《信号调理电路》PPT课件

1、,第五章 信号调理电路,2,？,信号调理的意义何在？,3,信号调理的目的是便于信号的传输与处理,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。（放大电路）,2.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。（滤波电路）,4,3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量信号进行调制解调处理。（调制解调电路）,5,本 章 内 容,调制与解调电路,滤波器电路,电桥电路,6,第一节 电 桥,电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。兼顾放大器的功能。,按激励电压性质,按输出

2、方式,桥式测量电路简单，具有较高的精确度和灵敏度，易于消除温度和环境的影响。,随着集成电源电路的发展，直流电桥应用日益广泛。,7,1 直流电桥,若R1R3=R2R4，则输出电压必为零，此时电桥处于平衡状态，称为平衡电桥。,为简化桥路设计，往往取四个桥臂初始阻值相等。,8,当电桥四个臂电阻均相等时，即 时，称为等臂电桥。,当四个桥臂均感受到不同程度的微小变化时，,一般情况下， ，化简得到：,利用上式特点，可进行温度补偿和提高测量的灵敏度。,9,将 作为输入（有的仅把 当作输入），由此可以求得上述各种电桥的灵敏度分别为 单臂： 半桥： 全桥：,显然，电桥的接法不同，其灵敏度也不同。,根据工作中电阻

3、值参与变化的桥臂的个数， 将电桥分为： 单臂电桥、差动半桥、差动全桥,10,直流电桥的加减特性与应用,1. 桥路温度补偿,2.在半桥测量中利用加减特性提高测量灵敏度、实现温度补偿,11,3.全桥实现温度补偿和提高测量灵敏度,12,2 交流电桥,采用交流激励电压。 四个桥臂可以是电感L、电容C或者电阻R，均用阻抗符号Z表示。,根据对直流电桥的讨论可以写出,电桥达到平衡时,13,交流电桥的平衡条件：,|Z1|Z3|ej（1+3）=|Z2|Z4|ej（2+4）,即：,|Z1|Z3|=|Z2|Z4| ， 1+3 = 2 +4,交流电桥平衡要满足两个条件，即：两相对桥臂的阻抗模的乘积相等（模值平衡条件）

4、；其阻抗角的和相等（相角平衡条件）。,常用的交流电桥有：电容电桥、电感电桥。,14,若电桥中有一对相邻桥臂为电阻，根据平衡条件，其余二桥臂一定为（？）类的阻抗； 若电桥中有二对边桥臂为电阻，根据平衡条件，其余二桥臂一定具有（？）类的阻抗。,交流电桥特点,15,如果四个桥臂均为电阻时，1=3 = 2 =4=0，如果忽略其它因素影响，交流电桥的平衡条件与直流电桥是完全一样的。但在交流电桥的实际使用过程中，影响交流电桥测量精度及误差的因素较之直流电桥要多得多。 由于交流电桥的平衡必须同时满足幅值与阻抗两个条件，因此较之直流电桥的平衡调节要复杂得多。,交流电桥特点,16,一般情况下，交流电桥的供桥电源

5、必须具有良好的电压波形和频率稳定度。若电源电压波形畸变（包含高次谐波），则对于基波而言电桥平衡时，对于高次谐波，电桥不一定平衡，因而会有高次谐波电压输出。,一般采用音频交流电压（510kHZ）作为电桥电源。这时，电桥输出将为调制波，外界工频干扰不易从线路中引入，并且后接交流放大电路简单无零漂。,采用交流电桥时，必须注意影响测量误差的一些因素。 如：电桥中元件之间的互感影响；无感电阻的残余阻抗；邻近交流电路对电桥的感应作用；泄漏电阻以及元件之间、元件与地之间的分布电容等。,17,第二节 调制与解调,一般说来，需要进行远程传输的信号都只占据有限的频带，且都位于低频或较低的频段内。,18,而在远程传

6、输中，作为传输的通道（架空明线、电缆、光缆和自由空间等）都有最适合用于传输信号的频率范围，并与信号本身的频带相比，都位于高频范围内，且实际信道的有用带宽范围通常要远宽于信号的带宽。,为了解决信号与传输通路之间的不匹配的问题，一般利用调制技术。,19,借助于无线电通信的原理 概念是把调制信号（如讲话、音乐最高频率达20kHz）调制到一个无线电台发射的简单载波信号（如104.3MHz）上， 这种调制的优点之一是无线电台可以利用不同的发射频率 选择想得到的电台后，接收器通过解调过程恢复基带信号并传给扬声器。,调制与解调,20,调 制,缓变信号变成高频交变信号的过程,解 调,从高频信号中恢复出原缓变信

