第五講 信號的調理及記錄

第五講信號調理與記錄電橋信號的放大與隔離調制與解調濾波器第一節(jié)概述

傳感器的輸出信號有兩種形式：一種是電信號，如電壓、電流或電荷量等；另一種是電參數(shù)的變化，如電阻、電感和電容等。這些信號太微弱或不滿足傳輸、記錄和顯示等要求，尚需經(jīng)過中間轉換裝置進行放大、濾波、調制解調等處理以提高信噪比。完成這些功能的電路就是中間變換裝置。

盡管數(shù)字信號分析技術已經(jīng)獲得了很大發(fā)展，但模擬信號分析仍然是不可少的，即使在數(shù)字信號分析系統(tǒng)中，也要加入模擬分析設備。例如，對連續(xù)時間信號進行數(shù)字分析之前的抗頻混濾波。應變片測量金屬材料的應變時，其電阻變化率只有0.001級，電壓往往只有μV級。激勵被測對象傳感器中間變換裝置顯示、記錄裝置被測物理量電量測試系統(tǒng)

信號調理裝置對于一個測試系統(tǒng)的性能優(yōu)劣往往有至關重要的影響。一些常見類型的傳感器和它們各自所需的信號調理方法。本課程主要包括：電橋、放大與隔離、調制與解調、信號的濾波。第一節(jié)概述

電橋是將電阻、電感、電容等參量的變化變?yōu)殡妷夯螂娏鬏敵龅囊环N測量電路。電橋由于具有測量電路簡單可靠、較高的靈敏度、容易實現(xiàn)溫度補償?shù)葍?yōu)點，因此在測量裝置中被廣泛應用。分類：

按激勵電壓的性質：直流電橋(只能測量電阻變化)

交流電橋(能測量電阻、電感、電容的變化)

按輸出方式：不平衡橋式電路平衡橋式電路第二節(jié)電橋一、直流電橋采用直流電源的電橋稱為直流電橋，直流電橋的橋臂只能為電阻。要使電橋平衡，輸出為零，應滿足輸入：各臂電阻相對變化量ΔR/R輸出：Uy第二節(jié)電橋電橋在正常工作前必須對電橋預調平衡。下列三種形式可滿足電橋的平衡條件：全等臂電橋：R1=R2=R3=R4=R；臥式橋：R1=R2=R，R3=R4=R′；立式橋：R1=R4=R，R3=R2=R′。其中最常用的是全等臂電橋。根據(jù)電橋工作時，參與工作的橋臂數(shù)分為半橋單臂、半橋雙臂和全橋三種連接方式。第二節(jié)電橋（1）半橋單臂接法：僅一個橋臂為工作橋臂工作中只有一個橋臂阻值隨被測量的變化而變化。輸出電壓當采用全等臂電橋，即，即則輸出電壓因，所以可見，電橋的輸出與激勵電壓成正比，且在條件下，與成正比。靈敏度第二節(jié)電橋（2）半橋雙臂接法：相鄰兩橋臂為工作橋臂靈敏度與半橋單臂相比，靈敏度提高了一倍，電橋的輸出與成完全線性關系。第二節(jié)電橋（3）全橋接法：四個橋臂均為工作臂

第二節(jié)電橋以上三種接法的靈敏度比分別為1：2：4。注意：相鄰兩臂電阻增量符號相反；相對兩臂電阻增量符號相同。第二節(jié)電橋電橋測量的誤差及其補償誤差主要來源：非線性誤差和溫度誤差。非線性誤差：半橋單臂→半橋雙臂、全橋接法。溫度誤差：溫度變化造成阻值變化不同。應盡量使各應變片的溫度一致。第二節(jié)電橋直流電橋的干擾由上述可知，電橋輸出為ΔR0/R0與供橋電壓Ui的乘積。由于ΔR0/R0是一個非常小的量，因此，電源電壓不穩(wěn)定所造成的干擾是不可忽略的。為了抑制干擾，通常采用如下措施：(1)電橋的信號引線采用屏蔽電纜。(2)屏蔽電纜的屏蔽金屬網(wǎng)應該與電源至電橋的負接線端連接。(3)放大器應該具有高共模抑制比。第二節(jié)電橋電橋的和差特性：如每一橋臂都為工作橋臂，對上式全微分有：對于全等臂電橋來說，上式可表示為：即為電橋電路的和差特性，它是進行溫度補償和提高電橋靈敏度的主要依據(jù)。第二節(jié)電橋上述電橋是在不平衡條件下工作的，它的缺點是當電源電壓不穩(wěn)定，會引起電橋輸出的變化，從而產(chǎn)生測量誤差。因此，在某些情況下可以采用平衡電橋。平衡電橋設被測量等于零時，電橋處于平衡狀態(tài)，此時指示儀表G及可調電位器H指零。當某一橋臂隨被測量變化時，電橋失去平衡，調節(jié)電位器H，改變電阻R5觸電位置，可使電橋重新平衡，電表G指針回零。電位器H上的標度與橋臂電阻值的變化成比例，故H的指示值可以直接表達被測量的數(shù)值。由于平衡電橋最終輸出為零，因此測量誤差取決于可變電阻的精確度，而與電源電壓無關。第二節(jié)電橋二、交流電橋交流電橋采用交流激勵電壓。電橋的四個臂可為電感、電容或電阻。電橋平衡條件把各阻抗用指數(shù)式表示代入上式第二節(jié)電橋其中，為各阻抗的模；為阻抗角，是各橋臂電流與電壓之間的相位差，純電阻=0，電感性阻抗>0，電容性阻抗<0。

