1、 传感器输出的电信号，大多数不能直接输送传感器输出的电信号，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去。其主要原因是到显示、记录或分析仪器中去。其主要原因是大大多数传感器输出的电信号很微弱多数传感器输出的电信号很微弱，需要进一步放，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换；有些传感器输出的大，有的还要进行阻抗变换；有些传感器输出的是电参量，要转换为电能量；输出信号中混杂有是电参量，要转换为电能量；输出信号中混杂有干扰噪声，需要干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比去掉噪声，提高信噪比；若测试；若测试工作仅对部分频段的信号感兴趣，则有必要工作仅对部分频段的信号感兴趣，则有必要从输从输出信号中分离出所需
2、的频率成分出信号中分离出所需的频率成分；因此，传感器；因此，传感器的输出信号要经过适当的调理，使之与后续测试的输出信号要经过适当的调理，使之与后续测试环节相适应。常用的信号调理环节有：电桥、放环节相适应。常用的信号调理环节有：电桥、放大器、滤波器、调制器与解调器等。大器、滤波器、调制器与解调器等。 主要内容4.1 信号调理的目的4.2 信号放大4.3 调制与解调 4.4 滤波4.5 信号显示与记录本章学习重点w测试信号调理的作用和意义；w电桥作用原理及其在信号调理中的作用；w信号调制与解调的原理及其相关电路；w基本类型的滤波器的工作原理、相关电路及其应用；信号调理的的目的是信号调理的的目的是便
3、于信号的传输与处理便于信号的传输与处理。 4.1 4.1 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，需直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步要进一步放大放大，有的还要进行阻抗变换。，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，噪声，需要去掉噪声，提高信噪比提高信噪比。或者。或者提取提取感兴趣的频率成分感兴趣的频率成分。3.3.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，需要对
4、传感器测量信进行对传感器测量信进行调制解调处理调制解调处理。 被测量经传感器之后的输出信号一般具有以下特点被测量经传感器之后的输出信号一般具有以下特点：l信号比较微弱；信号比较微弱；l为非电压信号；为非电压信号；l携带噪声信号等。携带噪声信号等。 因此，还需进一步调理、放大、滤波等加工处理。因此，还需进一步调理、放大、滤波等加工处理。 本章主要讨论信号调理和转换中的常用环节本章主要讨论信号调理和转换中的常用环节：l电桥；电桥；l调制与解调；调制与解调；l滤波；滤波；4.2 4.2 信号放大信号放大 信号放大目的信号放大目的幅度增加幅度增加(1)(1)抗干扰抗干扰; ;(2)(2)阻抗匹配阻抗匹
5、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 时间域时间域 频率域频率域幅度增大幅度增大 低频保留低频保留, ,高频截止高频截止幅度增大幅度增大 高频保留高频保留, ,低频截止低频截止 电荷增大电荷增大1 1 目的目的第四章第四章 信号调理信号调理定义：定义：电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化转换为电压或电流电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。输出的一种测量电路。特点：特点：桥式电路简单可靠，精度和灵敏度很高，应用广泛。桥式电路简单可靠，精度和灵敏度很高，应用广泛。分类：分类：n根据其所采用的激励电源类型：根据
6、其所采用的激励电源类型：w直流电桥直流电桥w交流电桥交流电桥n根据输出测量方式的不同：根据输出测量方式的不同：w不平衡电桥不平衡电桥w平衡电桥平衡电桥4.2.1 4.2.1 电电 桥桥一直流电桥：一直流电桥： 第四章第四章 信号调理信号调理VER1R3R2R4 基本结构基本结构：电阻：电阻R1,R2,R3,R4R1,R2,R3,R4作为四个桥作为四个桥臂，在臂，在a a、c c两端接入直两端接入直流电源流电源u ue e，在，在b b、d d两端两端输出电压输出电压u uo o。 工作原理：工作原理：利用四个利用四个桥臂中的一个或数个的桥臂中的一个或数个的阻值变化而引起电桥输阻值变化而引起电桥
