第四章 信號的調(diào)理與記錄

第一節(jié)

電橋第二節(jié)

調(diào)制與解調(diào)第三節(jié)

濾波器第四章信號調(diào)理與記錄信號調(diào)理的的目的是便于信號的傳輸與處理。

信號調(diào)理的目的

第四章、信號調(diào)理與記錄1.傳感器輸出的電信號很微弱，大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需要進一步放大，有的還要進行變換。

2.有些傳感器輸出的是電信號中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。3.某些場合，為便于信號的遠距離傳輸，需要對傳感器測量信號進行調(diào)制解調(diào)處理。

§1電橋電橋是將電阻、電感、電容等參量的變化變?yōu)殡妷夯螂娏鬏敵龅囊环N測量電路。分類：按激勵電壓的性質(zhì)直流電橋交流電橋

按輸出方式不平衡橋式電路平衡橋式電路平衡條件：對臂電阻乘積相等。即：R1R3=R2R41.直流電橋平衡條件：

在測試過程中，根據(jù)電橋工作中的電阻值變化的橋臂情況可以分為單臂、半橋雙臂和全橋式聯(lián)接方式。單臂電橋工作中只有一個橋臂阻值隨被測量的變化而變化，圖中R1的阻值增加了?R。電橋的靈敏度

2.直流電橋的輸出特性

雙臂電橋有兩個橋臂阻值隨被測量而變化。差動變化電橋的靈敏度

全臂電橋四個橋臂阻值隨被測量而變化。差動變化電橋的靈敏度

設(shè)電橋四臂阻值相等R1=R２=R３=R４=R，且增量ΔR1<<R1,ΔR２<<R２,ΔR３<<R３,ΔR４<<R４，則電橋的輸出為組橋時，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K必須一致，上式又可寫成電橋加減特性懸臂梁測力的電橋的接法半橋單臂半橋雙臂全橋R1單臂

R1R2F半橋R1R2FR3R4全橋

總結(jié)：電橋靈敏度工作臂系數(shù)單臂:n=1雙臂:n=2四臂:n=4電橋線性度單臂:雙臂:全橋差動：

二、交流電橋

供橋電源為交流，仍為基本電橋電路的形式，但是在各個臂內(nèi)可能串、并聯(lián)有電感、電容、電阻或其組合。因此除了電阻之外還有我們所說的電抗。電橋的平衡條件：交流電橋的平衡條件：阻抗角是各橋臂電流與電壓之間的相位差。純電阻時電流與電壓同相位，φ=0；電感性阻抗，φ>0；電容性阻抗，φ<0。

電容電橋平衡條件：應(yīng)用：見p81電容傳感器的測量電路電感電橋平衡條件：應(yīng)用：見p87差動變壓器的測量電路聲音信號廣播電臺的發(fā)射塔接收調(diào)制Modulation解調(diào)Demodulation第二節(jié)調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)的目的：主要解決微弱緩變信號的放大以及信號的傳輸問題。

調(diào)制信號載波調(diào)制波先將微弱的緩變信號加載到高頻交流信號中去，然后利用交流放大器進行放大，最后再從放大器的輸出信號中取出放大了的緩變信號。調(diào)制：是指利用某種低頻信號來控制或改變某一高頻信號的某個參數(shù)（幅值、頻率或相位）的過程。

解釋：高頻振蕩信號稱為載波；控制高頻振蕩的低頻信號為調(diào)制信號；調(diào)制后的高頻振蕩信號為已調(diào)制信號。調(diào)制分類：當被控制的量是高頻振蕩信號的幅值時，稱為調(diào)幅(AM)；已調(diào)制信號為調(diào)幅波；當被控制的量為高頻振蕩信號的頻率時，稱為調(diào)頻(FM)；已調(diào)制信號為調(diào)頻波；當被控制的量為高頻振蕩信號的相位時，稱為調(diào)相(PM)；已調(diào)制信號為調(diào)相波；解調(diào)：則是從已調(diào)制波信號中恢復(fù)出原有低頻調(diào)制信號的過程。一、幅值調(diào)制與解調(diào)

