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北航传感器技术与测试系统实验三——信号调理及信号处理实验

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北京航空航天大学宇航学院 传感器技术与测试技术实验报告

实验名称：信号调理及信号处理实验 班 级： 姓 名： 实验三 信号调理及信号处理实验 一．实验目的 1. 了解电子称的称重原理； 2. 掌握测试系统的标定方法； 3. 掌握测试系统静态特性的分析方法； 4. 掌握模拟滤波器的设计方法和实现过程； 5. 掌握数字滤波器的设计方法和实现过程； 6. 了解测量系统的设计和实现过程。 二．实验原理： 1. 电子秤称重原理 实验中使用的电子秤，传感器为高精度高阻值电阻应变传感器。电子称原理框图及电子称结构分别为下面两图所示。 电阻应变传感器安装在悬臂梁上。悬臂梁与秤盘相连，当秤盘上放上重物后，悬臂梁产生形变，电阻应变传感器产生应变，将感受到的力或力矩的变化转变成变化的模拟信号。该模拟信号经放大调理电路，再经采样转变成便于计算机处理的数字信号，由CPU运算后，根据键盘指令及程序将结果输出到显示器上。 2. 实验滤波器设计 常用的低通滤波器为巴特沃思低通滤波器，其归一化传递函数为：

H(s)=1𝑠𝑛+𝑎𝑛−1𝑠𝑛−1+⋯+𝑎2𝑠2+𝑎1𝑠+1

二阶巴特沃思滤波器的传递函数可表示为：

其中，归一化系数B=1.414214，C=1.0000000；ωc为截止频率，K=1为增益。 一个二阶巴特沃思低通滤波器电路原理图如图3.3所示。

图3.3 二阶巴特沃斯低通滤波器电路图 通过推导可得其传递函数为：

222)(cccCsBsKCsH 则有： 根据ωc值即可选求各个器件的值。 3. 系统标定 在一定的标准条件下，采用一定等级的标定设备对测试系统进行多次往复测试的过程称为标定。通过对系统的静态标定，得到输出量与输入量的函数关系。 三．实验内容： 1. 从电子秤中提取代表质量信号的引线，连接实验线路，并为质量信号添加噪声。 2. 设计模拟滤波器并连接线路。 3. 应用数据采集卡，编写Labview程序实现质量测量系统。 4. 对系统进行标定，并验证指标。 四．实验仪器： 示波器、电子称、万用表、采集卡、面包板、计算机、信号发生器、模拟机、运算放大器、电阻和电容等。 五．实验步骤： 1. 将电子秤的质量信号引出并加入噪声。如图3.4所示。

21323212221311)111(1

1)(CCRRsRRRCsCCRRsH

12321221322/)111(11RRKRRRCBCCRRCcc

 图3.4 信号引出及噪声的叠加 2. 编写Labview程序，采集含噪声的质量信号，对信号进行分析以确定截止频率。 3. 设计滤波器。滤波器设计实现之后，需将图3.4 的输出U0连接至

所设计滤波器的输入V1。 4. 连接模拟滤波器后，信号的极性会发生变化，为了使信号的输出能够与数据采集卡匹配，可能会需要一个反相器。将反相器的输入端接滤波后信号的输出端，反相器输出端接到数据采集卡。 5. 对系统进行标定，得到质量同电压的关系。编写Labview程序，在计算机屏幕上显示所测质量。 6. 测试验证设计的准确性。 六．实验结果 1. 画出整个信号处理系统的原理图，并简述各个部分的作用 原理图如下图所示，其中电子秤将与质量有关电压作为输入信号，信号发生器产生噪声，op1为反相器，op2为加法器，这两个运放将电压信号与噪声信号叠加并保证输出同相，op3为低通滤波器，将高频噪声信号滤去，op4为反相器，保证输出与输入同相；通过数据采集卡将质量相关电压采集到电脑，并用labview程序分析其频谱，并

