第4章信號(hào)的調(diào)理與記錄_4

1、車輛測(cè)試技術(shù) 第第4 4章章 信號(hào)的調(diào)理與記錄信號(hào)的調(diào)理與記錄 第第1 1頁(yè)頁(yè) 第四章 信號(hào)的調(diào)理與記錄 學(xué)習(xí)要求： 1. 了解模擬信號(hào)放大電路原理 2. 掌握調(diào)制與解調(diào)的基本原理 3.了解濾波器的工作原理，掌握濾波器 的分類、基本參數(shù)和基本特性 車輛測(cè)試技術(shù) 是便于信號(hào)的傳輸與處理 信號(hào)調(diào)理的目的 1.傳感器輸出的電信號(hào)很微弱，大多數(shù)不能 直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去， 需要進(jìn)一步放大，有的還要進(jìn)行阻抗變換。 2.有些傳感器輸出的是電信號(hào)中混雜有干擾噪聲， 需要去掉噪聲，提高信噪比。 3.某些場(chǎng)合，為便于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，需要 對(duì)傳感器測(cè)量信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)處理。 車輛測(cè)試技術(shù) 第一節(jié)

2、信號(hào)的放大 通常情況下，傳感器的輸出信號(hào)都很微弱，必須 用放大電路放大后才便于后續(xù)處理。為了保證測(cè)量 精度的要求，放大電路應(yīng)具有如下性能: 1) 足夠的放大倍數(shù)； 2) 高輸入阻抗，低輸出阻抗； 3)高共模抑制能力; 4)低溫漂、低噪聲、低失調(diào)電壓和電流。 線性運(yùn)算放大器具備上述特點(diǎn)，因而傳感器輸出 信號(hào)的放大電路都由運(yùn)算放大器所組成，本節(jié)介紹 幾種常用的運(yùn)算放大器電路。 車輛測(cè)試技術(shù) 分類 放大器 直流放大器 交流放大器 電荷放大器 直流電橋 特點(diǎn) 交流電橋 低頻保留，高頻截止 高頻保留，低頻截止 激勵(lì)電源為直流源 激勵(lì)電源為交流源 壓電式傳感器專用 車輛測(cè)試技術(shù) 1. 直流放大電路 電壓增

3、益: 2 1 v R A R 注意：輸入阻抗低，容易對(duì)傳感器產(chǎn)生負(fù)載效應(yīng)； 反饋電阻R2 值不能太大，否則會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲 及漂移，一般為幾十千歐至幾百千歐；R1的取值應(yīng) 遠(yuǎn)大于信號(hào)源ui 的內(nèi)阻。 煙霧報(bào)警器酒精傳感器二氧化碳傳感器 1) 反相放大器 車輛測(cè)試技術(shù) 2) 同相放大器 同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗 很低的特點(diǎn)，廣泛用于前置放大級(jí)。但易引入共 模干擾。 同相放大器也是最基本 的電路 ，其閉環(huán)電壓增益 Av為: 2 v 1 1 R A R 車輛測(cè)試技術(shù) 3) 差分放大器 差分放大器也不能提供 足夠的輸入阻抗和共模 抑制比。因此由單個(gè)運(yùn) 算放大器構(gòu)成的放大電路在 傳感器信號(hào)

4、放大中很少直接采用。 一種常用來(lái)提高 輸入阻抗的辦法是在 基本放大電路之前串 接一級(jí)射極跟隨器。 串接射極跟隨器后，電路的輸入阻抗可以提高到109 歐以上，所以射極跟隨器也常被稱為阻抗變換器。 車輛測(cè)試技術(shù) 2. 交流放大電路 R1一般取幾十千歐。耦合電容 C1、C3可根據(jù)交 流放大器的下限頻率 fL 來(lái)確定。 13 (3 10)/(2) LL CCR f F 2 1 v R A R 若只需要放大交流信號(hào)，可采用圖示的集成運(yùn) 放交流電壓同相放大器。其中電容C1、C2及C3 為隔直電容。 車輛測(cè)試技術(shù) 第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào) 目的 解決微弱緩變信號(hào)的放大以及信號(hào) 的傳輸問題。 調(diào)制 解調(diào) 車輛測(cè)試技

