第5章信号的变换与处理

,第5章信号的变换与处理,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A,1,和A,2,选择高输入阻抗运算放大器，而,R,1,=,R,2,，,R,3,=,R,4,，,R,5,=,R,6,都是对称选择的。由于A,1,和A,2,都是同相放大器接法，因此两个放大器的增益,A,1,=U,o1,/U,i1,=1+2,R,1,/,R,w,，A,2,=U,o2,/U,i2,=1+2,R,2,/,R,w,(5.1.1),当两个输入信号是共模信号时，由于同相放大器A,1,和A,2,的增益相等，输出电压U,ol,和U,o2,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U,o,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A,1,和A,2,同相放大后仍是差模的，再经A,3,差动放大后输出。差动放大器A,3,的增益,A,3,=,R,5,/,R,3,(5.1.2),因此对差模输入信号，两级放大器的增益是,A=(1+2,R,1,/,R,w,),R,5,/,R,3,(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(25,V)、低漂移(0.25,V/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,R,1,、,R,2,、,R,3,、,R,4,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，,R,L,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U,0,即为电桥输出端的开路电压U,AB,，其表达式为,(,5,.2.,2,),所谓,电桥平衡,即是指输出电流,I,L,=0或U,0,=0，则平衡条件为,R,1,R,4,=,R,2,R,3,或,R,1,/,R,2,=,R,3,/,R,4,(5.2.3),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,I,L,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,I,L,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,R,2,使电桥重新平衡，由式(5.2.3)可得,(5.2.4),即可用,R,2,的值来确定,R,1,。零读法需要使电桥作两次平衡。一般将,R,3,、,R,4,称为,比例臂,，改变其值即可改变,R,1,的测量范围。,R,2,称为,调节臂,，以其来刻划被测应变。,(2),动态测量,如果应变为动态变量，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=,R,2,/,R,10,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，,R,1,=,R,2,=,R,3,=,R,4,=,R,，四臂均接入相同应变片，,R,1,与,R,4,、,R,2,与,R,3,分别受拉应力、压应力，且安装于同一试件上，则,R,1,=,R,2,=,R,3,=,R,4,=,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，,R,1,与,R,2,分别受拉应力与压应力，且安装于同一试件上，则,R,1,=,R,2,=,R,，,R,3,=,R,4,=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，,R,1受拉应力或压应力，则,R,1,=R，,R,2,=,R,3,=,R,4,=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Z,1,、Z,2,、Z,3,、Z,4,称为,桥臂复阻抗,，U为交流电压电源，U,0,为开路输出电压。其电压输出为,(5.2.10),(,a,)一般形式 (,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,Z,1,Z,4,=Z,2,Z,3,或 Z,1,/Z,2,=Z,3,/Z,4,(5.2.12),设各桥臂阻抗为,其中,r,i,与,x,i,分别为相应各桥臂的电阻与电抗，而|Z,i,|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,|Z,1,|Z,4,|=|Z,2,|Z,3,|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,A,0,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,t,0,的时间,(,理论上可以超前，实际测试系统的输出总是滞后于输入,),，表明系统实现了不失真测试。,用数学表达式描述为,y,(,t,)=A,0,x,(,t,-,t,0,)(3.4.1),图,3