《工程測(cè)試技術(shù)》課件PPT,工程測(cè)試技術(shù),工程,測(cè)試,技術(shù),課件,PPT 工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)1第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)3第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理本章學(xué)習(xí)要求：本章學(xué)習(xí)要求：1.1.掌握模擬掌握模擬信號(hào)放大信號(hào)放大原理原理2.2.掌握掌握電橋電橋原理及基本特性原理及基本特性 3.3.掌握信號(hào)掌握信號(hào)調(diào)制調(diào)制及及解調(diào)解調(diào)原理原理 4.4.掌握掌握理想濾波器理想濾波器模型模型5.5.了解了解實(shí)際濾波器實(shí)際濾波器基本參數(shù)基本參數(shù)工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)4第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理本章內(nèi)容本章內(nèi)容1.概述2.信號(hào)調(diào)理的目的和內(nèi)容3.信號(hào)放大原理4.電橋原理和基本特性5.調(diào)制原理幅度調(diào)制及解調(diào)原理頻率調(diào)制原理6.濾波器原理工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)5第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理信號(hào)處理電路信號(hào)處理電路信號(hào)輸出信號(hào)輸出傳感器信號(hào)傳感器信號(hào)模擬信號(hào)處理結(jié)構(gòu)示意圖4.1 概述概述從結(jié)構(gòu)上來講，具體的模擬信號(hào)處理過程實(shí)際上是一個(gè)系統(tǒng)，傳感器信號(hào)是系統(tǒng)的輸入，處理后的信號(hào)是系統(tǒng)的輸出，處理的內(nèi)容和復(fù)雜程度不同，系統(tǒng)的規(guī)模和結(jié)構(gòu)也將不同。信號(hào)處理技術(shù)決定著檢測(cè)設(shè)備的總體性能。x(t)h(t)y(t)系統(tǒng)辨識(shí)系統(tǒng)辨識(shí)反求反求預(yù)測(cè)預(yù)測(cè)工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)6第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理n信號(hào)分析u不改變信號(hào)本身的狀態(tài)和特征，在信號(hào)的傳輸歷程中，它是并聯(lián)于該歷程上的運(yùn)算，由旁路輸出運(yùn)算結(jié)果信號(hào)處理信號(hào)處理結(jié)果輸出結(jié)果輸出信號(hào)輸入信號(hào)輸入信號(hào)分析信號(hào)分析結(jié)果輸出結(jié)果輸出信號(hào)輸入信號(hào)輸入信號(hào)處理與信號(hào)分析的本質(zhì)區(qū)別信號(hào)處理與信號(hào)分析的本質(zhì)區(qū)別n信號(hào)處理u會(huì)改變信號(hào)本身的狀態(tài)和特征，是串聯(lián)于信號(hào)傳輸歷程上的運(yùn)算，運(yùn)算后的輸出改變信號(hào)的狀態(tài)工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)7第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理信號(hào)處理的目的信號(hào)處理的目的將由探頭輸出的檢測(cè)信號(hào)不失真地進(jìn)行放大、濾波等處理，提高檢測(cè)信號(hào)的信噪比和抗干擾能力，進(jìn)一步進(jìn)行信號(hào)的識(shí)別、分析、診斷、顯示、存貯、打印、記錄等，以顯示出最明顯的信號(hào)特征或檢測(cè)結(jié)果。典型模擬信號(hào)處理典型模擬信號(hào)處理(最大最大)系統(tǒng)框圖系統(tǒng)框圖包括增益調(diào)整、零點(diǎn)調(diào)節(jié)、溫包括增益調(diào)整、零點(diǎn)調(diào)節(jié)、溫漂補(bǔ)償以及電平偏置、電壓電漂補(bǔ)償以及電平偏置、電壓電流轉(zhuǎn)換、電壓頻率轉(zhuǎn)換等流轉(zhuǎn)換、電壓頻率轉(zhuǎn)換等測(cè)量信號(hào)可視化的重要組成部分，測(cè)量信號(hào)可視化的重要組成部分，可采用電流電壓表頭、發(fā)光二極管可采用電流電壓表頭、發(fā)光二極管等組件、多位數(shù)字表頭、監(jiān)視器等等組件、多位數(shù)字表頭、監(jiān)視器等記錄儀器有磁帶機(jī)、筆式記錄儀器有磁帶機(jī)、筆式記錄儀、數(shù)字式記錄儀等記錄儀、數(shù)字式記錄儀等主要依靠信號(hào)幅值以及能量、功率、有效值、主要依靠信號(hào)幅值以及能量、功率、有效值、峰峰值、過零點(diǎn)、極點(diǎn)等特征，通過模擬電峰峰值、過零點(diǎn)、極點(diǎn)等特征，通過模擬電路運(yùn)算并設(shè)置對(duì)應(yīng)的閾值來提取檢測(cè)量值路運(yùn)算并設(shè)置對(duì)應(yīng)的閾值來提取檢測(cè)量值當(dāng)檢測(cè)信號(hào)信噪比較高時(shí)，模擬信號(hào)識(shí)別是簡(jiǎn)單可行的；當(dāng)檢測(cè)信號(hào)背景噪聲大或信號(hào)特征復(fù)雜時(shí)，則效果劇減且電路復(fù)雜。定性(半定量)檢測(cè)時(shí)模擬信號(hào)處理方法以其低成本和簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)有明顯優(yōu)勢(shì)；當(dāng)檢測(cè)要求較高或欲實(shí)現(xiàn)定量檢測(cè)時(shí)，該方法則無法勝任。捕捉到缺陷信號(hào)，以脈捕捉到缺陷信號(hào)，以脈沖形成驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)聲或光沖形成驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)聲或光報(bào)警，或進(jìn)行其它轉(zhuǎn)換報(bào)警，或進(jìn)行其它轉(zhuǎn)換后控制相應(yīng)機(jī)構(gòu)。