥的讨论可以得到根据对直流电桥的讨论可以得到UoU5.1.2 交流电桥交流电桥 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院14/1211. 交流电桥的平衡条件交流电桥的平衡条件13241234()()ooZ ZZ ZUUZZZZ1324 Z ZZ Z3124jjjj11223344e Z =z e Z =z e Z =z eZz1324()j()j1 324eez zz z所

12、以所以13241324z zz z 此式表明，交流电桥平衡必须同时满足两个条件，即此式表明，交流电桥平衡必须同时满足两个条件，即相相对两臂阻抗之模的乘积应相等，相对两臂阻抗角之和也必须对两臂阻抗之模的乘积应相等，相对两臂阻抗角之和也必须相等。相等。 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.1.2 交流电桥交流电桥 哪几种组合？哪几种组合？ 32测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院15/1212. 电容电桥、电感电桥的平衡电容电桥、电感电桥的平衡阻抗平衡条件为阻抗平衡条件为1342143213241411jj jjRRRRCCRRR RR RCC欲使

13、复数相等，实部与虚部应分别相等，即欲使复数相等，实部与虚部应分别相等，即1324R RR R3214 RRCC由此可知，要使电容电桥平衡，必须同时调节电阻和电容两个由此可知，要使电容电桥平衡，必须同时调节电阻和电容两个参数，使它们分别达到平衡参数，使它们分别达到平衡 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.1.2 交流电桥交流电桥 测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院16/1212. 电容电桥、电感电桥的平衡电容电桥、电感电桥的平衡电桥平衡条件应为电桥平衡条件应为113442(j)(j)RL RRL R1324 R RR R1342 L RL R要

14、使电感电桥平衡，除要考虑相位平衡外，还要保证电阻和要使电感电桥平衡，除要考虑相位平衡外，还要保证电阻和电感分别达到平衡。电感分别达到平衡。 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.1.2 交流电桥交流电桥 测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院17/1213. 电阻交流电桥的平衡电阻交流电桥的平衡电桥各桥臂阻抗分别为电桥各桥臂阻抗分别为电桥平衡时满足电桥平衡时满足1324Z ZZ Z所以所以3321132432411442; RRRCR RR RR CR CRRRC或 或第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.1.2 交流电桥交流电桥 导线间存在的

15、分布电容导线间存在的分布电容测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院18/1214. 差动工作电桥差动工作电桥 在动态信号测试中，将许多传感器及测量电路接成差动形在动态信号测试中，将许多传感器及测量电路接成差动形式的交流电桥，这样不但可以改善非线性，提高灵敏度，还可式的交流电桥，这样不但可以改善非线性，提高灵敏度，还可以补偿由于温度等因素造成的误差。以补偿由于温度等因素造成的误差。 132401234()()Z RZ RUUZZRR（1）差动式变压器电桥之一）差动式变压器电桥之一第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.1.2 交流电桥交流电桥 测试技术

16、基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院19/1214. 差动工作电桥差动工作电桥当有被测信号输入，传感器工作时，当有被测信号输入，传感器工作时， 并并取取 ，得，得12,Z Z ZZ Z Z 34R R R ()() 2 ()2oR ZZR ZZUZUUR ZZZZZ 取取222()osLUURL第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.1.2 交流电桥交流电桥 13241234()()ooZ ZZ ZUUZZZZj,jsZRLZLj 2josULURL输出电压的幅值输出电压的幅值如果线圈的品质因素比较高如果线圈的品质因素比较高 2oLUUL线圈的损耗电阻sR

17、就可忽略不计 如果两线圈的阻抗变化为如果两线圈的阻抗变化为 12,ZZZ ZZZ 2oLUUL 说明？说明？ 33测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院20/1214. 差动工作电桥差动工作电桥13241423()()oZ RZ RUUZRZR设设 代入上式，并略去高阶微量代入上式，并略去高阶微量 ，得得1234,ZZZ ZZZ RRR 2()Z22 ()oR ZUUZR差动式变压器电桥之二差动式变压器电桥之二第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.1.2 交流电桥交流电桥 测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程

