第4章信號的調(diào)理與記錄

1、第四章 信號調(diào)理、處理和記錄 1 電橋 2 調(diào)制與解調(diào) 3 濾波器4 信號的指示和記錄裝置返 回一、直流電橋二、交流電橋1 電 橋目 錄一、調(diào)幅及其解調(diào)二、調(diào)頻及其解調(diào)2 調(diào)制與解調(diào)目 錄一、濾波器分類二、理想濾波器三、實際RC調(diào)諧式濾波器四、恒帶寬比濾波器和恒帶寬濾波器3 濾波器目 錄第四章 信號的調(diào)理與記錄 被測物理量經(jīng)傳感器后的輸出信號通常是很微弱的或者是非電壓信號，如電阻、電容、電感或電荷、電流等電信號，這些微弱信號或非電壓信號難以直接被顯示或者通過AD轉(zhuǎn)換器送入儀器或計算機進行數(shù)據(jù)采集，而且有些信號本身還攜帶有一些我們不期望有的信息或噪聲。因此，經(jīng)過傳感后的信號尚需經(jīng)過調(diào)理、放大、濾

2、波等一系列的加工處理，以將微弱電壓信號放大、將非電壓信號轉(zhuǎn)換為電壓信號、抑制干擾噪聲、提高性噪比，以便于后續(xù)環(huán)節(jié)的處理。第一節(jié) 電 橋 電橋是將電阻、電感、電容等參量的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出的一種測量電路。由于橋式測量電路簡單可靠，具有很高的精度和靈敏度，因此在測量裝置中被廣泛應(yīng)用。分類： 按激勵電壓： 直流電橋交流電橋 按工作原理： 偏值法歸零法 按輸出方式 ： 不平衡橋式電路 平衡橋式電路一、直流電橋1、電磁形式 以電阻R1R4組成電橋的四個橋臂，在電橋的對角點a、c端接入直流電源Ue作為電橋的激勵電源，b、d兩端輸出電壓UO。使用時四個橋臂中的一個或者多個是阻值隨被測量變化的電阻傳感器

3、。2、平衡條件要使電橋平衡，輸出為零，應(yīng)滿足（4-2）e43214231e434e211oURRRRRRRRURRRURRRUUUadab4231RRRReUoU圖圖4-1 直流電橋直流電橋為直流電源為輸出電壓 式（ 4-2 ）即為直流電橋的平衡條件。由上述分析可知，若電橋的4個電阻中任何一個或者數(shù)個阻值發(fā)生變化時，將打破該平衡條件，使輸出電壓UO發(fā)生變化。圖圖4-2 直流電橋的連接方式直流電橋的連接方式a）單臂電橋接法）單臂電橋接法 b）雙臂電橋接法）雙臂電橋接法 c）全橋接法）全橋接法3、輸出特性（1）半橋單臂接法 輸出電壓為了簡化設(shè)計，取相鄰兩橋臂電阻相等，即若 ，則輸出電壓因 ，所以e

4、URRRRRRRRU434211o043021RRRRRR，00RR eURRRU240o0RR eURRU0o4圖圖4-2（a） 單臂電橋連接方式單臂電橋連接方式可見，電橋的輸出 與激勵電壓 成正比，且在 條件下，與 成正比。靈敏度：0/ RR0UeU0RR eo41/URRUS上 頁目 錄（2）半橋雙臂接法輸出靈敏度與半橋單臂相比，靈敏度提高了一倍，電橋的輸出與 成完全線性關(guān)系。eo21/URRUS0/ RRe0e434221111o2URRURRRRRRRRRU上 頁目 錄圖圖4-2（b） 半橋連接方式半橋連接方式（3）全橋接法輸出： 靈敏度： 上述電橋是在不平衡條件下工作的，它的缺點是

5、當(dāng)電源電壓不穩(wěn)定，或環(huán)境溫度變化時，會引起電橋輸出的變化，從而產(chǎn)生測量誤差。因此，在某些情況下采用平衡電橋。e0URRUoeo/URRUS圖圖4-2（c） 全橋連接方式全橋連接方式電橋和差特性示例：電橋和差特性示例： 用懸臂梁做敏感元件測力時，常在梁的上下表面各貼一個應(yīng)變片，并將兩個應(yīng)變片接入相鄰的兩個橋臂。當(dāng)懸臂梁受載荷時，上應(yīng)變片R1產(chǎn)生正向R，下應(yīng)變片R2產(chǎn)生負向R，由電橋的和差特性可知，這時產(chǎn)生的電壓輸出相互迭加，電橋獲得最大輸出。圖圖4-3懸臂梁測力的電橋接法懸臂梁測力的電橋接法a）用懸臂梁做敏感元件測力）用懸臂梁做敏感元件測力 b）電橋）電橋平衡電橋 設(shè)被測量等于零時，電橋處于平衡

