1、,测试系统的基本特性,模拟信号处理,数字信号处理,计算机与虚拟仪器测试技术,常用传感器,绪论,测试信号的描述与分析,主要内容,1.电桥 2.运算放大器 3.调制与解调4.滤波器5.测量电路及应用举例6.信号的显示与记录,信号调理的目的,被测的物理量经过传感器变换以后，一般都是以电阻、电容、电感或电荷、电流、电压等形式变化的微弱电信号，为了满足显示、记录、控制或输入计算机进行数据处理等需要，尚须将这些微弱信号经过放大、运算、分析等信号调理处理。,第五章 模拟信号处理,5.1 电桥,电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化变为电压或电流输出的一种测量电路。其输出既可用指示仪表直接测量，也可以送入放大器
2、进行放大。由于桥式测量电路结构简单，并具有较高的精确度和灵敏度，因此在测试装置中得到了广泛应用。 与其他测试装置的分类一样，电桥亦有不同的分类方式：按照激励电源的性质可分为直流电桥与交流电桥；按照桥臂阻抗性质又可分为电阻电桥、电容电桥和电感电桥。,第五章 模拟信号处理,5.1.1 直流电桥,1、直流电桥的平衡条件,平衡条件,第五章 模拟信号处理,2. 灵敏度,在平衡情况下，若电阻 变化 ，则电桥的输出电压为,令,当 时，灵敏度 达到最大值。这时对于一定的 值，得到最大的输出电压。显然，满足 的条件为 （对称电桥）或 （等臂电桥）。在设计电桥时，一般取,第五章 模拟信号处理,5.1.1 直流电桥
3、,3. 电桥接法与输出特性,在机械测试技术中，一般根据工作中电阻值参与变化的桥臂数可分为半桥式与全桥式连接。,第五章 模拟信号处理,5.1.1 直流电桥,输出电压，灵敏度？,（1）半桥单臂,工作中有一个桥臂阻值随被测的量而变化，,第五章 模拟信号处理,5.1.1 直流电桥,何时成立？ 误差？,32,（2）半桥双臂（差动电桥）,工作中有两个桥臂阻值随被测物理量变化，而且必须一个增大一个减小，即 ，所以也称为差动电桥。,。,第五章 模拟信号处理,5.1.1 直流电桥,（3）全桥,工作中四个桥臂电阻值都随被测物理量而变化，即,第五章 模拟信号处理,全桥接法的灵敏度最高，它可以获得最大的线性输出。,4
4、、电桥用于应变片传感器的温度补偿,第五章 模拟信号处理,5.1.1 直流电桥,32,交流电桥主要用于动态信号的测量和输出需要放大的场合，如广泛使用的动态应变仪就采用此种电桥。因为电桥输出常接放大器，故在分析中只需研究开路输出时的动态特性。,第五章 模拟信号处理,5.1.2 交流电桥,1. 交流电桥的平衡条件,交流电桥的激励电压采用交流，电桥的四个臂可以是电感 、电容 或电阻 ，用复阻抗表示,而且输入电压与输出电压分别用复数 与 表示，那么根据对直流电桥的讨论可以得到,5.1.2 交流电桥,第五章 模拟信号处理,1. 交流电桥的平衡条件,所以,此式表明，交流电桥平衡必须同时满足两个条件，即相对两
5、臂阻抗之模的乘积应相等，相对两臂阻抗角之和也必须相等。,第五章 模拟信号处理,5.1.2 交流电桥,哪几种组合？,32,2. 电容电桥、电感电桥的平衡,阻抗平衡条件为,欲使复数相等，实部与虚部应分别相等，即,由此可知，要使电容电桥平衡，必须同时调节电阻和电容两个参数，使它们分别达到平衡,第五章 模拟信号处理,5.1.2 交流电桥,2. 电容电桥、电感电桥的平衡,电桥平衡条件应为,要使电感电桥平衡，除要考虑相位平衡外，还要保证电阻和电感分别达到平衡。,第五章 模拟信号处理,5.1.2 交流电桥,3. 电阻交流电桥的平衡,电桥各桥臂阻抗分别为,电桥平衡时满足,所以,第五章 模拟信号处理,5.1.2