7、输出电压的变化出电压的变化 。1. 直流电桥平衡条件：直流电桥平衡条件：001212341110124240341401234132401234;()()()abadydbabaduuIIRRRRRUI RuRRRUI RuRRRRuUUUuRRRRR RR RuRRRR讨论：讨论： 若电桥中任一个或数个电阻发生变化，电桥输出电压若电桥中任一个或数个电阻发生变化，电桥输出电压变化。测量电桥就是基于上述原理工作。变化。测量电桥就是基于上述原理工作。平衡条件：平衡条件：对臂电阻乘积相等对臂电阻乘积相等。即：。即：R1R3=R2R42. 直流电桥的输出特性直流电桥的输出特性0104123413240
8、1234BDBADAU RU RUUURRRRR RR RURRRR 考虑右图所示直流电考虑右图所示直流电桥的输出特性，分析输出桥的输出特性，分析输出电压和各桥臂应变之间的电压和各桥臂应变之间的定量关系。定量关系。组桥时，应变片的灵敏系数K必须一致，上式又可写成123401234()(2)(2)RRRRRURRRRRR设电桥四臂阻值相等R1=R=R=R=R，且增量分别为R1、R、R 、R，则电桥的输出为：当 时可以得到：iRR结论：结论： 电桥电桥输出电压和各桥臂电阻变化量的代数和成正比输出电压和各桥臂电阻变化量的代数和成正比，所以电桥，所以电桥输出电压可以反映被测量引起的电阻值的变化量。如果
9、桥臂电输出电压可以反映被测量引起的电阻值的变化量。如果桥臂电阻变化由电阻应变片阻值的变化产生，则电桥的输出电压和应阻变化由电阻应变片阻值的变化产生，则电桥的输出电压和应变成线性关系：变成线性关系： n如果相邻桥臂的应变极性一致，即同时为如果相邻桥臂的应变极性一致，即同时为拉应变或压应变，则输出电压为两者之差；拉应变或压应变，则输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。若相对两桥臂应变的极性压为两者之和。若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之为两者一致，输出电压为两者之和；反之为两者之差之差电桥电桥和差特性和差特性(
10、(加减特性加减特性) )。 供桥电压越高，输出电压越大，所以提高供桥电压可以提高电供桥电压越高，输出电压越大，所以提高供桥电压可以提高电桥的灵敏度。但是当供桥电压增大时，通过应变片的电流也较桥的灵敏度。但是当供桥电压增大时，通过应变片的电流也较大，易引起蠕变和零漂。大，易引起蠕变和零漂。增大电阻应变片的灵敏度可以提高电桥的输出电压。增大电阻应变片的灵敏度可以提高电桥的输出电压。和差特性应用实例：和差特性应用实例： n悬臂梁作敏感元件测力：悬臂梁作敏感元件测力：为提高灵敏度，常在梁的上，为提高灵敏度，常在梁的上，下表面各贴一片应变片，并将上述两应变片接入电桥下表面各贴一片应变片，并将上述两应变片
11、接入电桥的相邻两桥臂。的相邻两桥臂。 悬臂梁应变仪结构悬臂梁应变仪结构 n半桥单臂半桥单臂 n半桥双臂半桥双臂 n全桥全桥 ueuoueuoueuo3. 直流电桥的连接形式直流电桥的连接形式（1 1）半桥单臂连接形式）半桥单臂连接形式：工作时仅有一个桥臂电阻值随：工作时仅有一个桥臂电阻值随被测量而变化，设该电阻为被测量而变化，设该电阻为R R1 1，变化量为，变化量为RR，则由式，则由式（4-14-1）可得：）可得：设相邻桥臂的阻值相等，亦即：设相邻桥臂的阻值相等，亦即：R R1 1=R=R2 2=R=R0 0,R,R3 3=R=R4 4=R=R0 0,又若又若R R0 0=R=R0 0,则则
12、 若若RRR0 0 ；n若为容性阻抗时，若为容性阻抗时，0 fm)。从时域上从时域上：用x（t）去控制改变y（t）的幅值，使xm（t）的幅值随着x（t）的变化而变化，频率仍与z（t）相同。载波频率载波频率f0称为调幅波的中心频率，称为调幅波的中心频率， f0+fm 称为上旁频带，称为上旁频带，f0-fm 称为下旁频带。称为下旁频带。 小结：小结：v调幅的过程在频域上就相当于一个调幅的过程在频域上就相当于一个移频移频的过程。的过程。v载波频率载波频率f f0 0必须高于信号中的最高频率必须高于信号中的最高频率f fmaxmax，才不会出，才不会出现混叠现象。实际应用中，载波频率至少在调制信号现混
