課件 第四章 信號的調(diào)理與記錄

第一節(jié)電橋第三節(jié)

濾波器第四節(jié)信號的放大第五節(jié)測試信號的顯示與記錄第二節(jié)調(diào)制與解調(diào)第四章信號的調(diào)理與記錄第一節(jié)電橋一、直流電橋電橋是將電阻、電感、電容等參量的變化轉(zhuǎn)換為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，而且具有很高的精度和靈敏度，因此在測量裝置中被廣泛采用。圖4-1是直流電橋的基本結(jié)構(gòu)被測量經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成的或是微弱電信號或是微小的非電信號，這些信號中一般含有噪聲，通常需要進行某些調(diào)理和處理，以便提高信噪比，把信號轉(zhuǎn)換成更便于處理、接收和顯示的形式，最終轉(zhuǎn)換為儀表示值，或被記錄，或輸入計算機、控制裝置，或供人觀察。電橋按其所采用的激勵電源的類型可分為直流電橋與交流電橋；按其工作原理可分為偏值法和歸零法兩種，其中偏值法的應(yīng)用更為廣泛。第一節(jié)電橋一、直流電橋在測試中常用的電橋連接形式有：單臂電橋連接、半橋連接與全橋連接。直流電橋的連接方式，如圖4-2所示。圖4-2直流電橋的聯(lián)接方式在使用電橋時必須使相鄰的兩個橋臂的電阻值變化量相反。第一節(jié)電橋一、直流電橋換在測試中常用的電橋連接形式有：單臂電橋連接、半橋連接與全橋連接。懸臂梁測力的電橋接法如圖4-3所示圖4-3第一節(jié)電橋一、直流電橋在測試中常用的電橋連接形式有：單臂電橋連接、半橋連接與全橋連接。柱形梁測力的電橋接法如圖4-4所示。圖4-4柱形梁測力的電橋法第一節(jié)電橋一、直流電橋在測試中常用的電橋連接形式有：單臂電橋連接、半橋連接與全橋連接。使用電橋電路時，還需要調(diào)節(jié)零位平衡，如圖4-5所示。圖4-5零位平衡調(diào)節(jié)差動串聯(lián)平衡差動并聯(lián)平衡交流電橋的電路結(jié)構(gòu)與直流電橋完全一樣，如圖4-6所示。第一節(jié)電橋二、交流電橋圖4-6交流電橋圖4-7是一種常用電容電橋。

第一節(jié)電橋二、交流電橋換圖4-7電容電橋平衡條件：圖4-8是一種常用的電感電橋。第一節(jié)電橋二、交流電橋圖4-8電感電橋平衡條件：電阻交流電橋的分布電容如圖4-9所示。第一節(jié)電橋二、交流電橋換圖4-9電阻交流電橋的分布電容使用5~10kHz音頻交流電源作為交流電橋的電源。具有電阻電容平衡的交流電阻電橋如圖4-10所示。第一節(jié)電橋二、交流電橋圖4-10具有電阻電容平衡的交流電阻電橋用于電感比較儀中的電橋如圖4-11a所示。第一節(jié)電橋三、帶感應(yīng)耦合臂的電橋帶感應(yīng)耦合臂的電橋：是將感應(yīng)耦合的兩個繞組作為橋臂而組成的電橋，一般有兩種形式。圖4-11帶電感偶合臂的電橋原邊繞組二次邊繞組兩原邊繞組單次邊繞組較高的精確度、靈敏度以及性能穩(wěn)定。第一節(jié)電橋四、平衡電橋圖4-12平衡電橋上述電橋都是在失去平衡時才有電壓輸出，是在不平衡條件下工作的。它的缺點是當電源電壓不穩(wěn)定以及環(huán)境溫度有變化時，都會引起電橋輸出的變化，從而會產(chǎn)生測量誤差。為此，在某些情況下，采用平衡電橋。當被測量等于零時，電橋處于平衡狀態(tài)，指示儀表G及可調(diào)電位器H指零。13第二節(jié)調(diào)制與解調(diào)調(diào)制是指利用某種低頻信號來控制或改變一高頻振蕩信號的某個參數(shù)（幅值、頻率或相位）的過程。當被控制的量是高頻振蕩信號的幅值時，稱為幅值調(diào)制或調(diào)幅；當被控制的量是高頻振蕩信號的頻率時，稱為頻率調(diào)制或調(diào)頻；當被控制的量是高頻振蕩信號的相位時，稱為相位調(diào)制或調(diào)相。（高頻振蕩信號為載波，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）解調(diào)是指從已調(diào)制信號中恢復出原低頻調(diào)制信號的過程。