课件 第四章 信号的调理与记录

第一节电桥第三节

滤波器第四节信号的放大第五节测试信号的显示与记录第二节调制与解调第四章信号的调理与记录第一节电桥一、直流电桥电桥是将电阻、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，因此在测量装置中被广泛采用。图4-1是直流电桥的基本结构被测量经传感器转换成的或是微弱电信号或是微小的非电信号，这些信号中一般含有噪声，通常需要进行某些调理和处理，以便提高信噪比，把信号转换成更便于处理、接收和显示的形式，最终转换为仪表示值，或被记录，或输入计算机、控制装置，或供人观察。电桥按其所采用的激励电源的类型可分为直流电桥与交流电桥；按其工作原理可分为偏值法和归零法两种，其中偏值法的应用更为广泛。第一节电桥一、直流电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。直流电桥的连接方式，如图4-2所示。图4-2直流电桥的联接方式在使用电桥时必须使相邻的两个桥臂的电阻值变化量相反。第一节电桥一、直流电桥换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。悬臂梁测力的电桥接法如图4-3所示图4-3第一节电桥一、直流电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。柱形梁测力的电桥接法如图4-4所示。图4-4柱形梁测力的电桥法第一节电桥一、直流电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。使用电桥电路时，还需要调节零位平衡，如图4-5所示。图4-5零位平衡调节差动串联平衡差动并联平衡交流电桥的电路结构与直流电桥完全一样，如图4-6所示。第一节电桥二、交流电桥图4-6交流电桥图4-7是一种常用电容电桥。

第一节电桥二、交流电桥换图4-7电容电桥平衡条件：图4-8是一种常用的电感电桥。第一节电桥二、交流电桥图4-8电感电桥平衡条件：电阻交流电桥的分布电容如图4-9所示。第一节电桥二、交流电桥换图4-9电阻交流电桥的分布电容使用5~10kHz音频交流电源作为交流电桥的电源。具有电阻电容平衡的交流电阻电桥如图4-10所示。第一节电桥二、交流电桥图4-10具有电阻电容平衡的交流电阻电桥用于电感比较仪中的电桥如图4-11a所示。第一节电桥三、带感应耦合臂的电桥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。图4-11带电感偶合臂的电桥原边绕组二次边绕组两原边绕组单次边绕组较高的精确度、灵敏度以及性能稳定。第一节电桥四、平衡电桥图4-12平衡电桥上述电桥都是在失去平衡时才有电压输出，是在不平衡条件下工作的。它的缺点是当电源电压不稳定以及环境温度有变化时，都会引起电桥输出的变化，从而会产生测量误差。为此，在某些情况下，采用平衡电桥。当被测量等于零时，电桥处于平衡状态，指示仪表G及可调电位器H指零。13第二节调制与解调调制是指利用某种低频信号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。当被控制的量是高频振荡信号的幅值时，称为幅值调制或调幅；当被控制的量是高频振荡信号的频率时，称为频率调制或调频；当被控制的量是高频振荡信号的相位时，称为相位调制或调相。（高频振荡信号为载波，控制高频振荡的低频信号为调制信号，调制后的高频振荡信号为已调制信号）解调是指从已调制信号中恢复出原低频调制信号的过程。调制与解调是一对相反的信号变换过程，在工程上经常结合在一起使用。1.幅值调制第二节调制与解调一、幅值调制与解调幅值调制是将一个高频载波信号（此处采用余弦波）与被测信号（调制信号）相乘，使高频信号的幅值随被测信号的变化而变化。图4-12幅值调制如所示高频载波信号已调制信号调制信号(被测信号)2.调幅信号的频域分析第二节调制与解调一、幅值调制与解调一个函数与单位脉冲函数卷积的结果是：将这个函数的波形由坐标原点平移至该脉冲函数处。图4-13调频信号的频谱为了保持调制信号的信息，要求载波信号的频率f0必须至少是调制信号(即被测信号)最高频率fm的10倍。3.调幅信号的解调方法第二节调制与解调一、幅值调制与解调（1）同步解调图4-14同步解调若把调幅波再次与原载波信号相乘，则频域的频谱图形将再一次进行“搬家”，其结果是使原信号的频谱图形平移到0和±2f0的频率处。被测信号幅值/2被测信号幅值/2被测信号幅值/43.调幅信号的解调方法第二节调制与解调一、幅值调制与解调（2）包络检波图4-15调制信号加足够直流偏置的调幅波包络检波亦称整流检波，被测信号加足够直流偏置，然后进行调幅，这时已调幅信号的波形如图4-15所示，这时只要对这种已调制信号进行整流滤波再减去直流偏置就可以得到原来的被测试信号。3.调幅信号的解调方法第二节调制与解调一、幅值调制与解调（2）包络检波若所加的偏置电压未能使信号电压都位于零位的同一侧：那么对调幅的波形只进行简单的整流滤波便不能回复原调制信号，而会造成失真。图4-16调制信号直流偏置不够时3.调幅信号的解调方法第二节调制与解调一、幅值调制与解调（3）相敏检波相敏检波是利用二极管的单向导通作用将电路输出极性互换。其特点是可以鉴别调制信号的极性，所以采用相敏检波时，对调制信号不必再直流偏置。被测信号在过零位时正负极性发生改变，使已调制信号即调幅波信号的相位相对于载波信号产生180度的相位突变，相敏检测电路利用这个突变就能反映原调制信号的幅值，又能反映其极性。3.调幅信号的解调方法第二节调制与解调一、幅值调制与解调如图4-17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。图4-17相敏检波（3）相敏检波正调制信号(正电压比较)：载波信号正：d-1-VD1-2-5-R1-地-d;

