第五章 信号调理-调制与电桥
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勘误第5章模拟信号的调理与转换
第5章 模拟信号的调理与转换测试系统的一个重要环节是信号的调理与转换。
被测物理量经传感器后的输出一般了抑制干扰噪声、提高信噪比和方便后续的传输和处理，往往需要对这些电信号调电桥是将电阻、电容和电感等参数或电流输出的一种测量电路。
电桥电路简单可靠，且具，被广泛用作仪器测量电路。
电桥可分为5.直流R 桥的一条对角线两端a 和c 接入直流电源b 和d 上输出电压y e ，该输出可直接驱动指示仪表，也可接直的出为电信号。
由于测量过程中不可避免地遭受各种干扰因素的影响，为作调理和转换。
本章主要讨论模拟信号常用的调理与转换环节，包括电桥、制与解调、滤波器、以及数/模与模/数转换。
5.1 电桥的变化转换为电压有很高的精度和灵敏度，因此按其采用的激励电源类型分为直流电桥和交流电桥；按其工作方式又零值法（平衡电桥）和偏值法（不平衡电桥）。
1.1 直流电桥电桥如图5.1所示，纯电阻1R 、2、3R 和4R组成电桥的四个桥臂，在电o e ，而另一对角线两端入后续放大电路。
流电桥的输出端后接输入阻抗较大仪表或放大电路时，可视为开路，其输为零，此时有电流o 112e I R R =+，o2e I R R =图5.1 直流电桥结构形式34+ 由此可得出b 、d 两端输出电压158()()14o o 12341324o1234b ad R R U e e R R R R R R R R eR R R R ⎛⎞=−=−⎜⎟++⎝⎠−++ （5-1y e 为零，即当电桥平衡时，应有y a e U =）由式（5-1）可知，要使输出电压式（5-2）为直流电桥平衡公式。
直流电桥的工作原理是：四个桥臂中的一个或数个桥臂的阻值变化而引电各桥臂的阻值，可使输出电压（或电流）仅直流电桥的优点是：采用稳定性高的直流电源作激励电源；电桥的输出e 是直流成入工频干扰较5.入b 、d 测量。
电桥平衡条件下，检流计G 的指示为零变化时，电桥不平衡，检流计G 的电流不为零。
信号调理
R1R3 R2 R4 U R1 R2 R3 R4
b
R1 ±ΔR R2
R1 R R R2 R3 R4 R
a
( R R ) R R R R R R 2 U U U [1 ( ) ] (2 R R)(2 R) 4 R 2R 4R 2R 2R
积分复原型电压频率器
工作原理： vi积分后的电压vo与比较器电压v 比较, vo＝ vR翻转， 比较器输出控制模拟开关切换到v ,模拟开关使积分器 复原为零。
R F
积分器输出：
v0
1 vi dt
经过一段T1时间后
1 v0 viT1 vR
经过一段时间T2后复原为零。
比较器输出频率：
改变电阻的大小来调节负载电流。 负载电流受到运算放大器带负载能力的限制，一般在 数毫安以下。
电压－电流转换电路
• 负载浮置的同相运算放大器放大电路
vi I L I1 R1
由于同相运算放大器的输入阻抗非常高，输入信号 源几乎不提供电流。 负载电流的大小要受到运算放大器允许输出电流 的限制。
电压－电流转换电路
3)带宽B和品质因数Q:上下两截频的频率范围称为带宽 中心频率和带宽之比称为品质因数 4)选择性 （1）倍频程选择性W:指在上截止频率fc2与 2fc2之间幅频特性的 衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。 （2）滤波器因子 幅频特性为－60dB时的带宽与－3dB时的带宽 之比
信号的线性变换
• 传感器输出微弱信号经过放大后还需根据 后续的测量仪表、数据采集器、计算机外 围接口电路等仪器对输入信号的要求进行 相应的各种变换。 • 电压－电流变换，电压－频率变换、数字 －模拟变换、模拟－数字变换等。
【学习】第五章信号调理电路
一般采用音频交流电压（5～10kHZ）作为电桥电源。 这时，电桥输出将为调制波，外界工频干扰不易从线路 中引入，并且后接交流放大电路简单无零漂。
采用交流电桥时，必须注意影响测量误差的一些因素。
如：电桥中元件之间的互感影响；无感电阻的残余阻抗； 邻近交流电路对电桥的感应作用；泄漏电阻以及元件之间、 元件与地之间的分布电容等。
整理课件
33
整理课件
34
§2 调频与解调
（1）调频