7、号的过程。,调制与解调的实质：通过某种方式将信号频率较低的信号（即缓变信号）调制为适当频率的信号，便于放大传输。然后从调制后信号中再恢复缓变信号。,21,调制种类：,根据载波（较高频率的交变信号）信号受调制的参数的不同，调制可分为调幅（AM ）、调频（FM ）、调相（PM ） 。,工程测试技术中常用以正余弦波为载波信号，用待传输处理的信号对其进行幅值、频率、相位调制。,22,1 调幅与解调,调幅过程就是将测量信号（调制波）与高频正弦或余弦信号（载波）相乘，使高频载波的幅值随测量信号的变化而变化。,（1）调幅原理,时域分析,23,调幅原理：高频交变载波信号与被测调制信号在时域上进行乘法运算。使高

8、频信号的幅值随测试信号的变化而变化。,由傅立叶变换的性质知：在时域中两个信号相乘，则对应在频域中这两个信号进行卷积，即,24,即调制后的结果就相当于把原信号的频谱图形由原点平移至载波频率 处，幅值减半。,由脉冲函数的卷积性质知：一个函数与单位脉冲函数卷积的结果，就是将其以坐标原点为中心的频谱平移到该脉冲函数处。,时域分析,25,从调幅原理看，载波频率 必须高于原信号中的最高频率 才能使已调波仍保持原信号的频谱图形，不致重叠。 为了减小放大电路可能引起的失真，信号的频宽 相对中心频率（载波频率 ）应越小越好。 在实际应用中，载波频率 常常至少在调制信号上限频率 的十倍以上。 但是载波频率的提高也

9、受到放大电路截止频率的限制。,26,调幅装置实质上是一个乘法器，现在已有性能良好的线性乘法器组件。 电桥本质上也是一个乘法器，当单臂电桥工作时，设供桥电源电压为高频正弦波（ ），即载波,可见，经过电桥调幅后，原载波信号的幅值被应变大小 调制并且相位也随 的正负而变化。,等幅载波信号：,电桥调幅后信号：,27,（2）解调：幅值调制的解调过程是将已调制波恢复为原 低频调制信号的过程。,同步解调法：用已调制波再与原载波信号相乘一次 ，以复现原信号的频谱（幅值减小为一半） ，“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。,g(t),28,据傅里叶变换性质可得：,若用一个低通滤波器滤

10、去中心频率为 的高频成分，那么将可以复现原信号的频谱（幅值减小为一半），若用放大处理来补偿幅值减小，可得到原调制信号。,同步解调法，要使调幅波和载波相乘，乘后通过低通滤波器，这样做需要线性良好的线性乘法器件。,29,包络检波法（整流检波法）：若把调制信号x(t)进行偏置，叠加一个直流分量A，使偏置后的信号都具有正电压，此时调幅波表达式为,其调幅波的包络线具有原信号形状。一般对于调幅波采用整流、滤波以后，就可以恢复原信号（若叠加了直流分量，则须准确地减去该直流分量）。,需：准确叠加偏置电压（直流电压）。否则，需采用相敏检波技术。,30,包络检波就是建立在整流的原理基础上的,31,若所加的偏置电压

11、未能使信号电压都在零线的一侧，则对调幅波简单地整流不能恢复原调制信号。相敏检波技术可解决此问题。,相敏检波的原理是：调制信号在其过零线时符号（、）发生突变，调幅波的相位与载波比较也相应地发生1800的跳变。 利用载波信号为参考信号，与调幅波比相，这样既能反映出原信号的幅值又能反映其极性。,相敏检波法：,32,开关式全波相敏检波电路,相敏检波电路主要有：半波相敏检波、全波相敏检波。,33,相敏检波器是一种能根据调幅波和载波的相位差判别调制信号极性的解调器，它适合对各种类型的调幅波进行解调。,对于具有极性或方向性的被测量，经调制后要想正确地恢复原有的信号波形，必须采用相敏检波的方法。,34,35,