6、狀態(tài)，此時指示儀表G及可調(diào)電位器H指零。 當(dāng)某一橋臂隨被測量變化時，電橋失去平衡，調(diào)節(jié)電位器H，改變電阻R5觸電位置，可使電橋重新平衡，電表G指針回零。 電位器H上的標(biāo)度與橋臂電阻值的變化成比例，故H的指示值可以直接表達被測量的數(shù)值。GUR012345RRRRH上 頁目 錄二、交流電橋交流電橋采用交流激勵電壓。電橋的四個臂可為電感、電容或電阻。電橋平衡條件把各阻抗用指數(shù)式表示代入上式4231ZZZZ1011jeZZ 2022jeZZ 3033jeZZ 4044jeZZ 423104020301jjeZZeZZZZZZ1234UU0y上 頁目 錄 阻抗角是各橋臂電流與電壓之間的相位差。 純電阻時

7、電流與電壓同相位，=0；電感性阻抗，0；電容性阻抗，0。 上式表明，交流電橋平衡必須滿足兩個條件，即相對兩臂阻抗之模的乘積相等，而且它們的阻抗角之和必須相等。電橋平衡必須滿足兩個條件 其中， 為各阻抗的模； 為阻抗角。423104020301ZZZZ04030201ZZZZ、4321、 電容傳感器 電感傳感器 電阻傳感器cjrZc1LjrZLcjRZR1/rcZcLrZLRCZR上 頁目 錄第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)調(diào)制調(diào)制：使一個信號的某些參數(shù)在另一信號的控制下發(fā)生變化的過程。前一信號稱為載波，后一信號（控制信號）稱為調(diào)制信號。最后的輸出是已調(diào)制波。解調(diào)解調(diào)：最終從已調(diào)制波中恢復(fù)出調(diào)制信號的過程。根

8、據(jù)載波受調(diào)制的參數(shù)不同，調(diào)制可分為 調(diào)幅（AM） 調(diào)頻（FM） 調(diào)相（PM）上 頁目 錄一、調(diào)幅及其解調(diào)調(diào)幅：將一個高頻簡諧信號（載波）與測試信號（調(diào)制信號）相乘，使高頻信號的幅值隨測試信號的變化而變化。1、調(diào)幅原理由傅立葉變換的性質(zhì)知：在時域中兩個信號相乘，則對應(yīng)在頻域中這兩個信號進行卷積，即余弦函數(shù)的頻域圖形是一對脈沖譜線一個函數(shù)與單位脈沖函數(shù)卷積的結(jié)果，就是將其圖形由坐標(biāo)原點平移至該脈沖函數(shù)處。 fYfXtytx*00021212cosfffftf上 頁目 錄若以高頻余弦信號作載波，把信號x(t)和載波信號相乘，其結(jié)果就相當(dāng)于把原信號的頻譜圖形由原點平移至載波頻率 處，幅值減半。即， 0

9、00*21*212cosfffXfffXtftx0f上 頁目 錄調(diào)制器上 頁目 錄x(t)y(t) tftxtxm02cos從調(diào)幅原理看，載波頻率 必須高于原信號中的最高頻率 才能使已調(diào)波仍保持原信號的頻譜圖形，不致重疊。為了減小放大電路可能引起的失真，信號的頻寬 相對中心頻率（載波頻率 ）應(yīng)越小越好。實際載波頻率常至少數(shù)倍甚至數(shù)十倍于調(diào)制信號。0fmfmf20f上 頁目 錄乘法器低通2、解調(diào)（1）同步解調(diào)把調(diào)幅波再次與原載波信號相乘，則頻域圖形將再一次進行“偏移”。若用一個低通濾波器濾去中心頻率為 的高頻成分，那么將可以復(fù)現(xiàn)原信號的頻譜（幅值減小為一半），這一過程稱為同步解調(diào)?！巴健敝附庹{(diào)

