1、工程测试技术工程测试技术1第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理主讲教师：来五星博士、副教授李锡文博士、教授实验教师：黄弢高级工程师办公电话： 87557415 87559004移动电话：13349831325, 18971072799电子邮件： 办公地址：新大楼东楼B305 新大楼东楼C306工程测试技术工程测试技术工程测试技术2第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理工程测试技术课件资料下载：课件资料下载：邮箱地址：邮箱地址： “机械工程测试机械工程测试”每个字拼音的第一个字母每个字拼音的第一个字母 密码：密码：111111注意下载时不要删除原始文件注意下载时不要删除原始文件 工程测试技
2、术工程测试技术第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理工程测试技术工程测试技术4第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理本章学习要求：本章学习要求：1.1. 掌握模拟掌握模拟信号放大信号放大原理原理2.2. 掌握掌握电桥电桥原理及基本特性原理及基本特性 3.3. 掌握信号掌握信号调制调制及及解调解调原理原理 4.4. 掌握掌握理想滤波器理想滤波器模型模型5.5. 了解了解实际滤波器实际滤波器基本参数基本参数工程测试技术工程测试技术5第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理本章内容本章内容1. 概述2. 信号调理的目的和内容3. 信号放大原理4. 电桥原理和基本特性5. 调制原理幅度调制及解调原
3、理频率调制原理6. 滤波器原理工程测试技术工程测试技术6第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理信号处理电路信号处理电路信号输出信号输出传感器信号传感器信号模拟信号处理结构示意图4.1 概述概述从结构上来讲，具体的模拟信号处理过程实际上是一个系统，传感器信号是系统的输入，处理后的信号是系统的输出，处理的内容和复杂程度不同，系统的规模和结构也将不同。信号处理技术决定着检测设备的总体性能。x(t)h(t)y(t)()()()()(thtxdthxty系统辨识系统辨识反求反求预测预测工程测试技术工程测试技术7第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理n 信号分析u不改变信号本身的状态和特征，在信号的传
4、输历程中，它是并联于该历程上的运算，由旁路输出运算结果信号处理信号处理结果输出结果输出信号输入信号输入信号分析信号分析结果输出结果输出信号输入信号输入信号处理与信号分析的本质区别信号处理与信号分析的本质区别n 信号处理u 会改变信号本身的状态和特征，是串联于信号传输历程上的运算，运算后的输出改变信号的状态工程测试技术工程测试技术8第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理信号处理的目的信号处理的目的将由探头输出的检测信号不失真地进行放大、滤波等处理，提高检测信号的信噪比和抗干扰能力，进一步进行信号的识别、分析、诊断、显示、存贮、打印、记录等，以显示出最明显的信号特征或检测结果。典型模拟信号处理典
5、型模拟信号处理( (最大最大) )系统框图系统框图探头 1探头 2探头 N放大滤波调理滤波放大滤波调理滤波放大滤波调理滤波诊断与识别报警标记显示记录 包括增益调整、零点调节、温包括增益调整、零点调节、温漂补偿以及电平偏置、电压电漂补偿以及电平偏置、电压电流转换、电压频率转换等流转换、电压频率转换等测量信号可视化的重要组成部分，测量信号可视化的重要组成部分，可采用电流电压表头、发光二极管可采用电流电压表头、发光二极管等组件、多位数字表头、监视器等等组件、多位数字表头、监视器等记录仪器有磁带机、笔式记录仪器有磁带机、笔式记录仪、数字式记录仪等记录仪、数字式记录仪等主要依靠信号幅值以及能量、功率、有
6、效值、主要依靠信号幅值以及能量、功率、有效值、峰峰值、过零点、极点等特征，通过模拟电峰峰值、过零点、极点等特征，通过模拟电路运算并设置对应的阈值来提取检测量值路运算并设置对应的阈值来提取检测量值当检测信号信噪比较高时，模拟信号识别是简单可行的；当检测信号背景噪声大或信号特征复杂时，则效果剧减且电路复杂。定性(半定量)检测时模拟信号处理方法以其低成本和简单结构有明显优势；当检测要求较高或欲实现定量检测时，该方法则无法胜任。捕捉到缺陷信号，以脉捕捉到缺陷信号，以脉冲形成驱动实现声或光冲形成驱动实现声或光报警，或进行其它转换报警，或进行其它转换后控制相应机构。后控制相应机构。缺陷检出后，欲在被测构缺
7、陷检出后，欲在被测构件上标上记号，则由驱动件上标上记号，则由驱动器驱动打标器动作器驱动打标器动作工程测试技术工程测试技术10第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处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。 信号调理的目的信号调理的目的 1.1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到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声，需要有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，
