第四章 信號(hào)的調(diào)理與記錄

第一節(jié)

電橋第二節(jié)

調(diào)制與解調(diào)第三節(jié)

濾波器第四章信號(hào)調(diào)理與記錄信號(hào)調(diào)理的的目的是便于信號(hào)的傳輸與處理。

信號(hào)調(diào)理的目的

第四章、信號(hào)調(diào)理與記錄1.傳感器輸出的電信號(hào)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(jìn)一步放大，有的還要進(jìn)行變換。

2.有些傳感器輸出的是電信號(hào)中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。3.某些場(chǎng)合，為便于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，需要對(duì)傳感器測(cè)量信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)處理。

§1電橋電橋是將電阻、電感、電容等參量的變化變?yōu)殡妷夯螂娏鬏敵龅囊环N測(cè)量電路。分類：按激勵(lì)電壓的性質(zhì)直流電橋交流電橋

按輸出方式不平衡橋式電路平衡橋式電路平衡條件：對(duì)臂電阻乘積相等。即：R1R3=R2R41.直流電橋平衡條件：

在測(cè)試過(guò)程中，根據(jù)電橋工作中的電阻值變化的橋臂情況可以分為單臂、半橋雙臂和全橋式聯(lián)接方式。單臂電橋工作中只有一個(gè)橋臂阻值隨被測(cè)量的變化而變化，圖中R1的阻值增加了?R。電橋的靈敏度

2.直流電橋的輸出特性

雙臂電橋有兩個(gè)橋臂阻值隨被測(cè)量而變化。差動(dòng)變化電橋的靈敏度

全臂電橋四個(gè)橋臂阻值隨被測(cè)量而變化。差動(dòng)變化電橋的靈敏度

設(shè)電橋四臂阻值相等R1=R２=R３=R４=R，且增量ΔR1<<R1,ΔR２<<R２,ΔR３<<R３,ΔR４<<R４，則電橋的輸出為組橋時(shí)，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K必須一致，上式又可寫成電橋加減特性懸臂梁測(cè)力的電橋的接法半橋單臂半橋雙臂全橋R1單臂

R1R2F半橋R1R2FR3R4全橋

總結(jié)：電橋靈敏度工作臂系數(shù)單臂:n=1雙臂:n=2四臂:n=4電橋線性度單臂:雙臂:全橋差動(dòng)：

二、交流電橋

供橋電源為交流，仍為基本電橋電路的形式，但是在各個(gè)臂內(nèi)可能串、并聯(lián)有電感、電容、電阻或其組合。因此除了電阻之外還有我們所說(shuō)的電抗。電橋的平衡條件：交流電橋的平衡條件：阻抗角是各橋臂電流與電壓之間的相位差。純電阻時(shí)電流與電壓同相位，φ=0；電感性阻抗，φ>0；電容性阻抗，φ<0。

電容電橋平衡條件：應(yīng)用：見(jiàn)p81電容傳感器的測(cè)量電路電感電橋平衡條件：應(yīng)用：見(jiàn)p87差動(dòng)變壓器的測(cè)量電路聲音信號(hào)廣播電臺(tái)的發(fā)射塔接收調(diào)制Modulation解調(diào)Demodulation第二節(jié)調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)的目的：主要解決微弱緩變信號(hào)的放大以及信號(hào)的傳輸問(wèn)題。

調(diào)制信號(hào)載波調(diào)制波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?gòu)姆糯笃鞯妮敵鲂盘?hào)中取出放大了的緩變信號(hào)。調(diào)制：是指利用某種低頻信號(hào)來(lái)控制或改變某一高頻信號(hào)的某個(gè)參數(shù)（幅值、頻率或相位）的過(guò)程。

解釋：高頻振蕩信號(hào)稱為載波；控制高頻振蕩的低頻信號(hào)為調(diào)制信號(hào)；調(diào)制后的高頻振蕩信號(hào)為已調(diào)制信號(hào)。調(diào)制分類：當(dāng)被控制的量是高頻振蕩信號(hào)的幅值時(shí)，稱為調(diào)幅(AM)；已調(diào)制信號(hào)為調(diào)幅波；當(dāng)被控制的量為高頻振蕩信號(hào)的頻率時(shí)，稱為調(diào)頻(FM)；已調(diào)制信號(hào)為調(diào)頻波；當(dāng)被控制的量為高頻振蕩信號(hào)的相位時(shí)，稱為調(diào)相(PM)；已調(diào)制信號(hào)為調(diào)相波；解調(diào)：則是從已調(diào)制波信號(hào)中恢復(fù)出原有低頻調(diào)制信號(hào)的過(guò)程。一、幅值調(diào)制與解調(diào)

