第五章、测试信号调理技术第五章、测试信号调理技术工程测试技术基础工程测试技术基础本章学习要求：本章学习要求：1.1.了解模拟信号放大电路原理了解模拟信号放大电路原理 2.2.了解信号调制解调原理了解信号调制解调原理 3.3.了解信号滤波器工作原理了解信号滤波器工作原理信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。 5.1 5.1 信号调理的目的信号调理的目的 第五章、测试信号调理技术第五章、测试信号调理技术1.1.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，需需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。2.2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪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。声，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。对传感器测量信进行调制解调处理。 5.2 5.2 信号放大信号放大 第五章、测试信号调理技术第五章、测试信号调理技术分类分类放大器放大器直流放大器直流放大器交流放大器交流放大器电荷放大器电荷放大器直流电桥直流电桥特点特点交流电桥交流电桥低频保留低频保留, ,高频截止高频截止高频保留高频保留, ,低频截止低频截止1 1 直流放大电路直流放大电路 5.2 信号放大电路信号放大电路 电压增益电压增益: :1) 1) 反相放大器反相放大器 反馈电阻反馈电阻R RF F值不能太大，否则会产生较大的值不能太大，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。噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。R1R1的的取值应远大于信号源取值应远大于信号源UiUi的内阻的内阻。 烟雾报警器烟雾报警器酒精传感器酒精传感器二氧化碳传感器二氧化碳传感器2)2)同相放大器同相放大器 5.2 信号放大电路信号放大电路 同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。抗很低的特点，广泛用于前置放大级。 同相放大器也是最基同相放大器也是最基本的电路本的电路 ，其闭环电压，其闭环电压增益增益AvAv为为: :2 2 交流放大电路交流放大电路 5.2 信号放大电路信号放大电路 R1R1一般取几十千欧。耦合电容一般取几十千欧。耦合电容C1C1、C3C3可根据交流可根据交流放大器的下限频率放大器的下限频率fLfL来确定。来确定。 若只需要放大交流信号，可采用图示的集成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。其中电容运放交流电压同相放大器。其中电容C1C1、C2C2及及C3C3为隔直电容。为隔直电容。 3 3 直流电桥直流电桥5.2 信号放大电路信号放大电路 平衡条件平衡条件VER1R3R2R45.2 信号放大电路信号放大电路 令：令：5.2 信号放大电路信号放大电路 4 4 交流电桥交流电桥电感电感电容电容传感器传感器传感器传感器平衡条件平衡条件5.2 信号放大电路信号放大电路 电桥的接法：电桥的接法：单臂单臂 半桥半桥全桥全桥5 5 电荷放大器电荷放大器5.2 信号放大电路信号放大电路 F+第五章、测试信号调理技术第五章、测试信号调理技术5.35.3调制与解调调制与解调1 1 目的目的 解决微弱缓变信号的放大以及信号解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。的传输问题。 第五章、测试信号调理技术第五章、测试信号调理技术 先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，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。输出信号中取出放大了的缓变信号。 例：交流电桥例：交流电桥VinVoR1R3R2R45.3调制与解调调制与解调2 2 种类种类调制信号调制信号x(t)x(t)0 0t t载波信号载波信号z(t)z(t)0 0t t5.3调制与解调调制与解调a) a) 幅度凋制幅度凋制( (AM)AM)b) b) 频率调制频率调制( (FM)FM)c) c) 相位调制相位调制( (PMPM)5.3调制与解调调制与解调3 3 幅度调制幅度调制 