1、幅值調(diào)制（時域?qū)嵸|(zhì)）

幅值調(diào)制是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。實例分析：設(shè)x(t)為被測信號，y(t)為高頻載波信號，若選擇余弦信號：y(t)=cos2πf0t，則已調(diào)制信號xm(t)為x(t)與y(t)的乘積：xm(t)=x(t)cos2πf0t則有2、調(diào)幅信號的頻域分析

調(diào)幅過程（a）時域（b）頻域小結(jié)：調(diào)幅：

從頻域上：相當于頻率的搬遷過程。從低頻搬遷到高頻。頻譜形狀保持不變（f0>>fm，常取f0>10fm)。從時域上：用x（t）去控制改變y（t）的幅值，使xm（t）的幅值隨著x（t）的變化而變化，頻率仍與y（t）相同。載波頻率f0稱為調(diào)幅波的中心頻率，f0+fm

稱為上旁頻帶，f0-fm

稱為下旁頻帶。繪單邊譜。繪單邊譜。5003、調(diào)幅信號的解調(diào)方法（1）同步解調(diào)

基本原理：將調(diào)幅波再經(jīng)一乘法器與原載波信號相乘，則調(diào)幅波的頻譜在頻域上將再次被進行移頻。由于載波信號的頻率仍為f0，因此，再次移頻的結(jié)果是使原信號的頻譜圖形出現(xiàn)在0和的2f0頻率處。由于在解調(diào)過程中所乘的信號與調(diào)制時的載波信號具有相同的頻率與相位，因此這一解調(diào)的方法稱為同步解調(diào)。時域分析上有：

圖同步解調(diào)原理低通濾波器將頻率為2f0的高頻信號濾去，得到:（2）包絡(luò)檢波（整流檢波）基本原理：對調(diào)制信號偏置一個直流分量A，使偏置后的信號具有正電壓值。對該信號作調(diào)幅后得到的已調(diào)制波xm(t)的包絡(luò)線將具有原信號形狀。對該調(diào)幅波xm(t)作簡單的整流（全波或半波整流）和濾波便可恢復(fù)原調(diào)制信號。

出現(xiàn)問題：如果所加的偏置電壓未能使信號電壓都位于零位同側(cè)，會造成失真，此時應(yīng)采用相敏檢波技術(shù)。圖4-15a)調(diào)制信號加足夠直流偏置b)調(diào)幅波圖4-16a)調(diào)制信號直流偏置不夠時b)調(diào)幅波解調(diào)：簡單地整流、濾波低通濾波二極管檢波（3）相敏檢波

基本原理：相敏檢波能用來鑒別調(diào)制信號的極性，利用交變信號在過零位時其正、負極性發(fā)生突變，使調(diào)幅波相位與載波信號相比較也相應(yīng)地產(chǎn)生180°相位跳變，從而既能反映原信號的幅值又能反映其極性。

