第四章-信号的调理与记录

1、第一节第一节 电桥电桥第三节第三节 滤波器滤波器第四节第四节 信号的放大信号的放大第五节第五节 测试信号的显示与记录测试信号的显示与记录第二节第二节 调制与解调调制与解调第四章第四章 信号的调理与记录信号的调理与记录本章学习要求：本章学习要求：1.1.了解模拟信号放大电路原理了解模拟信号放大电路原理 2.2.了解信号调制解调原理了解信号调制解调原理 3.3.了解信号滤波器工作原理了解信号滤波器工作原理信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。 1.1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能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

2、，需直接输送到显示、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。要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。 2.2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪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。声，需要去掉噪声，提高信噪比。3.3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量信进行调制解调处理。对传感器测量信进行调制解调处理。 第四章第四章 信号的调理与记录信号的调理与记录第一节第一节 电桥电桥一、直流电桥一、直流电桥 电桥是将电阻、电感、电容等参电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化转换为电压或电流输出的一量的变化

3、转换为电压或电流输出的一种测量电路，由于桥式测量电路简单种测量电路，由于桥式测量电路简单可靠，而且具有很高的精度和灵敏度，可靠，而且具有很高的精度和灵敏度，因此在测量装置中被广泛采用。因此在测量装置中被广泛采用。 电桥按其所采用的电桥按其所采用的激励电源激励电源的的类类型型可分为可分为直流电桥直流电桥与与交流电桥交流电桥。图图4-1是直流电桥的基本结构是直流电桥的基本结构第一节第一节 电桥电桥在测试中常用的电桥连接形式有：单臂电桥连接、半桥在测试中常用的电桥连接形式有：单臂电桥连接、半桥连接与全桥连接。连接与全桥连接。图图4-2一、直流电桥一、直流电桥241301423()()eR RR RU

4、URRRR令：令：RR 1dRRR4RRR320()()()eR RdRRRUURRdRRR4eUdRR第一节第一节 电桥电桥单臂电桥连接单臂电桥连接第一节第一节 电桥电桥悬臂梁测力的电桥接法如图悬臂梁测力的电桥接法如图4-3所示所示图图4-3单臂电桥连接单臂电桥连接第一节第一节 电桥电桥柱形梁测力的电桥接法如图柱形梁测力的电桥接法如图4-4所示。所示。图图4-4单臂电桥连接单臂电桥连接第一节第一节 电桥电桥使用电桥电路时，还需要调节零位平衡，如图使用电桥电路时，还需要调节零位平衡，如图4-5所示。所示。图图4-5单臂电桥连接单臂电桥连接交流电桥的电路结构与直流电桥完全一样，如图交流电桥的电路

5、结构与直流电桥完全一样，如图4-6所示。所示。第一节第一节 电桥电桥二、二、 交流电桥换交流电桥换图图4-6图图4-7是一种常用电容电桥。是一种常用电容电桥。 第一节第一节 电桥电桥图图4-7二、二、 交流电桥换交流电桥换图图4-8是一种常用的电感电桥。是一种常用的电感电桥。第一节第一节 电桥电桥二、二、 交流电桥换交流电桥换电阻交流电桥的分布电容如图电阻交流电桥的分布电容如图4-9所示。所示。第一节第一节 电桥电桥图图4-9二、二、 交流电桥换交流电桥换用于电感比较仪中的电桥如图4-11a所示。第一节第一节 电桥电桥三、三、 带感应耦合臂的电桥带感应耦合臂的电桥带感应耦合臂的电桥：是将感应耦

6、合的两个绕组作为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，一般有两种形式。桥臂而组成的电桥，一般有两种形式。图图4-11目的目的 解决微弱缓变信号的放大以及信号的传解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。输问题。 第二节第二节 调制与解调调制与解调 先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，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。输出信号中取出放大了的缓变信号。 例：交流电桥例：交流电桥VinVoR1R3R2R4第二节第二节 调制与解调调制与解调第二

7、节第二节 调制与解调调制与解调 调制是指调制是指利用某种低频信号利用某种低频信号来控制或改变一高频来控制或改变一高频振荡信号的某个参数（幅值、频率或相位）的过程。振荡信号的某个参数（幅值、频率或相位）的过程。 调调 幅幅 调调 频频 调调 相相 高频振荡信号为高频振荡信号为载波载波，控制高频振荡的低频信号，控制高频振荡的低频信号为为调制信号调制信号，调制后的高频振荡信号为，调制后的高频振荡信号为已调制信号已调制信号。 解调是指从已调制信号中恢复出原低频调制信号解调是指从已调制信号中恢复出原低频调制信号的过程。调制与解调是一对相反的信号变换过程，在的过程。调制与解调是一对相反的信号变换过程，在工

