第四章 信号调理与记录

1、原因：原因：1、传感器输出信号微弱；、传感器输出信号微弱；2、难以直接显示或、难以直接显示或A/D转换；转换；3、混杂了噪声。、混杂了噪声。目的：目的：1、信号放大；、信号放大；2、非电信号转换为电信号；、非电信号转换为电信号；3、抑制噪声，提高信噪比；、抑制噪声，提高信噪比；方法：方法：调理、放大、滤波，便于后续环节处理调理、放大、滤波，便于后续环节处理典型装置：典型装置：电桥、调制解调、滤波器等电桥、调制解调、滤波器等第四章 信号调理、处理和记录一、基本内容一、基本内容1、测试信号的中间变换处理。、测试信号的中间变换处理。2、电桥、调制器与解调器的功用和类型。调幅与检波、电桥、调制器与解调

2、器的功用和类型。调幅与检波、 调频与鉴频。调频与鉴频。3、滤波器。理想滤波器及其实现的限制。低通、高、滤波器。理想滤波器及其实现的限制。低通、高 通、带通、带阻滤波器以及跟踪滤波器技术。通、带通、带阻滤波器以及跟踪滤波器技术。4、常用记录仪器的功用、性能和类别。、常用记录仪器的功用、性能和类别。二、重点内容及要求二、重点内容及要求1、掌握电桥电路的输出特性、掌握电桥电路的输出特性2、了解常用中间变换电路的特点、应用、了解常用中间变换电路的特点、应用3、了解实际滤波器的特性参数、了解实际滤波器的特性参数4、了解记录仪器的功用、性能、了解记录仪器的功用、性能第四章 信号调理、处理和记录 1 电桥

3、2 调制与解调 3 滤波器4 信号的指示和记录装置返 回一、直流电桥二、交流电桥1 电 桥目 录一、调幅及其解调二、调频及其解调2 调制与解调目 录一、滤波器分类二、理想滤波器三、实际RC调谐式滤波器四、恒带宽比滤波器和恒带宽滤波器3 滤波器目 录1 电 桥电桥：将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压或电流电桥：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。它是信号放大电路的一种。输出的一种测量电路。它是信号放大电路的一种。 特点：测量电路简单，具有较高的精确度和灵敏度。特点：测量电路简单，具有较高的精确度和灵敏度。 分类：分类： 按激励电压的性质按激励电压的性质 直流电桥

4、直流电桥 交流电桥交流电桥 按输出方式按输出方式 不平衡电桥不平衡电桥 平衡电桥平衡电桥目 录一、直流电桥1、电桥形式 测量电路简单，有较高的精确度和灵敏度测量电路简单，有较高的精确度和灵敏度2、平衡条件 为直流电源为直流电源要使电桥平衡，输出为零，应满足要使电桥平衡，输出为零，应满足 为输出电压为输出电压abcd1R2R3R4RyU0U1I2I上 页目 录 电桥接法传感器传感器单臂单臂 半桥半桥全桥全桥3、输出特性（1）半桥单臂接法）半桥单臂接法 输出电压输出电压为了简化设计，取相邻两桥臂电阻相等，为了简化设计，取相邻两桥臂电阻相等，即即若若 ，则输出电压，则输出电压因因 ， 所以所以abc

5、d2R3R4RyU0U1I2IR1R1 上 页目 录可见，可见，电桥的输出电桥的输出 与激励电压与激励电压 成正比，且在成正比，且在 条件下，与条件下，与 成正比。成正比。灵敏度灵敏度上 页目 录（2）半桥双臂接法输出输出灵敏度灵敏度与半桥单臂相比，灵敏度提高了一倍，电桥的输出与与半桥单臂相比，灵敏度提高了一倍，电桥的输出与 近似地呈完全线性关系。近似地呈完全线性关系。bcd3R4RyU0U1I2IRRa11RR22上 页目 录（3）全桥接法输出输出 灵敏度灵敏度可见，桥路接法不同，输出电压不同，全桥电路可得到可见，桥路接法不同，输出电压不同，全桥电路可得到最大输出，且灵敏度高。最大输出，且灵

6、敏度高。 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，会引起电桥输出的源电压不稳定，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。因此，在某些情况下常采用变化，从而产生测量误差。因此，在某些情况下常采用平衡电桥。平衡电桥。上 页目 录bcd34yU0U1I2IRRa11RR22RR4R R3平衡电桥 设被测量等于零时，电桥处于平设被测量等于零时，电桥处于平衡状态，此时指示仪表衡状态，此时指示仪表G，即可调电，即可调电位器位器H指零。指零。 当某一桥臂随被测量变化时，电当某一桥臂随被测量变化时，电桥失去平

