電氣測量技術(shù)及信號處理：第五章 測試信號調(diào)理技術(shù)

第五章測試信號調(diào)理技術(shù)

第一節(jié)概述

信號調(diào)理的的目的是便于信號的傳輸與處理。

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，有的還要進行阻抗變換。

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進行調(diào)制解調(diào)處理。

第二節(jié)信號放大

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交流電橋低頻保留,高頻截止高頻保留,低頻截止1直流放大電路

電壓增益:1)反相放大器

反饋電阻RF值不能太大，否則會產(chǎn)生較大的噪聲及漂移，一般為幾十千歐至幾百千歐。R1的取值應(yīng)遠大于信號源Ui的內(nèi)阻。煙霧報警器酒精傳感器二氧化碳傳感器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，廣泛用于前置放大級。

同相放大器也是最基本的電路，其閉環(huán)電壓增益Av為: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來確定。

若只需要放大交流信號，可采用圖示的集成運放交流電壓同相放大器。其中電容C1、C2及C3為隔直電容。

第二節(jié)調(diào)制與解調(diào)1目的

解決微弱緩變信號的放大以及信號的傳輸問題。

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。例：交流電橋VinVoR1R3R2R42.調(diào)制及有關(guān)術(shù)語調(diào)制：就是利用緩變信號來控制、調(diào)節(jié)高頻振蕩信號的某個參數(shù)（幅值、頻率或者相位），使其按緩變信號的規(guī)律變化。載波信號：高頻振蕩信號稱為載波信號調(diào)制信號：上面緩變信號稱為調(diào)制信號已調(diào)波：載波被緩變信號調(diào)制后稱為已調(diào)波解調(diào)：從已調(diào)頻波中恢復出調(diào)制信號的過程。2種類調(diào)制信號x(t)0t載波信號z(t)0ta)幅度調(diào)制(AM)b)頻率調(diào)制(FM)c)相位調(diào)制(PM)3幅度調(diào)制

調(diào)幅是將一個高頻正弦信號（或稱載波）與測試信號相乘，使載波信號幅值隨測試信號的變化而變化．緩變信號調(diào)制高頻信號放大放大高頻信號解調(diào)放大緩變信號交流電橋的調(diào)幅作用以全等臂電橋單片工作為例，若忽略橋臂電容的影響且初始平衡，說明應(yīng)變信號的調(diào)幅過程和原理。若電橋的供橋電壓為：以其作為載波，則電橋的輸出電壓為：工作片R1承受靜態(tài)拉應(yīng)變（+ε）時，電橋的輸出電壓為：2.工作片R1承受靜態(tài)拉應(yīng)變（-ε

）時，電橋的輸出電壓為：相位相差為180°。（3）當工作片R1承受一正弦變化應(yīng)變時，

調(diào)制的頻譜分析：

設(shè)調(diào)制信號為x(t)，載波信號為Z(t)=cos2πfzt

已調(diào)信號為:則：所以調(diào)幅使被測x(t)的頻譜從f=0，向左、右遷移了±fz，而幅值降低了一半

，為保證頻移后的頻譜不失真，載波頻率fz要大于或等于兩倍調(diào)制信號的最高頻率，通常取數(shù)倍至數(shù)十倍的。上述的調(diào)制方法，是將調(diào)制信號x(t)直接與載波信號z(t)相乘．這種調(diào)幅波具有極性變化，即在信號過零線時，其幅值發(fā)生由正到負（或由負到正）的突然變化，此時調(diào)幅波的相位（相對于載波）也相應(yīng)地發(fā)生180。的相位變化．此種調(diào)制方法稱為抑制調(diào)幅．從時域上講，調(diào)制過程即是使載波的某一參量隨調(diào)制波的變化而變化，而在頻域上，調(diào)制過程則是一個移頻的過程。幅值調(diào)制的解調(diào)

幅值調(diào)制的解調(diào)有多種方法，常用的有：同步解調(diào)、整流檢波和相敏檢波解調(diào)法。1、同步解調(diào)法若把調(diào)幅波xm(t)再次與載波z(t)信號相乘，則頻域圖形將再一次進行“搬移”，即xm(t)與z(t)相乘積的傅里葉變換為：若用一個低通濾波器濾除中心頻率為2fz的高頻成分，那末將可以復現(xiàn)原信號的頻譜（只是其幅值減少了一半，這可用放大處理來補償），這一過程稱為同步解調(diào)．“同步”指解調(diào)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．