5、術(shù) 先將微弱的緩變信號(hào)加載到高頻交流信號(hào)中去， 然后利用交流放大器進(jìn)行放大，最后再?gòu)姆糯笃鞯?輸出信號(hào)中取出放大了的緩變信號(hào)。 例：交流電橋 Ve V R1 R3 R2 R4 調(diào)制是指利用某種低頻信號(hào) 來(lái)控制或改變一高頻振蕩信 號(hào)的某個(gè)參數(shù) (幅值、頻率 或相位)的過程。 車輛測(cè)試技術(shù) 信號(hào) 調(diào)制信號(hào) x(t) 0 t 載波信號(hào) ( )cos(2)z tAft z(t) 0 t 車輛測(cè)試技術(shù) a) 幅值調(diào)制(AM) ( )cos(2()x ty tAft b) 頻率調(diào)制(FM) 0 ( )cos(2 ( )y tAfx tt c) 相位調(diào)制(PM) 0 ( )cos2()y tAfttx y(

6、t)的幅值隨x(t)變化而變化 y(t)的頻率隨x(t)變化而變化 y(t)的相位隨x(t)變化而變化 調(diào)制類型 車輛測(cè)試技術(shù) 一、幅值調(diào)制與解調(diào) 調(diào)幅是將一個(gè)高頻正弦信號(hào)（或稱載波）與 測(cè)試信號(hào)相乘，使載波信號(hào)幅值隨測(cè)試信號(hào)的變 化而變化。 0 ( )cos(2)x ty tAft 緩變 信號(hào) 調(diào) 制 高頻 信號(hào) 放 大 放大高 頻信號(hào) 解 調(diào) 放大緩 變信號(hào) 車輛測(cè)試技術(shù) 幅度調(diào)制與解調(diào)過程（波形分析） 乘法器 放大器 x(t) z(t) xm(t) 乘法器 濾波器 z(t) x(t) 幅度調(diào)制與解調(diào)過程（數(shù)學(xué)分析） 乘法器 放大器 乘法器 濾波器 ( )cos()(2) mzt xxtt

7、f 2 c() os2) z xf tt 11 22 ( )cos(4)( ) z x ttx tf x(t) z(t) xm(t) z(t) x(t) m ( )( ) ( ) m ytxt z t ( )cos(2) z z tf t 車輛測(cè)試技術(shù) 幅度調(diào)制與解調(diào)過程（頻譜分析） 乘法器 放大器 乘法器 濾波器 x(t) z(t) xm(t) z(t) x(t) X( f ) Z( f ) Z( f ) X(f ) 低通濾波器 Xm( f ) -fz fz -2fz 2fz ( )cos()(2) mzt xxttf ( )cos()(2) mzt xxttf 11 22 ( )cos(4

8、)( ) z x ttx tf m ( )( ) ( ) m ytxt z t 車輛測(cè)試技術(shù) 調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)方法： (1) 同步解調(diào) 上述調(diào)制方法，將信號(hào) x(t) 直接與載波 z(t) 相乘。這種 調(diào)幅波具有極性變化，解調(diào) 時(shí)必須再乘與 z(t) 相位相同 的 z(t) 方能復(fù)原出原信號(hào)， 故稱同步解調(diào)。它要求有性 能良好的線性乘法器，否則 會(huì)引起信號(hào)失真。 車輛測(cè)試技術(shù) (2) 包絡(luò)檢波（整流檢波） 若對(duì)信號(hào) x(t) 進(jìn)行偏置，疊加一個(gè)直流分量 D， 使偏置后的信號(hào)都具有正電壓。 ( )cos(2( ) m x txtDft ()Dx tx t ( )x t 車輛測(cè)試技術(shù) 調(diào)幅 車輛測(cè)試

