机械工程测试技术4模拟信号处理

1、第三章、模拟信号处理本章学习内容与要求：1.运放及运算电路2.滤波器及参数体系3.调制与解调（调幅）1信号放大电路一、何谓测量放大电路？对其基本要求是什么？ 1、在测量控制系统中，用来放大传感器输出的微弱电测量放大电路，亦称仪用放大电路。2、对其基本要求：输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配；一定的放大倍数和稳定的增益；低噪声；低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移；足够的带宽和转换速率；高共模输入范围和高共模抑制比；可调的闭环增益；线性好、精度高；成本低。3、几个重要术语开环增益K 闭环增益Kf 差模增益Kd 共模增益Kc输入失调电压u0s 输入失调电流I0s零点漂移共模抑制比CMRR=差模

2、增益Kd/共模增益Kc二、典型放大器的设计1、反相放大器R2Kf= uo / ui = R2 /R1+N1iR3= R1 /R2+N1i-+u-+反馈电阻R2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。RR1的取值应远大于信号源Ui的内阻。R32、同相放大器Kf= uo / ui = 1+R2/R1R2R3= R1 /R2+N1-+oZi = K zin/(1+ R2/R1+N1-+o同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的R3特点.广泛用于前置放大级ui3、交流放大器R（a）、交流反相放大电路R2Kf= R2 / R1R3= R2ui C1R1+N1+N1-+uC

3、1：隔直电容CC3：旁路电容，防止振荡C3R3C3R3C1R1（b）同相交流放大电路R2R1uuR1uuiC1R3+N1-+R3 ：C1的放电回路oR3 必须有zi =R3使同相放大器失去高输入阻抗的特点4、(交流)电压跟随电路同相放大电路的特例R2uR3+N1uR3+N1-+C1C1ui5、自举式高输入阻抗放大电路a)同相交流放大电路R3-+ C1-+uiuoRR1RR2b)交流电压跟随电路R3 1uoR1C2R2+-+i5.2 信号放大电路6、电荷放大器q ei(CaCcCi )(eiey)CfeKqF+F+y C) KCff2信号运算电路一、加法运算电路二、减法运算电路1、利用加法运算电

4、路实现减法运算2、用单一运算放大器实现减法运算三、积分运算电路1、RC积分器(原理)公式4.324.352、积分运算电路IiUiCR R RPNb)Na)R2RfU2CoU1UoNc)四、微分运算电路1、RC微分器(原理)公式4.364.392、微分运算电路CCNCCNU i基本微分电路Ui UiCNCN实用微分电路UoR高输入阻抗微分电路3 信号的滤波与滤波器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率成分低通高通一、 滤波器分类（根据选频作用分）低通高通带通带通带阻带阻三 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

5、这两种类型的滤波器。三 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。H(f)fcfQ(f)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左、右无限延伸。H(f)fc（t）左、右无限延伸。H(f)fc给理想滤波器一个脉冲激励，在t=0时刻单位脉冲输入滤波器之前，滤波器就已经有响应了。故物理不可实现。四、 实际滤波器A0f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。Q=W0 / BBQ=W0 / BBd0fc1fc2f截止频率fc：0.707A0所对应的频率纹波幅度d：绕幅频特性均值A0波动值

6、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 。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时的衰减量。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。五、 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。恒带宽带通滤波器恒带宽比带通滤波器1/3倍频程滤波器六、 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

7、选用标 准阻容元件 。一阶RC低通滤波器一阶RC高通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联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七、 滤波器的应用超门限报警案例：旅游索道钢缆检测超门限报警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，便于门限报警滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警案例：机床轴心轨迹的滤波处理案例：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滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律调节计算机mp3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。动手做：4信号调制解调电路一、基本概念、什么是

8、信号调制？（称为调制信号）去控制另一个做为载体的信号（称为载波信号），让后者的某一特征参数按前者变化。、什么是解调？、在测控系统中为什么要采用信号调制？、在测控系统中常用的调制方法有哪几种？ 信号。一个正弦信号有幅值、频率、相位三个参数，可以对这三个参数进行调制，分别称为调幅、调频和调相。也可以用脉冲信号作载波信号。可以对脉冲信号的不同特征参数作调制，最常用的是对脉冲的宽度进行调制，称为脉冲调宽。、什么是调制信号、载波信号、已调信号？用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位的信号称为调制信号。在测控系统中，通常就用测量信号作调制信号。经过调制的载波信号叫已调信号。二、调制与解调目的解决微

9、弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。A.便于发送调制的必要性对无线传输信号而言，信号需要通过发射天线发送出去。根据天线理论，发射天线的尺度与信号的波长满足一定的关系式时，信号才能得到有效的发射，即l10如： c f3 10 854f3KHz,3 10 ,l 10mfc30 MHz,3 10 3 10 10 , l 1mGSM手机的工作频段为 900/1800MHz提高信道的利用率比如，语音信号的频率范围为3003400Hz.300M300GHz3003400300M300G以无线电广播的中波波段为例：波段范围为530KHz1600KHz, 每一个广播电台的频段为在这一中波波段中就均匀分布着多个

10、电台。上述即为频分复用，它是通过采用不同载波频率的调制完成的。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缓变信号。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缓变信号。R1R3R1R3oR2R4Vinx(t)0 x(t)0t调制信号载波信号z(t) A)z(t)z(t)0t幅度凋制(AM)y(t)A*x(t)cos(2ft)频率调制(FM)相位调制(PM)y(t) A x(t)(1) 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

11、试信号的变 化而变化y(t)*x(t)cos(2ft)调制缓变信号高频信号放大放大频信解调放大变信幅度调制与解调过程（波形分析）乘法器x(t)乘法器z(t)乘法器x(t)乘法器放大器放大器x m(t)放大器放大器乘法器乘法器z(t)乘法器乘法器滤波器滤波器滤波器x(t)滤波器幅度调制与解调过程（频谱分析）乘法器x(t)乘法器z(t)乘法器x(t)乘法器放大器放大器x m(t)放大器放大器乘法器乘法器z(t)乘法器乘法器滤波器滤波器滤波器x(t)滤波器幅度调制与解调过程（数学分析）乘法器x(t)乘法器z(t)乘法器x(t)乘法器x m(t)x(t)z(t)放大器放大器xm (t) 放大器放大器x

12、(t)zt)乘法器乘法器z(t)乘法器乘法器2ym (t) 2x(t)z(t)cos2fzt滤波器滤波器滤波器x(t)滤波器 x(t) 1x(t)fzt)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。x(t)x(t) D x(t)xm (t) Dx(t)cos(2ft)调幅解调二极管检波低通滤波调幅波的波形失真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。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（2） 频率调制(角度调制)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.y(t) Acos(2