第五章信号的变换与处理

1、第五章第五章 信号的变换与处理信号的变换与处理 传感器将非电量转换为电量时，往往输出电阻、电传感器将非电量转换为电量时，往往输出电阻、电 感、电容等电路参数，需要将这些电路参数转换为易于感、电容等电路参数，需要将这些电路参数转换为易于 测量和处理的电压、电流、频率等。测量和处理的电压、电流、频率等。 由于传感器基本转换电路的类型与传感器的工作原由于传感器基本转换电路的类型与传感器的工作原 理有关，有时将其看作传感器的组成部分。理有关，有时将其看作传感器的组成部分。 另外，传感器的输出信号一般都很弱，还可能混有另外，传感器的输出信号一般都很弱，还可能混有 各种噪声，不能直接送入显示装置、执行机构

2、或计算机，各种噪声，不能直接送入显示装置、执行机构或计算机， 需要进行必要的放大、滤波、需要进行必要的放大、滤波、AD/DA转换、各种运算等转换、各种运算等 处理。处理。 一般将这一部分电路与传感器基本转换电路统称为一般将这一部分电路与传感器基本转换电路统称为 传感器的测量电路或信号的调理电路。传感器的测量电路或信号的调理电路。 在测试系统中，传感器或测试装置的输出大部分都在测试系统中，传感器或测试装置的输出大部分都 是较弱的模拟信号，不能直接用于显示、记录或是较弱的模拟信号，不能直接用于显示、记录或A/D转转 换，必须进行放大。换，必须进行放大。 对于直流或缓变信号，由于集成运算放大器性能的

3、对于直流或缓变信号，由于集成运算放大器性能的 改善，己经可以组成性能良好的直流放大器。改善，己经可以组成性能良好的直流放大器。 集成运算放大器根据其性能可分为通用型、高输入集成运算放大器根据其性能可分为通用型、高输入 阻抗型、高速型、高精度型、低漂移型、低功耗型等，阻抗型、高速型、高精度型、低漂移型、低功耗型等， 可根据不同要求选用。可根据不同要求选用。 利用运算放大器可组成反相输入、同相输入和差动利用运算放大器可组成反相输入、同相输入和差动 输入放大器。输入放大器。 第一节第一节 信号的放大信号的放大 一、测量放大器一、测量放大器 由运算放大器组成的上述三种放大器，一般仅适用由运算放大器组成

4、的上述三种放大器，一般仅适用 于信号回路不受干扰或信噪比较大的场合。于信号回路不受干扰或信噪比较大的场合。 实际上，传感器所处的工作环境住住是较复杂和恶实际上，传感器所处的工作环境住住是较复杂和恶 劣的，传感器的输出信号中含有较大的噪声和共模干扰。劣的，传感器的输出信号中含有较大的噪声和共模干扰。 所谓共模干扰是指在传感器的两条传输线上产生的所谓共模干扰是指在传感器的两条传输线上产生的 完全相同的干扰。完全相同的干扰。 在这种情况下，可采用测量放大器对信号进行放大。在这种情况下，可采用测量放大器对信号进行放大。 测量放大器又称仪表放大器，它是线性好、共模抑测量放大器又称仪表放大器，它是线性好、

5、共模抑 制比高、输入阻抗高和噪声低的放大器。制比高、输入阻抗高和噪声低的放大器。 测量放大器的基本电路如测量放大器的基本电路如 图图5-1，由三个运算放大器组成。，由三个运算放大器组成。 它是一种两级串联放大器，它是一种两级串联放大器， 前级由两个同相放大器组成，前级由两个同相放大器组成， 为对称结构。为对称结构。 输入信号可以直接加到输入端，从而输入阻抗高和输入信号可以直接加到输入端，从而输入阻抗高和 抑制共模干扰能力强。抑制共模干扰能力强。 后级是差动放大器，将双端输入变为单端输出，适后级是差动放大器，将双端输入变为单端输出，适 应对地负载的需要。应对地负载的需要。 电路中的电路中的A1和

6、和A2选择高输入阻抗运算放大器，而选择高输入阻抗运算放大器，而 R1=R2，R3=R4，R5=R6都是对称选择的。都是对称选择的。 Wi o R R U U A 2 2 2 2 2 1 当两个输入信号是共模信号时，由于同相放大器当两个输入信号是共模信号时，由于同相放大器A1 和和A2的增益相等，输出电压的增益相等，输出电压Uo1和和Uo2也是共模相等的。也是共模相等的。 经经A3差动放大，这两个共模信号可被完全消除，总差动放大，这两个共模信号可被完全消除，总 输出信号输出信号Uo为零。为零。 由此可见，这种电路的输出几乎不受输入共模干扰由此可见，这种电路的输出几乎不受输入共模干扰 的影响。的影