噪声通过电容叠加到信号上

计算机采集此端信号进行频谱分析 显示电压与质量。 信号发生器

电子秤-

+-

+

R1=10KΩ

R2=10KΩ

R3=10KΩR4=100KΩR5=100KΩR6=100KΩC1=1μF

-+

R12=100KΩ

数据采集卡

R8=32.45KΩ

R7=32.45KΩR9=36.67KΩC2=1μF

C3=4.7μF程序处理

R10=100KΩ

R11=100KΩ-

+

Op1Op2

Op3Op4

2. 给出滤波器设计依据、方法和实现情况，判断滤波效果 滤波器设计原理详见实验原理2。参数设计过程如下： 由未加滤波器时的输出频谱图可以看出，与重量相关电压的频率最高为1Hz，则截止频率应略大于1Hz。 22221C=4.7fC10/2.1271.175,C1=1f4(1)cc

BCffHzCK取，由得，由C则取

由

K = 1 12321221322

/)111(11RRKRRRCBCCRRCcc

 可得 123R=R32.455,R=36.666KK。 根据滤波前后的输出电压频谱，可以看出所设计滤波器有着较好的效果，能够有效地滤除高频噪声。 3. 分析不同干扰时滤波器的滤波效果和滤波参数调整后的效果 由于与重量相关电压的频率最高为1Hz，所以当干扰信号不存在小于1Hz的成分或者该成分相对于电压值非常小时，可以设计一个低通滤波器来得到较为理想的输出，但若干扰信号存在较大的小于或接近1Hz的成分，低通滤波器无法实现滤波，此时可以考虑使用高通滤波器，但由于频率很低，也很难得到较好的结果。 4. 数据处理 （1）根据实验结果，画出加、卸载过程的标定曲线，计算标定系数和标定误差。 实验数据列表如下： 第一次循环： 正行程： 质量m/kg 0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 电压V/V 2.392 2.467 2.543 2.618 2.691 2.767 2.840 质量m/kg 3.500 4.000 4.500 5.000 5.500 6.000 电压V/V 2.912 2.988 3.061 3.135 3.213 3.285 反行程： 质量m/kg 6.000 5.500 5.000 4.500 4.000 3.500 3.000 电压V/V 3.285 3.214 3.138 3.064 2.990 2.915 2.840 质量m/kg 2.500 2.000 1.500 1.000 0.500 0.000 电压V/V 2.767 2.693 2.619 2.545 2.469 2.393 第二次循环： 正行程： 质量m/kg 0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 电压V/V 2.392 2.467 2.541 2.616 2.691 2.768 2.842 质量m/kg 3.500 4.000 4.500 5.000 5.500 6.000 电压V/V 2.915 2.988 3.062 3.137 3.211 3.285 反行程： 质量m/kg 6.000 5.500 5.000 4.500 4.000 3.500 3.000 电压V/V 3.285 3.212 3.137 3.061 2.990 2.915 2.840 质量m/kg 2.500 2.000 1.500 1.000 0.500 0.000 电压V/V 2.766 2.691 2.616 2.544 2.469 2.394 第三次循环： 正行程： 质量m/kg 0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 电压V/V 2.394 2.469 2.542 2.616 2.691 2.765 2.840 质量m/kg 3.500 4.000 4.500 5.000 5.500 6.000 电压V/V 2.914 2.989 3.063 3.137 3.212 3.286 反行程： 质量m/kg 6.000 5.500 5.000 4.500 4.000 3.500 3.000 电压V/V 3.287 3.212 3.138 3.062 2.989 2.915 2.842 质量m/kg 2.500 2.000 1.500 1.000 0.500 0.000 电压V/V 2.767 2.693 2.619 2.544 2.469 2.395 对以上数据进行初步处理，得到下表： 正行程平均输出： 质量m/kg 0.000 0.500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 电压V/V 2.3927 2.4677 2.5420 2.6167 2.6910 2.7667 2.8407 质量m/kg 3.500 4.000 4.500 5.000 5.500 6.000 电压V/V 2.9137 2.9883 3.0620 3.1363 3.2120 3.2853 反行程平均输出： 质量m/kg 6.000 5.500 5.000 4.500 4.000 3.500 3.000 电压V/V 3.2857 3.2127 3.1377 3.0623 2.9897 2.9150 2.8407 质量m/kg 2.500 2.000 1.500 1.000 0.500 0.000 电压V/V 2.7667 2.6923 2.6180 2.5443 2.4690 2.3940 其加载、卸载过程曲线如下图所示：

