模擬信號(hào)處理

1、測試系統(tǒng)的基本特性,模擬信號(hào)處理,數(shù)字信號(hào)處理,計(jì)算機(jī)與虛擬儀器測試技術(shù),常用傳感器,緒論,測試信號(hào)的描述與分析,主要內(nèi)容,1.電橋 2.運(yùn)算放大器 3.調(diào)制與解調(diào) 4.濾波器 5.測量電路及應(yīng)用舉例 6.信號(hào)的顯示與記錄,信號(hào)調(diào)理的目的,被測的物理量經(jīng)過傳感器變換以后，一般都是以電阻、電容、電感或電荷、電流、電壓等形式變化的微弱電信號(hào)，為了滿足顯示、記錄、控制或輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理等需要，尚須將這些微弱信號(hào)經(jīng)過放大、運(yùn)算、分析等信號(hào)調(diào)理處理,第五章 模擬信號(hào)處理,5.1 電橋,電橋是將電阻、電容、電感等參數(shù)的變化變?yōu)殡妷夯螂娏鬏敵龅囊环N測量電路。其輸出既可用指示儀表直接測量，也可以送入放大

2、器進(jìn)行放大。由于橋式測量電路結(jié)構(gòu)簡單，并具有較高的精確度和靈敏度，因此在測試裝置中得到了廣泛應(yīng)用。 與其他測試裝置的分類一樣，電橋亦有不同的分類方式：按照激勵(lì)電源的性質(zhì)可分為直流電橋與交流電橋；按照橋臂阻抗性質(zhì)又可分為電阻電橋、電容電橋和電感電橋,第五章 模擬信號(hào)處理,5.1.1 直流電橋,1、直流電橋的平衡條件,平衡條件,第五章 模擬信號(hào)處理,2. 靈敏度,在平衡情況下，若電阻 變化 ，則電橋的輸出電壓為,令,當(dāng) 時(shí)，靈敏度 達(dá)到最大值。這時(shí)對(duì)于一定的 值，得到最大的輸出電壓。顯然，滿足 的條件為 （對(duì)稱電橋）或 （等臂電橋）。在設(shè)計(jì)電橋時(shí)，一般取,第五章 模擬信號(hào)處理,5.1.1 直流電橋

3、,3. 電橋接法與輸出特性,在機(jī)械測試技術(shù)中，一般根據(jù)工作中電阻值參與變化的橋臂數(shù)可分為半橋式與全橋式連接,第五章 模擬信號(hào)處理,5.1.1 直流電橋,輸出電壓，靈敏度,1）半橋單臂,工作中有一個(gè)橋臂阻值隨被測的量而變化,第五章 模擬信號(hào)處理,5.1.1 直流電橋,何時(shí)成立？ 誤差,32,2）半橋雙臂（差動(dòng)電橋,工作中有兩個(gè)橋臂阻值隨被測物理量變化，而且必須一個(gè)增大一個(gè)減小，即 ，所以也稱為差動(dòng)電橋,第五章 模擬信號(hào)處理,5.1.1 直流電橋,3）全橋,工作中四個(gè)橋臂電阻值都隨被測物理量而變化，即,第五章 模擬信號(hào)處理,全橋接法的靈敏度最高，它可以獲得最大的線性輸出,4、電橋用于應(yīng)變片傳感器的

4、溫度補(bǔ)償,第五章 模擬信號(hào)處理,5.1.1 直流電橋,32,交流電橋主要用于動(dòng)態(tài)信號(hào)的測量和輸出需要放大的場合，如廣泛使用的動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀就采用此種電橋。因?yàn)殡姌蜉敵龀＝臃糯笃?，故在分析中只需研究開路輸出時(shí)的動(dòng)態(tài)特性,第五章 模擬信號(hào)處理,5.1.2 交流電橋,1. 交流電橋的平衡條件,交流電橋的激勵(lì)電壓采用交流，電橋的四個(gè)臂可以是電感 、電容 或電阻 ，用復(fù)阻抗表示,而且輸入電壓與輸出電壓分別用復(fù)數(shù) 與 表示，那么根據(jù)對(duì)直流電橋的討論可以得到,5.1.2 交流電橋,第五章 模擬信號(hào)處理,1. 交流電橋的平衡條件,所以,此式表明，交流電橋平衡必須同時(shí)滿足兩個(gè)條件，即相對(duì)兩臂阻抗之模的乘積應(yīng)相等，相

5、對(duì)兩臂阻抗角之和也必須相等,第五章 模擬信號(hào)處理,5.1.2 交流電橋,哪幾種組合,32,2. 電容電橋、電感電橋的平衡,阻抗平衡條件為,欲使復(fù)數(shù)相等，實(shí)部與虛部應(yīng)分別相等，即,由此可知，要使電容電橋平衡，必須同時(shí)調(diào)節(jié)電阻和電容兩個(gè)參數(shù)，使它們分別達(dá)到平衡,第五章 模擬信號(hào)處理,5.1.2 交流電橋,2. 電容電橋、電感電橋的平衡,電橋平衡條件應(yīng)為,要使電感電橋平衡，除要考慮相位平衡外，還要保證電阻和電感分別達(dá)到平衡,第五章 模擬信號(hào)處理,5.1.2 交流電橋,3. 電阻交流電橋的平衡,電橋各橋臂阻抗分別為,電橋平衡時(shí)滿足,所以,第五章 模擬信號(hào)處理,5.1.2 交流電橋,導(dǎo)線間存在的分布電容