8、程上经常结合在一起使用。工程上经常结合在一起使用。概念概念万向接轴万向接轴扭矩传感器弯矩传感器扭矩发射机弯矩发射机(（第二节第二节 调制与解调调制与解调1 1 种类种类调制信号调制信号x(t)x(t)0 0t t载波信号载波信号)2cos()(ftAtzz(t)z(t)0 0t t第二节第二节 调制与解调调制与解调a) a) 幅度调制幅度调制(AM)(AM)( )( )cos(2)y tA x tftb) b) 频率调制频率调制(FM)(FM)0( )cos(2 ( )y tAfx tt c) c) 相位调制相位调制(PM)(PM)(2cos()(0txftAty第二节第二节 调制与解调调制与

9、解调2.幅值调制幅值调制第二节第二节 调制与解调调制与解调 幅值调制是将一个幅值调制是将一个高频载波信号高频载波信号（此处采用余弦波）（此处采用余弦波）与与被测信号（调制信号）被测信号（调制信号）相乘，使高频信号的幅值随被测相乘，使高频信号的幅值随被测信号的变化而变化。信号的变化而变化。 图图4-12缓变信号缓变信号调制调制高频信号高频信号放大放大放大高放大高频信号频信号解调解调放大缓放大缓变信号变信号幅度调制与解调过程（波形分析）幅度调制与解调过程（波形分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器乘法器滤波器滤波器z(t)x(t)第二节第二节 调制与解调调制与解调幅度调制

10、与解调过程（频谱分析）幅度调制与解调过程（频谱分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器乘法器滤波器滤波器z(t)x(t)第二节第二节 调制与解调调制与解调幅度调制与解调过程（数学分析）幅度调制与解调过程（数学分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)x(t)z(t)z(t)x x m m(t)(t)乘法器乘法器滤波器滤波器z(tz(t) )x(t)x(t)(tx)2cos()()(tftxtxzm)(tz)(tztftxtyzm2cos)()(2)22cos()()(21tftxtxz第二节第二节 调制与解调调制与解调实验：同步调制与解调实验实验：同步调制与解调实验 上述调

11、制方法，将信号上述调制方法，将信号x(t)x(t)直直接与载波接与载波z(t)z(t)相乘这种调幅相乘这种调幅波具有极性变化，解调时必须波具有极性变化，解调时必须再乘与再乘与z(t)z(t)相位相同的相位相同的z(t) z(t) 方能复原出原信号，故称同步方能复原出原信号，故称同步解调解调 第二节第二节 调制与解调调制与解调b)b)重叠失真：调幅波是由一对每边为重叠失真：调幅波是由一对每边为fmfm的双边带信的双边带信号组成当载波频率号组成当载波频率fzfz较低时，正频端的下边带将较低时，正频端的下边带将与负频端的下边带相重叠要求与负频端的下边带相重叠要求: : fz fzfm fm 第二节第

12、二节 调制与解调调制与解调非抑制调幅非抑制调幅 若对信号若对信号x(t)x(t)进行偏置，叠加一个直流分量进行偏置，叠加一个直流分量D D，使偏置后的信号都具有正电压。使偏置后的信号都具有正电压。 )2cos()()(fttxDtxm)()( txDtx)(tx第二节第二节 调制与解调调制与解调解调解调二极管检波二极管检波低通滤波低通滤波第二节第二节 调制与解调调制与解调调幅波的波形失真调幅波的波形失真a a）过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏置必）过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏置必须足够大，否则须足够大，否则x(t)x(t)的相位将发生的相位将发生180180变化。变化。第二节第

13、二节 调制与解调调制与解调第二节第二节 调制与解调调制与解调（3） 相敏检波相敏检波 相敏检波是利用相敏检波是利用二极管的单向导二极管的单向导通作用将电路输出极性互换通作用将电路输出极性互换。其特点是可以鉴别。其特点是可以鉴别调制信号的极性，所以采用相敏检波时，对调制调制信号的极性，所以采用相敏检波时，对调制信号不必再直流偏置。信号不必再直流偏置。第二节第二节 调制与解调调制与解调 如图如图4-17为一种典型的二极管相敏检波电路。图中还示为一种典型的二极管相敏检波电路。图中还示出了相敏检波器解调的波形转换过程。出了相敏检波器解调的波形转换过程。图图4-17第二节第二节 调制与解调调制与解调 动

14、态电阻应变仪可作为电桥调幅与相敏检波的典型动态电阻应变仪可作为电桥调幅与相敏检波的典型实例，如图实例，如图4-18所示。所示。图图4-181.频率调制的基本概念频率调制的基本概念第二节第二节 调制与解调调制与解调二、频率调制与解调二、频率调制与解调频率调制是指利用信号频率调制是指利用信号x(t)的幅值调制载波的频率，或者说，的幅值调制载波的频率，或者说，调频波是一种随信号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的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波等幅波. 图图4-19 调制信号为三角波时的调频信号波形。调制信号为三角波时的调频信号波形。)*)(2cos()(0ttxfAty2.

