信号的调理与显示记录PPT课件.ppt

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 1 主要内容 4 1信号调理的目的4 2信号放大4 3调制与解调4 4滤波4 5信号显示与记录 2 本章学习重点 测试信号调理的作用和意义 电桥作用原理及其在信号调理中的作用 信号调制与解调的原理及其相关电路 基本类型的滤波器的工作原理 相关电路及其应用 3 信号调理的的目的是便于信号的传输与处理 4 1信号调理的目的 1 传感器输出的电信号很微弱 大多数不能直接输送到显示 记录或分析仪器中去 需要进一步放大 有的还要进行阻抗变换 2 有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声 需要去掉噪声 提高信噪比 或者提取感兴趣的频率成分 4 5 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 因此 还需进一步调理 放大 滤波等加工处理 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 6 4 2信号放大 信号放大目的 幅度增加 1 抗干扰 2 阻抗匹配 2分类 放大器 直流放大器 交流放大器 电荷放大器 时间域频率域幅度增大低频保留 高频截止幅度增大高频保留 低频截止电荷增大 1目的 第四章信号调理 7 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 直流电桥交流电桥根据输出测量方式的不同 不平衡电桥平衡电桥 4 2 1电桥 8 一 直流电桥 第四章信号调理 E R1 R3 R2 R4 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 9 1 直流电桥平衡条件 10 讨论 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 11 2 直流电桥的输出特性 考虑右图所示直流电桥的输出特性 分析输出电压和各桥臂应变之间的定量关系 12 组桥时 应变片的灵敏系数K必须一致 上式又可写成 设电桥四臂阻值相等R1 R R R R 且增量分别为 R1 R R R 则电桥的输出为 当时可以得到 13 结论 电桥输出电压和各桥臂电阻变化量的代数和成正比 所以电桥输出电压可以反映被测量引起的电阻值的变化量 如果桥臂电阻变化由电阻应变片阻值的变化产生 则电桥的输出电压和应变成线性关系 如果相邻桥臂的应变极性一致 即同时为拉应变或压应变 则输出电压为两者之差 若相邻两桥臂的应变极性不同 则输出电压为两者之和 若相对两桥臂应变的极性一致 输出电压为两者之和 反之为两者之差 电桥和差特性 加减特性 14 供桥电压越高 输出电压越大 所以提高供桥电压可以提高电桥的灵敏度 但是当供桥电压增大时 通过应变片的电流也较大 易引起蠕变和零漂 增大电阻应变片的灵敏度可以提高电桥的输出电压 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 悬臂梁应变仪结构 15 半桥单臂半桥双臂全桥 ue uo ue uo ue uo 3 直流电桥的连接形式 16 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 R R0 则 17 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 R1 R1 R2 R2 则由式 4 1 可证明 当R1 R2 R0 R1 R2 R R3 R4 R0 则电桥输出 18 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 电桥的输出电压与激励电压成正比 但比例系数不同 19 20 21 例2半桥测量时进行温度补偿 桥路补偿法 R1 R2完全相同 处于相同温度场中 并且接入相邻臂 在力P和温度t的作用下 R1上的电阻变化率为 R2上的电阻变化率为 4 温度补偿问题 22 23 5 直流电桥平衡的配置方式 24 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 Z0iej i 代入上式得交流电桥平衡条件 25 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 若为感性阻抗时 0 若为容性阻抗时 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 26 电容电桥 ue uo 27 28 电感电桥 ue uo 29 利用电阻应变片作为传感元件来测量应变的专用电子仪器称为电阻应变仪 三 电阻应变仪 30 按频率分类 静态电阻应变仪 5Hz 静动态电阻应变仪 0 200Hz 动态电阻应变仪 0 1500Hz 超动态电阻应变仪 几十千赫兹 电阻应变仪分类 31 电桥 放大器 相敏检波器 振荡器 稳压电源 低通滤波器 动态电阻应变仪 0 1500Hz 包括信号的放大 调制和解调三个过程 即低频的应变信号通过电桥进行放大 最后把放大后的交流信号输入至相敏检波器 并经滤波器输出已放大的原输入信号 组成 32 电桥测0 1500Hz应变 输出调幅波 放大器将电桥输出的调幅波放大 振荡器产生等幅正弦波提供电桥电压和相敏检波器参考电压 相敏检波器如果应变有拉应变和压应变 可通过相敏检波电路区分双相信号 滤波器为了还原被检测的信号 用低通滤波器去掉高频 保留低频应变信号 33 复习提纲 信号调理环节的作用直流电桥的平衡条件直流电桥的输出特性几种典型的接桥方法的比较电桥加减特性的合理利用交流电桥的平衡条件 34 1目的 解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题 4 3调制与解调 35 先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去 然后利用交流放大器进行放大 