7、响。 由于由于A1和和A2都是同相放都是同相放 大器接法，因此两个放大器大器接法，因此两个放大器 的增益为的增益为 ; 2 1 1 1 1 1 Wi o R R U U A 当两个输入信号是差模信号时，经当两个输入信号是差模信号时，经A1和和A2同相放大同相放大 后仍是差模的，再经后仍是差模的，再经A3差动放大后输出。差动放大后输出。 差动放大器差动放大器A3的增益的增益 353 RRA 因此对差模输入信号，两级放大器的增益是因此对差模输入信号，两级放大器的增益是 3 51 2 1 R R R R A W 为了实现电路的高性能，必须对电路中的运算放大为了实现电路的高性能，必须对电路中的运算放大

8、 器和电阻进行严格的挑选和配对。器和电阻进行严格的挑选和配对。 可采用集成测量放大器。可采用集成测量放大器。 集成测量放大器在制造时采用激光调整工艺使对称集成测量放大器在制造时采用激光调整工艺使对称 部分完全匹配。通常部分完全匹配。通常Rw为外接电阻，调节为外接电阻，调节Rw可改变电可改变电 路的增益。路的增益。 二、隔离放大器二、隔离放大器 强电或强电磁干扰的环境中，传感器的输出信号中强电或强电磁干扰的环境中，传感器的输出信号中 混杂着许多干扰和噪声，而干扰和噪声大都来自地回路、混杂着许多干扰和噪声，而干扰和噪声大都来自地回路、 静电耦合以及电磁耦合。静电耦合以及电磁耦合。 为了消除干扰和噪

9、声，将模拟信号先经过低通滤波为了消除干扰和噪声，将模拟信号先经过低通滤波 器滤掉部分高频干扰外，还必须合理地处理接地问题。器滤掉部分高频干扰外，还必须合理地处理接地问题。 将放大器实行静电和电磁屏蔽并浮置起来。这样的将放大器实行静电和电磁屏蔽并浮置起来。这样的 放大器叫作隔离放大器。放大器叫作隔离放大器。 它的它的 输入和输出电路之间没有直接的电路联系，只输入和输出电路之间没有直接的电路联系，只 有磁路或光路的联系。有磁路或光路的联系。 隔离放大器电路的原理隔离放大器电路的原理 框图如图框图如图5-2所示。所示。 输入部分包含输入放输入部分包含输入放 大器和调制器，输出部分大器和调制器，输出部

10、分 包含解调器和输出放大器。包含解调器和输出放大器。 隔离放大器的主要用途：隔离放大器的主要用途： 1. 处在高噪声环境中的便携式仪器和某些测控系统中；处在高噪声环境中的便携式仪器和某些测控系统中； 2. 应用于医学测量，确保人体不受超过应用于医学测量，确保人体不受超过10A以上的楼以上的楼 电流和高电压的危害。电流和高电压的危害。 3. 用于防止因故障而使电网电压对低压电路造成损坏。用于防止因故障而使电网电压对低压电路造成损坏。 输入信号经过放大并输入信号经过放大并 调制成交流信号后，由变调制成交流信号后，由变 压器耦合，再经解调、滤压器耦合，再经解调、滤 波和放大后输出。波和放大后输出。

11、输入放大器的直流电输入放大器的直流电 源是由振荡器产生频率为几十千赫兹的高频振荡信号，源是由振荡器产生频率为几十千赫兹的高频振荡信号， 经隔离变压器馈入输入电路，再经过整流、滤波而提供经隔离变压器馈入输入电路，再经过整流、滤波而提供 的，以实现隔离供电。的，以实现隔离供电。 同时，该高频振荡信号经隔离变压器为调制器提供同时，该高频振荡信号经隔离变压器为调制器提供 载波信号，为解调器提供参考信号。载波信号，为解调器提供参考信号。 中间部分的信号耦合器件是变压器或光电器件，电中间部分的信号耦合器件是变压器或光电器件，电 源是隔离浮置的。源是隔离浮置的。 输入信号放大后由光输入信号放大后由光 耦合器

12、中的发光二极管耦合器中的发光二极管 LED变换成光信号，再通变换成光信号，再通 过光电器件转换为电压或过光电器件转换为电压或 电流，由输出放大器放大电流，由输出放大器放大 输出。输出。 图图5-2b 变压器耦合隔离放大器具有较高的线性度和隔离性变压器耦合隔离放大器具有较高的线性度和隔离性 能，且体积大、工艺复杂而成本高。能，且体积大、工艺复杂而成本高。 光耦合隔离放大器结构简单、成本低廉，带宽可达光耦合隔离放大器结构简单、成本低廉，带宽可达 60kHz，但其线性度、隔离性能和温度稳定性不如变压，但其线性度、隔离性能和温度稳定性不如变压 器耦合隔离放大器。器耦合隔离放大器。 图图5-2b是光耦合