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北航信号与系统上机实验报告

北航信号与系统上机实验报告

信号与系统上机实验报告我是 buaa 快乐的小2B目录实验一、连续时间系统卷积的数值计算 (3)一、实验目的 (3)二、实验原理 (3)三、实验程序源代码、流图实验程序源代码 (4)4.1源代码与程序框图： (4)4.2数据与结果 (5)4.3数据图形 (6)实验二、信号的矩形脉冲抽样与恢复 (7)一、实验目的： (7)二、实验原理： (7)三、实验内容 (9)四、实验程序流程图和相关图像 (9)4.1、画出f(t)的频谱图即F(W)的图像 (9)4.2、对此频域信号进行傅里叶逆变换，得到相应的时域信号，画出此信号的时域波形f(t) (11)4.3、三种不同频率的抽样 (14)4.4、将恢复信号的频谱图与原信号的频谱图进行比较 (17)实验五、离散时间系统特性分析 (21)一、实验目的： (21)二、实验原理： (21)三、实验内容 (21)四、程序流程图和代码 (22)五、实验数据： (23)5.1单位样值响应 (23)5.2幅频特性 (24)六、幅频特性和相频特性曲线并对系统进行分析。

(25)6.1幅频特性曲线 (25)6.2相频特性曲线 (26)实验一、连续时间系统卷积的数值计算一、实验目的1 加深对卷积概念及原理的理解；2 掌握借助计算机计算任意信号卷积的方法。

二、实验原理1 卷积的定义卷积积分可以表示为2 卷积计算的几何算法卷积积分的计算从几何上可以分为四个步骤：翻转→平移→相乘→叠加。

3 卷积积分的应用卷积积分是信号与系统时域分析的基本手段，主要用于求系统零状态响应，它避开了经典分析方法中求解微分方程时需要求系统初始值的问题。

设一个线性零状态系统，已知系统的单位冲激响应为h(t)，当系统的激励信号为e(t)时，系统的零状态响应为由于计算机技术的发展，通过编程的方法来计算卷积积分已经不再是冗繁的工作，并可以获得足够的精度。

因此，信号的时域卷积分析法在系统分析中得到了广泛的应用。

卷积积分的数值运算实际上可以用信号的分段求和来实现，即：如果我们只求当t ）时r(t)的值，则由上式可以得到：1 1 2t = nΔt （n为正整数, nΔt 记为当 1 Δt 足够小时，( ) 2 r t 就是e(t)和h(t)卷积积分的数值近似，由上面的公式可以得到卷积数值计算的方法如下：1、将信号取值离散化，即以Ts 为周期，对信号取值，得到一系列宽度间隔为Ts 的矩形脉冲原信号的离散取值点，用所得离散取值点矩形脉冲来表示原来的连续时间信号；2、将进行卷积的两个信号序列之一反转，与另一信号相乘，并求积分，所得为t=0 时的卷积积分的值。

实验3 SSB信号的调制与解调

实验3 SSB信号的调制与解调

实验3 SSB信号的调制与解调1、实验目的掌握单边带调制（SSB）的调制和解调技术，了解其实现原理；通过实验，学习利用AM、AGC、高通滤波器和频率合成技术实现SSB调制和解调；熟练掌握实验中使用的各种仪器的使用方法。

2、实验原理2.1 单边带调制（SSB）单边带调制（SSB），也称单边带抑制（SSB-SC），是通过在AM调制信号中去掉一个边带来实现压缩信息信号带宽的一种调制方式。

通过单边带调制技术可以实现带宽压缩、频谱效率高等优点。

将带宽压缩到原来的一半或更少，或增加频带的利用率，提高信号的传输品质。

单边带解调是指将带有单边带的信号，通过解调电路恢复出原始的AM调制信号。

在单边带解调电路中一般采用同相和正交相两路解调，最后合成成为原始AM调制信号。

3、实验器材和仪器信号源、AM调制解调装置、示波器、函数发生器、多用电表、高通滤波器、信号发生器、频率计等。

4、实验步骤步骤一：将信号源中的20 kHz正弦波经过3.5 kHz高通滤波器滤波后，接入AM调制解调装置中的输入端；步骤二：调节AM调制解调装置中的AM深度到40%，打开AGC自动增益控制电路；步骤三：调节AM调制解调装置中的LO频率为115.5 kHz，选择LSB单边带发射；步骤四：调节信号源中的20 kHz正弦波频率，使频率计读数达到19.5 kHz左右，观察示波器上的信号；步骤五：检查示波器上的波形是否满足LSB单边带的特点。

