传感器与检测技术基础第三章信号转换与处理电路

第三章信号转换与处理电路1.1返回总目录第3章信号转换与处理电路第三章信号转换与处理电路1.2在测控系统中，传感器输出的被测参数的信号常常是一些缓变的微弱信号，并且在传感器输出有用信号的同时，还携带着人们不感兴趣的其他成分，这些称为干扰信号。为剔除干扰信号和提取测试信号中的有用信息，就必须通过滤波、放大、调制、变换等方法对信号进行加工变换，改变信号形式，突出信号中的有用信息成分。传感器的共同特点是把非电量转换为电量，但电量的形式有多种，如电阻、电感、电容、电压、电流、频率、相位等多种形式。当传感器与其他系统相接时，就必须符合各自的要求，因此，还必须对被测信号进行相应的转换。本章从信号的调制与解调、信号放大、信号处理、信号转换等方面介绍信号变换与处理电路。第三章信号转换与处理电路1.3本章内容调制与解调信号放大电路信号处理电路信号转换电路第三章信号转换与处理电路1.4调制与解调在测试技术中，调制是工程测试信号在传输过程中常用的一种调理方法，主要是为了解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。例如，被测物理量，如温度、位移、力等参数，经过传感器交换以后，多为低频缓变的微弱信号，对这样一类信号，直接送入直流放大器或交流放大器放大会遇到困难，因为，采用级间直接耦合式的直流放大器放大，将会受到零点漂移的影响。当漂移信号大小接近或超过被测信号时，经过逐级放大后，被测信号会被零点漂移淹没。位了便于区别信号与噪声，往往给测量信号赋予一定特征，即对信号进行调制。调制就是用一个信号去控制另一个作为载体的信号，让后者的某一特征参数按前者变化。常以一个高频正弦信号或脉冲信号作为载体，这个载体称为载波信号。用来改变载波信号的某一参数，如幅值、频率、相位的信号称为调制信号。经过调制的载波信号叫已调信号。已调制信号一般都便于放大和传输。从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称为解调，解调的目的则是为了恢复原来信号。第三章信号转换与处理电路1.5调制与解调在信号调制中常以一个高频正弦信号作为载波信号。一个正弦信号有幅值、频率、相位三个参数，可以对这三个参数进行调制，分别称为调幅、调频和调相，如下图所示。也可以用脉冲信号作载波信号。可以对脉冲信号的不同特征参数作调制，最常用的是对脉冲的宽度进行调制，称为脉冲调宽。在将测量信号调制，并将它和噪声分离，放大等处理后，还要从已经调制的信号中提取反映被测量值的测量信号，这一过程称为解调。解调的目的是为了恢复原来的信号。第三章信号转换与处理电路1.6调制与解调载波、调制信号及调幅、调频波第三章信号转换与处理电路1.7调制与解调一.幅值调制与解调1.调幅原理调幅是将一个高频简谐信号(载波信号)与测试信号(调制信号)相乘，使载波信号随测试信号的变化而变化。调幅的目的是为了便于缓变信号的放大和传送。常用的方法是线性调幅，即让调幅波的幅值随调制信号x按线性规律变化。调幅波的表达式可写为smccosuUmxt式中——载波信号的角频率；Um——原载波信号的幅度；m——调制灵敏度或调制深度。c幅值调制信号波形如图3.2所示，其中图3.2(c)是当Um≠0，且Ummx的调幅波形，图3.2(d)是Um=0时的调幅波形。第三章信号转换与处理电路1.8调制与解调信号的幅值调制可直接在传感器内进行，也可以在电路中进行。在电路中对信号进行幅值调制的方法有相乘调制和相加调制，下面仅就相乘调制的方法加以介绍。