后控制相應(yīng)機(jī)構(gòu)。缺陷檢出后，欲在被測(cè)構(gòu)缺陷檢出后，欲在被測(cè)構(gòu)件上標(biāo)上記號(hào)，則由驅(qū)動(dòng)件上標(biāo)上記號(hào)，則由驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)打標(biāo)器動(dòng)作器驅(qū)動(dòng)打標(biāo)器動(dòng)作工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)9第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理信號(hào)調(diào)理的的目的是便于信號(hào)的傳輸與處理。信號(hào)調(diào)理的的目的是便于信號(hào)的傳輸與處理。信號(hào)調(diào)理的目的信號(hào)調(diào)理的目的 1.1.傳傳感感器器輸輸出出的的電電信信號(hào)號(hào)很很微微弱弱，大大多多數(shù)數(shù)不不能能直直接接輸輸送送到到顯顯示示、記記錄錄或或分分析析儀儀器器中中去去，需需要要進(jìn)進(jìn)一一步步放放大大，有有的的還還要進(jìn)行阻抗變換要進(jìn)行阻抗變換。2.2.有些傳感器輸出的是電信號(hào)中混雜有干擾噪聲，需要有些傳感器輸出的是電信號(hào)中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。去掉噪聲，提高信噪比。3.3.某些場(chǎng)合，為便于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，需要對(duì)傳感器某些場(chǎng)合，為便于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，需要對(duì)傳感器測(cè)量信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)處理。測(cè)量信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)處理。工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)10第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理4.2 4.2 信號(hào)放大信號(hào)放大 信號(hào)放大目的幅度增加(1)抗干擾;(2)阻抗匹配2 2 分類分類放大器放大器直流放大器直流放大器交流放大器交流放大器電荷放大器電荷放大器幅度增大；低頻保留，高頻截止(工作點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生溫漂，穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)重點(diǎn))幅度增大；高頻保留，低頻截止（工作點(diǎn)保持在0V不變，溫漂影響小，電路穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單）電荷增大（特殊的放大器，設(shè)計(jì)中輸出電壓隨傳感器電荷變化而變化）Z U 1 1 目的目的:將傳感器輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)，以達(dá)到后續(xù)處理要求將傳感器輸出的微弱電信號(hào)進(jìn)行增強(qiáng)，以達(dá)到后續(xù)處理要求電橋電橋工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)11第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理直流放大電路直流放大電路 1)1)反相放大器反相放大器 反饋電阻RF值不能太大，否則會(huì)產(chǎn)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(yīng)遠(yuǎn)大于信號(hào)源Ui的內(nèi)阻。反相放大器是最基本的電路，其閉環(huán)電壓增益Av為:工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)12第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理2 2）同相放大器）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(diǎn)，廣泛用于前置放大級(jí)。同相放大器也是最基本的電路，其閉環(huán)電壓增益Av為:直流放大電路直流放大電路 工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)13第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理交流放大電路交流放大電路 若只需要放大交流信號(hào)，可采用圖示的集成運(yùn)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(jù)交流放大器的下限頻率fL來確定。工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)14第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理補(bǔ)充：石英晶體的壓電效應(yīng)補(bǔ)充：石英晶體的壓電效應(yīng)天然形成的石英晶體外形天然形成的石英晶體外形工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)15第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理補(bǔ)充：石英晶體的壓電效應(yīng)補(bǔ)充：石英晶體的壓電效應(yīng)天然形成的石英晶體外形（續(xù)）天然形成的石英晶體外形（續(xù)）工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)16第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理補(bǔ)充：石英晶體的壓電效應(yīng)補(bǔ)充：石英晶體的壓電效應(yīng)石英晶體切片及封裝石英晶體切片及封裝石英晶體薄片石英晶體薄片雙面鍍銀并封裝雙面鍍銀并封裝工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)17第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理補(bǔ)充：石英晶體的壓電效應(yīng)補(bǔ)充：石英晶體的壓電效應(yīng) 在晶體學(xué)中，可以把將其用三根互相垂直的軸表示，縱軸縱軸Z稱為光軸光軸，通過六棱線而垂直于光鈾的X軸軸稱為電軸電軸，與X-X軸和Z-Z軸垂直的Y-Y軸軸(垂直于六棱柱體的棱面)稱為機(jī)機(jī)械軸械軸。