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)過程（波形分析）幅度調(diào)制與解調(diào)過程（頻譜分析）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)乘法器濾波器z(t)x(t)2、整流檢波

若把調(diào)制信號z(t)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，此時調(diào)幅波表達式為：xm(t)=[A+x(t)]cos2πfzt這種調(diào)制方法稱為非抑制調(diào)幅，或偏置調(diào)幅．其調(diào)幅波的包絡(luò)線具有原信號形狀對于非抑制調(diào)幅，要求其直流偏置必須足夠大，否則x(t)的相位將發(fā)生180。倒相，如上圖（b）所示，此稱為過調(diào)．此時，如果采用包絡(luò)法檢波，則檢出的信號就會產(chǎn)生失真，而不能恢復出原信號．采用相敏檢波解調(diào)法可解決這一問題。非抑制調(diào)幅

若對信號x(t)進行偏置，疊加一個直流分量D，使偏置后的信號都具有正電壓。調(diào)幅解調(diào)二極管檢波低通濾波3、相敏檢波解調(diào)法相敏檢波用來鑒別調(diào)制信號的極性。相敏檢波器(與濾波器配合)可以將調(diào)幅波還原成原應(yīng)變信號波形,即起解調(diào)作用。下圖是應(yīng)變儀中常用的環(huán)形相敏檢波器。Rfz為負載電阻；Usr是由放大器輸出的調(diào)幅信號；Uc為參考電壓,它與供橋電源同來自一個振蕩器,二者頻率相同。

當Usr≠0，若Usr與Uc同相,

Rfz中電流方向向上。即拉應(yīng)變的情況。B2極性為

、,Usr極性為

、D1導通，D2、D3、D4截止,信號電流的流經(jīng)路線為

當Uc、Usr同時改變極性時,D3導通,電流路線為

當輸入信號Usr的相位對于Uc改變180°,即為壓應(yīng)變時,B1極性為、,B2極性為、,由Usr引起的電流路徑為:

Rfz上的電流方向是從上到下.

當Uc、Usr同時改變極性時,電流通路為電流方向仍從上向下?？梢娸斎胄盘柗聪鄷r,流過負載的電流方向跟著改變,輸出電壓極性也隨之而變。三、調(diào)幅波的波形失真a）過調(diào)失真：對于非抑制調(diào)幅，要求其直流偏置必須足夠大，否則x(t)的相位將發(fā)生180。5.3調(diào)制與解調(diào)b)重疊失真：調(diào)幅波是由一對每邊為fm的雙邊帶信號組成．當載波頻率fz較低時，正頻端的下邊帶將與負頻端的下邊帶相重疊．要求:fz＞fm

圖5.15為動態(tài)電阻應(yīng)變儀的方框圖。電橋由振蕩器供給等幅高頻振蕩電壓（一般頻率為10kHz或15kHz），被測量（應(yīng)變）通過電阻應(yīng)變片調(diào)制電橋輸出電橋輸出為調(diào)幅波，經(jīng)過放大，最后經(jīng)相敏檢波與低通濾波取出所測信號。圖5.15

動態(tài)電阻應(yīng)變儀方框圖調(diào)頻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。信號電壓為正值時調(diào)頻波的頻率升高，負值時則降低；信號電壓為零時，調(diào)頻波的頻率就等于中心頻率。5.3.2頻率調(diào)制與解調(diào)

鑒頻：T1T2T3T4F調(diào)頻波的瞬時頻率為：式中：f0

為載波頻率；Δf

為頻率偏移，與調(diào)制信號的幅值成正比。

實現(xiàn)信號的調(diào)頻和解調(diào)的方法甚多，這里主要介紹儀器中最常用的方法是直接調(diào)頻式測量電路。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，振蕩器輸出的即為被調(diào)制了的調(diào)頻波。當電容和電感并聯(lián)組成振蕩器的諧振回路時，電路的諧振頻率將為：