9、技術(shù) 解調(diào) 二極管檢波 低通濾波 車輛測(cè)試技術(shù) 調(diào)幅波的波形失真 過調(diào)失真：對(duì)于包絡(luò)檢波，要求其直流偏置必須 足夠大，否則 x(t) 的相位將發(fā)生180。 上述方法的關(guān)鍵是準(zhǔn)確地加、減偏置電壓。若所加 的偏置電壓未能使信號(hào)電壓都位于零位的同一側(cè)， 那么對(duì)調(diào)幅之后的波形只進(jìn)行簡(jiǎn)單的整流濾波便不 能恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)，而會(huì)造成很大失真 。 車輛測(cè)試技術(shù) 重疊失真：調(diào)幅波是由一對(duì)每邊為 fm 的雙邊帶信號(hào) 組成。當(dāng)載波頻率 fz 較低時(shí)，正頻端的下邊帶將與 負(fù)頻端的上邊帶相重疊。要求: fz fm 車輛測(cè)試技術(shù) (3) 相敏檢波（整流檢波） 相敏檢波的特點(diǎn)是可以鑒別調(diào)制信號(hào)的極性， 所以采用相敏檢波時(shí)，

10、對(duì)調(diào)制信號(hào)不必再加直流偏 置。相敏檢波利用交變信號(hào)在過零位時(shí)正、負(fù)極性 發(fā)生突變，使調(diào)幅波的相位 (與載波比較)也相應(yīng)地 產(chǎn)生180的相位跳變，這樣便既能反映出原調(diào)制信 號(hào)的幅值，又能反映其極性。 車輛測(cè)試技術(shù) 相敏檢波電路 + + + + + - - - - - 車輛測(cè)試技術(shù) 動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀框圖 車輛測(cè)試技術(shù) 二、頻率調(diào)制 調(diào)頻是利用信號(hào)x(t)的幅值調(diào)制載波的頻率， 或者說，調(diào)頻波是一種隨信號(hào)x(t)的電壓幅值而變 化的疏密度不同的等幅波。 0 ( )cos(2 *( )y tAfx tt 1. 頻率調(diào)制的基本概念 00 ( )cos()y tAt 或者 載波： 載波的瞬時(shí)頻率： 0 (

11、)( )xttk 調(diào)頻信號(hào)： 00 ( )co( )s()y tAtxkt dt 車輛測(cè)試技術(shù) 調(diào)制信號(hào) 已調(diào)制信號(hào) 車輛測(cè)試技術(shù) 頻率調(diào)制一般用振蕩電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，如LC振蕩電路、 變?nèi)荻O管調(diào)制器、壓控振蕩器等。以LC振蕩回路為 例，如圖所示，該電路常被用于電容、渦流、電感等 傳感器的測(cè)量電路，將電容 (或電感)作為自激振蕩器 的諧振回路的一調(diào)諧參數(shù)，則電路的諧振頻率為 2. 頻率調(diào)制方法 00 1 2fLC 0 0 1 (1) ff C C 00 (12)fCC 車輛測(cè)試技術(shù) 3.調(diào)頻信號(hào)的解調(diào) 調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)亦稱鑒頻，一般采用鑒頻器和鎖相 環(huán)解調(diào)器。前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在測(cè)試技術(shù)中常被使用， 而

12、后者解調(diào)性能優(yōu)良，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般用于要求較 高的場(chǎng)合，如通信機(jī)等。此處只介紹鑒頻器解調(diào)。 車輛測(cè)試技術(shù) 優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)。 調(diào)頻波通常要求很寬的頻帶，甚至為調(diào)幅 所要求帶寬的20倍；調(diào)頻系統(tǒng)較之調(diào)幅系統(tǒng)復(fù) 雜，因?yàn)轭l率調(diào)制是一種非線性調(diào)制。 因?yàn)檎{(diào)頻信號(hào)所攜帶的信息包含在頻率變化 之中，并非振幅之中，而干擾波的干擾作用則主 要表現(xiàn)在振幅之中。 缺點(diǎn)：占頻帶寬度大，復(fù)雜 車輛測(cè)試技術(shù) 案例：鐵路機(jī)車調(diào)度 信號(hào)檢測(cè) 調(diào)制頻率 8.5Hz，綠燈 調(diào)制頻率 23.5Hz，紅燈 車輛測(cè)試技術(shù) 第三節(jié) 濾波器 濾波器是一種選頻裝置，可以使 信號(hào)中特定頻率成分通過，而極大地 衰減其他頻率成分。 一、概述

