1、23 七月 2022第10章 檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)處理23 七月 202210.2 信號(hào)的放大210.1 調(diào)制與解調(diào)110.3 信號(hào)在傳輸過程中的轉(zhuǎn)換技術(shù)3目 錄10.4 信號(hào)的非線性校正423 七月 2022知識(shí)目標(biāo)：（1）了解調(diào)制和解調(diào)的概念以及信號(hào)的非線性校正。 （2）掌握信號(hào)放大中的幾種放大器的工作原理及應(yīng)用。（3）熟悉信號(hào)在傳輸過程中的變換技術(shù)。教學(xué)目標(biāo)技能目標(biāo)：（1）能夠根據(jù)信號(hào)要求選擇合適的信號(hào)放大器。（2）掌握信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)組成及維護(hù)使用能力。23 七月 2022情感目標(biāo)：（1）養(yǎng)成良好的工作責(zé)任心、堅(jiān)強(qiáng)的意志力和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)。 （2）具有工作與學(xué)習(xí)良好的交流與團(tuán)隊(duì)合作能力 。教學(xué)重

2、難點(diǎn)教學(xué)重點(diǎn)：信號(hào)放大的工作原理和應(yīng)用及信號(hào)的轉(zhuǎn)換。教學(xué)難點(diǎn)：信號(hào)的非線性補(bǔ)償技術(shù)。23 七月 202210.1 調(diào)制與解調(diào) 在被測(cè)信號(hào)上疊加一高頻信號(hào)，將它從低頻區(qū)推移到高頻區(qū)，這樣可以提高電路的抗干擾能力和信號(hào)的信噪比。以一個(gè)高頻正弦信號(hào)或脈沖信號(hào)作為載體，這個(gè)載體稱為載波信號(hào)。用來改變載波信號(hào)的某一參數(shù)，如幅值、頻率、相位的信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)。經(jīng)過調(diào)制的載波信號(hào)稱為已調(diào)信號(hào)。已調(diào)信號(hào)一般都便于放大和傳輸。1.調(diào)制的概念10.1.1 調(diào)制與解調(diào)的概念23 七月 2022在信號(hào)調(diào)制中常以一個(gè)高頻正弦信號(hào)作為載波信號(hào)。正弦信號(hào)的三要素為幅值、頻率和相位，對(duì)這三個(gè)參數(shù)進(jìn)行調(diào)制，分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻和

3、調(diào)相，其波形分別稱為調(diào)幅波、調(diào)頻波和調(diào)相波。 調(diào)制的過程包含以下三種：（1）高頻振蕩的幅度受緩變信號(hào)控制時(shí)，稱為調(diào)幅，以AM表示。（2）高頻振蕩的頻率受緩變信號(hào)控制時(shí)，稱為調(diào)頻，以FM表示。（3）高頻振蕩的相位受緩變信號(hào)控制時(shí)，稱為調(diào)相，以PM表示。23 七月 2022（a）調(diào)頻波（b）調(diào)幅波圖10-2 兩種典型的波形23 七月 2022 從已經(jīng)調(diào)制的信號(hào)中提取反映被測(cè)量值的測(cè)量信號(hào)，這一過程稱為解調(diào)。所謂解調(diào)就是從已被放大和傳輸?shù)?，且有原來信?hào)信息的高頻信號(hào)中，把原來信號(hào)取出的過程。解調(diào)的目的是為了恢復(fù)原來的信號(hào)。 2.解調(diào)的概念23 七月 202210.1.2 幅值調(diào)制與幅值解調(diào)1.幅值調(diào)

4、制幅值調(diào)制簡(jiǎn)稱為調(diào)幅，是指將一個(gè)載波信號(hào)（簡(jiǎn)諧信號(hào)）與調(diào)制信號(hào)（測(cè)試信號(hào)）相乘，使載波信號(hào)隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化。圖10-3 調(diào)幅的原理圖23 七月 20222.幅值解調(diào)從已調(diào)信號(hào)中檢出調(diào)制信號(hào)的過程稱為幅值解調(diào)或檢波。檢波是為了恢復(fù)被調(diào)制的信號(hào)。最常見的檢波方法是包絡(luò)檢波和相敏檢波。 23 七月 2022（a）偏置電壓足夠大 （b）偏置電壓不夠大圖10-4 調(diào)制信號(hào)疊加偏置后的調(diào)幅信號(hào)23 七月 20221）包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波是一種對(duì)調(diào)幅信號(hào)進(jìn)行解調(diào)的方法，其原理是利用二極管所具有的單向?qū)щ娦?，截去調(diào)幅信號(hào)的下半部，再用濾波器濾除其高頻成分，從而得到按調(diào)幅信號(hào)包絡(luò)線變化的調(diào)制信號(hào)。23 七月