晶片在正常情況下呈現(xiàn)電性。通常把沿電軸沿電軸(X(X軸軸)方向方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電縱向壓電效應(yīng)效應(yīng)”，把沿機(jī)械軸沿機(jī)械軸(Y(Y軸軸)方向的作用力產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸(Z軸)方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。沿相對(duì)兩棱加力時(shí)，則產(chǎn)生切向切向效應(yīng)效應(yīng)。壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)。工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)18第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理壓電傳感器等效電路壓電傳感器等效電路 某某些些傳傳感感器器如如壓壓電電式式加加速速度度傳傳感感器器、壓壓電電式式壓壓力力傳傳感感器器，當(dāng)當(dāng)壓壓電電晶晶體體承承受受應(yīng)應(yīng)力力作作用用時(shí)時(shí)，在在它它的的兩兩個(gè)個(gè)極極面面上上出出現(xiàn)現(xiàn)極極性性相相反反但但電電量量相相等等的的電電荷荷。故故可可把把壓壓電電傳傳感感器器看看成成一一個(gè)個(gè)電電荷荷源源與與一一個(gè)個(gè)電電容容并并聯(lián)聯(lián)的的電電荷荷發(fā)發(fā)生生器器。阻阻抗抗非非常常高高，工工作作時(shí)時(shí)將將產(chǎn)產(chǎn)生生正正比比于于被被測(cè)物理量的電荷量，具有較好的線性度。測(cè)物理量的電荷量，具有較好的線性度。其電容量為：其電容量為：(a a)電荷源電荷源q qC Ca a工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)19第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理因此，壓電傳感器還可以等效為電壓源因此，壓電傳感器還可以等效為電壓源Ua和一個(gè)電容器和一個(gè)電容器Ca的串聯(lián)的串聯(lián)電路，如圖電路，如圖(b)。當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，板間就呈現(xiàn)出一定的電壓，其大小為當(dāng)兩極板聚集異性電荷時(shí)，板間就呈現(xiàn)出一定的電壓，其大小為 U Ua aC Ca a(b)(b)電壓源電壓源壓電傳感器等效電路壓電傳感器等效電路工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)20第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理 實(shí)際使用時(shí)，壓電傳感器通過導(dǎo)線與測(cè)量?jī)x器相連接，連接導(dǎo)線的等效電容CC、前置放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci對(duì)電路的影響就必須一起考慮進(jìn)去。當(dāng)考慮了壓壓電電元元件件的的絕絕緣緣電電阻阻Ra以后，壓電傳感器完整的等效電路可表示成下圖所示的電壓等效電路(a)和電荷等效電路(b)。這兩種等效電路是完全等效的。圖圖 壓電傳感器的完整等效電路壓電傳感器的完整等效電路(a)電壓源電壓源;(b)電荷源電荷源壓電傳感器等效電路壓電傳感器等效電路工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)21第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理n壓電傳感器適宜作動(dòng)態(tài)測(cè)量壓電傳感器適宜作動(dòng)態(tài)測(cè)量u利用壓電式傳感器測(cè)量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量值時(shí)，必須采取一定的利用壓電式傳感器測(cè)量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量值時(shí)，必須采取一定的措施，使電荷從壓電晶片上經(jīng)測(cè)量電路的漏失減小到足夠小程措施，使電荷從壓電晶片上經(jīng)測(cè)量電路的漏失減小到足夠小程度。而在動(dòng)態(tài)力作用下，電荷可以得到不斷補(bǔ)充，可以供給測(cè)度。而在動(dòng)態(tài)力作用下，電荷可以得到不斷補(bǔ)充，可以供給測(cè)量電路一定的電流，故壓電傳感器適宜作動(dòng)態(tài)測(cè)量。量電路一定的電流，故壓電傳感器適宜作動(dòng)態(tài)測(cè)量。n壓電式傳感器的測(cè)量電路壓電式傳感器的測(cè)量電路u由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)很微弱，通常先把傳感器信號(hào)由于壓電式傳感器的輸出電信號(hào)很微弱，通常先把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗交換以后，方先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗交換以后，方可用一般的放大檢波電路再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中?？捎靡话愕姆糯髾z波電路再將信號(hào)輸入到指示儀表或記錄器中。(其中，測(cè)量電路的關(guān)鍵在于高阻抗輸入的前置放大器。）其中，測(cè)量電路的關(guān)鍵在于高阻抗輸入的前置放大器。）