调频（频率调制）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。
当信号电压为零时，调频波的频率等于中心频率（载波频 率）；信号电压为正值时频率提高，负值时则降低。所以调 频波是随信号而变化的疏密不等的等幅波。
-fm
fm
－f0
f0
时域分析
频域分析
由脉冲函数的卷积性质知：一个函数与单位脉冲函数卷积的结
果，就是将其以坐标原点为中心的频谱平移到该脉冲函数处。
即调制后的结果就相当于把原信号的频谱图形由原点平移至
载波频率 f 0 处，幅值减半。
整理课件
24
从调幅原理看，载波频率 f 0 必须高于原 信号中的最高频率 f m 才能使已调波仍 保持原信号的频谱图形，不致重叠。
整理课件
27
g(t)1 2x(t)1 2x(t)co4sf0t
据傅里叶变换性质可得：
G (f) 1 2X (f) 1 4X (f 2 f0 ) 1 4X (f 2 f0 )
若用一个低通滤波器滤去中心
频率为 2 f 0 的高频成分，那
么将可以复现原信号的频谱 （幅值减小为一半），若用放 大处理来补偿幅值减小，可得 到原调制信号。
测试原理与技术
& & & & Z1 Z 3 = Z 2 Z 4
交流电桥
§5-1 电桥
& = Ze jφ Z
则电桥平衡时， 则电桥平衡时，有：
Z1 Z 3e
也可表示为： 也可表示为：
j (φ1 +φ3 )
= Z 2 Z 4e
j (φ2 +φ4 )
Z1 Z 3 = Z 2 Z 4
φ1 + φ3 = φ2 + φ4
§5-1 电桥
第五章 模拟信号的变换和处理
目的： 目的：
信号调理的目的是便于信号的传输与处理。 信号调理的目的是便于信号的传输与处理。 传感器输出的电信号很微弱， 1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到 显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大， 显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还 要进行阻抗变换。 2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声， 2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需 有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声 要去掉噪声，提高信噪比。 要去掉噪声，提高信噪比。 3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感 3.某些场合，为便于信号的远距离传输， 某些场合 器测量信号进行调制解调处理。 器测量信号进行调制解调处理。
§5-1 电桥
3、非线性误差及其补偿
性误差的大小为
1 ∆R1 e0 之间的差就是非线性误差， 它和 4 R1 之间的差就是非线性误差，即非线
上式是在忽略掉u 上式是在忽略掉u0表达式的分母中 项后得 到的，如果考虑它的影响， 到的，如果考虑它的影响，上式应成为 ∆R1 1 u0 = e0 ⋅ R1 2(2 + ∆R1 ) R1
对于常用金属应变片可设 K 0 = 2 ，则 γ = ε 。 在弹性范围内， 常在0.1 以下。 0.1％ 在弹性范围内，ε常在0.1％以下。所以非线性误 K0 = 差不大。 差不大。而对半导体应变片100 150 ，相应地 非线性误差也要大大增加， 非线性误差也要大大增加，因此半导体应变片在用 于单臂电桥的情况下，不适于测量大应变。 于单臂电桥的情况下，不适于测量大应变。
测试信号的调理(调制与调节)
机械工程测试技术
第6章
测试信号的调理及记录
第6 章 第一节 概
测试信号的调理及其记录 述
第二节
第三节 第四节 第五节
电
桥
滤波器 调制与解调 信号的显示、记录与存储
1
机械工程测试技术
第6章
测试信号的调理及记录
第一节
概
述
·传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接 输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大， 有的还要进行阻抗变换。 ·有些传感器输出电信号中混杂有干扰噪声，需 要去掉噪声，提高信噪比。 ·某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对 传感器测量信号进行调制解调处理。