10、時所乘的信號與調(diào)制時的載波信號具有相同的頻率和相位。02f載波y(t)調(diào)幅波x(t) fxm（2）偏置解調(diào)把調(diào)制信號進行偏置，疊加一個直流分量A，使偏置后的信號都具有正電壓，那么調(diào)幅波的包絡(luò)線將具有原調(diào)制信號的形狀。把該調(diào)幅波簡單地整流、濾波就可恢復(fù)原調(diào)制信號。如果原調(diào)制信號中有直流分量，則在整流后應(yīng)準(zhǔn)確地減去所加的偏置電壓。若所加的偏置電壓未能使信號電壓都在零線的一側(cè)，則對調(diào)幅波簡單地整流不能恢復(fù)原調(diào)制信號。相敏檢波技術(shù)可解決此問題。上 頁目 錄3、相敏檢波A54123BCd.)(txm1D2D3D4DfRfuc)(ty上 頁目 錄工作原理：調(diào)幅波與載波y(t)同相 載波電壓為正 均為正 （

11、 原信號x(t)為正） 載波電壓為負 調(diào)幅波與載波y(t)異相 載波電壓為正 均為負 （原信號x(t)為負） 載波電壓為負 fufu上 頁目 錄4、動態(tài)電阻應(yīng)變儀調(diào)制信號載波調(diào)幅波放大后波形解調(diào)后波形還原信號調(diào)制電橋放大相敏檢波低通濾波振蕩器上 頁目 錄二、調(diào)頻及其解調(diào)調(diào)頻（頻率調(diào)制）是利用信號電壓的幅值控制一個振蕩器，振蕩器輸出的是等幅波，但其振蕩頻率偏移量和信號電壓成正比。當(dāng)信號電壓為零時，調(diào)頻波的頻率等于中心頻率；信號電壓為正值時頻率提高，負值時則降低。上 頁目 錄兩種常用的調(diào)頻方法及一種解調(diào)方案：（一）直接調(diào)頻測量電路把被測量的變化直接轉(zhuǎn)換為振蕩頻率的變化稱為直接調(diào)頻式測量電路，其輸出

12、也是等幅波。（二）壓控振蕩器壓控振蕩器的輸出瞬時頻率與輸入的控制電壓值成線性關(guān)系。上 頁目 錄（三）變壓器耦合的諧振回路鑒頻法調(diào)頻波的解調(diào)又稱為鑒頻，是將頻率變化恢復(fù)成調(diào)制信號電壓幅值變化的過程。隨著測量參數(shù)的變化，幅值 隨調(diào)頻波頻率近似線性變化，調(diào)頻波 的頻率和測量參數(shù)保持近似線性關(guān)系。因此，把 進行幅值檢波就能獲得測量參量變化的信息，且保持近似線性關(guān)系。頻率-電壓線性變換部分幅值檢波部分aufuau目 錄上 頁fucuRCau2C2L1L1C第三節(jié) 濾波器一、概述 通常被測信號是由多個頻率分量組成而成的，而且在檢測中得到的信號除被包含有效信息外，還含有噪聲和不希望得到的成分，從而導(dǎo)致真實信

13、號的畸變和失真。 濾波是指讓被測信號中的有效成分通過而將其中不需要的成分抑制或者衰減掉的一種過程。 根據(jù)濾波器的選頻方式一般可將其分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器以及陷波或帶阻濾波器四種類型。10ff1A(f)210fff12A(f)310fff12A(f)4圖圖4-22 四類濾波器的幅頻特性四類濾波器的幅頻特性 RC濾波器按構(gòu)成元件類型分 LC濾波器 晶體諧振濾波器按構(gòu)成電路性質(zhì)分 有源濾波器 無源濾波器按所處理的信號信號分 模擬濾波器 數(shù)字濾波器上 頁目 錄二、濾波器性能分析 所謂理想濾波器就是將濾波器的一些特性理想化而定義的濾波器。這種濾波器低于某一頻率fc的所有信號予以傳送而無任

14、何失真，將頻率高于fc的信號全部衰減，fc稱為截止頻率。若濾波器的頻率響應(yīng)H(f)滿足條件則稱為理想低通濾波器。 0020ftjeAfHcff 其它f00f(f) fH0Acfcf02 tcfcf圖圖4-23 理想低通濾波器理想低通濾波器脈沖響應(yīng)函數(shù) 在頻域為矩形窗函數(shù)的“理想”低通濾波器的時域脈沖響應(yīng)函數(shù)是sinc函數(shù)。 如無相角滯后，即 ，則h(t)具有對稱的圖形。 上 頁目 錄00t tftfAfthccc22sin2f0th(t)0 fHcf0AcfA02cf21cf21cf1cf1cf理想濾波器是不能實現(xiàn)的。 因為h(t)是濾波器在(t)作用下的輸出，其圖形卻表明，在輸入(t)到來之