壓電傳感器等效電路壓電傳感器等效電路工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)22第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理壓電式傳感器的測(cè)量電路壓電式傳感器的測(cè)量電路n前置放大器的作用前置放大器的作用u將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸將傳感器的高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；二是放大傳感器輸出的微弱電信號(hào)。出的微弱電信號(hào)。n前置放大器電路有兩種形式前置放大器電路有兩種形式u用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器即傳感器的輸出的輸出)成正比；成正比；u用帶電容板反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。用帶電容板反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。由于電荷放大器電路的電纜長(zhǎng)度變化的影響不大，幾乎可以忽由于電荷放大器電路的電纜長(zhǎng)度變化的影響不大，幾乎可以忽略不計(jì)，故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。略不計(jì)，故而電荷放大器應(yīng)用日益廣泛。工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)23第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器（阻抗變換器）圖圖 壓電傳感器接放大器的等效電路壓電傳感器接放大器的等效電路(a)放大器電路；（放大器電路；（b）輸入簡(jiǎn)化后等效電路）輸入簡(jiǎn)化后等效電路連接導(dǎo)線等效電容CC、前置放大器輸入電阻Ri、輸入電容Ci。壓電元件絕緣電阻壓電元件絕緣電阻Ra工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)24第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理 在在上上圖圖(b)中中，電電阻阻R=RaRi/(Ra+Ri),電電容容C=Cc+Ci，而而ua=q/Ca，若若壓電元件受正弦力壓電元件受正弦力f=Fm sint的作用，則其電壓為：的作用，則其電壓為：式中：式中：Um壓電元件輸出電壓幅值；壓電元件輸出電壓幅值；Um=dFm/Ca；d壓電系數(shù)，壓電系數(shù)，下標(biāo)的意義為產(chǎn)生電荷的面的軸向及施加作用力的軸向。下標(biāo)的意義為產(chǎn)生電荷的面的軸向及施加作用力的軸向。由此可得放大器輸入端電壓由此可得放大器輸入端電壓Ui，其復(fù)數(shù)形式為：其復(fù)數(shù)形式為：的幅值的幅值Uim為：為：輸入電壓和作用力之間相位差為輸入電壓和作用力之間相位差為 電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器（阻抗變換器）工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)25第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器（阻抗變換器）在在理理想想情情況況下下，傳傳感感器器的的泄泄漏漏電電阻阻Ra與與前前置置放放大大器器輸輸入入電電阻阻Ri都都為無限大，即為無限大，即(Ca+Cc+Ci)R1，則理想情況下輸入電壓幅值，則理想情況下輸入電壓幅值Uim為為 上上式式表表明明前前置置放放大大器器輸輸入入電電壓壓Uim與與頻頻率率無無關(guān)關(guān)，一一般般在在/03時(shí)時(shí)，就可以認(rèn)為就可以認(rèn)為Uim與與無關(guān)，無關(guān)，0為測(cè)量電路時(shí)間常數(shù)之倒數(shù)，即為測(cè)量電路時(shí)間常數(shù)之倒數(shù)，即 上上式式表表明明壓壓電電傳傳感感器器有有很很好好的的高高頻頻響響應(yīng)應(yīng)，但但是是，當(dāng)當(dāng)作作用用于于壓壓電電元元件件的的力力為為靜靜態(tài)態(tài)力力(=0)時(shí)時(shí)，前前置置放放大大器器的的輸輸出出電電壓壓等等于于零零，因因?yàn)闉殡婋姾珊蓵?huì)會(huì)通通過過放放大大器器輸輸入入電電阻阻和和傳傳感感器器本本身身漏漏電電阻阻漏漏掉掉，所所以以壓壓電電傳傳感感器不能用于靜態(tài)力的測(cè)量。器不能用于靜態(tài)力的測(cè)量。工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)26第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理 當(dāng)當(dāng)(Ca+Cc+Ci)R1 時(shí)時(shí)，式式中中Cc為為連連接接電電纜纜電電容容，當(dāng)當(dāng)電電纜纜長(zhǎng)長(zhǎng)度度改改變變時(shí)時(shí)，Cc也也將將改改變變，因因而而Uim也也隨隨之之變變化化。因因此此，壓壓電電傳傳感感器器與與前前置放大器之間連接電纜不能隨意更換，否則將引入測(cè)量誤差。置放大器之間連接電纜不能隨意更換，否則將引入測(cè)量誤差。電壓放大器（阻抗變換器）電壓放大器（阻抗變換器）工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)27第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理圖圖 電荷放大器等效電路電荷放大器等效電路電荷放大器電荷放大器連接導(dǎo)線等效電容CC、前置放大器輸入電阻Ri、輸入電容Ci。壓電元件絕緣電阻壓電元件絕緣電阻Ra工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)28第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理 電電荷荷放放大大器器常常作作為為壓壓電電傳傳感感器器的的輸輸入入電電路路，由由一一個(gè)個(gè)反反饋饋電電容容CF和和高高增增益益運(yùn)運(yùn)算算放放大大器器構(gòu)構(gòu)成成。由由于于運(yùn)運(yùn)算算放放大大器器輸輸入入阻阻抗抗極極高高，放放大大器器輸入端幾乎沒有分流，故可略去輸入端幾乎沒有分流，故可略去Ra和和Ri并聯(lián)電阻。并聯(lián)電阻。