第4章信號(hào)的調(diào)理與記錄-4

車輛測(cè)試技術(shù)第4章信號(hào)的調(diào)理與記錄第1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)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益:注意：①輸入阻抗低，容易對(duì)傳感器產(chǎn)生負(fù)載效應(yīng)；②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；③R1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: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)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。

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(wèn)題。

×調(diào)制解調(diào)車輛測(cè)試技術(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)姆糯笃鞯妮敵鲂盘?hào)中取出放大了的緩變信號(hào)。例：交流電橋VeVR1R3R2R4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(guò)程。車輛測(cè)試技術(shù)信號(hào)調(diào)制信號(hào)x(t)0t載波信號(hào)z(t)0t車輛測(cè)試技術(shù)a)幅值調(diào)制(AM)b)頻率調(diào)制(FM)c)相位調(diào)制(PM)←

y(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。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(guò)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(guò)程（數(shù)學(xué)分析）乘法器放大器乘法器濾波器x(t)z(t)xm(t)z(t)x(t)車輛測(cè)試技術(shù)幅度調(diào)制與解調(diào)過(guò)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)-fzfz-2fz2fz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。車輛測(cè)試技術(shù)①調(diào)幅車輛測(cè)試技術(shù)②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(guò)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)，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(guò)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(shuō)，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。1.頻率調(diào)制的基本概念或者載波：載波的瞬時(shí)頻率：調(diào)頻信號(hào)：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(guò)，而極大地衰減其他頻率成分。一、概述濾波車輛測(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LPFHPF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。fj

(

f

)-fcfc以理想的低通濾波器為例，其特性為-fc|H(

f

)|fcf0二、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)。fcH(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(méi)有嚴(yán)格界限,，存在過(guò)渡帶。0fA車輛測(cè)試技術(shù)又稱-3dB帶寬，單位為Hz。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。0ffc1fc2A00.707A0(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。BQ=f0

/B2d(2)帶寬B：上下兩截止頻率之間的頻率范圍。B=fc2-fc1f0d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(guò)渡帶，過(guò)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?；?/p>

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。(6)濾波器因數(shù)(矩形系數(shù))l車輛測(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。RCui+uoRCui+uoRC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

RCui+uo車輛測(cè)試技術(shù)RCui+uo2)一階RC高通濾波器

車輛測(cè)試技術(shù)3)RC帶通濾波器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?車輛測(cè)試技術(shù)R1C1C2ui+uoR2+帶通濾波器(圖4-26）

一階RC濾波器在過(guò)渡帶內(nèi)的衰減速率非常慢，每個(gè)倍頻程只有6dB（見(jiàn)上圖），通帶和阻帶之間沒(méi)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(guò)采用多個(gè)RC環(huán)節(jié)或LC環(huán)節(jié)級(jí)聯(lián)的方式(見(jiàn)圖4-29)，可以使濾波器的性能有顯著的提高，使過(guò)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(guò)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(wèn)題。為避免這些問(wèn)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號(hào)中所含的各個(gè)頻率成分。為使各帶通濾波器的帶寬覆蓋整個(gè)分析的頻帶，它們的中心頻率能使相鄰的帶寬恰好相互銜接，通常的做法是使前一個(gè)濾波器的-3dB上截止頻率高端等于后一個(gè)濾波器