第四章信号调理与记录课件

1、一、基本内容 1、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、 调频与鉴频。 3、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。 4、常用记录仪器的功用、性能和类别。 二、重点内容及要求 1、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 3、了解实际滤波器的特性参数 4、了解记录仪器的功用、性能,第四章 信号调理、处理和记录,第四章 信号调理、处理和记录,1 电桥 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、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 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。 分类： 按激励电压的性质 直流电桥 交流电桥 按输出方式 不平衡电桥 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 2、平衡条件 为直流电源 要使电桥平衡，输出为零，应满足 为输出电压,上 页,目 录,电桥接法,3、输出特性 （1）半桥单臂接法 输出电压 为了简化设计

3、，取相邻两桥臂电阻相等， 即 若 ，则输出电压 因 ， 所以,上 页,目 录,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,上 页,目 录,（2）半桥双臂接法 输出 灵敏度 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。,上 页,目 录,（3）全桥接法 输出 灵敏度 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。 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。,上 页,目 录,平衡电桥 设被测量等于零时，电桥处于平

4、衡状态，此时指示仪表G，即可调电位器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触点位置，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。电表G的读数始终为零，这种方法称为“零位测量法”。 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。,上 页,目 录,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：,上 页,目 录,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，=0；电感性阻抗，0；

5、 电容性阻抗，0。,上 页,目 录,电桥平衡必须满足两个条件 其中， 为各阻抗的模； 为阻抗角。,电容传感器 电感传感器 电阻传感器,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。 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。 解调：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 调幅（AM） 调频（FM） 调相（PM）,上 页,目 录,一、调幅及其解调 1、调幅：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

6、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 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 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。,上 页,目 录,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 与 的卷积：,记为：,卷积概念：,若以高频余弦信号作载波，把信号x(t)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波频率 处，幅值减半。 即，,上 页,目 录,调制器,上

7、 页,目 录,x(t),y(t),从调幅原理看，载波频率 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 相对中 心频率（载波频率 ）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。,上 页,目 录,重叠失真：当载波频率f0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: f0fm,乘法器,低通,2、解调 （1）同步解调 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“偏移”。 若用一个低通滤波器滤去中心频 率为 的高频成分，那么将可 以复现原信号的频谱（幅值减小 为一半），

8、这一过程称为同步解调。 “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。,上 页,目 录,载波y(t),调幅波,x(t),（2）偏置解调 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。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度变化。,上 页,目 录,若对信号x(t)进行偏置，叠加一个直流分量A，使偏置后的信号都具有正电压。,调幅,

9、解调,二极管检波,低通滤波,调幅波的波形失真,3、相敏检波,A,5,4,1,2,3,B,C,d,上 页,目 录,工作原理： 调幅波与载波y(t)同相 载波电压为正 均为正 （ 原信号x(t)为正） 载波电压为负 调幅波与载波y(t)异相 载波电压为正 均为负 （原信号x(t)为负） 载波电压为负,上 页,目 录,4、动态电阻应变仪,上 页,目 录,二、调频及其解调 调频是利用信号x(t)的幅值调制载波的频率，或者说，调频波是一种随信号x(t)的电压幅值而变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,频率调制

10、,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 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。 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，比如以电容做调谐参数：,上 页,目 录,在f0附近，CC0，,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在线性关系。,（二）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。

11、 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，这个解调过程又称为鉴频，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,T2,T3,优点：抗干扰能力强。,调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的20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。,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之中,缺点：占频带宽度大，复杂,案

12、例：旋转机械扭距测量,案例：铁路机车调度 信号检测,调制频率8.5Hz，绿灯 调制频率23.5Hz，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,上 页,目 录,RC谐振滤波器 按构成元件类型分 LC谐振滤波器 晶体谐振滤波器 按构成电路性质分 有源滤波器 无源滤波器 按所处理的信号

13、信号分 模拟滤波器 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，以减小或隔离振动的传递有两类隔振，一是隔离机械设备通过支座传至地基的振动，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，以减小运动的传递，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H(f)满足条件 则称为理想滤波器。,上 页,目 录,f,0,脉冲响应函数 在频域为矩形窗函数的“理想”低通滤波器的时域脉冲响应函数是si

14、nc函数。 如无相角滞后，即 ，则 h(t)具有对称的图形。,上 页,目 录,理想滤波器是不能实现的。 因为h(t)是滤波器在(t)作用下的输出，其图形却表明，在输入(t)到来之前，即t0, 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，任何现实的滤波器不可能有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。 可以推论，理想的高通、带通、带阻滤波器都是不存在的。,上 页,目 录,滤波器的通频带越宽，即 越大，则h(t)的图形越陡峭，响应的建立时间 也将越小。,上 页,目 录,阶跃响应 给滤波器以单位阶跃输入u(t)，滤波器的输出y(t)将是该输入和脉冲响应函数h(t)的卷积：

15、不考虑前、后皱波， 输出从零值（a点）到应有稳定值 （b点）需要一定的建立时间 。,上 页,目 录,0,t,y(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 和带宽B成反比，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： 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。,三、实际RC调谐式滤波器 （一）基本参数 1、纹波幅度d 2、截止频率 幅频特性值 等于 所对应的频率。 3

16、、带宽B和品质因数Q值 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 和带宽B之比称为滤波器的品质因数Q。 4、倍频程选择性 倍频程选择性是指在上截止频率 与 之间，或者在下 截止频率 与 之间幅频特性的衰减量。 5、滤波器因数,A(f),f,f,f,0,c1,c2,.,d,d,上 页,目 录,（二）RC调谐式滤波器的基本特性 1、一阶RC低通滤波器 电路的微分方程式： 令=RC，称时间常数。 传递函数,上 页,目 录,1、当 时，A(f)=1, (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。 2、当 时， ，即 表明，RC值决定着上截止频率。

17、3、当 时，输出 与输入 的积分成正比，即 此时，RC低通滤波器就变成了积分器。,上 页,目 录,2、RC高通滤波器 微分方程式 令RC=，则传递函数,上 页,目 录,1、当 时， 滤波器的-3dB截止频率为 2、当 时， ； RC高通滤波器可视为不失真传输系统。 3、当 时，输出与输入的 微分成正比， RC高通滤波器变成了微分器。,上 页,目 录,3、RC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。 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 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（ 及 ），就可得到不同的上、下截止频率和带宽的

18、带通滤波器。,上 页,目 录,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RC 调谐参数而使其中心频率跟随所需量测的信 号频段。 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。,多个滤波器,上 页,目 录,（一）恒带宽比滤波器 带宽比（品质因数） 滤波器的中心频率越高，其带宽越大。 若一个带通滤波器的低端截止频率为 ，高端截止频率 为 ，则对单倍频程滤波器其关系为： n称为倍频程数； 滤波器中心频率为,上 页,目 录,上 页,目 录,恒带宽比滤波器的频率分辨力在低频段较好，在高频段则甚差。,（二）恒带宽滤波器 对一组增益相同的恒带宽比滤波器，其通频带在低频段内比较窄，而在高额段内则较宽因而滤波器组的频率分辨力在低频段较好，在高频段则较差。 恒带宽滤波器在所有频段都具有同样良好的频率分辨力。一般利用一个定带宽、定中心频率的滤波器加上可