為了滿足上述平衡條件，交流電橋各臂可有不同組合。常用有電容、電感電橋，其相鄰兩臂接入電阻，而另外兩臂接入相同性質的阻抗，如都是電容或電感。電橋平衡必須滿足兩個條件第二節(jié)電橋電容電橋電感電橋第二節(jié)電橋交流電橋的平衡條件針對供橋電源只有一個頻率的情況下推出的。當供橋電源有多個頻率成分時，得不到平衡條件，也即電橋是不平衡的。因此，交流電橋對供橋電源要求具有良好的電壓波形和頻率穩(wěn)定性。一般采用音頻電源(5kHz～10kHz)作為電橋電源。這樣，電橋的輸出將為調幅波。其后應接檢波電路和低通濾波器才能恢復原信號。交流電橋的特點第二節(jié)電橋第二節(jié)

信號的放大與隔離傳感輸出的微弱電信號其幅值和功率不能滿足后續(xù)處理要求。為什么要放大信號？

反相放大器

同相放大器

差動放大器隔離方式主要有變壓器耦合、電容耦合和光電耦合。為什么要隔離信號？保證人身及設備的安全并降低干擾的影響。第二節(jié)

信號的放大與隔離第三節(jié)調制與解調

在測試技術中，調制是工程測試信號在傳輸過程中常用的一種調理方法，主要是為了使微弱緩變信號的信道傳輸?shù)膯栴}?；靖拍钫{制：將緩變的被測信號變?yōu)轭l率適當?shù)慕涣餍盘柕倪^程，以便對信號進行傳輸、放大、處理等操作，它是使一個信號（載波信號）的某些參數(shù)在另外一個信號（調制信號）的控制下發(fā)生變化的過程。解調：將調制信號恢復為原信號的過程。調制的3種方法：調幅、調頻和調相。調幅：調幅是將一個高頻簡諧信號（載波信號）與測試信號(調制信號)相乘，使載波信號幅值隨測試信號的變化而變化。調頻：用被測信號調制高頻振蕩信號的頻率，使其頻率隨被測信號的幅值而線性變化，其幅值不變。其頻率的疏密是隨被測信號幅值而發(fā)生變化的一種變頻波。調相：用被測信號調制高頻振蕩信號的相位。載波：信號調制過程中的高頻振蕩信號。一般采用5kHz～10kHz的音頻振蕩作為載波。第三節(jié)調制與解調幅度調制

原理

調幅是將一個高頻簡諧信號（載波信號）與測試信號（調制信號）相乘，使載波信號幅值隨測試信號的變化而變化。原信號頻譜圖形由原點平移至載波頻率處，其幅值減半。所以調幅過程就相當于頻率“搬移”過程

幅值調制的頻移功能在工程技術上具有重要的使用價值。例如，廣播電臺把聲頻信號移頻至各自分配的高頻、超高頻頻段上，既便于放大和傳遞，也可避免各電臺之間的干擾。第三節(jié)調制與解調對于單臂電橋，其電壓輸出為：如供橋激勵為載波頻率第三節(jié)調制與解調把調幅波xm(t)再次與載波z(t)信號相乘，則頻域圖形將再一次進行“搬移”?！巴健敝附庹{時所乘的信號與調制時的載波信號具有相同的頻率和相位。其時域：同步解調第三節(jié)調制與解調整流檢波解調對調制信號進行偏置，使其大于零。將該調幅波進行整流（半波或全波）、濾波并消除直流偏置即可恢復原信號。又稱包絡分析法。xm(t)=[A+x(t)]cos2πfzt第三節(jié)調制與解調相敏檢波解調相敏檢波解調方法能夠使已調幅的信號在幅值和極性上完整地恢復成原調制信號。相敏濾波器輸出波形的包絡線即是所需要的信號。由于被測信號的最高頻率

(載波頻率)，所以應在相敏檢波器的輸出端再接一個適當頻帶的低通濾波器，即可得到與原信號波形一致的信號。第三節(jié)調制與解調調幅應用——動態(tài)電阻應變儀

