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1、第五章、测试信号调理技术,工程测试技术基础,本章学习要求：,1.了解模拟信号放大电路原理 2.了解信号调制解调原理 3.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。,5.1 信号调理的目的,第五章、测试信号调理技术,1.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，有的还要进行阻抗变换。,5.2 信号放大,第五章、测试信号调理技术,分类,放大器,直流放大器,交流放大器,电荷放大器,直流电桥,特点,交流电桥,低频保留,高频截止,高频保留,低频截止,1 直流放大电路,5.2 信号放大电路,反馈电阻RF值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂
2、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。,2)同相放大器,5.2 信号放大电路,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:,2 交流放大电路,5.2 信号放大电路,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。,3 直流电桥,5.2 信号放大电路,平衡条件,5.2 信号放大电路,令：,5.2 信号放大电路,4 交流电桥,电感,电容,5.2 信号放大电路,电桥的接法：,5 电荷放大器,5.2 信号放大电路,第五章、测试信号调理技术,5.3调制与解调,第五章、测
3、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，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,5.3调制与解调,2 种类,5.3调制与解调,a) 幅度凋制(AM),b) 频率调制(FM),c) 相位调制(PM),5.3调制与解调,3 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,5.3调制与解调,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),5.3调制与解调,幅度调制与解调过程（频谱分析）,乘法器,放大器,x(t)
4、,z(t),x m(t),乘法器,滤波器,z(t),x(t),5.3调制与解调,幅度调制与解调过程（数学分析）,5.3调制与解调,实验：同步调治与解调实验,上述调制方法，将信号x(t)直接与载波z(t)相乘这种调幅波具有极性变化，解调时必须再乘与z(t)相位相同的z(t) 方能复原出原信号，故称同步解调,5.3调制与解调,非抑制调幅,若对信号x(t)进行偏置，叠加一个直流分量D，使偏置后的信号都具有正电压。,5.3调制与解调,调幅,5.3调制与解调,解调,二极管检波,低通滤波,5.3调制与解调,调幅波的波形失真,a）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x(t)的相位将发生1
5、80。,5.3调制与解调,b)重叠失真：调幅波是由一对每边为fm的双边带信号组成当载波频率fz较低时，正频端的下边带将与负频端的下边带相重叠要求: fzfm,5.3调制与解调,5.3调制与解调,4 频率调制,调频是利用信号x(t)的幅值调制载波的频率，或者说，调频波是一种随信号x(t)的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波.,5.3调制与解调,5.3调制与解调,鉴频：,5.3调制与解调,优点：抗干扰能力强。,调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的20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。,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
6、则主要表现在振幅之中,缺点：占频带宽度大，复杂,5.3调制与解调,案例：旋转机械扭距测量,5.3调制与解调,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,5.3 信号的滤波,第五章、测试信号调理技术,滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分,第五章、测试信号调理技术,1 滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）,低通,高通,第五章、测试信号调理技术,带通,带阻,2 滤波器的串/并联,低通滤波器和高通滤波器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器。,5.3 信号的滤波,3 理想滤波器,理想滤波器是
7、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。,5.3 信号的滤波,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。,5.3 信号的滤波,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,5.3 信号的滤波,0,f,1)截止频率fc：0.707A0所对应的频率,2)纹波幅度d：绕幅频特性均值A0波动值,3)带宽
8、B和品质因数Q：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 。,Q=W0 / B,4)倍频程选择性W 指在上截止频率fc2与2fc2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。,5.3 信号的滤波,倍频程衰减量以dB/oct表示（Octave，倍频程）。衰减越快（即W值越大），滤波器的选择性越好。,5 恒带宽、恒带宽比滤波器,实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实际滤波器中心频率与带宽之问的数值关系，可以分为两种。,5.3 信号的滤波,2) 恒带宽比带通滤波器,1) 恒带宽带通滤波器,5.3 信号的滤波,1/3倍频程滤波器若使每一频带的上限频率比下限频率高一倍，即频
9、率之比为2，这样划分的每一个频程称1倍频程，简称倍频程。如果在一个倍频程的上、下限频率之间再插入两个频率，使 4个频率之间的比值相同（相邻两频率比值=1.26倍）。这样将一个倍频程划分为3个频程，称这种频程为13倍频程。,6 RC无源滤波器,在测试系统中，常用RC滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而RC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 。,1) 一阶RC低通滤波器,5.3 信号的滤波,5.3 信号的滤波,2) 一阶RC高通滤波器,5.3 信号的滤波,3) RC带通滤波器,5.3 信号的滤波,产品,5.3 信号的滤波,LineDa: LTC1564,MA
10、XIM: MAX74xx,5.3 信号的滤波,2.2 信号的时域波形分析,6 滤波器的应用,案例：旅游索道钢缆检测,5.3 信号的滤波,由案例提炼的典型实验：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,5.3 信号的滤波,案例：机床轴心轨迹的滤波处理,5.3 信号的滤波,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,5.3 信号的滤波,5.3 信号的滤波,思考题：,1 信号调理的内容和目的 ？,2 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 ？,3 信号调制与解调的种类 ？,4 幅度调制与解调的原理 ？,5 调幅波的失真，如何消除 ？,6 信号滤波器的种类 ？,7 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 ？,
