第五章信号的变换与处理

1、第五章第五章 信号的变换与处理信号的变换与处理放大放大滤波滤波电信号电信号被被测测量量电压电压/电流电流/频率等频率等A/D显示显示记录记录电阻电阻/电感电感/电容等变化电容等变化1 1、了解、了解模拟信号放大模拟信号放大电路原理电路原理2 2、了解、了解信号滤波器信号滤波器工作原理工作原理3 3、了解、了解信号调制解调信号调制解调原理原理本章学习要求本章学习要求传传感感器器传感器传感器基本转基本转换电路换电路 信号调理的目的信号调理的目的是便于信号的传输与处理。是便于信号的传输与处理。 1 1、传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接送传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接送到显示、记录或

2、分析仪器，需要放大，有的还要进行阻到显示、记录或分析仪器，需要放大，有的还要进行阻抗变换。抗变换。 2 2、有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，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。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，需要对某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量信号进行调制解调处理。传感器测量信号进行调制解调处理。 关于信号放大关于信号放大 目的：目的：幅度增加，抗干扰、阻抗匹配幅度增加，抗干扰、阻抗匹配放大器类型放大器类型特点特点传感器典型应用传感器典型应用直流放大器直流放大器对信号电压的对信号电压的大小放大大

3、小放大，信，信号在零点上方或下方波动号在零点上方或下方波动电阻应变计、电阻式传感器、电阻应变计、电阻式传感器、铂热电阻测温传感器等铂热电阻测温传感器等交流放大器交流放大器对信号电压大小的对信号电压大小的变化放大变化放大，信号在零点上下波动信号在零点上下波动差动变压器、电容式、电感差动变压器、电容式、电感式传感器等式传感器等电荷放大器电荷放大器对电荷信号直接放大。对电荷信号直接放大。压电式传感器。压电式传感器。放大器特性比较放大器特性比较 分类分类 直流放大器：直流放大器：低频保留低频保留, ,高频截止高频截止 交流放大器：交流放大器：高频保留高频保留, ,低频截止低频截止 电荷放大器电荷放大器

4、 直流电桥直流电桥 交流电桥交流电桥 直直流流放放大大器器交流放大器交流放大器第一节第一节 信号的放大信号的放大 传感器输出的信号一般很弱，传感器输出的信号一般很弱，mV甚至甚至V级。级。 以前由于直流放大器以前由于直流放大器漂移漂移较大，对于微弱的直流较大，对于微弱的直流信号是采取如下途径放大：信号是采取如下途径放大： 集成运算放大器根据其性能可分为集成运算放大器根据其性能可分为通用型通用型、高输高输入阻抗型入阻抗型、高速型高速型、高精度型高精度型、低漂移型低漂移型、低功耗型低功耗型等，等，可根据不同要求选用。利用运算放大器可组成可根据不同要求选用。利用运算放大器可组成反相输入反相输入、同相

5、输入同相输入和和差动输入放大器差动输入放大器。微弱的直微弱的直流信号流信号调制调制交流交流信号信号放放大大解调解调强直流强直流信号信号 1 1、同相放大器、同相放大器 RfRR/Rf00AUUU 特点：特点：同相放大器具有很高输入同相放大器具有很高输入阻抗，低输出阻抗。由于引入共模阻抗，低输出阻抗。由于引入共模电压，因而需要使用高共模抑制比电压，因而需要使用高共模抑制比的运算放大器才能保证精度。广泛的运算放大器才能保证精度。广泛用于前置放大级。用于前置放大级。开环增益开环增益A0很大（很大（ ）941010UU因输入阻抗很高，同相端和反因输入阻抗很高，同相端和反相端对相端对“地地”的输入阻抗很

6、大的输入阻抗很大ifUURRRU0fffiARRRRRUU10 一、直流放大器一、直流放大器 反馈电阻反馈电阻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。为几十千欧至几百千欧。R的取值应远大于信号源的取值应远大于信号源Ui的内阻的内阻。 2 2、反相放大器、反相放大器 放大器的理想增益为：放大器的理想增益为： RRUUAfif0 3 3、差动放大器、差动放大器 )()(110112222RRRUUURRRUUUUfiiPii0 0令令 R R1 1=R=R2 2 R Rf f=R=RP P)(1210iifUURRU测量放大

