信号调理、处理和记录

1、第五章第五章 信号调理、处理和记录信号调理、处理和记录电桥电桥调制与解调调制与解调 滤波器滤波器信号的指示和记录装置信号的指示和记录装置1 电 桥 电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化变为电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压或电流输出的一种测量电路。电压或电流输出的一种测量电路。分类：分类： 按激励电压的性质：直流电桥和交流电桥 按输出方式：不平衡桥式电路和平衡桥式电路一、直流电桥1、电磁形式 2、平衡条件 U0为直流电源要使电桥平衡，输出为零，应满足 Uy为输出电压0 0U U4 4R R3 3R R2 2R R1 1R R4 4R R2 2R R3 3R R1 1R R0 0U U

2、4 4R R3 3R R4 4R R0 0U U2 2R R1 1R R1 1R Ra ad dU Ua ab bU Uy yU U4231RRRRabcd1R2R3R4RyU0U1I2I（1 1）半桥单臂接法）半桥单臂接法abcd2R3R4RyU0U1I2IR1R1输出电压输出电压0434211URRRRRRRRUy为了简化设计，取相邻两桥臂电阻相等，即043021RRRRRR，若 00RR ，则输出电压0024URRRUy因0RR ，所以004URRUy3、输出特性灵敏度 041/URRUSy（2）半桥双臂接法）半桥双臂接法输出输出灵敏度与半桥单臂相比，与半桥单臂相比，灵敏度灵敏度提高了提

3、高了一倍一倍，电桥，电桥的输出与的输出与 成完全线性关系。成完全线性关系。0004342211112URRURRRRRRRRRUy021/URRUSy0/ RRbcd3R4RyU0U1I2IRRa11RR22输出 灵敏度上述电桥是在不平衡条件下工作的，它的缺点是当电上述电桥是在不平衡条件下工作的，它的缺点是当电源电压不稳定，或环境温度变化时，会引起电桥输出源电压不稳定，或环境温度变化时，会引起电桥输出的变化，从而产生测量误差。的变化，从而产生测量误差。因此，在某些情况下采用平衡电桥。因此，在某些情况下采用平衡电桥。00URRUy0/URRUSybcd34yU0U1I2IR Ra11RR22RR

4、4R R3（3）全桥接法）全桥接法设被测量等于零时，电桥处于平衡状态，此时指示仪表G及可调电位器H指零。当某一桥臂随被测量变化时，电桥失去平衡，调节电位器H，改变电阻R5触电位置，可使电桥重新平衡，电表G指针回零。电位器H上的标度与桥臂电阻值的变化成比例，故H的指示值可以直接表达被测量的数值。GUR012345RRRRH平衡电桥交流电桥采用交流激励电压。电桥的四个臂可为电感、电容或电阻。电桥平衡条件：4231ZZZZ把各阻抗用指数式表示1011jeZZ 2022jeZZ 3033jeZZ 4044jeZZ 423104020301jjeZZeZZ代入上式ZZZZ1234UU0y二、交流电桥第二

5、节第二节 调制与解调调制与解调调制调制：使一个信号的某些参数在另一信号的控制下发：使一个信号的某些参数在另一信号的控制下发生变化的过程。前一信号称为载波，后一信号（控制生变化的过程。前一信号称为载波，后一信号（控制信号）称为调制信号。最后的输出是已调制波。信号）称为调制信号。最后的输出是已调制波。调制信号调制信号载波信号载波信号解调：解调：调制的反过程。即最终从已调制波中恢复调制的反过程。即最终从已调制波中恢复出调制信号的过程。出调制信号的过程。完成调制和解调过程的装置分别叫做完成调制和解调过程的装置分别叫做调制器和解调制器和解调器。调器。调制器和解调器必须由调制器和解调器必须由非线性元器件非

6、线性元器件构成。构成。根据载波受调制的参数不同，调制可分为调幅根据载波受调制的参数不同，调制可分为调幅（AM）,调频（调频（FM）,调相（调相（PM）。）。一一 调幅及其解调调幅及其解调（一）原理（一）原理调幅：调幅：将一个高频简谐信号（载波）与测试信号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（调制信号）相乘，使高频信号的幅值幅值随随测试信号的变化而变化。测试信号的变化而变化。)(txtftxtxm02cos)()()(ty幅度调制与解调过程（数学描述）幅度调制与解调过程（数学描述）)()()()(fYfXtytx)(21)(212cos)(000fffftfty)