若在電路中以電容為調(diào)諧參數(shù)，對上式進行微分，有：所以，在f0附近有頻率偏移：

這種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。其輸出也是等幅波

調(diào)頻波的解調(diào)又稱鑒頻，是將頻率變化的等幅調(diào)頻波，按其頻率變化復現(xiàn)調(diào)制信號波形的過程。鑒頻的方法有很多，下圖為變壓器耦合的諧振回路鑒頻器。圖中L1和L2是耦合變壓器的原副邊線圈，分別與C1、C2組成并聯(lián)諧振回路。調(diào)頻波uf經(jīng)L1、L2耦合，加在L2、C2諧振回路上，在它的兩端獲得下圖所示的頻率―電壓特性曲線。在L2C2回路的諧振頻率處，線圈L1和L2的耦合電流最大，副邊輸出電壓ua也最大。值偏離，則ua值下降。ua雖然與uf的頻率一致，但幅值卻是隨uf的頻率變化而改變。通常利用特性曲線的亞諧振區(qū)近似直線的一段實現(xiàn)頻率―電壓變換，使調(diào)頻波的中心頻率處于該近似直線段的中點，從而使調(diào)頻波的振幅隨其頻率變化而基本呈線性變化，成為調(diào)頻-調(diào)幅波。經(jīng)過線性變換后，調(diào)頻-調(diào)幅波再經(jīng)過幅值檢波、低通濾波后實現(xiàn)解調(diào)，復現(xiàn)調(diào)制信號。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，復雜第四節(jié)濾波器

濾波器是一種選頻裝置，它允許輸入信號中的特定頻率成分通過,同時抑制或極大地衰減其它頻率成分(又稱此頻帶為阻帶)。根據(jù)濾波器的選頻特性，一般將濾波器分為低通、高通、帶通和帶阻四種.四種濾波器的幅頻特性

濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分．1濾波器分類（根據(jù)濾波器的選頻作用分）

低通高通低通濾波器：只允許0～f2的頻率成分通過，而大于f2的頻率成分衰減為零高通濾波器：與低通濾波器相反，它只允許f1～∞的頻率成分通過，而f<f2的頻率成分衰減為零帶通帶阻帶通濾波器只允許f1～f2之間的頻率成分通過，其他頻率成分衰減為零帶阻濾波器：與帶通濾波器相反，它將f1～f2之間的頻率成分衰減為零，其余頻率成分幾乎不受衰減地通過高通濾波器的幅頻特性可以看作為低通濾波器做負反饋而得到，即A2(f)=1-A1(f)；帶通濾波器的幅頻特性可以看作為帶阻濾波器做負反饋而獲得；帶阻濾波器是低通和高通濾波器的組合。根據(jù)構(gòu)成濾波器的電路性質(zhì)，濾波器可分為有源濾波器和無源濾波器；根據(jù)濾波器所處理的信號性質(zhì)，可分為模擬濾波器和數(shù)字濾波器等等。3理想濾波器

理想濾波器是指能使通帶內(nèi)信號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。fcH(f)fQ(f)理想濾波器的物理不可實現(xiàn)

理想濾波器在時域內(nèi)的脈沖響應(yīng)函數(shù)h（t）為sinc函數(shù)。脈沖響應(yīng)的波形沿橫坐標左、右無限延伸。

給理想濾波器一個脈沖激勵，在t=0時刻單位脈沖輸入濾波器之前，濾波器就已經(jīng)有響應(yīng)了。故物理不可實現(xiàn)。fcH(f)單位階躍響應(yīng):

設(shè)濾波器的傳遞函數(shù)為H(f)，若給濾波器一單位階躍輸入u(t)

濾波器的輸出y(t)為：a)無相角滯后，時移t0=0

b)無相角滯后，時移t0/=0輸出響應(yīng)從零值（a點）到穩(wěn)定值A(chǔ)0（b點）需要一定的建立時間（tb-ta）。式中fc為低通濾波器的截止頻率，也稱為濾波器的通頻帶。由上式可見，濾波器的通頻帶越寬，即fc越大，則響應(yīng)的建立時間Te越小，即圖越陡峭。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:建立時間的意義：輸入信號突變處必然包含有豐富的高頻分量，低通濾波器阻擋住了高頻分量。通帶越寬，衰減的高頻分量便越少，信號便有較多的分量更快通過，因此導致較短的建立時間；反之則長。低通濾波器對階躍響應(yīng)的建立時間Te和帶寬B（即通頻帶的寬度）成反比，即:

濾波器的帶寬表示著它的頻率分辨力，通帶越窄則分辨力越高。濾波器的高分辨能力和測量時快速響應(yīng)的要求是相互矛盾的。當采用濾波器從信號中選取某一頻率成分時，就需要有足夠的時間。如果建立時間不夠，就會產(chǎn)生虛假的結(jié)果，而過長的測量時間也是沒有必要的。一般采用BTe=5～10。

4實際濾波器

理想濾波器是不存在的，實際濾波器幅頻特性中通帶和阻帶間沒有嚴格界限,，存在過渡帶。

0fA0ffc1fc2A00.707A01)截止頻率fc：0.707A0所對應(yīng)的頻率．

d2)紋波幅度d：繞幅頻特性均值A(chǔ)0波動值3)帶寬B和中心頻率f0：下兩截頻間的頻率范圍稱為帶寬。帶寬決定濾波器分離信號相鄰頻率成分的能力，即頻率分辨力。