6、 交流电桥,导线间存在的分布电容,4. 差动工作电桥,在动态信号测试中，将许多传感器及测量电路接成差动形式的交流电桥，这样不但可以改善非线性，提高灵敏度，还可以补偿由于温度等因素造成的误差。,（1）差动式变压器电桥之一,第五章 模拟信号处理,5.1.2 交流电桥,4. 差动工作电桥,当有被测信号输入，传感器工作时， 并取 ，得,取,第五章 模拟信号处理,5.1.2 交流电桥,输出电压的幅值,如果线圈的品质因素比较高,线圈的损耗电阻,就可忽略不计,如果两线圈的阻抗变化为,说明？,33,4. 差动工作电桥,设 代入上式，并略去高阶微量 ，得,差动式变压器电桥之二,第五章 模拟信号处理,5.1.2
7、交流电桥,4. 差动工作电桥,同样取 ，上式变为,反之，若阻抗 的变化反向，亦即电感变化反向,第五章 模拟信号处理,5.1.2 交流电桥,4. 差动工作电桥,（2）差动式传感器电桥,差动式传感器电桥一般是由差动传感器与带中间抽头的电源变压器副边绕组构成的交流电桥。其中差动传感器可以是电感式的也可以是电容式的。,第五章 模拟信号处理,5.1.2 交流电桥,4. 差动工作电桥,差动式传感器电桥,电桥中 和 组成一对差动电容，其桥臂的阻抗,因为,将阻抗表达式代入上式得,差动工作电桥与一般电桥相比，具有精确度和灵敏度高以及性能稳定、频率范围大等优点，近年来，在测试工程中得到了比较广泛的应用。,第五章
8、模拟信号处理,5.1.2 交流电桥,141,例5-1 （141）,5.2 运算放大器,运算放大器本质上是一个高增益的负反馈直流放大器。加上外部反馈网络可以实现加、减、乘、除、微分和积分等数学运算，还可以与其它外设电路组成测试系统中常用的差动放大器、电桥放大器、电荷放大器、压频变换器、有源滤波器以及交流放大器等测试装置。,第五章 模拟信号处理,5.2.1 运算放大器的符号及特点,集成运算放大器具有开环电压增益高、输入阻抗高、输出阻抗低、漂移小、可靠性高、体积小等主要特点，所以它已成为一种通用器件，在各个技术领域中得到了十分广泛而灵活的应用。,第五章 模拟信号处理,电压增益:,1) 反相放大器,反
9、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。,5.2 运算放大器,第五章 模拟信号处理,同相放大器也是最基本的电路 ，其闭环电压增益Av为:,2)同相放大器,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。,5.2 运算放大器,第五章 模拟信号处理,2 交流放大电路,R1一般取几十千欧。耦合电容C1、C3可根据交流放大器的下限频率fL来确定。,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。,5.2 运算放大器,第五章 模拟信号处理,具有理想参数的运算放大
10、器叫理想运算放大器。,特点,这就是说反相输入端的电位接近于“地”电位，它是一个不接“地”的接“地”端，通常称为“虚地”。,第五章 模拟信号处理,5.2.2 理想运算放大器,33,1. 差动放大器,差动放大器就是用来放大差模信号，抑制共模信号的，它的两个输入端都有信号输入。,因为,当,得,第五章 模拟信号处理,5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器,可见输出电压 与两个输入电压的差值成正比。当 时，则得,差动放大器被广泛地应用于测试和控制系统中，形成了一个专用测量放大器领域。,1. 差动放大器,5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器,第五章 模拟信号处理,2. 测量放大器,三运放差动放大
