《工程测试技术基础(第五章信号调理)》由会员分享,可在线阅读,更多相关《工程测试技术基础(第五章信号调理)(55页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
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 ?,