为使结果有普遍意义，假设调制信号为x(t)，其最高频率成分为fm，载波信号为cos2f0t，f0fm，则有调幅波002201()cos2[()e()e]2jftjftxtftxtxt设被测信号x(t)的傅里叶换为X(f)，表示为x(f)X(f)，由傅里叶变换性质：在时域中两个信号相乘，其对应在频域中这两个信号为卷积，即()()()*()xtytXfYf第三章信号转换与处理电路1.9调制与解调余弦函数的傅里叶变换有0001cos2[()+(+)]2ftf-fff图3.2调幅信号的波形(a)(d)(b)(c)第三章信号转换与处理电路1.10调制与解调则利用傅里叶变换的频移性质，有0001()cos2[()()+()(+)]2xtftXff-fXfff所以调幅使被测信号x(t)的频谱从f=0，向左、右迁移了±f0，而幅值降低了1/2，如图3.3所示。但x(t)中所包含的全部信息都完整地保存在调幅波中。载波频率f0称为调幅波的中心频率，f0+fm称为上旁频带，f0-fm称为下旁频带。调幅以后，原信号x(t)中所包含的全部信息均转移到以f0为中心，宽度为2fm的频带范围之内。即将有用信号从低频区推移到高频区。因为信号中不包含直流分量，可以用中心频率为f0，通频带宽是±fm的窄带交流放大器放大，然后再通过解调从放大的调制波中取出有用的信号。所以调幅过程就相当于频谱“搬移”过程。由此可见，调幅的目的是为了便于缓变信号的放大和传送。如在电话电缆、有线电视电缆中，由于不同的信号被调制到不同的频段，因此，在一根导线中可以传输多路信号。为了减小放大电路可能引起的失真，信号的频宽(2fm)相对中心频率(载波频率f0)应越小越好，实际载波频率常至少数倍甚至数十倍于调制信号频率)。第三章信号转换与处理电路1.11调制与解调2.调幅波的解调从已调信号中检出调制信号的过程称为解调或检波，因此解调的目的是为了恢复被调制的信号。为了解调可以使调幅波和载波相乘，再通过低通滤波器滤波。最常见的解调方法是整流检波和相敏检波。若把调制信号进行偏置，叠加一个直流分量，使偏置后的信号都具有正电压，那么调幅波的包络线将具有原调制信号的形状，如图3.4(a)所示。把该调幅波进行简单的半波或全波整流、滤波，并减去所加的偏置电压就可以恢复原调制信号。这种方法又称作包络分析。若所加的偏置电压未能使信号电压都在零线的一侧，则对调幅波只是简单地整流就不能恢复原调制信号，如图3.4(b)所示，这就需要采用相敏检波技术。第三章信号转换与处理电路1.12调制与解调图3.3调幅过程第三章信号转换与处理电路1.13调制与解调(a)偏置电压足够大(b)偏置电压不够大图3.4调制信号加偏置的调幅波第三章信号转换与处理电路1.14调制与解调1)包络检波包络检波是一种对调幅信号进行解调的方法，其原理是利用二极管所具有的单向导电性能的器件，截去调幅信号的下半部，再用滤波器滤除其高频成分，从而得到按调幅波包络线变化的调制信号，其信号检出过程如图3.5所示，其中us、u's、uo和u'o分别是调幅信号、峰值检波信号和平均值检波信号。图3.6是采用二极管VD作为整流元件的包络检波电路。若us如图3.5(a)所示，则经VD整流后的波形如图3.5(b)所示，经电容C低通滤波后所得的输出信号uo的波形如图3.5(c)所示。第三章信号转换与处理电路1.15调制与解调(a)(b)(c)(d)图3.5包络检波原理第三章信号转换与处理电路1.16调制与解调图3.6二极管包络检波图3.7晶体管包络检波第三章信号转换与处理电路1.17调制与解调图3.7是采用晶体管VT作为整流元件实现平均值检波电路。由于VT在us的半个周期导通，ic对电容C充电，在us的另半个周期VT截止，电容C向RL放电，流过RL的平均电流只有ic/2，因而所获得的是平均值检波，其输出信号u'o的波形如图3.5(d)所示。应当指出，虽然平均值检波使波形幅值减小，但由于晶体管的放大作用，使检波输入信号比输入的调幅信号在量值上要大得多，因而具有较强的承载能力。2)相敏检波相敏检波器(与滤波器配合)可以将调幅波还原成原应变信号波形，即起解调作用。采用相敏检波时，对原信号可不必再加偏置。交变信号在过零线时符号(+、－)发生突变，调幅波的相位(与载波比较)也相应地发生180°的相位跳变。利用载波信号与之相比，便既能反映出原信号的幅值又能反映其极性。