13、 濾波 車輛測(cè)試技術(shù) 濾波器分類（根據(jù)濾波器的選頻作用分類） 低通 高通 車輛測(cè)試技術(shù) 帶通 帶阻 車輛測(cè)試技術(shù) 濾波器的串/并聯(lián) 低通和高通濾波器是濾波器的兩種最基本的形式， 其它的濾波器都可以分解為這兩種類型的濾波器。 低通和高通濾波器的串聯(lián)成為帶通濾波器 LPFHPF 低通和高通濾波器的并聯(lián)成為帶阻濾波器 LPF HPF 車輛測(cè)試技術(shù) 1.理想濾波器是指能使通帶內(nèi)信號(hào)的幅值和相位都 不失真，阻帶內(nèi)的頻率成分都衰減為零的濾波器。 f j ( f ) -fcfc 以理想的低通濾波器為例，其特性為 0 -j2 0cc - () 0 ft A efff H f 其其他他 0cc - () 0 A

14、fff H f 其其他他 0cc 2- () 0 ftfff f j j 其其他他 -fc |H( f )| fcf 0 二、濾波器性能分析 車輛測(cè)試技術(shù) 理想濾波器的物理不可實(shí)現(xiàn) 理想濾波器在時(shí)域內(nèi)的脈沖響應(yīng)函數(shù) h(t)為 sinc 函數(shù)。脈沖響應(yīng)的波形沿橫坐標(biāo)左、右無(wú)限延伸。 給理想濾波器一個(gè)脈沖激勵(lì)，在 t =0 時(shí)刻單 位脈沖輸入濾波器之前，濾波器就已經(jīng)有響應(yīng)了。 故為物理不可實(shí)現(xiàn)。 fc H( f ) 車輛測(cè)試技術(shù) 2.實(shí)際濾波器的特征參數(shù) 理想濾波器是不存在的，實(shí)際濾波器幅頻特性 中通帶和阻帶間沒有嚴(yán)格界限,，存在過渡帶。 0 f A 車輛測(cè)試技術(shù) 又稱-3dB帶寬，單位為Hz。

15、帶寬表示濾波器的分辨 能力，即濾波器分離信號(hào)中相鄰頻率成分的能力。 0 ffc1fc2 A0 0.707A0 (1) 截止頻率fc：0.707A0 所對(duì)應(yīng)的頻率。 (3) 紋波幅度d：通帶中幅頻特性值的起伏變化值。 (4) 品質(zhì)因子Q：中心頻率和帶寬之比。 B Q=f0 / B 2d (2) 帶寬B：上下兩截止頻率之間的頻率范圍。 B=fc2 - fc1 f0 d 值應(yīng)越小越好 Q 越大，則相對(duì)帶寬 越小，濾波器的選擇 性越好。 車輛測(cè)試技術(shù) 從阻帶到通帶或從通帶到阻帶，實(shí)際濾波器有 一個(gè)過渡帶，過渡帶的曲線傾斜度代表著幅頻特性 衰減的快慢程度，通常用倍頻程選擇性來(lái)表征。 倍頻程衰減量以dB或

16、dB/oct表示(Octave，倍頻程)。 衰減越快（即W值越大），濾波器的選擇性越好。 c2 c2 (2) 20lg () Af W A f c1 c21 (/2) 20lg () A f W A f 或 指在上截止頻率 fc2 與 2fc2 之間或下截止頻 率 fc1與 fc1 / 2 之間幅頻特性的衰減值，即頻率變 化一個(gè)倍頻程時(shí)的衰減量。 (5) 倍頻程選擇性 W 車輛測(cè)試技術(shù) 定義為濾波器幅頻特性的-60dB帶寬與-3dB帶寬 的比，即 對(duì)理想濾波器有 l = 1。 對(duì)普通使用的濾波器， l 一般為1 5。 -60dB -3dB B B l l (6)濾波器因數(shù)(矩形系數(shù)) l 車輛

