第五章信号的变换与处理

第五章信号的变换与处理放大滤波电信号被测量电压/电流/频率等A/D显示记录电阻/电感/电容等变化1、了解模拟信号放大电路原理2、了解信号滤波器工作原理3、了解信号调制解调原理本章学习要求传感器传感器基本转换电路

信号调理的目的是便于信号的传输与处理。

1、传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接送到显示、记录或分析仪器，需要放大，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。

关于信号放大★

目的：幅度增加，抗干扰、阻抗匹配放大器类型特点传感器典型应用直流放大器对信号电压的大小放大，信号在零点上方或下方波动电阻应变计、电阻式传感器、铂热电阻测温传感器等交流放大器对信号电压大小的变化放大，信号在零点上下波动差动变压器、电容式、电感式传感器等电荷放大器对电荷信号直接放大。压电式传感器。放大器特性比较

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分类直流放大器：低频保留,高频截止交流放大器：高频保留,低频截止电荷放大器直流电桥交流电桥

直流放大器交流放大器第一节信号的放大

★传感器输出的信号一般很弱，mV甚至μV级。★以前由于直流放大器漂移较大，对于微弱的直流信号是采取如下途径放大：★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，可根据不同要求选用。利用运算放大器可组成反相输入、同相输入和差动输入放大器。微弱的直流信号调制交流信号放大解调强直流信号1、同相放大器

RfRR//Rf

特点：同相放大器具有很高输入阻抗，低输出阻抗。由于引入共模电压，因而需要使用高共模抑制比的运算放大器才能保证精度。广泛用于前置放大级。开环增益A0很大（）因输入阻抗很高，同相端和反相端对“地”的输入阻抗很大一、直流放大器

反馈电阻Rf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。R的取值应远大于信号源Ui的内阻。2、反相放大器

放大器的理想增益为：

3、差动放大器

0令R1=R2Rf=RP测量放大器又称仪表放大器，它的线性好、共模抑制比高、输入阻抗高和噪声低,是一种高性能的放大器。它由三个运算放大器组成。二、测量放大器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。实际应用中，传感器所处的工作环境往往比较复杂、恶劣，传感器输出信号中含有较大的噪声和共模干扰，这时需采用测量放大器。★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。测量放大器是两级串联放大器，前级由两个同相放大器组成，为对称结构，输入阻抗高和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，适应对地负载的需要。A3=R5/R3★

若两个输入信号为共模信号，因A1、A2相等，U01、U02也是共模相等。经A3差动放大，两共模信号被完全消除，总输出信号U0等于零。★若两个输入信号为差模信号，经A1、A2放大后仍为差模信号。因此，对于差模信号，两级的增益为A。

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组成测量放大器的运放须严格匹配，采用激光调整工艺的集成测量放大器可做到。后级前级A1=U01/Ui1=1+2R1/RWA2=U02/Ui2=1+2R2/RW总增益为：A=(1+2R2/RW)R5/R3常用的单片集成测量放大器有AD521、AD522、INA101、INA118和LH0038等。其中LH0038（美国国家半导体公司产品）是一种精密测量放器，具有低失调（25μV）、低漂移0.25μV/℃）和高共模抑制比(120dB)等优良特性。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为隔直流电容三、交流放大器当KCf>>(C+Cf)时,四、电荷放大器电荷放大器是高增益带电容反馈的运算放大器。

K=Uy/UiC即输出电压与传感器的电荷量成正比

五、隔离放大器

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在有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。其原因是：地回路、静电耦合以及电磁耦合。

★为消除这些干扰和噪声，除了将模拟信号进行低通滤波，虑掉部分高频干扰外，还必须合理处理接地问题，将放大器实行静电和电磁屏蔽并浮置起来。这就是隔离放大器，其输入和输出电路之间没有直接的电路连接，只有磁路或光路的联系。★隔离放大器的应用：高噪声环境中的便携式仪器和某些测试系统；医学测量领域，确保人体不受10μA以上的漏电流和高压危害；防止因故障而使电网电压对低压电路造成损坏。

★隔离放大器由输入放大器、输出放大器、隔离器以及隔离电源等几部分组成。由于采用浮置式（浮置电源、浮置放大器输入端）设计，输入、输出端相互隔离，不存在公共地线的干扰，因此具有极高的共模抑制能力，能对信号进行安全准确的放大，有效防止高压信号对低压测试系统造成的破坏。

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输入级——输出级间的耦合变压器耦合采用载波调制-解调技术，具有较高的线性度和隔离性能，共模抑制比高，技术较成熟，但通常带宽较窄，约数KHz以下(高性能的变压器耦合隔离放大器带宽可达20KHz左右)，且体积大、工艺成本复杂。电容耦合采用数字调制技术(电压-频率变换或电压-脉冲占空比变换)，将输入信号以数字量的形式由差分耦合电容耦合到输出侧，可靠性好，带宽较宽，具有良好的频率特性。光电耦合结构简单、成本低廉、器件重量轻、频带宽，但光耦合器是非线性器件，尤其在信号较大时，将出现较大的非线性误差。第二节电桥★将电阻/电感/电容等的变化转换为电压/电流输出的电路。★特点：连接简单、灵敏度和精度较高，测试中应用广泛。★依据激励电源的不同，有直流电桥和交流电桥★电桥电路的两种工作方式：平衡电桥和不平衡电桥。一、直流电桥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，则有●平衡条件：当电桥输出为零，称电桥平衡。直流电桥被测量变化电桥臂阻值变化输出电压或电流变化★当电桥的四个桥臂是电阻应变片时，有★