7、器测量放大器又称又称仪表放大器仪表放大器，它的线性好、共模抑制比，它的线性好、共模抑制比高、输入阻抗高和噪声低高、输入阻抗高和噪声低, ,是一种高性能的放大器。它是一种高性能的放大器。它由由三个三个运算放大器组成。运算放大器组成。 二、测量放大器二、测量放大器 上述三种放大器一般仅适用于上述三种放大器一般仅适用于信号回路不受干扰或信信号回路不受干扰或信噪比较大噪比较大的场合。的场合。 实际应用中，传感器所处的工作环境往往比较复杂、实际应用中，传感器所处的工作环境往往比较复杂、恶劣，传感器输出信号中恶劣，传感器输出信号中含有较大的噪声和共模干扰含有较大的噪声和共模干扰，这时需采用测量放大器。这时

8、需采用测量放大器。 共模干扰共模干扰是指在传感器的两条传输线上产生是指在传感器的两条传输线上产生的完全相同的干扰。的完全相同的干扰。 测量放大器是两级串联放大器，前级由两个测量放大器是两级串联放大器，前级由两个同相同相放大器组成，放大器组成，为为对称结构对称结构，输入阻抗高和抑制共模输入阻抗高和抑制共模干扰能力强干扰能力强。后级是。后级是差动差动放放大器，将双端大器，将双端输入变为单端输出，适应对地负载的需要。输入变为单端输出，适应对地负载的需要。A3=R5/R3 若两个输入信号为共模信号，因若两个输入信号为共模信号，因A1、A2相等，相等，U01、U02也是共模相等。也是共模相等。经经A3差

9、动放大，两共模信号被完全消除，总输出信号差动放大，两共模信号被完全消除，总输出信号U0等于零。等于零。 若两个输入信号为差模信号，经若两个输入信号为差模信号，经A1、A2放大后仍为差模信号。因此，对放大后仍为差模信号。因此，对于差模信号，两级的增益为于差模信号，两级的增益为A。 组成测量放大器的运放须严格匹配，采用组成测量放大器的运放须严格匹配，采用激光调整工艺激光调整工艺的集成测量放大的集成测量放大器可做到。器可做到。后级前级A1=U01/Ui1 =1+2R1/RWA2=U02/Ui2 =1+2R2/RW总增益为：总增益为：A=(1+2R2/RW)R5/R3 常用的单片集成测量放大器有常用的

10、单片集成测量放大器有AD521、AD522、INA101、INA118和和LH0038等。其中等。其中LH0038（美国国家半导体公司（美国国家半导体公司产品）是一种精密测量放器，具有低失调（产品）是一种精密测量放器，具有低失调（25V）、低漂）、低漂移移0.25V/）和高共模抑制比）和高共模抑制比( (120dB) )等优良特性。等优良特性。)2/()103(31LLfRCC 若只需要放大交流信号，可采用图示的集成运放交流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。其中电容电压同相放大器。其中电容C1、C2及及C3为隔直流电容为隔直流电容 三、交流放大器三、交流放大器11R

11、RAfvfyiicaiCUUCCCUq)()(当当KCf(C+Cf)时时, ,fyCqU 四、电荷放大器四、电荷放大器 电荷放大器是高增益带电容反馈的运算放大器。电荷放大器是高增益带电容反馈的运算放大器。 )(ffyCCKCKqUK=Uy/UiC即输出电压与传感器的电荷量成正比即输出电压与传感器的电荷量成正比 五、隔离放大器五、隔离放大器 在有强电或强电磁干扰的环境中，传感器的输出在有强电或强电磁干扰的环境中，传感器的输出信号中混杂着许多干扰和噪声。其原因是：信号中混杂着许多干扰和噪声。其原因是：地回路地回路、静静电耦合以及电磁耦合电耦合以及电磁耦合。 为消除这些为消除这些干扰和噪声，除了将模

12、拟信号进行低干扰和噪声，除了将模拟信号进行低通滤波，虑掉部分高频干扰外，还必须通滤波，虑掉部分高频干扰外，还必须合理处理接地问合理处理接地问题，将放大器实行静电和电磁屏蔽并浮置起来题，将放大器实行静电和电磁屏蔽并浮置起来。这就是。这就是隔离放大器，其输入和输出电路之间没有直接的电路连隔离放大器，其输入和输出电路之间没有直接的电路连接，只有磁路或光路的联系。接，只有磁路或光路的联系。 隔离放大器的应用隔离放大器的应用：高噪声环境中的便携式仪器：高噪声环境中的便携式仪器和某些测试系统；医学测量领域，确保人体不受和某些测试系统；医学测量领域，确保人体不受10A10A以上的漏电流和高压危害；防止因故障

