测试与传感技术信号变换及调理

关于测试与传感技术信号变换及调理2024/4/1612024/4/162一、信号调理的目的目的：便于信号的传输与处理原因：1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、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。

第2页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1632.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。3.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。

第3页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/164二、电桥

电桥a

、c两端接电源Ui，称供桥端；b、d两端接输出电压Uo，称输出端。将电阻R(应变片)、电感L、电容C等电参数变为电压ΔU或电流ΔI信号后输出的一种测量电路。

第4页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/165电桥根据桥臂阻抗性质的不同为:电阻电桥电容电桥电感电桥根据供桥电源分为:直流电桥:采用直流电源——只用于测量电阻R的变化交流电桥：采用交流电源——测量电阻R

、电容C

、电感L的变化1.电桥的分类第5页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1662.直流电桥四个桥臂由电阻R1、R2、R3和R4组成。采用直流电源的电桥称为直流电桥直流电桥VR1R2R3R4温敏电阻平衡条件R1·R3=R2·R4

电桥的输出：平衡的条件：推导第6页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/167直流电桥R1＋ΔR

U0＋ΔUΔUR1VR2R3R4R1·R3=R2·R4

平衡的条件：电桥的输出：这时，电桥平衡吗？＋ΔR第7页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/168为了简化设计，R2=R3=R4=R0

，而

R1=R0+ΔR直流电桥R0＋ΔR

U0＋ΔUΔU电桥的灵敏度定义为第8页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/169单臂半桥R1R3R2R4

双臂半桥R1R3R2R4

全桥R1R3R2R4

半桥、单臂输出全桥、四臂输出半桥、双臂输出统一表示：第9页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1610电桥测量的误差非线性误差温度误差直流电源的电压稳定性造成的误差半桥、单臂输出：半桥、双臂输出：全桥、四臂输出：直流电桥第10页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1611平衡条件3.交流电桥交流电桥而其中，Z1、Z2、Z3、Z4为阻抗的模，而φ1、φ2、φ3、φ4为阻抗角，是各桥臂电流与电压之间的相位差。Z1Z3ej(φ1+φ3)=Z2Z4ej(φ2+φ4)

(*)平衡条件第11页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1612电容电桥电容电桥平衡条件：电感电桥电感电桥平衡条件：推导推导第12页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1613声音信号广播电台的发射塔接收调制Modulation解调Demodulation三、调制与解调第13页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1614声音信号广播电台的发射塔

利用缓变信号控制高频信号的某个参数(幅值、频率或相位)变化的过程。调制Modulation已调波1）实现缓变信号的传输，特别是远距离传输

2）提高信号传输中的抗干扰能力和信噪比

调制的目的→音频信号第14页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1615载波信号：高频振荡信号称为载波信号。载波信号调制信号：缓变信号称为调制信号。

已调波：载波被缓变信号调制后称为已调波。

解调：从已调波中恢复出调制信号的过程。调制信号x(t)第15页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/16161.调制的种类调制信号载波信号a)幅值调制(简称调幅，AM，AmplitudeModulation)b)频率调制(简称调频，FM，FrequencyModulation)c)相位调制(简称调相，PM，PhaseModulation)缓变信号x(t)高频简谐信号第16页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/16172.幅值调制（调幅）及其解调

调幅是将一个高频简谐信号y(t)（载波信号）与缓变信号（调制信号）x(t)相乘，使载波信号y(t)的幅值随缓变信号x(t)的幅值变化而变化过程。幅值调制后的信号称为调幅波。高频信号缓变信号调制后信号第17页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1618调制信号载波信号调幅波(1).调幅的时域表达第18页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1619假设调制信号x(t)的最高频率成分为，载波信号(2).调幅的频域表达如果则，则有调幅波：第19页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1620调制信号载波信号调幅波ƒ时域频域第20页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1621为保证频移后的频谱不失真，载波频率fz

要大于或等于两倍调制信号的最高频率fm

，通常取数倍至数十倍的fm

。调幅过程就相当于频率“搬移”过程。第21页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1622(3).电阻交流电桥的幅值调制不同接法的电桥可表示为当ΔR/R0=R(t)，Ui=E0cos2πf0t时U0=KR(t)E0cos2πf0t交流电桥的输出电压U0随R(t)的变化而变化，即U0的幅值受R(t)的控制，其频率为输入电压信号Ui的频率，即f0

全桥、四臂输出R(t)E0cos2πf0t

交流电桥是一个调幅器。调幅器实际上是一个乘法器.第22页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1623广播电台的发射塔对已调波进行鉴别以恢复缓变信号的过程。调幅波解调方法：同步解调，

整流检波

相敏检波(4).幅值解调接收解调Demodulation第23页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1624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。第24页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1625同步解调(a)调幅波频谱(b)载波信号频谱(c)同步解调后频谱(d)调制信号频谱第25页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1626幅度调制与解调过程（波形与频谱分析）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)乘法器滤波器z(t)x(t)第26页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1627幅度调制与解调过程（数学描述）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)乘法器滤波器z(t)x(t)第27页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1628若把调制信号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。整流检波解调

调制信号+直流分量A->整流->低通滤波->去直流分量->复现原调制信号第28页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1629x(t)>0时(0~t1)，ym(t)与y(t)同相，检波器输出uf(t)>0x(t)<0时(t1~t2)，ym(t)与y(t)反相，检波器输出uf(t)<01122相敏检波解调推导相敏检波器33t1t1132213t1t2t2t2相敏检波器是一种能根据调幅波和载波的相位差来判别调制信号极性的解调器第29页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1630