5、2022（a）調(diào)幅信號(hào)的波形（b）截去調(diào)幅信號(hào)的下半部的波形（c）檢波后的波形23 七月 2022圖10-6 采用二極管作為整流元件的包絡(luò)檢波電路23 七月 2022圖10-7 采用晶體管作為整流元件的包絡(luò)檢波電路23 七月 2022圖10-8 采用電橋作為整流元件的相敏檢波電路23 七月 2022圖10-9 相敏檢波的過程23 七月 2022式中，f0為中心頻率或稱為載波信號(hào)的頻率（Hz）；f為調(diào)制信號(hào)頻率的偏移量，且與調(diào)制信號(hào) 的幅值成正比（Hz）。10.1.3 頻率調(diào)制與頻率解調(diào)1.頻率調(diào)制 調(diào)頻就是用調(diào)制信號(hào)去控制高頻載波信號(hào)的頻率。常用的調(diào)頻方法是線性調(diào)頻，即讓調(diào)頻信號(hào)的頻率隨調(diào)制信

6、號(hào)按線性規(guī)律變化。23 七月 2022調(diào)制信號(hào)載波信號(hào)瞬時(shí)頻率 式中，ff 為由調(diào)制信號(hào)的幅值X0決定的頻率的偏移量，ff =Kf X0（Kf為比例常數(shù)，其大小由具體的調(diào)頻電路決定）（Hz） 23 七月 2022頻率的偏移量與調(diào)制信號(hào)的幅值成正比，與調(diào)制信號(hào)的頻率無關(guān)常用的調(diào)頻方法有直接調(diào)頻法、電參數(shù)調(diào)頻法和電壓調(diào)頻法等。 23 七月 2022圖10-10 振弦式傳感器的原理圖1膜片； 2磁場(chǎng)； 3振弦； 4支撐（1）直接調(diào)頻法。直接調(diào)頻法是利用被測(cè)參數(shù)的變化直接引起傳感器輸出信號(hào)頻率的改變。 23 七月 2022圖10-11 電參數(shù)調(diào)頻電路（2）電參數(shù)調(diào)頻法。被測(cè)參數(shù)的變化轉(zhuǎn)化為傳感器的線圈

7、、電容和電阻的變化，引起振蕩器振蕩頻率的變化 。23 七月 20223）電壓調(diào)頻法。利用電壓變化來控制振蕩回路中傳感器的線圈、電容和電阻的變化，從而使振蕩頻率得到調(diào)制。 23 七月 2022圖10-12 采用變壓器耦合的諧振回路鑒頻法2.頻率解調(diào)調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)是由鑒頻器完成的，指從調(diào)頻信號(hào)中檢測(cè)出反映被測(cè)參數(shù)變化的調(diào)制信號(hào)。 23 七月 202210.2 信號(hào)的放大將傳感器的微弱信號(hào)精確地放大到所需要的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)(直流15 V或420 mA)，并達(dá)到所需要的技術(shù)指標(biāo)，稱為信號(hào)的放大。 23 七月 20221.反相比例放大器圖10-13 簡(jiǎn)單的反相比例放大器的內(nèi)部電路圖10.2.1 比例放大器

