CH5信號調(diào)理處理和記錄

1、單擊此處編輯母版標題樣式單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級9/14/20221第5章 信號調(diào)理、處理和記錄Signal Condition, Process and Record5.1 電橋(Bridge Circuit)5.2 調(diào)制與解調(diào)(Modulation and Demodulation)5.3 濾波器(Wave Filter) 5.4 信號的指示和記錄裝置 (Indication and Record Equipments of Signal)返回19/14/20225.1 電 橋 (Bridge Circuit)將電阻、電感、電容等參量的變化變?yōu)殡妷夯螂娏鬏敵龅囊环N測

2、量電路。按照激勵電壓的性質(zhì)，分為直流電橋和交流電橋；按照輸出方式，分為不平衡橋式電路和平衡橋式電路。電橋:分類:21. 直流電橋電 橋(2/19)9/14/2022R1R3R4R2uiuoI1I2abdc39/14/2022(2)電橋的平衡條件 (1) 電橋輸出電壓電 橋(3/19)4直流電橋的連接方式 (a) 半橋單臂 (b) 半橋雙臂 (c) 全橋 電 橋(4/19)R3R4R2uiuoI1I2abdcR3R4uiuoI1I2abdcuiuoI1I2abdc11RRD11RRD22RRDm11RRD22RRDm44RRDm33RRD342uu1234uu12u1211RRD11RRD22R

3、RDm11RRD22RRDm44RRDm33RRD5電 橋(5/19)如電橋開始處于平衡狀態(tài),當各橋臂電阻發(fā)生微小變化時電橋失去平衡,其輸出為(3) 電橋的靈敏度一般R很小，即R0時，無論調(diào)制波是否為正，相敏檢波器的輸出波形均為正，即保持與調(diào)制信號極性相同。這種電路相當于在0a段對xm(t)全波整流，解調(diào)后的頻率比原調(diào)制波高一倍。調(diào)制與解調(diào)(13/26)339/14/2022調(diào)制與解調(diào)(14/26)349/14/2022由上兩圖知，x(t)0時，不管調(diào)制波極性如何，相敏檢波器的輸出波形均為負，保持與x(t)一致。同時，電路在ab段相當于對xm(t)全波整流后反相，解調(diào)后的頻率為原調(diào)制波的兩倍。

4、調(diào)制與解調(diào)(15/26)359/14/20224)調(diào)幅應(yīng)用動態(tài)電阻應(yīng)變儀 調(diào)制與解調(diào)(16/26)電橋放大器相敏檢波低通濾波顯示記錄載波振蕩器x(t)x(t)0t0ty(t)電阻應(yīng)變片0txm(t)0tx(t)0txm(t)369/14/20222調(diào)頻及其解調(diào) (1) 原理利用調(diào)制信號的幅值控制載波信號頻率的過程。調(diào)頻波是等幅波，但頻率的變化量與調(diào)制信號幅值成正比。 調(diào)頻波的瞬時頻率可表示為 f = f0 + f = f0 + K x(t) f0 為載波頻率，也稱中心頻率。f 為頻率偏移，與調(diào)制信號x(t)幅值成正比。 調(diào)制與解調(diào)(17/26)379/14/2022調(diào)頻波與調(diào)制信號幅值的關(guān)系圖

5、 調(diào)制與解調(diào)(18/26)389/14/2022設(shè)調(diào)制信號 載波信號為 調(diào)頻時載波的幅值和初始相位角不變，瞬時頻率 圍繞著f0隨調(diào)制信號電壓作線性的變化： 由上式可見，頻率偏移與調(diào)制信號的幅值成正比，與調(diào)制信號的頻率無關(guān)，這是調(diào)頻波的基本特征之一。 調(diào)制與解調(diào)(19/26)399/14/2022實現(xiàn)信號的調(diào)頻和解調(diào)的方法甚多。在測量系統(tǒng)中，常利用電抗元件組成調(diào)諧振蕩器，以電抗元件（電感或電容）作為傳感器參量，以它感受被測量的變化，作為調(diào)制信號的輸入，振蕩器原有的信號振蕩信號作為載波。當有調(diào)制信號輸入時，振蕩器輸出即為被調(diào)制了的調(diào)頻波。當電容C和電感L并聯(lián)組成振蕩器的諧振回路時，電路的諧振頻率將