8、需要去掉噪声，提高信噪比。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，需要对传感某些场合，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。器测量信号进行调制解调处理。 工程测试技术工程测试技术11第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理4.2 4.2 信号放大信号放大 信号放大目的幅度增加(1)抗干扰;(2)阻抗匹配2 2 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幅度增大；低频保留，高频截止(工作点会产生温漂，稳定性是设计重点)幅度增大；高频保留，低频截止（工作点保持在0V不变，温漂影响小，电路稳定性好，结构简单） 电荷
9、增大（特殊的放大器，设计中输出电压随传感器电荷变化而变化）Z U 1 1 目的目的: :将传感器输出的微弱电信号进行增强，以达到后续处理要求将传感器输出的微弱电信号进行增强，以达到后续处理要求电桥电桥工程测试技术工程测试技术12第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理直流放大电路直流放大电路 1) 1) 反相放大器反相放大器 1RRAFv反馈电阻RF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。R1的取值应远大于信号源Ui的内阻。 反相放大器是最基本的电路，其闭环电压增益Av为:工程测试技术工程测试技术13第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理2 2）同相放大器）同相放大
10、器 11RRAFv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。 同相放大器也是最基本的电路 ，其闭环电压增益Av为:直流放大电路直流放大电路 工程测试技术工程测试技术14第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理交流放大电路交流放大电路 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C1、C2及C3为隔直电容。 11RRAFvR1一般取几十千欧。耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限频率fL来确定。 )2/()103(31LLfRCC工程测试技术工程测试技术15第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理补充：石英晶体的压电效应补充：石英晶体的压电
11、效应天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形工程测试技术工程测试技术16第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理补充：石英晶体的压电效应补充：石英晶体的压电效应天然形成的石英晶体外形（续）天然形成的石英晶体外形（续） 工程测试技术工程测试技术17第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理补充：石英晶体的压电效应补充：石英晶体的压电效应石英晶体切片及封装石英晶体切片及封装石英晶体薄片石英晶体薄片双面镀银并封装双面镀银并封装工程测试技术工程测试技术18第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理补充：石英晶体的压电效应补充：石英晶体的压电效应 在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的轴表示，纵轴纵轴Z
12、称为光轴光轴，通过六棱线而垂直于光铀的X轴轴称为电轴电轴，与X-X轴和Z-Z轴垂直的Y-Y轴轴 (垂直于六棱柱体的棱面)称为机械轴机械轴。 晶片在正常情况下呈现电性。通常把沿电轴沿电轴(X(X轴轴) )方向方向的作用力产生的压电效应称为“纵向压电纵向压电效应效应”，把沿机械轴沿机械轴(Y(Y轴轴) )方向的作用力产生的压电效应称为“横向压电效应横向压电效应”，沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生切向切向效应效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。 工程测试技术工程测试技术19第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理压电传感器等效电路压电传感器等效电路 某些传感器
13、如某些传感器如压电式压电式加速度传感器、加速度传感器、压电式压电式压力传感器，压力传感器，当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上出现极性相反当压电晶体承受应力作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。故可把压电传感器看成一个电荷源与一个但电量相等的电荷。故可把压电传感器看成一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器。阻抗非常高，工作时将产生正比于被电容并联的电荷发生器。阻抗非常高，工作时将产生正比于被测物理量的电荷量，具有较好的线性度。测物理量的电荷量，具有较好的线性度。SSCra0其电容量为：其电容量为：工程测试技术工程测试技术20第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理aaCqU