相敏檢波與原載波比較檢出極性變化xm

(t)與y(t)同相，

uf(t)>0，|uf|=|xm|y(t)與xm(t)反相，

uf(t)<0，|uf|=|xm|圖二極管相敏檢波器及其工作原理(a)R(t)>0,0~π(b)R(t)>0,π~2π(c)與(d)R(t)<0圖

相敏解調(diào)過程的波形轉(zhuǎn)換情形

相敏解調(diào)器解調(diào)的波形轉(zhuǎn)換過程： 當調(diào)制信號R(t)為正時(上圖(c)中的0~t1時間內(nèi))，檢波器相應(yīng)輸出為ey1。從檢波器原理圖(a)和(b)中可以看到，無論在0~π或π~2π時間里，電流if流過負載Rf的方向不變，即此時輸出電壓ey1為正值。 當R(t)=0時（上圖(b)中的t1點），負載電阻Rf兩端電位差為零，因此無電流流過Rf，此時輸出電壓ey1=0。 當調(diào)制信號R(t)為負時(上圖(b)中的t1～t2段)，調(diào)幅波ey相對于載波e0的極性正好相差180°，此時從檢波器原理圖(c)和(d)中可看到，電流流過Rf的方向與前相反，即此時輸出電壓ey1為負值。分析：當x(t)>0時，無論調(diào)幅波是否為正，相敏檢波器的輸出波形均為正，既保持與調(diào)制信號極性相同。同時可知，這種電路相當于在0~t1段對xm(t)全波整流，故解調(diào)后的頻率比原調(diào)制波高一倍。當x(t)<0時，

調(diào)幅波xm(t)與載波y(t)反相，同樣可以分析得出：當x(t)<0時無論調(diào)幅波極性如何，相敏檢波器的輸出波形均為負，保持與調(diào)制信號極性一致。同時，電路在t1~t2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。通過相敏檢波可得到一個幅值和極性均隨調(diào)制信號的幅值與極性改變的高頻信號，該信號波形的包絡(luò)線真正地重現(xiàn)了原被測信號。動態(tài)電阻應(yīng)變儀——電橋調(diào)幅與相敏檢波的典型實例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0tx’m(t)0tx’(t)0txm(t)二、頻率調(diào)制與解調(diào)1、頻率調(diào)制的基本概念頻率調(diào)制是指利用調(diào)制信號控制高頻載波信號頻率變化的過程。在頻率調(diào)制過程中載波的幅值保持不變，僅載波的頻率隨調(diào)制信號的幅值成比例關(guān)系。圖調(diào)制信號為三角波時的調(diào)頻信號波形。調(diào)頻波與調(diào)制信號幅值的關(guān)系

2、頻率調(diào)制方法頻率調(diào)制電路常用振蕩電路，如LC振蕩電路、壓控振蕩器。

LC振蕩電路：應(yīng)用于電容、渦流或電感等傳感器的測量電路。3、變壓器耦合的諧振回路鑒頻法調(diào)頻波的解調(diào)又稱鑒頻，是將頻率變化恢復(fù)成調(diào)制信號電壓幅值變化的過程優(yōu)點：抗干擾能力強。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，因為頻率調(diào)制是一種非線性調(diào)制。因為調(diào)頻信號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：占頻帶寬度大，復(fù)雜第三節(jié)濾波器一、概述信號分析：被測信號一般由多個頻率分量組成，檢測中得到的信號除包含有效信息外，還含有噪聲和不希望的成分，會導(dǎo)致真實信號的畸變和失真。濾波：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衰減掉。濾波器：能實施濾波功能的裝置。例：機床軸心軌跡的濾波處理濾除信號中的高頻噪聲，以便于觀察軸心運動規(guī)律

濾波器分類（1）根據(jù)其選頻作用，可分為四類：四類濾波器的幅頻特性（2）根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式可分為兩類：有源濾波器：使用運算放大器結(jié)構(gòu)；無源濾波器：由RLC組合配置而成。RC無源濾波器有源濾波器二、濾波器性能分析1、理想濾波器

特性理想化的濾波器。理想低通濾波器：具有矩形幅頻特性和線性相頻特性。

理想低通濾波器的幅、相頻特性

理想低通濾波器，在物理上是不可實現(xiàn)的。

2、實際濾波器的基本參數(shù)理想濾波器只需規(guī)定截止頻率即可說明其特性，而實際濾波器的特性曲線無明顯轉(zhuǎn)折點，通帶中幅頻特性也非常數(shù)，需更多參數(shù)描述其性能。主要參數(shù)包括：紋波幅度、截止頻率、帶寬、品質(zhì)因數(shù)、倍頻程選擇性、濾波器因數(shù)。