6、為： 調(diào)制與解調(diào)(20/26)409/14/2022無信號輸入時，x(t)=0，諧振電路的諧振頻率為有信號輸入時，x(t)0，諧振電路的諧振頻率為調(diào)制與解調(diào)(21/26)419/14/2022對上式求微分得諧振頻率的絕對變換量:在載波頻率f0附近有C1=C0，所以調(diào)制與解調(diào)(22/26)429/14/2022諧振頻率的表達式為用Kf表示調(diào)制與解調(diào)(23/26)439/14/2022無信號時，諧振電路的輸出電壓有信號時，諧振電路的輸出電壓調(diào)制與解調(diào)(24/26)449/14/2022 (2)調(diào)頻波的解調(diào)調(diào)頻波是以正弦波頻率的變化來反映被測信號的幅值變化。調(diào)頻波的解調(diào)是先將調(diào)頻波變換成調(diào)頻調(diào)幅波，

7、然后進行幅值檢波。調(diào)頻波的解調(diào)由鑒頻器完成。鑒頻器通常由線性變換電路與幅值檢波電路組成。調(diào)制與解調(diào)(25/26)459/14/2022(a) 鑒頻器 (b) 頻率-電壓特性曲線 調(diào)制與解調(diào)(26/26)ufC1L1L2C2CRu0ua頻率電壓線性變換部分幅值檢波ua0 n0ttua0uat0469/14/20225.3 濾波器 (Wave Filter)濾波器是一種選頻裝置，它只允許一定頻帶范圍的信號通過，同時極大地衰減其他頻率成分。濾波器的這種篩選功能在測試技術(shù)中可以起到消除噪聲、干擾信號等作用，在自動檢測、自動控制、信號處理等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。479/14/20221. 濾波器的分類低通

8、濾波器：通頻帶 0f2。高通濾波器：通頻帶 f1帶通濾波器：通頻帶 f1f2帶阻濾波器：通頻帶 0f3 與 f4 （阻帶：f3f4）(1) 根據(jù)濾波器的選頻特性分類高通濾波器幅頻特性=1-低通濾波器幅頻特性 帶阻濾波器是高通和低通的組合濾波器(2/23)489/14/2022(2)根據(jù)濾波器的元件類型分類RC、LC、晶體諧振及開關(guān)電容濾波器。(3)根據(jù)濾波器的電路性質(zhì)分類有源、無源濾波器。(4)根據(jù)濾波器的信號性質(zhì)分類模擬、數(shù)字濾波器。濾波器(3/23)499/14/20222.理想濾波器 (1)理想濾波器模型及脈沖響應(yīng) 無過渡帶且在通頻帶內(nèi)滿足不失真測試條件的濾波器稱為理想濾波器。理想濾波器

9、的頻率響應(yīng)函數(shù)為 理想濾波器的脈沖響應(yīng)函數(shù)為sinc函數(shù)，若無相角滯后（t0=0）： 濾波器(4/23)509/14/2022任何現(xiàn)實系統(tǒng)都不可能具有這種預(yù)知未來的能力在輸入(t)到來以前,濾波器有與輸入相對應(yīng)的輸出理想低通濾波器是不存在的.理想高通、帶通、帶阻濾波器也是不存在的濾波器(5/23)ffc0-fc(f)2t0A00ffc-fc|H(f)|(a)理想低通濾波器頻率特性t01/2fc1/fc-1/2fc-1/fc2A0fch(t)tt00h(t)(b)理想低通濾波器脈沖響應(yīng)函數(shù)519/14/2022 (2)理想濾波器的階躍響應(yīng)1)單位階躍輸入 2)濾波器的階躍響應(yīng)： 濾波器(6/23

10、)529/14/2022若不考慮前、后皺波，輸出從0(a點)到應(yīng)有的穩(wěn)定值A(chǔ)0(b點)之間的所需建立時間為： 上截止頻率3)階躍響應(yīng)波形圖 4)響應(yīng)時間濾波器(7/23)理想低通濾波器對單位階躍輸入的響應(yīng)0ttbtaay(t)A00.5A0b(a)無相角滯后，時移t0=00ty(t)tbt0taaA00.5A0b(b)有相角滯后，時移t00539/14/2022如果按穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值的0.10.9作為計算建立時間的標準，則濾波器通頻帶越寬（fc越高），建立時間越短，響應(yīng)速度越快。其物理意義是：輸入信號突變處（間斷點）必然含有豐富的高頻分量。低通濾波器阻衰了高頻分量，結(jié)果將輸出波形“圓滑”。通帶越寬，