1、幅值調(diào)制（時(shí)域?qū)嵸|(zhì)）

幅值調(diào)制是將一個(gè)高頻簡(jiǎn)諧信號(hào)（載波）與測(cè)試信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）相乘，使高頻信號(hào)的幅值隨測(cè)試信號(hào)的變化而變化。實(shí)例分析：設(shè)x(t)為被測(cè)信號(hào)，y(t)為高頻載波信號(hào)，若選擇余弦信號(hào)：y(t)=cos2πf0t，則已調(diào)制信號(hào)xm(t)為x(t)與y(t)的乘積：xm(t)=x(t)cos2πf0t則有2、調(diào)幅信號(hào)的頻域分析

調(diào)幅過(guò)程（a）時(shí)域（b）頻域小結(jié)：調(diào)幅：

從頻域上：相當(dāng)于頻率的搬遷過(guò)程。從低頻搬遷到高頻。頻譜形狀保持不變（f0>>fm，常取f0>10fm)。從時(shí)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y（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

稱為下旁頻帶。繪單邊譜。繪單邊譜。5003、調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)方法（1）同步解調(diào)

基本原理：將調(diào)幅波再經(jīng)一乘法器與原載波信號(hào)相乘，則調(diào)幅波的頻譜在頻域上將再次被進(jìn)行移頻。由于載波信號(hào)的頻率仍為f0，因此，再次移頻的結(jié)果是使原信號(hào)的頻譜圖形出現(xiàn)在0和的2f0頻率處。由于在解調(diào)過(guò)程中所乘的信號(hào)與調(diào)制時(shí)的載波信號(hào)具有相同的頻率與相位，因此這一解調(diào)的方法稱為同步解調(diào)。時(shí)域分析上有：

圖同步解調(diào)原理低通濾波器將頻率為2f0的高頻信號(hào)濾去，得到:（2）包絡(luò)檢波（整流檢波）基本原理：對(duì)調(diào)制信號(hào)偏置一個(gè)直流分量A，使偏置后的信號(hào)具有正電壓值。對(duì)該信號(hào)作調(diào)幅后得到的已調(diào)制波xm(t)的包絡(luò)線將具有原信號(hào)形狀。對(duì)該調(diào)幅波xm(t)作簡(jiǎn)單的整流（全波或半波整流）和濾波便可恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)。

出現(xiàn)問(wèn)題：如果所加的偏置電壓未能使信號(hào)電壓都位于零位同側(cè)，會(huì)造成失真，此時(shí)應(yīng)采用相敏檢波技術(shù)。圖4-15a)調(diào)制信號(hào)加足夠直流偏置b)調(diào)幅波圖4-16a)調(diào)制信號(hào)直流偏置不夠時(shí)b)調(diào)幅波解調(diào)：簡(jiǎn)單地整流、濾波低通濾波二極管檢波（3）相敏檢波

基本原理：相敏檢波能用來(lái)鑒別調(diào)制信號(hào)的極性，利用交變信號(hào)在過(guò)零位時(shí)其正、負(fù)極性發(fā)生突變，使調(diào)幅波相位與載波信號(hào)相比較也相應(yīng)地產(chǎn)生180°相位跳變，從而既能反映原信號(hào)的幅值又能反映其極性。

