1、第四章第四章 信号的调理与记录信号的调理与记录本章学习要求：本章学习要求：1.1.掌握电桥工作原理掌握电桥工作原理 2.2.掌握信号调制解调原理掌握信号调制解调原理 3.3.掌握信号滤波器工作原理掌握信号滤波器工作原理4.4.自学信号放大、显示和记录自学信号放大、显示和记录便于信号的传输与处理便于信号的传输与处理信号调理的目的：信号调理的目的：第第4章章 信号调理电路信号调理电路1.1.有些传感器输出的是电参量，需要转换成电信有些传感器输出的是电参量，需要转换成电信号才能进行处理。号才能进行处理。2.2.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量
2、信号进行调制解调处理。传感器测量信号进行调制解调处理。3.3.传感器输出的信号很微弱，大多数不能直接输传感器输出的信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。大，有的还要进行阻抗变换。4.4.有些传感器输出的信号中混杂有干扰噪声，需有些传感器输出的信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。要去掉噪声，提高信噪比。4.1 4.1 电电 桥桥 电桥是一个四端网络，网络中的每一支路称为桥臂，桥臂上可接入电阻、电容或电感变化的传感器。网络的一个对角接入工作电压，另一个对角为输出电压。电桥的作用是将电阻、
3、电容或电感等电参量的变化转换为电压或电流输出。eU0U1Z2Z3Z4Z一、电桥的分类一、电桥的分类l按照工作电源性质可分为：直流电桥和交流电桥 l按桥臂接入的阻抗元件可分为：电阻电桥、电容电桥和电感电桥。eU0U1Z2Z3Z4Zl按照输出测量方式不同可分为：平衡电桥和不平衡电桥。eU0U1Z2Z3Z4Z平衡电桥平衡电桥 不平衡电桥不平衡电桥平衡条件平衡条件4231RRRReURRRRRRRR)(43214231二、电桥的平衡二、电桥的平衡 1 1、直流电桥平衡直流电桥平衡eU0U两相对桥臂电阻值的乘积相等。两相对桥臂电阻值的乘积相等。eabURRRU211eadURRRU434adabUUU0
4、2 2、交流电桥的平衡、交流电桥的平衡平衡条件：平衡条件：4231ZZZZ1011jeZZ 2022jeZZ3033jeZZ 4044jeZZ423104020301ZZZZ)(0402)(03014231jjeZZeZZ交流电流平衡条件：交流电流平衡条件：相对两臂阻抗之模的乘积应相等相对两臂阻抗之模的乘积应相等相对两臂相对两臂阻抗角之和也应相等。阻抗角之和也应相等。三三.电桥的和差特性电桥的和差特性eURRRRRRRRU)(432142310设电桥四臂阻值相等R1=R2=R3=R4=R，且增量分别为Ri fm)。从时域上从时域上：用x（t）去控制改变y（t）的幅值，使xm（t）的幅值随着x（
5、t）的变化而变化，频率仍与z（t）相同。载波频率载波频率f0称为调幅波的中心频率，称为调幅波的中心频率，f0+fm 称为上旁频带，称为上旁频带，f0-fm 称为下旁频带。称为下旁频带。2 2、解调、解调u同步解调同步解调 把调幅波再次与原载波把调幅波再次与原载波信号相乘，则频域图形将再一信号相乘，则频域图形将再一次进行次进行“搬移搬移”。当用一低通滤波器滤去频当用一低通滤波器滤去频率大于率大于f fm m的成分时，则可以复的成分时，则可以复现原信号的频谱。与原频谱的现原信号的频谱。与原频谱的区别在于幅值为原来的一半，区别在于幅值为原来的一半，这可以通过放大来补偿。这可以通过放大来补偿。这一过程
6、称为同步解调，这一过程称为同步解调，同步同步是指解调时所乘的信号与是指解调时所乘的信号与调制时的载波信号具有调制时的载波信号具有相同的相同的频率和相位频率和相位。u包络检波包络检波 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D D，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。解调解调二极管检波二极管检波低通滤波低通滤波调幅过程中失真调幅过程中失真a a）偏置电压过小引起失真：要求其直流偏置必）偏置电压过小引起失真：要求其直流偏置必须足够大，否则须足够大，否则x(t)x(t)的相位将发生的相位将发生180180跳变。跳变。b)b)混叠：调幅波