調(diào)制與解調(diào)是一對相反的信號變換過程，在工程上經(jīng)常結(jié)合在一起使用。1.幅值調(diào)制第二節(jié)調(diào)制與解調(diào)一、幅值調(diào)制與解調(diào)幅值調(diào)制是將一個高頻載波信號（此處采用余弦波）與被測信號（調(diào)制信號）相乘，使高頻信號的幅值隨被測信號的變化而變化。圖4-12幅值調(diào)制如所示高頻載波信號已調(diào)制信號調(diào)制信號(被測信號)2.調(diào)幅信號的頻域分析第二節(jié)調(diào)制與解調(diào)一、幅值調(diào)制與解調(diào)一個函數(shù)與單位脈沖函數(shù)卷積的結(jié)果是：將這個函數(shù)的波形由坐標原點平移至該脈沖函數(shù)處。圖4-13調(diào)頻信號的頻譜為了保持調(diào)制信號的信息，要求載波信號的頻率f0必須至少是調(diào)制信號(即被測信號)最高頻率fm的10倍。3.調(diào)幅信號的解調(diào)方法第二節(jié)調(diào)制與解調(diào)一、幅值調(diào)制與解調(diào)（1）同步解調(diào)圖4-14同步解調(diào)若把調(diào)幅波再次與原載波信號相乘，則頻域的頻譜圖形將再一次進行“搬家”，其結(jié)果是使原信號的頻譜圖形平移到0和±2f0的頻率處。被測信號幅值/2被測信號幅值/2被測信號幅值/43.調(diào)幅信號的解調(diào)方法第二節(jié)調(diào)制與解調(diào)一、幅值調(diào)制與解調(diào)（2）包絡(luò)檢波圖4-15調(diào)制信號加足夠直流偏置的調(diào)幅波包絡(luò)檢波亦稱整流檢波，被測信號加足夠直流偏置，然后進行調(diào)幅，這時已調(diào)幅信號的波形如圖4-15所示，這時只要對這種已調(diào)制信號進行整流濾波再減去直流偏置就可以得到原來的被測試信號。3.調(diào)幅信號的解調(diào)方法第二節(jié)調(diào)制與解調(diào)一、幅值調(diào)制與解調(diào)（2）包絡(luò)檢波若所加的偏置電壓未能使信號電壓都位于零位的同一側(cè)：那么對調(diào)幅的波形只進行簡單的整流濾波便不能回復原調(diào)制信號，而會造成失真。圖4-16調(diào)制信號直流偏置不夠時3.調(diào)幅信號的解調(diào)方法第二節(jié)調(diào)制與解調(diào)一、幅值調(diào)制與解調(diào)（3）相敏檢波相敏檢波是利用二極管的單向?qū)ㄗ饔脤㈦娐份敵鰳O性互換。其特點是可以鑒別調(diào)制信號的極性，所以采用相敏檢波時，對調(diào)制信號不必再直流偏置。被測信號在過零位時正負極性發(fā)生改變，使已調(diào)制信號即調(diào)幅波信號的相位相對于載波信號產(chǎn)生180度的相位突變，相敏檢測電路利用這個突變就能反映原調(diào)制信號的幅值，又能反映其極性。3.調(diào)幅信號的解調(diào)方法第二節(jié)調(diào)制與解調(diào)一、幅值調(diào)制與解調(diào)如圖4-17為一種典型的二極管相敏檢波電路。圖中還示出了相敏檢波器解調(diào)的波形轉(zhuǎn)換過程。圖4-17相敏檢波（3）相敏檢波正調(diào)制信號(正電壓比較)：載波信號正：d-1-VD1-2-5-R1-地-d;

載波信號負：d-3-VD3-4-5-R1-地-d;負調(diào)制信號(負電壓比較)：載波信號正：5-2-VD2-3-d-地-R1-5;