调调幅幅是是将将一一个个高高频频正正弦弦信信号号（或或称称载载波波）与与测测试试信信号号相相乘乘，使使载载波波信信号号幅幅值值随随测测试试信信号号的的变变化而变化化而变化缓变信号缓变信号调制调制高频信号高频信号放大放大放大高放大高频信号频信号解调解调放大缓放大缓变信号变信号5.3调制与解调调制与解调幅度调制与解调过程（波形分析）幅度调制与解调过程（波形分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器乘法器滤波器滤波器z(t)x(t)5.3调制与解调调制与解调幅度调制与解调过程（频谱分析）幅度调制与解调过程（频谱分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器乘法器滤波器滤波器z(t)x(t)5.3调制与解调调制与解调幅度调制与解调过程（数学分析）幅度调制与解调过程（数学分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器乘法器滤波器滤波器z(t)x(t)5.3调制与解调调制与解调实验：同步调治与解调实验实验：同步调治与解调实验 上述调制方法，将信号上述调制方法，将信号x(t)x(t)直接与载波直接与载波z(t)z(t)相乘这种相乘这种调幅波具有极性变化，解调调幅波具有极性变化，解调时必须再乘与时必须再乘与z(t)z(t)相位相同相位相同的的z(t) z(t) 方能复原出原信号，方能复原出原信号，故称同步解调故称同步解调 5.3调制与解调调制与解调非抑制调幅非抑制调幅 若对信号若对信号x(t)x(t)进行偏置，叠加一个直流分量进行偏置，叠加一个直流分量D D，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。 5.3调制与解调调制与解调调幅调幅5.3调制与解调调制与解调解调解调二极管检波二极管检波低通滤波低通滤波5.3调制与解调调制与解调调幅波的波形失真调幅波的波形失真a a）过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏置必须足够大，否则置必须足够大，否则x(t)x(t)的相位将发生的相位将发生180180。5.3调制与解调调制与解调b)b)重叠失真：调幅波是由一对每边为重叠失真：调幅波是由一对每边为fmfm的双边带信的双边带信号组成当载波频率号组成当载波频率fzfz较低时，正频端的下边带将较低时，正频端的下边带将与负频端的下边带相重叠要求与负频端的下边带相重叠要求: : fzfzfmfm 5.3调制与解调调制与解调动手做：动手做：用用个人测试实验室中数字个人测试实验室中数字信号发生器、波形运算器信号发生器、波形运算器等软件芯片，设计一个等软件芯片，设计一个非非抑制调幅与解调系统。抑制调幅与解调系统。5.3调制与解调调制与解调4 4 频率调制频率调制 调调频频是是利利用用信信号号x(t)x(t)的的幅幅值值调调制制载载波波的的频频率率，或或者者说说，调调频频波波是是一一种种随随信信号号x(t)x(t)的的电电压压幅值而变化的疏密度不同的等幅波幅值而变化的疏密度不同的等幅波. . 5.3调制与解调调制与解调5.3调制与解调调制与解调鉴频：鉴频：T1T2T3T4F5.3调制与解调调制与解调优点：抗干扰能力强。优点：抗干扰能力强。 调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的所要求带宽的2020倍；调频系统较之调幅系统复倍；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率调制足一种非线性调制。杂，因为频率调制足一种非线性调制。 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要表现在振幅之中 缺点：占频带宽度大，复杂缺点：占频带宽度大，复杂5.3调制与解调调制与解调案例：案例：旋转机械扭距测量旋转机械扭距测量5.3调制与解调调制与解调案例：案例：铁路机车调度铁路机车调度 信号检测信号检测调制频率调制频率8.58.5HzHz，绿灯绿灯调制频率调制频率23.523.5HzHz，红灯红灯5.3 5.3 信号的滤波信号的滤波 第五章、测试信号调理技术第五章、测试信号调理技术 滤波器是一种选频装置，可以使滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分衰减其他频率成分第五章、测试信号调理技术第五章、测试信号调理技术1 1 滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）滤波器分类（根据滤波器的选频作用分） 低通低通高通高通第五章、测试信号调理技术第五章、测试信号调理技术带通带通带阻带阻2 滤波器的串滤波器的串/ /并联并联 低低通通滤滤波波器器和和高高通通滤滤波波器器是是滤滤波波器器的的两两种种最最基基本本的的形形式式，其其它它的的滤滤波波器器都都可可以以分分解解为为这这两种类型的滤波器。两种类型的滤波器。5.3信号的滤波信号的滤波 3 3 理想滤波器理想滤波器 理理想想滤滤波波器器是是指指能能使使通通带带内内信信号号的的幅幅值值和和相相位位都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。