15、前，即t0, 濾波器就有了與輸入相對應(yīng)的輸出。顯然，這違背了因果關(guān)系，任何現(xiàn)實的濾波器不可能有這種預(yù)知未來的能力，所以理想低通濾波器是不可能存在的。 可以推論，理想的高通、帶通、帶阻濾波器都是不存在的。上 頁目 錄階躍響應(yīng) 給濾波器以單位階躍輸入u(t)，濾波器的輸出y(t)將是該輸入和脈沖響應(yīng)函數(shù)h(t)的卷積：不考慮前、后皺波，輸出從零值（a點）到應(yīng)有穩(wěn)定值 （b點）需要一定的建立時間 。 dthututhty*0Aabtt cabftt61. 0上 頁目 錄0ty(t)atbt0A05 . 0Aab時移 只影響輸出曲線y(t)的右移，不影響 值。0tabtt 濾波器的通頻帶越寬，即 越大

16、，則h(t)的圖形越陡峭，響應(yīng)的建立時間 也將越小。abtt cf上 頁目 錄f0 fHcfA02cfcfcf1cf21cf21cf1cf1cf1 th thffcfA0f0 fH2cf2cf低通濾波器對階躍響應(yīng)的建立時間 和帶寬B成反比，或者說帶寬和建立時間的乘積是常數(shù)，即eT常數(shù)eBT上 頁目 錄需要一定建立時間的解釋：輸入信號如有突變處必然含有豐富的高頻分量。低通濾波器阻衰了高頻分量，其結(jié)果是把輸出波形“圓滑”了。通帶越寬，阻衰的高頻分量越少，使信號能量更多、更快地通過，所以建立時間就短；反之，則長。A(f)fff0c1c2.dd0A20A2、實際濾波器的特征參數(shù)、實際濾波器的特征參數(shù)

17、圖4-24示出實際和理想帶通濾波器的幅頻特性。對于理想濾波器來說，在兩截至頻率fc1和fc2之間的幅頻特性為常數(shù)A0，截至頻率之外的幅頻特性均為零。對于實際濾波器，其特性曲線無明顯轉(zhuǎn)折點，通帶中幅頻特性也并非常數(shù)，因此要用更多參數(shù)對它進行描述，如截止頻率、帶寬、紋波幅度、品質(zhì)因數(shù)以及倍頻程選擇性等。圖圖4-24 實際帶通濾波器的幅頻特性實際帶通濾波器的幅頻特性1、截止頻率 幅頻特性值 等于 時所對應(yīng)的頻率點（圖4-24中的fc1和fc2）。2、紋波幅度 通帶中幅頻特性值的起伏變化值稱為紋波幅度，值越小越好。3、帶寬B和品質(zhì)因數(shù)Q值 濾波器帶寬定義為上下兩截止頻率之間的頻率范圍B= fc1-fc

18、2，又稱為-3dB帶寬，單位為Hz。 對帶通濾波器來說，品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)Q定義為中心頻率f0和帶寬B之比，即Q= f0/B。Q越大，則相對帶寬越小，濾波器的選擇性就越好2/0A2/0A4 4、倍頻程選擇性、倍頻程選擇性 從阻帶到通帶或者從通帶到阻帶，實際上是濾波器的過渡帶，過渡帶的斜率代表著幅頻特性衰減的快慢程度。 倍頻程選擇性是指在上截止頻率fc2與fc2/2之間，或者在下截止頻率fc1與fc1/2之間幅頻特性的衰減量。衰減越快，選擇性越好。5 5、濾波器因數(shù)、濾波器因數(shù) 對理想濾波器有=1。對普通的濾波器，一般為15。dBdBBB360三、實際濾波器三、實際濾波器1、一階RC低通濾波器電路

19、的微分方程式：令=RC，稱時間常數(shù)。傳遞函數(shù)xyyuudtduRC 11ssUsUsHxyRCuxuy1）當(dāng) 時，A(f)=1,(f)-f 近似于一條通過原點的直線。 此時，RC低通濾波器是一個不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。2）當(dāng) 時， ，即 表明，RC值決定著上截止頻率。3）當(dāng) 時，輸出 與輸入 的積分成正比，即 此時，RC低通濾波器起著積分器的作用。RCf21RCf21 21fARCfc212RCf21dtuRCuxy1yuxu2、RC高通濾波器微分方程式令RC=，則傳遞函數(shù)xyyudtuRCu1 1sssHCRuxuy上 頁目 錄1、當(dāng) 時， 濾波器的-3dB截止頻率為2、當(dāng) 時， ； RC高通濾波器