步骤一：将频率为115.5 kHz的SSB信号接入同相解调电路及正交解调电路中，将解调信号分别接入示波器观察；步骤二：调节同相解调电路中的LO频率为115.5 kHz，调节正交解调电路中的LO频率为115.505 kHz；步骤三：对示波器上的同相、正交解调信号分别进行滤波，将滤波后的信号再次输入AM调制解调装置中进行合成；步骤四：调节合成后的信号深度为40%，观察示波器上的波形，判断SSB解调是否成功。

5、实验注意事项5.1 保护好实验仪器和设备。

第7章_测量信号的调理及处理

第7章_测量信号的调理及处理


输出电压为
R1 2 R1 U id U o 1 R R2
由此可见，此电路放大差模信号，抑制共模信号。差 模放大倍数数值越大，共模抑制比越高，而且当输入 信号中含有共模噪声时，也将被抑制。
3）实用测量放大器 在实际应用要求较高的场合下，常采用集成测量 放大器。AD521就是美国Analog Devices公司的集成 测量放大器，其管脚说明和基本应用电路如图7.7所 示。
（1）二阶RC有源滤波器的几种电路形式 1）压控电压源型滤波电路 图7.16所示为压控电压源型二阶滤波电路的基本结构图，该电 路的传递函数为
H s AF y1 y2 4 yi y5 y1 1 AF y3 y4 y2 i 1
2）特性及主要性能参数 ①捕捉时间TAC(Acquisition Time) ②孔径时间TAP(Aperture Time) ③孔径抖动TAJ(Aperture Jitter) ④保持建立时间THS(Hold Mode Settling Time) ⑤衰减率(Droop Rate) ⑥传导误差(Feedthrough)
Q
0 0 0
为带宽
不同 Q 值二阶带通滤波器的幅频特性和相频特性如图7.19（b） （c）所示。
带阻滤波电路 图7.20是基于RC双T网络的二阶带阻滤波电路。为满足带阻滤 波传递函数的要求，必须有
R1 R2C2 R1 R2 C1 C2 R3
或
R3 R1 // R2
第7章 测量信号的调理及处理

7.1 信号调理电路
7.2 多传感器信息融合

7.1 信号调理ห้องสมุดไป่ตู้路
信号调理电路是测量系统的组成部分，它的输入是传感器 的输出电信号，输出为适合传输、显示、记录或者能更好地满 足后续标准设备或装置要求的信号。 信号调理电路通常具有放大、电平移动、阻抗匹配、滤波、 调制、解调等功能。
传感器与信号调理电路完整课件

传感器与信号调理电路完整课件

位置、转速、温度、液位、压力等信息； 对传感器的要求：线性度好、无滞环误差、特
性稳定、测量范围宽、响应迅速。
2020/11/3
精品课件
3
信号调理电路
问题：
传感器的输出信号往往很微弱，或波形不适当，或信 号形式不适合，不能直接用于工业系统的状态显示和 控制。
解决：电压放大、整形、电流－电压转换、频率 －电压转换等；
面包板的插孔间距、集成电路封装
软尺寸与硬尺寸
软引线尺寸：元器件安装到面包板或印制电路板上时，元器件对 焊盘间距要求不是很严格，如：普通电阻、电容、小功率三极管、 二极管等；
硬引线尺寸：元器件对安装尺寸有严格要求，如：大功率三极管、 继电器、电位器、集成电路。
DIP封装：双列直插封装，一般管脚数小于100
双踪观察输入输出波形，记录输
出uop-p；
连续增大ui的幅值，记录出现饱
和现象时输入、输出信号的峰峰 值。
uip-p(V) uop-p(V) 0.4 0.8 1.2 1.8 2.5
uop-pR1R +1R2uip-p11uip-p
临界饱和时：
uˆ ip -p
; uˆ o p -p
。
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+
R3
-10V
Vo
Va=0 a点常称“虚地”点
虚断 虚短
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ia i3 0 Va V3 V3 i3R0
i2 i1
i1
Vi- Va R1
Va
0 i2
精品课件
Va -Vo R2
Vo
-
R2 R1
Vi
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运放应用：反相比例放大器
R2
i 1 R1