13、而使电网电压对以上的漏电流和高压危害；防止因故障而使电网电压对低压电路造成损坏。低压电路造成损坏。 隔离放大器由隔离放大器由输入放大器输入放大器、输出放大器输出放大器、隔离器隔离器以及以及隔离电源隔离电源等几部分组成。由于采用浮置式（浮置电等几部分组成。由于采用浮置式（浮置电源、浮置放大器输入端）设计，输入、输出端相互隔离，源、浮置放大器输入端）设计，输入、输出端相互隔离，不存在公共地线的干扰，因此具有极高的共模抑制能力，不存在公共地线的干扰，因此具有极高的共模抑制能力，能对信号进行安全准确的放大，有效防止高压信号对低能对信号进行安全准确的放大，有效防止高压信号对低压测试系统造成的破坏。压测试

14、系统造成的破坏。 输入级输入级输出级间的耦合输出级间的耦合 变压器耦合变压器耦合采用载波调制采用载波调制- -解调技术，解调技术，具有较高的线性度和隔离性能，共模抑具有较高的线性度和隔离性能，共模抑制比高，技术较成熟，但通常带宽较窄，制比高，技术较成熟，但通常带宽较窄，约数约数KHzKHz以下以下( (高性能的变压器耦合隔离高性能的变压器耦合隔离放大器带宽可达放大器带宽可达20KHz20KHz左右左右) )，且体积大、，且体积大、工艺成本复杂。工艺成本复杂。 电容耦合电容耦合采用数字调制技术采用数字调制技术( (电压电压- -频频率变换或电压率变换或电压- -脉冲占空比变换脉冲占空比变换) )

15、，将输，将输入信号以数字量的形式由差分耦合电容入信号以数字量的形式由差分耦合电容耦合到输出侧，可靠性好，带宽较宽，耦合到输出侧，可靠性好，带宽较宽，具有良好的频率特性。具有良好的频率特性。 光电耦合光电耦合结构简单、成本低廉、器件结构简单、成本低廉、器件重量轻、频带宽，但光耦合器是非线性重量轻、频带宽，但光耦合器是非线性器件，尤其在信号较大时，将出现较大器件，尤其在信号较大时，将出现较大的非线性误差。的非线性误差。 第二节第二节 电电 桥桥将电阻将电阻/ /电感电感/ /电容等的变化转换为电压电容等的变化转换为电压/ /电流输出的电流输出的电电 路。路。特点：连接简单、灵敏度和精度较高，测试中

16、应用广特点：连接简单、灵敏度和精度较高，测试中应用广 泛。泛。依据激励电源的不同，有依据激励电源的不同，有直流电桥直流电桥和和交流电交流电桥桥电桥电路的两种工作方式：电桥电路的两种工作方式：平衡电桥平衡电桥和和不平衡电桥。不平衡电桥。 一一、直流电桥直流电桥043213241)(URRRRRRRRUUUadab当电桥输出端连接当电桥输出端连接阻抗较大阻抗较大的仪表或的仪表或放大器时，可视为放大器时，可视为开路开路，则有，则有平衡条件：平衡条件：3241RRRR当电桥输出为零，称当电桥输出为零，称电桥平衡电桥平衡。直流电桥直流电桥)(443210RRRRRRRRUU 被测量变化被测量变化 电桥臂

17、阻值变化电桥臂阻值变化 输出电压或电流变化输出电压或电流变化 当电桥的当电桥的四个桥臂是电阻应变片四个桥臂是电阻应变片时，有时，有)(443210KUU 四个桥臂的三种基本组合方式：四个桥臂的三种基本组合方式：半桥单臂半桥单臂、半桥双臂半桥双臂、全桥全桥 二、交流电桥二、交流电桥 交流电桥是为适应电感、电容式传感器及交流放大器交流电桥是为适应电感、电容式传感器及交流放大器的需要。电桥的四个桥臂分别为的需要。电桥的四个桥臂分别为阻抗阻抗Z1、Z2、Z3、Z4 平衡条件：平衡条件：4231ZZZZjzeZ )(32)(413241jjezzezz3241zzzz3241交流电桥的交流电桥的平衡条件