11、阻衰的高頻分量越少，使信號能量更多更快地通過，故建立時間短，反之建立時間長。濾波器(8/23)549/14/2022低通濾波器對階躍響應(yīng)的建立時間Te與帶寬B成反比，即：BTe = 常數(shù)該結(jié)論對高通、帶通及帶阻濾波器均成立。濾波器帶寬表示其頻率分辨力，通帶越窄，分辨力越高，顯然，高分辨力與響應(yīng)速度是互相矛盾的。如果要用濾波的方法從信號中提取某一很窄的頻率成分（如作譜分析），必須有足夠的時間。 5)高分辨力與響應(yīng)速度的關(guān)系:濾波器(9/23)559/14/20223. 實際濾波器 (1)實際濾波器的基本參數(shù) 理想帶通濾波器（虛線）與實際帶通濾波器（實線）的幅頻特性圖濾波器(10/23)569/1

12、4/2022上、下兩截止頻率之間的頻率范圍稱為濾波器帶寬或-3dB帶寬。帶寬B 決定頻率分辨力。將中心頻率f0（ ，幾何平均）與帶寬B之比稱為濾波器的品質(zhì)因素。f0確定，品質(zhì)因素Q越大，濾波器分辨力越高。 或 指在上截止頻率fc2與2fc2之間，或者在下截止頻率fc1與fc1/2之間幅頻特性的衰減量，即頻率變化一個倍頻程的衰減量。帶寬B和品質(zhì)因素Q倍頻程選擇性W濾波器(11/23)579/14/2022倍頻程選擇性用dB/oct表示，有時也采用10倍頻程選擇性用dB/dec表示。倍頻程選擇性表明濾波器過渡帶內(nèi)幅頻曲線的傾斜程度，它決定了濾波器對帶寬外頻率成分衰減的能力。顯然W越大，濾波器選擇性

13、越好。理想濾波器=1，通常=15。有些濾波器因器件影響（如電容漏阻），阻帶衰減達不到-60dB，可用-40dB或-30dB帶寬與-3dB帶寬的比值表示。 濾波器因數(shù)（矩形系數(shù)）濾波器選擇性的另一種表示法。用濾波器幅頻特性的-60dB帶寬與-3dB帶寬的比值表示。濾波器(12/23)589/14/2022(2)RC調(diào)諧式濾波器的基本參數(shù) 1)一階RC低通濾波器 低頻段近于不失真?zhèn)鬏敗８哳l段近于積分器。高頻衰減率20dB/dec（ 6dB/oct）濾波器(13/23)CRuyuxf1/2 1A(f)0f-450-9000(f)1/2RC低通濾波器599/14/20222)一階RC高通濾波器 低頻段

14、近于微分器。高頻段近于不失真?zhèn)鬏敗?濾波器(14/23)uyuxRC高通濾波器609/14/2022(3)RC帶通濾波器 帶通濾波器可由低通和高通濾波器串聯(lián)組成。為了消除串聯(lián)時負載效應(yīng)的影響，通常用輸出跟隨器或運算放大器實現(xiàn)隔離。因此，實際帶通濾波器通常是有源的。不考慮負載效應(yīng)時，帶通濾波器傳遞函數(shù)為濾波器(15/23)C1R2C2R1uyuxH1(s)H2(s)X(s)Y(s)RC帶通濾波器619/14/20224. 恒帶寬比與恒帶寬濾波器 對信號做頻譜分析或摘取信號中某些頻率成分時，可以通過多個中心頻率不同的帶通濾波器實現(xiàn)，各個濾波器的輸出反映了信號在該通頻帶內(nèi)的量值。帶通濾波器實現(xiàn)譜分析

15、可有兩種方式：一是由一中心頻率可調(diào)的帶通濾波器獨立構(gòu)成；二是使用各自中心頻率固定，但又按一定規(guī)律相隔的濾波器組。顯然后者可以實現(xiàn)“實時”譜分析。對濾波器組，各濾波器的通帶應(yīng)相互鄰接，覆蓋整個感興趣的頻帶。即前一濾波器的3dB上截止頻率為后一相鄰濾波器的3dB下截止頻率。濾波器組具有相同的增益（對各中心頻率而言）。濾波器(16/23)629/14/2022(1)倍頻程頻譜分析裝置中心頻率固定Q=f/B。Q相同，中心頻率f越高，帶寬B越寬。濾波器(17/23)639/14/2022(2)恒帶寬比濾波器（恒定百分比帶通濾波器）特點： ，即品質(zhì)因數(shù)恒定。顯然，中心頻率f0 越高，帶寬越大。恒帶寬比濾波

