第五章、测试信号调理技术 工程测试技术基础 本章学习要求： 1.了解模拟信号放大电路原理 2.了解信号调制解调原理

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1 第五章、测试信号调理技术 工程测试技术基础 本章学习要求： 1.了解模拟信号放大电路原理 2.了解信号调制解调原理
1.了解模拟信号放大电路原理　　 2.了解信号调制解调原理　 3.了解信号滤波器工作原理

2 5.1 信号调理的目的 第五章、测试信号调理技术 信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。
5.1 信号调理的目的　 信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。 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。 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 5.2 信号放大 分类 第五章、测试信号调理技术 特点 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 放大器 直流电桥
交流电桥 电荷放大器

4 1 直流放大电路 5.2 信号放大电路 1) 反相放大器 电压增益:
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

5 5.2 信号放大电路 2)同相放大器 同相放大器也是最基本的电路 ，其闭环电压增益Av为: 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。

6 2 交流放大电路 5.2 信号放大电路 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。
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。

7 5.2 信号放大电路 3 直流电桥 ●平衡条件 V E R1 R3 R2 R4

8 5.2 信号放大电路 令：

9 5.2 信号放大电路 传感器 传感器 4 交流电桥 ●平衡条件 电感 电容

10 5.2 信号放大电路 电桥的接法： 单臂 半桥 全桥

11 5.2 信号放大电路 5 电荷放大器 F +

12 第五章、测试信号调理技术 5.3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。

13 Vo 第五章、测试信号调理技术 例：交流电桥
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 Vin Vo R1 R3 R2 R4

14 5.3调制与解调 2 种类 调制信号 x(t) t 载波信号 z(t) t

15 5.3调制与解调 a) 幅度凋制(AM) b) 频率调制(FM) c) 相位调制(PM)

16 3 幅度调制 5.3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
高频信号 放大 放大高 频信号 解调 放大缓变信号

17 5.3调制与解调 幅度调制与解调过程（波形分析） x(t) z(t) 乘法器 x m(t) 放大器 z(t) 乘法器 滤波器 x(t)

18 5.3调制与解调 幅度调制与解调过程（频谱分析） x(t) z(t) 乘法器 x m(t) 放大器 z(t) 乘法器 滤波器 x(t)

19 5.3调制与解调 幅度调制与解调过程（数学分析） 乘法器 放大器 x(t) z(t) x m(t) 滤波器

20 5.3调制与解调 实验：同步调治与解调实验 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．

21 5.3调制与解调 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。

22 5.3调制与解调 调幅

23 5.3调制与解调 解调 二极管检波 低通滤波

24 5.3调制与解调 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。

25 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

26 5.3调制与解调 动手做： 用个人测试实验室中数字信号发生器、波形运算器等软件芯片，设计一个非抑制调幅与解调系统。

27 5.3调制与解调 4 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.

28 5.3调制与解调

29 5.3调制与解调 鉴频： T2 T4 T1 T3 F

30 优点：抗干扰能力强。 缺点：占频带宽度大，复杂 5.3调制与解调
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 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，因为频率调制足一种非线性调制。

31 5.3调制与解调 案例：旋转机械扭距测量

32 5.3调制与解调 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

33 第五章、测试信号调理技术 5.3 信号的滤波　 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．

34 第五章、测试信号调理技术 1 滤波器分类（根据滤波器的选频作用分） 低通 高通

35 第五章、测试信号调理技术 带通 带阻

36 5.3 信号的滤波　 2 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。

37 3 理想滤波器 5.3 信号的滤波 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。 fc f
5.3 信号的滤波　 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。 fc H(f) f Q(f)

38 5.3 信号的滤波　 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。 fc H(f) 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。

39 5.3 信号的滤波　 4 实际滤波器 　 A f 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。

40 3)带宽B和品质因数Q：下两截频间的频率范围称为带宽。中心频率和带宽之比称为品质因数 。
5.3 信号的滤波　 d fc1 fc2 A0 0.707A0 Q=W0 / B B f 1)截止频率fc：0.707A0所对应的频率． 2)纹波幅度d：绕幅频特性均值A0波动值 3)带宽B和品质因数Q：下两截频间的频率范围称为带宽。中心频率和带宽之比称为品质因数 。

41 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。
5.3 信号的滤波　 4)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。

42 5 恒带宽、恒带宽比滤波器 5.3 信号的滤波 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问的数值关系，可以分为两种。
5.3 信号的滤波　 5 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问的数值关系，可以分为两种。 1) 恒带宽带通滤波器 2) 恒带宽比带通滤波器

43 5.3 信号的滤波　 1/3倍频程滤波器

44 5.3 信号的滤波　 6 RC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

45 5.3 信号的滤波　

46 5.3 信号的滤波　 2) 一阶RC高通滤波器

47 5.3 信号的滤波　 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

48 5.3 信号的滤波　 产品 LineDa: LTC1564 MAXIM: MAX74xx

49 5.3 信号的滤波　                                                                      

50 2.2 信号的时域波形分析 6 滤波器的应用 超门限报警 案例：旅游索道钢缆检测

51 5.3 信号的滤波　 由案例提炼的典型实验：钢管无损探伤 滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警

52 5.3 信号的滤波　 案例：机床轴心轨迹的滤波处理                       

53 滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律
5.3 信号的滤波　 案例：机床轴心轨迹的滤波处理                        滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律

54 5.3 信号的滤波　 动手做： 调节计算机mp3播放器等软件中的声音均衡器，试验其对音乐信号的滤波情况。

55 思考题： 5.3 信号的滤波 1 信号调理的内容和目的 ？ 2 信号放大电路的种类，如何根据传感器输出 特性选择合适的放大电路 ？
5.3 信号的滤波　 思考题： 1 信号调理的内容和目的 ？ 2 信号放大电路的种类，如何根据传感器输出 特性选择合适的放大电路 ？ 3 信号调制与解调的种类 ？ 4 幅度调制与解调的原理 ？ 5 调幅波的失真，如何消除 ？ 6 信号滤波器的种类 ？ 7 如何根据测试信号中有用成分和干扰成分的 频谱来选择滤波器种类和设定其参数 ？