6、,4. 差動(dòng)工作電橋,在動(dòng)態(tài)信號(hào)測試中，將許多傳感器及測量電路接成差動(dòng)形式的交流電橋，這樣不但可以改善非線性，提高靈敏度，還可以補(bǔ)償由于溫度等因素造成的誤差,1）差動(dòng)式變壓器電橋之一,第五章 模擬信號(hào)處理,5.1.2 交流電橋,4. 差動(dòng)工作電橋,當(dāng)有被測信號(hào)輸入，傳感器工作時(shí)， 并取 ，得,取,第五章 模擬信號(hào)處理,5.1.2 交流電橋,輸出電壓的幅值,如果線圈的品質(zhì)因素比較高,線圈的損耗電阻,就可忽略不計(jì),如果兩線圈的阻抗變化為,說明,33,4. 差動(dòng)工作電橋,設(shè) 代入上式，并略去高階微量 ，得,差動(dòng)式變壓器電橋之二,第五章 模擬信號(hào)處理,5.1.2 交流電橋,4. 差動(dòng)工作電橋,同樣取

7、，上式變?yōu)?反之，若阻抗 的變化反向，亦即電感變化反向,第五章 模擬信號(hào)處理,5.1.2 交流電橋,4. 差動(dòng)工作電橋,2）差動(dòng)式傳感器電橋,差動(dòng)式傳感器電橋一般是由差動(dòng)傳感器與帶中間抽頭的電源變壓器副邊繞組構(gòu)成的交流電橋。其中差動(dòng)傳感器可以是電感式的也可以是電容式的,第五章 模擬信號(hào)處理,5.1.2 交流電橋,4. 差動(dòng)工作電橋,差動(dòng)式傳感器電橋,電橋中 和 組成一對(duì)差動(dòng)電容，其橋臂的阻抗,因?yàn)?將阻抗表達(dá)式代入上式得,差動(dòng)工作電橋與一般電橋相比，具有精確度和靈敏度高以及性能穩(wěn)定、頻率范圍大等優(yōu)點(diǎn)，近年來，在測試工程中得到了比較廣泛的應(yīng)用,第五章 模擬信號(hào)處理,5.1.2 交流電橋,141,

8、例5-1 （141,5.2 運(yùn)算放大器,運(yùn)算放大器本質(zhì)上是一個(gè)高增益的負(fù)反饋直流放大器。加上外部反饋網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)加、減、乘、除、微分和積分等數(shù)學(xué)運(yùn)算，還可以與其它外設(shè)電路組成測試系統(tǒng)中常用的差動(dòng)放大器、電橋放大器、電荷放大器、壓頻變換器、有源濾波器以及交流放大器等測試裝置,第五章 模擬信號(hào)處理,5.2.1 運(yùn)算放大器的符號(hào)及特點(diǎn),集成運(yùn)算放大器具有開環(huán)電壓增益高、輸入阻抗高、輸出阻抗低、漂移小、可靠性高、體積小等主要特點(diǎn)，所以它已成為一種通用器件，在各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域中得到了十分廣泛而靈活的應(yīng)用,第五章 模擬信號(hào)處理,電壓增益,1) 反相放大器,反饋電阻RF值不能太大，否則會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲及漂移，一

9、般為幾十千歐至幾百千歐。R1的取值應(yīng)遠(yuǎn)大于信號(hào)源Ui的內(nèi)阻,5.2 運(yùn)算放大器,第五章 模擬信號(hào)處理,同相放大器也是最基本的電路 ，其閉環(huán)電壓增益Av為,2)同相放大器,同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點(diǎn)，廣泛用于前置放大級(jí),5.2 運(yùn)算放大器,第五章 模擬信號(hào)處理,2 交流放大電路,R1一般取幾十千歐。耦合電容C1、C3可根據(jù)交流放大器的下限頻率fL來確定,若只需要放大交流信號(hào)，可采用圖示的集成運(yùn)放交流電壓同相放大器。其中電容C1、C2及C3為隔直電容,5.2 運(yùn)算放大器,第五章 模擬信號(hào)處理,具有理想?yún)?shù)的運(yùn)算放大器叫理想運(yùn)算放大器,特點(diǎn),這就是說反相輸入端的電位接近于“地”