15、频率调制方法频率调制方法第二节第二节 调制与解调调制与解调频率调制一般用振荡电路来实现，如图频率调制一般用振荡电路来实现，如图4-20所示，所示，图图4-203.调频信号的解调调频信号的解调第二节第二节 调制与解调调制与解调调频信号的解调亦称调频信号的解调亦称鉴频鉴频，一般采用鉴频器和锁相环解调器。，一般采用鉴频器和锁相环解调器。图4-21 调频器工作原理优点：抗干扰能力强。优点：抗干扰能力强。 调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的要求带宽的2020倍；调频系统较之调幅系统复杂，倍；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率调制是一种非线性调制。因为频

16、率调制是一种非线性调制。 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要表现在振幅之中 缺点：占频带宽度大，复杂缺点：占频带宽度大，复杂第二节第二节 调制与解调调制与解调案例：旋转机械扭距测量案例：旋转机械扭距测量第二节第二节 调制与解调调制与解调案例：铁路机车调度信号检测案例：铁路机车调度信号检测调制频率调制频率8.5Hz8.5Hz，绿灯，绿灯调制频率调制频率23.5Hz23.5Hz，红灯，红灯第二节第二节 调制与解调调制与解调第三节第三节 滤波器滤波器一、概述

17、一、概述 滤波是指让被测信号中的有效成分通过：滤波是指让被测信号中的有效成分通过： 而将其中而将其中不需要的成分抑制或衰减掉的一种过程。不需要的成分抑制或衰减掉的一种过程。图图4-221 1 滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）滤波器分类（根据滤波器的选频作用分） 低通低通高通高通第三节第三节 滤波器滤波器带通带通带阻带阻第三节第三节 滤波器滤波器2 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的两种最基本的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形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。器。第三节第三节 滤波器滤

18、波器第三节第三节 滤波器滤波器二、滤波器性能分析二、滤波器性能分析1.理想滤波器理想滤波器 所谓理想滤波器：就是将滤波器的一些特性理想所谓理想滤波器：就是将滤波器的一些特性理想化而定义的滤波器。化而定义的滤波器。图图4-23 理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。fcH(f)fQ(f)第三节第三节 滤波器滤波器理想滤波器的物理不可实现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理想滤波器在时域内的脉冲响应函数h(t)h(t)为为 sincsinc函

19、数。脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸。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，在给理想滤波器一个脉冲激励，在t=0t=0时刻单位脉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。理不可实现。fcH(f)第三节第三节 滤波器滤波器第三节第三节 滤波器滤波器三三 实际滤波器实际滤波器 理想滤波器是不存在的，实际滤波器幅频特性中通带理想滤波器是不存在的，实际滤波器幅频特性中通带和阻带间没有严格界限，存在过渡带。和阻带间没有严格界限，存在过渡带。 0fA第三节第三节 滤波器滤波器(1)(1)波纹幅度波纹幅

20、度d d：通带内通带内幅频特性的波动量；幅频特性的波动量；offc1fc2A00.707A0BQ=f0 / B2dA( f )f0(2)(2)截止频率截止频率f fc c：A A( ( f f )=0.707 )=0.707A A0 0 （-3dB-3dB）所对应的频率；）所对应的频率； 第三节第三节 滤波器滤波器（3 3）带宽）带宽B B：上下截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽。上下截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽。因为：因为：所以所以f fc1c1-f-fc2c2也称也称“-3dB-3dB带宽带宽”，标以，标以B B-3db-3db（4 4）品质因数）品质因数Q Q：上下截止频率之差

21、称为带宽。中心频率上下截止频率之差称为带宽。中心频率 和和-3dB-3dB带宽带宽B B之比称为品质因数之比称为品质因数 。 00220lg3AdBA BfQ/0 2c1c0fff 第三节第三节 滤波器滤波器（5 5）倍频程选择性）倍频程选择性W W：倍频程选择性是指上截止频率倍频程选择性是指上截止频率f fc2c2与与2f2fc2c2之间或下截止频率之间或下截止频率f fc1c1与与2f2fc1c1间频率变化一个倍频程的衰减量，间频率变化一个倍频程的衰减量，即频率变化一倍幅值的衰减量。即频率变化一倍幅值的衰减量。 c2c2(2)W20lg()AAff 51dB3dB60 BB （6 6）滤波