第三章信号转换与处理电路1.18调制与解调图3.8中x(t)为原信号，y(t)为载波，xm(t)为调幅波。电路设计使变压器A二次输出电压大于A二次输入电压，若原信号x(t)为正，调幅波xm(t)与载波y(t)同相，如图3.8中Oa段所示。当载波电压为正时VD1导通，电流的流向是d－1－VD3－2－5－c－负载－地－d。当载波电压为负时，变压器A和B的极性同时改变，电流的流向是d－3－VD3－4－5－c－负载－地－d。若原信号x(t)为负，调幅波xm(t)与载波y(t)异相，如图中a－b段所示。这时，当载波为正时，变压器B的极性如图所示，变压器A的极性却与图中相反。这时VD2导通，电流的流向是5－2－VD2－3－d－地－负载－c－5。当载波电压为负时，电流的流向是5－4－VD4－d－地－负载－c－5。因此在负载RL上所检测的电压uL就重现x(t)的波形。第三章信号转换与处理电路1.19调制与解调图3.8相敏检波第三章信号转换与处理电路1.20调制与解调这种相敏检波是利用二极管的单向导通作用将电路输出极性换向。这种电路相当于在Oa段把xm(t)的零线下的负部翻上去，而在ab段把正部翻下来，所检测到的信号uL是经过“翻转”后信号的包络。动态电阻应变仪是电桥调幅与相敏检波的典型实例。如图3.9所示，电桥由振荡器供给等幅高频振荡电压，经过放大、相敏检波和滤波取出被测信号。该种电路称作动态电阻应变仪，是因为它最早用于应变测量。实际上电感、电容传感器所接交流电路电桥都采用该种电路。试件电桥放大相敏检波低通显示记录振荡器图3.9动态电阻应变仪方框图第三章信号转换与处理电路1.21调制与解调二.频率调制与解调1.频率调制由于调频信号在传输过程中不易受到干扰，并且调频和调相也很容易实现数字化，所以在测量、通信和电子技术的许多领域中得到了越来越广泛的应用。调频就是用调制信号去控制高频载波信号的频率。常用的是线性调频，即让调频信号的频率按调制信号的线性函数变化。如图3.10所示是利用信号电压的幅值控制一个振荡器，振荡器输出的是等幅波，但其振荡频率偏移量和信号电压成正比。信号电压为正值时调频波的频率升高，负值时则降低；信号电压为零时，调频波的频率就等于中心频率。第三章信号转换与处理电路1.22调制与解调(a)锯齿波调频(b)正弦波调频图3.10调频信号的波形第三章信号转换与处理电路1.23调制与解调调频波的瞬时频率为0fff式中f0——载波频率，或称为中心频率；∆f——频率偏移，与调制信号x(t)的幅值成正比。设调制信号为x(t)的幅值为X0、频率为fm的余弦波，其初始相位为0，则0m()cos2xtXft载波信号为000m()cos(2),ytYftff调频时载波的幅度Y0和初始相位角不变，瞬时频率f(t)围绕着f0随调制信号电压作线性变化，因此00f0m0fm()cos2cos2ftfkXftffft第三章信号转换与处理电路1.24调制与解调式中是由调制信号X0决定的频率偏移，（为比例常数，其大小由具体的调频电路决定）。fff0fKXfK由式(3-7)可见，频率偏移与调制信号的幅值成正比，与调制信号的频率无关，这是调频波的基本特征之一。常用的调频方法有直接调频法、电参数调频法、电压调频等。直接调频法是利用被测参数的变化直接引起传感器输出信号频率的改变，图3.11所示的就是一个典型例子，是用于测量力的振弦式传感器的原理图，其中振弦3的一端与支撑相连，另一端与膜片1相连。在外加激励作用下，振弦3按固有频率c振动，且c随张力FT的变化而变化。振弦3在磁场2内振动时产生感应电动势，它就是受张力FT调制的调频信号。第三章信号转换与处理电路1.25调制与解调图3.11振弦式调频传感器图3.12电参数调频电路1－膜片；2－磁场；3－振弦；4－支承第三章信号转换与处理电路1.26调制与解调在被测量小范围变化时，电容(或电感)的变化也有与之对应的接近线性的变化。例如，在电容传感器中以电容作为调谐参数，因此，回路的振荡频率将和调谐参数的变化呈线性关系，也就是说，在