圖理想和實際的帶通濾波器的幅頻特性截止頻率：幅頻特性值等于所對應(yīng)的頻率點；紋波幅度δ：通帶中幅頻特性值的起伏變化值；帶寬B：上下兩截止頻率之間的頻率范圍B=fc2-fc1，又稱-3dB帶寬；品質(zhì)因子（Q值）：對于一個帶通濾波器，其品質(zhì)因子Q則定義為中心頻率f0與帶寬B之比，即Q=f0/B。倍頻程選擇性：上截止頻率fc2與2fc2之間或下截止頻率fc1與fc1/2間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個倍頻程的衰減量，以dB表示。倍頻程選擇性表征過渡帶的幅頻曲線傾斜的程度，即幅頻特性衰減的快慢。濾波器因數(shù)（矩形系數(shù)）λ：濾波器幅頻特性的

-60dB帶寬與-3dB帶寬的比，即

對理想濾波器有λ=1。對普通使用的濾波器，λ一般為（1～5）。三、實際濾波電路1.一階RC低通濾波器

RC低通濾波器及其幅頻特性曲線uiu0H一階RC低通濾波器

時間常數(shù)τ=RC頻響函數(shù)：當??1/2πRC時，當?=1/2πRC時，?c2=1/2πRC上截止頻率:|H(jω)|=A(?)≈1，A(?)=1/改善過渡帶曲線陡度的方法：將多個RC環(huán)節(jié)級聯(lián)；采用電感元件替代電阻元件的方式。在實際應(yīng)用中必須考慮各級聯(lián)環(huán)節(jié)之間的負載效應(yīng)和相移等問題。解決這些問題的最好辦法是采用運放來構(gòu)造有源濾波器。2.RC高通濾波器

RC高通濾波器的典型電路如圖所示。

RC高通濾波器及其幅頻特性曲線

uiu0H令RC=τ，得頻響函數(shù)當?=1/2πτ，即

?=1/2πRC時，

當??1/2πRC時，下截止頻率：?c1=1/2πRC

A(?)=1/A(?)≈1，φ(?)=0一階RC高通濾波器3.帶通濾波器低通濾波器和高通濾波器的組合?？梢钥醋鳛榈屯V波器和高通濾波器的串聯(lián)

4.帶阻濾波器：無源帶阻濾波器帶采用橋式T型或雙T網(wǎng)絡(luò)。圖帶阻濾波器頻率響應(yīng)特性傳遞函數(shù)典型的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)低通高通帶通帶阻電路舉例各種濾波器性能比較：RC濾波器：過渡帶衰減速度慢(－6dB/倍頻程)，通帶與阻帶間無陡峭界限，性能較差。LC濾波器過渡帶曲線的陡峭度優(yōu)于RC濾波器.多個RC或LC環(huán)節(jié)級聯(lián)：極大地改善了過渡帶曲線的陡峭度，但具有明顯的負載效應(yīng)和相移增大的問題.有源濾波器：無源濾波網(wǎng)絡(luò)與運算放大器組合而成，性能更加優(yōu)良。將濾波器網(wǎng)絡(luò)與運算放大器結(jié)合構(gòu)造有源濾波器。一、有源低通濾波器RR1RFC+-+幅頻特性：相頻特性：電路的特點：2.=o時1.=0

時3.二、有源高通濾波器R1RF+-+高通濾波器R幅頻特性：0o2.=o1.=0

3.四、帶通濾波器在信號頻率分析中的應(yīng)用多路帶通濾波器并聯(lián)常用于信號的頻譜分析和信號中特定頻率成分的提取。為使各帶通濾波器的帶寬覆蓋整個分析的頻帶，它們的中心頻率能使相鄰的帶寬恰好互相銜接。濾波器組具有相同的放大倍數(shù)。兩類常用的帶通濾波器組：恒帶寬比濾波器；恒帶寬濾波器；（1）恒帶寬比濾波器

