信號調(diào)制、解調(diào)和顯示記錄

1、信號調(diào)制、解調(diào) 和顯示記錄 傳感器輸出的電信號，大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去。其主要原因是大多數(shù)傳感器輸出的電信號很微弱，需要進一步放大，有的還要進行阻抗變換；有些傳感器輸出的是電參量，要轉(zhuǎn)換為電能量；輸出信號中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比；若測試工作僅對部分頻段的信號感興趣，則有必要從輸出信號中分離出所需的頻率成分；因此，傳感器的輸出信號要經(jīng)過適當?shù)恼{(diào)理，使之與后續(xù)測試環(huán)節(jié)相適應。常用的信號調(diào)理環(huán)節(jié)有：電橋、放大器、濾波器、調(diào)制器與解調(diào)器等。 主要內(nèi)容4.1信號調(diào)理的目的4.2 信號放大4.3調(diào)制與解調(diào) 4.4濾波4.5信號顯示與記錄本章學習重點測試信號調(diào)理的作用

2、和意義；電橋作用原理及其在信號調(diào)理中的作用；信號調(diào)制與解調(diào)的原理及其相關(guān)電路；基本類型的濾波器的工作原理、相關(guān)電路及其應用；信號調(diào)理的的目的是便于信號的傳輸與處理。 4.1 信號調(diào)理的目的 1.傳感器輸出的電信號很微弱，大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需要進一步放大，有的還要進行阻抗變換。 2.有些傳感器輸出的是電信號中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比?；蛘咛崛「信d趣的頻率成分。3.某些場合，為便于信號的遠距離傳輸，需要對傳感器測量信進行調(diào)制解調(diào)處理。 被測量經(jīng)傳感器之后的輸出信號一般具有以下特點：信號比較微弱；為非電壓信號；攜帶噪聲信號等。 因此，還需進一步調(diào)理、放大、

3、濾波等加工處理。 本章主要討論信號調(diào)理和轉(zhuǎn)換中的常用環(huán)節(jié)：電橋；調(diào)制與解調(diào)；濾波；4.2 信號放大 信號放大目的幅度增加(1)抗干擾;(2)阻抗匹配2 分類放大器直流放大器交流放大器電荷放大器 時間域 頻率域幅度增大 低頻保留,高頻截止幅度增大 高頻保留,低頻截止 電荷增大1 目的第四章 信號調(diào)理定義：電橋是將電阻、電容、電感等參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出的一種測量電路。特點：橋式電路簡單可靠，精度和靈敏度很高，應用廣泛。分類：根據(jù)其所采用的激勵電源類型：直流電橋交流電橋根據(jù)輸出測量方式的不同：不平衡電橋平衡電橋4.2.1 電 橋一直流電橋： 第四章 信號調(diào)理VER1R3R2R4 基本結(jié)構(gòu)：

4、電阻R1,R2,R3,R4作為四個橋臂，在a、c兩端接入直流電源ue，在b、d兩端輸出電壓uo。 工作原理：利用四個橋臂中的一個或數(shù)個的阻值變化而引起電橋輸出電壓的變化 。1. 直流電橋平衡條件：討論： 若電橋中任一個或數(shù)個電阻發(fā)生變化，電橋輸出電壓變化。測量電橋就是基于上述原理工作。平衡條件：對臂電阻乘積相等。即：R1R3=R2R42. 直流電橋的輸出特性 考慮右圖所示直流電橋的輸出特性，分析輸出電壓和各橋臂應變之間的定量關(guān)系。組橋時，應變片的靈敏系數(shù)K必須一致，上式又可寫成設電橋四臂阻值相等R1=R=R=R=R，且增量分別為R1、R、R 、R，則電橋的輸出為：當 時可以得到：結(jié)論： 電橋輸

5、出電壓和各橋臂電阻變化量的代數(shù)和成正比，所以電橋輸出電壓可以反映被測量引起的電阻值的變化量。如果橋臂電阻變化由電阻應變片阻值的變化產(chǎn)生，則電橋的輸出電壓和應變成線性關(guān)系： 如果相鄰橋臂的應變極性一致，即同時為拉應變或壓應變，則輸出電壓為兩者之差；若相鄰兩橋臂的應變極性不同，則輸出電壓為兩者之和。若相對兩橋臂應變的極性一致，輸出電壓為兩者之和；反之為兩者之差電橋和差特性(加減特性)。 供橋電壓越高，輸出電壓越大，所以提高供橋電壓可以提高電橋的靈敏度。但是當供橋電壓增大時，通過應變片的電流也較大，易引起蠕變和零漂。增大電阻應變片的靈敏度可以提高電橋的輸出電壓。和差特性應用實例： 懸臂梁作敏感元件測