18、学院21/1214. 差动工作电桥差动工作电桥同样取同样取 ，上，上式变为式变为j, jZLZL22222j()oRLUUR LRL反之，若阻抗反之，若阻抗 的变化反向，亦即电感变化反向的变化反向，亦即电感变化反向Z第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.1.2 交流电桥交流电桥 测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院22/1214. 差动工作电桥差动工作电桥（2）差动式传感器电桥）差动式传感器电桥 差动式传感器电桥一般是由差动传感器与带中间抽头的差动式传感器电桥一般是由差动传感器与带中间抽头的电源变压器副边绕组构成的交流电桥。其中差动传感器可以电源

19、变压器副边绕组构成的交流电桥。其中差动传感器可以是电感式的也可以是电容式的。是电感式的也可以是电容式的。第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.1.2 交流电桥交流电桥 测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院23/1214. 差动工作电桥差动工作电桥差动式传感器电桥差动式传感器电桥电桥中电桥中 和和 组成一对差动电容，其桥臂的阻抗组成一对差动电容，其桥臂的阻抗 1C2C121211,jjZZCC12122oZZUUZZ因为因为将阻抗表达式代入上式得将阻抗表达式代入上式得21122oCCUUCC 差动工作电桥与一般电桥相比，具有精确度和灵敏度高以差动工

20、作电桥与一般电桥相比，具有精确度和灵敏度高以及性能稳定、频率范围大等优点，近年来，在测试工程中得到及性能稳定、频率范围大等优点，近年来，在测试工程中得到了比较广泛的应用。了比较广泛的应用。第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.1.2 交流电桥交流电桥13241234()()ooZ ZZ ZUUZZZZ 141 例例5-1 （141）测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院24/1215.2 5.2 运算放大器运算放大器 运算放大器本质上是一个运算放大器本质上是一个高增益的负反馈直流放大器高增益的负反馈直流放大器。加上外部反馈网络可以实现加上外部反馈网

21、络可以实现加、减、乘、除、微分和积分加、减、乘、除、微分和积分等数学运算，还可以与其它外设电路组成测试系统中常用等数学运算，还可以与其它外设电路组成测试系统中常用的差动放大器、电桥放大器、电荷放大器、压频变换器、的差动放大器、电桥放大器、电荷放大器、压频变换器、有源滤波器以及交流放大器等测试装置。有源滤波器以及交流放大器等测试装置。 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院25/1215.2.1 运算放大器的符号及特点运算放大器的符号及特点 集成运算放大器具有集成运算放大器具有开环电开环电压增益高、输入阻抗高、输出阻

22、压增益高、输入阻抗高、输出阻抗低、漂移小、可靠性高、体积抗低、漂移小、可靠性高、体积小小等主要特点，所以它已成为一等主要特点，所以它已成为一种通用器件，在各个技术领域中种通用器件，在各个技术领域中得到了十分广泛而灵活的应用。得到了十分广泛而灵活的应用。第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院26/121电压增益电压增益: :1) 1) 反相放大器反相放大器 1RRAFv 反馈电阻反馈电阻RFRF值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂值不能太大，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。移，一般为几十千欧至几

23、百千欧。R1R1的取值应远大于信号的取值应远大于信号源源UiUi的内阻的内阻。 烟雾报警烟雾报警器器酒精传感酒精传感器器二氧化碳传感二氧化碳传感器器5.2 5.2 运算放大器运算放大器 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院27/121 同相放大器也是最基本的同相放大器也是最基本的电路电路 ，其闭环电压增益，其闭环电压增益AvAv为为: :11RRAFv2)2)同相放大器同相放大器 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。的特点，广泛用于前置放

24、大级。 5.2 5.2 运算放大器运算放大器 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院28/1212 2 交流放大电路交流放大电路 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可根据交流放大器可根据交流放大器的下限频率的下限频率fLfL来确定。来确定。 )2/()103(31LLfRCC11RRAFv 若只需要放大交流信号，可采用图示的集成运放交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