相敏檢波與原載波比較檢出極性變化xm

(t)與y(t)同相，

uf(t)>0，|uf|=|xm|y(t)與xm(t)反相，

uf(t)<0，|uf|=|xm|圖二極管相敏檢波器及其工作原理(a)R(t)>0,0~π(b)R(t)>0,π~2π(c)與(d)R(t)<0圖

相敏解調(diào)過(guò)程的波形轉(zhuǎn)換情形

相敏解調(diào)器解調(diào)的波形轉(zhuǎn)換過(guò)程： 當(dāng)調(diào)制信號(hào)R(t)為正時(shí)(上圖(c)中的0~t1時(shí)間內(nèi))，檢波器相應(yīng)輸出為ey1。從檢波器原理圖(a)和(b)中可以看到，無(wú)論在0~π或π~2π時(shí)間里，電流if流過(guò)負(fù)載Rf的方向不變，即此時(shí)輸出電壓ey1為正值。 當(dāng)R(t)=0時(shí)（上圖(b)中的t1點(diǎn)），負(fù)載電阻Rf兩端電位差為零，因此無(wú)電流流過(guò)Rf，此時(shí)輸出電壓ey1=0。 當(dāng)調(diào)制信號(hào)R(t)為負(fù)時(shí)(上圖(b)中的t1～t2段)，調(diào)幅波ey相對(duì)于載波e0的極性正好相差180°，此時(shí)從檢波器原理圖(c)和(d)中可看到，電流流過(guò)Rf的方向與前相反，即此時(shí)輸出電壓ey1為負(fù)值。分析：當(dāng)x(t)>0時(shí)，無(wú)論調(diào)幅波是否為正，相敏檢波器的輸出波形均為正，既保持與調(diào)制信號(hào)極性相同。同時(shí)可知，這種電路相當(dāng)于在0~t1段對(duì)xm(t)全波整流，故解調(diào)后的頻率比原調(diào)制波高一倍。當(dāng)x(t)<0時(shí)，

調(diào)幅波xm(t)與載波y(t)反相，同樣可以分析得出：當(dāng)x(t)<0時(shí)無(wú)論調(diào)幅波極性如何，相敏檢波器的輸出波形均為負(fù)，保持與調(diào)制信號(hào)極性一致。同時(shí)，電路在t1~t2段相當(dāng)于對(duì)xm(t)全波整流后反相，解調(diào)后的頻率為原調(diào)制波的兩倍。通過(guò)相敏檢波可得到一個(gè)幅值和極性均隨調(diào)制信號(hào)的幅值與極性改變的高頻信號(hào)，該信號(hào)波形的包絡(luò)線真正地重現(xiàn)了原被測(cè)信號(hào)。動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀——電橋調(diào)幅與相敏檢波的典型實(shí)例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(yīng)變片0tx’m(t)0tx’(t)0txm(t)二、頻率調(diào)制與解調(diào)1、頻率調(diào)制的基本概念頻率調(diào)制是指利用調(diào)制信號(hào)控制高頻載波信號(hào)頻率變化的過(guò)程。在頻率調(diào)制過(guò)程中載波的幅值保持不變，僅載波的頻率隨調(diào)制信號(hào)的幅值成比例關(guān)系。圖調(diào)制信號(hào)為三角波時(shí)的調(diào)頻信號(hào)波形。調(diào)頻波與調(diào)制信號(hào)幅值的關(guān)系

2、頻率調(diào)制方法頻率調(diào)制電路常用振蕩電路，如LC振蕩電路、壓控振蕩器。

LC振蕩電路：應(yīng)用于電容、渦流或電感等傳感器的測(cè)量電路。3、變壓器耦合的諧振回路鑒頻法調(diào)頻波的解調(diào)又稱鑒頻，是將頻率變化恢復(fù)成調(diào)制信號(hào)電壓幅值變化的過(guò)程優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)。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(fù)雜，因?yàn)轭l率調(diào)制是一種非線性調(diào)制。因?yàn)檎{(diào)頻信號(hào)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(diǎn)：占頻帶寬度大，復(fù)雜第三節(jié)濾波器一、概述信號(hào)分析：被測(cè)信號(hào)一般由多個(gè)頻率分量組成，檢測(cè)中得到的信號(hào)除包含有效信息外，還含有噪聲和不希望的成分，會(huì)導(dǎo)致真實(shí)信號(hào)的畸變和失真。濾波：讓被測(cè)信號(hào)中的有效成分通過(guò)，而將其中不需要的成分抑制或衰減掉。濾波器：能實(shí)施濾波功能的裝置。例：機(jī)床軸心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

濾波器分類（1）根據(jù)其選頻作用，可分為四類：四類濾波器的幅頻特性（2）根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式可分為兩類：有源濾波器：使用運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)；無(wú)源濾波器：由RLC組合配置而成。RC無(wú)源濾波器有源濾波器二、濾波器性能分析1、理想濾波器

