微弱信号测量与信号调理

1、华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院第五章、测试信号调理技术第五章、测试信号调理技术工程测试技术基础工程测试技术基础本章学习要求：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。 5.1 5.1 信号调理的目的信号调理的目的 第五章、测试信号调理技术第五章、测试信号调理技术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

2、不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，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5.2 5.2 信号放大信号放大 第五章、测试信号调理技术第五章、测试信号调理技术分类分类放大器放大器直流放大器

3、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 5.2 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

4、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中科技大学机械学院2)2)同相放大器同相放大器 5.2 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 5.2 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

5、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。 )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5.2 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5.2 信号放大电路信号放大电路 令：令：RR 1dRR

6、R4RR 2RR 3EdRRRRRdRRRRRV)()(RdRE4华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院5.2 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5.2 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5.2 信号放大电路信号放大电路 fyiicaiCeeCCCeq)()(ffyKCCCKqe)(F+华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院第五章、测试信号调理技术第五章、

7、测试信号调理技术5.35.3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。 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院第五章、测试信号调理技术第五章、测试信号调理技术 先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，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2

8、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5.3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(PM(PM)(2cos()(0txftAty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

9、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5.3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5.3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

10、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5.3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)22cos()()(21tftxtxz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实验：同步调治与解调实验实验：同步调治与解调实验 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

11、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(t) z(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5.3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5.3调制与解调调制与解

12、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5.3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5.3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180180。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

13、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5.3调制与解调调制与解调动手做：动手做：用个人测试实验室中数字用个人测试实验室中数字信号发生器、波形运算器信号发生器、波形运算器等软件芯片，设计一个非等软件芯片，设计一个非抑制调幅与解调系统。抑制调幅与解调系统。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 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

14、一种随信号x(t)x(t)的电压的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5.3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5.3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5.3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