10、電位，它是一個(gè)不接“地”的接“地”端，通常稱為“虛地,第五章 模擬信號(hào)處理,5.2.2 理想運(yùn)算放大器,33,1. 差動(dòng)放大器,差動(dòng)放大器就是用來放大差模信號(hào)，抑制共模信號(hào)的，它的兩個(gè)輸入端都有信號(hào)輸入,因?yàn)?當(dāng),得,第五章 模擬信號(hào)處理,5.2.3 測試裝置中幾種常見的運(yùn)算放大器,可見輸出電壓 與兩個(gè)輸入電壓的差值成正比。當(dāng) 時(shí)，則得,差動(dòng)放大器被廣泛地應(yīng)用于測試和控制系統(tǒng)中，形成了一個(gè)專用測量放大器領(lǐng)域,1. 差動(dòng)放大器,5.2.3 測試裝置中幾種常見的運(yùn)算放大器,第五章 模擬信號(hào)處理,2. 測量放大器,三運(yùn)放差動(dòng)放大器通常也稱為測量放大器，或稱儀表放大器,由電路分析可知,通常電路中,則測

11、量放大器的增益為,第五章 模擬信號(hào)處理,5.2.3 測試裝置中幾種常見的運(yùn)算放大器,特點(diǎn)？P144,3. 電橋放大器,與差動(dòng)放大器一樣，直流電橋放大器也是用于在大的共模信號(hào)下測量來自傳感器的微弱信號(hào)，而且差動(dòng)電橋也具有抑制共模信號(hào)的能力,第五章 模擬信號(hào)處理,5.2.3 測試裝置中幾種常見的運(yùn)算放大器,圖5-18 電橋放大器,加在放大器兩個(gè)輸入端的電壓信號(hào)分別為,若電橋?yàn)槿缺?且為半橋雙臂接法（差動(dòng)電橋），即,則,那么,3. 電橋放大器,5.2.3 測試裝置中幾種常見的運(yùn)算放大器,第五章 模擬信號(hào)處理,3. 電橋放大器,令,則,由上式易見，輸出電壓與橋臂電阻 有關(guān),為了排除 的影響，可采用右

12、圖的接法將電橋電源浮置，則其輸出電壓為,圖5-19 電橋電源浮置的電橋放大器,第五章 模擬信號(hào)處理,5.2.3 測試裝置中幾種常見的運(yùn)算放大器,由于壓電式傳感器輸出的電信號(hào)是很微弱的電荷，而且傳感器本身也存在很大內(nèi)阻，故輸出能量甚微，這給后接電路帶來一定困難。為此，通常把傳感器信號(hào)先傳輸?shù)礁咻斎胱杩沟那爸梅糯笃鳎?jīng)過阻抗變換以后，方可用一般的放大、檢波電路將信號(hào)輸給指示儀表或記錄儀器或信號(hào)處理器,4. 電荷放大器,第五章 模擬信號(hào)處理,5.2.3 測試裝置中幾種常見的運(yùn)算放大器,前置放大器有兩種形式，一種是用電阻反饋的電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓（即傳感器的輸出電壓）成正比，不過要受電纜長

13、度的影響；另一種是帶電容反饋的電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比，且與電纜長度無關(guān)，還具有很寬廣的頻率響應(yīng)，故電荷放大器得到了更為廣泛的應(yīng)用。它已成為與壓電式傳感器配套使用的專用測量儀器,第五章 模擬信號(hào)處理,4. 電荷放大器,5.2.3 測試裝置中幾種常見的運(yùn)算放大器,4. 電荷放大器,電荷放大器是一個(gè)高增益帶電容反饋的運(yùn)算放大器。當(dāng)略去傳感器的漏電阻及電荷放大器的輸入電阻時(shí)，它的等效電路如圖5-20所示,其中 為傳感器電容； 為外接電路的輸入端電容； 為電纜電容。 令 得到,第五章 模擬信號(hào)處理,5.2.3 測試裝置中幾種常見的運(yùn)算放大器,如果放大器的增益足夠大，則 ，上式可簡化為,4

14、. 電荷放大器,5.2.3 測試裝置中幾種常見的運(yùn)算放大器,第五章 模擬信號(hào)處理,4. 電荷放大器,通常在反饋電容的兩端并聯(lián)一個(gè)大電阻 （約 ） 以提供直流反饋，改善低頻響應(yīng),電荷放大器的下限截止頻率（放大器增益下降3dB時(shí)的對(duì)應(yīng)頻率）為,此式表明，電荷放大器的輸出電壓與電纜電容無關(guān)，亦即其靈敏度與電纜電容無關(guān)。因此，采用電荷放大器時(shí)，即使連接電纜長度達(dá)百米以上，其靈敏度亦無明顯變化，這是電荷放大器的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn),第五章 模擬信號(hào)處理,5.2.3 測試裝置中幾種常見的運(yùn)算放大器,若選取,由此可見，電荷放大器在適當(dāng)選取 和 后，低端截止頻率幾乎接近于零。也就是說，壓電式傳感器配用電荷放大器時(shí)，低