恒帶寬比濾波器是指濾波器的相對帶寬是常數(shù)，即

假若一個帶通濾波器的低端截止頻率為fc1i

，高端截止頻率為fc2i

，二者的關(guān)系：式中n稱為倍頻程數(shù)。若n=1，則稱為倍頻程濾波器；若n=1/3，則稱為1/3倍頻程濾波器。一個濾波器組中后一個濾波器的中心頻率f0i與前一個濾波器的中心頻率f0(i-1)間滿足：而且，濾波器的中心頻率與上下截止頻率間的關(guān)系為

n=1的倍頻程濾波器（如下圖），有：(1)中心頻率（Hz）16,31.5,63,125,250,……,(2)帶寬（Hz

）11.31,22.27,44.55,88.39,176.78,……n=1/3倍頻程濾波器組，有：

(1)中心頻率（Hz）

12.5,16,20,25,31.5,40,50,63,……,(2)帶寬（Hz）

2.9,3.7,4.6,5.8,7.3,9.3,11.6,14.6……1倍頻程譜分析裝置（2）恒帶寬濾波器恒帶寬比的濾波器的不足之處：其通頻帶在低頻段內(nèi)甚窄，而在高頻段內(nèi)則較寬。因此，濾波器組的頻率分辨率在低頻段內(nèi)較好，在高頻段內(nèi)甚差。為了使濾波器組的分辨率在所有頻段都具有同樣良好的頻率分辨率，可以采用恒帶寬的濾波器。恒帶寬濾波器是指濾波器的絕對帶寬為常數(shù):為了提高濾波器的分辨率，其帶寬應(yīng)窄一些。但這樣為覆蓋整個頻率范圍所需要的濾波器數(shù)量就很大。因此，恒帶寬濾波器不應(yīng)做成中心頻率為固定的。實際中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器的需要。參考信號的掃描速度應(yīng)能夠滿足建立時間的要求，尤其是濾波器帶寬很窄的情況，參考頻率變化不能過快。常用的恒帶寬濾波器有相關(guān)濾波和變頻跟蹤濾波兩種。中心頻率可調(diào)式掃描式頻率分析儀采用一個中心頻率可調(diào)的帶通濾波器。通過改變中心頻率使該濾波器的帶通跟所要分析的信號頻率范圍要求來變化。調(diào)節(jié)方式可以是手調(diào)或者外信號調(diào)節(jié)。掃描式頻率分析儀框圖例題：已知某RC低通濾波器，R=1k，C=1F，

1）確定各函數(shù)式H(s)；H()；A()；()。

2）當輸入信號ui=10sin1000t時，求輸出信號uo，并比較其幅值及相位關(guān)系。解：補充測試信號的顯示與記錄測試信號的顯示和記錄是不可缺少的組成部分，其目的在于：1）測試人員通過顯示儀器觀察各路信號的大小和實時波形。2）及時掌握測試系統(tǒng)的動態(tài)信息，必要時對參數(shù)調(diào)整。3）記錄信號的重現(xiàn)。4）對信號進行后續(xù)的分析和處理。一、信號的顯示示波器是測試中最常用的顯示儀器，有模擬示波器、數(shù)字示波器和數(shù)字存儲示波器。1.模擬示波器2.數(shù)字示波器3.數(shù)字存儲示波器模擬示波器是以傳統(tǒng)的陰極攝像管示波器為代表，下圖是一個典型通用的陰極射線管示波器的框圖。數(shù)字示波器是隨著數(shù)字電子與計算機技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型示波器，其基本原理框圖如下圖所示。數(shù)字存儲示波器原理框圖如下圖所示。圖像顯示器陰極射線管顯示器外觀圖液晶顯示器外觀圖二、信號的記錄傳統(tǒng)儀器有光線示波器、XY記錄儀、模擬磁帶記錄儀。光線示波器、XY記錄儀將信號記錄在紙質(zhì)介質(zhì)上，頻率響應(yīng)差，分辨率低，記錄受限等，已經(jīng)逐漸退出。模擬磁帶記錄儀很少用。1.用數(shù)據(jù)采集儀器進行信號記錄。2.用計算機內(nèi)插A/D卡進行數(shù)據(jù)采集與記錄.3.儀器前端直接實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與記錄。

是一種常用的模擬式記錄器，主要