信号的调理与记录

1、1第四章第四章 信号的调理与记录信号的调理与记录4.1 4.1 电桥电桥4.2 4.2 调制与解调调制与解调4.3 4.3 滤波器滤波器主要内容：主要内容： 2被测对象被测对象传感器传感器非电压信号非电压信号微弱、缓变微弱、缓变含有干扰噪声含有干扰噪声中间变换装置中间变换装置显示、记录显示、记录或分析仪器或分析仪器34.1 4.1 电桥电桥p概念：概念：电桥是将电阻、电容、电感等参量的变化电桥是将电阻、电容、电感等参量的变化转换为转换为电压或电流电压或电流输出的一种输出的一种测量电路测量电路。p结构：结构： p分类：分类：a. a. 直流电桥直流电桥 交流电桥交流电桥b. b. 归零法归零法(

2、 (静态测量静态测量) ) 偏值法偏值法( (动态测量动态测量) ) ( (不平衡输出电桥不平衡输出电桥) )p使用：使用：44.1 4.1 电桥电桥一、直流电桥一、直流电桥平衡条件平衡条件4231RRRRl平衡状态：平衡状态：当电桥的四个桥臂上的电阻值具备一定关系时，当电桥的四个桥臂上的电阻值具备一定关系时， 可使电桥的输出等于零，即电桥处于平衡状态。可使电桥的输出等于零，即电桥处于平衡状态。l转换原理：转换原理：当桥路中的一个桥臂或几个桥臂由当桥路中的一个桥臂或几个桥臂由电阻电阻传感器元传感器元件构成时，被测物理量的变化被转化为电阻的变化，此电阻值的件构成时，被测物理量的变化被转化为电阻的

3、变化，此电阻值的变化将引起直流电桥输出电压变化将引起直流电桥输出电压Uo的变化。因此，输出电压的变的变化。因此，输出电压的变化就可以用来估价电阻的变化，也就是估价被测物理量的变化。化就可以用来估价电阻的变化，也就是估价被测物理量的变化。结构：四个桥臂中一个或多个为阻值随被测量变化的电阻传感器元件，如电阻应变片。54.1 4.1 电桥电桥l电桥连接方式及输出特性电桥连接方式及输出特性a a单臂电桥接法单臂电桥接法结论：结论：电桥的输出电压电桥的输出电压Uo o与激励与激励电压电压Ue成正比，且在成正比，且在Ue一定条件一定条件下，输出电压与工作桥臂的阻值下，输出电压与工作桥臂的阻值变化量变化量R

4、/ /R0呈单调线性关系。呈单调线性关系。eoURRU04灵敏度：灵敏度：40eoURRUS64.1 4.1 电桥电桥l电桥的连接方式及输出特性电桥的连接方式及输出特性b b半桥接法半桥接法eoURRU022/00eURRUS卧式桥卧式桥立式桥立式桥eoURRU0274.1 4.1 电桥电桥l电桥的连接方式及输出特性电桥的连接方式及输出特性c c全桥接法全桥接法eoURRU0灵敏度：灵敏度：eoURRUS084.1 4.1 电桥电桥a.a.相邻相邻两桥臂（如图中两桥臂（如图中R1 1和和R2 2）电阻）电阻同向同向变化变化（即两电阻同时增大或同时减小），所产生的（即两电阻同时增大或同时减小），

5、所产生的输出电压的变化将输出电压的变化将相互抵消相互抵消； eoURRRRRRRRU432141b.b.相邻相邻两桥臂电阻两桥臂电阻反向反向变化（即一个电阻增大，变化（即一个电阻增大， 另一个电阻减小），所产生的输出电压的变化将另一个电阻减小），所产生的输出电压的变化将相互迭加相互迭加。l桥臂阻值变化对输出电压的影响规律（电桥和桥臂阻值变化对输出电压的影响规律（电桥和差特性）：差特性）： 94.1 4.1 电桥电桥l电桥和差特性应用电桥和差特性应用a.104.1 4.1 电桥电桥l电桥和差特性应用电桥和差特性应用b.114.1 4.1 电桥电桥二、交流电桥二、交流电桥l平衡条件平衡条件0402