7、衡，调节电位器桥失去平衡，调节电位器H，改变电，改变电阻阻R5触点位置，可使电桥重新平衡，触点位置，可使电桥重新平衡，电表电表G指针回零。指针回零。 电位器电位器H上的标度与桥臂电阻值上的标度与桥臂电阻值的变化成比例，故的变化成比例，故H的指示值可以直的指示值可以直接表达被测量的数值。电表接表达被测量的数值。电表G的读数的读数始终为零，这种方法称为始终为零，这种方法称为“零位测量零位测量法法”。 其误差仅取决于可调电位器精度。某其误差仅取决于可调电位器精度。某些仪器以手动或伺服电机实现调零。些仪器以手动或伺服电机实现调零。GUR012345RRRRH上 页目 录二、交流电桥交流电桥采用交流电桥

8、采用交流激励电压交流激励电压。电桥的四个臂可为电感、电容或。电桥的四个臂可为电感、电容或电阻。电阻。电桥平衡条件电桥平衡条件把各阻抗用指数式表示把各阻抗用指数式表示代入上式：代入上式：ZZZZ1234UU0y上 页目 录阻抗角是各桥臂电流与电压之间的相位差。阻抗角是各桥臂电流与电压之间的相位差。纯电阻时电流与电压同相位，纯电阻时电流与电压同相位，=0；电感性阻抗，；电感性阻抗，0；电容性阻抗，电容性阻抗，0。上 页目 录电桥平衡必须满足两个条件电桥平衡必须满足两个条件其中，其中， 为各阻抗的模；为各阻抗的模； 为阻抗角。为阻抗角。 电容传感器电容传感器 电感传感器电感传感器 电阻传感器电阻传感

9、器rcZcLrZLRCZR上 页目 录第二节 调制与解调目的：解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。 调制：使一个信号的某些参数在另一信号的控制下发生变化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（控制信号）称为调的过程。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。制信号。最后的输出是已调制波。解调：最终从已调制波中恢复出调制信号的过程。最终从已调制波中恢复出调制信号的过程。根据载波受调制的参数不同，调制可分为根据载波受调制的参数不同，调制可分为 调幅（调幅（AM） 调频（调频（F

10、M） 调相（调相（PM）上 页目 录一、调幅及其解调1、调幅、调幅：将一个高频简谐信号（载波）与测试信号（调制：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。信号）相乘，使高频信号的幅值随测试信号的变化而变化。1、调幅原理由傅立叶变换的性质知：在时域中两个信号相乘，则对应在频由傅立叶变换的性质知：在时域中两个信号相乘，则对应在频域中这两个信号进行卷积，即域中这两个信号进行卷积，即余弦函数的频域图形是一对脉冲谱线余弦函数的频域图形是一对脉冲谱线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

11、原点平移至该脉冲函数处。点平移至该脉冲函数处。上 页目 录VinVoR1R3R2R4 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。 （五）、卷积特性若则定义：两个函数定义：两个函数 与与 的卷积：的卷积：记为：记为：卷积概念：卷积概念：若以高频余弦信号作载波，把信号若以高频余弦信号作载波，把信号x(t)和载波信号相乘，和载波信号相乘，其结果就相当于把原信号的频谱图形由原点平移至载其结果就相当于把原信号的频

12、谱图形由原点平移至载波频率波频率 处，幅值减半。处，幅值减半。即，即，上 页目 录调制器上 页目 录x(t)y(t) tftxtxm02cos从调幅原理看，从调幅原理看，载波频率载波频率 必须高于原信号中的最高频率必须高于原信号中的最高频率 才能使已调波仍保持原信号的频谱图形，不致重叠，否则将才能使已调波仍保持原信号的频谱图形，不致重叠，否则将会出现重叠失真。会出现重叠失真。为了减小放大电路可能引起的失真，信号的频宽为了减小放大电路可能引起的失真，信号的频宽 相对中相对中心频率（载波频率心频率（载波频率 ）应越小越好。）应越小越好。实际载波频率常至少数倍甚至数十倍于调制信号。实际载波频率常至少

13、数倍甚至数十倍于调制信号。上 页目 录0f重叠失真：当载波频率重叠失真：当载波频率f f0 0较低时，正频端的下边带较低时，正频端的下边带将与负频端的上边带相重叠因此要求将与负频端的上边带相重叠因此要求: : f f0 0fmfm 乘法器低通2、解调（1）同步解调）同步解调把调幅波再次与原载波信号相乘，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频若用一个低通滤波器滤去中心频率为率为 的高频成分，那么将可的高频成分，那么将可以复现原信号的频谱（幅值减小以复现原信号的频谱（幅值减小为一半），这一过程称为同步解调。为一半），这一