25、电容。 5.2 5.2 运算放大器运算放大器 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院29/121具有理想参数的运算放大器叫理想运算放大器。具有理想参数的运算放大器叫理想运算放大器。 特点特点dr 0dUUIr入dK UU0U0U 这就是说反相输入端的电位接近于这就是说反相输入端的电位接近于“地地”电位，它是一个不接电位，它是一个不接“地地”的接的接“地地”端，通常称为端，通常称为“虚地虚地”。 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.2.2 理想运算放大器理想运算放大器 33测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大

26、学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院30/1211. 差动放大器差动放大器 差动放大器就是用来放大差模差动放大器就是用来放大差模信号，抑制共模信号的，它的两信号，抑制共模信号的，它的两个输入端都有信号输入。个输入端都有信号输入。 1111111ioiiFUUUUI RURRR2323iUURRRUU因为因为当当123,FRR RR得得211() FoiiRUUUR0211FiiURSUUR第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运算放大器测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院31/121

27、可见输出电压可见输出电压 与两个输入电压的差值成正比。当与两个输入电压的差值成正比。当 时，则得时，则得oU1FRR21oiiUUU 差动放大器被广泛地应用于测试和控制系统中，形成了差动放大器被广泛地应用于测试和控制系统中，形成了一个专用测量放大器领域。一个专用测量放大器领域。1. 差动放大器5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运算放大器第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理211() FoiiRUUUR测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院32/1212. 测量放大器测量放大器 三运放差动放大器通常也称为测量放大器，或称仪表

28、放大器。三运放差动放大器通常也称为测量放大器，或称仪表放大器。 由电路分析可知由电路分析可知 11112(1)oiiGGRRuuuRR22221(1)oiiGGRRuuuRR644123365(1)oooRRRuuuRRRR 通常电路中通常电路中 12RR35RR46RR则测量放大器的增益为则测量放大器的增益为411232(1)ofiiGuRRuuRR 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.2.3 5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运算放大器特点？特点？P144测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院33/1213. 电桥

29、放大器电桥放大器 与差动放大器一样，直流电桥放大器也是用于在大的共与差动放大器一样，直流电桥放大器也是用于在大的共模信号下测量来自传感器的微弱信号，而且模信号下测量来自传感器的微弱信号，而且差动电桥也具有差动电桥也具有抑制共模信号的能力抑制共模信号的能力。第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运算放大器测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院34/121图图5-18 电桥放大器电桥放大器 加在放大器两个输入端的电压信号分别为加在放大器两个输入端的电压信号分别为1112RUERR4234 RUE

30、RR若电桥为全等臂若电桥为全等臂 1234RRRRR且为半桥双臂接法（差动电桥），即且为半桥双臂接法（差动电桥），即 34, RRR RRR则则1 2EU 2 12ERUR那么那么 3. 电桥放大器电桥放大器5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运算放大器第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院35/1213. 电桥放大器212112()()/2FFFoRRRRUUUUUERRRRR令令 RR则则 FoRUER0 FURSER由上式易见，由上式易见，输出电压与桥臂电阻输出电压与桥臂电阻 有关有

31、关R 为了排除为了排除 的影响，可采用右图的接法将电桥电源浮置，的影响，可采用右图的接法将电桥电源浮置，则其输出电压为则其输出电压为 R图图5-19 电桥电源浮置的电桥放大器电桥电源浮置的电桥放大器11 2FoREUR011) 2FURESR第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运算放大器测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院36/121 由于由于压电式传感器输出的电信号是很微弱的电荷，而且传压电式传感器输出的电信号是很微弱的电荷，而且传感器本身也存在很大内阻，故输出能量甚微感器本身也存在很