12、2 调频与解调,调频（频率调制）是利用信号电 压的幅值控制一个振荡器，振荡 器输出的是等幅波，但其振荡频 率偏移量和信号电压成正比。 当信号电压为零时，调频波的频率等于中心频率（载波频率）；信号电压为正值时频率提高，负值时则降低。所以调频波是随信号而变化的疏密不等的等幅波。 调频波的瞬时频率为：,（1）调频,载波频率，也称为中心频率,频率偏移，与调制信号的幅值成正比。,36,为了保证测量精度，对应于零信号的载波中心频率应远高于信号的最高频率成分。,37,优点：抗干扰能力强 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

13、杂 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。,38,实现调频的方法：（自学）,直接调频测量电路,如图为LC振荡器原理图。若把电容（或电感）作为谐振回路中的一个调谐参数，那么电路的谐振频率将是：,设电容器初始电容为 时，振荡器频率为 ，且电容变化量 ，则 引起的频率偏移,可见，在小范围内，回路的谐振频率被测量的变化近似成线性关系。,39,实现调频的方法：（自学）,压控振荡器,压控振荡器VCO(Voltage Controlled Oscillator) 是一种将电平变换为相应频率的脉冲变换电路。 它被广泛地应用在自动控制，自动测量与检测等技术领域。,压控

14、振荡器的输出频率与输入的控制电压值成线性关系。,40,41,（2）解调（鉴频） （自学）,是将频率变化恢复成调制信号电压幅值变化的过程。,测试仪器常用的鉴频方法是鉴频法。,42,变压器耦合的谐振回路鉴频法,43,第三节 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。,作用：选频作用。 滤除干扰噪声； 对信号作频谱分析,1 概述,44,机床轴心轨迹的滤波处理,45,按滤波器的选频作用分类,2. 分类：,46,按所处理信号的性质： 模拟滤波器 数字滤波器,按构成电路性质 有源滤波器 无源滤波器, RC谐振滤波器 按构成元件类型 LC谐振滤波器 晶体谐振滤波器

15、,47,2 理想滤波器,理想滤波器在物理上是不能实现的，但对深入了解滤波器的传输特性是有作用的。,根据线性系统不失真传输条件，理想测量系统的频率响应函数应是：,其它,若滤波器的频率响应满足下列条件,称为理想低通滤波器。,48,其它,理想低通滤波器：,49,理想低通滤波器的脉冲响应,由图可知，理想低通滤波器是不能实现的。,可以推论，理想的高通、带通、带阻滤波器都是不存在的。,原因：从h(t)看，t0时已有值。,50,理想滤波器的阶跃响应,讨论理想滤波器以树立关于滤波器的通频带宽B和建立比较稳定的输出所需要的时间Te 之间的关系。,给理想低通滤波器以单位阶跃输入u(t)，滤波器的输出y(t)将是该

16、输入和脉冲响应函数h(t)的卷积： 如果我们定义输出由最小值到最大值 所需要的时间为建立时间：,51,低通滤波器的带宽：,低通滤波器对阶跃响应建立时间：,滤波器的带宽表示它的分辨能力，带宽越窄则分辨力越高。可见，滤波器的高分辨力与测量时快速响应的要求是互相矛盾的。,低通滤波器对阶跃响应的建立时间 和带宽B 成反比。,这一结论对其它滤波器（高通、带通、带阻）也适用。,52,3 实际滤波器,1. 实际滤波器的基本参数,1）纹波幅度d：绕幅频特性均值A0波动值,2）截止频率fc：幅频特性值等 于 所对应的频率，即相对于 衰减-3dB 。若以信号的幅值平方表示信号功率，则该频率对应的点为半功率点。,5

17、3,3 实际滤波器,1. 实际滤波器的基本参数,3）带宽B：上下截止频率之间的频率范围 ，又称-3dB带宽（也称半功率带宽）。带宽表示滤波器的分辨能力,4）品质因数Q：中心频率和带宽之比称为品质因数 其中中心频率 品质因数也用来衡量滤波器分离相邻频率成分的能力。 值越大，滤波器的分辨力越高。,54,（5）倍频程选择性：是指在上截止频率fc2与2fc2之间，或者在下截止频率fc1与fc1/2之间幅频特性的衰减量，即频率变化一个倍频程时的衰减量。倍频程选择性是描述对带宽外频率成分衰减的能力，以分贝数为单位。显然， 衰减越快，滤波选择性越好。,（6）滤波器因数（矩形因数） ：滤波器选择性的另一种表示