13、隔离放大器电路框图。是光耦合隔离放大器电路框图。 第二节第二节 电电 桥桥 电桥是将电阻、电感、电容等电参量的变化，转变电桥是将电阻、电感、电容等电参量的变化，转变 为电压或电流输出的一种变换电路。为电压或电流输出的一种变换电路。 其输出信号的大小，可用仪表直接测量显示，也可其输出信号的大小，可用仪表直接测量显示，也可 输入到放大器进行放大。输入到放大器进行放大。 电桥电路连接简单、灵敏度和精确度较高，在测试电桥电路连接简单、灵敏度和精确度较高，在测试 装置中得到了广泛的应用。装置中得到了广泛的应用。 电桥根据激励电源的不同分为直流电桥和交流电桥。电桥根据激励电源的不同分为直流电桥和交流电桥。

14、 电桥电路有两种基本的工作方式：平衡电桥（零检电桥电路有两种基本的工作方式：平衡电桥（零检 测器）和不平衡电桥。测器）和不平衡电桥。 在传感器应用中主要是不平衡电桥。在传感器应用中主要是不平衡电桥。 一、直流电桥一、直流电桥 直流电桥的基本形式见图直流电桥的基本形式见图5-3。R1、R2、R3、R4是电是电 桥各桥臂电阻，桥各桥臂电阻，U0是直流电源电压，是直流电源电压，Uy是输出电压。是输出电压。 当电桥输出端连接阻抗较大的仪表或放大器时，可当电桥输出端连接阻抗较大的仪表或放大器时，可 视为开路。此时桥路分支电流为视为开路。此时桥路分支电流为 ； 21 0 1 RR U I 43 0 2 R

15、R U I a、b 和和 a、d 之间电位差分别是之间电位差分别是 42R IUad 11R IU ab ; 0 21 1 U RR R 0 43 4 U RR R dby UU adab UU 输出电压为输出电压为 0 4321 4231 )( U RRRR RRRR 4231 RRRR 若要电桥输出为零，则称为电桥平衡，应满足若要电桥输出为零，则称为电桥平衡，应满足 假设电桥各桥臂电阻都发生变化，其阻值的增量分假设电桥各桥臂电阻都发生变化，其阻值的增量分 别为别为R1、 R2 、 R3 、 R4 ，则电桥的输出将成为，则电桥的输出将成为 0 44332211 44224411 )( )()

16、( U RRRRRRRR RRRRRRRR U 将上式展开，取初始状态电桥的各臂阻值相等，即将上式展开，取初始状态电桥的各臂阻值相等，即 R1= R2 = R3 =R4=R，且一般情况下，且一般情况下R ux ，两，两 者频率相同均为载波频率。者频率相同均为载波频率。 1 D 2 D R R 2 u 2 u x u x u 0 u 当当ux=0时，由于电路对称，时，由于电路对称， 电压表上的输出为零（相当于电压表上的输出为零（相当于 电桥平衡时的输出）。电桥平衡时的输出）。 当当u2为正半周时，两个二为正半周时，两个二 极管导通；而极管导通；而u2为负半周时，为负半周时， 两个二极管截止。两个

17、二极管截止。 而且，因为而且，因为u2 ux ，故，故ux 的存的存 在不影响在不影响 u2 对二极管的导通或截止对二极管的导通或截止 作用。作用。u2的作用只起对二极管的控制的作用只起对二极管的控制 作用，相当于一个控制开关。作用，相当于一个控制开关。 下图表示了它的控制动作原理。下图表示了它的控制动作原理。 1 D 2 D R R 2 u 2 u x u x u 0 u 2 u x u 0 u K 2 u x u 0 u K u2为正半周时，两个二极管导为正半周时，两个二极管导 通，相当于开关通，相当于开关K将电路接通；将电路接通； u2 为负半周时，两个二极管截止，相为负半周时，两个二极

18、管截止，相 当于当于K将电路断开。将电路断开。 输出电压表上的电压输出电压表上的电压u0仅与仅与ux大小和相位有关，而大小和相位有关，而 且仅在且仅在u2为正半周时有输出。检波图形如下图表示。为正半周时有输出。检波图形如下图表示。 x u 2 u 0 u s u 图图5-16是一种二极管环行相敏检波器电路。是一种二极管环行相敏检波器电路。 图中的变压器图中的变压器A和和B为对称变压器，其原绕组分别为对称变压器，其原绕组分别 接调幅波接调幅波xm(t)和载波和载波 y(t)。 四个二极管顺向串联，四个二极管顺向串联， 四个电阻为平衡电阻。四个电阻为平衡电阻。 电路设计使变压器副电路设计使变压器副