11、器通常也称为测量放大器，或称仪表放大器。,由电路分析可知,通常电路中,则测量放大器的增益为,第五章 模拟信号处理,5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器,特点？P144,3. 电桥放大器,与差动放大器一样，直流电桥放大器也是用于在大的共模信号下测量来自传感器的微弱信号，而且差动电桥也具有抑制共模信号的能力。,第五章 模拟信号处理,5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器,图5-18 电桥放大器,加在放大器两个输入端的电压信号分别为,若电桥为全等臂,且为半桥双臂接法（差动电桥），即,则,那么,3. 电桥放大器,5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器,第五章 模拟信号处理,3. 电桥放大
12、器,令,则,由上式易见，输出电压与桥臂电阻 有关,为了排除 的影响，可采用右图的接法将电桥电源浮置，则其输出电压为,图5-19 电桥电源浮置的电桥放大器,第五章 模拟信号处理,5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器,由于压电式传感器输出的电信号是很微弱的电荷，而且传感器本身也存在很大内阻，故输出能量甚微，这给后接电路带来一定困难。为此，通常把传感器信号先传输到高输入阻抗的前置放大器，经过阻抗变换以后，方可用一般的放大、检波电路将信号输给指示仪表或记录仪器或信号处理器。,4. 电荷放大器,第五章 模拟信号处理,5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器,前置放大器有两种形式，一种是用电阻反馈
13、的电压放大器，其输出电压与输入电压（即传感器的输出电压）成正比，不过要受电缆长度的影响；另一种是带电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比，且与电缆长度无关，还具有很宽广的频率响应，故电荷放大器得到了更为广泛的应用。它已成为与压电式传感器配套使用的专用测量仪器。,第五章 模拟信号处理,4. 电荷放大器,5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器,4. 电荷放大器,电荷放大器是一个高增益带电容反馈的运算放大器。当略去传感器的漏电阻及电荷放大器的输入电阻时，它的等效电路如图5-20所示。,其中 为传感器电容； 为外接电路的输入端电容； 为电缆电容。 令 得到,第五章 模拟信号处理,5.2.
14、3 测试装置中几种常见的运算放大器,如果放大器的增益足够大，则 ，上式可简化为,4. 电荷放大器,5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器,第五章 模拟信号处理,4. 电荷放大器,通常在反馈电容的两端并联一个大电阻 （约 ） 以提供直流反馈，改善低频响应。,电荷放大器的下限截止频率（放大器增益下降3dB时的对应频率）为,此式表明，电荷放大器的输出电压与电缆电容无关，亦即其灵敏度与电缆电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度达百米以上，其灵敏度亦无明显变化，这是电荷放大器的一个突出优点,第五章 模拟信号处理,5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器,若选取,由此可见，电荷放大器在适
15、当选取 和 后，低端截止频率几乎接近于零。也就是说，压电式传感器配用电荷放大器时，低频响应很好，可进行稳态参数的测量。,第五章 模拟信号处理,4. 电荷放大器,5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器,5. 电压比较器,在测试电路中常常需要对两个电压进行比较，一个是被测信号电压，另一个是参考电压；或者两个都是被测信号电压。,当,输出电压等于稳压管的稳定电压,当 输出端电位被 箍住，,第五章 模拟信号处理,5.2.3 测试装置中几种常见的运算放大器,33,当用放大器的输出来推动负载时，希望放大器能最大限度地把能量传输给负载。两者之间能满足上述要求的联配，称之为阻抗匹配。,当两个装置联接后,第五
