第4章信号的调理与记录_4

1、车辆测试技术 第第4 4章章 信号的调理与记录信号的调理与记录 第第1 1页页 第四章 信号的调理与记录 学习要求： 1. 了解模拟信号放大电路原理 2. 掌握调制与解调的基本原理 3.了解滤波器的工作原理，掌握滤波器 的分类、基本参数和基本特性 车辆测试技术 是便于信号的传输与处理 信号调理的目的 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。 2.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，提高信噪比。 3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要 对传感器测量信号进行调制解调处理。 车辆测试技术 第一节

2、信号的放大 通常情况下，传感器的输出信号都很微弱，必须 用放大电路放大后才便于后续处理。为了保证测量 精度的要求，放大电路应具有如下性能: 1) 足够的放大倍数； 2) 高输入阻抗，低输出阻抗； 3)高共模抑制能力; 4)低温漂、低噪声、低失调电压和电流。 线性运算放大器具备上述特点，因而传感器输出 信号的放大电路都由运算放大器所组成，本节介绍 几种常用的运算放大器电路。 车辆测试技术 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 激励电源为直流源 激励电源为交流源 压电式传感器专用 车辆测试技术 1. 直流放大电路 电压增

3、益: 2 1 v R A R 注意：输入阻抗低，容易对传感器产生负载效应； 反馈电阻R2 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。 烟雾报警器酒精传感器二氧化碳传感器 1) 反相放大器 车辆测试技术 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。但易引入共 模干扰。 同相放大器也是最基本 的电路 ，其闭环电压增益 Av为: 2 v 1 1 R A R 车辆测试技术 3) 差分放大器 差分放大器也不能提供 足够的输入阻抗和共模 抑制比。因此由单个运 算放大器构成的放大电路在 传感器信号

4、放大中很少直接采用。 一种常用来提高 输入阻抗的办法是在 基本放大电路之前串 接一级射极跟随器。 串接射极跟随器后，电路的输入阻抗可以提高到109 欧以上，所以射极跟随器也常被称为阻抗变换器。 车辆测试技术 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。 13 (3 10)/(2) LL CCR f F 2 1 v R A R 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。 车辆测试技术 第二节 调制与解调 目的 解决微弱缓变信号的放大以及信号 的传输问题。 调制 解调 车辆测试技

5、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 Ve V R1 R3 R2 R4 调制是指利用某种低频信号 来控制或改变一高频振荡信 号的某个参数 (幅值、频率 或相位)的过程。 车辆测试技术 信号 调制信号 x(t) 0 t 载波信号 ( )cos(2)z tAft z(t) 0 t 车辆测试技术 a) 幅值调制(AM) ( )cos(2()x ty tAft b) 频率调制(FM) 0 ( )cos(2 ( )y tAfx tt c) 相位调制(PM) 0 ( )cos2()y tAfttx y(

6、t)的幅值随x(t)变化而变化 y(t)的频率随x(t)变化而变化 y(t)的相位随x(t)变化而变化 调制类型 车辆测试技术 一、幅值调制与解调 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。 0 ( )cos(2)x ty tAft 缓变 信号 调 制 高频 信号 放 大 放大高 频信号 解 调 放大缓 变信号 车辆测试技术 幅度调制与解调过程（波形分析） 乘法器 放大器 x(t) z(t) xm(t) 乘法器 滤波器 z(t) x(t) 幅度调制与解调过程（数学分析） 乘法器 放大器 乘法器 滤波器 ( )cos()(2) mzt xxtt

7、f 2 c() os2) z xf tt 11 22 ( )cos(4)( ) z x ttx tf x(t) z(t) xm(t) z(t) x(t) m ( )( ) ( ) m ytxt z t ( )cos(2) z z tf t 车辆测试技术 幅度调制与解调过程（频谱分析） 乘法器 放大器 乘法器 滤波器 x(t) z(t) xm(t) z(t) x(t) X( f ) Z( f ) Z( f ) X(f ) 低通滤波器 Xm( f ) -fz fz -2fz 2fz ( )cos()(2) mzt xxttf ( )cos()(2) mzt xxttf 11 22 ( )cos(4

