工程測試技術第四章、模擬信號處理本章學習要求：掌握模擬信號放大原理掌握電橋原理及基本特性掌握信號調制及解調原理掌握理想濾波器模型了解實際濾波器基本參數本章內容概述信號調理的目的和內容信號放大原理電橋原理和基本特性調制原理幅度調制及解調原理頻率調制原理濾波器原理信號處理電路信號輸出傳感器信號模擬信號處理結構示意圖4.1概述從結構上來講，具體的模擬信號處理過程實際上是一個系統，傳感器信號是系統的輸入，處理后的信號是系統的輸出，處理的內容和復雜程度不同，系統的規模和結構也將不同。信號處理技術決定著檢測設備的總體性能。x(t)h(t)y(t)信號分析不改變信號本身的狀態和特征，在信號的傳輸歷程中，它是并聯于該歷程上的運算，由旁路輸出運算結果信號處理結果輸出信號輸入信號分析結果輸出信號輸入信號處理與信號分析的本質區別信號處理會改變信號本身的狀態和特征，是串聯于信號傳輸歷程上的運算，運算后的輸出改變信號的狀態信號處理的目的 將由探頭輸出的檢測信號不失真地進行放大、濾波等處理，提高檢測信號的信噪比和抗干擾能力，進一步進行信號的識別、分析、診斷、顯示、存貯、打印、記錄等，以顯示出最明顯的信號特征或檢測結果。典型模擬信號處理(最大)系統框圖包括增益調整、零點調節、溫漂補償以及電平偏置、電壓電流轉換、電壓頻率轉換等測量信號可視化的重要組成部分，可采用電流電壓表頭、發光二極管等組件、多位數字表頭、監視器等記錄儀器有磁帶機、筆式記錄儀、數字式記錄儀等主要依靠信號幅值以及能量、功率、有效值、峰峰值、過零點、極點等特征，通過模擬電路運算并設置對應的閾值來提取檢測量值當檢測信號信噪比較高時，模擬信號識別是簡單可行的；當檢測信號背景噪聲大或信號特征復雜時，則效果劇減且電路復雜。定性(半定量)檢測時模擬信號處理方法以其低成本和簡單結構有明顯優勢；當檢測要求較高或欲實現定量檢測時，該方法則無法勝任。捕捉到缺陷信號，以脈沖形成驅動實現聲或光報警，或進行其它轉換后控制相應機構。缺陷檢出后，欲在被測構件上標上記號，則由驅動器驅動打標器動作信號調理的的目的是便于信號的傳輸與處理。

信號調理的目的

1.傳感器輸出的電信號很微弱，大多數不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需要進一步放大，有的還要進行阻抗變換。

2.有些傳感器輸出的是電信號中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。3.某些場合，為便于信號的遠距離傳輸，需要對傳感器測量信號進行調制解調處理。

4.2信號放大信號放大目的幅度增加(1)抗干擾;(2)阻抗匹配2分類放大器直流放大器交流放大器電荷放大器幅度增大；低頻保留，高頻截止(工作點會產生溫漂，穩定性是設計重點)幅度增大；高頻保留，低頻截止（工作點保持在0V不變，溫漂影響小，電路穩定性好，結構簡單）

電荷增大（特殊的放大器，設計中輸出電壓隨傳感器電荷變化而變化）△ZU

1目的:將傳感器輸出的微弱電信號進行增強，以達到后續處理要求電橋直流放大電路

1)反相放大器

反饋電阻RF值不能太大，否則會產生較大的噪聲及漂移，一般為幾十千歐至幾百千歐。R1的取值應遠大于信號源Ui的內阻。反相放大器是最基本的電路，其閉環電壓增益Av為:2）同相放大器

