第五讲 信号的调理及记录

第五讲信号调理与记录电桥信号的放大与隔离调制与解调滤波器第一节概述

传感器的输出信号有两种形式：一种是电信号，如电压、电流或电荷量等；另一种是电参数的变化，如电阻、电感和电容等。这些信号太微弱或不满足传输、记录和显示等要求，尚需经过中间转换装置进行放大、滤波、调制解调等处理以提高信噪比。完成这些功能的电路就是中间变换装置。

尽管数字信号分析技术已经获得了很大发展，但模拟信号分析仍然是不可少的，即使在数字信号分析系统中，也要加入模拟分析设备。例如，对连续时间信号进行数字分析之前的抗频混滤波。应变片测量金属材料的应变时，其电阻变化率只有0.001级，电压往往只有μV级。激励被测对象传感器中间变换装置显示、记录装置被测物理量电量测试系统

信号调理装置对于一个测试系统的性能优劣往往有至关重要的影响。一些常见类型的传感器和它们各自所需的信号调理方法。本课程主要包括：电桥、放大与隔离、调制与解调、信号的滤波。第一节概述

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。电桥由于具有测量电路简单可靠、较高的灵敏度、容易实现温度补偿等优点，因此在测量装置中被广泛应用。分类：

按激励电压的性质：直流电桥(只能测量电阻变化)

交流电桥(能测量电阻、电感、电容的变化)

按输出方式：不平衡桥式电路平衡桥式电路第二节电桥一、直流电桥采用直流电源的电桥称为直流电桥，直流电桥的桥臂只能为电阻。要使电桥平衡，输出为零，应满足输入：各臂电阻相对变化量ΔR/R输出：Uy第二节电桥电桥在正常工作前必须对电桥预调平衡。下列三种形式可满足电桥的平衡条件：全等臂电桥：R1=R2=R3=R4=R；卧式桥：R1=R2=R，R3=R4=R′；立式桥：R1=R4=R，R3=R2=R′。其中最常用的是全等臂电桥。根据电桥工作时，参与工作的桥臂数分为半桥单臂、半桥双臂和全桥三种连接方式。第二节电桥（1）半桥单臂接法：仅一个桥臂为工作桥臂工作中只有一个桥臂阻值随被测量的变化而变化。输出电压当采用全等臂电桥，即，即则输出电压因，所以可见，电桥的输出与激励电压成正比，且在条件下，与成正比。灵敏度第二节电桥（2）半桥双臂接法：相邻两桥臂为工作桥臂灵敏度与半桥单臂相比，灵敏度提高了一倍，电桥的输出与成完全线性关系。第二节电桥（3）全桥接法：四个桥臂均为工作臂

第二节电桥以上三种接法的灵敏度比分别为1：2：4。注意：相邻两臂电阻增量符号相反；相对两臂电阻增量符号相同。第二节电桥电桥测量的误差及其补偿误差主要来源：非线性误差和温度误差。非线性误差：半桥单臂→半桥双臂、全桥接法。温度误差：温度变化造成阻值变化不同。应尽量使各应变片的温度一致。第二节电桥直流电桥的干扰由上述可知，电桥输出为ΔR0/R0与供桥电压Ui的乘积。由于ΔR0/R0是一个非常小的量，因此，电源电压不稳定所造成的干扰是不可忽略的。为了抑制干扰，通常采用如下措施：(1)电桥的信号引线采用屏蔽电缆。(2)屏蔽电缆的屏蔽金属网应该与电源至电桥的负接线端连接。(3)放大器应该具有高共模抑制比。第二节电桥电桥的和差特性：如每一桥臂都为工作桥臂，对上式全微分有：对于全等臂电桥来说，上式可表示为：即为电桥电路的和差特性，它是进行温度补偿和提高电桥灵敏度的主要依据。第二节电桥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，会引起电桥输出的变化，从而产生测量误差。因此，在某些情况下可以采用平衡电桥。平衡电桥设被测量等于零时，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。由于平衡电桥最终输出为零，因此测量误差取决于可变电阻的精确度，而与电源电压无关。第二节电桥二、交流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。电桥平衡条件把各阻抗用指数式表示代入上式第二节电桥其中，为各阻抗的模；为阻抗角，是各桥臂电流与电压之间的相位差，纯电阻=0，电感性阻抗>0，电容性阻抗<0。