32、大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带，这给后接电路带来一定困难。为此，通常把传感器信号先传输到高输入阻抗的来一定困难。为此，通常把传感器信号先传输到高输入阻抗的前置放大器，经过阻抗变换以后，方可用一般的放大、检波电前置放大器，经过阻抗变换以后，方可用一般的放大、检波电路将信号输给指示仪表或记录仪器或信号处理器。路将信号输给指示仪表或记录仪器或信号处理器。4. 电荷放大器电荷放大器第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运算放大器测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院37/121 前置放大器有

33、两种形式，一种是用电阻反馈的电压放大器，其输出前置放大器有两种形式，一种是用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压（即传感器的输出电压）成正比，不过要受电缆长度的电压与输入电压（即传感器的输出电压）成正比，不过要受电缆长度的影响；另一种是带电容反馈的电荷放大器，其影响；另一种是带电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正输出电压与输入电荷成正比，且与电缆长度无关，还具有很宽广的频率响应，故电荷放大器得到比，且与电缆长度无关，还具有很宽广的频率响应，故电荷放大器得到了更为广泛的应用。了更为广泛的应用。它已成为与压电式传感器配套使用的专用测量仪器。它已成为与压电式传感器配套使用的专用测量仪

34、器。第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理4. 电荷放大器电荷放大器5.2.3 5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运算放大器测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院38/1214. 电荷放大器电荷放大器 电荷放大器是一个高增电荷放大器是一个高增益带电容反馈的运算放大器。益带电容反馈的运算放大器。当略去传感器的漏电阻及电当略去传感器的漏电阻及电荷放大器的输入电阻时，它荷放大器的输入电阻时，它的等效电路如图的等效电路如图5-20所示。所示。() ()iaciiofqU CCCUU C其中其中 为传感器电容；为传感器电容； 为外接电

35、路的输入端电容；为外接电路的输入端电容； 为电缆电容。为电缆电容。 令令 得到得到aciCCCCiCaCcC第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运算放大器测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院39/121()offKqUCCKC如果放大器的增益足够大，则如果放大器的增益足够大，则 ，上式可简化为，上式可简化为()ffKCCCofqUC 4. 电荷放大器电荷放大器5.2.3 5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运算放大器第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理测试技术

36、基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院40/1214. 电荷放大器电荷放大器 通常在反馈电容的两端并联一个大电阻通常在反馈电容的两端并联一个大电阻 （约（约 ） 以提供直流反馈，改善低频响应。以提供直流反馈，改善低频响应。 fR电荷放大器的下限截止频率（放大器增益下降电荷放大器的下限截止频率（放大器增益下降3dB时的对应时的对应频率）为频率）为ffLCRf21 此式表明，电荷放大器的输出电压与电缆电容无关，亦此式表明，电荷放大器的输出电压与电缆电容无关，亦即其灵敏度与电缆电容无关。因此，采用电荷放大器时，即即其灵敏度与电缆电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使

37、连接电缆长度达百米以上，其灵敏度亦无明显变化，这是使连接电缆长度达百米以上，其灵敏度亦无明显变化，这是电荷放大器的一个突出优点电荷放大器的一个突出优点8101010第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.2.3 5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运算放大器ofqUC 测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院41/121若选取若选取 1041210.00162101010LfHz 由此可见，电荷放大器在适当选取由此可见，电荷放大器在适当选取 和和 后，后，低端截低端截止频率几乎接近于零止频率几乎接近于零。也就是说，压电式传感器

38、配用电荷。也就是说，压电式传感器配用电荷放大器时，低频响应很好，可进行稳态参数的测量。放大器时，低频响应很好，可进行稳态参数的测量。fRfC第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理4. 电荷放大器电荷放大器5.2.3 5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运算放大器测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院42/1215. 电压比较器电压比较器 在测试电路中常常需要对两个电压进行比较，一个在测试电路中常常需要对两个电压进行比较，一个是被测信号电压，另一个是参考电压；或者两个都是被是被测信号电压，另一个是参考电压；或者两个都是被测信号电