8、)( ) z x ttx tf m ( )( ) ( ) m ytxt z t 车辆测试技术 调幅信号的解调方法： (1) 同步解调 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。它要求有性 能良好的线性乘法器，否则 会引起信号失真。 车辆测试技术 (2) 包络检波（整流检波） 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。 ( )cos(2( ) m x txtDft ()Dx tx t ( )x t 车辆测试技术 调幅 车辆测试

9、技术 解调 二极管检波 低通滤波 车辆测试技术 调幅波的波形失真 过调失真：对于包络检波，要求其直流偏置必须 足够大，否则 x(t) 的相位将发生180。 上述方法的关键是准确地加、减偏置电压。若所加 的偏置电压未能使信号电压都位于零位的同一侧， 那么对调幅之后的波形只进行简单的整流滤波便不 能恢复原调制信号，而会造成很大失真 。 车辆测试技术 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 负频端的上边带相重叠。要求: fz fm 车辆测试技术 (3) 相敏检波（整流检波） 相敏检波的特点是可以鉴别调制信号的极性， 所以采用相敏检波时，

10、对调制信号不必再加直流偏 置。相敏检波利用交变信号在过零位时正、负极性 发生突变，使调幅波的相位 (与载波比较)也相应地 产生180的相位跳变，这样便既能反映出原调制信 号的幅值，又能反映其极性。 车辆测试技术 相敏检波电路 + + + + + - - - - - 车辆测试技术 动态电阻应变仪框图 车辆测试技术 二、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。 0 ( )cos(2 *( )y tAfx tt 1. 频率调制的基本概念 00 ( )cos()y tAt 或者 载波： 载波的瞬时频率： 0 (

11、)( )xttk 调频信号： 00 ( )co( )s()y tAtxkt dt 车辆测试技术 调制信号 已调制信号 车辆测试技术 频率调制一般用振荡电路来实现，如LC振荡电路、 变容二极管调制器、压控振荡器等。以LC振荡回路为 例，如图所示，该电路常被用于电容、涡流、电感等 传感器的测量电路，将电容 (或电感)作为自激振荡器 的谐振回路的一调谐参数，则电路的谐振频率为 2. 频率调制方法 00 1 2fLC 0 0 1 (1) ff C C 00 (12)fCC 车辆测试技术 3.调频信号的解调 调频信号的解调亦称鉴频，一般采用鉴频器和锁相 环解调器。前者结构简单，在测试技术中常被使用， 而

12、后者解调性能优良，但结构复杂，一般用于要求较 高的场合，如通信机等。此处只介绍鉴频器解调。 车辆测试技术 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，因为频率调制是一种非线性调制。 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则主 要表现在振幅之中。 缺点：占频带宽度大，复杂 车辆测试技术 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 车辆测试技术 第三节 滤波器 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。 一、概述

13、 滤波 车辆测试技术 滤波器分类（根据滤波器的选频作用分类） 低通 高通 车辆测试技术 带通 带阻 车辆测试技术 滤波器的串/并联 低通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。 低通和高通滤波器的串联成为带通滤波器 LPFHPF 低通和高通滤波器的并联成为带阻滤波器 LPF HPF 车辆测试技术 1.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。 f j ( f ) -fcfc 以理想的低通滤波器为例，其特性为 0 -j2 0cc - () 0 ft A efff H f 其其他他 0cc - () 0 A

14、fff H f 其其他他 0cc 2- () 0 ftfff f j j 其其他他 -fc |H( f )| fcf 0 二、滤波器性能分析 车辆测试技术 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。 故为物理不可实现。 fc H( f ) 车辆测试技术 2.实际滤波器的特征参数 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。 0 f A 车辆测试技术 又称-3dB带宽，单位为Hz。