为了满足上述平衡条件，交流电桥各臂可有不同组合。常用有电容、电感电桥，其相邻两臂接入电阻，而另外两臂接入相同性质的阻抗，如都是电容或电感。电桥平衡必须满足两个条件第二节电桥电容电桥电感电桥第二节电桥交流电桥的平衡条件针对供桥电源只有一个频率的情况下推出的。当供桥电源有多个频率成分时，得不到平衡条件，也即电桥是不平衡的。因此，交流电桥对供桥电源要求具有良好的电压波形和频率稳定性。一般采用音频电源(5kHz～10kHz)作为电桥电源。这样，电桥的输出将为调幅波。其后应接检波电路和低通滤波器才能恢复原信号。交流电桥的特点第二节电桥第二节

信号的放大与隔离传感输出的微弱电信号其幅值和功率不能满足后续处理要求。为什么要放大信号？

反相放大器

同相放大器

差动放大器隔离方式主要有变压器耦合、电容耦合和光电耦合。为什么要隔离信号？保证人身及设备的安全并降低干扰的影响。第二节

信号的放大与隔离第三节调制与解调

在测试技术中，调制是工程测试信号在传输过程中常用的一种调理方法，主要是为了使微弱缓变信号的信道传输的问题。基本概念调制：将缓变的被测信号变为频率适当的交流信号的过程，以便对信号进行传输、放大、处理等操作，它是使一个信号（载波信号）的某些参数在另外一个信号（调制信号）的控制下发生变化的过程。解调：将调制信号恢复为原信号的过程。调制的3种方法：调幅、调频和调相。调幅：调幅是将一个高频简谐信号（载波信号）与测试信号(调制信号)相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化。调频：用被测信号调制高频振荡信号的频率，使其频率随被测信号的幅值而线性变化，其幅值不变。其频率的疏密是随被测信号幅值而发生变化的一种变频波。调相：用被测信号调制高频振荡信号的相位。载波：信号调制过程中的高频振荡信号。一般采用5kHz～10kHz的音频振荡作为载波。第三节调制与解调幅度调制

原理

调幅是将一个高频简谐信号（载波信号）与测试信号（调制信号）相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化。原信号频谱图形由原点平移至载波频率处，其幅值减半。所以调幅过程就相当于频率“搬移”过程

幅值调制的频移功能在工程技术上具有重要的使用价值。例如，广播电台把声频信号移频至各自分配的高频、超高频频段上，既便于放大和传递，也可避免各电台之间的干扰。第三节调制与解调对于单臂电桥，其电压输出为：如供桥激励为载波频率第三节调制与解调把调幅波xm(t)再次与载波z(t)信号相乘，则频域图形将再一次进行“搬移”。“同步”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。其时域：同步解调第三节调制与解调整流检波解调对调制信号进行偏置，使其大于零。将该调幅波进行整流（半波或全波）、滤波并消除直流偏置即可恢复原信号。又称包络分析法。xm(t)=[A+x(t)]cos2πfzt第三节调制与解调相敏检波解调相敏检波解调方法能够使已调幅的信号在幅值和极性上完整地恢复成原调制信号。相敏滤波器输出波形的包络线即是所需要的信号。由于被测信号的最高频率

(载波频率)，所以应在相敏检波器的输出端再接一个适当频带的低通滤波器，即可得到与原信号波形一致的信号。第三节调制与解调调幅应用——动态电阻应变仪

电桥放大器相敏检波低通滤波显示记录载波振荡器x(t)x(t)0t0ty(t)电阻应变片0tx’m(t)0tx’(t)0txm(t)第三节调制与解调调幅应用——动态电阻应变仪

x(t)第三节调制与解调频率调制

原理调频就是用调制信号(缓变的被测信号)去控制载波信号的频率，使其随调制信号的变化而变化。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，使得信号的抗干扰能力得到很大的提高；同时，调频信号还便于远距离传输和采用数字技术。由于调频信号的这些优点使得调频和解调技术在测试技术中得到了广泛应用。第三节调制与解调第四节滤波器

滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。广义地讲，任何一种信息传输的通道（媒质）都可视为是一种滤波器。因为，任何装置的响应特性都是激励频率的函数，都可用频域函数描述其传输特性。因此，构成测试系统的任何一个环节，诸如机械系统、电气网络、仪器仪表甚至连接导线等等，都将在一定频率范围内，按其频域特性，对所通过的信号进行变换与处理。滤波器分类

低通滤波器

高通滤波器

带通滤波器

带阻滤波器按选频作用分第四节滤波器按有源、无源分无源滤波：由电阻、电容、电感线圈等电路元件构成的滤波电路称为无源滤波电路。由于损耗信号能量及带负载能力差受到限制。有源滤波：由运放器件(有源器件)和RC调谐网络构成的滤波电路称为有源滤波电路。按电路元件分根据滤波电路的构成电路元件分为RC滤波电路和LC滤波电路。按处理的信号的性质分可分为模拟信号滤波电路和数字信号滤波电路。第四节滤波器理想滤波器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，其通带和阻带之间有明显的分界线。也就是说，理想滤波器在通带内的幅频特性应为常数，相频特性的斜率为常值；在通带外的幅频特性应为零。理想低通滤波器的频率响应函数t01/fc-1/fch(t)脉冲响应实际滤波器的频域图形不会在某个频率上完全截止，而会逐渐衰减并延伸到∞。第四节滤波器实际滤波器(1)实际滤波器的基本参数理想滤波器是不存在的，在实际滤波器的幅频特性图中，通带和阻带之间应没有严格的界限。在通带和阻带之间存在一个过渡带。在过渡带内的频率成分不会被完全抑制，只会受到不同程度的衰减。当然，希望过渡带越窄越好，也就是希望对通带外的频率成分衰减得越快、越多越好。因此，在设计实际滤波器时，总是通过各种方法使其尽量逼近理想滤波器。第四节滤波器

纹波幅度d

在一定频率范围内，实际滤波器的幅频特性可能呈波纹变化，其波动幅度d与幅频特性的平均值A0相比，越小越好，一般应远小于-3dB。截止频率fc

幅频特性值等于0.707A0所对应的频率称为滤波器的截止频率。以A0为参考值，0.707A0对应于-3dB点，即相对于A0衰减3dB。若以信号的幅值平方表示信号功率，则所对应的点正好是半功率点。带宽B和品质因素Q上、下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽。带宽B决定频率分辨力。将中心频率f0（，几何平均）与带宽B之比称为滤波器的品质因素。f0确定，品质因素Q越大，滤波器分辨力越高。第四节滤波器倍频程选择性W

在两截止频率外侧，实际滤波器有一个过渡带，这个过渡带的幅频曲线倾斜程度表明了幅频特性衰减的快慢，它决定着滤波器对带宽外频率成分衰阻的能力。通常用倍频程选择性来表征。所谓倍频程选择性，是指在上截止频率fc2与2fc2之间，或者在下截止频率fc1与fc1/2之间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。理想滤波器=1，通常=1~5。有些滤波器因器件影响（如电容漏阻），阻带衰减达不到-60dB，可用-40dB或-30dB带宽与-3dB带宽的比值表示。滤波器因数（矩形系数）滤波器选择性的另一种表示法。用滤波器幅频特性的-60dB带宽与-3dB带宽的比值表示。第四节滤波器RC无源滤波器1、一阶RC低通滤波器电路的微分方程式：传递函数τ=RC，为时间常数。第四节滤波器1º、当时，A(f)=1,φ(f)-f

近似于一条通过原点的直线。此时，RC低通滤波器是一个不失真传输系统。2º、当时，，即RC值决定着上截止频率。3º、当时，输出与输入