6、0301ZZZZ4231相对桥臂阻抗之模的乘积相等相对桥臂阻抗之模的乘积相等相对桥臂阻抗的阻抗角之和相等相对桥臂阻抗的阻抗角之和相等124.1 4.1 电桥电桥二、交流电桥二、交流电桥a. 电容电桥电容电桥2431RRRR4213CRCR平衡条件平衡条件可见，欲要使电容电桥达到平衡，必须同时调节电阻和电容可见，欲要使电容电桥达到平衡，必须同时调节电阻和电容两个参数，即调节电阻达到电阻平衡，调节电容达到电容平衡。两个参数，即调节电阻达到电阻平衡，调节电容达到电容平衡。被测量被测量可调元件可调元件电容介质损耗等效电阻电容介质损耗等效电阻134.1 4.1 电桥电桥二、交流电桥二、交流电桥b. 电感

7、电桥电感电桥平衡条件平衡条件2431RRRR2431RLRL可见，要使电感电桥达到平衡，必须同时调节电阻和电感两个可见，要使电感电桥达到平衡，必须同时调节电阻和电感两个参数，即调节电阻达到电阻平衡，调节电感达到电感平衡。参数，即调节电阻达到电阻平衡，调节电感达到电感平衡。被测量被测量可调元件可调元件电感线圈有功电阻电感线圈有功电阻4.1 4.1 电桥电桥二、交流电桥二、交流电桥c. 纯电阻交流电桥纯电阻交流电桥14具有电阻电容平衡的交流电阻电桥（动态应变仪）具有电阻电容平衡的交流电阻电桥（动态应变仪）4.1 4.1 电桥电桥小结：小结：1.1.电桥概念电桥概念2.2.直流电桥直流电桥l平衡条件

8、平衡条件l三种接法：单臂、半桥、全桥三种接法：单臂、半桥、全桥l电桥和差特性及其应用电桥和差特性及其应用3.3.交流电桥交流电桥l平衡条件平衡条件l三种常用交流电桥：电容、电感、纯电阻电桥三种常用交流电桥：电容、电感、纯电阻电桥15164.2 4.2 调制与解调调制与解调l调制：调制：是指利用某种是指利用某种低频信号低频信号来控制或来控制或改变一改变一高频振荡信号高频振荡信号的某个参数（幅值、的某个参数（幅值、频率或相位）的过程。频率或相位）的过程。当被控制的量是高频振荡信号的当被控制的量是高频振荡信号的幅值幅值时，称为时，称为幅值调制或调幅幅值调制或调幅( (AM-amplitude mod

9、ulate) )；当被控制的量为高频振荡信号的当被控制的量为高频振荡信号的频率频率时，称为时，称为频率调制或调频频率调制或调频( (FM-frequency modulate) )；当被控制的量为高频振荡信号的当被控制的量为高频振荡信号的相位相位时，则称时，则称为为相位调制或调相相位调制或调相( (PM-phase modulate) )。 174.2 4.2 调制与解调调制与解调对信号进行对信号进行调制调制原因：原因：来自传感器的来自传感器的低频低频、缓变、微弱信号、缓变、微弱信号交流交流放大器放大器调制手段调制手段加载加载到高到高频信号中频信号中高频信号直流放大器直流放大器高频信号184.

10、2 4.2 调制与解调调制与解调l解调解调则是从则是从已调制波信号已调制波信号中恢复出原有中恢复出原有低低频频调制信号调制信号的过程。的过程。l调制与解调调制与解调( (MODEM)是一对信号变换过程是一对信号变换过程, ,在工程上常常结合在一起使用。在工程上常常结合在一起使用。 194.2 4.2 调制与解调调制与解调一、幅值一、幅值调制与解调调制与解调过程：将一个高频载波信号过程：将一个高频载波信号y(t)（余弦波）与被（余弦波）与被测信号测信号x(t)（调制信号）（调制信号）相乘相乘，使高频载波信号，使高频载波信号的的幅值幅值随被测信号的随被测信号的幅值幅值变化而变化。变化而变化。1.1

