信号调理、处理和记录.ppt

机械工程测试技术基础,传感器输出的电信号，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去。其主要原因是大多数传感器输出的电信号很微弱，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换；有些传感器输出的是电参量，要转换为电能量；输出信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比；若测试工作仅对部分频段的信号感兴趣，则有必要从输出信号中分离出所需的频率成分；因此，传感器的输出信号要经过适当的调理，使之与后续测试环节相适应。常用的信号调理环节有：电桥、放大器、滤波器、调制器与解调器等。,第四章 信号调理与记录,第一节 电桥 第二节 调制与解调 第三节 滤波器 第四节 信号的放大,前序 1、被测量经传感器之后的输出信号一般具有以下特点： 信号比较微弱； 为非电压信号； 携带噪声信号等。 2、因此，还需进一步调理、放大、滤波等加工处理。 3、本章主要讨论信号调理和转换中的常用环节： 电桥； 调制与解调； 滤波； 放大。,第一节 电桥,定义：电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。 特点：桥式电路简单可靠，精度和灵敏度很高，应用广泛。 分类： 根据其所采用的激励电源类型： 直流电桥 交流电桥,一、直流电桥 基本结构：电阻R1,R2,R3,R4作为四个桥臂，在a、c两端接入直流电源ue，在b、d两端输出电压uo。 工作原理：利用四个桥臂中的一个或数个的阻值变化而引起电桥输出电压的变化 。,ue,uo,电路分析：,ue,ue,ue,ue,u0,讨论： 式42为直流电桥平衡条件。若电桥中任一个或数个电阻发生变化，电桥输出电压变化。测量电桥就是基于上述原理工作。,（41）,（42）,直流电桥的连接形式： 半桥单臂 半桥双臂 全桥,ue,uo,ue,uo,ue,uo,（1）半桥单臂连接形式：工作时仅有一个桥臂电阻值随被测量而变化，设该电阻为R1，变化量为R，则由式（4-1）可得： 设相邻桥臂的阻值相等，亦即：R1=R2=R0,R3=R4=R0,又若R0=R0,则 若RR0,则,（43）,（44）,（45）,（2）半桥双臂连接形式：工作时有两个桥臂电阻值随被测量而变化，即： R1R1， R2 R2，则由式（4-1）可证明，当R1=R2=R0 ，R1R2R， R3=R4=R0 ，则电桥输出,（46）,（3）全桥连接法：四个桥臂的阻值均随被测量而变化，即： 当R1=R2=R3=R4=R0,且R1=R2=R3=R4=R， 输出为：,结论：式（45）、（46）、（47）表明，电桥的输出电压与激励电压成正比，但比例系数不同。,（47）,直流电桥的和差特性：,和差特性内容： 相邻两桥臂电阻同向变化，产生得输出电压得变化将相互抵消； 相邻两桥臂电阻同向变化，产生得输出电压得变化将相互抵消； 和差特性应用实例： 悬臂梁作敏感元件测力：为提高灵敏度，常在梁的上，下表面各贴一片应变片，并将上述两应变片接入电桥的相邻两桥臂。 柱形梁作敏感元件测力：四个纵向应变片俩俩串联，接入相对桥臂;横向应变片主要起温度补偿作用。,悬臂梁应变仪结构,直流电桥的零位平衡调节 差动串联平衡调节：适于较大范围的电阻调节； 差动并联平衡调节：适于微小的电阻调节。,二、交流电桥 与直流电桥的不同点： 激励电源为交流电源； 桥臂可以是电阻、电感或电容； 电桥平衡分析： 式中，zi各桥臂的复数阻抗，zi=Z0ieji ，代入上式得 交流电桥平衡条件：,阻抗角表示桥臂电流与电压之间的相位差： 当桥臂为纯电阻时，0； 若为电感性阻抗时，0 ； 若为电容性阻抗时，0 。 桥臂结构可采取不同的组合方式，以满足相对桥臂阻抗角之和相等这一条件。