15、頻響應(yīng)很好，可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)參數(shù)的測量,第五章 模擬信號(hào)處理,4. 電荷放大器,5.2.3 測試裝置中幾種常見的運(yùn)算放大器,5. 電壓比較器,在測試電路中常常需要對(duì)兩個(gè)電壓進(jìn)行比較，一個(gè)是被測信號(hào)電壓，另一個(gè)是參考電壓；或者兩個(gè)都是被測信號(hào)電壓,當(dāng),輸出電壓等于穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓,當(dāng) 輸出端電位被 箍住,第五章 模擬信號(hào)處理,5.2.3 測試裝置中幾種常見的運(yùn)算放大器,33,當(dāng)用放大器的輸出來推動(dòng)負(fù)載時(shí)，希望放大器能最大限度地把能量傳輸給負(fù)載。兩者之間能滿足上述要求的聯(lián)配，稱之為阻抗匹配,當(dāng)兩個(gè)裝置聯(lián)接后,第五章 模擬信號(hào)處理,5.2.4 放大器及其負(fù)載的阻抗匹配,則輸給后級(jí)裝置（負(fù)載） 的功率為,令

16、,得,即,表明，當(dāng)前級(jí)裝置的輸出阻抗（內(nèi)阻）與后級(jí)裝置的輸入阻抗相等時(shí)，前級(jí)裝置傳輸給后級(jí)裝置的功率最大，這就是裝置之間的阻抗匹配原則,5.2.4 放大器及其負(fù)載的阻抗匹配,第五章 模擬信號(hào)處理,解決微弱緩變信號(hào)的放大以及信號(hào)的傳輸問題。 例如下面的調(diào)幅波,5.3 調(diào)制與解調(diào),第五章 模擬信號(hào)處理,5.3.1 測試信號(hào)的調(diào)制,先將微弱的緩變信號(hào)加載到高頻交流信號(hào)中去，然后利用交流放大器進(jìn)行放大，最后再從放大器的輸出信號(hào)中取出放大了的緩變信號(hào),例：交流電橋,調(diào)制是利用緩變信號(hào)來控制或改變高頻振蕩的某個(gè)參數(shù)（幅值、頻率或相位），使它隨著被測信號(hào)作有規(guī)律的變化，以利于實(shí)現(xiàn)信號(hào)的放大與傳輸。調(diào)制過程有

17、三種： 高頻振蕩的幅值受緩變信號(hào)控制時(shí)，稱為調(diào)幅，以AM表示。 高頻振蕩的頻率受緩變信號(hào)控制時(shí)，稱為調(diào)頻，以FM表示。 高頻振蕩的相位受緩變信號(hào)控制時(shí)，稱為調(diào)相，以PM表示,第五章 模擬信號(hào)處理,5.3.1 測試信號(hào)的調(diào)制,一般將控制高頻振蕩的緩變信號(hào)稱為調(diào)制波；載送緩變信號(hào)的高頻振蕩波稱為載波；經(jīng)過調(diào)制的高頻振蕩波稱為已調(diào)波。已調(diào)波相應(yīng)地有調(diào)幅波、調(diào)頻波和調(diào)相波三種，測試技術(shù)中常用的是調(diào)幅和調(diào)頻兩種。 解調(diào)則是對(duì)已調(diào)波進(jìn)行鑒別以恢復(fù)緩變的測量信號(hào)（調(diào)制信號(hào),第五章 模擬信號(hào)處理,5.3.1 測試信號(hào)的調(diào)制,調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相波的圖解過程： 圖中被測信號(hào)是梯形波，載波是余弦波。調(diào)幅波其包絡(luò)線形狀

18、由被測信號(hào)決定，載波信號(hào)的頻率和相位均不改變。調(diào)頻波，其載波信號(hào)的振幅與相位不變，而頻率改變。當(dāng)被測信號(hào)的幅值減小時(shí)，頻率降低；幅值增大時(shí)，頻率提高。所以，調(diào)頻波可以看成是一個(gè)頻率受被測信號(hào)幅值控制的正弦波,第五章 模擬信號(hào)處理,5.3.1 測試信號(hào)的調(diào)制,2 種類,a) 幅值調(diào)制(AM,b) 頻率調(diào)制(FM,c) 相位調(diào)制(PM,第五章 模擬信號(hào)處理,5.3.1 測試信號(hào)的調(diào)制,載波信號(hào),時(shí)域分析-兩信號(hào)的乘積,調(diào)幅是將一個(gè)高頻正弦信號(hào)（或稱載波）與測試信號(hào)相乘，使載波信號(hào)幅值隨測試信號(hào)的變化而變化,第五章 模擬信號(hào)處理,1. 調(diào)幅原理,5.3.2 調(diào)幅與其解調(diào),在時(shí)域上的調(diào)幅過程就相當(dāng)于在

19、頻域上的頻率搬移過程,頻域分析-兩信號(hào)的卷積,1. 調(diào)幅原理,5.3.2 調(diào)幅與其解調(diào),第五章 模擬信號(hào)處理,P24,幅度調(diào)制與解調(diào)過程（波形分析,乘法器,放大器,x(t,z(t,x m(t,乘法器,濾波器,z(t,x(t,2. 解調(diào)原理,若把調(diào)幅波再次與載波信號(hào)相乘 ，從時(shí)域分析看,用低通濾波器將頻率為 的高頻信號(hào)濾去，則得到,從頻域分析中亦可以得到,即,調(diào)幅的目的是為了讓緩變信號(hào)變?yōu)楦哳l調(diào)制信號(hào)，便于放大和傳輸。解調(diào)的目的則是為了恢復(fù)原信號(hào),第五章 模擬信號(hào)處理,5.3.2 調(diào)幅與其解調(diào),圖5-25 同步解調(diào),從調(diào)幅原理，載波頻率 必須高于原信號(hào)中的最高頻率 才能使已調(diào)波仍保持原信號(hào)的頻譜