7、2cos()()(0tftxtxm)()(21)()(21)2cos()(000fffXfffXtftx 一个函数与单位脉冲函数卷积的结果，就是将其一个函数与单位脉冲函数卷积的结果，就是将其图形由坐标原点平移至该脉冲函数处。所以，若以高图形由坐标原点平移至该脉冲函数处。所以，若以高频余弦信号作载波，把信号频余弦信号作载波，把信号x(tx(t) )和载波信号和载波信号y(ty(t) )相乘，相乘，其结果就相当于把原信号频谱图形由其结果就相当于把原信号频谱图形由原点原点平移至平移至载波载波频率频率f f0 0处处，其幅值，其幅值减半减半。 调幅器实际上是一个乘法器；调幅器实际上是一个乘法器；例：电

8、桥就是一个调制器例：电桥就是一个调制器00)( utKRuRRuy全桥全桥:载波：载波：u0调制信号：调制信号：R(t)调幅波：调幅波：uy2.解调解调把调幅波再次与原载波信号相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乘，则频域图形将再一次进行“偏移偏移”。若用一个低通滤波器滤去中心若用一个低通滤波器滤去中心频率为频率为 的高频成分，那么将的高频成分，那么将可以复现原信号的频谱（可以复现原信号的频谱（幅值幅值减小为一半减小为一半），这一过程称为），这一过程称为同步解调。同步解调。“同步同步”指解调时所乘的信号指解调时所乘的信号与调制时的载波信号具有相同与调制时的载波信号具有相同的频

9、率和相位。的频率和相位。02f二、调频及其解调二、调频及其解调调频：调频：利用信号电压的幅值控制载波的频率，输出利用信号电压的幅值控制载波的频率，输出 的是等幅波，但其振荡频率的偏移量与信号的是等幅波，但其振荡频率的偏移量与信号 电压成正比。当信号电压为零时，调频波的电压成正比。当信号电压为零时，调频波的 频率就等于中心频率；信号电压为正时频率频率就等于中心频率；信号电压为正时频率 提高，负值时则降低。提高，负值时则降低。 调频波：调频波：（一）直接调频测量电路（一）直接调频测量电路如：变极距型电容传感器：如：变极距型电容传感器：dAdC201ddC 小范围：小范围： 调频波的瞬时频率：调频波

10、的瞬时频率：载波频率，或中心频率：载波频率，或中心频率：频率偏移，与调制信号的幅值成正比：频率偏移，与调制信号的幅值成正比fff00ffAC0将将电容电容作为自激振荡回路中的一个作为自激振荡回路中的一个调谐参数调谐参数，则：电路的振荡频率：则：电路的振荡频率：LCf21CfLLCCf)21()(21)(21(230f在在 附近附近0CC )21 (2100000CCffffCCff被测量的变化即：在小范围内）fCf(直接调频电路直接调频电路：被测量的变化被测量的变化 - 振荡频率的变化振荡频率的变化转变为转变为（二）调频波的解调（二）调频波的解调-变压器耦合的谐振回路鉴频法变压器耦合的谐振回路

11、鉴频法将频率变化 - 调制信号电压幅值的变化 转变为转变为fu：等幅的调频波 au：二次边输出电压 au的频率与 保持一致 回路的谐振频率 nffu小范围内：感知被测量通过被测参量aauegLcfu),()(调频的特点：调频的特点：优点：优点：抗干扰能力强。抗干扰能力强。 因为调频信号所携带的信息包含在频率变化之中，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之中 缺点：缺点：占频带宽度大，复杂占频带宽度大，复杂 调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要

12、求带宽的带宽的20倍；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率倍；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。调制是一种非线性调制。第三节第三节 滤波器滤波器 （选频）（选频） 1. 滤除干扰噪声作用作用 2. 频谱分析一一. 滤波器的分类滤波器的分类 按选频 :低通、 高通、带通、带阻 下截止频率 1f2f上截止频率 二、理想滤波器二、理想滤波器线性系统的不失真条件： 020)(ftjeAfH若滤波器的频率响应函数h(t):脉冲响应函数(2) 其他分类其他分类根据构成滤波器的元件分类，可分为RC、LC或晶体谐振滤波器；根据构成滤波器的电路性质，可分为有源滤波器和无源滤波器；根据滤波器所

