电气测量技术及信号处理：第五章 测试信号调理技术

第五章测试信号调理技术

第一节概述

信号调理的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进行调制解调处理。

第二节信号放大

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1直流放大电路

电压增益:1)反相放大器

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。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。

同相放大器也是最基本的电路，其闭环电压增益Av为: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。

第二节调制与解调1目的

解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。

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VinVoR1R3R2R42.调制及有关术语调制：就是利用缓变信号来控制、调节高频振荡信号的某个参数（幅值、频率或者相位），使其按缓变信号的规律变化。载波信号：高频振荡信号称为载波信号调制信号：上面缓变信号称为调制信号已调波：载波被缓变信号调制后称为已调波解调：从已调频波中恢复出调制信号的过程。2种类调制信号x(t)0t载波信号z(t)0ta)幅度调制(AM)b)频率调制(FM)c)相位调制(PM)3幅度调制

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交流电桥的调幅作用以全等臂电桥单片工作为例，若忽略桥臂电容的影响且初始平衡，说明应变信号的调幅过程和原理。若电桥的供桥电压为：以其作为载波，则电桥的输出电压为：工作片R1承受静态拉应变（+ε）时，电桥的输出电压为：2.工作片R1承受静态拉应变（-ε

）时，电桥的输出电压为：相位相差为180°。（3）当工作片R1承受一正弦变化应变时，

调制的频谱分析：

设调制信号为x(t)，载波信号为Z(t)=cos2πfzt

已调信号为:则：所以调幅使被测x(t)的频谱从f=0，向左、右迁移了±fz，而幅值降低了一半

，为保证频移后的频谱不失真，载波频率fz要大于或等于两倍调制信号的最高频率，通常取数倍至数十倍的。上述的调制方法，是将调制信号x(t)直接与载波信号z(t)相乘．这种调幅波具有极性变化，即在信号过零线时，其幅值发生由正到负（或由负到正）的突然变化，此时调幅波的相位（相对于载波）也相应地发生180。的相位变化．此种调制方法称为抑制调幅．从时域上讲，调制过程即是使载波的某一参量随调制波的变化而变化，而在频域上，调制过程则是一个移频的过程。幅值调制的解调

幅值调制的解调有多种方法，常用的有：同步解调、整流检波和相敏检波解调法。1、同步解调法若把调幅波xm(t)再次与载波z(t)信号相乘，则频域图形将再一次进行“搬移”，即xm(t)与z(t)相乘积的傅里叶变换为：若用一个低通滤波器滤除中心频率为2fz的高频成分，那末将可以复现原信号的频谱（只是其幅值减少了一半，这可用放大处理来补偿），这一过程称为同步解调．“同步”指解调时所乘的信号与调制时的载波信号具有相同的频率和相位．

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（波形分析）幅度调制与解调过程（频谱分析）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)乘法器滤波器z(t)x(t)2、整流检波

若把调制信号z(t)进行偏置，叠加一个直流分量A，使偏置后的信号都具有正电压，此时调幅波表达式为：xm(t)=[A+x(t)]cos2πfzt这种调制方法称为非抑制调幅，或偏置调幅．其调幅波的包络线具有原信号形状对于非抑制调幅，要求其直流偏置必须足够大，否则x(t)的相位将发生180。倒相，如上图（b）所示，此称为过调．此时，如果采用包络法检波，则检出的信号就会产生失真，而不能恢复出原信号．采用相敏检波解调法可解决这一问题。非抑制调幅

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。调幅解调二极管检波低通滤波3、相敏检波解调法相敏检波用来鉴别调制信号的极性。相敏检波器(与滤波器配合)可以将调幅波还原成原应变信号波形,即起解调作用。下图是应变仪中常用的环形相敏检波器。Rfz为负载电阻；Usr是由放大器输出的调幅信号；Uc为参考电压,它与供桥电源同来自一个振荡器,二者频率相同。

当Usr≠0，若Usr与Uc同相,

Rfz中电流方向向上。即拉应变的情况。B2极性为

、,Usr极性为

、D1导通，D2、D3、D4截止,信号电流的流经路线为

当Uc、Usr同时改变极性时,D3导通,电流路线为

当输入信号Usr的相位对于Uc改变180°,即为压应变时,B1极性为、,B2极性为、,由Usr引起的电流路径为:

Rfz上的电流方向是从上到下.