14、过程称为同步解调。“同步同步”指解调时所乘的信号与调制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。时的载波信号具有相同的频率和相位。上 页目 录载波y(t)调幅波x(t)（2）偏置解调）偏置解调把调制信号进行偏置，叠加一个直流分量把调制信号进行偏置，叠加一个直流分量A，使偏置后的信号，使偏置后的信号都具有正电压都具有正电压，那么调幅波的包络线将具有原调制信号的形状。，那么调幅波的包络线将具有原调制信号的形状。把该调幅波简单地整流、滤波就可恢复原调制信号。把该调幅波简单地整流、滤波就可恢复原调制信号。如果原调制信号中有直流分量，则在整流后应准确地减去所加如果原调制信号中有直流分量，

15、则在整流后应准确地减去所加的偏置电压。的偏置电压。若所加的偏置电压未能使信号电压都在零线的一侧，则对调幅若所加的偏置电压未能使信号电压都在零线的一侧，则对调幅波简单地整流不能恢复原调制信号。原信号相位将发生波简单地整流不能恢复原调制信号。原信号相位将发生180度度变化。变化。上 页目 录 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A A，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()()(fttxAtxm)()( txAtx)(tx调幅调幅解调解调二极管检波二极管检波低通滤波低通滤波调幅波的波形失真调幅波的波形失真3、相敏检波

16、A54123BCdc上 页目 录工作原理：工作原理：调幅波与载波调幅波与载波y(t)同相同相 载波电压为正载波电压为正 均为正均为正 （ 原信号原信号x(t)为正）为正） 载波电压为负载波电压为负 调幅波与载波调幅波与载波y(t)异相异相 载波电压为正载波电压为正 均为负均为负 （原信号（原信号x(t)为负）为负） 载波电压为负载波电压为负 上 页目 录4、动态电阻应变仪调制信号载波调幅波放大后波形解调后波形还原信号调制电桥放大相敏检波低通滤波振荡器上 页目 录二、调频及其解调二、调频及其解调调频是利用信号调频是利用信号x(t)的幅值调制载波的频率，或的幅值调制载波的频率，或者说，调频波是一种

17、随信号者说，调频波是一种随信号x(t)的电压幅值而变的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波化的疏密度不同的等幅波.当信号电压为零时，调频波的频率等于中心频率f0；信号电压为正值时频率提高，负值时则降低。上 页目 录)(2cos()(0ttxfAty频率调制两种常用的调频方法及一种解调方案：两种常用的调频方法及一种解调方案：（一）直接调频测量电路（一）直接调频测量电路把被测量的变化直接转换为振荡频率的变化称为直接调频式测量把被测量的变化直接转换为振荡频率的变化称为直接调频式测量电路，其输出是等幅波。电路，其输出是等幅波。结合上一章内容：以电容或电感原理工作的传感器，在被测量小结合上一章内容：以电容

18、或电感原理工作的传感器，在被测量小范围变化时，电容或电感也随之有近似的线性变化关系，那么可范围变化时，电容或电感也随之有近似的线性变化关系，那么可由电容、电感做成振荡器，把其中一个参数与被测量联系，比如由电容、电感做成振荡器，把其中一个参数与被测量联系，比如以电容做调谐参数：以电容做调谐参数：上 页目 录CfLLCCfLCf21)(2121212/3)21 (20000CCffffCCff在在f0附近，附近，CC0，即：回路的振荡频率与调谐参数的变化呈线即：回路的振荡频率与调谐参数的变化呈线性关系，那么也就同小范围变化的被测量存性关系，那么也就同小范围变化的被测量存在线性关系。在线性关系。（二

19、）压控振荡器 压控振荡器是利用控制端电压的线性变化引起输出端电压振荡频率变化原理做成的。控制端电压的变化同输出端电压的瞬时振荡频率成正比。 同样，根据第三章介绍的内容，传感器把被测量的变化同输出电压的变化建立起线性关系，然后我们利用压控振荡器，把这种信号进行频率调制，就可把被测量的变化转化为调制波信号。（三）鉴频信号经频率调制后得到的是调频波，调频波还原要经过频率解调，这个解调信号经频率调制后得到的是调频波，调频波还原要经过频率解调，这个解调过程又称为过程又称为鉴频鉴频，是将频率变化恢复成调制信号电压幅值变化的过程。，是将频率变化恢复成调制信号电压幅值变化的过程。目 录上 页T1T2T3T4F