式中式中：Uo放大器輸出電壓；放大器輸出電壓；Ucf 反饋電容兩端電壓。反饋電容兩端電壓。由運(yùn)算放大器基本特性，由運(yùn)算放大器基本特性，可求出電荷放大器的輸出電壓可求出電荷放大器的輸出電壓 通常通常A=104108，當(dāng)滿足，當(dāng)滿足(1+A)CfCa+Cc+Ci時(shí)，上式可表示為：時(shí)，上式可表示為：工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)29第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理 由由上上式式知知，電電荷荷放放大大器器的的輸輸出出電電壓壓Uo只只取取決決于于輸輸入入電電荷荷與與反反饋饋電電容容CF，與與電電纜纜電電容容Cc無無關(guān)關(guān)，且且與與q成成正正比比，因因此此，采采用用電電荷荷放放大大器器時(shí)時(shí)，即即使使連連接接電電纜纜長(zhǎng)長(zhǎng)度度在在百百米米以以上上，其其靈靈敏敏度度也也無無明明顯顯變變化化，這這是是電電荷荷放放大大器器的的最最大大特特點(diǎn)點(diǎn)。在在實(shí)實(shí)際際電電路路中中，CF的的容容量量做做成成可可選選擇的，范圍一般為擇的，范圍一般為100104pF。工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)30第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理放大器特性比較放大器特性比較放大器類型放大器類型特點(diǎn)特點(diǎn) 傳感器典型應(yīng)用傳感器典型應(yīng)用直流放大器直流放大器對(duì)信號(hào)電壓的大小放大，工作點(diǎn)會(huì)隨溫度對(duì)信號(hào)電壓的大小放大，工作點(diǎn)會(huì)隨溫度等的變化而波動(dòng)，信號(hào)在零點(diǎn)上方或下方等的變化而波動(dòng)，信號(hào)在零點(diǎn)上方或下方波動(dòng)，電路的穩(wěn)定性成為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)波動(dòng)，電路的穩(wěn)定性成為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)電阻應(yīng)變計(jì)、電阻式傳感器、電阻應(yīng)變計(jì)、電阻式傳感器、鉑熱電阻測(cè)溫傳感器等鉑熱電阻測(cè)溫傳感器等交流放大器交流放大器對(duì)信號(hào)電壓大小的變化放大，工作點(diǎn)保持對(duì)信號(hào)電壓大小的變化放大，工作點(diǎn)保持在在0V 不變、信號(hào)在不變、信號(hào)在0V 上下波動(dòng)變化，溫上下波動(dòng)變化，溫漂影響較小，電路的穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單漂影響較小，電路的穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單差動(dòng)變壓器、電容式、電感式差動(dòng)變壓器、電容式、電感式傳感器等。傳感器等。電荷放大器電荷放大器 一種特殊的放大器，輸出電壓隨傳感器電一種特殊的放大器，輸出電壓隨傳感器電荷的變化而變化荷的變化而變化,對(duì)電荷信號(hào)直接放大對(duì)電荷信號(hào)直接放大壓電式傳感器。壓電式傳感器。放大是測(cè)試系統(tǒng)的基本環(huán)節(jié)，放大器的放大倍數(shù)是關(guān)鍵的參數(shù)!工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)31第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理4.3 4.3 電橋電橋電電橋橋是是測(cè)測(cè)試試中中常常用用的的信信號(hào)號(hào)處處理理方方法法，是是將將電電阻阻、電電感感、電電容容及及阻阻抗抗參參量量的的變變化化轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換換為為電電壓壓或或電電流流輸輸出出的的一一種種測(cè)測(cè)量量電電路路，由由于電路簡(jiǎn)單，并具有較高的精確度和靈敏度，被廣泛使用。于電路簡(jiǎn)單，并具有較高的精確度和靈敏度，被廣泛使用。電橋分類電橋分類:(按照其激勵(lì)電源按照其激勵(lì)電源)直流電橋直流電橋交流電橋交流電橋?qū)τ陔娮枋絺鞲衅?，既可采用直流電橋形式，也可采用交流電橋形式。?duì)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(yīng)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）交流電橋平衡條件工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)34第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理電橋的變換原理電橋的變換原理電壓源供電電橋電路電壓源供電電橋電路電流源供電電橋電路電流源供電電橋電路工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)35第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理電壓源供電電壓源供電，橋路電流橋路電流輸出電壓輸出電壓（電壓源供電條件下的橋臂值與輸出電壓的關(guān)系式電壓源供電條件下的橋臂值與輸出電壓的關(guān)系式）工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)36第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理電橋的基本特性電橋的基本特性單臂電橋，一個(gè)橋臂阻值發(fā)生變化，其余三個(gè)臂的阻值均恒定，對(duì)應(yīng)接入一個(gè)傳感器的變換器情況。差動(dòng)半橋，兩個(gè)橋臂阻值發(fā)生差動(dòng)變化，其余兩個(gè)恒定，對(duì)應(yīng)于接入一個(gè)差動(dòng)式傳感器的兩個(gè)差動(dòng)變換器情況。差動(dòng)全橋，四個(gè)橋臂阻值均發(fā)生差動(dòng)變化，對(duì)應(yīng)于接入一個(gè)傳感器的四個(gè)差動(dòng)變換器作為電橋的四個(gè)橋梁情況。