CH 5 信号的调理与记录 WL

第5章信号的调理5.1电桥5.2信号的放大与隔离5.3调制与解调5.4滤波器信号调理的目的：把来自传感器的信号转换成更适合进一步传输与处理的形式。传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接传输到显示、记录、分析仪器，需要进一步放大，有的还需要进行阻抗变换。有些传感器输出的电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量信号进行调制解调处理。

激励

装置传感器信号调理显示记录观察者信号处理被测对象5.1电桥将传感器输出的电阻、电感、电容等电参量的变化转换为电压或电流的一种测量电路。按照激励电源的性质，分为直流电桥和交流电桥。分类:只能测量电阻的变化可以测量电阻、电感和电容的变化1.直流电桥（采用直流电源的电桥）R1R3R4R2uiuoI1I2abdc(2)电桥的平衡条件→输出电压u0为零

(1)电桥输出电压

Uab与Uad之间的电位差4相对臂的电阻乘积相等。相邻臂的电阻比值相等。或者或3241RRRR=R1R3R2R4uoui直流电桥的连接方式

(a)半桥单臂(b)半桥双臂(c)全桥

差动电桥：相对臂电阻变化符号相同；相邻臂电阻变化符号相反。电桥开始处于平衡状态，当各桥臂电阻发生微小变化时电桥失去平衡，其输出为(3)电桥的灵敏度一般R很小（R<<R），又由于电桥开始时平衡，即所以桥臂电阻单位相对变化量引起的输出电压变化量。半桥单臂接法:

半桥双臂接法:

全桥接法：实际使用中，为了简化桥路设计，同时也为了得到电桥的最大灵敏度，往往取桥臂电阻相等（等臂电桥），即

电桥灵敏度：

则三种接法的灵敏度比为1∶2∶4半桥单臂接法:

半桥双臂接法:

全桥接法：2.交流电桥（采用交流电源的电桥）

以阻抗代替电阻，直流电桥平衡条件式可改写为阻抗的复指数形式

(1)交流电桥平衡条件在已知输入电压及电阻的情况下，电桥可以通过输出电压的变化测出电阻的变化值。当激励电源为交流电源时，依然成立。

iejjiiZZ=→交流电桥平衡条件为交流电桥需要两只平衡旋钮，一只调整阻抗模，一只调整阻抗角。

交流电桥有不同的组合，常用的有电容电桥、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（都是电容或都是电感）。相对两臂阻抗模乘积相等，

阻抗角之和相等。阻抗电阻电抗感抗容抗导纳电导电纳感纳容纳取倒数电容电桥的平衡条件

cdbR3aR1uouiI1I2R4R2C1C2(a)电容电桥 cdbR3aR1uouiI1I2R4R2L1L2(b)电感电桥 电感电桥的平衡条件交流电桥的电源应严格为单一频率正弦波交流电桥的平衡条件针对电源只有一个频率的情况下推出的。

当电源有多个频率成分时，得不到平衡条件。交流电桥要求电源具有良好的电压波形和频率稳定性。采用交流电桥时，注意影响测量误差的一些参数：电桥元件之间的互感影响；无感电阻的残余电抗；周边交流电路对电桥的感应作用；泄漏电阻以及元件之间、元件与地之间的分布电容等。(2)交流电桥的特点5.2信号的放大与隔离

分立元件放大电路集成运算放大器反相放大器同相放大器测量放大器（仪表放大器）单片集成测量放大器通常只需外接RG用于设定增益，外接原件少，使用灵活，能够处理几微伏到几伏的电压信号隔离放大器：输入、输出、电源电路之间没有直接的电路耦合，即信号在传输过程中没有公共的接地端。三端隔离放大器AD2105.3调制与解调传感器输出的电信号一般为较低频率分量(在直流至几十kHz之间)，当被测信号比较弱时，为了实现信号的传输尤其是远距离传输，可以采用放大或调制与解调。信号传输过程中容易受到工频及其它信号的干扰，若采用放大则在传输过程中必须采用一定措施抑制干扰信号的影响。实际中往往采用更有效的先调制后交流放大，将信号从低频区推移到高频区，可以提高电路的抗干扰能力和信号的信噪比。调制就是使载波信号的某些参数在控制信号(调制信号)的控制下发生变化的过程。对应于信号的幅值、频率、相位三个要素，调制可以分为调幅(AM)、调频(FM)、调相(PM)，其波形分别称为调幅波、调频波、调相波。