。BQ=W0/B5)倍頻程選擇性W

指在上截止頻率fc2與2fc2之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個倍頻程時的衰減量。

倍頻程衰減量以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。濾波器的中心頻率f0

是指上下兩截止頻率的幾何平均值，即通常用中心頻率f0

來表示濾波器通頻帶在頻率域的位置。品質(zhì)因數(shù)Q

帶通濾波器中心頻率f0與帶寬B之比稱為濾波器的品質(zhì)因數(shù)，又稱Q值，即

Q值越高，濾波器的頻率選擇性越好。例如中心頻率同為1000Hz的兩個帶通濾波器，品質(zhì)因數(shù)分別為Q1=20，Q2=40，則對應(yīng)的B1=50Hz，B2=25Hz，由于第二個濾波器的分辨力比第一個濾波器高，所以它比第一個頻率選擇性好。

⑹濾波器因數(shù)（或矩形系數(shù)）濾波器因數(shù)是濾波器選擇性的另一種表示方式，它是利用濾波器幅頻特性的-60dB帶寬與-3dB帶寬的比值來衡量濾波器選擇性，記作，即

理想濾波器λ=1，常用濾波器λ=1－5，顯然，λ越接近于1，濾波器選擇性越好。三、ＲＣ濾波器1、RC低通濾波器6RC無源濾波器

在測試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因為這一領(lǐng)域中信號頻率相對來說不高。而RC濾波器電路簡單，抗干擾強，有較好的低頻性能，并且選用標準阻容元件。

1)一階RC低通濾波器

電路的微分方程

傳遞函數(shù)

(令RC=)

對應(yīng)的頻率特性、幅頻特性、相頻特性分別為：

低通濾波器的上載止頻率

2)一階RC高通濾波器

數(shù)學模型:微分方程:

傳遞函數(shù)：

幅頻特性：

相頻特性：高通濾波器的下載止頻率Fc1=1/(2πRC)

3)RC帶通濾波器

可以看作為低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián)

3）RC帶通濾波器

傳遞函數(shù)：

下截止頻率:

下截止頻率:

第五節(jié)

信號記錄裝置

表5-1

給出了常見記錄裝置的性能一覽表記錄裝置名稱自動平衡記錄器X-Y記錄器筆式記錄儀光線示波器磁帶記錄器陰極射線,示波器照相概

要記錄精度較高，記錄幅度大，完全直線書寫在平面上記錄兩種物理量關(guān)系的記錄器使用較廣，操作方便使用較廣，頻率響應(yīng)好，多線化容易靈活性大，頻率響應(yīng)好，多線化很容易頻帶寬，操作復雜主要用途各種物理量的長時間記錄特性曲線自動記錄同時記錄變化頻率較低的現(xiàn)象同時記錄變化頻率較高的現(xiàn)象同時記錄高低頻現(xiàn)象，暫態(tài)過程記錄瞬態(tài)過程記錄單元名稱伺服機構(gòu)伺服機構(gòu)筆式檢流計振子磁頭熒光屏記錄方式墨水記錄圓珠筆記錄墨水記錄.圓珠筆記錄墨水、熱筆、放電、插削記錄直記式.顯定影式磁化現(xiàn)象照相或存貯記錄裝置名稱自動平衡記錄器X-Y記錄器筆式記錄儀光線示波器磁帶記錄器陰極射線,示波器照相主要參數(shù)工作頻帶(最高點)1Hz滿幅1s30～100Hz5kHz(最高超過10kHz)40～80kHz(最高400kHz)0～100MHz或微秒級瞬變振幅精度0.25%同左2%2%2～5%取決于定標精度靈敏度1～10mv/滿幅10mv/滿幅0.5～2.5mm/mA(檢流計)1.5*105mm/mA.m------線

數(shù)1～31～21～12達60達561～2記錄帶速度2cm/h～50cm/min---1～25cm/s25cm/min～200cm/s2.38～305cm/s---記錄幅寬150～250mm縱橫250mm40mm左右100mm左右------輸入阻抗不平衡時100kΩ以上同左約4kΩ10～200Ω100kΩ左右---5.5.1