四个桥臂的三种基本组合方式：半桥单臂、半桥双臂、全桥二、交流电桥交流电桥是为适应电感、电容式传感器及交流放大器的需要。电桥的四个桥臂分别为阻抗Z1、Z2、Z3、Z4

平衡条件：交流电桥的平衡条件：电感电桥：电容电桥：★对于纯电阻交流电桥，由于导线间存在着分布电容，除了电阻平衡外，也要考虑电容的平衡。变压器式电桥由于是双臂工作形式当衔铁下移时，Z1=Z-∆Z，Z2=Z+∆Z，则有：

同理，当衔铁上移时，则有：可见，输出电压反映了传感器阻抗的变化。为了判别衔铁或电容极板的位移方向，需在后续电路中接相敏检波器来解决。

Z1、Z2为差动自感传感器两个线圈的电感或电容传感器两个差动电容的阻抗，另两臂为电源变压器二次绕组的两半。当负载阻抗无穷大时输出电压为：特点：元件少、精确度高、性能稳定等优点。第三节滤波器

滤波器的基本功能：(1)去除无用信号、噪声、干扰信号以及信号处理过程中引入的信号，如载波。(2)分离不同频率的有用信号。(3)对测量仪器或控制系统的频率特性进行补偿。一、滤波器分类及基本参数

1、滤波器分类★根据构成滤波器的元件类型：分为RC、RL或晶体谐振滤波器★根据构成滤波器的电路性质：分为无源滤波器和有源滤波器★根据滤波器处理的信号性质：分为模拟滤波器和数字滤波器★最常用的分类方法：根据滤波器通频带：分为低通、高通、带通、带阻滤波器。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都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。理想滤波器的物理不可实现性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。fcH(f)2、实际滤波器的基本参数W值越大，衰减越快，滤波器的选择性越好。3、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间的数值关系，可以分为两种。(1)恒带宽比滤波器＝常数(2)恒带宽滤波器＝常数

4、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。阻/低通滤波器与高通滤波器并联为带阻滤波器低通滤波器与高通滤波器串联为带通滤波器二、RC滤波器1、一阶RC低通滤波器时间常数τ=RC传递函数：令s=jω频率响应：幅频特性：相频特性：★当f>>1/(2πRC)时，输出Uy与输入Ux的积分成正比，即2、一阶RC高通滤波器传递函数：令s=jω频率响应：幅频特性：相频特性：★当f<<1/(2πRC)时，RC高通滤波器的输出与输入的微分成正比，起着微分器的作用。RC电路的积分条件：τ>>T积分电路:RC电路的微分条件：τ<<T微分电路3、RC带通滤波器

低通高通下限截至频率——原高通滤波器的截至频率上限截至频率——原低通滤波器的截至频率带通滤波器中心频率f0——三、有源滤波器★由电阻、电容和运算放大器组成的滤波器称为有源滤波器

解：电路如图★目的

1）微弱缓变信号的放大第四节调制与解调微弱缓变信号

2）应用于信号的传输调制交流放大器解调直流信号强交流信号强交流信号弱

采用交流放大器可避免直流放大器的零点漂移和温度漂移而造成测量误差载波调制信号调幅波调频波

根据载波受调制的参数不同，使载波的幅值、频率或相位随调制信号而变化的过程分别称为调幅(AmplitudeModulation)、调频(FrequencyModulation)和调相(PhaseModulation)。

一、调幅及其解调

★调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号（调制信号）相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化。

★假设以频率为f0的余弦信号作为载波信号，它的频谱是一对脉冲谱线，即

★根据傅立叶变换的卷积性质，有1、调幅原理与同步解调可见，调幅过程就相当于频谱平移过程。时域频域★在时域，从信号的相乘运算可以看到用低通滤波器虑掉中心频率为2f0的高频成分，则得到：解调过程

调幅与同步解调过程（波形分析）乘法器放大器x(t)y(t)xm(t)乘法器滤波器y(t)x(t)调幅与同步解调过程（频谱分析）乘法器放大器x(t)y(t)xm(t)乘法器滤波器y(t)x(t)调幅与同步解调过程（数学分析）乘法器放大器x(t)y(t)xm(t)乘法器滤波器y(t)x(t)2、调幅波的解调（1）二极管整流检波调制信号tOx(t)叠加一直流分量A与载波相乘放大/传输二极管检波低通滤波tOx(t)减去直流偏置分量A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180度翻转。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f0较低时，正频端的下边带将与负频端的上边带相重叠。要求:

f0＞fm

c)调幅波通过系统时的波形失真

（2）相敏检波器偏置电压足够大偏置电压不够大二极管环行相敏检波3、交流电桥调幅电路动态电阻应变仪的电路原理图4、分压式