7、是最高频率为混叠：调幅波是最高频率为fmax的双边带信号的双边带信号组成当载波频率组成当载波频率f0较低时，正频端的下边带将与较低时，正频端的下边带将与负频端的下边带相重叠要求负频端的下边带相重叠要求:f0fmax 0f0f0fmaxfu相敏检波相敏检波 利用交变信号在过零位时正、负极性发生突变，使调幅利用交变信号在过零位时正、负极性发生突变，使调幅波的相位（与载波相比）也相应的产生波的相位（与载波相比）也相应的产生180180的相位跳变的相位跳变。图相敏检波动态电阻应变仪方框图动态电阻应变仪方框图 二、调频与解调二、调频与解调1 1、概念：调频是利用调制信号的幅值控制高频载波信号、概念：调频
8、是利用调制信号的幅值控制高频载波信号频率变化的过程。或者说，调频波是一种随调制信号的幅频率变化的过程。或者说，调频波是一种随调制信号的幅值而变化的疏密度不同的等幅波值而变化的疏密度不同的等幅波.调频波的瞬时频率可表示为：f=f0+f 式中f0为载波信号频率；f为频率偏移，与调制信号x(t)的幅值成正比。测量过程中，电容测量过程中，电容C C0 0变化量为变化量为C C，此时回路的振荡频率变为此时回路的振荡频率变为：2.频率调制方法频率调制方法u 直接调频测量电路直接调频测量电路021LCf000011)1(21CCfCCLCfffCCff000)21(002 CCffLCLC振荡电路振荡频率振
9、荡电路振荡频率 u压控振荡器（压控振荡器（VCO)3.3.鉴频鉴频变压器耦合的谐振回路法变压器耦合的谐振回路法feaeaf0ttfne ef f为输入的调频信号，在回路的谐振频率为输入的调频信号，在回路的谐振频率f fn n处，线圈处，线圈L L1 1,L,L2 2的耦合电流最大，的耦合电流最大，副边输出电压副边输出电压e ea a也最大；也最大；e ef f频率离频率离f fn n越远，线圈越远，线圈L L1 1,L,L2 2的耦合电流越小，副边的耦合电流越小，副边输出电压输出电压e ea a也越小；从而将调频波信号频率的变化转化为电压幅值的变化。也越小；从而将调频波信号频率的变化转化为电压
10、幅值的变化。ect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4.3 4.3 信号的滤波信号的滤波 一、概述一、概述 滤波器是一种选频装置
11、，可以使滤波器是一种选频装置，可以使信号中有效成分通过，而极大地衰减信号中有效成分通过，而极大地衰减其他频率成分。其他频率成分。滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）低通低通高通高通带通带通带阻带阻滤波器的串滤波器的串/并联并联 低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种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。两种类型的滤波器。带阻滤波器带阻滤波器二、滤波器性能分析二、滤波器性能分析1.1.理想滤波器理想滤波器 理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位理想滤波器是指能使通带
12、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。都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。其他0)(020cftjffeAfH理想低通滤波器幅相频特性理想低通滤波器幅相频特性理想滤波器的理想滤波器的物理不可实现物理不可实现 理想滤波器在时域内的脉冲响应函数理想滤波器在时域内的脉冲响应函数 h h（t t）为为 sinc sinc函数。脉冲响应的波形沿横坐标左、右函数。脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸。无限延伸。给理想滤波器一个脉冲激励，在给理想滤波器一个脉冲激励，在t=0t=0时刻单时刻单位脉冲输入滤波器之前，滤波器就已经有响应了。位脉冲输入滤波器之前，滤波器就已经有响