11、.幅值调制幅值调制定义：定义：结果：称已调制信号结果：称已调制信号xm( (t) )为为调幅波调幅波。调幅过程调幅过程204.2 4.2 调制与解调调制与解调2.2.调幅信号的频域分析调幅信号的频域分析一、幅值调制与解调一、幅值调制与解调载波载波调制信号调制信号v调幅的过程在频域上就相当于一个移频的过程。调幅的过程在频域上就相当于一个移频的过程。 214.2 4.2 调制与解调调制与解调2.2.调幅信号的频域分析调幅信号的频域分析一、幅值调制与解调一、幅值调制与解调fm调制信号的最高调制信号的最高 频率、频宽频率、频宽f0载波频率（载波频率（激励激励）混叠现象：混叠现象：f0 fm为了减小电路

12、可能引起的失真，调制信号的频宽为了减小电路可能引起的失真，调制信号的频宽fm相对载相对载波频率波频率f0应应越小越好越小越好。在实际中，载波频率至少为调制信号。在实际中，载波频率至少为调制信号上限上限/ /最高频率的最高频率的十倍十倍以上。以上。224.2 4.2 调制与解调调制与解调幅值调制装置实质上是一个幅值调制装置实质上是一个乘法器乘法器。经常采用交流电桥来作幅值调制装置，其中以经常采用交流电桥来作幅值调制装置，其中以高频振荡电源高频振荡电源供给电桥作为装置的供给电桥作为装置的载波载波信号，则电信号，则电桥输出便为桥输出便为调幅波调幅波。l幅值调制装置幅值调制装置234.2 4.2 调制

13、与解调调制与解调3.3.调幅信号的解调方法调幅信号的解调方法一、幅值调制与解调一、幅值调制与解调同步解调同步解调解调解调：从已调制信号中恢复出原有低频信号的过程。：从已调制信号中恢复出原有低频信号的过程。解调方式解调方式：同步解调：同步解调 包络检波包络检波 相敏检波相敏检波244.2 4.2 调制与解调调制与解调包络检波包络检波/ /整流检波整流检波 3.3.调幅信号的解调方法调幅信号的解调方法一、幅值调制与解调一、幅值调制与解调a.先先对调制信号对调制信号x( (t) )偏置一个偏置一个直流分量直流分量A A，使偏，使偏置后的信号置后的信号 都都具有具有正正电压值。电压值。b.对对该信号该

14、信号 进行进行幅值调制，幅值调制，得到调幅波。得到调幅波。调幅波调幅波xm( (t) )的的包络线包络线与原信号与原信号x( (t) )形状相同。形状相同。c.对调幅波进行对调幅波进行半波整流半波整流、滤波滤波，即恢复原调，即恢复原调制信号。制信号。)(tx)(tx254.2 4.2 调制与解调调制与解调低通滤波低通滤波半波整流半波整流调幅波调幅波调制信号（已调制信号（已叠加直流分量叠加直流分量A）Return x(t)264.2 4.2 调制与解调调制与解调)(tx)(txm)(txm)(tx加偏置电压不足情况加偏置电压不足情况包络检波包络检波关键问题关键问题：准确准确加、减偏置电压加、减偏

15、置电压A4.2 4.2 调制与解调调制与解调相敏检波相敏检波特点：直接特点：直接鉴别出调制信号的鉴别出调制信号的极性极性相敏检波器输出波形的相敏检波器输出波形的包络线包络线即是所需要的信号。即是所需要的信号。4.2 4.2 调制与解调调制与解调相敏检波相敏检波相敏检波器输出波形的包络线即是所需要的信号。因此，相敏检波器输出波形的包络线即是所需要的信号。因此，必须把它和载波分离开来，需要在相敏检波器的输出端再必须把它和载波分离开来，需要在相敏检波器的输出端再接一个接一个低通低通滤波器，即可得到与原信号波形、极性一致的滤波器，即可得到与原信号波形、极性一致的信号，即被测信号重现。信号，即被测信号重

16、现。 因此，对于因此，对于有极性有极性的被测量，经调制以后要想的被测量，经调制以后要想正确正确的恢的恢复原有的信号波形，必须采用复原有的信号波形，必须采用相敏检波相敏检波的方法。的方法。294.2 4.2 调制与解调调制与解调动态电阻应变仪原理框图动态电阻应变仪原理框图304.2 4.2 调制与解调调制与解调二、频率调制与解调二、频率调制与解调 1.1.频率调制基本概念及原理频率调制基本概念及原理 频率调制：利用低频信号（调制信号）控频率调制：利用低频信号（调制信号）控制高频载波信号制高频载波信号频率变化频率变化的过程。的过程。调频是用调制信号的调频是用调制信号的幅值幅值去控制高频载波信去控制