14、 因此，压电传感器还可以等效为电压源因此，压电传感器还可以等效为电压源Ua和一个电容器和一个电容器Ca的串联的串联电路，如图电路，如图 (b)。当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为 压电传感器等效电路压电传感器等效电路工程测试技术工程测试技术21第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理 实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连接，连接导线的等效电容CC、前置放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci对电路的影响就必须一起考虑进去。当考虑了压电元件的绝缘电阻压电元件的绝缘电阻Ra以后，压电传感器完整的等效电路可表示成下图所示
15、的电压等效电路(a)和电荷等效电路(b)。这两种等效电路是完全等效的。图图 压电传感器的完整等效电路压电传感器的完整等效电路 (a) 电压源电压源; (b) 电荷源电荷源压电传感器等效电路压电传感器等效电路工程测试技术工程测试技术22第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理n 压电传感器适宜作动态测量压电传感器适宜作动态测量u利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够的措施，使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度。而在动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可以小程度。而在
16、动态力作用下，电荷可以得到不断补充，可以供给测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作动态测量。供给测量电路一定的电流，故压电传感器适宜作动态测量。n 压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路u由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换以后，方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录方可用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。器中。(其中，测量电路的关键在于高阻抗输入的前置放大其中，测量电路的关键在于高阻抗输
17、入的前置放大器。）器。）压电传感器等效电路压电传感器等效电路工程测试技术工程测试技术23第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理压电式传感器的测量电路压电式传感器的测量电路n 前置放大器的作用前置放大器的作用u将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是放大传感器输出的微弱电信号。输出的微弱电信号。 n 前置放大器电路有两种形式前置放大器电路有两种形式u用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器即传感器的输出的输出)成正比；成正比；u用带电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正用带
18、电容板反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎比。由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。工程测试技术工程测试技术24第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（阻抗变换器）图图 压电传感器接放大器的等效电路压电传感器接放大器的等效电路 (a)放大器电路；（放大器电路；（b）输入简化后等效电路）输入简化后等效电路连接导线等效电容CC、前置放大器输入电阻Ri、输入电容Ci。压电元件绝缘电阻压电元件绝缘电阻Ra工程测试技术
19、工程测试技术25第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理 在上图在上图(b)中，电阻中，电阻R=RaRi/(Ra+Ri),电容电容C=Cc+Ci，而，而ua=q/Ca，若，若压电元件受正弦力压电元件受正弦力f=Fm sint的作用，则其电压为：的作用，则其电压为： tUtCdFUmamasinsin式中：式中： Um压电元件输出电压幅值；压电元件输出电压幅值； Um=dFm/Ca；d压电系数，压电系数，下标的意义为产生电荷的面的轴向及施加作用力的轴向。下标的意义为产生电荷的面的轴向及施加作用力的轴向。 由此可得放大器输入端电压由此可得放大器输入端电压Ui，其复数形式为：，其复数形式为：)(1F
20、33CCRjRjdUai的幅值的幅值Uim为：为：iU2221)CCC(RRFd)(Uicam33im输入电压和作用力之间相位差为输入电压和作用力之间相位差为 )(arctan2RCCCica电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（阻抗变换器）工程测试技术工程测试技术26第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（阻抗变换器） 在理想情况下，传感器的泄漏电阻在理想情况下，传感器的泄漏电阻Ra与前置放大器输入电阻与前置放大器输入电阻Ri都都为无限大，即为无限大，即(Ca+Cc+Ci)R1，则理想情况下输入电压幅值，则理想情况下输入电压幅值Uim为为 icamimCCC