13、叠现象。实际应用中，载波频率至少在调制信号上限频率的十倍以上。上限频率的十倍以上。注意：注意：调幅波是否可以看作是载波与调制信号的迭加？调幅波是否可以看作是载波与调制信号的迭加？不可以。因为调幅波是载波幅值随调制信号大小成正比不可以。因为调幅波是载波幅值随调制信号大小成正比变化，只有相乘才能实现变化，只有相乘才能实现。 解调解调 把把调幅波再次与原载波调幅波再次与原载波信号相乘信号相乘，则频域图形将再一，则频域图形将再一次进行次进行“搬移搬移”,”,其结果如右其结果如右图所示。当用一低通滤波器滤图所示。当用一低通滤波器滤去频率大于去频率大于f fm m的成分时，则可的成分时，则可以复现原信号的
14、频谱。与原频以复现原信号的频谱。与原频谱的区别在于幅值为原来的一谱的区别在于幅值为原来的一半，这可以通过放大来补偿。半，这可以通过放大来补偿。这一过程称为这一过程称为同步解调同步解调，同步同步是指解调时所乘的信号与调制是指解调时所乘的信号与调制时的载波信号具有时的载波信号具有相同的频率相同的频率和相位和相位。 实验：同步调治与解调实验实验：同步调治与解调实验信号失真：信号失真：调幅波是由一对每边为调幅波是由一对每边为fmfm的双边带信号的双边带信号组成当载波频率组成当载波频率f f0 0较低时，正频端的下边带将与较低时，正频端的下边带将与负频端的下边带相重叠要求负频端的下边带相重叠要求: :
15、f f0 fmfm 4 4 频率调制频率调制 调频是调频是利用信号利用信号x(t)x(t)的幅值调制载波的频的幅值调制载波的频率率，或者说，调频波是一种随信号，或者说，调频波是一种随信号x(t)x(t)的电压的电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. . )*)(2cos()(0ttxfAty鉴频：鉴频：T1T2T3T4F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调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅，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，因为杂，因为频率调制足一种非线性调制频率调制足一
16、种非线性调制。 因为因为调频信号所携带的信息包含在频率变化调频信号所携带的信息包含在频率变化之中之中，并非振幅之中，而，并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主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1、概述、概述w信号分析：信号分析：被测信号一般由多个频率分量组成，检测被测信号一般由多个频率分量组成，检测中得到的信号除包含有效信息外，还含有噪声和不希中得到的信号除包含有效信息外，还含有噪声和不希望的成分，会导致真实信号的畸变和失真。望的成分，会导致真实信号的畸变和失真。w滤波：滤波：让被测信号中的有效成分通过，而将其中不需让被测信号中
17、的有效成分通过，而将其中不需要的成分抑制或衰减掉。而抑制或衰减掉其它不需要要的成分抑制或衰减掉。而抑制或衰减掉其它不需要的频率成分。的频率成分。w滤波器：滤波器：能实施滤波功能的装置能实施滤波功能的装置。4.4 4.4 信号滤波信号滤波 w滤波器分类滤波器分类（1）根据其选频作用，可分为四类：）根据其选频作用，可分为四类：n低通滤波器；低通滤波器；n高通滤波器；高通滤波器；n带通滤波器；带通滤波器；n带阻滤波器。带阻滤波器。 图图4-22 4-22 四类滤波器的幅频特性四类滤波器的幅频特性（a a）低通）低通 （b b）高通）高通 （c c）带通）带通 （d d）带阻）带阻（2 2）根据其结构
18、形式可分为两类：）根据其结构形式可分为两类：n有源滤波器：使用运算放大器结构；有源滤波器：使用运算放大器结构；n无缘滤波器：由无缘滤波器：由RLCRLC组合配置而成。组合配置而成。 低通滤波器低通滤波器和和高通滤波器高通滤波器是滤波器的两种最基本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的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。器。低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器 w滤波器串并联滤波器串并联2 2、滤波器性能分析、滤波器性能分析 (1)(1)、理想滤波器、理想滤波器 特性理想化的滤波器。特性理想化的滤波器。 具有矩形幅频特性和线性相频特性。具有矩形幅