当Uc、Usr同时改变极性时,电流通路为电流方向仍从上向下。可见输入信号反相时,流过负载的电流方向跟着改变,输出电压极性也随之而变。三、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。5.3调制与解调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fz较低时，正频端的下边带将与负频端的下边带相重叠．要求:fz＞fm

图5.15为动态电阻应变仪的方框图。电桥由振荡器供给等幅高频振荡电压（一般频率为10kHz或15kHz），被测量（应变）通过电阻应变片调制电桥输出电桥输出为调幅波，经过放大，最后经相敏检波与低通滤波取出所测信号。图5.15

动态电阻应变仪方框图调频是利用信号电压的幅值控制一个振荡器，振荡器输出的是等幅波，但其振荡频率偏移量和信号电压成正比。信号电压为正值时调频波的频率升高，负值时则降低；信号电压为零时，调频波的频率就等于中心频率。5.3.2频率调制与解调

鉴频：T1T2T3T4F调频波的瞬时频率为：式中：f0

为载波频率；Δf

为频率偏移，与调制信号的幅值成正比。

实现信号的调频和解调的方法甚多，这里主要介绍仪器中最常用的方法是直接调频式测量电路。在测量系统中，常利用电抗元件组成调谐振荡器，以电抗元件（电感或电容）作为传感器参量，以它感受被测量的变化，作为调制信号的输入，振荡器原有的信号振荡信号作为载波。当有调制信号输入时，振荡器输出的即为被调制了的调频波。当电容和电感并联组成振荡器的谐振回路时，电路的谐振频率将为：

若在电路中以电容为调谐参数，对上式进行微分，有：所以，在f0附近有频率偏移：

这种把被测量的变化直接转换为振荡频率的变化称为直接调频式测量电路。其输出也是等幅波

调频波的解调又称鉴频，是将频率变化的等幅调频波，按其频率变化复现调制信号波形的过程。鉴频的方法有很多，下图为变压器耦合的谐振回路鉴频器。图中L1和L2是耦合变压器的原副边线圈，分别与C1、C2组成并联谐振回路。调频波uf经L1、L2耦合，加在L2、C2谐振回路上，在它的两端获得下图所示的频率―电压特性曲线。在L2C2回路的谐振频率处，线圈L1和L2的耦合电流最大，副边输出电压ua也最大。值偏离，则ua值下降。ua虽然与uf的频率一致，但幅值却是随uf的频率变化而改变。通常利用特性曲线的亚谐振区近似直线的一段实现频率―电压变换，使调频波的中心频率处于该近似直线段的中点，从而使调频波的振幅随其频率变化而基本呈线性变化，成为调频-调幅波。经过线性变换后，调频-调幅波再经过幅值检波、低通滤波后实现解调，复现调制信号。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，复杂第四节滤波器

滤波器是一种选频装置，它允许输入信号中的特定频率成分通过,同时抑制或极大地衰减其它频率成分(又称此频带为阻带)。根据滤波器的选频特性，一般将滤波器分为低通、高通、带通和带阻四种.四种滤波器的幅频特性

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．1滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）

低通高通低通滤波器：只允许0～f2的频率成分通过，而大于f2的频率成分衰减为零高通滤波器：与低通滤波器相反，它只允许f1～∞的频率成分通过，而f<f2的频率成分衰减为零带通带阻带通滤波器只允许f1～f2之间的频率成分通过，其他频率成分衰减为零带阻滤波器：与带通滤波器相反，它将f1～f2之间的频率成分衰减为零，其余频率成分几乎不受衰减地通过高通滤波器的幅频特性可以看作为低通滤波器做负反馈而得到，即A2(f)=1-A1(f)；带通滤波器的幅频特性可以看作为带阻滤波器做负反馈而获得；带阻滤波器是低通和高通滤波器的组合。根据构成滤波器的电路性质，滤波器可分为有源滤波器和无源滤波器；根据滤波器所处理的信号性质，可分为模拟滤波器和数字滤波器等等。3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。fcH(f)fQ(f)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。故物理不可实现。fcH(f)单位阶跃响应:

设滤波器的传递函数为H(f)，若给滤波器一单位阶跃输入u(t)