21、FdU33上式表明前置放大器输入电压上式表明前置放大器输入电压Uim与频率无关，一般在与频率无关，一般在/03时，时，就可以认为就可以认为Uim与与无关，无关，0为测量电路时间常数之倒数，即为测量电路时间常数之倒数，即 RCCCica)(10 上式表明压电传感器有很好的高频响应，但是，当作用于压电元上式表明压电传感器有很好的高频响应，但是，当作用于压电元件的力为静态力件的力为静态力(=0)时，前置放大器的输出电压等于零，因为电时，前置放大器的输出电压等于零，因为电荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉，所以压电传感荷会通过放大器输入电阻和传感器本身漏电阻漏掉，所以压电传感器不能用于静态力
22、的测量。器不能用于静态力的测量。 工程测试技术工程测试技术27第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理 当当(Ca+Cc+Ci)R1 时，式中时，式中Cc为连接电缆电容，当电缆长度改为连接电缆电容，当电缆长度改变时，变时，Cc也将改变，因而也将改变，因而Uim也随之变化。因此，压电传感器与前也随之变化。因此，压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随意更换，否则将引入测量误差。置放大器之间连接电缆不能随意更换，否则将引入测量误差。 电压放大器（阻抗变换器）电压放大器（阻抗变换器）工程测试技术工程测试技术28第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理图图 电荷放大器等效电路电荷放大器等效电路电荷放大
23、器电荷放大器连接导线等效电容CC、前置放大器输入电阻Ri、输入电容Ci。压电元件绝缘电阻压电元件绝缘电阻Ra工程测试技术工程测试技术29第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理 电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容电荷放大器常作为压电传感器的输入电路，由一个反馈电容CF和高增益运算放大器构成。由于运算放大器输入阻抗极高，放大器和高增益运算放大器构成。由于运算放大器输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流，故可略去输入端几乎没有分流，故可略去Ra和和Ri并联电阻。并联电阻。 fdoCqUU式中式中 ： Uo放大器输出电压；放大器输出电压； Ucf 反馈电容两端电压。反馈电容两端电压
24、。 由运算放大器基本特性，由运算放大器基本特性， 可求出电荷放大器的输出电压可求出电荷放大器的输出电压 ficaoA)C(CCCAqU1通常通常A=104108，当满足，当满足(1+A)CfCa+Cc+Ci时，上式可表示为：时，上式可表示为： FoCqU工程测试技术工程测试技术30第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理 由上式知，电荷放大器的输出电压由上式知，电荷放大器的输出电压Uo只取决于输入电荷与反只取决于输入电荷与反馈电容馈电容CF，与电缆电容，与电缆电容Cc无关，且与无关，且与q成正比，因此，采用电荷放成正比，因此，采用电荷放大器时，即使大器时，即使连接电缆长度连接电缆长度在百米以上
25、，其灵敏度也无明显变化，在百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是这是电荷放大器的最大特点电荷放大器的最大特点。 在实际电路中，在实际电路中，CF的容量做成可选的容量做成可选择的，范围一般为择的，范围一般为100104pF。 FoCqU工程测试技术工程测试技术31第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理放大器特性比较放大器特性比较放大器类型放大器类型特点特点 传感器典型应用传感器典型应用直流放大器直流放大器对信号电压的大小放大，工作点会随温度对信号电压的大小放大，工作点会随温度等的变化而波动，信号在零点上方或下方等的变化而波动，信号在零点上方或下方波动，电路的稳定性成为设计的重点波动，电路的稳定性
26、成为设计的重点电阻应变计、电阻式传感器、电阻应变计、电阻式传感器、铂热电阻测温传感器等铂热电阻测温传感器等交流放大器交流放大器对信号电压大小的变化放大，工作点保持对信号电压大小的变化放大，工作点保持在在0V 不变、信号在不变、信号在0V 上下波动变化，温上下波动变化，温漂影响较小，电路的稳定性好、结构简单漂影响较小，电路的稳定性好、结构简单差动变压器、电容式、电感式差动变压器、电容式、电感式传感器等。传感器等。电荷放大器电荷放大器 一种特殊的放大器，输出电压随传感器电一种特殊的放大器，输出电压随传感器电荷的变化而变化荷的变化而变化,对电荷信号直接放大对电荷信号直接放大压电式传感器。压电式传感器
27、。放大是测试系统的基本环节，放大器的放大倍数是关键的参数!工程测试技术工程测试技术32第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理4.3 4.3 电桥电桥电桥电桥是测试中常用的信号处理方法，是是测试中常用的信号处理方法，是将电阻、电感、电容将电阻、电感、电容及阻抗参量的变化转换为电压或电流输出及阻抗参量的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路，由的一种测量电路，由于电路简单，并具有较高的精确度和灵敏度，被广泛使用。于电路简单，并具有较高的精确度和灵敏度，被广泛使用。电桥分类电桥分类: : ( (按照其激励电源按照其激励电源) )直流电桥直流电桥交流电桥交流电桥对于电阻式传感器，既可采用直流电桥形式
