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1、第五章第五章 信号调理电路信号调理电路信号调理的意义何在？信号调理的意义何在？被测对象被测对象传感器传感器信号调理信号调理和处理和处理显示记录显示记录装置装置信息调理信息调理与提取与提取21.1.传传感感器器输输出出的的电电信信号号很很微微弱弱，大大多多数数不不能能直直接接输输送送到到显显示示、记记录录或或分分析析仪仪器器中中去去，需需要要进进一一步步放放大大，有有的还要进行阻抗变换。的还要进行阻抗变换。（放大电路）（放大电路）2.2.有些传感器输出的是电信号中混杂有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声有干扰噪声，需，需要去掉噪声，提高信噪比。要去掉噪声，提高信噪比。（滤波电路）（滤波电路）
2、33.3.某些场合，某些场合，为便于信号的远距离传输为便于信号的远距离传输，需要对传感，需要对传感器测量信号进行调制解调处理。器测量信号进行调制解调处理。（调制解调电路）（调制解调电路）4 调制与解调电路调制与解调电路 滤波器电路滤波器电路 放大电路放大电路5第一节第一节 放大电路放大电路6781 1 电桥放大电路电桥放大电路91 1）直流电桥直流电桥abcd1R2R3R4RyU0U1I2I若若R R1 1R R3 3=R R2 2R R4 4，则输出电压必为零，此时电桥处，则输出电压必为零，此时电桥处于平衡状态，称为于平衡状态，称为平衡电桥平衡电桥。当被测量引起桥路电阻改变，且当被测量引起桥
3、路电阻改变，且 ，其输出为其输出为利用上式特点，可进行温度补偿和提高测量利用上式特点，可进行温度补偿和提高测量的灵敏度。的灵敏度。10直流电桥的加减特性与应用直流电桥的加减特性与应用1.1.桥路温度补偿桥路温度补偿2.2.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113.3.全桥实现温度补偿和提高测量灵敏度全桥实现温度补偿和提高测量灵敏度122 2）交流电桥交流电桥采用交流激励电压。采用交流激励电压。四个桥臂可以是电感四个桥臂可以是电感L L、电容、电容C C或者电阻或者电阻R R，均用阻抗符号，均用阻抗符号Z Z表表示。示。根据对
4、直流电桥的讨论可以写出根据对直流电桥的讨论可以写出电桥达到平衡时电桥达到平衡时13交流电桥的平衡条件：交流电桥的平衡条件：|Z Z1 1|Z Z3 3|e|ej j（1+31+3）=|=|Z Z2 2|Z Z4 4|e|ej j（2+42+4）即：即：|Z Z1 1|Z Z3 3|=|=|Z Z2 2|Z Z4 4|，1 1+3 3=2 2+4 4 交流电桥平衡要满足两个条件，即：两相对桥臂的阻抗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（模的乘积相等（模值平衡条件模值平衡条件）；其阻抗角的和相等）；其阻抗角的和相等（相角平衡条件相角平衡条件）。）。常用的交流电桥有：常用的交
5、流电桥有：电容电桥、电感电桥。电容电桥、电感电桥。1415n若电桥中有一对相邻桥臂为电阻，根据平衡若电桥中有一对相邻桥臂为电阻，根据平衡条件，其余二桥臂一定为条件，其余二桥臂一定为（？）（？）类的阻抗；类的阻抗；n若电桥中有二对边桥臂为电阻，根据平衡条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件，其余二桥臂一定具有（？）（？）类的阻抗。类的阻抗。16n如果四个桥臂均为电阻时，如果四个桥臂均为电阻时，1 1=3 3=2 2 =4 4=0=0，如果忽略其它因素影响，交流电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。桥的平衡条件与直流电桥是完全一样的。但在交流电
6、桥的实际使用过程中，影响交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流电桥测量精度及误差的因素较之直流电桥要多得多。桥要多得多。n由于交流电桥的平衡必须同时满足幅值与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阻抗两个条件，因此较之直流电桥的平衡调节要复杂得多。调节要复杂得多。17一般情况下，交流电桥的供桥电源必须具有良好的一般情况下，交流电桥的供桥电源必须具有良好的电压电压波形波形和和频率稳定度频率稳定度。若电源电压波形畸变（包含高次谐。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，电波），则对于基波而言
