Chapter4 信号调理

1、华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院第第4章章 信号调理信号调理机械工程测试技术机械工程测试技术本章学习要求：本章学习要求：1.1.了解模拟信号放大电路原理了解模拟信号放大电路原理 2.2.了解信号调制解调原理了解信号调制解调原理 3.3.了解信号滤波器工作原理了解信号滤波器工作原理华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。 4.1 4.1 信号调理的目的信号调理的目的 第第4章、信号调理章、信号调理1.1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能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

2、，需直接输送到显示、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。要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。 2.2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪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。声，需要去掉噪声，提高信噪比。3.3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量信进行调制解调处理。对传感器测量信进行调制解调处理。 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4.2 4.2 信号放大信号放大( (选讲选讲) ) 分类分类放大器放大器直流放大器直流放大器交流放大器交流放大器电荷放大器电荷放大器直流电桥直流电桥

3、特点特点交流电桥交流电桥低频保留低频保留, ,高频截止高频截止高频保留高频保留, ,低频截止低频截止华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院1 1 直流放大电路直流放大电路 4.2 信号放大电路信号放大电路 电压增益电压增益: :1) 1) 反相放大器反相放大器 1RRAFv 反馈电阻反馈电阻R RF F值不能太大，否则会产生较大的值不能太大，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。噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。R1R1的的取值应远大于信号源取值应远大于信号源UiUi的内阻的内阻。 烟雾报警器烟雾报警器酒精传感器酒精传感器二氧化碳传感器二氧化碳传感器华中科技大学机械学院华

4、中科技大学机械学院2)2)同相放大器同相放大器 4.2 信号放大电路信号放大电路 同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻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。抗很低的特点，广泛用于前置放大级。 同相放大器也是最基同相放大器也是最基本的电路本的电路 ，其闭环电压，其闭环电压增益增益AvAv为为: :11RRAFv华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2 2 交流放大电路交流放大电路 4.2 信号放大电路信号放大电路 R1R1一般取几十千欧。耦合电容一般取几十千欧。耦合电容C1C1、C3C3可根据交流可根据交流放大器的下限频率放大器的下限频率fLfL来确定。来确定。

5、 )2/()103(31LLfRCC11RRAFv 若只需要放大交流信号，可采用图示的集成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。其中电容运放交流电压同相放大器。其中电容C1C1、C2C2及及C3C3为隔直电容。为隔直电容。 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院3 3 直流电桥直流电桥4.2 信号放大电路信号放大电路 平衡条件平衡条件4231RRRRVER1R3R2R4ERRRRRRRRV)(43214231华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4.2 信号放大电路信号放大电路 令：令：RR 1dRRR4RR 2RR 3EdRRRRRdRRRRRV)()(RdRE4

6、华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4.2 信号放大电路信号放大电路 4 4 交流电桥交流电桥电感电感电容电容传感器传感器传感器传感器平衡条件平衡条件4231ZZZZ华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4.2 信号放大电路信号放大电路 电桥的接法：电桥的接法：单臂单臂 半桥半桥全桥全桥华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院5 5 电荷放大器电荷放大器4.2 信号放大电路信号放大电路 fyiicaiCeeCCCeq)()(ffyKCCCKqe)(F+输出电压与压电传感器的电荷成正比，与反馈电容成反比，输出电压与压电传感器的电荷成正比，与反馈电容成反比，（与引线电容和隔直点容无关）（与引

7、线电容和隔直点容无关）华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4.34.3调制与解调调制与解调1 1 目的目的 解决微弱缓变信号的放大以及信号解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。的传输问题。 第第4章、信号调理章、信号调理华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 调制的必要性调制的必要性A.A.便于发送便于发送10l对无线传输信号而言，信号需要通过发射天线发送出去。根据天线理论，发射天线的尺度与信号的波长满足一定的关系式时，信号才能得到有效的发射， 即 如： GSM手机的工作频段为 900/1800MHzmlMHzfmlKHzfc1,10103103,3010,10103103,3784

8、538fc华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院B. 提高信道的利用率比如，语音信号的频率范围为3003400Hz.微波信道的频率范围为 300M300GHz 300M300G以无线电广播的中波波段为例：300 3400波段范围为 530KHz1600KHz, 每一个广播电台的频段为9K, 在这一中波波段中就均匀分布着多个电台。上述即为频分复用，它是通过采用不同载波频率的调制完成的。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，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，最后再从放大器的然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器