電橋放大器相敏檢波低通濾波顯示記錄載波振蕩器x(t)x(t)0t0ty(t)電阻應變片0tx’m(t)0tx’(t)0txm(t)第三節(jié)調制與解調調幅應用——動態(tài)電阻應變儀

x(t)第三節(jié)調制與解調頻率調制

原理調頻就是用調制信號(緩變的被測信號)去控制載波信號的頻率，使其隨調制信號的變化而變化。調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，使得信號的抗干擾能力得到很大的提高；同時，調頻信號還便于遠距離傳輸和采用數(shù)字技術。由于調頻信號的這些優(yōu)點使得調頻和解調技術在測試技術中得到了廣泛應用。第三節(jié)調制與解調第四節(jié)濾波器

濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其它頻率成分。在測試裝置中，利用濾波器的這種選頻作用，可以濾除干擾噪聲或進行頻譜分析。廣義地講，任何一種信息傳輸?shù)耐ǖ溃劫|）都可視為是一種濾波器。因為，任何裝置的響應特性都是激勵頻率的函數(shù)，都可用頻域函數(shù)描述其傳輸特性。因此，構成測試系統(tǒng)的任何一個環(huán)節(jié)，諸如機械系統(tǒng)、電氣網(wǎng)絡、儀器儀表甚至連接導線等等，都將在一定頻率范圍內，按其頻域特性，對所通過的信號進行變換與處理。濾波器分類

低通濾波器

高通濾波器

帶通濾波器

帶阻濾波器按選頻作用分第四節(jié)濾波器按有源、無源分無源濾波：由電阻、電容、電感線圈等電路元件構成的濾波電路稱為無源濾波電路。由于損耗信號能量及帶負載能力差受到限制。有源濾波：由運放器件(有源器件)和RC調諧網(wǎng)絡構成的濾波電路稱為有源濾波電路。按電路元件分根據(jù)濾波電路的構成電路元件分為RC濾波電路和LC濾波電路。按處理的信號的性質分可分為模擬信號濾波電路和數(shù)字信號濾波電路。第四節(jié)濾波器理想濾波器理想濾波器是指能使通帶內信號的幅值和相位都不失真，阻帶內的頻率成分都衰減為零的濾波器，其通帶和阻帶之間有明顯的分界線。也就是說，理想濾波器在通帶內的幅頻特性應為常數(shù)，相頻特性的斜率為常值；在通帶外的幅頻特性應為零。理想低通濾波器的頻率響應函數(shù)t01/fc-1/fch(t)脈沖響應實際濾波器的頻域圖形不會在某個頻率上完全截止，而會逐漸衰減并延伸到∞。第四節(jié)濾波器實際濾波器(1)實際濾波器的基本參數(shù)理想濾波器是不存在的，在實際濾波器的幅頻特性圖中，通帶和阻帶之間應沒有嚴格的界限。在通帶和阻帶之間存在一個過渡帶。在過渡帶內的頻率成分不會被完全抑制，只會受到不同程度的衰減。當然，希望過渡帶越窄越好，也就是希望對通帶外的頻率成分衰減得越快、越多越好。因此，在設計實際濾波器時，總是通過各種方法使其盡量逼近理想濾波器。第四節(jié)濾波器

紋波幅度d

在一定頻率范圍內，實際濾波器的幅頻特性可能呈波紋變化，其波動幅度d與幅頻特性的平均值A0相比，越小越好，一般應遠小于-3dB。截止頻率fc

幅頻特性值等于0.707A0所對應的頻率稱為濾波器的截止頻率。以A0為參考值，0.707A0對應于-3dB點，即相對于A0衰減3dB。若以信號的幅值平方表示信號功率，則所對應的點正好是半功率點。帶寬B和品質因素Q上、下兩截止頻率之間的頻率范圍稱為濾波器帶寬。帶寬B決定頻率分辨力。將中心頻率f0（，幾何平均）與帶寬B之比稱為濾波器的品質因素。f0確定，品質因素Q越大，濾波器分辨力越高。第四節(jié)濾波器倍頻程選擇性W

在兩截止頻率外側，實際濾波器有一個過渡帶，這個過渡帶的幅頻曲線傾斜程度表明了幅頻特性衰減的快慢，它決定著濾波器對帶寬外頻率成分衰阻的能力。通常用倍頻程選擇性來表征。所謂倍頻程選擇性，是指在上截止頻率fc2與2fc2之間，或者在下截止頻率fc1與fc1/2之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個倍頻程時的衰減量。理想濾波器=1，通常=1~5。有些濾波器因器件影響（如電容漏阻），阻帶衰減達不到-60dB，可用-40dB或-30dB帶寬與-3dB帶寬的比值表示。濾波器因數(shù)（矩形系數(shù)）濾波器選擇性的另一種表示法。用濾波器幅頻特性的-60dB帶寬與-3dB帶寬的比值表示。第四節(jié)濾波器RC無源濾波器1、一階RC低通濾波器電路的微分方程式：傳遞函數(shù)τ=RC，為時間常數(shù)。第四節(jié)濾波器1o、當時，A(f)=1,φ(f)-f

近似于一條通過原點的直線。此時，RC低通濾波器是一個不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。2o、當時，，即RC值決定著上截止頻率。3o、當時，輸出與輸入