8、23 七月 2022圖10-14 高輸入阻抗反相放大器的內(nèi)部電路圖23 七月 20222.同相比例放大器圖10-15 同相比例放大器的內(nèi)部電路圖23 七月 20223.差動(dòng)比例放大器圖10-16 差動(dòng)比例放大器的內(nèi)部電路圖優(yōu)點(diǎn)：能抑制共模信號(hào)，抗干擾能力強(qiáng)。23 七月 2022圖10-17 增益可調(diào)的差動(dòng)比例放大器的內(nèi)部電路圖23 七月 20221.電源接地式電橋放大器圖10-18 電源接地式電橋放大器的內(nèi)部電路圖10.2.2 電橋放大器23 七月 20222.電源浮地式電橋放大器（a）電橋放大器同相端接地 （b）電橋運(yùn)算放大器反相端接地圖10-19 電源浮地式電橋放大器的內(nèi)部電路圖23 七月

9、 2022圖10-20 線性放大器的內(nèi)部電路圖10.2.3 線性放大器圖10-20實(shí)際上是在圖10-18的基礎(chǔ)上增加了一級(jí)求和電路A2和一級(jí)反相電路A3，其電路形成的線性放大器的非線性偏差很小，常用在要求較高精度的測(cè)量電路中。23 七月 2022圖10-21 集成運(yùn)放交流電壓同相放大器的內(nèi)部電路圖10.2.4 交流電壓同相放大器23 七月 2022圖10-22 三運(yùn)放結(jié)構(gòu)的測(cè)量放大電路10.2.5 測(cè)量放大器23 七月 2022測(cè)量放大器具有以下特點(diǎn)：（1）測(cè)量放大器是一種帶有精密差動(dòng)電壓增益的元件。 （2）測(cè)量放大器具有高輸入電阻、低輸出電阻。 （3）測(cè)量放大器具有強(qiáng)抗共模干擾能力、低溫漂、

10、低 失調(diào)電壓和高穩(wěn)定增益等特點(diǎn)。 （4）測(cè)量放大器在檢測(cè)微弱信號(hào)的系統(tǒng)中被廣泛用作前置放大器。23 七月 202210.2.6 程控增益放大器 程控增益放大器是自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)和智能儀器中實(shí)現(xiàn)量程增益自動(dòng)轉(zhuǎn)換和調(diào)整信號(hào)電平的重要元件。 由運(yùn)算放大器、模擬開關(guān)驅(qū)動(dòng)電路和電阻網(wǎng)絡(luò)組成。其基本形式可分為反相輸入和同相輸入。 23 七月 20221.反相輸入程控增益放大器圖10-23 反相輸入程控增益放大器的內(nèi)部電路圖式中，Rf為R1、R2、R3的等效電阻。23 七月 20222.同相輸入程控增益放大器圖10-24 同相輸入程控增益放大器的內(nèi)部電路圖式中，RT為網(wǎng)絡(luò)上各電阻之和（）； 為閉合開關(guān)與接地點(diǎn)之

11、間電阻之和（）。23 七月 202210.2.7 隔離放大器 隔離放大器是由隔離放大電路組成的，它是一種特殊的測(cè)量放大電路，其輸入回路與輸出回路之間是電絕緣的，沒有直接的電耦合 。 在隔離放大器中信號(hào)的耦合方式主要有兩種：一種是通過光電耦合，稱為光電耦合隔離放大器；另一種是通過電磁耦合，即經(jīng)過變壓器傳遞信號(hào)，稱為變壓器耦合隔離放大器。 23 七月 20221.變壓器耦合隔離放大器圖10-27 變壓器耦合隔離放大器的原理圖23 七月 20222.光電耦合隔離放大器圖10-28 光電耦合隔離放大器的原理圖23 七月 2022圖10-29 典型的數(shù)字控制系統(tǒng)框圖10.3 信號(hào)在傳輸過程中的轉(zhuǎn)換技術(shù)2

12、3 七月 202210.3.1 A/D轉(zhuǎn)換1.A/D轉(zhuǎn)換的概念和原理1）A/D轉(zhuǎn)換的概念模擬信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換稱為A/D轉(zhuǎn)換。能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的元件稱為A/D轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱為ADC。23 七月 2022圖10-31 A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)處理過程23 七月 2022圖10-33 A/D轉(zhuǎn)換的過程2）A/D轉(zhuǎn)換的原理一般的A/D轉(zhuǎn)換過程是通過采樣、保持、量化和編碼這四個(gè)步驟完成的 23 七月 2022圖10-34 A/D轉(zhuǎn)換的波形變化23 七月 2022A/D轉(zhuǎn)換的過程可分為以下幾步：（1）采樣。 圖10-35 A/D轉(zhuǎn)換的采樣過程及波形圖23 七月 2022（2）保持。 圖10-36 保持