16、章 模拟信号处理,5.2.4 放大器及其负载的阻抗匹配,则输给后级装置（负载） 的功率为,令,得,即,表明，当前级装置的输出阻抗（内阻）与后级装置的输入阻抗相等时，前级装置传输给后级装置的功率最大，这就是装置之间的阻抗匹配原则。,5.2.4 放大器及其负载的阻抗匹配,第五章 模拟信号处理,解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。 例如下面的调幅波,5.3 调制与解调,第五章 模拟信号处理,5.3.1 测试信号的调制,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，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。,例：交流电桥,调制是利用缓变信号来控制或改变高频振荡的某个
17、参数（幅值、频率或相位），使它随着被测信号作有规律的变化，以利于实现信号的放大与传输。调制过程有三种： 高频振荡的幅值受缓变信号控制时，称为调幅，以AM表示。 高频振荡的频率受缓变信号控制时，称为调频，以FM表示。 高频振荡的相位受缓变信号控制时，称为调相，以PM表示。,第五章 模拟信号处理,5.3.1 测试信号的调制,一般将控制高频振荡的缓变信号称为调制波；载送缓变信号的高频振荡波称为载波；经过调制的高频振荡波称为已调波。已调波相应地有调幅波、调频波和调相波三种，测试技术中常用的是调幅和调频两种。 解调则是对已调波进行鉴别以恢复缓变的测量信号（调制信号）。,第五章 模拟信号处理,5.3.1
18、测试信号的调制,调幅、调频、调相波的图解过程： 图中被测信号是梯形波，载波是余弦波。调幅波其包络线形状由被测信号决定，载波信号的频率和相位均不改变。调频波，其载波信号的振幅与相位不变，而频率改变。当被测信号的幅值减小时，频率降低；幅值增大时，频率提高。所以，调频波可以看成是一个频率受被测信号幅值控制的正弦波。,第五章 模拟信号处理,5.3.1 测试信号的调制,2 种类,a) 幅值调制(AM),b) 频率调制(FM),c) 相位调制(PM),第五章 模拟信号处理,5.3.1 测试信号的调制,载波信号,时域分析-两信号的乘积,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
19、信号的变化而变化,第五章 模拟信号处理,1. 调幅原理,5.3.2 调幅与其解调,在时域上的调幅过程就相当于在频域上的频率搬移过程。,频域分析-两信号的卷积,1. 调幅原理,5.3.2 调幅与其解调,第五章 模拟信号处理,P24,幅度调制与解调过程（波形分析）,乘法器,放大器,x(t),z(t),x m(t),乘法器,滤波器,z(t),x(t),2. 解调原理,若把调幅波再次与载波信号相乘 ，从时域分析看,用低通滤波器将频率为 的高频信号滤去，则得到,从频域分析中亦可以得到,即,调幅的目的是为了让缓变信号变为高频调制信号，便于放大和传输。解调的目的则是为了恢复原信号。,第五章 模拟信号处理,5
20、.3.2 调幅与其解调,图5-25 同步解调,从调幅原理，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。,第五章 模拟信号处理,2. 解调原理,5.3.2 调幅与其解调,例如广播电台,例2用电阻应变片接成全桥，测量某一构件的应变。已知其变化规律为如果电桥的激励电压为求此电桥的输出信号频谱。解法1 由全桥接法知电桥的输出信号为 那么又,第五章 模拟信号处理,2. 解调原理,5.3.2 调幅与其解调,书P135,所以,解法2所以其频谱如上图所示。,第五章 模拟信号处理,幅度调制与解调过程（频谱分析）,乘法器,放大器,x(t),z(t),x m(t),乘法器,滤