最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号 例 交流电桥 36 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 2基本概念 解调 则是从已调制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 37 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 2种类 38 39 a 调幅 AM b 调频 FM c 调相 PM 40 3幅度调制 调幅是将一个高频正弦信号 或称载波 与测试信号相乘 使载波信号幅值随测试信号的变化而变化 41 1 幅度调制与解调过程 波形分析 乘法器 放大器 x t z t xm t 乘法器 滤波器 z t x t 42 卷积定义 卷积定理 2 幅度调制与解调过程 数学分析 43 函数 是一个理想函数 是物理不可实现信号 幅值无限 持续时间为零的脉冲 1 44 函数特性 1 乘积特性 2 积分特性 3 卷积特性 推广可得 45 3 拉氏变换 4 傅氏变换 46 2019 12 27 47 一个函数与单位脉冲函数卷积的结果 就是将其频谱图形由坐标原点平移至该脉冲函数处 幅度调制与解调过程 数学分析 48 小结 调幅 从频域上 相当于频率的搬迁过程 从低频搬迁到高频 频谱形状保持不变 f0 fm 从时域上 用x t 去控制改变y t 的幅值 使xm t 的幅值随着x t 的变化而变化 频率仍与z t 相同 载波频率f0称为调幅波的中心频率 f0 fm称为上旁频带 f0 fm称为下旁频带 49 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 50 51 解调 把调幅波再次与原载波信号相乘 则频域图形将再一次进行 搬移 其结果如右图所示 当用一低通滤波器滤去频率大于fm的成分时 则可以复现原信号的频谱 与原频谱的区别在于幅值为原来的一半 这可以通过放大来补偿 这一过程称为同步解调 同步是指解调时所乘的信号与调制时的载波信号具有相同的频率和相位 52 实验 同步调治与解调实验 53 信号失真 调幅波是由一对每边为fm的双边带信号组成 当载波频率f0较低时 正频端的下边带将与负频端的下边带相重叠 要求 f0 fm 54 4频率调制 调频是利用信号x t 的幅值调制载波的频率 或者说 调频波是一种随信号x t 的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波 55 56 鉴频 57 优点 抗干扰能力强 调频波通常要求很宽的频带 甚至为调幅所要求带宽的20倍 调频系统较之调幅系统复杂 因为频率调制足一种非线性调制 因为调频信号所携带的信息包含在频率变化之中 并非振幅之中 而干扰波的干扰作用则主要表现在振幅之中 缺点 占频带宽度大 复杂 58 1 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 4 4信号滤波 59 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 60 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 61 低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式 其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器 低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器 滤波器串并联 62 2 滤波器性能分析 1 理想滤波器特性理想化的滤波器 具有矩形幅频特性和线性相频特性 63 理想低通滤波器的幅 相频特性 64 理想滤波器的物理不可实现 理想滤波器在时域内的脉冲响应函数h t 为sinc函数 脉冲响应的波形沿横坐标左 右无限延伸 给理想滤波器一个脉冲激励 在t 0时刻单位脉冲输入滤波器之前 滤波器就已经有响应了 故物理不可实现 65 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 66 理想和实际的带通滤波器的幅频特性 67 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 68 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 1 5 69 3 实际滤波电路在测试系统中 常用RC滤波器 因为这一领域中信号频率相对来说不高 而RC滤波器电路简单 抗干扰强 有较好的低频性能 并且选用标准阻容元件 1 一阶RC低通滤波器低通滤波器的典型电路如图所示 70 71 例题 已知某RC低通滤波器 R 1k C 1 F 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 72 73 2 RC高通滤波器RC高通滤波器的典型电路及响应特性如图所示 RC高通滤波器及其频率特性曲线 74 75 可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联 3 带通滤波器低通滤波器和高通滤波器的组合 图4 26 76 4 有源低通滤波器 77 若频率 为变量 则电路的频率响应函数 其模为 78 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 79 5 有源高通滤波器 80 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 则电路的频率响应函数 其模为 81 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 LC滤波器过渡带曲线的陡峭度优于RC滤波器 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 有源滤