18、：平衡条件： 电感电桥：电感电桥：4433322111RZLjRZRZLjRZ3241zzzz1423142 3R RR RL RR L电容电桥：电容电桥：443332211111RZCjRZRZCjRZ3241zzzz14234123R RR RRCRC 对于纯电阻交流电桥，由于导线间存在着分布电对于纯电阻交流电桥，由于导线间存在着分布电容，除了电阻平衡外，也要考虑电容的平衡。容，除了电阻平衡外，也要考虑电容的平衡。 变压器式电桥变压器式电桥210221212222ZZUUUUUZ IZZZZZ21ZZUI 由于是双臂工作形式当衔铁下移时，由于是双臂工作形式当衔铁下移时，Z1=Z-Z，Z2=

19、Z+Z，则有：，则有： ZZUU20 同理，当衔铁上移时，则有：同理，当衔铁上移时，则有：ZZUU20 可见，输出电压反映了传感器阻抗的变化。为了判别衔铁或电可见，输出电压反映了传感器阻抗的变化。为了判别衔铁或电容极板的位移方向，需在后续电路中接容极板的位移方向，需在后续电路中接相敏检波器相敏检波器来解决。来解决。 Z1、Z2为差动自感传感器两个线圈的为差动自感传感器两个线圈的电感或电容传感器两个差动电容的阻抗，电感或电容传感器两个差动电容的阻抗，另两臂为电源变压器二次绕组的两半。当另两臂为电源变压器二次绕组的两半。当负载阻抗无穷大时输出电压为：负载阻抗无穷大时输出电压为： 特点：特点：元件少

20、、精确度高、性能稳定等优点。元件少、精确度高、性能稳定等优点。第三节第三节 滤波器滤波器 滤波器的基本功能：滤波器的基本功能：(1)(1)去除无用信号、噪声、干扰信号以及信号处理过去除无用信号、噪声、干扰信号以及信号处理过 程中引入的信号，如载波。程中引入的信号，如载波。(2)(2)分离不同频率的有用信号。分离不同频率的有用信号。(3)(3)对测量仪器或控制系统的频率特性进行补偿。对测量仪器或控制系统的频率特性进行补偿。一一、滤波器分类及基本参数滤波器分类及基本参数 1 1、滤波器分类、滤波器分类 根据构成滤波器的根据构成滤波器的元件类型元件类型：分为：分为RCRC、RLRL或晶体谐振或晶体谐

21、振滤波器滤波器 根据构成滤波器的根据构成滤波器的电路性质电路性质：分为无源滤波器和有源：分为无源滤波器和有源滤波器滤波器 根据滤波器处理的根据滤波器处理的信号性质信号性质：分为模拟滤波器和数字：分为模拟滤波器和数字滤波器滤波器 最常用的分类方法：根据滤波器最常用的分类方法：根据滤波器通频带：分为低通、通频带：分为低通、高通、带通、带阻滤波器。高通、带通、带阻滤波器。 理想滤波器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，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。阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。 理想滤波器的理想滤波器的物理不可实现

22、性物理不可实现性 理想滤波器在时域内的脉冲响应函数理想滤波器在时域内的脉冲响应函数h(t)为为sinc函数。函数。脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸。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，在给理想滤波器一个脉冲激励，在t=0时刻单位脉冲输时刻单位脉冲输入滤波器之前，滤波器就已经有响应了，故物理不可实入滤波器之前，滤波器就已经有响应了，故物理不可实现。现。fcH(f) 2 2、实际滤波器的基本参数、实际滤波器的基本参数dBdAA3)lg(20lg2000292054. 0dW值越大，衰减越值越大，衰减越快，滤波器的选择快，滤波器的选择性越好。性越好。 3 3、恒带宽

23、、恒带宽比滤波器、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间的数值关系，可以分为两种。中心频率与带宽之间的数值关系，可以分为两种。 (1) (1)恒带宽比恒带宽比滤波器滤波器常数常数2100100%100%ccffBbff (2) (2)恒带宽恒带宽滤波器滤波器12ccffb常数常数 4、滤波器的串滤波器的串/ /并联并联 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。式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤

24、波器。阻阻/低通滤波器与高通滤波器低通滤波器与高通滤波器并联为带阻滤波器并联为带阻滤波器低通滤波器与高通滤波器低通滤波器与高通滤波器串联为带通滤波器串联为带通滤波器 二、二、RCRC滤波器滤波器 1 1、一阶、一阶RCRC低通滤波器低通滤波器xyyUUdtdURC时间常数时间常数=RCRC11)()()(ssXsYsH传递函数：传递函数：令令 s =j11)(jjH频率响应：频率响应：幅幅频特性：频特性：2)2(11)2()(fRCfjHfA相相频特性：频特性：)2arctan()(fRCf 当当f1/(2RC)时，输出时，输出Uy与与输入输入Ux的积分成正比，即的积分成正比，即dtURCUx

25、y1 2 2、一阶、一阶RCRC高通滤波器高通滤波器xyyUdtURCU11)()()(sssXsYsH传递函数：传递函数：令令 s =j1)(jjjH频率响应：频率响应：幅幅频特性：频特性：2)2(12)(fRCfRCfA相相频特性：频特性：)21arctan()(fRCf当当f T 积分电路积分电路: :RC电路的微分条件：电路的微分条件： T微分电路微分电路 3 3、RCRC带通滤波器带通滤波器 低通低通高通高通11121CRf下限截至频率下限截至频率原原高通高通滤波器的截至频率滤波器的截至频率22221CRf上限截至频率上限截至频率原原低通低通滤波器的截至频率滤波器的截至频率带通滤波器

26、中心频率带通滤波器中心频率f f0 0210fff 22211)2(11)2(12)(ffffA)2()21()(2211CfRarctgCfRarctgf 三、有源滤波器三、有源滤波器 由电阻、电容和运算放大器组成的滤波器称为有源滤波器由电阻、电容和运算放大器组成的滤波器称为有源滤波器 解：电路如图解：电路如图 目的目的 1 1）微弱缓变信号的放大）微弱缓变信号的放大第四节第四节 调制与解调调制与解调微弱缓微弱缓变信号变信号 2 2）应用于信号的传输）应用于信号的传输调调制制交流放交流放大器大器解解调调直流直流信号信号强强交流交流信号信号强强交流交流信号信号弱弱 采用交流放大器可避免直流放大

27、器的零点漂移和温度漂移而造采用交流放大器可避免直流放大器的零点漂移和温度漂移而造成测量误差成测量误差载波载波调制信号调制信号调幅波调幅波调频波调频波 根据载波受调制的参数不同，使载波的幅值、频率或相位随调制根据载波受调制的参数不同，使载波的幅值、频率或相位随调制信号而变化的过程分别称为信号而变化的过程分别称为调幅调幅(Amplitude Modulation)(Amplitude Modulation)、调频、调频(Frequency Modulation)(Frequency Modulation)和调相和调相(Phase Modulation)(Phase Modulation)。 一、调

28、幅及其解调一、调幅及其解调 调幅调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号（调是将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号（调制信号）制信号）相乘相乘，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。 假设以频率为假设以频率为f0的余弦信号作为载波信号，它的频谱是一对的余弦信号作为载波信号，它的频谱是一对脉冲谱线，即脉冲谱线，即 根据傅立叶变换的卷积性质，有根据傅立叶变换的卷积性质，有)()()()(fYfXtytx)(21)(212cos000fffftf 1、调幅原理与同步解调、调幅原理与同步解调)()(21)()(212cos)(000fffXfffXtf

29、tx可见，调幅可见，调幅过程就相当过程就相当于频谱平移于频谱平移过程。过程。时域时域频域频域在时域，从信号的相乘运在时域，从信号的相乘运算可以看到算可以看到tftxtxtftftx0004cos2)(2)(2cos2cos)(用低通滤波器虑掉中心频率用低通滤波器虑掉中心频率为为2f0的高频成分，则得到的高频成分，则得到：2)(tx解调过程解调过程 调幅与同步解调过程调幅与同步解调过程（波形分析波形分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)y(t)xm(t)乘法器乘法器滤波器滤波器y(t)x(t) 调幅与同步解调过程（调幅与同步解调过程（频谱分析频谱分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)y(t)xm(t)乘法器乘法器滤波器滤波器y(t)x(t) 调幅与同步解调过程调幅与同步解调过程（数学分析数学分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)y(t)xm(t)乘法器乘法器滤波器滤波器y(t)x(t)( )( ) cos(2)mzxtx tf ttftxtyzm2cos)()(2( )( )cos(2 2)22zx tx tf t 2、调幅波的解调、调幅波的解调 （1 1）二极管整流检波二极管整流检波调制信号调制信号tO x(t)叠加一