13、過程的電路圖和采樣輸出波形圖23 七月 2022（3）量化和編碼。 23 七月 202223 七月 20222.常用的A/D轉(zhuǎn)換類型A/D轉(zhuǎn)換的類型有很多種，按電路結(jié)構(gòu)可分為并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換、雙積分型A/D轉(zhuǎn)換和逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換等。 23 七月 20221）并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換圖10-37 3位并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部電路圖23 七月 2022并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器具有以下特點(diǎn)：（1）由于轉(zhuǎn)換是并聯(lián)的，其轉(zhuǎn)換時(shí)間只受電壓比較器、觸發(fā)器（指寄存器內(nèi)電路）和編碼電路（指代碼轉(zhuǎn)換器內(nèi)電路）延遲時(shí)間的限制，因此，轉(zhuǎn)換速度最快。（2）隨著分辨率的提高，元件數(shù)目要按幾何級(jí)數(shù)增加。一個(gè)n位并聯(lián)比

14、較型A/D轉(zhuǎn)換器所用電壓比較器的個(gè)數(shù)為2n1，如8位的并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器就需要255（281）個(gè)電壓比較器。由于位數(shù)越多，電路越復(fù)雜，因此，制成分辨率較高的集成并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器是比較困難的。（3）使用這種含有寄存器的并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換電路時(shí)，可以不用附加采樣保持電路，因?yàn)殡妷罕容^器和寄存器這兩部分也兼有采樣保持功能，這也是該電路的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。23 七月 20222）雙積分型A/D 轉(zhuǎn)換基本原理是對(duì)輸入模擬電壓和參考電壓分別進(jìn)行兩次積分，將輸入電壓的平均值變換成與之成正比的時(shí)間間隔，然后利用時(shí)鐘脈沖和計(jì)數(shù)器測(cè)出此時(shí)間間隔，進(jìn)而得到相應(yīng)的數(shù)字量輸出。由于該轉(zhuǎn)換電路是對(duì)輸入電壓的平均值進(jìn)行

15、轉(zhuǎn)換的，因而它具有很強(qiáng)的抗工頻干擾能力，且已在數(shù)字測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用。 23 七月 20222）雙積分型A/D 轉(zhuǎn)換圖10-38 雙積分型A/D 轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部電路圖23 七月 20223）逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換逐次逼近型A/D轉(zhuǎn)換過程與用天平稱物重非常相似。按照天平稱重的思路，逐次逼近型A/D 轉(zhuǎn)換器就是將輸入模擬信號(hào)與不同的參考電壓作多次比較，使轉(zhuǎn)換所得的數(shù)字量在數(shù)值上逐次逼近輸入模擬量的對(duì)應(yīng)值。 23 七月 2022圖10-39 4位逐次逼近型A/D 轉(zhuǎn)換器的邏輯電路 23 七月 20223.A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) 1）轉(zhuǎn)換精度 單片集成A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度是用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述的

16、。（1）分辨率。分辨率是指A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力，以輸出二進(jìn)制數(shù)（或十進(jìn)制數(shù)）的位數(shù)表示。從理論上講，以n位二進(jìn)制數(shù)輸出的A/D轉(zhuǎn)換器能區(qū)分2n個(gè)不同等級(jí)的輸入模擬電壓，并且能區(qū)分輸入電壓的最小值為滿量程輸入值的1/2n。當(dāng)最大輸入電壓一定時(shí)，輸出位數(shù)越多，量化單位越小，分辨率越高。（2）轉(zhuǎn)換誤差。轉(zhuǎn)換誤差表示A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的數(shù)字量和理論輸出的數(shù)字量之間的差別。它常用最低有效位的倍數(shù)表示。 23 七月 20222）轉(zhuǎn)換時(shí)間轉(zhuǎn)換時(shí)間是指A/D轉(zhuǎn)換器從轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所經(jīng)過的時(shí)間。并聯(lián)比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度最高，逐漸逼近型A/D轉(zhuǎn)換器次之，雙積