28、，也可采用交流电桥形式。对于电感式、电容式传感器或阻抗式传感器（如电涡流式传感器），则应配用交流电桥，与传感器配接的电桥主要采用不平衡电桥。1）直流电桥4231RRRRdV平衡条件2）交流电桥4231ZZZZ4231平衡条件工程测试技术工程测试技术35第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理电桥的变换原理电桥的变换原理电压源供电电桥电路电压源供电电桥电路电流源供电电桥电路电流源供电电桥电路工程测试技术工程测试技术36第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理电压源供电，桥路电流电压源供电，桥路电流121234;EEIIZZZZ3111231234;ABADZZUI ZE UI ZEZZZZ输出电
29、压输出电压（电压源供电条件下的桥臂值与输出电压的关系式电压源供电条件下的桥臂值与输出电压的关系式）14231234()()ABADZ ZZ ZUUUEZZZZ工程测试技术工程测试技术37第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理电桥的基本特性电桥的基本特性单臂电桥，一个桥臂阻值发生变化，其余三个臂的阻值均恒定，对应接入一个传感器的变换器情况。差动半桥，两个桥臂阻值发生差动变化，其余两个恒定，对应于接入一个差动式传感器的两个差动变换器情况。差动全桥，四个桥臂阻值均发生差动变化，对应于接入一个传感器的四个差动变换器作为电桥的四个桥梁情况。工程测试技术工程测试技术38第四章、模拟信号处理第四章、模拟信
30、号处理1 1、输入输出特性、输入输出特性假设假设1 1：采用等臂电桥：采用等臂电桥假设假设2 2：桥臂阻值改变量的绝对值相同：桥臂阻值改变量的绝对值相同12340ZZZZZ12340ZZZZZ 单臂电桥单臂电桥差动半桥差动半桥差动全桥差动全桥102340,ZZZZZZZconst1020340,ZZZZZZZZZconst140230,ZZZZZZZZ工程测试技术工程测试技术39第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理单臂电桥单臂电桥102340,ZZZZZZZconst14231234()()ABADZ ZZ ZUUUEZZZZ00141EZUZZZ2工程测试技术工程测试技术40第四章、模拟
31、信号处理第四章、模拟信号处理14231234()()ABADZ ZZ ZUUUEZZZZ差动半桥差动半桥1020340,ZZZZZZZZZconst02EZUZ工程测试技术工程测试技术41第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理14231234()()ABADZ ZZ ZUUUEZZZZ差动全桥差动全桥140230,ZZZZZZZZ0ZUEZ工程测试技术工程测试技术42第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理电压源供电时的输入电压源供电时的输入-输出（输出（Z-U）特性）特性单臂电桥单臂电桥差动半桥差动半桥差动全桥差动全桥00141EZUZZZ02EZUZ0ZUEZ在输入量Z相同的情况下：差动
32、半桥的输出U近似为单臂电桥的两倍；差动全桥的输出是差动半桥的两倍，近似为单臂电桥的四倍。工程测试技术工程测试技术43第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理2 2、灵敏度、灵敏度0/SUKZ Z单臂电桥单臂电桥差动半桥差动半桥差动全桥差动全桥01412SEEKZZ2SEEKSEKE电压源供电电压源供电单臂电桥的灵敏度是输入Z的函数，即在全量程范围内不为常量，Z U 特性不是一条直线，具有非线性。差动半桥与差动全桥的灵敏度与输入量Z无关，它是不随输入量Z变化的常量，Z U 特性是一条理想直线差动半桥的灵敏度是单臂电桥的两倍。差动全桥的灵敏度是差动半桥的两倍，近似为单臂电桥的四倍。工程测试技术工程
33、测试技术44第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理3 3、电桥对、电桥对同符号干扰量同符号干扰量的补偿特性的补偿特性假设假设1 1：各差动变换器的改变量符号相同：各差动变换器的改变量符号相同假设假设2 2：各差动变换器的改变量的数值相同：各差动变换器的改变量的数值相同单臂电桥单臂电桥差动半桥差动半桥差动全桥差动全桥102340,TZZZZZZZZconst1020340,TTZZZZZZZZZZZconst140230,TTZZZZZZZZZZ桥臂阻值的改变量是有用信号与温度干扰信号共同作用的结果：工程测试技术工程测试技术45第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理单臂电桥单臂电桥差动半桥差
34、动半桥差动全桥差动全桥电压源供电、有同符号温度干扰量时的输入-输出(Z-U)特性001412TTZZEUZZZZ00121/TEZUZZZ0011/TZUEZZZ差动电桥（半桥及全桥）对同符号的温度干扰量ZT具有抵偿作用：1.分子中没有干扰量ZT，清除了干扰量ZT对被测作用量Z的影响；2.在分母中存在有干扰量ZT ，但它以比值ZT /Z0形式出现，对输出的影响小，因此温度误差大大减小。恒流源供电差动全桥，在输入-输出特性中没有干扰量ZT ，理论上无温度误差！工程测试技术工程测试技术46第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理电桥原理及特性小结电桥原理及特性小结n 与单臂电桥相比，差动电桥的特性
