第5章信号的变换与处理.ppt

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1、本章总课时 理论6课时、实验0课时，共计6课时。本章主要内容 本本章主要内容包括信号的放大、电桥、滤波器、调制与解调。本章基本要求 熟练掌握信号放大、电桥、滤波器、信号的调制与解调的基本原理，熟练掌握相应的实现方法与实际电路，掌握不同处理方法的基本应用。本章重点及难点 重点为各部分的实现方法与实际电路，难点为各部分的基本原理与理论分析。,传感器输出的电信号，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，其主要原因是大多数传感器输出的电信号很微弱，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。某些传感器输出的电参量，要转移为电能量信号。输出信号中可能混杂有干扰噪声，需要去除噪声，提高信噪比。如果测试工作

2、仅对部分频段的信号敏感，则应从输出信号中分离出所需的频率成分。当采用数字仪器仪表时，模拟信号还应转换为数字信号。因而，传感器的输出信号要经过适当的调理，使之与后续测试环节相适应。常用的信号调理环节有：放大器、电桥、滤波器、调制解调器、模数转换器等。一般将这部分电路与传感器基本转换电路统称为传感器的测量电路或信号调理电路。,1 信号的放大,在测试系统中，传感器或测试装置的输出大部分都是较弱的模拟信号，一般为mV级甚至V级，不能直接用于显示、记录或A/D转换，必须进行放大。对于直流或缓变信号，由于直流放大器的漂移较大，对于较微弱的直流信号往往需要调制成交流信号，然后用交流放大器放大，再解调成为直流

3、信号。目前由于集成运算放大器性能的改善，已经可以组成性能良好的直流放大器。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。,一.测量放大器,由运算放大器组成的上述三种放大器，一般仅适用于信号回路不受干扰或信噪比较大的场合。实际上，传感器所处的工作环境往往是较复杂和恶劣的，传感器的输出信号中含有较大的噪声和共模干扰。所谓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。在这种情况下，可采用测量放大器对信号进行放大。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

4、抗高和噪声低，是一种高性能的放大器。,测量放大器由三个运算放大器组成，其基本电路如图5.1.1所示。它是一种两级串联放大器，前级由两个同相放大器组成，为对称结构，输入信号可以直接加到输入端，从而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。,图5.1.1 测量放大器原理图,电路中的A1和A2选择高输入阻抗运算放大器，而R1=R2，R3=R4，R5=R6都是对称选择的。由于A1和A2都是同相放大器接法，因此两个放大器的增益 A1=Uo1/Ui1=1+2R1/Rw，A2=Uo2/Ui2=1+2R2/Rw(5.1.1)当两个输入信号是共模信号时，由于同

5、相放大器A1和A2的增益相等，输出电压Uol和Uo2也是共模相等的。经A3差动放大，这两个共模信号可被完全消除，总输出信号Uo为零。可见，这种电路的输出几乎不受输入共模干扰的影响。当两个输入信号是差模信号时，经A1和A2同相放大后仍是差模的，再经A3差动放大后输出。差动放大器A3的增益 A3=R5/R3(5.1.2)因此对差模输入信号，两级放大器的增益是 A=(1+2R1/Rw)R5/R3(5.1.3),以上分析表明，为了实现电路的高性能，必须对电路中的运算放大器和电阻进行严格的挑选和配对。这在常规工艺的条件下是困难的，可采用集成测量放大器，集成测量放大器在制造时采用激光调整工艺使对称部分完全

6、匹配。通常Rw为外接电阻，调节Rw可改变电路的增益。常用的单片集成测量放大器有AD521、AD522、INAl01、INAll8和LH0038等。其中的LH0038(美国国家半导体公司产品)是一种精密测量放大器，具有低失调(25V)、低漂移(0.25V/C)和高共模抑制比(120dB)等优良特性。,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，而这些干扰和噪声大都来自地回路、静电耦合以及电磁耦合。为了消除这些干扰和噪声，除了将模拟信号先经过低通滤波器滤掉部分高频干扰外，还必须合理地处理接地问题，将放大器实行静电和电磁屏蔽并浮置起来。这样的放大器称为隔离放大器。其输入和输

7、出电路之间没有直接的电路联系，只有磁路或光路的联系。隔离放大器主要用于处在高噪声环境中的便携式仪器和某些测控系统中；应用于医学测量，确保人体不受超过10A以上的漏电流和高电压的危害；用于防止因故障而使电网电压对低压电路造成损坏。,二.隔离放大器,隔离放大器电路的原理框图如图5.1.2所示。输入部分包含输人放大器和调制器，输出部分包含解调器和输出放大器，中间部分的信号耦合器件是变压器或光电器件，电源也是隔离浮置的。图5.1.2(a)为变压器耦合隔离放大器电路框图，图5.1.2(b)是光耦合隔离放大器电路框图。,图5.1.2 隔离放大器电路原理框图,(a)变压器耦合(b)光电耦合,大多数传感器输出