21、波器,z(t),x(t),3. 相敏检波原理,相敏检波器实际上是一个受参考电压控制的桥式全波整流电路,第五章 模拟信号处理,5.3.2 调幅与其解调,3. 相敏检波原理,第五章 模拟信号处理,5.3.2 调幅与其解调,第五章 模拟信号处理,0t1 前半周期Uy0,U00,0t1 前半周期Uy0,U00,第五章 模拟信号处理,0t1 前半周期Uy0,U00,0t1 后半周期Uy0,U00,U00,调频就是用被测信号的电压幅值去控制一个振荡器，使其输出信号的幅值不变而振荡频率改变，频率的变化量与被测信号的幅值成正比。,图5-29 调频波与信号幅值的关系,第五章 模拟信号处理,5.3.3 调频与其解
22、调,第五章 模拟信号处理,根据不同的电压频率转换电路（简称VFC），调频波可以是类似正弦波形的，或者三角波形的，也可以是疏密不等的方波或者脉冲形波。这种载有被测信息的高频波具有抗干扰能力强、便于远距离传输、不易错乱和失真等优点，也便于使用数字技术进行处理。 调频方式有许多种，经常采用的有直接调频方式和压控振荡器方式。,5.3.3 调频与其解调,1. 直接调频,用谐振电路调频的方法，称为直接调频法。,初始电容为 ，当位移改变时，电容变为 。设调制信号（被测信号）为 ，那么，由位移变化引起的可变电容量总可以写成,5.3.3 调频与其解调,Kx=比例系数,当无信号输入时，调频器的谐振频率为,当有信号
23、输入时，,谐振频率为,1. 直接调频,5.3.3 调频与其解调,第五章 模拟信号处理,1. 直接调频,由于,所以,经二项式公式展开，取前两项,第五章 模拟信号处理,5.3.3 调频与其解调,设 时，调频电路的输出电压为,则当 时，其输出电压为,当有信号 输入时，调频器输出电压的幅值不变而频率受输入信号的控制，从而达到调频的目的。,1. 直接调频,5.3.3 调频与其解调,第五章 模拟信号处理,2. 压控振荡器调频,实际应用中常见的调频方案是基于压控振荡器（VCO）原理。这是一种由集成运算放大器组成的电压频率变换电路，简称压频变换电路，其特点是输出信号的频率与输入电压成正比。,输出信号频率 与输
24、入电压 之间的定量关系可分析如下：,对积分器,正反馈放大器 ：,第五章 模拟信号处理,5.3.3 调频与其解调,正反馈放大器,积分器,乘法器,三、调频与其解调,这样，主通道的频率特性为,反馈通道中，,所以，,由振荡条件 得 即,可见，输出信号的频率与输入电压成正比。,压控振荡电路形式很多，现在已有集成化的压控振荡器芯片出售。,2. 压控振荡器调频,5.3.3 调频与其解调,3. 调频波的解调,调频波的解调（称为鉴频）也有多种方案。,最简单的一种是将调频波放大，限幅成为方波，然后取其上升（或下降）沿转换为脉冲，脉冲的疏密就是调频波的疏密。每个脉冲触发一个定时的单稳态触发器，这样可以获得一系列时宽
25、相等，疏密随调频波频率而变的单向窄矩形波。这样就得到了将频率变化向电压变化的转换，取其瞬时平均电压就反映了原信号电压的变化。,第五章 模拟信号处理,5.3.3 调频与其解调,3. 调频波的解调,另一种常用的鉴频电路是采用变压器耦合的谐振回路鉴频。这种鉴频器的解调过程是先将调频波变换成调频调幅波，然后进行幅值检波。,第五章 模拟信号处理,5.3.3 调频与其解调,3. 调频波的解调,5.3.3 调频与其解调,第五章 模拟信号处理,案例：铁路机车调度 信号检测,调制频率8.5Hz，绿灯调制频率23.5Hz，红灯,第五章 模拟信号处理,滤波器的应用,案例：旅游索道钢缆检测,5.4 滤波器,第五章 模
26、拟信号处理,滤波器的应用,机床轴心轨迹的滤波处理,5.4 滤波器,第五章 模拟信号处理,滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。,第五章 模拟信号处理,5.4.1 滤波器分类,1. 低通滤波器 频率在 之间的幅频特性平直,2. 高通滤波器 与低通滤波器相反，频率在 之间其幅 频特性平直。,3. 带能滤波器 其通频带在 之间。,4. 带阻滤波器 与带通滤波器相反，阻带在频率 之间。,第五章 模拟信号处理,5.4.1 滤波器分类,过渡带,其他分类,常系数线性滤波器,理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。理想滤波