工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)37第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理1 1、輸入輸出特性、輸入輸出特性假設(shè)假設(shè)1 1：采用等臂電橋：采用等臂電橋假設(shè)假設(shè)2 2：橋臂阻值改變量的絕對(duì)值相同：橋臂阻值改變量的絕對(duì)值相同單臂電橋單臂電橋差動(dòng)半橋差動(dòng)半橋差動(dòng)全橋差動(dòng)全橋工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)38第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理單臂電橋單臂電橋2工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)39第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理差動(dòng)半橋差動(dòng)半橋工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)40第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理差動(dòng)全橋差動(dòng)全橋工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)41第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理電壓源供電時(shí)的輸入電壓源供電時(shí)的輸入-輸出（輸出（Z-U）特性特性單臂電橋單臂電橋差動(dòng)半橋差動(dòng)半橋差動(dòng)全橋差動(dòng)全橋在輸入量Z相同的情況下：差動(dòng)半橋的輸出U近似為單臂電橋的兩倍；差動(dòng)全橋的輸出是差動(dòng)半橋的兩倍，近似為單臂電橋的四倍。工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)42第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理2 2、靈敏度、靈敏度單臂電橋單臂電橋差動(dòng)半橋差動(dòng)半橋差動(dòng)全橋差動(dòng)全橋電壓源供電電壓源供電單臂電橋的靈敏度是輸入Z的函數(shù)，即在全量程范圍內(nèi)不為常量，Z U 特性不是一條直線，具有非線性。差動(dòng)半橋與差動(dòng)全橋的靈敏度與輸入量Z無關(guān)，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(dòng)半橋的靈敏度是單臂電橋的兩倍。差動(dòng)全橋的靈敏度是差動(dòng)半橋的兩倍，近似為單臂電橋的四倍。工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)43第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理3 3、電橋?qū)?、電橋?qū)ν?hào)干擾量同符號(hào)干擾量的補(bǔ)償特性的補(bǔ)償特性假設(shè)假設(shè)1 1：各差動(dòng)變換器的改變量符號(hào)相同：各差動(dòng)變換器的改變量符號(hào)相同假設(shè)假設(shè)2 2：各差動(dòng)變換器的改變量的數(shù)值相同：各差動(dòng)變換器的改變量的數(shù)值相同單臂電橋單臂電橋差動(dòng)半橋差動(dòng)半橋差動(dòng)全橋差動(dòng)全橋橋臂阻值的改變量是有用信號(hào)與溫度干擾信號(hào)共同作用的結(jié)果：工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)44第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理單臂電橋單臂電橋差動(dòng)半橋差動(dòng)半橋差動(dòng)全橋差動(dòng)全橋電壓源供電、有同符號(hào)溫度干擾量時(shí)的輸入-輸出(Z-U)特性差動(dòng)電橋（半橋及全橋）對(duì)同符號(hào)的溫度干擾量ZT具有抵償作用：1.分子中沒有干擾量ZT，清除了干擾量ZT對(duì)被測(cè)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(xiàn)，對(duì)輸出的影響小，因此溫度誤差大大減小。恒流源供電差動(dòng)全橋，在輸入-輸出特性中沒有干擾量ZT，理論上無溫度誤差！工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)45第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理電橋原理及特性小結(jié)電橋原理及特性小結(jié)n與與單單臂臂電電橋橋相相比比，差差動(dòng)動(dòng)電電橋橋的的特特性性獲獲得得很很大大改改善善，如如靈靈敏敏度度提提高高，非非線線性性誤誤差差減減小小，對(duì)對(duì)同同符符號(hào)號(hào)干干擾擾量量有有抵抵償償作作用用等等。差差動(dòng)動(dòng)式式傳傳感感器器與與差差動(dòng)動(dòng)電電橋橋相相配配合，能使測(cè)量系統(tǒng)獲得更為優(yōu)良的特性。合，能使測(cè)量系統(tǒng)獲得更為優(yōu)良的特性。n直流電橋與交流電橋的分析有較大的區(qū)別：直流電橋與交流電橋的分析有較大的區(qū)別：u前者用直流電路分析方法；前者用直流電路分析方法；u后后者者用用交交流流電電路路分分析析方方法法，電電路路中中的的頻頻率率、相相位位均會(huì)產(chǎn)生影響。均會(huì)產(chǎn)生影響。工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)46第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理4.4 4.4 調(diào)制調(diào)制n1 調(diào)制n(1)為什么要調(diào)制為什么要調(diào)制?u(a)傳感器輸出的直流信號(hào)放大問傳感器輸出的直流信號(hào)放大問題題;u(b)模擬信號(hào)處理器要求模擬信號(hào)處理器要求;u(c)信號(hào)傳輸要求信號(hào)傳輸要求.解決微弱緩變信號(hào)的放大以及信號(hào)的傳輸問題！