20、圖形，不致重疊,第五章 模擬信號(hào)處理,2. 解調(diào)原理,5.3.2 調(diào)幅與其解調(diào),例如廣播電臺(tái),例2用電阻應(yīng)變片接成全橋，測量某一構(gòu)件的應(yīng)變。 已知其變化規(guī)律為 如果電橋的激勵(lì)電壓為 求此電橋的輸出信號(hào)頻譜。 解法1 由全橋接法知電橋的輸出信號(hào)為 那么 又,第五章 模擬信號(hào)處理,2. 解調(diào)原理,5.3.2 調(diào)幅與其解調(diào),書P135,所以,解法2 所以 其頻譜如上圖所示,第五章 模擬信號(hào)處理,幅度調(diào)制與解調(diào)過程（頻譜分析,乘法器,放大器,x(t,z(t,x m(t,乘法器,濾波器,z(t,x(t,3. 相敏檢波原理,相敏檢波器實(shí)際上是一個(gè)受參考電壓控制的橋式全波整流電路,第五章 模擬信號(hào)處理,5.

21、3.2 調(diào)幅與其解調(diào),3. 相敏檢波原理,第五章 模擬信號(hào)處理,5.3.2 調(diào)幅與其解調(diào),第五章 模擬信號(hào)處理,0t1 前半周期Uy0,U00,0t1 前半周期Uy0,U00,第五章 模擬信號(hào)處理,0t1 前半周期Uy0,U00,0t1 后半周期Uy0,U00,第五章 模擬信號(hào)處理,t1t2 前半周期Uy0,第五章 模擬信號(hào)處理,t1t2 后半周期Uy0,U00,調(diào)頻就是用被測信號(hào)的電壓幅值去控制一個(gè)振蕩器，使其輸出信號(hào)的幅值不變而振蕩頻率改變，頻率的變化量與被測信號(hào)的幅值成正比,圖5-29 調(diào)頻波與信號(hào)幅值的關(guān)系,第五章 模擬信號(hào)處理,5.3.3 調(diào)頻與其解調(diào),第五章 模擬信號(hào)處理,根據(jù)不同

22、的電壓頻率轉(zhuǎn)換電路（簡稱VFC），調(diào)頻波可以是類似正弦波形的，或者三角波形的，也可以是疏密不等的方波或者脈沖形波。這種載有被測信息的高頻波具有抗干擾能力強(qiáng)、便于遠(yuǎn)距離傳輸、不易錯(cuò)亂和失真等優(yōu)點(diǎn)，也便于使用數(shù)字技術(shù)進(jìn)行處理。 調(diào)頻方式有許多種，經(jīng)常采用的有直接調(diào)頻方式和壓控振蕩器方式,5.3.3 調(diào)頻與其解調(diào),1. 直接調(diào)頻,用諧振電路調(diào)頻的方法， 稱為直接調(diào)頻法,初始電容為 ，當(dāng)位移改變時(shí)，電容變?yōu)?。設(shè)調(diào)制信號(hào)（被測信號(hào)）為 ，那么，由位移變化引起的可變電容量總可以寫成,5.3.3 調(diào)頻與其解調(diào),Kx=比例系數(shù),當(dāng)無信號(hào)輸入時(shí)，調(diào)頻器的諧振頻率為,當(dāng)有信號(hào)輸入時(shí),諧振頻率為,1. 直接調(diào)頻,

23、5.3.3 調(diào)頻與其解調(diào),第五章 模擬信號(hào)處理,1. 直接調(diào)頻,由于,所以,經(jīng)二項(xiàng)式公式展開，取前兩項(xiàng),第五章 模擬信號(hào)處理,5.3.3 調(diào)頻與其解調(diào),設(shè) 時(shí)，調(diào)頻電路的輸出電壓為,則當(dāng) 時(shí)，其輸出電壓為,當(dāng)有信號(hào) 輸入時(shí)，調(diào)頻器輸出電壓的幅值不變而頻率受輸入信號(hào)的控制，從而達(dá)到調(diào)頻的目的,1. 直接調(diào)頻,5.3.3 調(diào)頻與其解調(diào),第五章 模擬信號(hào)處理,2. 壓控振蕩器調(diào)頻,實(shí)際應(yīng)用中常見的調(diào)頻方案是基于壓控振蕩器（VCO）原理。這是一種由集成運(yùn)算放大器組成的電壓頻率變換電路，簡稱壓頻變換電路，其特點(diǎn)是輸出信號(hào)的頻率與輸入電壓成正比,輸出信號(hào)頻率 與輸入電壓 之間的定量關(guān)系可分析如下,對(duì)積分器