8、的电信号很微弱，需要进一步放大，放大器一般都是传感器测量电路中的主要部分。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。本节主要介绍了测量放大器与隔离放大器。测量放大器的输出几乎不受输入共模干扰的影响，为了实现电路的高性能，必须对电路中的运算放大器和电阻进行严格的挑选和配对。隔离放大器能合理地处理接地问题，并将放大器实行静电和电磁屏蔽并浮置起来。变压器耦合与光电耦合隔离放大器各有不同的优缺点，应当根据实际应用情况进行合理的选择。,本节小结,2 电 桥,电桥是将电阻、电感、电容等电参量的变化，转变为电压或电流输出的一种变换电路。其输出视信号的大小，可用仪表直接测量显示，也可输入到放大器

9、进行放大。电桥电路连接简单、灵敏度和精确度较高，在测试装置中得到了广泛的应用。电桥根据激励电源的不同分为直流电桥和交流电桥。电桥电路有两种基本的工作方式，即平衡电桥与不平衡电桥。在检测技术中主要应用不平衡电桥。,一.直流电桥,直流电桥的优点是高稳定度直流电源易于获取，电桥调节平衡电路简单，传感器及测量电路分布参数影响较小，在测量中常使用直流电桥。如图5.2.1所示即为恒压源桥式转换电路。其中R1、R2、R3、R4称为桥臂电阻，其输出可以为电流也可以为电压。,图5.2.1 直流电桥电路原理图,(a)电流输出形式,(b)电压输出形式,1.直流电桥的电流输出平衡电桥,当电桥的电流输出较大，输出端又接

10、入电阻值较小的负载（如检流计、光线示波器等）进行测量时，电桥以电流形式输出，如图5.2.1所示，RL为负载电阻。由图知流过负载电阻的电流为,(5.2.1),2.直流电桥的电压输出不平衡电桥,通常直流电桥的输出较小(如应变电阻变化一般很微小)，因而电桥输出 一般要接放大器方可推动指示仪表，而放大器的输入阻抗较电桥的内阻要高得多，所以可以认为电桥的负载电阻为无限大，可将电桥输出看作开路，这时电桥以电压的形式输出。输出电压U0即为电桥输出端的开路电压UAB，其表达式为,(5.2.2),所谓电桥平衡即是指输出电流IL=0或U0=0，则平衡条件为 R1R4=R2R3 或 R1/R2=R3/R4(5.2.

11、3),3.初始平衡条件,4.电桥测量方法,以下以应变片的应用为例来讲述。(1)静态测量 一般利用平衡电桥进行测量，可用两种方式。A.偏转法 将应变片接入电桥一臂，则应变片阻值的变化可用检流计转换为电流IL的大小表示。B.零读法 将应变片接入电桥一臂，用改变相邻桥臂阻值的方法，使IL恢复至0，即可用相邻桥臂阻值的变化来确定应变片阻值的变化。应变片电阻变化量为R，调节R2使电桥重新平衡，由式(5.2.3)可得,(5.2.4),即可用R2的值来确定R1。零读法需要使电桥作两次平衡。一般将R3、R4称为比例臂，改变其值即可改变R1的测量范围。R2称为调节臂，以其来刻划被测应变。,(2)动态测量,如果应

12、变为动态变量，则只可利用不平衡电桥进行测量，即不可使用零读法而使用偏转法。将应变片接入电桥一臂，应变片电阻变化量为R，则电桥不平衡电压输出为,(5.2.5),n=R2/R10为桥臂比，电桥灵敏度为,(5.2.6),5.差动电桥,(1)差动全桥 四臂全桥如图5.2.2所示，设初始时，R1=R2=R3=R4=R，四臂均接入相同应变片，R1与R4、R2与R3分别受拉应力、压应力，且安装于同一试件上，则R1=R2=R3=R4=R，由式(5.2.2)即可得,图5.2.2 差动电桥电路原理图,(5.2.7),(2)差动半桥,(5.2.8),(5.2.9),差动半桥即是只在电桥中的相邻两臂中接入应变片，R1