工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)47第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理u電纜電纜電阻值：電阻值：0.033歐姆歐姆/米；電容值：米；電容值：30pF/米米工作頻帶窄、傳輸速率低、保密性能差工作頻帶窄、傳輸速率低、保密性能差u光纜光纜工作頻帶寬、傳輸速率高、保密性能好工作頻帶寬、傳輸速率高、保密性能好費(fèi)用高費(fèi)用高u無線無線工作頻帶受限、傳輸距離大、保密性能差工作頻帶受限、傳輸距離大、保密性能差費(fèi)用高費(fèi)用高傳輸干擾傳輸干擾工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)49第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理1.先將微弱的緩變信號(hào)加載到高頻交流信號(hào)中2.然后利用交流放大器進(jìn)行放大3.最后再?gòu)姆糯笃鞯妮敵鲂盘?hào)中取出放大了的緩變信號(hào)。調(diào)制解調(diào)過程調(diào)制解調(diào)過程工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)50第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理調(diào)制種類調(diào)制種類調(diào)制信號(hào)x(t)載波信號(hào)a)幅度凋制(AM)b)頻率調(diào)制(FM)c)相位調(diào)制(PM)使載波的振幅與信號(hào)振幅成比例地變化的方法，稱為調(diào)幅。使載波的頻率與信號(hào)振幅成比例地變化的方法，稱為調(diào)頻。使載波的相位與信號(hào)振幅成比例地變化的方法，稱為調(diào)相。工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)51第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理幅度調(diào)制幅度調(diào)制 調(diào)幅是將一個(gè)高頻正弦信號(hào)（或稱載波）與測(cè)試信號(hào)相乘，使載波信號(hào)幅值隨測(cè)試信號(hào)的變化而變化載波載波調(diào)幅波調(diào)幅波信號(hào)信號(hào)由卷積定理，在時(shí)域中兩個(gè)信號(hào)相乘，則對(duì)應(yīng)在頻域中這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行卷積。調(diào)幅過程，相當(dāng)于頻率“搬移”過程！工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)53第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理解調(diào)解調(diào)將原信號(hào)從接收到的調(diào)制波中抽取出來稱將原信號(hào)從接收到的調(diào)制波中抽取出來稱為解調(diào)為解調(diào)(demodulatlon)。只解調(diào)調(diào)幅波時(shí)，特稱為檢波只解調(diào)調(diào)幅波時(shí)，特稱為檢波(detection)。將解調(diào)電路稱為解調(diào)器將解調(diào)電路稱為解調(diào)器(demodulator)，有時(shí)也稱檢波器有時(shí)也稱檢波器(detector)。工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)54第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理同步解調(diào)同步解調(diào)q若用一個(gè)低通濾波器濾除中心頻率為2fz 的高頻成分，就可以復(fù)現(xiàn)原信號(hào)的頻譜（幅值減半，可用放大處理補(bǔ)償），這一過程稱為同步解調(diào)。q“同步”指解調(diào)時(shí)所乘的信號(hào)與調(diào)制時(shí)的載波信號(hào)具有相同的頻率和相位。把調(diào)幅波再次與載波信號(hào)相乘，則頻域圖形將再一次進(jìn)行“搬移”。工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)55第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理幅度調(diào)制與解調(diào)過程（波形與頻譜分析）幅度調(diào)制與解調(diào)過程（波形與頻譜分析）乘法器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器濾波器z(t)x(t)工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)56第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理幅度調(diào)制與解調(diào)過程（數(shù)學(xué)描述）幅度調(diào)制與解調(diào)過程（數(shù)學(xué)描述）乘法器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器濾波器z(t)x(t)工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)57第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理實(shí)驗(yàn)：同步調(diào)制與解調(diào)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)：同步調(diào)制與解調(diào)實(shí)驗(yàn)工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)58第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理抑制調(diào)幅抑制調(diào)幅將調(diào)制信號(hào)x(t)直接與載波信號(hào)z(t)相乘，這種調(diào)幅波具有極性變化。即：在信號(hào)過零線時(shí)幅值發(fā)生由正到負(fù)(或由負(fù)到正）的突然變化，調(diào)幅波的相位(相對(duì)于載波)也相應(yīng)地發(fā)生180度的相位變化，此種調(diào)制方法稱為抑制調(diào)幅。