39、压。测信号电压。当当iRUU输出电压等于稳压管的稳定电压输出电压等于稳压管的稳定电压 1WU当当 输出端电位被输出端电位被 箍住，箍住， iRUU2WD2oWUU第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.2.3 5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器测试装置中几种常见的运算放大器 33测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院43/121 当用放大器的输出来推动负载时，希望放大器能最大限度当用放大器的输出来推动负载时，希望放大器能最大限度地把能量传输给负载。两者之间能满足上述要求的联配，称地把能量传输给负载。两者之间能满足上述要求的联配，称之为阻抗匹配

40、。之为阻抗匹配。 当两个装置联接后当两个装置联接后 12EIZZ2212ABZEIZEZZ第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.2.4 5.2.4 放大器及其负载的阻抗匹配放大器及其负载的阻抗匹配测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院44/121则输给后级装置（负载）则输给后级装置（负载） 的功率为的功率为2H2222121212()ABEZZEPIEEZZZZZZ令令 20dPdZ得得 12220ZZZ即即 12ZZ表明，表明，当前级装置的输出阻抗（内阻）与后级装置的输入阻当前级装置的输出阻抗（内阻）与后级装置的输入阻抗相等时，前级装置传输给后级

41、装置的功率最大，这就是装抗相等时，前级装置传输给后级装置的功率最大，这就是装置之间的阻抗匹配原则。置之间的阻抗匹配原则。5.2.4 5.2.4 放大器及其负载的阻抗匹配放大器及其负载的阻抗匹配第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理2212ABZEIZEZZ测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院45/121 解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。问题。 例如下面的调幅波例如下面的调幅波5.3 5.3 调制与解调调制与解调 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.3.1 5.3.1 测试信号的调制测试信号的调制 测

42、试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院46/121 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VinVoR1R3R2R4测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院47/121 调制是利用缓变信号来控制或改变高频振荡的某个参数调制是利用缓变信号来控制或改变高频振荡的某个参数（幅值、频率或相位），使它随着

43、被测信号作有规律的变化，（幅值、频率或相位），使它随着被测信号作有规律的变化，以利于实现信号的放大与传输。调制过程有三种：以利于实现信号的放大与传输。调制过程有三种： 高频振荡的幅值受缓变信号控制时，称为调幅，以高频振荡的幅值受缓变信号控制时，称为调幅，以AM表示。表示。 高频振荡的频率受缓变信号控制时，称为调频，以高频振荡的频率受缓变信号控制时，称为调频，以FM表示。表示。 高频振荡的相位受缓变信号控制时，称为调相，以高频振荡的相位受缓变信号控制时，称为调相，以PM表示。表示。 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.3.1 5.3.1 测试信号的调制测试信号的调制 测试技术基础测试技术基

44、础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院48/121 一般将控制高频振荡的缓变信号称为一般将控制高频振荡的缓变信号称为调制波调制波；载送缓变；载送缓变信号的高频振荡波称为信号的高频振荡波称为载波载波；经过调制的高频振荡波称为；经过调制的高频振荡波称为已已调波调波。已调波相应地有调幅波、调频波和调相波三种已调波相应地有调幅波、调频波和调相波三种，测试，测试技术中常用的是技术中常用的是调幅和调频两种调幅和调频两种。 解调则是对已调波进行鉴别以恢复缓变的测量信号（调解调则是对已调波进行鉴别以恢复缓变的测量信号（调制信号）。制信号）。 缓变信号缓变信号调制调制高频信号高频信号放大放大

45、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第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.3.1 5.3.1 测试信号的调制测试信号的调制 测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院49/121 调幅、调频、调相波的图解过调幅、调频、调相波的图解过程：程： 图中被测信号是梯形波，图中被测信号是梯形波，载波是余弦波。载波是余弦波。调幅波其包络调幅波其包络线形状由被测信号决定，载波线形状由被测信号决定，载波信号的频率和相位均不改变信号的频率和相位均不改变。调频波，其载波信号的调频波，其载波信号的振幅与振幅与相位不变，而频率改变相位不变，而频率改变。当被