15、带宽表示滤波器的分辨 能力，即滤波器分离信号中相邻频率成分的能力。 0 ffc1fc2 A0 0.707A0 (1) 截止频率fc：0.707A0 所对应的频率。 (3) 纹波幅度d：通带中幅频特性值的起伏变化值。 (4) 品质因子Q：中心频率和带宽之比。 B Q=f0 / B 2d (2) 带宽B：上下两截止频率之间的频率范围。 B=fc2 - fc1 f0 d 值应越小越好 Q 越大，则相对带宽 越小，滤波器的选择 性越好。 车辆测试技术 从阻带到通带或从通带到阻带，实际滤波器有 一个过渡带，过渡带的曲线倾斜度代表着幅频特性 衰减的快慢程度，通常用倍频程选择性来表征。 倍频程衰减量以dB或

16、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。 c2 c2 (2) 20lg () Af W A f c1 c21 (/2) 20lg () A f W A f 或 指在上截止频率 fc2 与 2fc2 之间或下截止频 率 fc1与 fc1 / 2 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) 倍频程选择性 W 车辆测试技术 定义为滤波器幅频特性的-60dB带宽与-3dB带宽 的比，即 对理想滤波器有 l = 1。 对普通使用的滤波器， l 一般为1 5。 -60dB -3dB B B l l (6)滤波器因数(矩形系数) l 车辆

17、测试技术 三、实际滤波电路 在测试系统中，常用RC滤波器。因为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 。 R C ui + uo R C ui + uo RC无源滤波器： 低通滤波器高通滤波器 车辆测试技术 1) 一阶RC低通滤波器 R C ui + uo o oi dt du RCuu 1 () j21 h f fRC c 1 (2)fRC 2 c 1 () 1(/) A f ff c ()arctan(/)fff 车辆测试技术 R C ui + uo o i (1 j2) j2 j21 uR uRfC fRC fRC c 2 c (/) ( ) 1(/)

18、ff A f ff c ( )arctan() 2 fff 2) 一阶RC高通滤波器 c 1 (2)fRC 车辆测试技术 H 22 HL 21 () (2)1(2)1 f A f ff HL ( )arctan(2)arctan(2) 2 fff 3) RC带通滤波器 H11 R C L22 R C 可以看作为高通滤波器和低通滤波器的串联 车辆测试技术 带通 带阻 LH 1H 1 (2)&f 2H 1 (2)f LH 1L 1 (2)&f 2L 1 (2)f ? 车辆测试技术 R1C 1 C2ui + uo R2 + 带通滤波器 (图4-26） 一阶RC滤波器在过渡带内的衰减速率非常慢， 每个

19、倍频程只有6dB （见上图），通带和阻带之间没 有陡峭的界限，故这种滤波器的性能较差，因此常常 要使用更复杂的滤波器。 车辆测试技术 电感和电容一起使用可以使滤波器的谐振特性 相对于一阶RC电路产生较为陡峭的滤波器边缘。 图4-28中给出了一些此类滤波器的构成方法。 车辆测试技术 通过采用多个RC环节或LC环节级联的方式 (见 图4-29)，可以使滤波器的性能有显著的提高，使过 渡带曲线的陡峭度得到改善。 车辆测试技术 这是因为多个中心频率相同的滤波器级联后， 其总幅频特性为各滤波器幅频特性的乘积，因此通 带外的频率成分将会有更大的衰减。但必须注意到， 虽然多个简单滤波器的级联能改善滤波器的过渡带 性能，却又不可避免地带来了明显的负载效应和相 移增大等问题。为避免这些问题，最常用的方法就 是采用有源滤波器。 车辆测试技术 有源滤波器 通常的有源滤波器 具有80dB/倍频程的下 降带以及在阻带中有高 于60dB的衰减。目前 市场上己有高性能的高 阶有源滤波器出售。 车辆测试技术 四、带通滤波器在信号频率分析中的应用 1. 多路滤波器的并联形式 多路带通滤波器并联常用于信号的频谱分析和 信号中特定频率成分的提取。使用时常将被分析信 号输入一组中心频率不同的滤波器，各滤波器的输 出便反映了信