13、与R2分别受拉应力与压应力，且安装于同一试件上，则R1=R2=R，R3=R4=0，由式(5.2.7)即可得,(3)单臂电桥,单臂电桥即是只在电桥中的一个桥臂中接入应变片，R1受拉应力或压应力，则R1=R，R2=R3=R4=0，由式(5.2.7)即可得,二.交流电桥,1.交流电桥的电压输出在进行动态测量时往往使用交流电桥。由于采用了交流供电，受引线分布参数、平衡调节、后续放大电路等诸多方面的影响，电桥的平衡条件与直流电桥有较大的区别。如图5.2.3所示即为交流电桥的一般形式。其中Z1、Z2、Z3、Z4称为桥臂复阻抗，U为交流电压电源，U0为开路输出电压。其电压输出为,(5.2.10),(a)一般

14、形式(b)分解一般形式 图5.2.3 交流电桥电路原理图,2.交流电桥的平衡条件,由式(5.2.11)知，交流电桥平衡条件为 Z1Z4=Z2Z3 或 Z1/Z2=Z3/Z4(5.2.12)设各桥臂阻抗为,其中ri与xi分别为相应各桥臂的电阻与电抗，而|Zi|与i分别为相应各桥臂复阻抗的模与幅角。由此，交流电桥平衡条件(5.2.12)又可改写为如下两个条件|Z1|Z4|=|Z2|Z3|且 1+4=2+3(5.2.14),(5.2.13),3 测试系统的动态特性简介,动态特性 当输入量随时间变化时，测试系统所表现出的响应特性称为测试系统的动态特性。动态特性分析 测试系统的动态特性好坏主要取决于测试

15、系统本身的结构，而且与输入信号有关。所以描述测试系统的特性实质上就是建立输入信号、输出信号和测试装置结构参数三者之间的关系。即把测试系统这个物理系统抽象成数学模型，而不管其输入输出量的物理特性(即不管是机械量、电量或热学量等)，分析输入信号与响应信号之间的关系。,4 实现不失真测试的条件,一.概念 所谓测试系统实现不失真测试，就是被测信号通过测试系统后，其波形形状不发生改变。图3.4.1中，x(t)为系统的输入信号，经过测试系统后，输出y(t)与输入相比，幅度放大了A0倍(理论上也可以缩小，测试系统对信号一般应具有放大作用)，在时间上滞后输入t0的时间(理论上可以超前，实际测试系统的输出总是滞

16、后于输入)，表明系统实现了不失真测试。用数学表达式描述为 y(t)=A0 x(t-t0)(3.4.1),图3.4.1 测试系统不失真输出信号波形,二.测试系统不失真测试的条件,时域内系统实现不失真测试则有,y(t)=A0 x(t-t0)(3.4.1),初始条件为零时，频域内系统实现不失真测试则有,Y()=A0X(),(3.4.2),频率响应函数为 H()=Y()/X()=A()ej()=A0,(3.4.3),幅频特性和相频特性为(试画出其相应频谱图)A()=A0，()=-t0(3.4.4),式(3.4.4)称为测试系统不失真测试的条件。因此，不失真测试对测试系统的要求如下：(1)装置的幅频特性

17、即灵敏度在量程范围内要求为常值，即A0=常数。任何非线性度、回程误差、漂移的存在，都会引起测试波形的失真。有时需要进行误差补偿。(2)系统的频率特性要满足式(3.4.4)，即幅频特性保持常值，相频特性为输入信号频率的线性函数。也就是说信号的不失真测试有一定的频率范围。(3)当对测试系统有实时要求(即t0=0)时，式(3.4.4)变为 A()=A0，()=0(3.4.5),三.测试系统不失真测试的频率范围,1.一般性问题 实际测试系统不可能在非常宽的频率范围内都满足不失真条件。对于只具有单一频率成分的信号，因为定常线性系统具有频率保持特性，所以只要其幅值不进入非线性区，输出信号的频率也是单一的，

18、也就不会有失真问题。对于含有多种频率成分的复杂信号，落在不失真频率范围内的频率成分可以不失真通过系统，而其他频率成分就会产生幅值失真或相位失真，特别是跨越系统固有频率n前后的信号失真更为严重，造成合成后的总输出产生失真。,另一方面，实际测试系统也难以完全理想地实现不失真测试，并且不一定同时满足幅值不失真和相位不失真。所以，只能力求选取合适的装置，将失真限制在一定的误差范围内。同时，在测试之前，应对信号做必要的预处理，如噪声滤波、限幅等。在实际测试工作中，根据幅值失真或相位失真对我们的测试目的影响与否，确定我们更关心哪个方面的测试精确度，从而选取合适的测试设备。,2.一阶测试系统 对一阶测试系统