同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點，廣泛用于前置放大級。

同相放大器也是最基本的電路，其閉環電壓增益Av為:直流放大電路

交流放大電路若只需要放大交流信號，可采用圖示的集成運放交流電壓同相放大器。其中電容C1、C2及C3為隔直電容。

R1一般取幾十千歐。耦合電容C1、C3可根據交流放大器的下限頻率fL來確定。

電荷放大器某些傳感器如壓電式加速傳感器、壓力傳感器等屬于電容性傳感器，阻抗非常高，工作時將產生正比于被測物理量的電荷量，具有較好的線性度。積分運算電路可以將電荷量轉換成很微弱的輸出電壓量，電容性傳感器可等效為因存儲電荷而產生的電動勢與一個輸出電容串聯。放大器特性比較放大器類型特點傳感器典型應用直流放大器對信號電壓的大小放大，工作點會隨溫度等的變化而波動，信號在零點上方或下方波動，電路的穩定性成為設計的重點電阻應變計、電阻式傳感器、鉑熱電阻測溫傳感器等交流放大器對信號電壓大小的變化放大，工作點保持在0V不變、信號在0V上下波動變化，溫漂影響較小，電路的穩定性好、結構簡單差動變壓器、電容式、電感式傳感器等。電荷放大器一種特殊的放大器，輸出電壓隨傳感器電荷的變化而變化,對電荷信號直接放大壓電式傳感器。放大是測試系統的基本環節，放大器的放大倍數是關鍵的參數!4.3電橋電橋是測試中常用的信號處理方法，是將電阻、電感、電容及阻抗參量的變化轉換為電壓或電流輸出的一種測量電路，由于電路簡單，并具有較高的精確度和靈敏度，被廣泛使用。電橋分類:(按照其激勵電源)直流電橋交流電橋對于電阻式傳感器，既可采用直流電橋形式，也可采用交流電橋形式。對于電感式、電容式傳感器或阻抗式傳感器（如電渦流式傳感器），則應配用交流電橋，與傳感器配接的電橋主要采用不平衡電橋。1）直流電橋dV平衡條件2）交流電橋~平衡條件電橋的變換原理電壓源供電電橋電路電流源供電電橋電路電壓源供電，橋路電流輸出電壓（電壓源供電條件下的橋臂值與輸出電壓的關系式）電橋的基本特性單臂電橋，一個橋臂阻值發生變化，其余三個臂的阻值均恒定，對應接入一個傳感器的變換器情況。差動半橋，兩個橋臂阻值發生差動變化，其余兩個恒定，對應于接入一個差動式傳感器的兩個差動變換器情況。差動全橋，四個橋臂阻值均發生差動變化，對應于接入一個傳感器的四個差動變換器作為電橋的四個橋梁情況。1、輸入輸出特性假設1：采用等臂電橋假設2：橋臂阻值改變量的絕對值相同單臂電橋差動半橋差動全橋單臂電橋2差動半橋差動全橋電壓源供電時的輸入-輸出（ΔZ-U）特性單臂電橋差動半橋差動全橋在輸入量?Z相同的情況下：

差動半橋的輸出U近似為單臂電橋的兩倍；

差動全橋的輸出是差動半橋的兩倍，近似為單臂電橋的四倍。2、靈敏度單臂電橋差動半橋差動全橋電壓源供電單臂電橋的靈敏度是輸入?Z的函數，即在全量程范圍內不為常量，?Z–U特性不是一條直線，具有非線性。差動半橋與差動全橋的靈敏度與輸入量?Z無關，它是不隨輸入量?Z變化的常量，?Z–U特性是一條理想直線差動半橋的靈敏度是單臂電橋的兩倍。差動全橋的靈敏度是差動半橋的兩倍，近似為單臂電橋的四倍。3、電橋對同符號干擾量的補償特性假設1：各差動變換器的改變量符號相同假設2：各差動變換器的改變量的數值相同單臂電橋差動半橋差動全橋橋臂阻值的改變量是有用信號與溫度干擾信號共同作用的結果：單臂電橋差動半橋差動全橋電壓源供電、有同符號溫度干擾量時的輸入-輸出(ΔZ-U)特性 差動電橋（半橋及全橋）對同符號的溫度干擾量?ZT具有抵償作用：分子中沒有干擾量?ZT，清除了干擾量?ZT對被測作用量?Z的影響；在分母中存在有干擾量?ZT

，但它以比值?ZT/Z0形式出現，對輸出的影響小，因此溫度誤差大大減小。恒流源供電差動全橋，在輸入-輸出特性中沒有干擾量?ZT

，理論上無溫度誤差！電橋原理及特性小結與單臂電橋相比，差動電橋的特性獲得很大改善，如靈敏度提高，非線性誤差減小，對同符號干擾量有抵償作用等。差動式傳感器與差動電橋相配合，能使測量系統獲得更為優良的特性。直流電橋與交流電橋的分析有較大的區別：前者用直流電路分析方法；后者用交流電路分析方法，電路中的頻率、相位均會產生影響。4.4調制1調制(1)為什么要調制?(a)傳感器輸出的直流信號放大問題;(b)模擬信號處理器要求;(c)信號傳輸要求.