7、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。桥不一定平衡，因而会有高次谐波电压输出。一般采用一般采用音频交流电压（音频交流电压（5 510kHZ10kHZ）作为电桥电源。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。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，必须注意采用交流电桥时，必须注意影响测量误差的一些因素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；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
8、应作用；泄漏电阻以及元件之间、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。元件与地之间的分布电容等。18x(t)x(t)0 0t tVER1R3R2R4第二节第二节 调制与解调调制与解调1920n 借助于无线电通信的原理借助于无线电通信的原理n 概念是把调制信号（如讲话、音乐最高频率达概念是把调制信号（如讲话、音乐最高频率达20kHz20kHz）调制到一个无线电台发射的简单载波信号（如调制到一个无线电台发射的简单载波信号（如104.3MHz104.3MHz）上，上，n 这种调制的优点之一是无线电台可以利用不同的发射频这种调制的优点之一是无线电台可以利用不同的发
9、射频率率n 选择想得到的电台后，接收器通过解调过程恢复基带信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。号并传给扬声器。调制与解调调制与解调调制与解调调制与解调21u 调制与解调的实质：调制与解调的实质：调制与解调的实质：调制与解调的实质：通过某种方式将信号频率较低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。输。然后从调制后信号中再恢复缓变信号。22u 调制种类：调制种类：调制种类：调制种类：根据根据载波（较高频率的交变信号）载波（较高频率的交变信号）
10、信号受调制的参数的不同，信号受调制的参数的不同，调制可分为调制可分为调幅（调幅（AM AM）、调频（）、调频（FM FM）、调相（）、调相（PM PM）。工程测试技术中常用以工程测试技术中常用以正余弦波为载波信号正余弦波为载波信号，用，用待传输处理待传输处理的信号的信号对其进行对其进行幅值、频率、相位调制。幅值、频率、相位调制。231 1 调幅与解调调幅与解调调幅过程就是将调幅过程就是将测量信号测量信号（调调制波制波）与）与高频正弦或余弦信号高频正弦或余弦信号（载波载波）相乘相乘，使高频载波的使高频载波的幅值随测量信号的变化而变化幅值随测量信号的变化而变化。（1 1）调幅原理）调幅原理时域分析
11、时域分析24调制器调制器 （乘法器）（乘法器）调制调制信号信号载波载波调幅波调幅波由傅立叶变换的性质知：在时域中两个信号相乘，则对应在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，即频域中这两个信号进行卷积，即25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载波频率 处，幅值减半。处，幅值减半。由脉冲函数的卷积性质知：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果，就是将其以坐标原点为中心的频谱平移到该脉
12、冲函数处。时域分析时域分析频域分析频域分析f0f0fm-fm26从调幅原理看，载波频率从调幅原理看，载波频率 必须高于原必须高于原信号中的最高频率信号中的最高频率 才能使已调波仍才能使已调波仍保持原信号的频谱图形，不致重叠。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，信号为了减小放大电路可能引起的失真，信号的频宽的频宽 相对中心频率（载波频率相对中心频率（载波频率 ）应越小越好。应越小越好。在实际应用中，载波频率在实际应用中，载波频率 常常至少在常常至少在调制信号上限频率调制信号上限频率 的十倍以上。的十倍以上。但是载波频率的提高也受到放大电路截止但是载波频率的提高也受到放