27、器是一个理想化的模型，在物理上是不能实现的，但它对深入了解滤波器的传输特性很有益处。通过对理想滤波器的讨论，可以建立起滤波器通频带宽与达到稳定输出所需时间之间的关系。,第五章 模拟信号处理,5.4.2 理想滤波器,图5-34 理想滤波器频率特性,若滤波器的频率响应函数满足下列条件,则称为理想滤波器，即理想滤波器在通频带内应满足幅频特性为常数，相频特性是频率的线性函数，而在阻频带幅频特性应该等于零,5.4.2 理想滤波器,第五章 模拟信号处理,P82,频率上的矩形窗函数,5.4.2 理想滤波器,第五章 模拟信号处理,傅里叶逆变换,通过卷积求其对单位阶跃函数的响应,正弦积分（超越函数）,这一结论对
28、其它滤波器（高通、带通、带阻）也适用。,5.4.2 理想滤波器,（b）单位阶跃响应,图5-35 理想低通滤波器的响应,2个重要的结论P159,所以，低通滤波器对于阶跃响应的建立时间和通带宽成反比,滤波器的高分辨能力和快速响应的要求是互相矛盾的,如果用滤波器从信号中择取某一很窄的频率成分，就需要有足够的时间；否则，就会产生谬误和假象,理想滤波器的物理不可实现,理想滤波器在时域内的脉冲响应函数 h（t）为 sinc函数。脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸。,给理想滤波器一个脉冲激励，在t=0时刻单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。,使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减
29、其他频率成分,4 实际滤波器,理想滤波器是不存在的，实际滤波器幅频特性中通带和阻带间没有严格界限，存在过渡带。,5.3 信号的滤波,0,f,A,1. 波纹幅度d,5.4.3 实际滤波器及其基本参数,图5-36 理想带通与实际带通滤波器的幅频特性,2截止频率,3.带宽 和品质因数 值,4.倍频程选择性,5. 滤波器因数（或矩形系数）,对应于-3dB点,第五章 模拟信号处理,理想滤波器是否存在？,P42,幅频特性的衰减值，衰减越快，滤波器的选择性越好,在测试系统中，信号频率如果不是很高，则常用RC滤波器。因为它电路简单，抗干扰能力强，有较好的低频性能，并且选用标准的阻容元件也容易实现。,1. RC
30、低通滤波器,5.4.4 无源RC滤波器,第五章 模拟信号处理,其频率响应函数为,幅频和相频特性分别为,当 时,此时信号几乎不受衰减而通过,当 时,为滤波器的上截止频率,当 时,输出 与输入 的积分成正比,即,1. RC低通滤波器,电路的微分方程为,称为时间常数,第五章 模拟信号处理,5.4.4 无源RC滤波器,P43,幅频和相频特性分别为,微分方程为,频率响应函数为,2. RC高通滤波器,第五章 模拟信号处理,5.4.4 无源RC滤波器,2. RC高通滤波器,第五章 模拟信号处理,5.4.4 无源RC滤波器,滤波器的-3dB截止频率为,此时RC高通滤波器可视为不失真的传输系统,RC高通滤波器的输出与输入的微分成正比，变成一个微分器,3. RC带通滤波器,则幅频特性和相频特性分别为,如一阶高通滤波器的频率响应函数为,一阶低通滤波器的频率响应函数为,第五章 模拟信号处理,5.4.4 无源RC滤波器,3. RC带通滤波器,则幅频特性和相频特性分别为,第五章 模拟信号处理,5.4.4 无源RC滤波器,串联所得的带通滤波器则以原高通的截止频率为下截止频率,以其低通的截止频率为上截止频率,可见分别调节高、低通环节的时间常数 ，就可得到不同的上、下截止频率和带宽的带通滤波器,