13、处理的信号性质，分为模拟滤波器和数字滤波器等。其它0020ffeA)f(Hctfj讨论：讨论：滤波器的通频带宽滤波器的通频带宽 B和建立较稳定的输出和建立较稳定的输出 所需要的时间所需要的时间 之间的关系之间的关系；et分辨力极其影响因素：分辨力极其影响因素：dtthututhty)()()()()(建立时间： cabefttT61. 0按理论响应值（0.1- 0.9）： cefT45. 0B即 cf)(th的图形愈的图形愈 陡峭陡峭eT有： eBT=常数 讨论：讨论：滤波器的通频带宽滤波器的通频带宽 B和建立和建立较稳定的输出所需要的时间较稳定的输出所需要的时间 之之间的关系间的关系；et物

14、理意义：物理意义：输入信号如有突变处必然含有丰富的高频分量，低通输入信号如有突变处必然含有丰富的高频分量，低通滤波器阻衰了高频分量，其结果是把输出波形滤波器阻衰了高频分量，其结果是把输出波形“圆滑圆滑”了。通带愈宽，阻衰的高频分量愈少，使信号能量更了。通带愈宽，阻衰的高频分量愈少，使信号能量更多、更快地通过，建立时间就短；反之，则长。多、更快地通过，建立时间就短；反之，则长。一般采用： 105eBT三实际滤波器(一) 实际滤波器的基本参数1.纹波幅度 d幅频特性的平均值 0A一般要求： 20Ad2. 截止频率幅频特性等于 20A所对应的频率: 20A：-3dB点 01. 321lg20lg20

15、2lg2000AA半功率点： pdtAp21)2(20dtAp203带宽B ，品质因数Q 分辨力:12BffBcc2100(ccfffBfQ中心频率）品质因数 QB分辨力 4. 频程选择性频程选择性滤波器对带宽外频率成分衰阻的能力 )()2(lg2022ccfAfAW即：频率变化一个倍频程时的衰减量 )()2/(lg2011ccfAfAWW5、滤波器因数 dBdBBB360理想: 51, 1一般(二二) RC滤波器的基本特性滤波器的基本特性特点：简单，抗干扰性强，较好的低频性能，易实现 1一阶一阶RC 低通滤波器低通滤波器)()()(11)(11)(2warctgwwwAssHuudtduRC

16、xyy222121)(21ccfRCRCffARCf定由(1)不失真传输近似线性关系fffARCf)(1)(21积分器dtuRCufARCfxy10)(21(2)(3)为提高衰减，可将几个低通滤波器串联使用 2. RC高通滤波器高通滤波器wcarctgwwwwAsssHudtuRCuxyy1)()(1)(1)(1211,2121)(21ccfRCRCffAf调(1).不失真传输0)(1)(21ffAf(2) 微分器xyuRCufAf0)(21(3) 3. 带通滤波器带通滤波器低通与高通串联11)(1)(22111ssHsssH)()()()()()(2121ffffAfAfA前提：后一级不能从

17、前一级吸收能量 第四节第四节 信号的显示和记录装置信号的显示和记录装置二、光线示波器二、光线示波器 一、作用一、作用 显示与记录仪器用来显示测试系统所获取的信号，并使之变成人们能够直接观察的图形；以及保存测试系统所获取的信号，并使之能够借助其他仪器进行分析和重放。光线示波器是利用被记录的电流信号控制光束偏移在感光纸上记录信号的仪器。工作原理光线示波器主要由振子、光学系统、记录纸及传动装置、时标装置和电路控制系统等组成。 输入的电流信号使振子处于磁场中的线圈受力矩作用而使反射镜片转动，在记录纸上记下信号波形。 三、磁带记录仪1 1磁带记录仪的特点磁带记录仪的特点（1）输入、输出均为电信号，与数据

18、处理设备及计算机连接方便。（2）可将被记录信号长期保存、多次重放长期保存、多次重放。 （3）磁带记录可以快录慢放、也可以慢录快放，实现信号的时间压缩或扩展。（4）存储信息密度大，还可多通道同时记录，可保证信号间的时间和相位关系。（5）动态范围较大（即可记录的信号变化范围较大），可达70dB以上。 6）存储信息的稳定性高，对环境（如温度、湿度变化）不敏感，而且抗干扰能力强。2磁带记录仪的结构和工作原理磁带和磁头磁带和磁头1、塑料带基、塑料带基2、磁性涂层、磁性涂层 3、工作间隙、工作间隙 磁带记录器的基本组成磁带记录器的基本组成 1、磁带、磁带2、记录磁头、记录磁头 3、重放磁头、重放磁头3.记录方式（1 1）直接记录方式（）直接记录方式（DRDR方式）方式） 优点是记录仪器结构简单、价格