高频简谐信号测试信号(a)(b)(c)(d)载波信号

调制信号

调幅波形

调频波形1.调幅及其解调

设调制信号为，其最高频率成分为，载波信号为，，则调幅波为：

由傅里叶变换的卷积性质将载波信号与调制信号相乘，使载波信号的幅值随测试信号的变化而变化。(1)调幅的工作原理则而调幅的目的是为了便于缓变信号的放大和传送。在电话电缆、有线电视电缆中，由于不同的信号被调制到不同的频段，因此在一根导线中可以传输多路信号。〔频分复用〕为了减小放大电路可能引起的失真，载波中心频率f0应远大于调制信号的频宽2fm，实际载波中心频率要至少数倍甚至数十倍于调制信号频率。(2)调幅信号的解调目的是为了恢复被调制的信号。1）同步解调

调幅波与载波时域乘积，频域卷积调幅波载波截止频率2)整流检波法/包络分析法

把调制信号进行偏置，叠加一个直流分量，使其大于零。(a)(b)(c)(d)(e)(f)调幅波的包络线具有调制信号的形状。将调制波进行整流（半波或全波）、滤波，并减去直流偏置即可恢复原调制信号。3)相敏检波法

变压器B的二次线圈的输出大于A的二次线圈的输出。二极管相敏检波电路

回路i1起点回路i2起点++电压:从负正,为(+)正;负载从上下为(+)正调制信号x(t)>0时，无论调制波是否为正，相敏检波器的输出波形

均为正，保持与调制信号极性相同。电路在0~t1段相当于对xm(t)

全波整流，解调后的频率是原调制波的两倍。调制信号x(t)<0时，不管调制波极性如何，相敏检波器的输出波形均为负，保持与x(t)一致。电路在t1~t2段相当于对xm(t)全波整流后反相，解调后的频率是原调制波的两倍。4)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)2．调频及其解调

(1)

原理利用调制信号的幅值控制载波信号频率的过程。调频波是等幅波，但频率的变化量与调制信号幅值成正比。

调频波与调制信号幅值的关系

设调制信号

载波信号为

调频时载波的幅值和初始相位角不变，瞬时频率围绕着f0随调制信号电压作线性变化：频率偏移与调制信号的幅值X0成正比，与调制信号的频率fm无关，这是调频波的基本特征之一。

频率偏移调频波的瞬时频率：

f=f0±f

f0为载波频率(中心频率)。f为频率偏移，与调制信号x(t)的幅值成正比。

在测量系统中，常利用电抗元件（电感或电容）组成调谐振荡器，以电抗元件感受被测量的变化，作为调制信号，振荡器原有的振荡信号作为载波。当有调制信号输入时，振荡器的输出就是调频波。电容C和电感L并联组成的振荡器的谐振频率为

(2)调频波的解调调频波以正弦波频率的变化反映被测信号的幅值变化。调频波的解调是先将调频波变换成调频调幅波，然后进行幅值检波。调频波的解调由鉴频器完成。鉴频器通常由线性变换电路与幅值检波电路组成。(a)

鉴频器

(b)电压-频率特性曲线ua0

n0t∆tua0uat0调频调幅波调频波uf半波整流ufC1L1L2C2CRu0ua频率电压线性变换幅值检波滤波5.4滤波器

滤波器是一种选频装置，只允许一定频带范围的信号通过，该频带范围之外的信号被极大地衰减。滤波器的筛选功能在测试技术中可以消除噪声及干扰信号。1.滤波器的分类低通滤波器：通频带0~f2高通滤波器：通频带f1~带通滤波器：通频带f1~f2带阻滤波器：通频带0~f1与f2~（阻带：f1~f2）(1)根据滤波器的选频特性分类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器。低通滤波器与高通滤波器的串联为带通滤波器；低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器。带阻滤波器(2)根据滤波器的元件类型分类RC、LC、晶体谐振、开关电容滤波器(3)根据滤波器的电路性质分类有源滤波器、无源滤波器(4)根据滤波器的信号性质分类模拟滤波器、数字滤波器2.理想滤波器