24、,正反饋放大器,第五章 模擬信號(hào)處理,5.3.3 調(diào)頻與其解調(diào),正反饋放大器,積分器,乘法器,三、調(diào)頻與其解調(diào),這樣，主通道的頻率特性為,反饋通道中,所以,由振蕩條件 得 即,可見，輸出信號(hào)的頻率與輸入電壓成正比,壓控振蕩電路形式很多，現(xiàn)在已有集成化的壓控振蕩器芯片出售,2. 壓控振蕩器調(diào)頻,5.3.3 調(diào)頻與其解調(diào),3. 調(diào)頻波的解調(diào),調(diào)頻波的解調(diào)（稱為鑒頻）也有多種方案,最簡單的一種是將調(diào)頻波放大，限幅成為方波，然后取其上升（或下降）沿轉(zhuǎn)換為脈沖，脈沖的疏密就是調(diào)頻波的疏密。每個(gè)脈沖觸發(fā)一個(gè)定時(shí)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，這樣可以獲得一系列時(shí)寬相等，疏密隨調(diào)頻波頻率而變的單向窄矩形波。這樣就得到了將頻

25、率變化向電壓變化的轉(zhuǎn)換，取其瞬時(shí)平均電壓就反映了原信號(hào)電壓的變化,第五章 模擬信號(hào)處理,5.3.3 調(diào)頻與其解調(diào),3. 調(diào)頻波的解調(diào),另一種常用的鑒頻電路是采用變壓器耦合的諧振回路鑒頻。這種鑒頻器的解調(diào)過程是先將調(diào)頻波變換成調(diào)頻調(diào)幅波，然后進(jìn)行幅值檢波,第五章 模擬信號(hào)處理,5.3.3 調(diào)頻與其解調(diào),3. 調(diào)頻波的解調(diào),5.3.3 調(diào)頻與其解調(diào),第五章 模擬信號(hào)處理,案例：鐵路機(jī)車調(diào)度 信號(hào)檢測,調(diào)制頻率8.5Hz，綠燈 調(diào)制頻率23.5Hz，紅燈,第五章 模擬信號(hào)處理,濾波器的應(yīng)用,案例：旅游索道鋼纜檢測,5.4 濾波器,第五章 模擬信號(hào)處理,濾波器的應(yīng)用,機(jī)床軸心軌跡的濾波處理,5.4 濾

26、波器,第五章 模擬信號(hào)處理,濾波器是一種選頻裝置，可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其它頻率成分,第五章 模擬信號(hào)處理,5.4.1 濾波器分類,1. 低通濾波器 頻率在 之間的幅頻特性平直,2. 高通濾波器 與低通濾波器相反，頻率在 之間其幅 頻特性平直,3. 帶能濾波器 其通頻帶在 之間,4. 帶阻濾波器 與帶通濾波器相反，阻帶在頻率 之間,第五章 模擬信號(hào)處理,5.4.1 濾波器分類,過渡帶,其他分類,常系數(shù)線性濾波器,理想濾波器是指能使通帶內(nèi)信號(hào)的幅值和相位都不失真，阻帶內(nèi)的頻率成分都衰減為零的濾波器。理想濾波器是一個(gè)理想化的模型，在物理上是不能實(shí)現(xiàn)的，但它對(duì)深入了解濾波器的傳

27、輸特性很有益處。通過對(duì)理想濾波器的討論，可以建立起濾波器通頻帶寬與達(dá)到穩(wěn)定輸出所需時(shí)間之間的關(guān)系,第五章 模擬信號(hào)處理,5.4.2 理想濾波器,圖5-34 理想濾波器頻率特性,若濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)滿足下列條件,則稱為理想濾波器，即理想濾波器在通頻帶內(nèi)應(yīng)滿足幅頻特性為常數(shù)，相頻特性是頻率的線性函數(shù)，而在阻頻帶幅頻特性應(yīng)該等于零,5.4.2 理想濾波器,第五章 模擬信號(hào)處理,P82,頻率上的矩形窗函數(shù),5.4.2 理想濾波器,第五章 模擬信號(hào)處理,傅里葉逆變換,通過卷積求其對(duì)單位階躍函數(shù)的響應(yīng),正弦積分（超越函數(shù),這一結(jié)論對(duì)其它濾波器（高通、帶通、帶阻）也適用,5.4.2 理想濾波器,b）單位階

28、躍響應(yīng),圖5-35 理想低通濾波器的響應(yīng),2個(gè)重要的結(jié)論P(yáng)159,所以，低通濾波器對(duì)于階躍響應(yīng)的建立時(shí)間和通帶寬成反比,濾波器的高分辨能力和快速響應(yīng)的要求是互相矛盾的,如果用濾波器從信號(hào)中擇取某一很窄的頻率成分，就需要有足夠的時(shí)間；否則，就會(huì)產(chǎn)生謬誤和假象,理想濾波器的物理不可實(shí)現(xiàn),理想濾波器在時(shí)域內(nèi)的脈沖響應(yīng)函數(shù) h（t）為 sinc函數(shù)。脈沖響應(yīng)的波形沿橫坐標(biāo)左、右無限延伸,給理想濾波器一個(gè)脈沖激勵(lì)，在t=0時(shí)刻單位脈沖輸入濾波器之前，濾波器就已經(jīng)有響應(yīng)了。故物理不可實(shí)現(xiàn),使信號(hào)中特定頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分,4 實(shí)際濾波器,理想濾波器是不存在的，實(shí)際濾波器幅頻特性中通帶和阻