35、获得很大改善，与单臂电桥相比，差动电桥的特性获得很大改善，如灵敏度提高，非线性误差减小，对同符号干扰如灵敏度提高，非线性误差减小，对同符号干扰量有抵偿作用等。量有抵偿作用等。差动式传感器与差动电桥相配差动式传感器与差动电桥相配合，能使测量系统获得更为优良的特性。合，能使测量系统获得更为优良的特性。n 直流电桥与交流电桥的分析有较大的区别：直流电桥与交流电桥的分析有较大的区别：u前者用直流电路分析方法；前者用直流电路分析方法；u后者用交流电路分析方法，电路中的频率、相位后者用交流电路分析方法，电路中的频率、相位均会产生影响。均会产生影响。工程测试技术工程测试技术47第四章、模拟信号处理第四章、模
36、拟信号处理4.4 4.4 调制调制n1 调制n(1) 为什么要调制为什么要调制?u(a) 传感器输出的直流信号放大问传感器输出的直流信号放大问题题;u(b) 模拟信号处理器要求模拟信号处理器要求;u(c) 信号传输要求信号传输要求. 解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题！ 工程测试技术工程测试技术48第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理u电缆电缆电阻值：电阻值：0.033欧姆欧姆/米；电容值：米；电容值：30pF/米米工作频带窄、传输速率低、保密性能差工作频带窄、传输速率低、保密性能差u光缆光缆工作频带宽、传输速率高、保密性能好工作频带宽、传输速率高、保密性能好费用高费用高u无线无线工
37、作频带受限、传输距离大、保密性能差工作频带受限、传输距离大、保密性能差费用高费用高传输干扰传输干扰工程测试技术工程测试技术50第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理1. 先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中2. 然后利用交流放大器进行放大3. 最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。 调制解调过程调制解调过程工程测试技术工程测试技术51第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理调制种类调制种类调制信号x(t)载波信号)2cos()(ftAtza) 幅度凋制(AM)0( )( )cos(2)y tAx tftb) 频率调制(FM)0( )cos(2 ( )y tAfx tt c) 相位
38、调制(PM)(2cos()(0txftAty使载波的振幅与信号振幅成比例地变化的方法，称为调幅。使载波的频率与信号振幅成比例地变化的方法，称为调频。使载波的相位与信号振幅成比例地变化的方法，称为调相。工程测试技术工程测试技术52第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理幅度调制幅度调制 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试信号的变化而变化( )( )( )mxtx tz t载波载波调幅波调幅波信号信号)2cos()()(tftxtxzm由卷积定理，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。调幅过程，相当于频率“搬移”过程！)()(21)()(21
39、zzfffXfffX)2cos()(tftxz工程测试技术工程测试技术54第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理解调解调将原信号从接收到的调制波中抽取出来称将原信号从接收到的调制波中抽取出来称为解调为解调(demodulatlon)。只解调调幅波时，特称为检波只解调调幅波时，特称为检波(detection)。将解调电路称为解调器将解调电路称为解调器(demodulator)，有时也称检波器有时也称检波器(detector)。工程测试技术工程测试技术55第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理同步解调同步解调q若用一个低通滤波器滤除中心频率为2fz 的高频成分，就可以复现原信号的频谱（幅值减半
40、，可用放大处理补偿），这一过程称为同步解调。q“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。)2()(41)2()(41)(21)2cos()(zzzmfffXfffXfXtftxF)2(2cos()()(2cos)()2cos()(21212tftxtxtftxtftxzzzm把调幅波再次与载波信号相乘，则频域图形将再一次进行“搬移”。工程测试技术工程测试技术56第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理幅度调制与解调过程（波形与频谱分析）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)x m(t)乘法器滤波器z(t)x(t)工程测试技术工程测试技术57第四