20、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，甚至为调幅调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的所要求带宽的2020倍；调频系统较之调幅系统复倍；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。杂，因为频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，复杂案例：案例：旋转机械扭距测量旋转机械扭距测量案例：案例：铁路机车调度铁路机车调度 信号检测

21、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 调幅和调频应用非常广泛： 1、收音机用调幅波和调频波来远距离传送节目信号； 2、测试技术中，应用检测仪表进行信号处理。 3、应用于工程遥测技术，实现被测量的远距离测量，以各种现代通信方式进行信号的发送和接收。第三节 滤波器一、概述1、作用：选频作用 进行频谱分析 滤除干扰噪声2、分类 低通滤波器按选频作用分 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器 10ff2A(f)110ff1A(f)210fff12A(f)310fff12A(f)4上 页目 录 RC谐振滤波器谐振滤波器按构成元件类型分按

22、构成元件类型分 LC谐振滤波器谐振滤波器 晶体谐振滤波器晶体谐振滤波器按构成电路性质分按构成电路性质分 有源滤波器有源滤波器 无源滤波器无源滤波器按所处理的信号信号分按所处理的信号信号分 模拟滤波器模拟滤波器 数字滤波器数字滤波器任何装置对输入信号的频率成分都或多或少的存在滤波作用，因此广任何装置对输入信号的频率成分都或多或少的存在滤波作用，因此广义地讲，任何装置都是滤波器义地讲，任何装置都是滤波器。机械装置上用到的隔振系统就是一个机械装置上用到的隔振系统就是一个典型的低通滤波器。在振源和振动体之间设置隔振系统或隔振装置，典型的低通滤波器。在振源和振动体之间设置隔振系统或隔振装置，以减小或隔离

23、振动的传递有两类隔振，以减小或隔离振动的传递有两类隔振，一是隔离机械设备通过支座一是隔离机械设备通过支座传至地基的振动传至地基的振动，以减小动力的传递，称为主动隔振；另一种是，以减小动力的传递，称为主动隔振；另一种是防止防止地基的振动通过支座传至需保护的精密设备或仪器仪表地基的振动通过支座传至需保护的精密设备或仪器仪表，以减小运动，以减小运动的传递，称为被动隔振的传递，称为被动隔振上 页目 录二、理想滤波器若滤波器的频率响应若滤波器的频率响应H(f)满足条件满足条件则称为理想滤波器。则称为理想滤波器。其它上 页目 录f00f(f)0A脉冲响应函数脉冲响应函数在频域为矩形窗函数的在频域为矩形窗函

24、数的“理想理想”低通滤波器的时域脉冲响应低通滤波器的时域脉冲响应函数是函数是sinc函数。函数。如无相角滞后，即如无相角滞后，即 ，则，则h(t)具有对称的图形。具有对称的图形。上 页目 录f0th(t)0理想滤波器是不能实现的。理想滤波器是不能实现的。因为因为h(t)是滤波器在是滤波器在(t)作用下的输出，其图形却表明，作用下的输出，其图形却表明，在输入在输入(t)到来之前，即到来之前，即t0, 滤波器就有了与输入相对滤波器就有了与输入相对应的输出。显然，这违背了因果关系，任何现实的滤波应的输出。显然，这违背了因果关系，任何现实的滤波器不可能有这种预知未来的能力，所以理想低通滤波器器不可能有

25、这种预知未来的能力，所以理想低通滤波器是不可能存在的。是不可能存在的。可以推论，理想的高通、带通、带阻滤波器都是不存在可以推论，理想的高通、带通、带阻滤波器都是不存在的。的。上 页目 录滤波器的通频带越宽，即滤波器的通频带越宽，即 越大，则越大，则h(t)的图形越陡峭，的图形越陡峭，响应的建立时间响应的建立时间 也将越小。也将越小。abtt cf上 页目 录Of fHcfA02cfcf1cf21cf21cf1cf1cf1 th thffcfA00f fH2cf2cfcf阶跃响应阶跃响应给滤波器以单位阶跃输入给滤波器以单位阶跃输入u(t)，滤波器的输出，滤波器的输出y(t)将是该输入和将是该输入