解決微弱緩變信號的放大以及信號的傳輸問題！電纜電阻值：0.033歐姆/米；電容值：30pF/米工作頻帶窄、傳輸速率低、保密性能差光纜工作頻帶寬、傳輸速率高、保密性能好費用高無線工作頻帶受限、傳輸距離大、保密性能差費用高傳輸干擾1.先將微弱的緩變信號加載到高頻交流信號中2.然后利用交流放大器進行放大3.最后再從放大器的輸出信號中取出放大了的緩變信號。調制解調過程調制種類調制信號x(t)載波信號a)幅度凋制(AM)b)頻率調制(FM)c)相位調制(PM)使載波的振幅與信號振幅成比例地變化的方法，稱為調幅。使載波的頻率與信號振幅成比例地變化的方法，稱為調頻。使載波的相位與信號振幅成比例地變化的方法，稱為調相。幅度調制調幅是將一個高頻正弦信號（或稱載波）與測試信號相乘，使載波信號幅值隨測試信號的變化而變化．載波調幅波信號由卷積定理，在時域中兩個信號相乘，則對應在頻域中這兩個信號進行卷積。調幅過程，相當于頻率“搬移”過程！解調將原信號從接收到的調制波中抽取出來稱為解調(demodulatlon)。只解調調幅波時，特稱為檢波(detection)。將解調電路稱為解調器(demodulator)，有時也稱檢波器(detector)。同步解調若用一個低通濾波器濾除中心頻率為2fz

的高頻成分，就可以復現原信號的頻譜（幅值減半，可用放大處理補償），這一過程稱為同步解調。“同步”指解調時所乘的信號與調制時的載波信號具有相同的頻率和相位。把調幅波再次與載波信號相乘，則頻域圖形將再一次進行“搬移”。幅度調制與解調過程（波形與頻譜分析）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)乘法器濾波器z(t)x(t)幅度調制與解調過程（數學描述）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)乘法器濾波器z(t)x(t)實驗：同步調制與解調實驗抑制調幅將調制信號x(t)直接與載波信號z(t)相乘，這種調幅波具有極性變化。即：在信號過零線時幅值發生由正到負(或由負到正）的突然變化，調幅波的相位(相對于載波)也相應地發生180度的相位變化，此種調制方法稱為抑制調幅。抑制調幅波須采用同步解調（也叫相敏解調，相敏檢波），方能反映出原信號的幅值和極性。非抑制調幅對信號x(t)進行偏置，疊加直流分量A，使偏置后信號都具有正電壓，這種調制方法稱為非抑制調幅，或偏置調幅，其調幅波包絡線具有原信號形狀。稱為調幅指數非抑制調幅波一般采用整流、濾波（或稱包絡法）檢波就可以恢復原信號！1)過調失真正常調制m>1時，當x(t)取最大負值時，可能使A[1+mx(t)]<0，意味著x(t)的相位將發生180°的倒相，稱為過調。調幅誤差分析過調發生過調時，如采用包絡法檢波，則檢出信號會產生失真，不能恢復出原信號！調幅波是由一對每邊為fm的雙邊帶信號組成．當載波頻率fz較低時，正頻端的下邊帶將與負頻端的上邊帶相重疊,類似于采樣頻率較低時所發生的頻率混疊現象。2)重疊失真要求載波頻率fZ

必須大于調制信號x(t)的最高頻率(fz>fm)。實際應用中往往選擇載波頻率至少數倍甚至數十倍于信號中的最高頻率。調幅誤差分析3)調幅波通過系統時的波形失真(a)為理想情況下,調幅波不變;(b)則為邊帶被衰減，使調幅深度變淺；(c)則為邊帶波被放大，使調幅波深度變深．系統的帶通特性所引起的調幅波發生波形變化。調幅誤差分析典型調幅波的波形及頻譜(a)直流調制(b)余弦調制(c)余弦偏置調制(d)矩形脈沖調制(e)周期矩形脈沖調制(f)任意頻限信號調制a)直流調制典型調幅波的波形及頻譜b)余弦調制典型調幅波的波形及頻譜(c)余弦偏置調制典型調幅波的波形及頻譜(d)矩形脈沖調制典型調幅波的波形及