46、。当被测信号的幅值减小时，频率降测信号的幅值减小时，频率降低；幅值增大时，频率提高。低；幅值增大时，频率提高。所以，所以，调频波可以看成是一个调频波可以看成是一个频率受被测信号幅值控制的正频率受被测信号幅值控制的正弦波。弦波。第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.3.1 5.3.1 测试信号的调制测试信号的调制 测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院50/1212 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()(ftAtzz(t)z(t)0 0t t测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子

47、科技大学机械工程学院51/121a) a) 幅值调制幅值调制(AM)(AM)( )( )cos(2)y tA x tftb) b) 频率调制频率调制(FM)(FM)0( )cos(2 ( )y tAfkx ttc) c) 相位调制相位调制(PM(PM)0( )cos(2( )y tAftkx t第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.3.1 5.3.1 测试信号的调制测试信号的调制 测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院52/121载波信号载波信号 0( )cos2y tf t时域分析时域分析-两信号的乘积两信号的乘积 0( )( ) ( )( )c

48、os2 mxtx t y tx tf t调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号相乘，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使载波信号幅值随测试信号的变化而变化第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理1. 调幅原理调幅原理5.3.2 5.3.2 调幅与其解调调幅与其解调 测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院53/12100011()cos2( )()( )()22xtf tX fffX fff0011( )( )()()22X fY fX ffX ff在时域上的调幅过程就相当于在频域上的频率搬移过

49、程。在时域上的调幅过程就相当于在频域上的频率搬移过程。 频域分析频域分析-两信号的卷积两信号的卷积 1. 调幅原理调幅原理5.3.2 5.3.2 调幅与其解调调幅与其解调 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理 P24测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院54/121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)乘法器乘法器滤波器滤波器z(t)x(t)测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院55/1212. 解调原理解调原理若把调幅波再次与载波信号

50、相乘若把调幅波再次与载波信号相乘 ，从时域分析看，从时域分析看000011( )cos2( )cos2cos2( )( )cos4 22mxtf tx tf tf tx tx tf t用低通滤波器将频率为用低通滤波器将频率为 的高频信号滤去，则得到的高频信号滤去，则得到 02 f1( )2x t从频域分析中亦可以得到从频域分析中亦可以得到 0001( )cos2( )()()2mmxtf tXfffff即即 00001( )( )()()()()4mXfY fX ffX ffffff00111()(2)(2)244XfXffXff 调幅的目的是为了让缓变信号变为高频调制信号，便于调幅的目的是为

51、了让缓变信号变为高频调制信号，便于放大和传输。解调的目的则是为了恢复原信号。放大和传输。解调的目的则是为了恢复原信号。第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.3.2 5.3.2 调幅与其解调调幅与其解调 测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院56/121图5-25 同步解调0fmf从调幅原理，载波频率从调幅原理，载波频率 必须高于原信号中的最高频率必须高于原信号中的最高频率 才才能使已调波仍保持原信号的频谱图形，不致重叠。能使已调波仍保持原信号的频谱图形，不致重叠。 010mff第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理2. 解调原理解调原理5.3.2

52、5.3.2 调幅与其解调调幅与其解调 例如广播电台例如广播电台测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院57/121例例2用电阻应变片接成全桥，测量某一构件的应变。用电阻应变片接成全桥，测量某一构件的应变。已知其变化规律为已知其变化规律为如果电桥的激励电压为如果电桥的激励电压为求此电桥的输出信号频谱。求此电桥的输出信号频谱。解法解法1 由全桥接法知电桥的输出信号为由全桥接法知电桥的输出信号为 那么那么又又 000cos2uUf t0/( )R RR t00( )cos2yuSU R tf t( )cos10tAt0( )sin1000u tEt000( )