13、大电路截止频率的限制。频率的限制。频域分析频域分析f0f0fm-fm27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。法器组件。电桥本质上也是一个乘法器电桥本质上也是一个乘法器，当单臂电桥工作时，设供桥电，当单臂电桥工作时，设供桥电源电压为高频正弦波（源电压为高频正弦波（），即载波），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可见，经过电桥调幅后，原载波信号的幅值被应变大小 调调制并且相位也随制并且相位也随 的正负而变化。的正负而变化。等幅载波信号：等幅载波信号：电桥调幅后信号：电桥调幅后信号：28乘法器乘法器低通
14、低通载波载波y(t)调幅波调幅波（2 2）解调：）解调：幅值调制的解调过程是将已调制波恢复为原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。低频调制信号的过程。n 同步解调法：同步解调法：用已调制波再与原载波信号相乘一次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）以复现原信号的频谱（幅值减小为一半），“同步同步”指解调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)29据傅里叶变换性质可得：据傅里叶变换性质可得：若用一个低通滤波器滤去中心若用一个低通滤波器滤去中心频率为频率为 的高频成
15、分，那的高频成分，那么将可以复现原信号的频谱么将可以复现原信号的频谱（幅值减小为一半），若用放（幅值减小为一半），若用放大处理来补偿幅值减小，可得大处理来补偿幅值减小，可得到原调制信号。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，同步解调法，要使调幅波和载波相乘，乘后通过低通滤波器，这样做需要这样做需要线性良好的线性乘法器件线性良好的线性乘法器件。30n包络检波法（整流检波法）：包络检波法（整流检波法）：若把调制信号若把调制信号x(tx(t)进进行偏置，叠加一个直流分量行偏置，叠加一个直流分量A A，使偏置后的信号都具有正电压，使偏置后的信号都具有正电压，此时调幅波表达
16、式为此时调幅波表达式为 其其调幅波调幅波的包络线具有原信号形状。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直流分量，则须准确地减去该直流分量）。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。需：准确叠加偏置电压（直流电压）。否则，需采用相敏检波技术。31包络检波就是建立在整流的原理基础上的包络检波就是建立在整流的原理基础上的32若所加的偏置电压未能使信号电压都在零线的一侧，则对调幅若所加的偏置电压未能使信号电压都在零线的一侧，则对调幅波简单地
17、整流不能恢复原调制信号。波简单地整流不能恢复原调制信号。相敏检波相敏检波技术可解决此问技术可解决此问题。题。相敏检波的原理是相敏检波的原理是：载波载波为正时，调幅波反映原信为正时，调幅波反映原信号的波形；载波为负时，号的波形；载波为负时，调幅波为原信号发生调幅波为原信号发生1801800 0的跳变的跳变利用利用载波信号为参考信号，载波信号为参考信号，与调幅波比相与调幅波比相，这样既能，这样既能反映出原信号的幅值又能反映出原信号的幅值又能反映其极性。反映其极性。n 相敏检波法：相敏检波法：33开关式全波相敏检波电路开关式全波相敏检波电路相敏检波电路主要有：相敏检波电路主要有：半波相敏检波、全波相
18、敏检波半波相敏检波、全波相敏检波。过零比较器过零比较器R R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=R5 5=R=R6 6=R=R7 7/2/2载波信号载波信号调幅波调幅波希望具有希望具有原信号的原信号的包络线包络线调幅波与载波比相，调幅波与载波比相，当当y y（t t）0 0 x xmm(t(t)x x0 0(t)(t)当当y y（t t）0 0,u(t)0,u(t)为低电平，为低电平，V1V1截截止，止，V2V2导通，导通，A2A2反向输入端接反向输入端接地，地，A2A2放大倍数为放大倍数为1 1；当当y y（t t）0,u(t)0,u(t)为高电平，为高电平，V1V1导导通，通，V2V2
19、截止，截止，A2A2同向输入端接同向输入端接地，地，A2A2放大倍数为放大倍数为-1.-1.反相器反相器34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。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。信号波形，必须采用相敏检波的方法。3536第三节第三节 滤波器滤波器滤波器是一种滤波器是一种选频选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，装