9、的输出信号中取出放大了的缓变信号。输出信号中取出放大了的缓变信号。 例：交流电桥例：交流电桥VinVoR1R3R2R4第第4章、信号调理章、信号调理华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4.3调制与解调调制与解调2 2 种类种类调制信号调制信号x(t)x(t)0 0t t载波信号载波信号)2cos()(ftAtzz(t)z(t)0 0t t华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4.3调制与解调调制与解调a) a) 幅度凋制幅度凋制(AM)(AM)2cos()(*)(fttxAtyb) b) 频率调制频率调制(FM)(FM)*)(2cos()(0ttxfAtyc) c) 相位调制相位调制(P

10、M(PM)(2cos()(0txftAty华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4.3调制与解调调制与解调3 3 幅度调制幅度调制 调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与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测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化化而变化)2cos()(*)(0fttxAty缓变信号缓变信号调制调制高频信号高频信号放大放大放大高放大高频信号频信号解调解调放大缓放大缓变信号变信号华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4.3调制与解调调制与解调幅度调制与解调过程（波形分析）幅度调制与解调过程（波形分析）乘法器乘法器放大器放大

11、器x(t)z(t)x m(t)乘法器乘法器滤波器滤波器z(t)x(t)华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4.3调制与解调调制与解调幅度调制与解调过程（频谱分析）幅度调制与解调过程（频谱分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器乘法器滤波器滤波器z(t)x(t)华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4.3调制与解调调制与解调幅度调制与解调过程（数学分析）幅度调制与解调过程（数学分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器乘法器滤波器滤波器z(t)x(t)(tx)2cos()()(tftxtxzm)(tz)(tztftxtyzm2cos)()(2)

12、22cos()()(21tftxtxz华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4.3调制与解调调制与解调实验：同步调制与解调实验实验：同步调制与解调实验 上述调制方法，将信号上述调制方法，将信号x(t)x(t)直接与载波直接与载波z(t)z(t)相乘这种相乘这种调幅波具有极性变化，解调调幅波具有极性变化，解调时必须再乘与时必须再乘与z(t)z(t)相位相同相位相同的的z z(t) (t) 方能复原出原信号，方能复原出原信号，故称同步解调故称同步解调 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4.3调制与解调调制与解调非抑制调幅非抑制调幅 若对信号若对信号x(t)x(t)进行偏置，叠加一个直流分量

13、进行偏置，叠加一个直流分量D D，使偏置后的信号都具有正电压。使偏置后的信号都具有正电压。 )2cos()()(fttxDtxm)()( txDtx)(tx华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4.3调制与解调调制与解调调幅调幅华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4.3调制与解调调制与解调解调解调二极管检波二极管检波低通滤波低通滤波华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4.3调制与解调调制与解调调幅波的波形失真调幅波的波形失真a a）过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏）过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏置必须足够大，否则置必须足够大，否则x(t)x(t)的相位将发生的相位将发生

14、180180。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4.3调制与解调调制与解调b)b)重叠失真：调幅波是由一对每边为重叠失真：调幅波是由一对每边为fmfm的双边带信的双边带信号组成当载波频率号组成当载波频率fzfz较低时，正频端的下边带将较低时，正频端的下边带将与负频端的下边带相重叠要求与负频端的下边带相重叠要求: : fz fzfmfm 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4.3调制与解调调制与解调4 4 频率调制频率调制 调频是利用信号调频是利用信号x(t)x(t)的幅值调制载波的频的幅值调制载波的频率，或者说，调频波是一种随信号率，或者说，调频波是一种随信号x(t)x(t)的电压的

15、电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波幅值而变化的疏密度不同的等幅波. . )*)(2cos()(0ttxfAty华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4.3调制与解调调制与解调华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4.3调制与解调调制与解调鉴频：鉴频：T1T2T3T4F华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4.3调制与解调调制与解调优点：抗干扰能力强。优点：抗干扰能力强。 调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的所要求带宽的2020倍；调频系统较之调幅系统复倍；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。杂，因为频率调制足一种非线性调

16、制。 因为调频信号所携带的信息包含在频率变化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要表现在振幅之中线性系统的频率保持特性线性系统的频率保持特性. . 缺点：占频带宽度大，复杂缺点：占频带宽度大，复杂华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院5.3调制与解调调制与解调4案例：案例：旋转机械扭距测量旋转机械扭距测量华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4.3调制与解调调制与解调案例：案例：铁路机车调度铁路机车调度 信号检测信号检测调制频率调制频率8.5Hz8.5Hz，绿灯，绿灯调制频率调制频率23.