53、( )( )( )( )yR tu tu tSt u tR0( )( )( )yUfSfUf( )( )(5)(5)2AfFtff第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理2. 解调原理解调原理5.3.2 5.3.2 调幅与其解调调幅与其解调 书书P135测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院58/121所以所以 j(505)(495)(495)(505)4SAEffff0( )( )( )cos10sin1000sin(1010)sin(990)2ySAEutSt u tSAt Ettt( )j(505)(505)(495)(495)4ySAEUffff

54、f00( )( )j(500)(500)2EUfF u tff( )(5)(5)j(500)(500)22ySAEUfffff解法解法2所以所以其频谱如上图所示。其频谱如上图所示。第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院59/121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)测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院60/1213. 相敏检波原理相敏检波原理相敏检波器实际上

55、是一个相敏检波器实际上是一个受参考电压控制的桥式全波整流电路受参考电压控制的桥式全波整流电路 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.3.2 5.3.2 调幅与其解调调幅与其解调 测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院61/1213. 相敏检波原理相敏检波原理第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.3.2 5.3.2 调幅与其解调调幅与其解调 测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院62/121第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理0t1 前半周期Uy0,U000t1 前半周期前半周期Uy0,U00测试技术基

56、础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院63/121第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理0t1 前半周期Uy0,U000t1 后半周期后半周期Uy0,U00测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院64/121第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理t1t2 前半周前半周期期Uy0测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院65/121第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理t1t2 后半周期后半周期Uy0,U00测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院

57、66/121 调频就是用被测信号的电压幅值去控制一个振荡器，使其调频就是用被测信号的电压幅值去控制一个振荡器，使其输出信号的幅值不变而振荡频率改变，频率的变化量与被测信输出信号的幅值不变而振荡频率改变，频率的变化量与被测信号的幅值成正比。号的幅值成正比。 图5-29 调频波与信号幅值的关系第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理5.3.3 5.3.3 调频与其解调调频与其解调 测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院67/121第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理 根据不同的电压根据不同的电压频率转换电路（简称频率转换电路（简称VFC），调频波可），调频

58、波可以是类似正弦波形的，或者三角波形的，也可以是疏密不等的以是类似正弦波形的，或者三角波形的，也可以是疏密不等的方波或者脉冲形波。方波或者脉冲形波。这种载有被测信息的高频波具有抗干扰能这种载有被测信息的高频波具有抗干扰能力强、便于远距离传输、不易错乱和失真等优点，也便于使用力强、便于远距离传输、不易错乱和失真等优点，也便于使用数字技术进行处理。数字技术进行处理。 调频方式有许多种，经常采用的有直接调频方式和压控振调频方式有许多种，经常采用的有直接调频方式和压控振荡器方式。荡器方式。5.3.3 5.3.3 调频与其解调调频与其解调 测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技

59、大学机械工程学院68/1211. 直接调频直接调频 用谐振电路调频的方法，用谐振电路调频的方法，称为直接调频法。称为直接调频法。 初始电容为初始电容为 ，当位移改变时，电容，当位移改变时，电容变为变为 。设调制信号（被测信号）。设调制信号（被测信号）为为 ，那么，由位移变化引起的可变，那么，由位移变化引起的可变电容量总可以写成电容量总可以写成0CxC( )x t000( )xxCCCCK C x t 5.3.3 5.3.3 调频与其解调调频与其解调 Kx=比例系数比例系数测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院69/121当无信号输入时，调频器的谐振频率

60、为 0012()fL CC当有信号输入时， 0112()2()xfL CCL CCC1200112()CCCL CC( )0 x t谐振频率为1. 直接调频直接调频5.3.3 5.3.3 调频与其解调调频与其解调 第五章第五章 模拟信号处理模拟信号处理测试技术基础测试技术基础杭州电子科技大学机械工程学院杭州电子科技大学机械工程学院70/1211. 直接调频直接调频由于由于 0( )xCK C x t所以所以000001( )1( )2()xC Kffx tfK x tCC1201CCC经二项式公式展开，取前两项经二项式公式展开，取前两项 00001112()2()2()CCffCCCCL CC