20、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。而极大地衰减其他频率成分。1.1.作用：作用：滤除干扰噪声；滤除干扰噪声；对信号作频谱分析对信号作频谱分析1 1 概述概述37机床轴心轨迹机床轴心轨迹的滤波处理的滤波处理38按滤波器的选频作用分类按滤波器的选频作用分类2.2.分类：分类：39按所处理信号的性质：按所处理信号的性质：模拟滤波器模拟滤波器数字滤波器数字滤波器按构成电路性质按构成电路性质有源滤波器有源滤波器无源滤波器无源滤波器RCRC谐振滤波器谐振滤波器按构成元件类型按构成元件类型LCLC谐振滤波器谐振滤波器晶体谐振滤波器晶体谐振滤波器402 2 理想滤波器理想滤波器理想滤
21、波器在物理上是不能实现的，但对深入了解滤波器的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。传输特性是有作用的。根据线性系统不失真传输条件根据线性系统不失真传输条件其它其它若滤波器的频率响应满足下列条件若滤波器的频率响应满足下列条件称为理想低通滤波器。称为理想低通滤波器。41其它其它理想低通滤波器：理想低通滤波器：42理想低通滤波器的脉冲响应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。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。可以推论，理想的高通、带通、带阻滤波器都是不存在的。原因：从原因：从h(t)看
22、，看，t0时已有值。时已有值。43u 理想滤波器的阶理想滤波器的阶跃跃响应响应讨论理想滤波器以树立关于讨论理想滤波器以树立关于滤波器的通频带宽滤波器的通频带宽B B和和建立比较稳建立比较稳定的输出所需要的时间定的输出所需要的时间T Te e 之间的关系。之间的关系。给理想低通滤波器一单位阶跃输入给理想低通滤波器一单位阶跃输入u(t)u(t)，滤波器的输出滤波器的输出y(t)y(t)将是将是该输入和脉冲响应函数该输入和脉冲响应函数h(t)h(t)的卷积：的卷积：如果我们定义输出由最小值到最大值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：所需要的时间为建立时间：44低通滤波器的带宽低通
23、滤波器的带宽：低通滤波器对阶跃响应建立时间：低通滤波器对阶跃响应建立时间：滤波器的带宽表示它的频率分辨能力，带宽越窄则分辨力越滤波器的带宽表示它的频率分辨能力，带宽越窄则分辨力越高，但反映映就越慢，建立时间越长。可见，高，但反映映就越慢，建立时间越长。可见，滤波器的高分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低通滤波器对阶跃响应的建立时间 和带宽和带宽B B 成反比。成反比。这一结论对其它滤波器（高通、带通、带阻）也适用。这一结论对其它滤波器（高通、带通、带阻）也适用。453 3 实际滤波器实际滤波器u 1.1.实
24、际滤波器的基本参数实际滤波器的基本参数1 1）纹纹波波幅幅度度d d：绕绕幅幅频频特特性性均均值值A A0 0波波动动值值，纹纹波波幅幅度度d d与与通通带带内内幅幅频频特特性性的的平平均均值值A A0 0相相比比越越小小越越好，一般好，一般2 2）截止频率）截止频率fcfc：幅频特性值等幅频特性值等于于 所对应的频率，即相所对应的频率，即相对于对于 衰减衰减-3dB-3dB 的频率点。若的频率点。若以信号的幅值平方表示信号功率，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。则该频率对应的点为半功率点。463 3 实际滤波器实际滤波器u 1.1.实际滤波器的基本参数实际滤波器的基本
25、参数3 3）带宽）带宽B B：上下截止频率之间上下截止频率之间的频率范围的频率范围 ，又称，又称-3dB-3dB带宽（也称半功率带宽）。带宽（也称半功率带宽）。带宽表示滤波器的频率分辨能带宽表示滤波器的频率分辨能力力 4 4）品质因数）品质因数Q Q：中心频率和带宽之比称为品质因数：中心频率和带宽之比称为品质因数其中中心频率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。品质因数也用来衡量滤波器分离相邻频率成分的能力。值越值越大，滤波器的分辨力越高。大，滤波器的分辨力越高。47（5 5）倍频程选择性）倍频程选择性：是指在上截止频率：是指在上截止频率fcfc2 2与与2fc2fc2