13、应了。故物理不可实现。故物理不可实现。fcH(f)0ffc1fc2A00.707A0(1)(1)截止频率截止频率fcfc：0.707A0.707A0 0所对应的频率所对应的频率.(3)(3)纹波幅度纹波幅度：通频带中：通频带中幅频特性的起伏变化值。幅频特性的起伏变化值。(4)(4)品质因数品质因数Q Q：中心频率和带宽之比称为品质因数中心频率和带宽之比称为品质因数。BQ=f0/B(2)(2)带宽带宽B:B:上下两截止频率间的频率范围称为带宽。上下两截止频率间的频率范围称为带宽。2.2.实际滤波器的特征参数实际滤波器的特征参数 (5)(5)倍频程选择性倍频程选择性W W 指在上截止频率指在上截止
14、频率f fc2c2与与2f2fc2c2之间或下截止频率之间或下截止频率f fc1c1与与f fc1c12 2之间幅频特性的衰减值，即频率变化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。一个倍频程时的衰减量。倍频程衰减量以倍频程衰减量以dB/octdB/oct表示（表示（Octave，倍频，倍频程）。衰减越快（即程）。衰减越快（即W W值越大），滤波器的选择性值越大），滤波器的选择性越好。越好。)()2(lg2022ccfAfAW(6)(6)滤波器因数滤波器因数（矩形系数）（矩形系数）滤波器幅频特性的滤波器幅频特性的-60dB-60dB带宽与带宽与-3dB-3dB带宽的比值。带宽的比值
15、。dBdBBB360三、实际滤波电路三、实际滤波电路 在测试系统中，常用在测试系统中，常用RCRC滤波器。滤波器。RCRC滤波器电滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标准阻容元件用标准阻容元件 。1)1)一阶一阶RCRC低通滤波器低通滤波器 2)/(11)(cfffH)arctan()(cfffxyyeedtduRC11)(ssH截止频率RCfc212)2)一阶一阶RCRC高通滤波器高通滤波器 2)/(1)/()(ccfffffH)arctan(90)(cfffRCfc21截止频率3)RC3)RC带通滤波器带通滤波器 可以看作为低通滤波
16、器和高通滤波器的串联可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联 R1RFReyCexR1RFeyCex）有源滤波器）有源滤波器eyC1R1R2exRFC2eyC1R1R2exRFC2产品产品LineDa:LTC1564MAXIM:MAX74xx四、带通滤波器在信号频率分析中的应用四、带通滤波器在信号频率分析中的应用 实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实际滤波器中心频率与带宽之间的数值关系，可以际滤波器中心频率与带宽之间的数值关系，可以分为两种。分为两种。、恒带宽比滤波器恒带宽比滤波器、恒带宽滤波器恒带宽滤波器、恒带宽比滤波器、恒带宽比滤波器 CQ1ffffB
17、0ic1ic2i0iiicnicff122icicifff210)1(002inifficf2中心频率中心频率if0倍频程数倍频程数icf1上截止频率上截止频率n下截止频率下截止频率只要选定只要选定n值，就可设计覆盖给定频率范围的邻接值，就可设计覆盖给定频率范围的邻接式滤波器组式滤波器组 2-n2n0ic1ic2i0ii22ffffBQ1倍频程滤波器倍频程滤波器、恒带宽滤波器、恒带宽滤波器 滤波器的绝对带宽为常数滤波器的绝对带宽为常数CffBicic12不用固定中不用固定中心频率与带宽的心频率与带宽的并联滤波器组来并联滤波器组来实现，而是通过实现，而是通过中心频率可调的中心频率可调的扫描式带通
18、滤波扫描式带通滤波器实现。器实现。五、滤波器的应用五、滤波器的应用超门限报警超门限报警 实例：实例：旅游索道钢缆检测旅游索道钢缆检测实例：机床轴心轨迹的滤波处理实例：机床轴心轨迹的滤波处理 实例：机床轴心轨迹的滤波处理实例：机床轴心轨迹的滤波处理 滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律思考题：思考题：1 1 信号调理的内容和目的信号调理的内容和目的？2 2 信号放大电路的种类，如何根据传感器输出信号放大电路的种类，如何根据传感器输出 特性选择合适的放大电路特性选择合适的放大电路？3 3 信号信号调制与解调的种类调制与解调的种类？4 4 幅度幅度调制与解调的原理调制与解调的原理？5 5 调幅波的失真，如何消除调幅波的失真，如何消除？6 6 信号滤波器的种类信号滤波器的种类？