滤波器的输出y(t)为：a)无相角滞后，时移t0=0

b)无相角滞后，时移t0/=0输出响应从零值（a点）到稳定值A0（b点）需要一定的建立时间（tb-ta）。式中fc为低通滤波器的截止频率，也称为滤波器的通频带。由上式可见，滤波器的通频带越宽，即fc越大，则响应的建立时间Te越小，即图越陡峭。如果按理论响应值的0.1～0.9作为计算建立时间的标准，则:建立时间的意义：输入信号突变处必然包含有丰富的高频分量，低通滤波器阻挡住了高频分量。通带越宽，衰减的高频分量便越少，信号便有较多的分量更快通过，因此导致较短的建立时间；反之则长。低通滤波器对阶跃响应的建立时间Te和带宽B（即通频带的宽度）成反比，即:

滤波器的带宽表示着它的频率分辨力，通带越窄则分辨力越高。滤波器的高分辨能力和测量时快速响应的要求是相互矛盾的。当采用滤波器从信号中选取某一频率成分时，就需要有足够的时间。如果建立时间不够，就会产生虚假的结果，而过长的测量时间也是没有必要的。一般采用BTe=5～10。

4实际滤波器

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。

0fA0ffc1fc2A00.707A01)截止频率fc：0.707A0所对应的频率．

d2)纹波幅度d：绕幅频特性均值A0波动值3)带宽B和中心频率f0：下两截频间的频率范围称为带宽。带宽决定滤波器分离信号相邻频率成分的能力，即频率分辨力。

。BQ=W0/B5)倍频程选择性W

指在上截止频率fc2与2fc2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。

倍频程衰减量以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。滤波器的中心频率f0

是指上下两截止频率的几何平均值，即通常用中心频率f0

来表示滤波器通频带在频率域的位置。品质因数Q

带通滤波器中心频率f0与带宽B之比称为滤波器的品质因数，又称Q值，即

Q值越高，滤波器的频率选择性越好。例如中心频率同为1000Hz的两个带通滤波器，品质因数分别为Q1=20，Q2=40，则对应的B1=50Hz，B2=25Hz，由于第二个滤波器的分辨力比第一个滤波器高，所以它比第一个频率选择性好。

⑹滤波器因数（或矩形系数）滤波器因数是滤波器选择性的另一种表示方式，它是利用滤波器幅频特性的-60dB带宽与-3dB带宽的比值来衡量滤波器选择性，记作，即

理想滤波器λ=1，常用滤波器λ=1－5，显然，λ越接近于1，滤波器选择性越好。三、ＲＣ滤波器1、RC低通滤波器6RC无源滤波器

在测试系统中，常用RC滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而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。

1)一阶RC低通滤波器

电路的微分方程

传递函数

(令RC=)

对应的频率特性、幅频特性、相频特性分别为：

低通滤波器的上载止频率

2)一阶RC高通滤波器

数学模型:微分方程:

传递函数：

幅频特性：

相频特性：高通滤波器的下载止频率Fc1=1/(2πRC)

3)RC带通滤波器

可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联

3）RC带通滤波器

传递函数：

下截止频率:

下截止频率:

第五节

信号记录装置

表5-1

给出了常见记录装置的性能一览表记录装置名称自动平衡记录器X-Y记录器笔式记录仪光线示波器磁带记录器阴极射线,示波器照相概

要记录精度较高，记录幅度大，完全直线书写在平面上记录两种物理量关系的记录器使用较广，操作方便使用较广，频率响应好，多线化容易灵活性大，频率响应好，多线化很容易频带宽，操作复杂主要用途各种物理量的长时间记录特性曲线自动记录同时记录变化频率较低的现象同时记录变化频率较高的现象同时记录高低频现象，暂态过程记录瞬态过程记录单元名称伺服机构伺服机构笔式检流计振子磁头荧光屏记录方式墨水记录圆珠笔记录墨水记录.圆珠笔记录墨水、热笔、放电、插削记录直记式.显定影式磁化现象照相或存贮记录装置名称自动平衡记录器X-Y记录器笔式记录仪光线示波器磁带记录器阴极射线,示波器照相主要参数工作频带(最高点)1Hz满幅1s30～100Hz5kHz(最高超过10kHz)40～80kHz(最高400kHz)0～100MHz或微秒级瞬变振幅精度0.25%同左2%2%2～5%取决于定标精度灵敏度1～10mv/满幅10mv/满幅0.5～2.5mm/mA(检流计)1.5*105mm/mA.m------线