29、帶間沒有嚴(yán)格界限，存在過渡帶,5.3 信號(hào)的濾波,0,f,A,1. 波紋幅度d,5.4.3 實(shí)際濾波器及其基本參數(shù),圖5-36 理想帶通與實(shí)際帶通濾波器的幅頻特性,2截止頻率,3.帶寬 和品質(zhì)因數(shù) 值,4.倍頻程選擇性,5. 濾波器因數(shù)（或矩形系數(shù),對(duì)應(yīng)于-3dB點(diǎn),第五章 模擬信號(hào)處理,理想濾波器是否存在,P42,幅頻特性的衰減值，衰減越快，濾波器的選擇性越好,在測試系統(tǒng)中，信號(hào)頻率如果不是很高，則常用RC濾波器。因?yàn)樗娐泛唵危垢蓴_能力強(qiáng)，有較好的低頻性能，并且選用標(biāo)準(zhǔn)的阻容元件也容易實(shí)現(xiàn),1. RC低通濾波器,5.4.4 無源RC濾波器,第五章 模擬信號(hào)處理,其頻率響應(yīng)函數(shù)為,幅頻和相

30、頻特性分別為,當(dāng) 時(shí),此時(shí)信號(hào)幾乎不受衰減而通過,當(dāng) 時(shí),為濾波器的上截止頻率,當(dāng) 時(shí),輸出 與輸入 的積分成正比,即,1. RC低通濾波器,電路的微分方程為,稱為時(shí)間常數(shù),第五章 模擬信號(hào)處理,5.4.4 無源RC濾波器,P43,幅頻和相頻特性分別為,微分方程為,頻率響應(yīng)函數(shù)為,2. RC高通濾波器,第五章 模擬信號(hào)處理,5.4.4 無源RC濾波器,2. RC高通濾波器,第五章 模擬信號(hào)處理,5.4.4 無源RC濾波器,濾波器的-3dB截止頻率為,此時(shí)RC高通濾波器可視為不失真的傳輸系統(tǒng),RC高通濾波器的輸出與輸入的微分成正比，變成一個(gè)微分器,3. RC帶通濾波器,則幅頻特性和相頻特性分別為

31、,如一階高通濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)為,一階低通濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)為,第五章 模擬信號(hào)處理,5.4.4 無源RC濾波器,3. RC帶通濾波器,則幅頻特性和相頻特性分別為,第五章 模擬信號(hào)處理,5.4.4 無源RC濾波器,串聯(lián)所得的帶通濾波器則以原高通的截止頻率為下截止頻率,以其低通的截止頻率為上截止頻率,可見分別調(diào)節(jié)高、低通環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù) ，就可得到不同的上、下截止頻率和帶寬的帶通濾波器,注意事項(xiàng)？P163,有源濾波器由RC調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器（有源器件）組成。運(yùn)算放大器的作用是既可隔離級(jí)間耦合的影響，又可提高增益和帶負(fù)截的能力。RC網(wǎng)絡(luò)則通常作運(yùn)算放大器的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)之用,由四種濾波器的幅頻特性

32、可知，低通和高通、帶阻和帶通之間恰好是互補(bǔ)關(guān)系。若在運(yùn)算放大器的負(fù)反饋電路中接入高通濾波網(wǎng)絡(luò)，可得到有源低通濾波器；若接入帶阻網(wǎng)絡(luò)，則可得到帶通濾波器,第五章 模擬信號(hào)處理,5.4.5 有源濾波器,1. 有源低通濾波器,頻率響應(yīng)函數(shù)為,幅頻和相頻特性分別為,1） 一階有源低通濾波器,第五章 模擬信號(hào)處理,5.4.5 有源濾波器,直流放大倍數(shù)（靈敏度,一階低通濾波器的優(yōu)點(diǎn)是電路簡單，缺點(diǎn)是阻帶區(qū)衰減太慢，其衰減斜率僅為-20dB/10倍頻程（-6dB/倍頻程），所以只適用于測量精度要求不高的場合,1. 有源低通濾波器,2）二階有源低通濾波器,頻率響應(yīng)函數(shù)為,幅頻和相頻特性分別為,第五章 模擬信號(hào)

33、處理,5.4.5 有源濾波器,為了增加阻帶區(qū)的衰減速度，應(yīng)提高低通濾波器的階次。圖5-42是二階低通濾波器，它能提供-40dB/10倍頻程的高頻衰減率,2. 有源帶通濾波器,簡單的二階帶通濾波器由一個(gè)運(yùn)算放大器和RC網(wǎng)絡(luò)組成,這種由多路負(fù)反饋組成的帶通濾波器具有元件少、輸出阻抗低、品質(zhì)因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)、所以得到廣泛應(yīng)用,頻率響應(yīng)函數(shù)為,幅頻、相頻特性為,第五章 模擬信號(hào)處理,5.4.5 有源濾波器,根據(jù)同相放大器的工作原理,選學(xué)1,帶通濾波器的 值越高，則因偏離調(diào)諧頻率所引起的相角變化越大。這種調(diào)諧式帶通濾波器的選擇性希望 值高和要求相移小是相互矛盾的，這對(duì)于相角有要求的測試場合必須十分注意,第五