17、測(cè)試技術(shù) 三、實(shí)際濾波電路 在測(cè)試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因?yàn)镽C濾波 器電路簡(jiǎn)單，抗干擾強(qiáng)，有較好的低頻性能，并且 選用標(biāo)準(zhǔn)阻容元件 。 R C ui + uo R C ui + uo RC無(wú)源濾波器： 低通濾波器高通濾波器 車輛測(cè)試技術(shù) 1) 一階RC低通濾波器 R C ui + uo o oi dt du RCuu 1 () j21 h f fRC c 1 (2)fRC 2 c 1 () 1(/) A f ff c ()arctan(/)fff 車輛測(cè)試技術(shù) R C ui + uo o i (1 j2) j2 j21 uR uRfC fRC fRC c 2 c (/) ( ) 1(/)

18、ff A f ff c ( )arctan() 2 fff 2) 一階RC高通濾波器 c 1 (2)fRC 車輛測(cè)試技術(shù) H 22 HL 21 () (2)1(2)1 f A f ff HL ( )arctan(2)arctan(2) 2 fff 3) RC帶通濾波器 H11 R C L22 R C 可以看作為高通濾波器和低通濾波器的串聯(lián) 車輛測(cè)試技術(shù) 帶通 帶阻 LH 1H 1 (2)&f 2H 1 (2)f LH 1L 1 (2)&f 2L 1 (2)f ? 車輛測(cè)試技術(shù) R1C 1 C2ui + uo R2 + 帶通濾波器 (圖4-26） 一階RC濾波器在過渡帶內(nèi)的衰減速率非常慢， 每個(gè)

19、倍頻程只有6dB （見上圖），通帶和阻帶之間沒 有陡峭的界限，故這種濾波器的性能較差，因此常常 要使用更復(fù)雜的濾波器。 車輛測(cè)試技術(shù) 電感和電容一起使用可以使濾波器的諧振特性 相對(duì)于一階RC電路產(chǎn)生較為陡峭的濾波器邊緣。 圖4-28中給出了一些此類濾波器的構(gòu)成方法。 車輛測(cè)試技術(shù) 通過采用多個(gè)RC環(huán)節(jié)或LC環(huán)節(jié)級(jí)聯(lián)的方式 (見 圖4-29)，可以使濾波器的性能有顯著的提高，使過 渡帶曲線的陡峭度得到改善。 車輛測(cè)試技術(shù) 這是因?yàn)槎鄠€(gè)中心頻率相同的濾波器級(jí)聯(lián)后， 其總幅頻特性為各濾波器幅頻特性的乘積，因此通 帶外的頻率成分將會(huì)有更大的衰減。但必須注意到， 雖然多個(gè)簡(jiǎn)單濾波器的級(jí)聯(lián)能改善濾波器的過渡帶 性能，卻又不可避免地帶來(lái)了明顯的負(fù)載效應(yīng)和相 移增大等問題。為避免這些問題，最常用的方法就 是采用有源濾波器。 車輛測(cè)試技術(shù) 有源濾波器 通常的有源濾波器 具有80dB/倍頻程的下 降帶以及在阻帶中有高 于60dB的衰減。目前 市場(chǎng)上己有高性能的高 階有源濾波器出售。 車輛測(cè)試技術(shù) 四、帶通濾波器在信號(hào)頻率分析中的應(yīng)用 1. 多路濾波器的并聯(lián)形式 多路帶通濾波器并聯(lián)常用于信號(hào)的頻譜分析和 信號(hào)中特定頻率成分的提取。使用時(shí)常將被分析信 號(hào)輸入一組中心頻率不同的濾波器，各濾波器的輸 出便反映了信