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:fz＞fm

第30页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1631例：动态应变仪第31页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/16323.频率调制与解调调频是利用信号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.x(t)Acos(2πf0t+Φ)调频波：疏密不同的等幅波。第32页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1633谐振电路电抗到电压的转化谐振电路把电容、电感等电参量的变化转为电压变化的电路高频振荡器谐振电路的频率：谐振电路作调频器调频及解调电路第33页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1634频率的解调

谐振电路调频波的解调一般使用鉴频器

调频波－>调频调幅波－>幅值检波频率－电压特性曲线第34页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1635脉冲计数鉴频

调频播瞬时频率的变化，直接表现为调频信号通过零值的点的疏密变化。ty(t)tg(t)通过脉冲计数，根据单位时间内脉冲的个数，可恢复出原来的信号。第35页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1636优点：抗干扰能力强。

调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的20倍；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率调制是一种非线性调制。

因为调频信号所携带的信息包含在频率变化之中，并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主要表现在振幅之中．

缺点：占频带宽度大，复杂第36页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1637(a)低通滤波器(Lowpassfilter)(b)高通滤波器(Highpassfilter)(c)带通滤波器(bandpassfilter)

(d)带阻滤波器(bandstopfilter)

四、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．1.滤波器分类(根据滤波器的选频作用分)

ƒ2称为低通滤波器的上截止频率

ƒ1、ƒ2分别称为带通滤波器的下、上截止频率

通带通带通带通带通带阻带阻带阻带阻带阻带理想滤波器ƒ1称为高通滤波器的下截止频率

第37页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1638通带：能通过滤波器的频率范围；阻带：被抑制或极大地衰减的频率范围；截止频率：通带和阻带之间的交界点；通带阻带第38页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1639

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这两种类型的滤波器。第39页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1640(c)带通滤波器(bandpassfilter)

(d)带阻滤波器(bandstopfilter)

通带通带阻带通带阻带阻带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。2.理想滤波器H(2πƒ)=A(2πƒ)ejφ(2πƒ)A(2πƒ)=A0=constφ(2πƒ)=-2πƒt0

第40页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1641物理不可实现

理想滤波器在时域内的脉冲响应函数h(t)为sinc函数。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，从图中可以看出，在t=0时刻单位脉冲输入滤波器之前，即在t＜0时，滤波器就已经有响应了。h(t)δ(t)第41页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1642-3dB在实际滤波器的幅频特性图中通带和阻带间应没有严格的界限，存在一个过渡带。3.实际滤波器

过渡带：从截止频率到A(f)趋近于零的频段。理想滤波器与实际滤波器的主要区别：通带内的平直程度；过渡带的陡直程度；第42页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1643-3dB实际滤波器的主要特性参数

1)截止频率:幅频特性值等于所对应的频率,也叫-3dB频率。2)带宽B：上下两截频间的频率范围称为带宽

3)纹波幅度d：波动幅度d与幅频特性平均值A0相比应小于-3dB。

恒带宽滤波器B=fc2-fc1恒带宽比滤波器B=fc1（2n-1)第43页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/16445)

品质因数Q:中心频率和带宽之比称为品质因数4)中心频率f0:指上下截止频率的几何平均值,即第44页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1645倍频程选择性

利用频率变化一个倍频程时，过渡带幅频特性的衰减量来衡量滤波器选择性的指标，以dB为单位。倍频程选择总是小于0，其值越小，滤波器的过渡特性越好。滤波器因数(或矩形系数)λ

利用滤波器幅频特性的-60dB带宽与-30dB带宽的比值来衡量滤波器选择性，即：λ总是大于等于1，其值越接近1，滤波器的过渡特性越好。第45页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/16464.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，并且选用标准阻容元件。第46页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/16471)一阶RC低通滤波器

令τ=RC，称为时间常数傅立叶变换，频响函数：当ƒ«1/2πRC时，φ(ƒ)-ƒ相频特性近似于一条通过原点的直线当ƒ=1/2πRC时，，

ƒc2=1/2πRC上截止频率:|H(jω)|=A(ƒ)≈1，A(ƒ)=1/第47页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1648令RC=τ代入，作傅立叶变换，得频响函数当ƒ=1/2πτ，即

ƒ=1/2πRC时，

当ƒ»1/2πRC时，下截止频率：ƒc1=1/2πRC

A(ƒ)=1/A(ƒ)≈1，φ(ƒ)=02)一阶RC高通滤波器第48页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/16493)一阶RC带通滤波器

可以看成是低通和高通两个滤波器串联而成。第49页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1650高通低通频响函数幅频特性和相频特性ƒc2=1/2πτ2=1/2πR2C2上截止频率:下截止频率：ƒc1=1/2πτ1=1/2πR1C1

一阶RC带通滤波器第50页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1651

一阶滤波器通带外衰减率为-20dB/10倍频程，因此在过渡区衰减缓慢，选择性不佳。把无源RC滤波器串联，虽然也可以提高阶次，但受级间耦合的影响，效果是互相削弱的，且信号的幅值也逐级减弱。为了克服这些缺点，常采用有源滤波器。

有源滤波器由RC调谐网络和运算放大器组成。运算放大器既可起级间隔离作用，又可起信号幅值的放大作用。RC网络则通常作为运算放大器的负反馈网络。5、RC有源滤波器第51页,共60页，2024年2月25日，星期天2024/4/1652

有源滤波器由RC调谐网络和运算放大器（有源器件）组成。运算放大器既可起级间隔离作用，又可起信号幅值的放大作用。RC网络则通常作为运算放大器的负反馈网络。运算放大器的负反馈电路若是高通滤波网络，则得到有源低通滤波器；若用带阻网络做负反馈，则得到带