特性理想化的濾波器。理想低通濾波器：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

理想低通濾波器，在物理上是不可實(shí)現(xiàn)的。

2、實(shí)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(shuō)明其特性，而實(shí)際濾波器的特性曲線無(wú)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，通帶中幅頻特性也非常數(shù)，需更多參數(shù)描述其性能。主要參數(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)。

圖理想和實(shí)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(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)；紋波幅度δ：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(duì)于一個(gè)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(gè)倍頻程的衰減量，以dB表示。倍頻程選擇性表征過(guò)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)）λ：濾波器幅頻特性的

-60dB帶寬與-3dB帶寬的比，即

對(duì)理想濾波器有λ=1。對(duì)普通使用的濾波器，λ一般為（1～5）。三、實(shí)際濾波電路1.一階RC低通濾波器

RC低通濾波器及其幅頻特性曲線uiu0H一階RC低通濾波器

時(shí)間常數(shù)τ=RC頻響函數(shù)：當(dāng)??1/2πRC時(shí)，當(dāng)?=1/2πRC時(shí)，?c2=1/2πRC上截止頻率:|H(jω)|=A(?)≈1，A(?)=1/改善過(guò)渡帶曲線陡度的方法：將多個(gè)RC環(huán)節(jié)級(jí)聯(lián)；采用電感元件替代電阻元件的方式。在實(shí)際應(yīng)用中必須考慮各級(jí)聯(lián)環(huán)節(jié)之間的負(fù)載效應(yīng)和相移等問(wèn)題。解決這些問(wèn)題的最好辦法是采用運(yùn)放來(lái)構(gòu)造有源濾波器。2.RC高通濾波器

RC高通濾波器的典型電路如圖所示。

RC高通濾波器及其幅頻特性曲線

uiu0H令RC=τ，得頻響函數(shù)當(dāng)?=1/2πτ，即

?=1/2πRC時(shí)，

當(dāng)??1/2πRC時(shí)，下截止頻率：?c1=1/2πRC

A(?)=1/A(?)≈1，φ(?)=0一階RC高通濾波器3.帶通濾波器低通濾波器和高通濾波器的組合。可以看作為低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián)

4.帶阻濾波器：無(wú)源帶阻濾波器帶采用橋式T型或雙T網(wǎng)絡(luò)。圖帶阻濾波器頻率響應(yīng)特性傳遞函數(shù)典型的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)低通高通帶通帶阻電路舉例各種濾波器性能比較：RC濾波器：過(guò)渡帶衰減速度慢(－6dB/倍頻程)，通帶與阻帶間無(wú)陡峭界限，性能較差。LC濾波器過(guò)渡帶曲線的陡峭度優(yōu)于RC濾波器.多個(gè)RC或LC環(huán)節(jié)級(jí)聯(lián)：極大地改善了過(guò)渡帶曲線的陡峭度，但具有明顯的負(fù)載效應(yīng)和相移增大的問(wèn)題.有源濾波器：無(wú)源濾波網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)算放大器組合而成，性能更加優(yōu)良。將濾波器網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)算放大器結(jié)合構(gòu)造有源濾波器。一、有源低通濾波器RR1RFC+-+幅頻特性：相頻特性：電路的特點(diǎn)：2.=o時(shí)1.=0

時(shí)3.二、有源高通濾波器R1RF+-+高通濾波器R幅頻特性：0o2.=o1.=0

3.四、帶通濾波器在信號(hào)頻率分析中的應(yīng)用多路帶通濾波器并聯(lián)常用于信號(hào)的頻譜分析和信號(hào)中特定頻率成分的提取。為使各帶通濾波器的帶寬覆蓋整個(gè)分析的頻帶，它們的中心頻率能使相鄰的帶寬恰好互相銜接。濾波器組具有相同的放大倍數(shù)。兩類常用的帶通濾波器組：恒帶寬比濾波器；恒帶寬濾波器；（1）恒帶寬比濾波器