19、，时间常数越小，系统响应越快，近于满足不失真条件的频率范围越宽。其实际不失真测试的频率范围为(0,max)，且max 1/。,3.二阶测试系统 对二阶测试系统而言，一般选取=0.60.8，可以获得较为合适的综合特性。实验表明，当=0.7，在00.58n频率范围内，系统的幅频特性A()近似常数(变化不超过5%)，相频特性()接近直线，产生的相位失真也很小，基本满足不失真条件。,本节小结 测试系统实现不失真测试的条件就是幅频特性保持常值，相频特性为输入信号频率的线性函数。信号的不失真测试有一定的频率范围。实际测试系统不可能在非常宽的频率范围内都满足不失真条件，只能力求选取合适的装置，将失真限制在一

20、定的误差范围内。,本章主要介绍了测试装置与线性系统，测试系统的静态特性，测试系统的动态特性，实现不失真的条件。通过本章的学习，要求熟练掌握测试装置的基本要求与线性系统的主要性质，熟练掌握测试系统的静态特性的分析方法及其相关特性指标，熟练掌握测试系统动态特性的描述与分析方法，掌握测试系统动态特性的测定以及不失真测试的条件。本章重点为测试系统的静态特性与动态特性，其中静态特性及动态特性的描述与分析方法为主要内容。难点为测试系统的动态特性。,第三章小结,研究测试装置的特性，主要是分析和处理系统的输入量x(t)、输出量y(t)以及装置本身的传输特性h(t)三者之间的关系。以输出与输入成线性关系为最佳关

21、系，其输入与输出之间的对应关系x(t)y(t)可以用线性常微分方程来描述。判断一个系统是否是线性系统，只要判断该系统是否满足叠加性和比例性。理想状态下定常线性系统输入输出关系为单调的线性比例关系。为评定测试装置的静态特性，常采用静态测量的方法，求取系统的输入输出关系曲线即标定曲线。由标定曲线的特征指标，就可以描述测量系统的静态特性。线性度、灵敏度及回程误差是描述测量系统的3个主要静态特性。,描述测试系统的特性实质上就是建立输入信号、输出信号和测试装置结构参数三者之间的关系。任何高阶系统都可看作是由若干个一阶系统和二阶系统的串联或者并联，所以分析和掌握一阶系统和二阶系统的特性是十分重要的。对于一

22、阶系统时间常数就是系统的动态常数，可以通过其幅频或相频特性表达式，借助实验所得的特性曲线直接确定值。而二阶系统的频率特性受n和两个参数的共同影响，可通过幅频曲线估计其动态参数。可以用频率响应法与阶跃响应法来求取测试装置的动态特性。测试系统实现不失真测试的条件就是幅频特性保持常值，相频特性为输入信号频率的线性函数。信号的不失真测试有一定的频率范围。实际测试系统不可能在非常宽的频率范围内都满足不失真条件，只能力求选取合适的装置，将失真限制在一定的误差范围内。,1.名词解释 线性度、灵敏度、回程误差(滞后)、精确度、漂移(点漂)、稳定性、鉴别力阈与分辨力、信噪比、测量范围、动态范围(DR)、灵敏阈(

23、死区)、可靠性、时间常数、固有频率、阻尼比、频率特性、负载效应。2.简述题(1)测试系统有什么基本要求？理想测试系统有什么特性？(2)何谓测试系统的静态特性？如何描述？(3)线性系统有哪些特性？如何判别线性系统？(4)测试装置的静态特性指标主要有哪些?它们对装置的性能有何影响?(5)什么叫一阶系统和二阶系统?它们的传递函数、频率响应函数及幅频和相频特性表达式是什么?,课外学习指导及作业,(6)一阶系统为何适合于测量缓变或低频信号？其系统工作频率的上限是多少？(7)由一阶系统的单位阶跃响应你能得到什么结论？(8)系统及输入信号是否决定稳态误差存在与否？(9)测试系统的动态特性分析为什么以一阶与二

24、阶系统为主？高阶系统如何处理？(10)何谓测试系统不失真测试的条件？对一阶与二阶测试系统如何选取相应的不失真测试的频率范围？,3.计算题(1)求周期信号x(t)=0.5cos10t+0.2cos(100t-45)通过传递函数为H(s)=1/(0.005s+1)的装置后所得到的稳态响应。(2)某传感器为一阶系统，当阶跃信号作用在该传感器时，在t=0时，输出10mV；t时，输出100mV；在t=5s时，输出50mV，试求该传感器的时间常数。(3)求信号x(t)=12sin(t+30)+4sin(2t+45)+10cos(4t+60)，通过一阶系统后的输出y(t)。设该系统的时间常数=1s，系统的静态灵敏度为S=25。,