22、器因数）滤波器因数 ：-60dB-60dB带宽与带宽与-3dB-3dB带宽的比值。带宽的比值。 第三节第三节 滤波器滤波器实际滤波电路实际滤波电路 最简单的低通和高通滤波器可由一个电阻和一最简单的低通和高通滤波器可由一个电阻和一个电容组成，图个电容组成，图4-25a和和b中分别示出了中分别示出了RC低通和高低通和高通滤波器。通滤波器。图图4-25第三节第三节 滤波器滤波器一阶一阶RC滤波器在过渡带内的衰减速率非常慢，每个倍频滤波器在过渡带内的衰减速率非常慢，每个倍频只有只有6dB，如图，如图4-27所示。所示。图图4-27第三节第三节 滤波器滤波器实际滤波电路实际滤波电路第三节第三节 滤波器滤

23、波器 通过采用多个通过采用多个RC环节或环节或LC环节级联方式，可以环节级联方式，可以使滤波器的性能有显著的提高，如图使滤波器的性能有显著的提高，如图4-29所示。所示。第三节第三节 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.多路滤波器的并联形式多路滤波器的并联形式 多路带通滤波器并联常用于信号的频谱分析和信号中特多路带通滤波器并联常用于信号的频谱分析和信号中特定频率成分的提取。为使各带通滤波器的带宽覆盖整个分析定频率成分的提取。为使各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。的频带，它们的中心频率能使相邻的带宽

24、恰好互相衔接。带通滤波器并联的频带分配，如图带通滤波器并联的频带分配，如图4-32所示。所示。第三节第三节 滤波器滤波器 实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实际滤波实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实际滤波器中心频率与带宽之问的数值关系，可以分为两种。器中心频率与带宽之问的数值关系，可以分为两种。第三节第三节 滤波器滤波器（2）恒带宽滤波器。恒带宽滤波器是指滤波器的）恒带宽滤波器。恒带宽滤波器是指滤波器的绝对带宽为常数。绝对带宽为常数。 （1） 恒带宽比滤波器恒带宽比滤波器 恒带宽比滤波器是指滤波恒带宽比滤波器是指滤波器的相对带宽是常数，即器的相对带宽是常数，即2100ic ic iiiB

25、ffCff第三节第三节 滤波器滤波器2.中心频率可调试中心频率可调试 扫描式频率分析仪采用一个中心频率可调的带通扫描式频率分析仪采用一个中心频率可调的带通滤波器。通过改变中心频率使该滤波器的带通跟所要滤波器。通过改变中心频率使该滤波器的带通跟所要分析的信号频率范围要求来变化。调节方式可以是手分析的信号频率范围要求来变化。调节方式可以是手调或者外信号调节。调或者外信号调节。图4-35 扫描式频率分析仪框图超门限报警超门限报警 案例：旅游索道钢缆检测案例：旅游索道钢缆检测第三节第三节 滤波器滤波器由案例提炼的典型实验：钢管无损探伤由案例提炼的典型实验：钢管无损探伤滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门

26、限报警滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警第三节第三节 滤波器滤波器案例：机床轴心轨迹的滤波处理案例：机床轴心轨迹的滤波处理 第三节第三节 滤波器滤波器案例：机床轴心轨迹的滤波处理案例：机床轴心轨迹的滤波处理 滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律第三节第三节 滤波器滤波器动手做：动手做：调节计算机调节计算机mp3mp3播放器等播放器等软件中的声音均衡器，试软件中的声音均衡器，试验其对音乐信号的滤波情验其对音乐信号的滤波情况。况。第三节第三节 滤波器滤波器分类分类放大器放大器直流放大器直流放大器交流放大器交流放大器电荷放大器电荷放大器直流电

27、桥直流电桥特点特点交流电桥交流电桥低频保留低频保留, ,高频截止高频截止高频保留高频保留, ,低频截止低频截止第四节第四节 信号放大电路信号放大电路 1 1 直流放大电路直流放大电路 电压增益电压增益: :1) 1) 反相放大器反相放大器 1RRAFv 反馈电阻反馈电阻R RF F值不能太大，否则会产生较大的噪声值不能太大，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。及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。R1R1的取值应远的取值应远大于信号源大于信号源UiUi的内阻的内阻。 烟雾报警器烟雾报警器酒精传感器酒精传感器二氧化碳传感器二氧化碳传感器第四节第四节 信号放大电路信号放大电路 2)2)同相放大器同相放大器 同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很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。低的特点，广泛用于前置放大级。 同相放大器也是最基本同相放大器也是最基本的电路的电路 ，其闭环电压增，其闭环电压增益益AvAv为为: :11RRAFv第四节第四节 信号放大电路信号放大电路 2 2 交流放大电路交流放大电路 R1 1一般取几十千欧。耦合电容一般取几十千欧。耦合电容C1、C3可根据交流放大可根据交流放大器的下限频率器的下限频率fL来确定。来确定。 )2/()103(31LLfRCC11RRAFv 若只需要放大交流信号，可采用图示的