如电容电桥和电感电桥。,电容电桥,ue,uo,电感电桥,ue,uo,交流电阻电桥,ue,uo,ue,uo,影响交流电桥测量精度的因素： 电桥各元件之间的互感耦合； 泄漏电阻以及元件间、元件对地之间的分布电容； 邻近交流电路对电桥的感应影响。 交流电桥的激励电源要求其电压波形和频率必须具有很好的稳定性。,三、带感应耦合臂的电桥 带感应耦合臂的电桥是将感应耦合的两个绕组作为桥臂而组成的电桥，一般有以下两种形式：,电容传感器作为电桥的一部分，电容变化转换为电桥电压输出。图示为电感、电容组成的交流电桥。电桥的输出为一调幅波，经放大、相敏解调、滤波后输出。,实例分析：,直流和交流放大电路（补充内容）,1 直流放大电路,反馈电阻RF值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于信号源Ui的内阻。,2)同相放大器,同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。,同相放大器也是最基本的电路 ，其闭环电压增益Av为:,2 交流放大电路,第二节 调制与解调,调制：是指利用某种低频信号来控制或改变某一高频信号的某个参数（幅值、频率或相位）的过程。 解释：高频振荡信号称为载波；控制高频振荡的低频信号为调制信号；调制后的高频振荡信号为已调制信号。 调制分类： 当被控制的量是高频振荡信号的幅值时，称为调幅(AM)；已调制信号为调幅波； 当被控制的量为高频振荡信号的频率时，称为调频(FM)；已调制信号为调频波； 当被控制的量为高频振荡信号的相位时，称为调相(PM)；已调制信号为调相波；,解调：则是从已调制波信号中恢复出原有低频调制信号的过程。 调制与解调的应用： 应用分析：传感器输出的低频微弱信号需要放大。直流放大，存在零漂和级间耦合，容易失真；交流放大，抗零漂，故一般先将低频信号调制为高频信号，再交流放大，最后解调。 应用实例：差动变压器式位移传感器；交流电桥等。,一、幅值调制与解调 1、幅值调制： 幅值调制是将一个高频简谐信号（载波）与测试信号（调制信号）相乘，使高频信号的幅值随测试信号的变化而变化。 实例分析： 设x(t)为被测信号，y(t)为高频载波信号，若选择余弦信号：y(t)=cos2f0t，则已调制信号xm(t)为x(t)与y(t)的乘积：xm(t)=x(t)cos2f0t。,则有,2、调幅信号的频域分析,图410 调幅过程 （a）时域 （b）频域,小结： 调幅的过程在频域上就相当于一个移频的过程。 载波频率f0必须高于信号中的最高频率fmax，才不会出现混叠现象。实际应用中，载波频率至少在调制信号上限频率的十倍以上。 注意：调幅波是否可以看作是载波与调制信号的迭加？ 不可以。因为调幅波是载波幅值随调制信号大小成正比变化，只有相乘才能实现。,3、调幅信号的解调方法,（1）同步解调 基本原理：将调幅波再经一乘法器与原载波信号相乘，则调幅波的频谱在频域上将再次被进行移频。由于载波信号的频率仍为f0，因此，再次移频的结果是使原信号的频谱图形出现在0和的2f0频率处。由于在解调过程中所乘的信号与调制时的载波信号具有相同的频率与相位，因此这一解调的方法称为同步解调。时域分析上有：,低通滤波器将频率为2f0的高频信号滤去，得到,（2）包络检波（整流检波） 基本原理： 对调制信号偏置一个直流分量A，使偏置后的信号具有正电压值。对该信号作调幅后得到的已调制波xm(t)的包络线将具有原信号形状。对该调幅波xm(t)作简单的整流（全波或半波整流）和滤波便可恢复原调制信号。 出现问题：如果所加的偏置电压未能使信号电压都位于零位同侧，会造成失真，此时应采用相敏检波技术。,（3）相敏检波 基本原理：相敏检波能用来鉴别调制信号的极性，利用交变信号在过零位时其正、负极性发生突变，使调幅波相位与载波信号相比较也相应地产生180相位跳变，从而既能反映原信号的幅值又能反映其相位。 