5.3信号的滤波信号的滤波 fcH(f)fQ(f)理想滤波器的理想滤波器的物理不可实现物理不可实现 理理想想滤滤波波器器在在时时域域内内的的脉脉冲冲响响应应函函数数 h h（t t）为为 sincsinc函函数数。脉脉冲冲响响应应的的波波形形沿沿横横坐坐标标左、右无限延伸。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=0t=0时刻单时刻单位脉冲输入滤波器之前，滤波器就已经有响应了。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。故物理不可实现。5.3信号的滤波信号的滤波 fcH(f)4 4 实际滤波器实际滤波器 理理想想滤滤波波器器是是不不存存在在的的，实实际际滤滤波波器器幅幅频频特特性中通带和阻带间没有严格界限性中通带和阻带间没有严格界限, ,，存在过渡带。，存在过渡带。 5.3信号的滤波信号的滤波 0fA5.3信号的滤波信号的滤波 0ffc1fc2A00.707A01)1)截止频率截止频率fcfc：0.7070.707A A0 0所对应的频率所对应的频率 d2)2)纹波幅度纹波幅度d d：绕绕幅频特性均值幅频特性均值A A0 0波动值波动值3)3)带宽带宽B B和品质因数和品质因数Q Q：下两截频间的频率范围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数称为带宽。中心频率和带宽之比称为品质因数 。 BQ=W0 / B4)4)倍频程选择性倍频程选择性W W 指在上截止频率指在上截止频率fcfc2 2与与2 2fcfc2 2之间幅频特性的衰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。减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。 5.3信号的滤波信号的滤波 倍频程衰减量以倍频程衰减量以dB/dB/octoct表示（表示（Octave，倍频程）倍频程）。衰减越快（即。衰减越快（即W W值越大），滤波器的选择性越好。值越大），滤波器的选择性越好。5 5 恒带宽、恒带宽比滤波器恒带宽、恒带宽比滤波器 实实际际滤滤波波器器频频率率通通带带通通常常是是可可调调的的，根根据据实实际际滤滤波波器器中中心心频频率率与与带带宽宽之之问问的的数数值值关关系系，可可以以分为两种。分为两种。5.3信号的滤波信号的滤波 2) 2) 恒带宽比带通滤波器恒带宽比带通滤波器 1) 1) 恒带宽带通滤波器恒带宽带通滤波器 5.3信号的滤波信号的滤波 1/31/3倍频程滤波器倍频程滤波器6 6 RCRC无源滤波器无源滤波器 在在测测试试系系统统中中，常常用用RCRC滤滤波波器器。因因为为这这一一领领域域中中信信号号频频率率相相对对来来说说不不高高。而而RCRC滤滤波波器器电电路路简简单单，抗抗干干扰扰强强，有有较较好好的的低低频频性性能能，并并且且选选用用标标准阻容元件准阻容元件 。 1) 1) 一阶一阶RCRC低通滤波器低通滤波器 5.3信号的滤波信号的滤波 5.3信号的滤波信号的滤波 2) 2) 一阶一阶RCRC高通滤波器高通滤波器 5.3信号的滤波信号的滤波 3) 3) RCRC带通滤波器带通滤波器 可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联 5.3信号的滤波信号的滤波 产品产品5.3信号的滤波信号的滤波 LineDa: LTC1564MAXIM: MAX74xx5.3信号的滤波信号的滤波 2.2 信号的时域波形分析信号的时域波形分析 6 6 滤波器的应用滤波器的应用超门限报警超门限报警 案例：案例：旅游索道钢缆检测旅游索道钢缆检测5.3信号的滤波信号的滤波 由案例提炼的典型实验：由案例提炼的典型实验：钢管无损探伤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5.3信号的滤波信号的滤波 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 5.3信号的滤波信号的滤波 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5.3信号的滤波信号的滤波 动手做：动手做：调节计算机调节计算机mp3播放器等播放器等软件中的声音均衡器，试软件中的声音均衡器，试验其对音乐信号的滤波情验其对音乐信号的滤波情况。况。5.3信号的滤波信号的滤波 思考题：思考题： 1 1 信号调理的内容和目的信号调理的内容和目的 ？2 2 信号放大电路的种类，如何根据传感器输出信号放大电路的种类，如何根据传感器输出 特性选择合适的放大电路特性选择合适的放大电路 ？3 3 信号信号调制与解调的种类调制与解调的种类 ？4 4 幅度幅度调制与解调的原理调制与解调的原理 ？5 5 调幅波的失真，如何消除调幅波的失真，如何消除 ？6 6 信号滤波器的种类信号滤波器的种类 ？7 7 如何根据测试信号中有用成分和干扰成分的如何根据测试信号中有用成分和干扰成分的 频谱来选择滤波器种类和设定其参数频谱来选择滤波器种类和设定其参数 ？