17、高频载波信号（由振荡器产生的等幅波）的号（由振荡器产生的等幅波）的频率。频率。即载波的即载波的振荡频率变化值和调制信号的振荡频率变化值和调制信号的幅值幅值成正比，所以，成正比，所以，调频波调频波是随时间变化的疏密不等的等幅波。是随时间变化的疏密不等的等幅波。4.2 4.2 调制与解调调制与解调载波载波y( (t) )调制信号调制信号x( (t) )调频波调频波xf( (t) )324.2 4.2 调制与解调调制与解调载波载波y( (t) )调制信号调制信号x( (t) )调频波调频波xf( (t) )二、频率调制与解调二、频率调制与解调 2.2.频率调制方法频率调制方法 4.2 4.2 调制与

18、解调调制与解调利用振荡电路，以利用振荡电路，以LC振荡电路为例振荡电路为例0C Cx(t)344.3 4.3 滤波器（频率筛）滤波器（频率筛）一、概述一、概述滤波滤波是指让被测信号中的有效成分通过而是指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的将其中不需要的成分抑制或衰减掉的过程。过程。滤波器滤波器是一种具有是一种具有选择频率选择频率功能的功能的电路电路。它。它能使指定频率范围内的信号顺利通过，能使指定频率范围内的信号顺利通过，而对其它频率的信号加以抑制，使其而对其它频率的信号加以抑制，使其大幅度衰减。大幅度衰减。原因原因354.3 4.3 滤波器滤波器 滤波器分类（根据滤波

19、器选频作用划分）滤波器分类（根据滤波器选频作用划分） 低通低通Lowpass Filter)(1fHfc2高通高通Highpass Filter)(2fHfc1364.3 4.3 滤波器滤波器带通带通Bandpass Filter)(3fHfc1fc2 带阻带阻Bandstop Filter)(4fHfc1fc2374.3 4.3 滤波器滤波器l滤波器的串滤波器的串/ /并联并联 低通滤波器和高通滤波器是滤波器两种最低通滤波器和高通滤波器是滤波器两种最基本形式，其它滤波器都可以分解为这两种类基本形式，其它滤波器都可以分解为这两种类型滤波器。型滤波器。384.3 4.3 滤波器滤波器二、滤波器性

20、能分析二、滤波器性能分析1 1 理想滤波器理想滤波器 理想滤波器是指将滤波器的一些特性理想化。理想滤波器是指将滤波器的一些特性理想化。 （以低通滤波器为例）（以低通滤波器为例）其它0)(020ccftjfffeAfH002)()(ftfAfAfc|H(f)|ff f(f)f394.3 4.3 滤波器滤波器二、滤波器性能分析二、滤波器性能分析2 2 实际滤波器特征参数实际滤波器特征参数（以带通滤波器为例）（以带通滤波器为例） 404.3 4.3 滤波器滤波器0ffc1fc2A00.707A01)1)截止频率：截止频率：幅频特性值等于幅频特性值等于0.707A0 0所对应的频率点所对应的频率点 d

21、 d2)2)纹波幅度纹波幅度d d：通带中幅频特性值的起伏变化值通带中幅频特性值的起伏变化值/ /波动值波动值3)3)带宽带宽B和品质因子和品质因子Q：上下两截止频率间的频率范围称为带上下两截止频率间的频率范围称为带宽。中心频率宽。中心频率f0和带宽和带宽B之比称为品质因子之比称为品质因子 。 BQ=f0 / B414.3 4.3 滤波器滤波器4)4)倍频程选择性倍频程选择性 指在上截止频率指在上截止频率fc2与与2fc2之间幅频特性的衰减之间幅频特性的衰减值，或下截止频率值，或下截止频率fc1c1与与fc1c1/ /2间幅频特性的间幅频特性的衰减值衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。即频