17、分型A/D轉(zhuǎn)換器的速度最慢。 23 七月 202210.3.2 D/A轉(zhuǎn)換1.D/A轉(zhuǎn)換的概念和原理1）D/A轉(zhuǎn)換的概念數(shù)字信號(hào)到模擬信號(hào)的轉(zhuǎn)換稱為D/A轉(zhuǎn)換。能把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的元件稱為D/A轉(zhuǎn)換器，簡(jiǎn)稱為DAC。23 七月 2022式中，UREF 為參考電壓（V）；Uo為輸出模擬量（V）；D為數(shù)字量。 2）D/A轉(zhuǎn)換的原理把輸入數(shù)字量中每位都按其權(quán)值分別轉(zhuǎn)換成模擬量，并通過運(yùn)算放大器求和相加。 23 七月 2022圖10-41 D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換特性數(shù)字量是用代碼按數(shù)位組合起來表示的，對(duì)于有權(quán)碼，每位代碼都有一定的權(quán)。為了將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，必須將每1位的代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相

18、應(yīng)的模擬量，然后將這些模擬量相加，即可得到與數(shù)字量成正比的總模擬量，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)字與模擬轉(zhuǎn)換。 23 七月 20222.D/A轉(zhuǎn)換器的類型 1）倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器圖10-42 4位倒T形電阻網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部電路圖23 七月 20222）權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器圖10-43 權(quán)電流型D/A轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部電路圖23 七月 20223.D/A轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo) 1）轉(zhuǎn)換精度D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換精度通常是用分辨率和轉(zhuǎn)換誤差來描述。（1）分辨率。分辨率是指D/A轉(zhuǎn)換器模擬輸出電壓可能被分離的等級(jí)數(shù)。輸入數(shù)字量位數(shù)越多，輸出電壓可分離的等級(jí)越多，即分辨率越高。在實(shí)際應(yīng)用中，往往用輸入數(shù)字量的位數(shù)表

19、示D/A轉(zhuǎn)換器的分辨率。 （2）轉(zhuǎn)換誤差。轉(zhuǎn)換誤差的來源很多，如D/A轉(zhuǎn)換器中各元件參數(shù)值的誤差、基準(zhǔn)電源不夠穩(wěn)定和運(yùn)算放大器零漂的影響等，都會(huì)引起轉(zhuǎn)換誤差。 23 七月 20222）轉(zhuǎn)換速度轉(zhuǎn)換速度是指轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換的快慢（1）建立時(shí)間。建立時(shí)間是指輸入數(shù)字量變化時(shí)，輸出電壓變化到相應(yīng)穩(wěn)定電壓值所需的時(shí)間，一般是指D/A轉(zhuǎn)換器輸入的數(shù)字量從全0變?yōu)槿?時(shí)，輸出電壓達(dá)到規(guī)定電壓值所需的時(shí)間。（2）轉(zhuǎn)換速率。轉(zhuǎn)換速率是指信號(hào)最大值工作狀態(tài)下模擬電壓的變化率。23 七月 20223）溫度系數(shù)溫度系數(shù)是指在輸入不變的情況下，輸出模擬電壓隨溫度變化產(chǎn)生的變化量。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高1 ，輸出電

20、壓變化的百分?jǐn)?shù)作為溫度系數(shù)。23 七月 202210.4 信號(hào)的非線性校正在自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，使用檢測(cè)元件把被檢測(cè)量轉(zhuǎn)換成電量的時(shí)侯，被檢測(cè)量與大多數(shù)檢測(cè)元件的輸出電量往往不呈線性關(guān)系，從而導(dǎo)致非線性輸出。導(dǎo)致非線性輸出的原因很多，常見的有：（1）檢測(cè)元件變換原理導(dǎo)致的非線性。 （2）測(cè)量轉(zhuǎn)換電路導(dǎo)致的非線性 這些問題的解決有以下三種方法：（1）縮小測(cè)量范圍，取近似值。（2）采用非線性指示刻度。（3）加非線性校正環(huán)節(jié)。23 七月 2022圖10-44 校正特性的求取方法10.4.1 校正曲線的求取23 七月 2022圖10-45 校正特性折線逼近法10.4.2 模擬量的非線性校正23 七月 2022圖