26、和脉冲响应函数脉冲响应函数h(t)的卷积：的卷积：不考虑前、后皱波，不考虑前、后皱波，输出从零值（输出从零值（a点）到应有稳定值点）到应有稳定值 （b点）需要一定的建立时间点）需要一定的建立时间 。上 页目 录0ty(t)时移 只影响输出曲线y(t)的右移，不影响 值。低通滤波器对阶跃响应的建立时间低通滤波器对阶跃响应的建立时间 和带宽和带宽B成反比，成反比，或者说带宽和建立时间的乘积是常数，即或者说带宽和建立时间的乘积是常数，即上 页目 录需要一定建立时间的解释：需要一定建立时间的解释：输入信号如有突变，则突变处必然含有丰富的高频分量。输入信号如有突变，则突变处必然含有丰富的高频分量。低通滤

27、波器阻衰了高频分量，其结果是把输出波形低通滤波器阻衰了高频分量，其结果是把输出波形“圆圆滑滑”了。通带越宽，阻衰的高频分量越少，使信号能量了。通带越宽，阻衰的高频分量越少，使信号能量更多、更快地通过，所以建立时间就短；反之，则长。更多、更快地通过，所以建立时间就短；反之，则长。三、实际RC调谐式滤波器（一）基本参数（一）基本参数1、纹波幅度、纹波幅度d 2、截止频率、截止频率 幅频特性值幅频特性值 等于等于 所对应的频率。所对应的频率。3、带宽、带宽B和品质因数和品质因数Q值值上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽。上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽。中心频率中心频率 和带宽和带宽

28、B之比称为滤波器的品质因数之比称为滤波器的品质因数Q。4、倍频程选择性、倍频程选择性倍频程选择性是指在上截止频率倍频程选择性是指在上截止频率 与与 之间，或者在下之间，或者在下 截止频率截止频率 与与 之间幅频特性的衰减量。之间幅频特性的衰减量。5、滤波器因数、滤波器因数 2/0Ad 2/0A0f2cf22cf1cf2/1cfdBdBBB360A(f)fff0c1c2.dd0A20A上 页目 录（二）（二）RC调谐式滤波器的基本特性调谐式滤波器的基本特性1、一阶、一阶RC低通滤波器低通滤波器电路的微分方程式：电路的微分方程式：令令=RC，称时间常数。，称时间常数。传递函数传递函数xyyuudt

29、duRC 11ssUsUsHxyRCuxuy上 页目 录1、当 时，A(f)=1,(f)-f 近似于一条通过原点的直线。近似于一条通过原点的直线。 此时，此时，RC低通滤波器是一个不失低通滤波器是一个不失真传输系统。真传输系统。2、当、当 时，时， ，即，即 表明，表明，RC值决定着上截止频率。值决定着上截止频率。3、当、当 时，时，输出输出 与输入与输入 的积分成正比，即的积分成正比，即 此时，此时，RC低通滤波器就变成了积分器。低通滤波器就变成了积分器。RCf21RCf21 21fARCfc212RCf21dtuRCuxy1yuxu上 页目 录2、RC高通滤波器高通滤波器微分方程式微分方程

30、式令令RC=，则，则传递函数传递函数xyyudtuRCu1 1sssHCRuxuy上 页目 录1、当、当 时，时， 滤波器的滤波器的-3dB截止频率为截止频率为2、当、当 时，时， ； RC高通滤波器可视为不失真传输高通滤波器可视为不失真传输系统。系统。3、当、当 时，输出与输入的时，输出与输入的微分成正比，微分成正比， RC高通滤波器变成了微分器高通滤波器变成了微分器。21f 21fARCfc21121f 1fA 0f21f上 页目 录3、RC带通滤波器带通滤波器带通滤波器可看成是低通滤波器和高通滤波器串联组成。带通滤波器可看成是低通滤波器和高通滤波器串联组成。串联所得的带通滤波器以原高通滤

31、波器的截止频率为下截止频串联所得的带通滤波器以原高通滤波器的截止频率为下截止频率，即率，即其上截止频率为原低通的截止频率，即其上截止频率为原低通的截止频率，即分别调节高、低通环节的时间常数（分别调节高、低通环节的时间常数（ 及及 ），就可得到不），就可得到不同的上、下截止频率和带宽的带通滤波器。同的上、下截止频率和带宽的带通滤波器。1121cf2221cf12上 页目 录四、恒带宽比滤波器和恒带宽滤波器四、恒带宽比滤波器和恒带宽滤波器 使带通滤波器的中心频率可调，通过改变使带通滤波器的中心频率可调，通过改变RC 调谐参数而使其中心频率跟随所需量测的信调谐参数而使其中心频率跟随所需量测的信 号频段。号频段。 使用一组各自中心频率固定的、但又按一定规使用一组各自中心频率固定的、但又按一定规 律相隔的滤波器组。律相隔的滤波器组。多个滤波器多个滤波器上