6、力：為提高靈敏度，常在梁的上，下表面各貼一片應變片，并將上述兩應變片接入電橋的相鄰兩橋臂。 懸臂梁應變儀結(jié)構(gòu) 半橋單臂 半橋雙臂 全橋 ueuoueuoueuo3. 直流電橋的連接形式（1）半橋單臂連接形式：工作時僅有一個橋臂電阻值隨被測量而變化，設該電阻為R1，變化量為R，則由式（4-1）可得：設相鄰橋臂的阻值相等，亦即：R1=R2=R0,R3=R4=R0,又若R0=R0,則 若R0 ；若為容性阻抗時，fm)。從時域上：用x（t）去控制改變y（t）的幅值，使xm（t）的幅值隨著x（t）的變化而變化，頻率仍與z（t）相同。載波頻率f0稱為調(diào)幅波的中心頻率， f0+fm 稱為上旁頻帶，f0-fm

7、 稱為下旁頻帶。 小結(jié)：調(diào)幅的過程在頻域上就相當于一個移頻的過程。載波頻率f0必須高于信號中的最高頻率fmax，才不會出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。實際應用中，載波頻率至少在調(diào)制信號上限頻率的十倍以上。注意：調(diào)幅波是否可以看作是載波與調(diào)制信號的迭加？不可以。因為調(diào)幅波是載波幅值隨調(diào)制信號大小成正比變化，只有相乘才能實現(xiàn)。 解調(diào) 把調(diào)幅波再次與原載波信號相乘，則頻域圖形將再一次進行“搬移”,其結(jié)果如右圖所示。當用一低通濾波器濾去頻率大于fm的成分時，則可以復現(xiàn)原信號的頻譜。與原頻譜的區(qū)別在于幅值為原來的一半，這可以通過放大來補償。這一過程稱為同步解調(diào)，同步是指解調(diào)時所乘的信號與調(diào)制時的載波信號具有相同的頻率和相

8、位。 實驗：同步調(diào)治與解調(diào)實驗信號失真：調(diào)幅波是由一對每邊為fm的雙邊帶信號組成當載波頻率f0較低時，正頻端的下邊帶將與負頻端的下邊帶相重疊要求: f0 fm 4 頻率調(diào)制 調(diào)頻是利用信號x(t)的幅值調(diào)制載波的頻率，或者說，調(diào)頻波是一種隨信號x(t)的電壓幅值而變化的疏密度不同的等幅波. 鑒頻：T1T2T3T4F優(yōu)點：抗干擾能力強。 調(diào)頻波通常要求很寬的頻帶，甚至為調(diào)幅所要求帶寬的20倍；調(diào)頻系統(tǒng)較之調(diào)幅系統(tǒng)復雜，因為頻率調(diào)制足一種非線性調(diào)制。 因為調(diào)頻信號所攜帶的信息包含在頻率變化之中，并非振幅之中，而干擾波的干擾作用則主要表現(xiàn)在振幅之中 缺點：占頻帶寬度大，復雜1、概述信號分析：被測信號

9、一般由多個頻率分量組成，檢測中得到的信號除包含有效信息外，還含有噪聲和不希望的成分，會導致真實信號的畸變和失真。濾波：讓被測信號中的有效成分通過，而將其中不需要的成分抑制或衰減掉。而抑制或衰減掉其它不需要的頻率成分。濾波器：能實施濾波功能的裝置。4.4 信號濾波 濾波器分類（1）根據(jù)其選頻作用，可分為四類：低通濾波器；高通濾波器；帶通濾波器；帶阻濾波器。 圖4-22 四類濾波器的幅頻特性（a）低通 （b）高通 （c）帶通 （d）帶阻（2）根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式可分為兩類：有源濾波器：使用運算放大器結(jié)構(gòu)；無緣濾波器：由RLC組合配置而成。 低通濾波器和高通濾波器是濾波器的兩種最基本的形式，其它的濾波器都

10、可以分解為這兩種類型的濾波器。低通濾波器與高通濾波器的并聯(lián)為帶阻濾波器 濾波器串并聯(lián)2、濾波器性能分析 (1)、理想濾波器 特性理想化的濾波器。 具有矩形幅頻特性和線性相頻特性。理想低通濾波器的幅、相頻特性 理想濾波器的物理不可實現(xiàn) 理想濾波器在時域內(nèi)的脈沖響應函數(shù) h（t）為 sinc函數(shù)。脈沖響應的波形沿橫坐標左、右無限延伸。 給理想濾波器一個脈沖激勵，在t=0時刻單位脈沖輸入濾波器之前，濾波器就已經(jīng)有響應了。故物理不可實現(xiàn)。fcH(f)(2)、實際濾波器的基本參數(shù)理想濾波器只需規(guī)定截止頻率即可說明其特性，而實際濾波器的特性曲線無明顯轉(zhuǎn)折點，通帶中幅頻特性也非常數(shù)，需更多參數(shù)描述其性能。主