抑制調(diào)幅波須采用同步解調(diào)（也叫相敏解調(diào)，相敏檢波），方能反映出原信號(hào)的幅值和極性。工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)59第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理非抑制調(diào)幅非抑制調(diào)幅對(duì)信號(hào)x(t)進(jìn)行偏置，疊加直流分量A，使偏置后信號(hào)都具有正電壓，這種調(diào)制方法稱為非抑制調(diào)幅，或偏置調(diào)幅，其調(diào)幅波包絡(luò)線具有原信號(hào)形狀。稱為調(diào)幅指數(shù)稱為調(diào)幅指數(shù)非抑制調(diào)幅波一般采用整流、濾波（或稱包絡(luò)法）檢波就可以恢復(fù)原信號(hào)！工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)60第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理1)過調(diào)失真正常調(diào)制正常調(diào)制m1 時(shí)，當(dāng)x(t)取最大負(fù)值時(shí)，可能使A1+mx(t)fm)。q實(shí)際應(yīng)用中往往選擇載波頻率至少數(shù)倍甚至數(shù)十倍于信號(hào)中的最高頻率。調(diào)幅誤差分析調(diào)幅誤差分析工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)62第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理3)調(diào)幅波通過系統(tǒng)時(shí)的波形失真(a)為理想情況下為理想情況下,調(diào)幅波不變調(diào)幅波不變;(b)則為邊帶被衰減，使調(diào)幅則為邊帶被衰減，使調(diào)幅深度變淺；深度變淺；(c)則為邊帶波被放大，使調(diào)幅波深度變深則為邊帶波被放大，使調(diào)幅波深度變深系統(tǒng)的帶通特性所引起的調(diào)幅波發(fā)生波形變化。調(diào)幅誤差分析調(diào)幅誤差分析典型調(diào)幅波的典型調(diào)幅波的波形及頻譜波形及頻譜(a)直流調(diào)制(b)余弦調(diào)制(c)余弦偏置調(diào)制(d)矩形脈沖調(diào)制(e)周期矩形脈沖調(diào)制(f)任意頻限信號(hào)調(diào)制工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)64第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理a)直流調(diào)制直流調(diào)制典型調(diào)幅波的波形及頻譜典型調(diào)幅波的波形及頻譜工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)65第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理b)余弦調(diào)制余弦調(diào)制典型調(diào)幅波的波形及頻譜典型調(diào)幅波的波形及頻譜工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)66第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理(c)(c)余弦偏置調(diào)制余弦偏置調(diào)制典型調(diào)幅波的波形及頻譜典型調(diào)幅波的波形及頻譜工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)67第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理(d)(d)矩形脈沖調(diào)制矩形脈沖調(diào)制典型調(diào)幅波的波形及頻譜典型調(diào)幅波的波形及頻譜工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)68第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理調(diào)制解調(diào)應(yīng)用實(shí)例調(diào)制解調(diào)應(yīng)用實(shí)例動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)69第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理動(dòng)手做：動(dòng)手做：用用個(gè)人測(cè)試實(shí)驗(yàn)室中數(shù)字個(gè)人測(cè)試實(shí)驗(yàn)室中數(shù)字信號(hào)發(fā)生器、波形運(yùn)算器信號(hào)發(fā)生器、波形運(yùn)算器等軟件芯片，設(shè)計(jì)一個(gè)非等軟件芯片，設(shè)計(jì)一個(gè)非抑制調(diào)幅與解調(diào)系統(tǒng)。抑制調(diào)幅與解調(diào)系統(tǒng)。工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)70第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理思考題：思考題：1 1 信號(hào)調(diào)理的內(nèi)容和目的？信號(hào)調(diào)理的內(nèi)容和目的？2 2 信號(hào)放大電路的種類，如何根據(jù)傳感器輸出信號(hào)放大電路的種類，如何根據(jù)傳感器輸出 特性選擇合適的放大電路？特性選擇合適的放大電路？3 3 信號(hào)調(diào)制與解調(diào)的種類？信號(hào)調(diào)制與解調(diào)的種類？4 4 幅度調(diào)制與解調(diào)的原理？幅度調(diào)制與解調(diào)的原理？5 5 調(diào)幅波的失真，如何消除？調(diào)幅波的失真，如何消除？工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)71第四章、模擬信號(hào)處理第四章、模擬信號(hào)處理作業(yè)：作業(yè)：2007年1月15日上交nP188 第第4章第章第6題題nP189 第第4章第章第10題題nP188 第第4章第章第3題題nP188 第第4章第章第9題題本講習(xí)題本講習(xí)題下講習(xí)題下講習(xí)題