1 2
20log(
A0 A0
2
) 20log 2
3dB
24
机械工程测试技术
第6章
测试信号的调理及记录
（ 2 ）纹波幅度 d ：实际滤波器在通频带内可能出现纹 波变化。其波动幅度d与幅频特性的稳定值A0相比，越小越好， 一般应远小于-3dB。即
d A0
2
（3）带宽B：上下两截频间的频率范围称为带宽（-3dB 带宽）。带宽表示滤波器的分辨能力，即滤波器分离信号中 相邻频率成分的能力。
·电感电桥
( R1 jL1 ) R3 ( R4 jL4 ) R2
平衡条件
R1 R3 R4 R2 L1 R3 L4 R2
要使电桥达到平衡，必须同时调节电阻与电感两个参数， 即调节电阻达到电阻平衡，调节电感达到电感平衡。
13
机械工程测试技术
第6章
测试信号的调理及记录
灵敏度：
1 e S u 4 1 e S u 2
·半桥
Z 0 e u 输出电压： u 2Z 0
第6章
测试信号的调理及记录
第6 章 第一节 概
测试信号的调理及其记录 述
第二节
第三节 第四节 第五节
电
桥
滤波器 调制与解调 信号的显示、记录与存储
1
机械工程测试技术
第6章
测试信号的调理及记录
第一节
概
述
·传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接 输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大， 有的还要进行阻抗变换。 ·有些传感器输出电信号中混杂有干扰噪声，需 要去掉噪声，提高信噪比。 ·某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对 传感器测量信号进行调制解调处理。
1 2
20log(
A0 A0
2
) 20log 2
3dB
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机械工程测试技术
第6章
测试信号的调理及记录
（ 2 ）纹波幅度 d ：实际滤波器在通频带内可能出现纹 波变化。其波动幅度d与幅频特性的稳定值A0相比，越小越好， 一般应远小于-3dB。即
d A0
2
（3）带宽B：上下两截频间的频率范围称为带宽（-3dB 带宽）。带宽表示滤波器的分辨能力，即滤波器分离信号中 相邻频率成分的能力。
·电感电桥
( R1 jL1 ) R3 ( R4 jL4 ) R2
平衡条件
R1 R3 R4 R2 L1 R3 L4 R2
要使电桥达到平衡，必须同时调节电阻与电感两个参数， 即调节电阻达到电阻平衡，调节电感达到电感平衡。
13
机械工程测试技术
第6章
测试信号的调理及记录
灵敏度：
1 e S u 4 1 e S u 2
·半桥
Z 0 e u 输出电压： u 2Z 0
《测试技术》复习要点2024-
《测试技术》2024考试题型及复习资料一、填空（2分*5=10分）测试的基本概念1.测试技术是（测量）和（试验）技术的统称。
测试的目的是( 获取被测对象信息)测量的目的是获取被测对象的（量值））。
2.按误差的性质（统计特征）分，测量误差可以分为：（系统误差、粗大误差和随机误差）。
按误差的表示方法分，误差可以分为：（绝对误差、相对误差和引用误差）3.信号频谱的特点：周期信号频谱的特点（离散非周期）/非周期（连续非周期）周期信号的频谱特点是：（离散性、谐波性和收敛性）。
周期信号的频谱是（离散）的，非周期信号的频谱是（连续）的。
非周期信号x(t)的傅里叶变换X(jf)是（频谱密度函数）联系信号时域与频率的数学工具是（傅里叶变换）信号在时域时移，其频谱在频域（相移），幅频（不变）4.测试系统的静态特性指标的定义，具体指标的定义在静态测量情况下，（测量装置的静态特性）描述实际测量装置与（理想线性时不变系统）的接近程度；5.测量装置的静态特性指标有：（线性度、灵敏度、回程误差、迟滞、分辨力）等。
6.精度等级为0.1级的电压表，表示该电压表的引用误差为（±0.1%）7.（非线性度）是指测量装置输入输出之间的关系与理想比例关系的偏离程度。
8.一阶测试系统适用于测量(低频或缓变)的被测量9.为了减小误差，在实际测试中，一固有频率为2kHz的二阶测试系统，适用于测量频率不超过(2/3kHz)的信号10.按型号的变换特征来分，玻璃管温度计属于（物性）型传感器。