11、要參數(shù)包括：紋波幅度、截止頻率、帶寬、品質(zhì)因數(shù)、倍頻程選擇性、濾波器因數(shù)。 理想和實際的帶通濾波器的幅頻特性截止頻率：幅頻特性值等于 所對應的頻率點；紋波幅度：通帶中幅頻特性值的起伏變化值；帶寬B：上下兩截止頻率之間的頻率范圍B=fc2-fc1，又稱-3dB帶寬；品質(zhì)因子（Q值）：對于一個帶通濾波器，其品質(zhì)因子Q則定義為中心頻率f0與帶寬B之比，即Q=f0/B。倍頻程選擇性：上截止頻率fc2與2fc2之間或下截止頻率fc1與fc1/2間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個倍頻程的衰減量，以dB表示。倍頻程選擇性表征過渡帶的幅頻曲線傾斜的程度，即幅頻特性衰減的快慢。濾波器因數(shù)（矩形系數(shù)）：濾波器幅頻

12、特性的 -60dB帶寬與-3dB帶寬的比，即 對理想濾波器有=1。對普通使用的濾波器，一般為（15）。3、實際濾波電路 在測試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因為這一領(lǐng)域中信號頻率相對來說不高。而RC濾波器電路簡單，抗干擾強，有較好的低頻性能，并且選用標準阻容元件 。 (1)一階RC低通濾波器 低通濾波器的典型電路如圖所示:例題：已知某RC低通濾波器，R=1k，C=1F，1）確定各函數(shù)式H(s)；H()；A()；()。2）當輸入信號ui=10sin1000t時，求輸出信號uo，并比較其幅值及相位關(guān)系。解： (2) RC高通濾波器 RC高通濾波器的典型電路及響應特性如圖所示。 RC高通濾波器及其頻率特性

13、曲線 可以看作為低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián) （3）帶通濾波器 低通濾波器和高通濾波器的組合。圖426。（4）有源低通濾波器uiuoRFuCCR+R1+若頻率 為變量，則電路的頻率響應函數(shù)其模為 幅頻特性0| Auf0 | H(j) |O 當 0時，| H(j)| 衰減很快 顯然，電路能使低于0的信號順利通過，衰減很小，而使高于0的信號不易通過，衰減很大，稱一 階有源低通濾波器。 為了改善濾波效果，使 0 時信號衰減得更快些，常將兩節(jié)RC濾波環(huán)節(jié)串接起來，組成二階有源低通濾波器。uoRFCR+R1+ui+RC一階二階 幅頻特性0| Auf0 | H(j) |O（5）有源高通濾波器uiuoRFC

14、R+R1+ 可見，電路使頻率大于0 的信號通過 ，而小于0 的信號被阻止， 稱為有源高通濾波器。 若頻率 為變量，則電路的頻率響應函數(shù)其模為 幅頻特性0| Auf0 | H(j) |O各種濾波器性能比較：RC濾波器：過渡帶衰減速度慢（6dB/倍頻程），通帶與阻帶間無陡峭界限，性能較差。LC濾波器過渡帶曲線的陡峭度優(yōu)于RC濾波器。多個RC或LC環(huán)節(jié)級聯(lián)：極大地改善了過渡帶曲線的陡峭度，但具有明顯的負載效應和相移增大的問題。有源濾波器：無源濾波網(wǎng)絡與運算放大器組合而成，性能更加優(yōu)良。產(chǎn)品LineDa: LTC1564MAXIM: MAX74xx4、濾波芯片及產(chǎn)品 超門限報警 案例：旅游索道鋼纜檢測5、濾波器的應用鋼管無損探傷濾除信號中的零漂和低頻晃動，便于門限報警案例：機床軸心軌跡的濾波處理 案例：機床軸心軌跡的濾波處理 濾除信號中的高頻噪聲，以便于觀察軸心運動規(guī)律 測試信號的顯示和記錄是不可缺少的組成部分，其目的在于： 1）測試人員通過顯示儀器觀察各路信號的大小和實時波形。 2）及時掌握測試系統(tǒng)的動態(tài)信息，必要時對參數(shù)調(diào)整。 3）記錄信號的重現(xiàn)。 4）對信號進行后續(xù)的分析和處理。4.