第4章信号的调理与记录-4

车辆测试技术第4章信号的调理与记录第1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益:注意：①输入阻抗低，容易对传感器产生负载效应；②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；③R1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: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。

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VeVR1R3R2R4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)0t载波信号z(t)0t车辆测试技术a)幅值调制(AM)b)频率调制(FM)c)相位调制(PM)←

y(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。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x(t)z(t)xm(t)z(t)x(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)-fzfz-2fz2fz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。车辆测试技术①调幅车辆测试技术②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，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。1.频率调制的基本概念或者载波：载波的瞬时频率：调频信号：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LPFHPF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。fj

(

f

)-fcfc以理想的低通滤波器为例，其特性为-fc|H(

f

)|fcf0二、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。fcH(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。0fA车辆测试技术又称-3dB带宽，单位为Hz。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。0ffc1fc2A00.707A0(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。BQ=f0

/B2d(2)带宽B：上下两截止频率之间的频率范围。B=fc2-fc1f0d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。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。(6)滤波器因数(矩形系数)l车辆测试技术三、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。RCui+uoRCui+uoRC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

RCui+uo车辆测试技术RCui+uo2)一阶RC高通滤波器

车辆测试技术3)RC带通滤波器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?车辆测试技术R1C1C2ui+uoR2+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号中所含的各个频率成分。为使各带通滤波器的带宽覆盖整个分析的频带，它们的中心频率能使相邻的带宽恰好相互衔接，通常的做法是使前一个滤波器的-3dB上截止频率高端等于后一个滤波器