数1～31～21～12达60达561～2记录带速度2cm/h～50cm/min---1～25cm/s25cm/min～200cm/s2.38～305cm/s---记录幅宽150～250mm纵横250mm40mm左右100mm左右------输入阻抗不平衡时100kΩ以上同左约4kΩ10～200Ω100kΩ左右---5.5.1

笔式记录仪

笔式记录仪实际上是在指针式电表的基础上，把指针换成记录笔或在指针的尖端装有笔而成。分可动线圈式、可动铁芯式和感应式几种。笔式记录仪结构简单，指示与记录能同时进行。但其灵敏度较低。因此，这种记录仪只适合于长时间慢变化信号，要求指示与记录同时进行的场合。5.5.2光线示波器

光线示波器是一种由光学、机械、磁、电系统综合组成的通用记录仪器。它利用磁电式振动子将输入的电流信号转换成光点的横向移动，然后在等速移动的感光纸上将被测信号记录下来。5.5.3磁带记录器

磁带记录器是利用铁磁性材料的磁化进行记录的仪器,按信号记录方式磁带记录分:数字式（PCM方式）模拟式模拟记录方式:直接记录（DR方式）频率调制（FM方式）磁带记录仪结构简单，便于携带它的记录频带宽（0～2MHz），存储信息密度大，且稳定性好，易于多路记录，并可长期保存，便于复制，磁介质可多次使用，对环境（温度和湿度）不敏感，抗干扰能力强，记录的信号能多次反复重放。重放速度可与记录速度不同，实现对信号的时间压缩和扩展。磁带记录仪十分昂贵，仍得到广泛使用。1．工作原理磁带记录仪主要由如下三部分组成：

1）磁带坚韧的塑料薄带，厚约50μm，宽有6.3mm、12.7mm和25.4mm等几种。磁带传动机构包括电动机、驱动机构和控制机构等。该机构的主要作用是保证磁带按一定的线速度在磁头上平稳运动，以实现信号的记录和重放。

2）磁头磁头是一种磁电换能器，它包括记录磁头、重放磁头和消磁磁头。3)记录放大器和重放放大器记录放大器是将输入信号放大，并将它转换成最适于磁记录的形式供给记录磁头；重放放大器是将重放磁头检测到的信号放大，并将它转换成所需的形式后输出工作过程：磁带记录仪的工作过程实质上就是进行电磁和磁电转换的过程。信号电流经记录放大器放大和变换，输入记录磁头的线圈，线圈产生交变磁通Φ1并使铁芯磁化产生磁场强度H1，由于工作间隙为非导磁材料，磁阻很大，当磁带从磁头的工作间隙下方经过时，由工作间隙溢出的交变磁通便通过磁带上磁阻很低的磁性层，从一磁极到另一磁极构成了封闭的磁回路。当磁带运动速度恒定时，在磁极下工作间隙内磁带表层产生磁感应强度B1。当磁带离开工作间隙后，由于磁滞作用，磁带上留下与信号电流成比例的剩磁感应强度Br1。当录有信号的磁带以相同的线速度从重放磁头下面经过时，由于工作间隙的磁阻很大，而磁头的铁芯是良导磁材料，所以磁带上的信号磁通将通过磁头的铁芯闭合，使铁芯上的检测线圈感应出电动势e，其大小与剩磁通的变化率成正比，即

式中，N为重放磁头线圈匝数。2．DR方式（直接记录方式）

DR方式是将输入信号放大后，不进行波形变换，直接将信号记录在磁带上。DR方式的优点是:结构简单、工作频带宽（50Hz－1MHz）,常用于记录声音和高频信号。缺点:当磁带和磁头接触不良时（如磁带上铁磁体粒子不均匀、附着尘埃、损伤等），会使输入信号显著变小（这一现象称"信号迭落"大）。其次是低频响应性能差，不宜记录50Hz以下的信号。它的信噪比一般低于40dB。

为解决非线性失真问题，通常在输入信号上，叠加一个振幅恒定的高频信号，称为偏磁信号，使被记录信号的变化范围（即高频偏磁信号的包络线）始终保持在剩磁曲线的线性区内，