20、可視為不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。3、當(dāng) 時，輸出與輸入的微分成正比， RC高通濾波器起著微分器的作用。21f 21fA112cfRC21f 1fA 0f21f3、RC帶通濾波器 帶通濾波器可看成是低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)組成。串聯(lián)所得的帶通濾波器以原高通濾波器的截止頻率為下截止頻率，即 其上截止頻率為原低通的截止頻率，即 分別調(diào)節(jié)高、低通環(huán)節(jié)的時間常數(shù)（ 及 ），就可得到不同的上、下截止頻率和帶寬的帶通濾波器。1121cf2221cf12 一階RC濾波器在過渡帶內(nèi)的衰減速度非常慢，每個倍頻程只有6dBdB（見圖4-27），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

21、器。圖圖4-27 RC高低通濾波器的幅頻特性高低通濾波器的幅頻特性 電感和電容一起使用可以使濾波器的諧振特性相對一階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LC濾波器的構(gòu)成方法。圖圖4-28 LC濾波器構(gòu)成方法濾波器構(gòu)成方法 通過采用多個RC環(huán)節(jié)或LC環(huán)節(jié)級聯(lián)方式，可以使濾波器的性能有顯著的提高，使過渡帶曲線的陡峭程度得到改善，如圖4-29所示。但不可避免地帶來了明顯的負載效應(yīng)和相移增大等問題，為避免出現(xiàn)這些情況，最常用的方法是采用有源濾波器。圖圖4-29 高階濾波器高階濾波器a）RC高階低通濾波器高階低通濾波器b）LC高階低通濾波器高階低通濾波器圖圖4-30 4-30 有源濾

22、波器的基本結(jié)構(gòu)有源濾波器的基本結(jié)構(gòu)將濾波網(wǎng)絡(luò)與運算放大器結(jié)合是構(gòu)成有源濾波器電路的基本方法（見圖4-30），通常的濾波器具有80dB/倍頻程的下降帶，以及在阻帶中有高于60dB的衰減。四、恒帶寬比濾波器和恒帶寬濾波器 使帶通濾波器的中心頻率可調(diào)，通過改變RC 調(diào)諧 參數(shù)而使其中心頻率跟隨所需量測的信 號頻段。 使用一組各自中心頻率固定的、但又按一定規(guī) 律 相隔的濾波器組。多個濾波器（一）恒帶寬比濾波器帶寬比 濾波器的中心頻率越高，其帶寬越大。若一個帶通濾波器的低端截止頻率為 ，高端截止頻率為 ，則其關(guān)系為： ，其中n稱為倍頻程數(shù)濾波器中心頻率恒帶寬比濾波器的頻率分辨力在低頻段較好，在高頻段則甚

23、差。 ofQB1cf2cf122cncffnfo12ccff f上 頁目 錄0100 2004006008001000頻率（Hz）01002004006008001000頻率（Hz）恒帶寬比濾波器恒帶寬濾波器上 頁目 錄（二）恒帶寬濾波器 恒帶寬濾波器在所有頻段都具有同樣良好的頻率分辨力。 恒帶寬濾波器不宜做成固定中心頻率的。 一般利用一個定帶寬的定中心頻率的濾波器加上可變參考頻率的差頻變換來適應(yīng)各種不同中心頻率的定帶寬濾波的需要。上 頁目 錄第四節(jié) 信號的放大 通常情況下，傳感器的輸出信號都很微弱，必須用放大電路放大后才便于后續(xù)處理。為了保證測量精度的要求，放大電路應(yīng)具有如下性能： 1）足夠

24、的放大倍數(shù)； 2）高輸入阻抗，低輸出阻抗； 3）高共模抑制比（CMRR）； 4）低溫漂、低噪聲、低失調(diào)電壓和電流。 線性運算放大器具備上述特點，因而傳感器輸出信號的放大電路都由運算放大器所組成，本節(jié)介紹幾種常見的運算放大器電路。一、基本放大電路 圖4-36示出了反向放大器、同向放大器和差分放大器三種基本放大電路。反向放大器的輸入阻抗低，容易對傳感器形成負載效應(yīng)；同相放大器的輸入阻抗高，但易引入共模干擾；而差分放大器也不能提供足夠的輸入阻抗和共模抑制比。因此由單個運算放大器構(gòu)成的放大電路在傳感器信號的放大中很少直接采用。圖圖4-36 基本放大電路基本放大電路a）反相放大器）反相放大器 b）同相放大器）同相放大器 c）差分放大器）差分放大器 一種常用來提高輸入阻抗的方法是在基本