(1)理想滤波器模型及脉冲响应

无过渡带且在通频带内满足不失真测试条件的滤波器。通带内信号的幅值和相位都不失真，幅频特性为常数，相频特性的斜率为常值；阻带内的频率成分都衰减为零，通带和阻带之间有明显的分界线。理想低通滤波器的频率响应函数为理想滤波器的脉冲响应函数为sinc函数，若无相角滞后（t0=0），则：理想低通滤波器是不存在的。理想高通、带通、带阻滤波器也是不存在的。(2)理想滤波器的阶跃响应1)单位阶跃激励2)滤波器的阶跃响应：脉冲响应函数3)阶跃响应波形图

理想低通滤波器对单位阶跃输入的响应0ttbtaay(t)A00.5A0b(a)无相角滞后，时移t0=00ty(t)tbt0taaA00.5A0b(b)有相角滞后，时移t0≠0输出从0(a点)到稳定值A0(b点)所需的时间称为建立时间。4)建立时间fc为低通滤波器的截止频率0ttbtaay(t)A00.5A0b如果按稳态响应值的10%~90%作为计算建立时间的标准，则滤波器通频带越宽(即fc越大)，建立时间越短，响应速度越快。低通滤波器对阶跃响应的建立时间Te与带宽B成反比，即：

BTe=常数滤波器带宽B也反映其频率分辨力，带宽越窄，频率分辨力越高。显然，高分辨力与快速响应是互相矛盾的。如果要用滤波的方法从信号中提取某一很窄的频率成分（如作谱分析），必须有足够的时间，一般取BTe=5~10。5)高分辨力与响应速度的关系该结论对高通、带通、带阻滤波器均成立。3.实际滤波器

(1)实际滤波器的基本参数理想带通滤波器与实际带通滤波器的幅频特性ddA(f)A00.707A00实际理想fc1fc2f0f幅频特性值等于0.707A0所对应的频率。上截止频率、下截止频率以A0为参考值，0.707A0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。截止频率上下截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽或-3dB带宽。

B=fc2－fc1带宽B决定频率分辨力，带宽越窄，频率分辨力越高。带宽B中心频率f0与带宽B之比，。品质因素Q

，几何平均中心频率f0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纹波变化，其波动幅度d与幅频特性的稳定值A0相比，越小越好，一般应远小于-3dB，即。或

在两截止频率外侧，实际滤波器有一个过渡带，其幅频特性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。常用fc2与2fc2之间，或者fc1与fc1/2之间幅频特性的衰减量来表示，即频率变化一个倍频程的衰减量。倍频程选择性W理想滤波器=1，通常=1~5。滤波器因素（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。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。4.恒带宽滤波器、恒带宽比滤波器对信号做频谱分析或提取信号中某些频率成分时，可以通过多个放大倍数相同而中心频率不同的带通滤波器实现，各个滤波器的输出反映了信号在该通频带内的量值。带通滤波器实现谱分析有两种方式：恒带宽比滤波器

各个滤波器的中心频率固定，按一定规律相隔的滤波器组。恒带宽滤波器

由一个中心频率可调的带通滤波器独立构成，通过改变滤波器

的参数使中心频率跟踪感兴趣的频段。周期信号的分解1)恒带宽比滤波器特点：品质因素Q为常数。Q相同，中心频率f0越高，带宽B越大，频率分辨力越低。恒带宽比滤波器的下截止频率fc1与上截止频率fc2满足：n称为倍频程数。n=1称为[1]倍频程滤波器；n=1/3称为1/3倍频程滤波器。......fA(f)01002004006008001000从而有：n=1时，Q=1.41；n=1/3时，Q=4.32；n=1/5时，Q=7.21。只要选定n值，即可设计覆盖给定频率范围的邻接式滤波器组。倍频程数n越小，Q值越大，滤波器频率分辨力越高。中心频率/Hz1631.563125250…带宽/Hz11.3122.2744.5588.39176.78…中心频率/Hz12.516202531.5405063…带宽/Hz2.93.74.65.87.39.311.614.6…倍频程滤波器组(n=1时，Q=1.41)

1/3倍频程滤波器组(n=1/3时，Q=4.32)对恒带宽比滤波器组，各滤波器的通带应相互连接，以便覆盖整个感兴趣的频域范围，即前一滤波器的上截止频率为后一相邻滤波器的下截止频率。倍频程频谱分析装置邻接式倍频程滤波器方框内数字表示各个带通滤波器的中心频率，被分析信号输入后，输入、输出波段开关顺序接通各滤波器，如果信号频率成分正好落在某带通滤波器通频带内，那么就可以在显示、记录仪器上观测到这一频率成分。

2)恒带宽滤波器

为了使滤波器在任意频段都