电容传声器属于（结构）型传感器。
11.极距变化性的电容式传感器，器灵敏度与极距成（反比）12.交流电阻桥的实质是一个（乘法器/幅值调制器）器。
输出是（调幅波）13.信号调理包括（电桥、调制与解调和滤波放大）14.所谓平稳随机过程是指其（统计指标）不随时间的变化而变化的随机过程。
15.直接作用于被测量,并能够按一定的规律将被测量转换成同种或别种两只输出的器件称之为(传感器)。
第5章信号调理电路PPT课件
2020/11/7
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5.2.5 程控增益放大电路
是通过数字逻辑电路或计算机编程来改变增益的方法，也称为 可编程增益放大电路，简称PGA 结构形式多种多样，分为单运放、多运放、仪表放大器和单片 集成程控增益放大电路 多路模拟开关
2020/11/7
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
A2A1A0为地址选择端，COM为公共端， GND为接地端，当A2A1A0 ＝000时，开关 S0闭合，通道I0与公共端COM接通，其他 开关断开；当 A2A1A0 ＝001时，开关S1闭 合，通道I1与公共端COM接通，其他开关 断开；…，依此类推。当禁止端EN=0时， 通道I0～I7均不通。
• 测量精度高，其精度取决于电位器的精度。
• 输出与供桥电源电压无关，可避免由于电源
电压的不稳定而带来的干扰。
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9
5.1.3 交流电桥
交流电桥平衡条件：
即： 幅值平衡
相角平衡
平衡条件 (R3j 1C3)R2(R4j1C4)R1
即 R3R2 R4R1
R2 R1 C3 C4
2020/11/7
信号调理电路
Signal Conditioning Circuit
2020/11/7
1
信号调理电路
电桥 信号的放大电路 信号的转换电路 滤波电路 调制与解调
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2
5.1 电 桥
测量电桥有以下几个特点： (1)能把电阻、电容、电感等电抗参数的变化，变换成 电压或电流的变化，便于信号的放大和处理。 (2)能测量出微弱的阻抗变化量。 (3)可以通过采用对称差动式传感器结构组成差动半桥 或全桥来实现非线性误差的补偿，并提高电桥输出的 灵敏度。
5.2 信号调理技术-调制
b) 频率调制(FM) ← y(t)的频率随x(t)变化而变化
y(t ) Acos(2[ f0 kf x(t )] t )
c) 相位调制(PM) ← y(t)的相位随x(t)变化而变化
y( t ) A cos{2 ft [0 kφ x ( t )]}
调制与解调
机械工程测试技术
机械工程测试技术
•重叠失真：调幅波是由一对每边为 fm 的双边带信 号组成。当载波频率 fz 较低时，正频端的下边带将 与负频端的上边带相重叠。要求: fz ＞ fm
调制与解调
机械工程测试技术
(3) 相敏检波（整流检波） 相敏检波的特点是可以 鉴别调制信号的极性，所以 采用相敏检波时，对调制信 号不必再加直流偏置。相敏 检波利用交变信号在过零位 时正、负极性发生突变，使 调幅波的相位 (与载波比较) 也相应地产生180°的相位 跳变，这样便既能反映出原 调制信号的幅值，又能反映 其极性。
y m ( t ) xm ( t ) z ( t )
放大器 放大器
乘法器 乘法器 滤波器 滤波器
z(t)
x ( t ) cos ( 2 f z t )
2
x(t)
Байду номын сангаас
1 2
x ( t ) x ( t )cos(4 f z t )
1 2
调制与解调
机械工程测试技术
幅度调制与解调过程（频谱分析） x(t) X( f ) z(t) Z( f ) 乘法器 乘法器 xm(t)
＋ － ＋
－
－
y (t )
＋
调制与解调
机械工程测试技术
调幅 与 相敏检波
高频载波 调制信号 调幅波 相敏检波后
y(t ) Acos(2[ f0 kf x(t )] t )
c) 相位调制(PM) ← y(t)的相位随x(t)变化而变化