载波信号负：d-3-VD3-4-5-R1-地-d;负调制信号(负电压比较)：载波信号正：5-2-VD2-3-d-地-R1-5;

载波信号负：5-4-VD4-1-d-地-R1-5;3.调幅信号的解调方法第二节调制与解调一、幅值调制与解调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4-18所示。图4-18动态电阻应变仪框图1.频率调制的基本概念第二节调制与解调二、频率调制与解调调频(频率调制)是利用信号电压的幅值控制一个振荡器，振荡器输出的是等幅波，但其振荡频率偏移量和信号电压成正比。当信号电压为零时，调频波的频率就等于中心频率；信号电压为正值时频率提高，负值时则降低。所以调频波是随信号而变化的琉密不等的等幅波，如图4-19所示。图4-19调制信号为三角波时的调频信号波形。2.频率调制方法第二节调制与解调二、频率调制与解调图4-20LC振荡电路直接频率调制法2.频率调制方法第二节调制与解调二、频率调制与解调压控振荡器模拟乘法器滞回归比较器模拟积分器目前已有大量单片压控振荡器芯片，例如MAX2622~MAX2624。这些芯片的中心频率有生产厂家预置，频率变化量由输入电压控制。253.调频信号的解调第二节调制与解调二、频率调制与解调调频信号的解调亦称鉴频，一般采用鉴频器和锁相环解调器。图4-21调频器工作原理工作于高通滤波器的过渡带第三节滤波器一、概述滤波是指让被测信号中的有效成分通过：而将其中不需要的成分抑制或衰减掉的一种过程。滤波器可以是机械的也可以是电子的，本节介绍电子滤波器。图4-22四种滤波器的幅频特性可从不同角度对滤波器进行分类，从其功能角度可以把滤波器分为低通、高通、带通和带阻等四种滤波器；从其构成角度可把其分为有源和无源。第三节滤波器二、滤波器性能分析理想低通滤波器单位脉冲响应图4-23理想低通滤波器特性所谓理想滤波器：就是将滤波器的一些特性理想化而定义的滤波器。理想低通滤波器的幅频和相频特性如图4-23所示。截止频率fc第三节滤波器二、滤波器性能分析理想低通滤波器单位阶跃响应理想低通滤波器的单位阶跃响应，如图所示。图4-20理想低通滤波器对单位阶跃输入的响应