筆式記錄儀

筆式記錄儀實際上是在指針式電表的基礎(chǔ)上，把指針換成記錄筆或在指針的尖端裝有筆而成。分可動線圈式、可動鐵芯式和感應(yīng)式幾種。筆式記錄儀結(jié)構(gòu)簡單，指示與記錄能同時進行。但其靈敏度較低。因此，這種記錄儀只適合于長時間慢變化信號，要求指示與記錄同時進行的場合。5.5.2光線示波器

光線示波器是一種由光學、機械、磁、電系統(tǒng)綜合組成的通用記錄儀器。它利用磁電式振動子將輸入的電流信號轉(zhuǎn)換成光點的橫向移動，然后在等速移動的感光紙上將被測信號記錄下來。5.5.3磁帶記錄器

磁帶記錄器是利用鐵磁性材料的磁化進行記錄的儀器,按信號記錄方式磁帶記錄分:數(shù)字式（PCM方式）模擬式模擬記錄方式:直接記錄（DR方式）頻率調(diào)制（FM方式）磁帶記錄儀結(jié)構(gòu)簡單，便于攜帶它的記錄頻帶寬（0～2MHz），存儲信息密度大，且穩(wěn)定性好，易于多路記錄，并可長期保存，便于復制，磁介質(zhì)可多次使用，對環(huán)境（溫度和濕度）不敏感，抗干擾能力強，記錄的信號能多次反復重放。重放速度可與記錄速度不同，實現(xiàn)對信號的時間壓縮和擴展。磁帶記錄儀十分昂貴，仍得到廣泛使用。1．工作原理磁帶記錄儀主要由如下三部分組成：

1）磁帶堅韌的塑料薄帶，厚約50μm，寬有6.3mm、12.7mm和25.4mm等幾種。磁帶傳動機構(gòu)包括電動機、驅(qū)動機構(gòu)和控制機構(gòu)等。該機構(gòu)的主要作用是保證磁帶按一定的線速度在磁頭上平穩(wěn)運動，以實現(xiàn)信號的記錄和重放。

2）磁頭磁頭是一種磁電換能器，它包括記錄磁頭、重放磁頭和消磁磁頭。3)記錄放大器和重放放大器記錄放大器是將輸入信號放大，并將它轉(zhuǎn)換成最適于磁記錄的形式供給記錄磁頭；重放放大器是將重放磁頭檢測到的信號放大，并將它轉(zhuǎn)換成所需的形式后輸出工作過程：磁帶記錄儀的工作過程實質(zhì)上就是進行電磁和磁電轉(zhuǎn)換的過程。信號電流經(jīng)記錄放大器放大和變換，輸入記錄磁頭的線圈，線圈產(chǎn)生交變磁通Φ1并使鐵芯磁化產(chǎn)生磁場強度H1，由于工作間隙為非導磁材料，磁阻很大，當磁帶從磁頭的工作間隙下方經(jīng)過時，由工作間隙溢出的交變磁通便通過磁帶上磁阻很低的磁性層，從一磁極到另一磁極構(gòu)成了封閉的磁回路。當磁帶運動速度恒定時，在磁極下工作間隙內(nèi)磁帶表層產(chǎn)生磁感應(yīng)強度B1。當磁帶離開工作間隙后，由于磁滯作用，磁帶上留下與信號電流成比例的剩磁感應(yīng)強度Br1。當錄有信號的磁帶以相同的線速度從重放磁頭下面經(jīng)過時，由于工作間隙的磁阻很大，而磁頭的鐵芯是良導磁材料，所以磁帶上的信號磁通將通過磁頭的鐵芯閉合，使鐵芯上的檢測線圈感應(yīng)出電動勢e，其大小與剩磁通的變化率成正比，即

式中，N為重放磁頭線圈匝數(shù)。2．DR方式（直接記錄方式）

DR方式是將輸入信號放大后，不進行波形變換，直接將信號記錄在磁帶上。DR方式的優(yōu)點是:結(jié)構(gòu)簡單、工作頻帶寬（50Hz－1MHz）,常用于記錄聲音和高頻信號。缺點:當磁帶和磁頭接觸不良時（如磁帶上鐵磁體粒子不均勻、附著塵埃、損傷等），會使輸入信號顯著變小（這一現(xiàn)象稱"信號迭落"大）。其次是低頻響應(yīng)性能差，不宜記錄50Hz以下的信號。它的信噪比一般低于40dB。

為解決非線性失真問題，通常在輸入信號上，疊加一個振幅恒定的高頻信號，稱為偏磁信號，使被記錄信號的變化范圍（即高頻偏磁信號的包絡(luò)線）始終保持在剩磁曲線的線性區(qū)內(nèi)，