第4章信號的調(diào)理與記錄

第四章信號的調(diào)理和記錄第一節(jié)電橋第二節(jié)調(diào)制與解調(diào)第三節(jié)濾波器第四節(jié)信號的放大第五節(jié)測試信號的顯示與記錄1本章內(nèi)容和要求本章教學(xué)內(nèi)容電橋電路調(diào)制與解調(diào)濾波器信號的放大信號的顯示與記錄本章學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握電橋電路、調(diào)制與解調(diào)、濾波器的作用和基本原理。掌握信號放大的常用電路及其輸出-輸入之間的關(guān)系以及各種放大器的特點。了解信號的顯示與紀(jì)錄裝置。2第四章信號調(diào)理和記錄信號調(diào)理電路的作用：將傳感器輸出的信號進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)理或變換以便滿足各種需要（如電阻、電容、電感等的變化向電壓或電流的轉(zhuǎn)換，電荷向電壓的轉(zhuǎn)換，電流、電壓等的放大，實現(xiàn)各種運算，便于遠(yuǎn)距離傳輸，便于顯示記錄，能被計算機(jī)接受，變成標(biāo)準(zhǔn)信號，濾出干擾，轉(zhuǎn)換成控制信號等等）。調(diào)理電路根據(jù)其具體作用有時稱為測量電路或轉(zhuǎn)換電路或變換電路等。本章主要學(xué)習(xí)以下調(diào)理電路：電橋電路調(diào)制與解調(diào)濾波器信號的放大電路3第一節(jié)電橋電路一、直流電橋二、交流電橋三、帶感應(yīng)耦合臂的電橋4UoUeR1+RR2-RR3+RR4-R第一節(jié)電橋電路作用：電橋電路是電阻式、電容式、電感式等參量型傳感器廣泛采用的一種測量電路，其作用是將電阻式、電容式、電感式等參量型傳感器的參量變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流輸出。特點：電路簡單，具有較高的精度和靈敏度。類型：按供電電源（也叫激勵電源）可分為直流電橋—適合于電阻式傳感器交流電橋—適合于電阻式、電感式和電容式傳感器按測量方式分為偏位法測量電橋—如動態(tài)電阻應(yīng)變儀，在電橋失去平衡的狀態(tài)下記錄被測應(yīng)變量。零位法測量電橋—如靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，在電橋處于平衡的狀態(tài)下讀取被測應(yīng)變值。5一、直流電橋適合于電阻式傳感器（如電阻應(yīng)變計、熱電阻等）?；拘问剑夯菟沟请姌?。其帶載輸出電壓為6R1R2R3R4I1I4UobdUeac+–直流電橋的空載輸出電壓RL【說明】下述分析過程及結(jié)論都是建立在空載輸出的基礎(chǔ)上。實際使用時注意負(fù)載效應(yīng)的影響。I2I3IL一、直流電橋直流電橋的平衡條件7Ri—初始電阻值（i=1，2，3，4）直流電橋的電壓靈敏度：定義為單位電阻的相對變化所引起的輸出電壓大小，即R1R2R3R4UoUe+–若電橋初始平衡，且ΔRi<<Ri，則等臂電橋的和差特性（也叫加減特性）等臂電橋初始電阻值皆為R0。設(shè)Ri由R0變到R0+Ri（i=1～4），則空載輸出電壓為：8在Ri<<R0（i=1，2，3，4）時，忽略分子中的二次微項和分母中的微項，得到此式是使用等臂電橋電路時，合理布置傳感器，提高靈敏度，減小非線性，減小溫度誤差的理論依據(jù)。

和差特性表達(dá)式舉例-直流等臂電橋接電阻應(yīng)變式傳感器設(shè)四個電阻應(yīng)變計的特性參數(shù)相同，標(biāo)稱阻值皆為R0，Rm是被測力引起的電阻應(yīng)變計的電阻變化，Rt是溫度變化引起的電阻應(yīng)變計的電阻變化，則9懸臂梁應(yīng)變計配置FR1(R2)R3(R4)UoUeR1=R0+R1R2=R0-R2R3=R0+R3R4=R0-R4舉例-直流等臂電橋接電阻應(yīng)變式傳感器電橋的輸出電壓為10電橋的電壓靈敏度為溫度誤差基本被消除（不能完全消除），實現(xiàn)了溫度誤差互補(bǔ)償；消除了輸出電壓與ΔRm之間的非線性誤差；電橋電壓靈敏度是單臂電橋的4倍。舉例-直流等臂電橋接電阻應(yīng)變式傳感器圓柱形電阻應(yīng)變式測力傳感器，它的彈性敏感元件為圓柱體，八片特性相同的應(yīng)變片均布在圓柱體圓周同一橫截面上。試分析圖中各電阻應(yīng)變片的作用，并說明是如何消除溫度誤差、載荷偏心和彎矩的影響的。11圓柱形電阻應(yīng)變式測力傳感器b)展開圖R1R2R3R4R5R6R7R8c)電橋電路圖UeUoR1R3R5R7R2R4R6R8R1a)貼片圖