18、方法，是滤波器-60dB处的带宽B-60dB与-3dB处的带宽B-3dB的比值。理想滤波器的1；通常使用的滤波器15。,55,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 。 根据构成滤波器的电路性质，可分为无源滤波器和有源滤波器。,2. RC调谐式滤波器的基本特性,56,令 =RC，称时间常数,滤波器的传递函数为：,一阶RC低通滤波器,RC无源滤波器,57,：A(f)=1,(f)-f 近似于一条通过原点的直线。 此时，RC低通滤波器是一个不失真传输系统。,RC值决定着上截止频率，适当改变此值，可以改变

19、滤波器的截止频率,RC低通滤波器起着积分器的作用,58,RC高通滤波器,滤波器的传递函数为：,令 =RC，称时间常数,59,RC高通滤波器可视为不失真传输系统,RC值决定着下截止频率,RC高通滤波器起着微分器的作用。,60,RC带通滤波器,带通滤波器可看成是低通滤波器和高通滤波器串联组成。,串联所得的带通滤波器以原高通滤波器的截止频率为下截止频率，即 其上截止频率为原低通的截止频率，即,分别调节高、低通环节的时间常数（ 及 ），就可得到不同的上、下截止频率和带宽的带通滤波器。,61,滤波器的级联,滤波器的级联就是为了加强滤波效果。 两个中心频率相同的滤波器级联，总幅频特性是其各自幅频特性的乘积

20、，因此通带外的频率成分将有更大的衰减斜率。,高阶滤波器就是低阶滤波器级联而成的。,但该方法会带来明显的负载效应和相移增大等问题。 为此，更有效地方法是采用有源滤波器。,62,RC有源滤波器,有源滤波器由RC调谐网络和运放组成。运放既可以起极间隔离作用，又可以起幅值放大作用。,隔离负载影响、提高增益和带负载能力,63,为了对信号进行频谱分析，或摘取信号中某些特殊频率成分，可将信号通过放大倍数相同但中心频率不同的多个带通滤波器，从而各滤波器的输出反映信号中在该通带频率范围内的量值，因而可分析信号中所含的各频率成分。,3 带通滤波器在信号频率分析中的应用,64,将图中各个滤波器依次接通，各滤波器的输

21、出将反映瞬时获得信号的频谱结构。从而称为实时谱分析。,对用于谱分析的滤波器组，各滤波器的通带应该相互连接，覆盖整个感兴趣的频率范围，这样才不致使信号中的频率成分“丢失”。,通常的做法是：前一个滤波器的上截止频率（高端）就是后一个滤波器的下截止频率（低端），这样一组滤波器将覆盖整个频率范围，也是邻接的。当然，滤波器组应具有同样的放大倍数（对其各个中心频率而言）。,65,在作信号频谱分析时，这组并联的、增益相同而中心频率不同的带通滤波器的带宽遵循一定得规则取值，通常用两种方法构成常见的带通滤波器组：,（1）恒带宽比滤波器,（2）恒带宽滤波器,66,（一）恒带宽比滤波器,相对带宽为常数： 为常数 滤

22、波器的中心频率越高，其带宽越大。,67,实现恒带宽比滤波器的方式常采用倍频程带通滤波器，它的上、下截止频率之间应满足以下关系：,n为倍频程数，若n=1，称倍频程滤波器；n=1/3，称1/3倍频程滤波器，依此类推。,滤波器的中心频率：,68,因此，只要根据分析的要求选定一个n值，便可设计覆盖给定范围的邻接式滤波器组。,例：有一个1/3倍频程带通滤波器，其中心频率为80Hz，求上、下截止频率。,例：试设计一个邻接式的1/3倍频程谱分析装置，其频率覆盖范围为（11Hz35Hz），求其中心频率和带宽。,69,DM5731型三分之一倍频程带通滤波器,70,恒带宽比滤波器的滤波性能在低频段较好，但在高频段由于其带宽增大而变坏，使频率分辨力下降。 因此，为使滤波器在所有频率段均具有良好的频率分辨特性，可使用恒带宽滤波器(如收音机的选频)。为提高分