y( t ) A cos{2 ft [0 kφ x ( t )]}
调制与解调
机械工程测试技术
机械工程测试技术
•重叠失真：调幅波是由一对每边为 fm 的双边带信 号组成。当载波频率 fz 较低时，正频端的下边带将 与负频端的上边带相重叠。要求: fz ＞ fm
调制与解调
机械工程测试技术
(3) 相敏检波（整流检波） 相敏检波的特点是可以 鉴别调制信号的极性，所以 采用相敏检波时，对调制信 号不必再加直流偏置。相敏 检波利用交变信号在过零位 时正、负极性发生突变，使 调幅波的相位 (与载波比较) 也相应地产生180°的相位 跳变，这样便既能反映出原 调制信号的幅值，又能反映 其极性。
y m ( t ) xm ( t ) z ( t )
放大器 放大器
乘法器 乘法器 滤波器 滤波器
z(t)
x ( t ) cos ( 2 f z t )
2
x(t)
Байду номын сангаас
1 2
x ( t ) x ( t )cos(4 f z t )
1 2
调制与解调
机械工程测试技术
幅度调制与解调过程（频谱分析） x(t) X( f ) z(t) Z( f ) 乘法器 乘法器 xm(t)
＋ － ＋
－
－
y (t )
＋
调制与解调
机械工程测试技术
调幅 与 相敏检波
高频载波 调制信号 调幅波 相敏检波后
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高频信号
放大高 频信号
解调
放大缓 变信号
5.4调制与解调 幅度调制与解调过程（波形分析）
x(t)
乘法器
z(t)
x m(t)
放大器
乘法器
z(t)
滤波器
x(t)
5.4调制与解调 幅度调制与解调过程（频谱分析）
x(t)
乘法器
z(t) w w w w
x m(t)
放大器
乘法器
z(t) w
滤波器
x(t)
w
5.4调制与解调 幅度调制与解调过程（数学分析）
x(t)
乘法器
z(t)
x(t )
z (t )
x m(t)
放大器
xm (t ) x(t ) cos(2f zt )
z (t )
z(t)
乘法器
ym (t ) x(t ) cos 2f zt
2
滤波器
x(t)
x(t ) 1 2 x(t ) cos(2 2 f z t )
5.4调制与解调 实验：同步调治与解调实验 上述调制方法，将信号x(t)
非抑制调幅
若对信号x(t)进行偏置，叠加一个直流分量D， 使偏置后的信号都具有正电压。
x(t ) x' (t ) D x(t )
t
t
xm (t ) [ D x(t )]cos(2ft )
5.4调制与解调
调幅
5.4调制与解调
解调
二极管检波
低通滤波
5.4调制与解调
调幅波的波形失真
5.4调制与解调
案例：旋转机械扭距测量
RF Av 1 R1
同相放大器具有输入阻抗非 常高，输出阻抗很低的特点， 广泛用于前置放大级。
5.2 信号放大电路
3） 交流放大电路
若只需要放大交流信号，可采用图示的集成 运放交流电压同相放大器。其中电容C1、C2及C3 为隔直电容。
RF Av 1 R1
R1一般取几十千欧。耦合电容C1、C3可根据交流 放大器的下限频率fL来确定。
直接与载波z(t)相乘．这种 调幅波具有极性变化，解调 时必须再乘与z(t)相位相同 的z’(t) 方能复原出原信号， 故称同步解调．
5.4调制与解调 调幅失真：调幅波是由一对每边为fm的双边带信号 组成．当载波频率fz较低时，正频端的下边带将与 负频端的下边带相重叠．要求: fz＞fm
5.4调制与解调
5.4调制与解调
5.4调制与解调
鉴频：
T2
T4
T1
T3
F
5.4调制与解调
优点：抗干扰能力强。
因为调频信号所携带的信息包含在频率变化 之中，并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主 要表现在振幅之中．
缺点：占频带宽度大，复杂
调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅 所要求带宽的20倍；调频系统较之调幅系统复 杂，因为频率调制足一种非线性调制。
5.3 电桥电路
R1 E R2
R4
V
R3
5.3 电桥电路 对于半桥 R1 单臂，令：
R
R2 R
R3 R
R4 R dR
RR R( R dR) V E ( R R)(R R dR)
E dR 4 R
5.3 电桥电路 电桥的接法：