16、器的低端截止頻率fc1與高端截止頻率fc2之間常滿足如下關(guān)系：n稱為倍頻程數(shù)。n=1稱為倍頻程濾波器； n=1/3稱為1/3倍頻程濾波器。濾波器(18/23)649/14/2022由于：從而有：n=1時， Q=1.41；n=1/3時，Q=4.38；n=1/5時，Q=7.2。對鄰接的濾波器組，易得： 。 只要選定n值，即可設(shè)計覆蓋給定頻率范圍的鄰接式濾波器。 顯然，倍頻程數(shù)越小，Q值越大，濾波器分辨力越高。濾波器(19/23)659/14/2022中心頻率/Hz1631.563125250帶寬/Hz11.3122.2744.5588.39176.78中心頻率/Hz12.516202531.540

17、5063帶寬/Hz2.93.74.65.87.39.311.614.6倍頻程濾波器 1/3倍頻程濾波器高頻段分辨率低濾波器(20/23)669/14/2022(3)恒帶寬濾波器 恒帶寬濾波器帶寬恒定。在所有頻帶內(nèi)都具有良好的頻率分辨力。恒帶寬濾波器一般不宜固定中心頻率。而是利用一個定帶寬、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。濾波器(21/23)679/14/2022常用恒帶寬濾波器有相關(guān)濾波和跟蹤濾波兩種。濾波器(22/23). . . . .fA(f)01002004006008001 000(a)恒帶寬帶通濾波器. . . . .fA(f)

18、01002004006008001 000(b)恒帶寬比帶通濾波器恒帶寬與恒帶寬比帶通濾波器比較689/14/2022中心頻率在不同頻率時均有輸出(4)三種濾波器測量結(jié)果比較濾波器(23/23)04020幅值/dB9401 060f/Hz(a)實際信號04020幅值/dB6308001 0001 2501 600f/Hz(b)1/3倍頻程分析結(jié)果f/Hz04020幅值/dB9401 060(c)1/10倍頻程分析結(jié)果(d) 恒帶寬濾波器分析結(jié)果9401 06004020幅值/dBf/Hz三種濾波器測量結(jié)果比較699/14/20225.4 信號的指示和記錄裝置 (Indication and R

19、ecord Equipments of Signal)信號指示與記錄裝置是測試系統(tǒng)的最后一個環(huán)節(jié)，也是進一步了解、分析和研究測量結(jié)果的重要環(huán)節(jié)。選擇指示與記錄裝置，首先關(guān)心的是其響應(yīng)能力，即能否正確地跟蹤測量信號的變化，并把它如實的記錄下來（隨動系統(tǒng)）。通常把記錄裝置對正弦信號的響應(yīng)能力稱為記錄裝置的頻率響應(yīng)特性，它決定了記錄裝置的工作頻率范圍。709/14/2022信號的指示和記錄裝置 (2/7)719/14/20221. 磁光盤記錄器 信號的指示和記錄裝置 (3/7)硬盤：硬盤存儲器主要由磁頭、盤片、硬盤驅(qū)動器和讀/寫控制電路組成，盤片用鋁合金或玻璃等材料制成，其表面涂有磁性材料，硬盤存儲

20、器根據(jù)磁頭和盤片結(jié)構(gòu)的不同可以分為固定磁頭硬盤，活動磁頭固定盤片硬盤以及活動可換盤片硬盤等幾種類型。磁盤的轉(zhuǎn)速有12 000 r/min、7 200 r/min、5 400 r/min等多種，并且朝著轉(zhuǎn)速越來越快的方向發(fā)展。729/14/2022信號的指示和記錄裝置 (4/7)光盤：目前常見的光盤儲存器是CD-ROM和DVD-ROM。又可以分為以下幾種：只讀光盤(CD-R)、可讀寫光盤(rewritable)。其工作原理是把被記錄信息經(jīng)過數(shù)字化處理，變成了“ 0”與“1”，其對應(yīng)在光盤上就是沿著盤面螺旋形狀信息軌道上的一系列凹點(pits)和平面(lands)。所有的凹點都具有相同的深度和長度，其深度約為0.110.13 m，寬度約為0.40.5 m，而激光光束能在1 s內(nèi)從1 m2的面積內(nèi)獲得清晰的反射信號。根據(jù)