19、 绕组电压绕组电压 u 大于电压大于电压 um 。 因此，四个二极管的导通和截止状态完全由电压因此，四个二极管的导通和截止状态完全由电压 u 的极性决定。的极性决定。 若原信号为若原信号为 正，调幅波正，调幅波 与载波与载波 同相时，同相时，)(tx)(txm)(ty 当载波电压为正时；当载波电压为正时； VD1 导通，电流的流向为如图所示。导通，电流的流向为如图所示。 )(tx )(tu f )(ty )(txm 若原信号为若原信号为 正，调幅波正，调幅波 与载波与载波 同相时，同相时，)(tx)(txm)(ty 当载波电压为负时；变压器当载波电压为负时；变压器A、B的极性同时改变的极性同时

20、改变 VD3 导通，电流的流向为如图所示。导通，电流的流向为如图所示。 )(tx )(tu f )(ty )(txm 若原信号为若原信号为 负，调幅波负，调幅波 与载波与载波 反相反相)(tx)(txm)(ty 当载波电压为正时，变压器当载波电压为正时，变压器B的极性不变，变压器的极性不变，变压器A 的极性改变；的极性改变；VD2 导通，电流的流向为如图所示。导通，电流的流向为如图所示。 若原信号为若原信号为 负，调幅波负，调幅波 与载波与载波 反相；反相；)(tx)(txm)(ty 当载波电压为负时，变压器当载波电压为负时，变压器B和变压器和变压器A的极性改变；的极性改变； VD4 导通，电

21、流的流向为如图所示。导通，电流的流向为如图所示。 这种相敏检波是利用二极管的这种相敏检波是利用二极管的 单向导同作用将电路输出极性换向单向导同作用将电路输出极性换向 该电路相当于在调制信号符号该电路相当于在调制信号符号 为正的时候，调幅波为正的时候，调幅波 xm(t) 的零线下的零线下 的负部翻上去，而把调制信号符号的负部翻上去，而把调制信号符号 为负的时候，调幅波为负的时候，调幅波 xm(t) 的零线上的零线上 的正部翻下来。的正部翻下来。 所经滤波后输出的信号与原调所经滤波后输出的信号与原调 制信号制信号x(t) 相同，即解调完成。相同，即解调完成。 这样，通过相敏检波器电路，这样，通过相

22、敏检波器电路， 能检出输入原信号的幅值大小和极能检出输入原信号的幅值大小和极 性，并通过低通滤波器滤掉高频载性，并通过低通滤波器滤掉高频载 波分量。波分量。 f u )(tx )(ty )(txm 3. 交流电桥调幅电路交流电桥调幅电路 电桥的输出为供桥电源信号与桥臂阻抗相对变化量电桥的输出为供桥电源信号与桥臂阻抗相对变化量 的乘积，因此交流电桥的本质也是一个乘法器，其输出的乘积，因此交流电桥的本质也是一个乘法器，其输出 为调幅波。图为调幅波。图5-17是动态电阻应变仪的电路原理框图。是动态电阻应变仪的电路原理框图。 4. 分压式调幅电路分压式调幅电路 图图5-18是电涡流传感器的分压式调幅电

23、路原理图。是电涡流传感器的分压式调幅电路原理图。 传感器线圈与电容构成并联谐振回路，当谐振回传感器线圈与电容构成并联谐振回路，当谐振回 路的谐振频率与振荡器的振荡频率相同时，其输出电路的谐振频率与振荡器的振荡频率相同时，其输出电 压压U最大。最大。 测量时，传感器线圈阻抗随测量时，传感器线圈阻抗随的变化而改变，使谐的变化而改变，使谐 振回路失谐，输出信号振回路失谐，输出信号 U 的频率虽然未变，但幅值己的频率虽然未变，但幅值己 相应变化，成为调幅波。相应变化，成为调幅波。 将它进行放大、检将它进行放大、检 波和滤波处理后，就可波和滤波处理后，就可 以得到与以得到与变化成一定变化成一定 关系的电压信号。关系的电压信号。 二、调频及其解调二、调频及其解调 调频是利用信号电压的幅值控制载波的频率，调频调频是利用信号电压的幅值控制载波的频率，调频 波是等幅波，但频率偏移量与信号电压成正比。波是等幅波，但频率偏移量与信号电压成正比。 调频波的瞬时频率可表示为调频波的瞬时频率可表示为 式中式中 f0 载波频率或称为中心频率；载波频率或称为中心频率； f 频率偏移，与调制信号频率偏移，与调制信号 x ( t ) 的幅值成正比。的幅值成正比。 fff 0 一种方法是电参数的一种方法是电参数的 直接调频，见图直接调频，见图5-19