載波信號負：5-4-VD4-1-d-地-R1-5;3.調(diào)幅信號的解調(diào)方法第二節(jié)調(diào)制與解調(diào)一、幅值調(diào)制與解調(diào)動態(tài)電阻應(yīng)變儀可作為電橋調(diào)幅與相敏檢波的典型實例，如圖4-18所示。圖4-18動態(tài)電阻應(yīng)變儀框圖1.頻率調(diào)制的基本概念第二節(jié)調(diào)制與解調(diào)二、頻率調(diào)制與解調(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。當信號電壓為零時，調(diào)頻波的頻率就等于中心頻率；信號電壓為正值時頻率提高，負值時則降低。所以調(diào)頻波是隨信號而變化的琉密不等的等幅波，如圖4-19所示。圖4-19調(diào)制信號為三角波時的調(diào)頻信號波形。2.頻率調(diào)制方法第二節(jié)調(diào)制與解調(diào)二、頻率調(diào)制與解調(diào)圖4-20LC振蕩電路直接頻率調(diào)制法2.頻率調(diào)制方法第二節(jié)調(diào)制與解調(diào)二、頻率調(diào)制與解調(diào)壓控振蕩器模擬乘法器滯回歸比較器模擬積分器目前已有大量單片壓控振蕩器芯片，例如MAX2622~MAX2624。這些芯片的中心頻率有生產(chǎn)廠家預置，頻率變化量由輸入電壓控制。253.調(diào)頻信號的解調(diào)第二節(jié)調(diào)制與解調(diào)二、頻率調(diào)制與解調(diào)調(diào)頻信號的解調(diào)亦稱鑒頻，一般采用鑒頻器和鎖相環(huán)解調(diào)器。圖4-21調(diào)頻器工作原理工作于高通濾波器的過渡帶第三節(jié)濾波器一、概述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衰減掉的一種過程。濾波器可以是機械的也可以是電子的，本節(jié)介紹電子濾波器。圖4-22四種濾波器的幅頻特性可從不同角度對濾波器進行分類，從其功能角度可以把濾波器分為低通、高通、帶通和帶阻等四種濾波器；從其構(gòu)成角度可把其分為有源和無源。第三節(jié)濾波器二、濾波器性能分析理想低通濾波器單位脈沖響應(yīng)圖4-23理想低通濾波器特性所謂理想濾波器：就是將濾波器的一些特性理想化而定義的濾波器。理想低通濾波器的幅頻和相頻特性如圖4-23所示。截止頻率fc第三節(jié)濾波器二、濾波器性能分析理想低通濾波器單位階躍響應(yīng)理想低通濾波器的單位階躍響應(yīng)，如圖所示。圖4-20理想低通濾波器對單位階躍輸入的響應(yīng)

a)無相角滯后時移t0=0b)有相角滯后，時移t0!=0輸入的階躍信號：理想低通濾波器的時間響應(yīng)：系統(tǒng)輸出的穩(wěn)定時間：此式表明，如果濾波器的通頻帶越寬，即fc越大，則h(t)的圖形將越陡峭，響應(yīng)的建立時間(tb-ta)也將越小。如果按理論響應(yīng)值的0.1~0.9作為計算建立時間的標準，則29第三節(jié)濾波器二、濾波器性能分析理想低通濾波器輸出穩(wěn)定時間(過渡時間)從以上分析可知，理想低通濾波器對階躍信號的響應(yīng)需要一定的建立時間可以這樣解釋：輸人信號如果有突變，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。故低通濾波器對階躍響應(yīng)的建立時間Te和帶寬B成反比，或者說帶寬和建立時間的乘積是常數(shù)，即實際濾波器的特征參數(shù)圖4-24實際帶通濾波器的幅頻特性截止頻率fc幅頻特性值等于時所對應(yīng)的頻率點，如以信號功率表示，則為半功率點處的頻率。帶寬B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，單位為Hz。帶寬決定著濾波器分離信號中相鄰頻率成分的能力-頻率分辨力。濾波器響應(yīng)速度和分辨能力是矛盾的30第三節(jié)濾波器二、濾波器性能分析實際濾波器的特征參數(shù)波紋幅度d品質(zhì)因子(Q)通帶中幅頻特性值的起伏變化值，波紋幅度越小越好。圖4-24實際帶通濾波器的幅頻特性在帶通濾波器中，品質(zhì)因子定義為中心頻率f0與帶寬B之比，品質(zhì)因子越大，則相對帶寬越小，濾波器的選擇性就越好。倍頻程選擇性濾波器因數(shù)(矩形系數(shù))l從阻帶到通帶或從通帶到阻帶，實際濾波器都有一個過渡帶，過渡帶的曲線傾斜度代表幅頻特性衰減的快慢程度，通常用倍頻程選擇性來表征。