注意事项： 相敏检波电路设计时，变压器T2二次边输出电压大于T1二次边输出电压。,二、频率调制与解调 1、频率调制的基本概念 频率调制是指利用调制信号控制高频载波信号频率变化的过程。在频率调制过程中载波的幅值保持不变，仅载波的频率随调制信号的幅值成比例关系。,调频波与调制信号幅值的关系,2、频率调制方法 频率调制电路常用振荡电路，如LC振荡电路、压控振荡器。 LC振荡电路：应用于电容、涡流或电感等传感器的测量电路。,结论： LC振荡回路以振荡频率f与调谐参数的变化成线性关系，即振荡频率受控于被测物理量。这种将被测参数的变化直接转换为振荡频率变化的过程称为直接调频式测量。,3、调频信号的解调 调频波的解调又称为鉴频，是将频率变化恢复成调制信号电压幅值变化的过程。 图示为变压器耦合的谐振回路鉴频方法。,电路分析： 图中调频波uf经过变压器耦合，加于L2,C2组成的谐振回路上，在L2,C2并联谐振回路两端获得如图517b所示的频率电压特性曲线。 当等幅调频波uf的频率等于回路的谐振频率fn时，线圈L1,L2中的耦合电流最大，二次边输出电压ua也最大。uf的频率离开fn，ua也随之下降。通常利用特性曲线的亚谐振区近似直线的一段实现频率 -电压变换。 将ua经过二极管进行半波整流，再经过RC组成的滤波器滤波，滤波器的输出电压u0与调制信号成正比，复现了被测量信号 。,第三节 滤波器,一、概述 信号分析：被测信号一般由多个频率分量组成，检测中得到的信号除包含有效信息外，还含有噪声和不希望的成分，会导致真实信号的畸变和失真。 滤波：让被测信号中的有效成分通过，而将其中不需要的成分抑制或衰减掉。而抑制或衰减掉其它不需要的频率成分。 滤波器：能实施滤波功能的装置。,滤波器分类 （1）根据其选频作用，可分为四类： 低通滤波器； 高通滤波器； 带通滤波器； 带阻滤波器。,图4-22 四类滤波器的幅频特性 （a）低通 （b）高通 （c）带通 （d）带阻,（2）根据其结构形式可分为两类： 有源滤波器：使用运算放大器结构； 无缘滤波器：由RLC组合配置而成。,二、滤波器性能分析 1、理想滤波器 特性理想化的滤波器。 理想低通滤波器：具有矩形幅频特性和线性相频特性。,理想低通滤波器的幅、相频特性,2、实际滤波器的基本参数 理想滤波器只需规定截止频率即可说明其特性，而实际滤波器的特性曲线无明显转折点，通带中幅频特性也非常数，需更多参数描述其性能。 主要参数包括：纹波幅度、截止频率、带宽、品质因数、倍频程选择性、滤波器因数。,图4-24 理想和实际的带通滤波器的幅频特性,截止频率：幅频特性值等于 所对应的频率点； 纹波幅度：通带中幅频特性值的起伏变化值； 带宽B：上下两截止频率之间的频率范围B=fc2-fc1，又称-3dB带宽； 品质因子（Q值）：对于一个带通滤波器，其品质因子Q则定义为中心频率f0与带宽B之比，即Q=f0/B。,倍频程选择性：上截止频率fc2与2fc2之间或下截止频率fc1与fc1/2间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程的衰减量，以dB表示。倍频程选择性表征过渡带的幅频曲线倾斜的程度，即幅频特性衰减的快慢。 滤波器因数（矩形系数）：滤波器幅频特性的 -60dB带宽与-3dB带宽的比，即 对理想滤波器有=1。 对普通使用的滤波器，一般为（15）。,三、实际滤波电路 一阶RC低通滤波器 低通滤波器的典型电路如图所示。其频率响应特性为：,RC低通滤波器及其幅频特性曲线,ui,u0,H,RC高通滤波器 RC高通滤波器的典型电路如图所示。,RC高通滤波器及其幅频特性曲线,ui,u0,H,其频率响应特性为,3、带通滤波器 低通滤波器和高通滤波器的组合。图426。