第5章信号的变换与处理.ppt

第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理 本章总课时本章总课时 理论理论6 6课时、实验课时、实验0 0课时，共计课时，共计6 6课时。课时。本章主要内容本章主要内容 本本章主要内容包括信号的放大、本本章主要内容包括信号的放大、电桥、滤波器、调制与解调。电桥、滤波器、调制与解调。本章基本要求本章基本要求 熟练掌握信号放大、电桥、滤波熟练掌握信号放大、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。法与实际电路，掌握不同处理方法的基本应用。本章重点及难点本章重点及难点 重点为各部分的实现方法与实际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。电路，难点为各部分的基本原理与理论分析。第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理 传感器输出的电信号，大多数不能直接输送到显示、记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，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测量电路或或信号调理电路信号调理电路。第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理1 信号的放大信号的放大 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，一般为较弱的模拟信号，一般为mV级甚至级甚至V级，不能直接用于级，不能直接用于显示、记录或显示、记录或A/D转换，必须进行放大。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据不同要求选用。利用运算放大器可组成反相输入反相输入、同相同相输入输入和和差动输入放大器差动输入放大器。第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理一一.测量放大器测量放大器 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，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。高性能的放大器。第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理 测量放大器由三个运算放大器组成，其基本电路如图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，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。为单端输出，适应对地负载的需要。图图5.1.1 测量放大器原理图测量放大器原理图第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理 电路中的电路中的A1和和A2选择高输入阻抗运算放大器，而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。由于都是对称选择的。由于A1和和A2都是同相放大器都是同相放大器接法，因此两个放大器的增益接法，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，由于同相放大器当两个输入信号是共模信号时，由于同相放大器A1和和A2的增益相等，输出电压的增益相等，输出电压Uol和和Uo2也是共模相等的。经也是共模相等的。经A3差动差动放大，这两个共模信号可被完全消除，总输出信号放大，这两个共模信号可被完全消除，总输出信号Uo为零。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，经个输入信号是差模信号时，经A1和和A2同相放大后仍是差模的同相放大后仍是差模的，再经，再经A3差动放大后输出。差动放大器差动放大后输出。差动放大器A3的增益的增益 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)第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理 以上分析表明，为了实现电路的高性能，必须对电路以上分析表明，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。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。通常通常Rw为外接电阻，调节为外接电阻，调节Rw可改变电路的增益。常用的可改变电路的增益。常用的单片集成测量放大器有单片集成测量放大器有AD521、AD522、INAl01、INAll8和和LH0038等。其中的等。其中的LH0038(美国国家半导体公司产品美国国家半导体公司产品)是一种精密测量放大器，具有低失调是一种精密测量放大器，具有低失调(25V)、低漂移、低漂移(0.25V/C)和高共模抑制比和高共模抑制比(120dB)等优良特性。等优良特性。第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理 在有强电或强电磁干扰的环境中，传感器的输出信号中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、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。这样的放大器称为起来。这样的放大器称为隔离放大器隔离放大器。其输入和输出电路之。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。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。压对低压电路造成损坏。二二.隔离放大器隔离放大器第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理 隔离放大器电路的原理框图如图隔离放大器电路的原理框图如图5.1.2所示。输入部分包所示。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为变压器耦合隔离放大器电路框图，图框图，图5.1.2(b)是光耦合隔离放大器电路框图。是光耦合隔离放大器电路框图。图图5.1.2 隔离放大器电路原理框图隔离放大器电路原理框图(a)变压器耦合变压器耦合 (b)光电耦合光电耦合第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理 大多数传感器输出的电信号很微弱，需要进一步放大，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。的优缺点，应当根据实际应用情况进行合理的选择。本节小结本节小结第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理2 电电 桥桥 电桥是将电阻、电感、电容等电参量的变化，转变电桥是将电阻、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装置中得到了广泛的应用。电桥根据激励电源的不同分为为直流电桥直流电桥和和交流电桥交流电桥。电桥电路有两种基本的工作方。电桥电路有两种基本的工作方式，即式，即平衡电桥平衡电桥与与不平衡电桥不平衡电桥。在检测技术中主要应用。在检测技术中主要应用不平衡电桥。不平衡电桥。第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理一一.直流电桥直流电桥 直流电桥的优点是高稳