22、率变化一个倍频程时的衰减量。 倍频程衰减量以倍频程衰减量以dB/ /oct表示（表示（Octave，倍频，倍频程）。衰减越快，滤波器的选择性越好。程）。衰减越快，滤波器的选择性越好。424.3 4.3 滤波器滤波器三、实际滤波电路三、实际滤波电路1 1 低通滤波电路低通滤波电路 一阶一阶RC低通滤波器低通滤波器一阶弹簧阻尼系统一阶弹簧阻尼系统434.3 4.3 滤波器滤波器 一阶一阶RC低通滤波器低通滤波器 cfffarctan)(相频特性表达式相频特性表达式 频率响应函数频率响应函数 fjRCjfH21111)(2)(11)()(cfffHfA幅频特性表达式幅频特性表达式 RCfc21上上截

23、止频率截止频率444.3 4.3 滤波器滤波器三、实际滤波电路三、实际滤波电路2 2 高通滤波电路高通滤波电路 RC高通滤波器高通滤波器弹簧阻尼系统弹簧阻尼系统454.3 4.3 滤波器滤波器 RC高通滤波器高通滤波器( (二阶二阶系统系统) ) 频率响应函数频率响应函数fRCjfRCjfH212)(幅频特性幅频特性2)(1)()(ccfffffHA相频特性相频特性cfffarctan90)(RCfc21下下截止频率截止频率46动手做：动手做：调节计算机播放器等软件调节计算机播放器等软件中的声音均衡器，试验其中的声音均衡器，试验其对音乐信号的滤波情况。对音乐信号的滤波情况。4.3 4.3 滤波

24、器滤波器474.3 4.3 滤波器滤波器四、带通滤波器在信号频率分析中的应用四、带通滤波器在信号频率分析中的应用1.1.多路滤波器并联形式多路滤波器并联形式常用于信号的常用于信号的频谱分析频谱分析和信号中和信号中特定频率成分的提取特定频率成分的提取。使用使用：将被分析信号输入一组：将被分析信号输入一组中心频率中心频率不同的滤波器，不同的滤波器，各个滤波器的输出则反映了信号中所含的各个频率成分。各个滤波器的输出则反映了信号中所含的各个频率成分。fc1fc2fc1fc2欲分析整个频带？欲分析整个频带？ 各相邻带通滤波器的带宽相互衔接各相邻带通滤波器的带宽相互衔接fc1fc2fc1fc2要求：中心频

25、率不同要求：中心频率不同的带通滤波器的的带通滤波器的带宽带宽遵循一定规则取值遵循一定规则取值484.3 4.3 滤波器滤波器四、带通滤波器在信号频率分析中的应用四、带通滤波器在信号频率分析中的应用1.1.多路滤波器的并联形式多路滤波器的并联形式（1 1）恒带宽比恒带宽比滤波器（组）滤波器（组）滤波器的滤波器的相对带宽相对带宽是常数，即是常数，即0.707A0CffffBiicicii012049icnicff1224.3 4.3 滤波器滤波器四、带通滤波器在信号频率分析中的应用四、带通滤波器在信号频率分析中的应用恒带宽比滤波器的上、下截止频率之间满足下列关系，即恒带宽比滤波器的上、下截止频率之

26、间满足下列关系，即1.1.多路滤波器的并联形式多路滤波器的并联形式（1 1）恒带宽比恒带宽比滤波器（组）滤波器（组）其中，其中，n倍频程数；倍频程数； 当当n=1=1时，称时，称倍频程滤波器倍频程滤波器； 当当n=1/3=1/3时，称时，称1/31/3倍频程滤波器倍频程滤波器； 依此类推。依此类推。4.3 4.3 滤波器滤波器四、带通滤波器在信号频率分析中的应用四、带通滤波器在信号频率分析中的应用1.1.多路滤波器的并联形式多路滤波器的并联形式（1 1）恒带宽比恒带宽比滤波器（组）滤波器（组）)1(002iniff在倍频程滤波器组中，后一个滤波器的中心频率在倍频程滤波器组中，后一个滤波器的中心频率f0i与前一与前一个滤波器的中心频率个滤波器的中心频率f0(i-1)之间也满足以下关系，即之间也满足以下关系，即而且，滤波器的中心频率与上、下截止频率之间关系而且，滤波器的中心频率与上、下截止频率之间关系如下，即如下，即icicifff210所以，只要选