半桥单臂
半桥双臂
全桥
电桥输出灵敏度增倍
R1 R3 R2 R4 V E ( R1 R2 )(R3 R4 )
●平衡条件
R1R3 R2 R4
5.3 电桥电路
1 直流电桥：供桥电源为直流
上式中,四个桥臂产生的电阻变化分别为△R1, △R2, △R3,
以及△R4,且初始各臂阻值相等R1=R2=R3=R4=R,考虑到 △R1<<R,于
工程测试技术基础
第五章、测试信号调理技术
本章学习要求：
1.了解模拟信号放大电路原理 2、了解电桥工作原理
3.了解信号调制解调原理
4.了解信号滤波器工作原理
第五章、测试信号调理技术
5.1 信号调理的目的
信号调理的目的是便于信号的传输以及后续处理。 1. 传感器输出的电信号很微弱，大多数不能 直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需 要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。 2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪 声，需要去掉噪声，提高信噪比。 3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要 对传感器测量信进行调制解调处理。
是,上式可简化为:
E R1 R2 R3 R4 V 4 R R R R
各应变片灵敏度相同为Sg,于是
E V S g 1 2 3 4 4
由此可见：1）若相邻桥臂电阻同向变换，电桥输出电压变化相互抵消； 2）若相邻桥臂电阻反向变换，电桥输出电压变化叠加；
5.3 电桥电路
2 交流电桥
传感器
传感器
●平衡条件 电感
Z1Z3 Z 2 Z 4
电容
第五章、测试信号调理技术
5.4调制与解调
1 目的
解决微弱缓变信号的传输问题。
第五章、测试信号调理技术 先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去， 然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的 输出信号中取出放大了的缓变信号。 例：交流电桥
5.2 信号放大电路
5.2 信号放大
1) 反相放大器
电压增益:
RF Av R1
反馈电阻RF值不能太大，否则会产生较大的 噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。R1的 取值应远大于信号源Ui的内阻。
5.2 信号放大电路 2)同相放大器 同相放大器也是最基 本的电路 ，其闭环电压 增益Av为:
C1 C3 (3 ~ 10) /(2RL f L )
5.2 信号放大电路
4） 电荷放大器
q ei (Ca Cc Ci ) (ei e y )C f
Kq ey (C C f ) KC f
+
F
5.3 电桥电路
电桥就是将电阻、电容、电感等参数转化 为电压或电流信号输出的一种测量电路。
c) 相位调制(PM)
y(t ) A cos(2ft [0 x(t )])
5.4调制与解调
3 幅度调制
调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与 测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变 化而变化．
பைடு நூலகம்
y(t ) [ A0 * x(t )]cos(2ft )
调制
放大
缓变信号
a）过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏 置必须足够大，否则x(t)的相位将发生180。
5.4调制与解调
4 频率调制
调频是利用信号x(t)的幅值调制载波的频 率，或者说，调频波是一种随信号x(t)的电压 幅值而变化的疏密度不同的等幅波.
y(t ) A cos(2 [ f 0 x(t )]* t )
R1 R3
Vin
R2
Vo
R4
5.4调制与解调
2 种类
x(t) 调制信号
0 t
载波信号
z (t ) A cos(2ft )
z(t)
0 t
5.4调制与解调 a) 幅度凋制(AM)
y(t ) [ A * x(t )]cos(2ft )
b) 频率调制(FM)
y(t ) A cos(2 [ f0 x(t )]* t )