恒帶寬比濾波器是指濾波器的相對(duì)帶寬是常數(shù)，即

假若一個(gè)帶通濾波器的低端截止頻率為fc1i

，高端截止頻率為fc2i

，二者的關(guān)系：式中n稱為倍頻程數(shù)。若n=1，則稱為倍頻程濾波器；若n=1/3，則稱為1/3倍頻程濾波器。一個(gè)濾波器組中后一個(gè)濾波器的中心頻率f0i與前一個(gè)濾波器的中心頻率f0(i-1)間滿足：而且，濾波器的中心頻率與上下截止頻率間的關(guān)系為

n=1的倍頻程濾波器（如下圖），有：(1)中心頻率（Hz）16,31.5,63,125,250,……,(2)帶寬（Hz

）11.31,22.27,44.55,88.39,176.78,……n=1/3倍頻程濾波器組，有：

(1)中心頻率（Hz）

12.5,16,20,25,31.5,40,50,63,……,(2)帶寬（Hz）

2.9,3.7,4.6,5.8,7.3,9.3,11.6,14.6……1倍頻程譜分析裝置（2）恒帶寬濾波器恒帶寬比的濾波器的不足之處：其通頻帶在低頻段內(nèi)甚窄，而在高頻段內(nèi)則較寬。因此，濾波器組的頻率分辨率在低頻段內(nèi)較好，在高頻段內(nèi)甚差。為了使濾波器組的分辨率在所有頻段都具有同樣良好的頻率分辨率，可以采用恒帶寬的濾波器。恒帶寬濾波器是指濾波器的絕對(duì)帶寬為常數(shù):為了提高濾波器的分辨率，其帶寬應(yīng)窄一些。但這樣為覆蓋整個(gè)頻率范圍所需要的濾波器數(shù)量就很大。因此，恒帶寬濾波器不應(yīng)做成中心頻率為固定的。實(shí)際中一般利用一個(gè)定帶寬的定中心頻率的濾波器加上可變參考頻率的差頻變換來(lái)適應(yīng)各種不同中心頻率的定帶寬濾波器的需要。參考信號(hào)的掃描速度應(yīng)能夠滿足建立時(shí)間的要求，尤其是濾波器帶寬很窄的情況，參考頻率變化不能過(guò)快。常用的恒帶寬濾波器有相關(guān)濾波和變頻跟蹤濾波兩種。中心頻率可調(diào)式掃描式頻率分析儀采用一個(gè)中心頻率可調(diào)的帶通濾波器。通過(guò)改變中心頻率使該濾波器的帶通跟所要分析的信號(hào)頻率范圍要求來(lái)變化。調(diào)節(jié)方式可以是手調(diào)或者外信號(hào)調(diào)節(jié)。掃描式頻率分析儀框圖例題：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(dāng)輸入信號(hào)ui=10sin1000t時(shí)，求輸出信號(hào)uo，并比較其幅值及相位關(guān)系。解：補(bǔ)充測(cè)試信號(hào)的顯示與記錄測(cè)試信號(hào)的顯示和記錄是不可缺少的組成部分，其目的在于：1）測(cè)試人員通過(guò)顯示儀器觀察各路信號(hào)的大小和實(shí)時(shí)波形。2）及時(shí)掌握測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信息，必要時(shí)對(duì)參數(shù)調(diào)整。3）記錄信號(hào)的重現(xiàn)。4）對(duì)信號(hào)進(jìn)行后續(xù)的分析和處理。一、信號(hào)的顯示示波器是測(cè)試中最常用的顯示儀器，有模擬示波器、數(shù)字示波器和數(shù)字存儲(chǔ)示波器。1.模擬示波器2.數(shù)字示波器3.數(shù)字存儲(chǔ)示波器模擬示波器是以傳統(tǒng)的陰極攝像管示波器為代表，下圖是一個(gè)典型通用的陰極射線管示波器的框圖。數(shù)字示波器是隨著數(shù)字電子與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一種新型示波器，其基本原理框圖如下圖所示。數(shù)字存儲(chǔ)示波器原理框圖如下圖所示。圖像顯示器陰極射線管顯示器外觀圖液晶顯示器外觀圖二、信號(hào)的記錄傳統(tǒng)儀器有光線示波器、XY記錄儀、模擬磁帶記錄儀。光線示波器、XY記錄儀將信號(hào)記錄在紙質(zhì)介質(zhì)上，頻率響應(yīng)差，分辨率低，記錄受限等，已經(jīng)逐漸退出。模擬磁帶記錄儀很少用。1.用數(shù)據(jù)采集儀器進(jìn)行信號(hào)記錄。2.用計(jì)算機(jī)內(nèi)插A/D卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與記錄.3.儀器前端直接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與記錄。

是一種常用的模擬式記錄器，主要