17、5Hz23.5Hz，红灯，红灯华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4.3 4.3 信号的滤波信号的滤波 滤波器是一种选频装置，可以使滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分衰减其他频率成分第第4章、信号调理章、信号调理华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院1 1 滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）滤波器分类（根据滤波器的选频作用分） 低通低通高通高通第第4章、信号调理章、信号调理华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院带通带通带阻带阻第第4章、信号调理章、信号调理华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2 滤波器的串滤

18、波器的串/ /并联并联 低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种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。两种类型的滤波器。4.3 信号的滤波信号的滤波 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院3 3 理想滤波器理想滤波器 理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位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。都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。4.3 信号的滤波信号的滤波 fcH(f)fQ(f)华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院理想滤波器的理想滤波器的

19、物理不可实现物理不可实现 理想滤波器在时域内的脉冲响应函数理想滤波器在时域内的脉冲响应函数 h h（t t）为为 sincsinc函数。脉冲响应的波形沿横坐标左、右函数。脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸。无限延伸。 给理想滤波器一个脉冲激励，在给理想滤波器一个脉冲激励，在t=0t=0时刻单时刻单位脉冲输入滤波器之前，滤波器就已经有响应了。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。故物理不可实现。4.3 信号的滤波信号的滤波 fcH(f)华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4 4 实际滤波器实际滤波器 理想滤波器是不存在的，实际滤波器幅频特理想滤波器是不存在的，实际滤波

20、器幅频特性中通带和阻带间没有严格界限性中通带和阻带间没有严格界限, ,，存在过渡带。，存在过渡带。 4.3 信号的滤波信号的滤波 0fA华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4.3 信号的滤波信号的滤波 0ffc1fc2A00.707A01)1)截止频率截止频率fcfc：0.707A0.707A0 0所对应的频率所对应的频率 d2)2)纹波幅度纹波幅度d d：绕绕幅频特性均值幅频特性均值A A0 0波动值波动值3)3)带宽带宽B B和品质因数和品质因数Q Q：下两截频间的频率范围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称为带宽。中心频率和带宽之比称为品质因数 。 BQ=W

21、0 / B华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4)4)倍频程选择性倍频程选择性W W 指在上截止频率指在上截止频率fcfc2 2与与2fc2fc2 2之间幅频特性的衰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。减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。 4.3 信号的滤波信号的滤波 倍频程衰减量以倍频程衰减量以dB/octdB/oct表示（表示（Octave，倍频，倍频程）。衰减越快（即程）。衰减越快（即W W值越大），滤波器的选择性值越大），滤波器的选择性越好。越好。华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院5 5 恒带宽、恒带宽比滤波器恒带宽、恒带宽比滤波器 实际滤波器频率通带通常

22、是可调的，根据实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，可以际滤波器中心频率与带宽之问的数值关系，可以分为两种。分为两种。4.3 信号的滤波信号的滤波 2) 2) 恒带宽比带通滤波器恒带宽比带通滤波器 1) 1) 恒带宽带通滤波器恒带宽带通滤波器 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4.3 信号的滤波信号的滤波 1/31/3倍频程滤波器倍频程滤波器华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6 RC6 RC无源滤波器无源滤波器 在测试系统中，常用在测试系统中，常用RCRC滤波器。因为这一领滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而域中信号频率相对来说不高。而RCRC滤波器电路简滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标准阻容元件准阻容元件 。 1) 1) 一阶一阶RCRC低通滤波器低通滤波器 4.3 信号的滤波信号的滤波 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4.3 信号的滤波信号的滤波 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2) 2) 一阶一阶RCRC高通滤波器高通滤波器 4.3 信号的滤波信号的滤波 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院3) RC3) RC带通滤波器带通滤波器 可以看作为低通滤波器和高通滤