19、频特性和线性相频特性。 其他0ffeAfHctf2j00理想低通滤波器的幅、相频特性理想低通滤波器的幅、相频特性 理想滤波器的理想滤波器的物理不可实现物理不可实现 理想滤波器在时域内的脉冲响应函数理想滤波器在时域内的脉冲响应函数 h h（t t）为为 sincsinc函数函数。脉冲响应的波形沿横坐标左、右脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸无限延伸。 给理想滤波器一个脉冲激励，给理想滤波器一个脉冲激励，在在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。fcH(f)(2)(2)、实际滤波器的基本参数、
20、实际滤波器的基本参数n理想滤波器只需规定截止频率即可说明其特性，而实理想滤波器只需规定截止频率即可说明其特性，而实际滤波器的特性曲线际滤波器的特性曲线无明显转折点无明显转折点，通带中，通带中幅频特性幅频特性也非常数也非常数，需更多参数描述其性能。，需更多参数描述其性能。n主要参数包括：主要参数包括：纹波幅度、截止频率、带宽、品质因纹波幅度、截止频率、带宽、品质因数、倍频程选择性、滤波器因数。数、倍频程选择性、滤波器因数。 理想和实际的带通滤波器的幅频特性理想和实际的带通滤波器的幅频特性截止频率：截止频率：幅频特性值等于幅频特性值等于 所对应的所对应的频率点；频率点；纹波幅度纹波幅度：通带中幅频
21、特性值的起伏变化值；通带中幅频特性值的起伏变化值；带宽带宽B B：上下两截止频率之间的频率范围上下两截止频率之间的频率范围B=fB=fc2c2-f-fc1c1，又称，又称-3dB-3dB带宽；带宽；品质因子（品质因子（Q Q值）：值）：对于一个带通滤波器，其品质因子对于一个带通滤波器，其品质因子Q Q则定义为中心频率则定义为中心频率f f0 0与带宽与带宽B B之比，即之比，即Q=fQ=f0 0/B/B。)3(20dBA倍频程选择性：倍频程选择性：上截止频率上截止频率f fc2c2与与2f2fc2c2之间或下截止频率之间或下截止频率f fc1c1与与f fc1c1/2/2间幅频特性的衰减值，即
22、频率变化一个倍频程间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程的衰减量，以的衰减量，以dBdB表示。表示。倍频程选择性表征过渡带的幅频倍频程选择性表征过渡带的幅频曲线倾斜的程度曲线倾斜的程度，即幅频特性衰减的快慢。，即幅频特性衰减的快慢。滤波器因数（矩形系数）滤波器因数（矩形系数）：滤波器幅频特性的滤波器幅频特性的 -60dB -60dB带宽与带宽与-3dB-3dB带宽的比，即带宽的比，即 w对理想滤波器有对理想滤波器有=1=1。w对普通使用的滤波器，对普通使用的滤波器，一般为（一般为（1 15 5）。）。dBdBBB3603 3、实际滤波电路、实际滤波电路 在测试系统中，常用在测试系统中，常用R
23、CRC滤波器。因为这一领域中信滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而号频率相对来说不高。而RCRC滤波器电路简单，抗干扰强，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有较好的低频性能，并且选用标准阻容元件 。 (1) (1)一一阶阶RCRC低通滤波器低通滤波器 低通滤波器的典型电路如图所示低通滤波器的典型电路如图所示: :w例题：已知某RC低通滤波器，R=1k，C=1F，w1）确定各函数式H(s)；H()；A()；()。w2）当输入信号ui=10sin1000t时，求输出信号uo，并比较其幅值及相位关系。w解： (2) RC(2) RC高通滤波器高通滤波器 RCR
24、C高通滤波器的典型电路及响应特性如图所示。高通滤波器的典型电路及响应特性如图所示。 RCRC高通滤波器及其频率特性曲线高通滤波器及其频率特性曲线 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 （3）带通滤波器）带通滤波器 低通滤波器和高通滤波器的组合。图低通滤波器和高通滤波器的组合。图426。（4）有源低通滤波器）有源低通滤波器01F1Fioj11j11 RRRCRRUU频频率率角角称称为为截截止止RC1: 0 式式中中uiuoRFuCCR+ R1+01Fioj11)(j)(j)H(jRRUU0f0j1 uA20f0)(1)(juAH其模为其模为 幅频特性幅频特