倍頻程選擇性是指上截止頻率fc2與2fc2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。顯然，衰減越快，選擇性越好。對理想濾波器有l(wèi)=1。對于普通使用的濾波器，l一般為1~5。31第三節(jié)濾波器最簡單的低通和高通濾波器可由一個電阻和一個電容組成，圖4-25所示。圖4-25簡單低通和高通濾波器三、實際濾波電路第三節(jié)濾波器三、實際濾波電路一階RC濾波器在過渡帶內(nèi)的衰減速率非常慢，每個倍頻只有6dB，如圖4-27所示。圖4-27RC高低通濾波器的幅頻特性第三節(jié)濾波器三、實際濾波電路電感和電容一起使用可以使濾波器的諧振特性相對于一階RC電路產(chǎn)生較為陡峭的濾波器邊緣，如圖4-28所示。這是因為多個中心頻率相同的濾波器級聯(lián)后，其總幅頻特性為各級幅頻特性相乘。這樣使用雖然可以是過渡帶陡峭，但是會帶來負載效應(yīng)和相位滯后，為此可以把濾波網(wǎng)絡(luò)與運算放大器結(jié)合起來使用，這就形成了有源濾波。已有現(xiàn)成有源濾波器芯片，可以查閱有關(guān)資料。圖4-28LC濾波器構(gòu)成方法第三節(jié)濾波器三、實際濾波電路通過采用多個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，如圖4-29所示。圖4-29高階濾波器第三節(jié)濾波器三、實際濾波電路將濾波器網(wǎng)絡(luò)與遠算放大器結(jié)合時構(gòu)造有源濾波器電路的基本方法。如圖4-30所示。圖4-30有源濾波器的基本結(jié)構(gòu)第三節(jié)濾波器四、帶通濾波器在信號頻率分析中的應(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。圖4-32帶通濾波器并聯(lián)的頻帶分配第三節(jié)濾波器四、帶通濾波器在信號頻率分析中的應(yīng)用1.多路濾波器的并聯(lián)形式（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)，即圖4-33恒帶寬比與恒帶寬濾波器的特性恒帶寬比濾波器的上、下截止頻率滿足如下關(guān)系式中n-倍頻程數(shù)。如n=1，稱為倍頻程濾波器；n=1/3，則稱為1/3倍頻程濾波器。不同恒帶寬比的濾波器的n系數(shù)不一樣。濾波器的中心頻率與上、下截止頻率滿足：恒帶寬比的濾波器的相鄰兩個濾波器的中心頻率滿足如下關(guān)系第三節(jié)濾波器四、帶通濾波器在信號頻率分析中的應(yīng)用1.多路濾波器的并聯(lián)形式(2)恒帶寬濾波器恒帶寬濾波器是指濾波器的絕對帶寬為常數(shù)。這種濾波器不使用多個中心頻率和帶寬都固定的濾波器的并聯(lián)方式實現(xiàn)，而是使用一個中心頻率可調(diào)的掃描式帶通濾波器來實現(xiàn)。第三節(jié)濾波器四、帶通濾波器在信號頻率分析中的應(yīng)用2.中心頻率可調(diào)試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通帶隨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)。由于掃描頻率不能很快，這種濾波器也由恒寬帶比的帶通濾波器構(gòu)成。但是每一個帶通濾波器使用一個恒帶寬掃描帶通濾波器實現(xiàn)。圖4-35掃描式頻率分析儀框圖第四節(jié)信號的放大一、基本放大電路圖4-36示出了反相放大器、同相放大器和差分放大器三種基本放大電路。圖4-36基本放大電路通常情況下，傳感器輸出的信號都很微弱，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)有如下性能：足夠大的放大倍數(shù)；高輸入阻抗，低輸出阻抗；高共模抑制能力；低溫漂、低噪聲、低失調(diào)電壓和電流；第四節(jié)信號的放大一、基本放大電路一種常用來提高輸入阻抗的辦法是在基本放大電路之前串接一級射極跟隨器，如圖4-37所示。圖4-3