,各种滤波器性能比较： RC滤波器：过渡带衰减速度慢（6dB/倍频程），通带与阻带间无陡峭界限，性能较差。如图427所示。 LC滤波器过渡带曲线的陡峭度优于RC滤波器，如图428所示。 多个RC或LC环节级联：极大地改善了过渡带曲线的陡峭度，但具有明显的负载效应和相移增大的问题。如图429所示。 有源滤波器：无源滤波网络与运算放大器组合而成，性能更加优良。如图430、431所示。,（1）有源低通滤波器,若频率 为变量，则电路的传递函数,其模为,当 0时，| H(j)| 衰减很快,显然，电路能使低于0的信号顺利通过，衰减很小，而使高于0的信号不易通过，衰减很大，称一 阶有源低通滤波器。,为了改善滤波效果，使 0 时信号衰减得更快些，常将两节RC滤波环节串接起来，组成二阶有源低通滤波器。,（2）有源高通滤波器,可见，电路使频率大于0 的信号通过 ，而小于0 的信号被阻止， 称为有源高通滤波器。,若频率 为变量，则电路的传递函数,其模为,四、带通滤波器在信号频率分析中的应用 1、多路带通滤波器的并联形式 主要应用： 信号的频谱分析和信号中特定频率成分提取。 具体要求： 为保证带通滤波器的带宽覆盖整个分析的频带，它们的中心频率能使相邻的带宽恰好互相衔接，即前一个滤波器的3dB上截止频率等于后一个滤波器的3dB下截止频率； 滤波器组具有相同的放大倍数。,两类常用的带通滤波器组： 恒带宽比滤波器（a图） 恒带宽滤波器（b图）,（1）恒带宽比滤波器 恒带宽滤波器是指滤波器的相对带宽是常数，即 假若一个带通滤波器的低端截止频率为fc1i ，高端截止频率为fc2i ，二者的关系： 式中n称为倍频程数。若n=1 ，则称为倍频程滤波器；若n=1/3 ，则称为1/3倍频程滤波器。,一个滤波器组中后一个滤波器的中心频率f0i与前一个滤波器的中心频率f0(i-1)间满足： 而且，滤波器的中心频率与上下截止频率间的关系为,n=1的倍频程滤波器（如下图），有： (1)中心频率（Hz）16,31.5,63,125,250, (2)带宽（Hz ）11.31,22.27,44.55,88.39,176.78, n=1/3倍频程滤波器组，有： (1)中心频率（Hz） 12.5,16,20,25,31.5,40,50,63, (2)带宽（Hz） 2.9,3.7,4.6,5.8,7.3,9.3,11.6,14.6,倍频程谱分析装置,（2）恒带宽滤波器 恒带宽比的滤波器的不足之处： 其通频带在低频段内甚窄，而在高频段内则较宽。因此，滤波器组的频率分辨率在低频段内较好，在高频段内甚差。 为了使滤波器组的分辨率在所有频段都具有同样良好的频率分辨率，可以采用恒带宽的滤波器。 恒带宽滤波器是指滤波器的绝对带宽为常数：,为了提高滤波器的分辨率，其带宽应窄一些。但这样为覆盖整个频率范围所需要的滤波器数量就很大。因此，恒带宽滤波器不应做成中心频率为固定的。 实际中一般利用一个定带宽的定中心频率的滤波器加上可变参考频率的差频变换来适应各种不同中心频率的定带宽滤波器的需要。 参考信号的扫描速度应能够满足建立时间的要求，尤其是滤波器带宽很窄的情况，参考频率变化不能过快。常用的恒带宽滤波器有相关滤波和变频跟踪滤波两种。,例题：已知某RC低通滤波器，R=1k，C=1F， 1）确定各函数式H(s)；H()；A()；()。 2）当输入信号ui=10sin1000t时，求输出信号uo，并比较其幅值及相位关系。 解：,第四节 信号的放大,为保证测量精度，要求放大电路具有如下： 足够的放大倍数； 高输入阻抗，低输出阻抗； 高共模抑制能力； 低温漂、低噪声、低失调电压和电流。 说明：集成运算放大器具备上述特点。,一、基本放大电路 反相放大器：输入阻抗低、易对传感器形成负载效应；,同相放大器：输入阻抗高、易引入共模干扰；,差分放大器：不能提供足够的输入阻抗和共模抑制比；,二、仪器放大器 典型的仪器放大电路由三个集成运放构成的，如图所示。 两个