25、性f021uA 0| Auf0 | H(j ) | O 当当 0时，时，| H(j )| 衰减很快衰减很快 显然，电路能使低于显然，电路能使低于 0的信号的信号顺利通过，衰减很小，而使高于顺利通过，衰减很小，而使高于 0的信号不易通过，衰减很大，的信号不易通过，衰减很大，称一称一 阶有源低通滤波器。阶有源低通滤波器。 为了改善滤波效果，使为了改善滤波效果，使 0 时信号衰减得更快些，时信号衰减得更快些，常将两节常将两节RC滤波环节串接起滤波环节串接起来，来，组成二阶有源低通滤波组成二阶有源低通滤波器。器。uoRFCR+ R1+ui+RC一阶一阶二阶二阶 幅频特性幅频特性f021uA 0| Au
26、f0 | H(j ) | O（5）有源高通滤波器）有源高通滤波器Fo1Fi11j(1)11 j1jRURRRCURRCRC频率频率角角称为截止称为截止RC1: 式中0 uiuoRFCR+ R1+ 可见，电路使频率大于可见，电路使频率大于 0 的信号通过的信号通过 ，而小于，而小于 0 的信号被阻止，的信号被阻止， 称为称为有源高通滤波器有源高通滤波器。 200f0)(1)(juAH001Fioj1)1 ()(j)(j)(jRRUUH其模为其模为 幅频特性幅频特性f021uA 0| Auf0 | H(j ) | O各种滤波器性能比较：各种滤波器性能比较：lRCRC滤波器：滤波器：过渡带衰减速度慢
27、（过渡带衰减速度慢（6dB/6dB/倍频程），通带与倍频程），通带与阻带间无陡峭界限，性能较差。阻带间无陡峭界限，性能较差。lLCLC滤波器滤波器过渡带曲线的陡峭度优于过渡带曲线的陡峭度优于RCRC滤波器。滤波器。l多个多个RCRC或或LCLC环节级联：环节级联：极大地改善了过渡带曲线的陡峭度，极大地改善了过渡带曲线的陡峭度，但具有明显的负载效应和相移增大的问题。但具有明显的负载效应和相移增大的问题。l有源滤波器：有源滤波器：无源滤波网络与运算放大器组合而成，性能无源滤波网络与运算放大器组合而成，性能更加优良。更加优良。产品产品LineDa: LTC1564MAXIM: MAX74xx4 4、
28、滤波芯片及产品、滤波芯片及产品 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 5、滤波器的应用、滤波器的应用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 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 测试信号的显示和记录是不可缺少的组成部分，其目的在于： 1）测试人员通过显示仪器）测试人员通过显示仪器观察各路信号的观察各路信号的大小和实时波形。大小和实时波
29、形。 2）及时）及时掌握测试系统的动态信息掌握测试系统的动态信息，必要时，必要时对参数调整。对参数调整。 3）记录信号的）记录信号的重现重现。 4）对信号进行）对信号进行后续的分析和处理后续的分析和处理。4.4 4.4 测试信号的显示与记录测试信号的显示与记录 1、信号的显示 示波器是测试中最常用的显示仪器，有模拟示波器、数字示波器和数字存储示波器。 模拟示波器 数字示波器 数字存储示波器 传统仪器有：光线示波器光线示波器 、XY记录仪记录仪、模拟磁带记录仪模拟磁带记录仪。 光线示波器 、XY记录仪将信号记录在纸质介质上，频率响应差，分辨率低，记录受限等，已经逐渐退出。 模拟磁带记录仪很少用。 1.用数据采集仪器进行信号记录。 2.用计算机内插A/D卡进行数据采集与记录 3.仪器前端直接实现数据采集与记录2、信号的记录p 经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量p Study Constantly, And You Will Know Everything. The More You Know, The More Powerful You Will Be写在最后谢谢大家荣幸这一路，与你同行ItS An Honor To Walk With You All The Way演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日