34、章 模擬信號(hào)處理,2. 有源帶通濾波器,5.4.5 有源濾波器,選學(xué)2,5 恒帶寬、恒帶寬比濾波器,實(shí)際濾波器頻率通帶通常是可調(diào)的，根據(jù)實(shí)際濾波器中心頻率與帶寬之問的數(shù)值關(guān)系，可以分為兩種,2) 恒帶寬比帶通濾波器,1) 恒帶寬帶通濾波器,P45,1恒帶寬比濾波器,1/3倍頻程濾波器,第五章 模擬信號(hào)處理,5.4.6 恒帶寬比與恒帶寬濾波器,如何覆蓋所感興趣的整個(gè)頻率段？ P167,為了提高濾波器的分辨能力，帶寬應(yīng)窄一些，這樣為覆蓋整個(gè)頻率范圍所需要的濾波器數(shù)量就很大。因此恒帶寬濾波器不宜做成固定中心頻率的，而是往往采用中心頻率跟隨參考信號(hào)頻率的跟蹤濾波法和相關(guān)濾波法,1）跟蹤濾波器原理,第五

35、章 模擬信號(hào)處理,2恒帶寬濾波器,5.4.6 恒帶寬比與恒帶寬濾波器,乘法器1的輸出為,經(jīng)過乘法器2后，其輸出為,被測信號(hào),第五章 模擬信號(hào)處理,2）相關(guān)濾波器原理,第五章 模擬信號(hào)處理,2恒帶寬濾波器,5.4.6 恒帶寬比與恒帶寬濾波器,用于振動(dòng)測試的穩(wěn)態(tài)正弦激振試驗(yàn)中，人們感興趣的是與激振頻率相同的正弦信號(hào)的幅值和相角，利用相關(guān)濾波技術(shù)就可以獲取這些信息,3）跟蹤濾波器與倍頻程濾波器的性能比較,1/3倍頻程濾波器,是用相當(dāng)于1/10倍頻程濾波器,是用恒帶寬跟蹤濾波器,兩個(gè)正弦信號(hào)合成頻譜,第五章 模擬信號(hào)處理,2恒帶寬濾波器,5.4.6 恒帶寬比與恒帶寬濾波器,濾波器的應(yīng)用,案例：機(jī)床軸心

36、軌跡的濾波處理,濾除信號(hào)中的高頻噪聲，以便于觀察軸心運(yùn)動(dòng)規(guī)律,5.4.6 濾波器,第五章 模擬信號(hào)處理,P170例題,5.5 測量電路及應(yīng)用舉例,5.5.1 調(diào)幅式測量電路,1、電阻應(yīng)變儀,電阻應(yīng)變儀作為應(yīng)變測量和各種應(yīng)變式傳感器的中間放大環(huán)節(jié)，是目前非電量電測技術(shù)中應(yīng)用廣泛的測量儀器之一,第五章 模擬信號(hào)處理,靜態(tài)應(yīng)變儀,動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀,靜動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀,超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀,靜載荷或載荷變化緩慢時(shí)結(jié)構(gòu)的應(yīng)變,02kHz范圍的應(yīng)變,靜態(tài)應(yīng)變?yōu)橹?，也可測低頻動(dòng)態(tài)應(yīng)變,沖擊、爆炸而引起的頻率高達(dá)10kHz以上的瞬態(tài)過程應(yīng)變測量,交流電橋載波放大式應(yīng)變儀,2、其它調(diào)幅式測量電路,第五章 模擬信號(hào)處理,5.5.1

37、調(diào)幅式測量電路,輸出是隨,變化的調(diào)幅波。經(jīng)放大、檢波、濾波后即可記錄或顯示出被測信號(hào),第五章 模擬信號(hào)處理,2、其它調(diào)幅式測量電路,5.5.1 調(diào)幅式測量電路,使殘余電壓為零,小位移測量,指示輸入位移量的大小和方向,第五章 模擬信號(hào)處理,2、其它調(diào)幅式測量電路,5.5.1 調(diào)幅式測量電路,電渦流式傳感器,動(dòng)態(tài)非接觸測量,結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)、不受油污等介質(zhì)影響等優(yōu)點(diǎn),振蕩頻率,不變,故,是隨電感,變化的調(diào)幅波，而,從而實(shí)現(xiàn)對(duì),的測量,用被測位移控制高頻振蕩器輸出電壓的頻率,然后再由鑒頻器從高頻振蕩器輸出的電壓頻率中將被測信號(hào)線性變換出來,第五章 模擬信號(hào)處理,5.5.1 調(diào)頻式測量電路,電流渦調(diào)頻測距電路,第五章 模擬信