a)无相角滞后时移t0=0b)有相角滞后，时移t0!=0输入的阶跃信号：理想低通滤波器的时间响应：系统输出的稳定时间：此式表明，如果滤波器的通频带越宽，即fc越大，则h(t)的图形将越陡峭，响应的建立时间(tb-ta)也将越小。如果按理论响应值的0.1~0.9作为计算建立时间的标准，则29第三节滤波器二、滤波器性能分析理想低通滤波器输出稳定时间(过渡时间)从以上分析可知，理想低通滤波器对阶跃信号的响应需要一定的建立时间可以这样解释：输人信号如果有突变，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“圆滑”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。故低通滤波器对阶跃响应的建立时间Te和带宽B成反比，或者说带宽和建立时间的乘积是常数，即实际滤波器的特征参数图4-24实际带通滤波器的幅频特性截止频率fc幅频特性值等于时所对应的频率点，如以信号功率表示，则为半功率点处的频率。带宽B上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽，或-3dB带宽，单位为Hz。带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力-频率分辨力。滤波器响应速度和分辨能力是矛盾的30第三节滤波器二、滤波器性能分析实际滤波器的特征参数波纹幅度d品质因子(Q)通带中幅频特性值的起伏变化值，波纹幅度越小越好。图4-24实际带通滤波器的幅频特性在带通滤波器中，品质因子定义为中心频率f0与带宽B之比，品质因子越大，则相对带宽越小，滤波器的选择性就越好。倍频程选择性滤波器因数(矩形系数)l从阻带到通带或从通带到阻带，实际滤波器都有一个过渡带，过渡带的曲线倾斜度代表幅频特性衰减的快慢程度，通常用倍频程选择性来表征。倍频程选择性是指上截止频率fc2与2fc2间或下截止频率fc1与fc1/2间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程的衰减量，以dB表示。显然，衰减越快，选择性越好。对理想滤波器有l=1。对于普通使用的滤波器，l一般为1~5。31第三节滤波器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4-25所示。图4-25简单低通和高通滤波器三、实际滤波电路第三节滤波器三、实际滤波电路一阶RC滤波器在过渡带内的衰减速率非常慢，每个倍频只有6dB，如图4-27所示。图4-27RC高低通滤波器的幅频特性第三节滤波器三、实际滤波电路电感和电容一起使用可以使滤波器的谐振特性相对于一阶RC电路产生较为陡峭的滤波器边缘，如图4-28所示。这是因为多个中心频率相同的滤波器级联后，其总幅频特性为各级幅频特性相乘。这样使用虽然可以是过渡带陡峭，但是会带来负载效应和相位滞后，为此可以把滤波网络与运算放大器结合起来使用，这就形成了有源滤波。已有现成有源滤波器芯片，可以查阅有关资料。图4-28LC滤波器构成方法第三节滤波器三、实际滤波电路通过采用多个RC环节或LC环节级联方式，可以使滤波器的性能有显著的提高，如图4-29所示。图4-29高阶滤波器第三节滤波器三、实际滤波电路将滤波器网络与远算放大器结合时构造有源滤波器电路的基本方法。如图4-30所示。图4-30有源滤波器的基本结构第三节滤波器四、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的频带，它们的中心频率能使相邻的带宽恰好互相衔接。图4-32带通滤波器并联的频带分配第三节滤波器四、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（1）恒带宽比滤波器恒带宽比滤波器是指滤波器的相对带宽是常数，即图4-33恒带宽比与恒带宽滤波器的特性恒带宽比滤波器的上、下截止频率满足如下关系式中n-倍频程数。如n=1，称为倍频程滤波器；n=1/3，则称为1/3倍频程滤波器。不同恒带宽比的滤波器的n系数不一样。滤波器的中心频率与上、下截止频率满足：恒带宽比的滤波器的相邻两个滤波器的中心频率满足如下关系第三节滤波器四、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(2)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。这种滤波器不使用多个中心频率和带宽都固定的滤波器的并联方式实现，而是使用一个中心频率可调的扫描式带通滤波器来实现。第三节滤波器四、带通滤波器在信号频率分析中的应用2.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滤波器。通过改变中心频率使该滤波器的通带随所要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。由于扫描频率不能很快，这种滤波器也由恒宽带比的带通滤波器构成。但是每一个带通滤波器使用一个恒带宽扫描带通滤波器实现。图4-35扫描式频率分析仪框图第四节信号的放大一、基本放大电路图4-36示出了反相放大器、同相放大器和差分放大器三种基本放大电路。图4-36基本放大电路通常情况下，传感器输出的信号都很微弱，必须用放大电路放大后才便于后续处理。为了保证测量精度的要求，放大电路应有如下性能：足够大的放大倍数；高输入阻抗，低输出阻抗；高共模抑制能力；低温漂、低噪声、低失调电压和电流；第四节信号的放大一、基本放大电路一种常用来提高输入阻抗的办法是在基本放大电路之前串接一级射极跟随器，如图4-37所示。图4-3