41、章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理幅度调制与解调过程（数学描述）幅度调制与解调过程（数学描述）乘法器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器滤波器z(t)x(t)()()()(fZfXtztx)()(2cos)(2121zzzfffftftz)2cos()()(tftxtxzm)2(2cos()()(2cos)()2cos()(21212tftxtxtftxtftxzzzm)()(21)()(21zzfffXfffX)2()(41)2()(41)(21zzfffXfffXfX工程测试技术工程测试技术58第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理实验：同步调制与解调实验实验：同步调制与解调实验工
42、程测试技术工程测试技术59第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理抑制调幅抑制调幅将调制信号x(t)直接与载波信号z(t)相乘，这种调幅波具有极性变化。即：在信号过零线时幅值发生由正到负(或由负到正）的突然变化，调幅波的相位(相对于载波)也相应地发生180度的相位变化，此种调制方法称为抑制调幅。抑制调幅波须采用同步解调（也叫相敏解调，相敏检波），方能反映出原信号的幅值和极性。工程测试技术工程测试技术60第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理非抑制调幅非抑制调幅对信号x(t)进行偏置，叠加直流分量A，使偏置后信号都具有正电压，这种调制方法称为非抑制调幅，或偏置调幅，其调幅波包络线具有原信号形状
43、。)()( txAtx)2cos()(1 )2cos()()(tftmxAtftxAtxzzm1m 称为调幅指数称为调幅指数非抑制调幅波一般采用整流、滤波（或称包络法）检波就可以恢复原信号！工程测试技术工程测试技术61第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理1) 过调失真正常调制正常调制m1 时，当x(t)取最大负值时，可能使A1+mx(t)fm) 。q 实际应用中往往选择载波频率至少数倍甚至数十倍于信号中的最高频率。调幅误差分析调幅误差分析工程测试技术工程测试技术63第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理3) 调幅波通过系统时的波形失真(a)为理想情况下为理想情况下,调幅波不变调幅波不变;
44、(b)则为边带被衰减，使调幅则为边带被衰减，使调幅深度变浅；深度变浅；(c)则为边带波被放大，使调幅波深度变深则为边带波被放大，使调幅波深度变深系统的带通特性所引起的调幅波发生波形变化。调幅误差分析调幅误差分析典型调幅波的典型调幅波的波形及频谱波形及频谱(a)直流调制 (b)余弦调制(c)余弦偏置调制 (d)矩形脉冲调制 (e)周期矩形脉冲调制 (f)任意频限信号调制工程测试技术工程测试技术65第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理a)直流调制直流调制( )1 cos21( ) ()()2mzmzzxtf tXfffff 典型调幅波的波形及频谱典型调幅波的波形及频谱工程测试技术工程测试技术6
45、6第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理b) 余弦调制余弦调制00000( )cos2cos21( ) ()()4()()mzmzzzzxtf tf tXfffffffffffff典型调幅波的波形及频谱典型调幅波的波形及频谱工程测试技术工程测试技术67第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理(c)(c)余弦偏置调制余弦偏置调制00000( )(1 cos2)cos21( ) ()()21 ()()4()()mzmzzzzzzxtf tf tXfffffffffffffffff典型调幅波的波形及频谱典型调幅波的波形及频谱工程测试技术工程测试技术68第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理(d)
46、(d)矩形脉冲调制矩形脉冲调制( )( )cos21| |( )20( )sin()sin() 2mzmzzxtx tf tif tx telseXfcffcff典型调幅波的波形及频谱典型调幅波的波形及频谱工程测试技术工程测试技术69第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理调制解调应用实例调制解调应用实例动态电阻应变仪工程测试技术工程测试技术70第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理动手做：动手做：用个人测试实验室中数字用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，设计一个非等软件芯片，设计一个非抑制调幅与解调系统。抑制调幅与解调系统。工程测试技术工程测试技术
47、71第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理思考题：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 信号调制与解调的种类？信号调制与解调的种类？4 4 幅度调制与解调的原理？幅度调制与解调的原理？5 5 调幅波的失真，如何消除？调幅波的失真，如何消除？工程测试技术工程测试技术72第四章、模拟信号处理第四章、模拟信号处理作业：作业： 2007年1月15日上交n P188 第第4章第章第6题题n P189 第第4章第章第10题题n P188 第第4章第章第3题题n P188 第第4章第章第9题题本讲习题本讲习题下讲习题下讲习题