26、2之间，之间，或者在下截止频率或者在下截止频率fcfc1 1与与fcfc1 1/2/2之间幅频特性的衰减量，即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频率变化一个倍频程时的衰减量。倍频程选择性是。倍频程选择性是描述对描述对带宽外频率成分衰减的能力带宽外频率成分衰减的能力，以分贝数为单位。显然，以分贝数为单位。显然，衰衰减越快，减越快，滤波选择性越好滤波选择性越好。（6 6）滤波器因数（矩形因数）滤波器因数（矩形因数）：滤波器选择性的另一种滤波器选择性的另一种表示方法表示方法，是滤波器是滤波器-60-60dBdB处的带宽处的带宽B B-60-60dBdB与与-3-3dBdB处的带宽处
27、的带宽B B-3dB-3dB的比值。理想滤波器的的比值。理想滤波器的 1 1；通常使用的滤波器；通常使用的滤波器11 55。该参数表明滤波器从通带到阻带（或从阻带到通带）的过渡的快慢，该参数表明滤波器从通带到阻带（或从阻带到通带）的过渡的快慢，以及滤波器对通带外频率分量的衰减能力。以及滤波器对通带外频率分量的衰减能力。48在测试系统中，常用在测试系统中，常用RCRC滤波器。因为这一领域中信号频率相滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而对来说不高。而RCRC滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标准阻容元件频性能，并且选用标准阻容元件 。
28、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。器。u 2.RC2.RC调谐式滤波器的基本特性调谐式滤波器的基本特性49令=RC，称时间常数滤波器的传递函数为：滤波器的传递函数为：n 一阶一阶RCRC低通滤波器低通滤波器u RCRC无源滤波器无源滤波器50 ：A(fA(f)=1,(f)-f)=1,(f)-f 近似于一条通过原点的直线。近似于一条通过原点的直线。此时，此时，RCRC低通滤波器是一个不失真传输系统。低通滤波器是一个不失真传输系统。RCRC值决定着上截止频率，适当改变此值，可以改变滤波器的截止频值决定着上截止频率，适当改变此
29、值，可以改变滤波器的截止频率率RCRC低通滤波器起着积分器的作用低通滤波器起着积分器的作用51n RCRC高通滤波器高通滤波器滤波器的传递函数为：滤波器的传递函数为：令=RC，称时间常数5253n RCRC带通滤波器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。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，即频率，即 其上截止频率为原低通的截止频率，其上截止频率为原低通的截止频率，即即分别调节高、低通环节的时间常数（分别调节高、低通环节的时间常数（及及 ），就可得到）
30、，就可得到不同的上、下截止频率和带宽的带通滤波器。不同的上、下截止频率和带宽的带通滤波器。54n滤波器的级联滤波器的级联滤波器的级联就是为了加强滤波效果或形成带通滤波器。滤波器的级联就是为了加强滤波效果或形成带通滤波器。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，因此通带外的频率成分将有更大的衰减斜率。特性的乘积，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。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。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
31、有效地方法是采用有源滤波器。为此，更有效地方法是采用有源滤波器。55有源滤波器由于是由电阻、电容、有源滤波器由于是由电阻、电容、运算放大器运算放大器组成，而组成，而有源有源器件运放具有高输入阻抗和低阻抗输出的特性器件运放具有高输入阻抗和低阻抗输出的特性，因此可使级，因此可使级间影响减小。间影响减小。因此可以起到因此可以起到级间隔离级间隔离和和放大信号幅值放大信号幅值的作用。的作用。u RCRC有源滤波器有源滤波器56u RCRC有源滤波器有源滤波器有源滤波器由有源滤波器由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。离作用，又可以起幅值放大作用。隔离负载影响、隔离负载影响、提高增益和带提高增益和带负载能力负载能力5758