R2R5R6R3F傳感器在直流電橋電路中的配置方式12電阻應(yīng)變計在等臂電橋中的配置

單臂半橋雙臂全橋四臂FR1FR1(R3)R2(R4)FR1R2線性差，需設(shè)溫補(bǔ)片線性好，溫度誤差互補(bǔ)償線性好，溫度誤差互補(bǔ)償U(kuò)oUeR1=R0+RR2=R0R3=R0R4=R0UoUeR1=R0+RR2=R0-RR3=R0+RR4=R0-RUoUeR1=R0+RR2=R0-RR3=R0R4=R0直流電橋的平衡方法串聯(lián)平衡法并聯(lián)平衡法13R1R2R3R4UeUoRUabcd串聯(lián)平衡法并聯(lián)平衡法R1R2R3R4UeUoRUabcdRb平衡能力強(qiáng)平衡能力弱多功能電橋電路通常為了方便用戶使用，需要附加另外一些特征。1．通過靈敏度調(diào)節(jié)電阻器，不需要改變供電電壓就可以改變電橋的電壓靈敏度。2．當(dāng)被測物理量為零時，即使各橋臂電阻值不是嚴(yán)格匹配，也可以通過調(diào)零電阻器將輸出電壓精確調(diào)節(jié)為零。3．通過并聯(lián)標(biāo)定電阻器可以獲得電橋的電壓靈敏度。14具有靈敏度調(diào)節(jié)、平衡調(diào)節(jié)和標(biāo)定功能的直流電橋R1R2R3R4UeUoRZ1RZ2RCRS標(biāo)定調(diào)零調(diào)節(jié)靈敏度S二、交流電橋分析過程同直流電橋類似，但要注意以下區(qū)別。交流電橋由于工作在交流狀態(tài)，電路中各種寄生電容、電感等都要起作用，所以要采用復(fù)數(shù)阻抗進(jìn)行分析；交流電橋的平衡既要考慮阻抗模平衡，又要考慮阻抗相角平衡，故平衡裝置較直流電橋復(fù)雜，需要可變電阻器和可變電抗器兩套平衡裝置，且平衡過程復(fù)雜；一般采用音頻正弦波供電，輸出為調(diào)幅波，故需要后接解調(diào)電路；使用時要注意導(dǎo)線、元件等各種分布電容、電感及寄生電容、電感等的影響。交流電橋適用于電阻式、電容式和電感式傳感器。傳感器在交流電橋中的配置方式與直流電橋類似。15二、交流電橋交流電橋的基本形式16Z1Z2Z3Z4i1i2uobdueac交流電橋的平衡條件二、交流電橋交流電橋平衡舉例117據(jù)交流電橋的平衡條件得電感電橋得該交流電橋的平衡條件為交流電橋電路中各種寄生電容、電感等都要起作用，注意解決他們的影響。如上面的電路中的R2、R3一般采用無感電阻。二、交流電橋交流電橋平衡舉例218據(jù)交流電橋的平衡條件得電容電橋得該交流電橋的平衡條件為交流電橋的平衡方法既要保證復(fù)數(shù)阻抗的模的平衡，也要保證復(fù)數(shù)阻抗的相角的平衡，故一般需要兩套平衡裝置。如動態(tài)電阻應(yīng)變儀的平衡裝置如下。目前的電阻應(yīng)變儀多采用自動平衡裝置。19動態(tài)電阻應(yīng)變儀的平衡裝置三、帶感應(yīng)耦合臂的電橋這種電橋是交流電橋的變形形式之一。常用的兩種形式：a）中的變壓器有兩個作用：一是給電橋電路供電；二是其次級線圈作為電橋的兩個臂與Z4、Z3一起構(gòu)成交流電橋。也稱為變壓器電橋。b）是通過變壓器的次級線圈輸出。傳感器可以接在Z3/Z4位置或感應(yīng)耦合臂位置（如差動變壓器）。20帶感應(yīng)耦合臂的電橋帶感應(yīng)耦合臂的電橋與一般交流電橋比較，具有較高的精度（抗干擾）、靈敏度以及性能穩(wěn)定、電隔離等優(yōu)點。uea）Z4Z3Gu1W1u2W2b）ueZ4Z3W1W2調(diào)制波x(t)t0xm(t)t0調(diào)幅波第二節(jié)調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)的基本知識一、調(diào)幅及其解調(diào)二、頻率調(diào)制與解調(diào)21第二節(jié)調(diào)制與解調(diào)一些靜態(tài)或緩變的被測量經(jīng)過傳感器得到的信號多為緩變信號，采用直流放大器直接放大處理這樣的信號會遇到兩個難題——放大器的零漂和外界低頻干擾。為解決這些問題，經(jīng)常先是將直流或緩變信號變成較高頻率的交變信號，然后采用交流放大器進(jìn)行放大，最后再從高頻交變信號中將直流或緩變信號提取出來。這些過程一般稱作調(diào)制和解調(diào)。22第二節(jié)調(diào)制與解調(diào)調(diào)制：利用輸入信號（也叫調(diào)制信號或調(diào)制波）控制高頻交流載波的某個參數(shù)，使該參數(shù)隨輸入信號而變化，從而實現(xiàn)將直流或低頻信號變成高頻交變信號的過程。解調(diào)：從已調(diào)信號中提取原輸入信號（調(diào)制信號）的過程。調(diào)制的目的：實現(xiàn)頻率變換，達(dá)到信息能在給定的信道內(nèi)傳輸（即滿足工作頻帶要求）；實現(xiàn)信道多路復(fù)用，達(dá)到信息能充分利用給定的信道頻帶；提高抗干擾能力。調(diào)制的類型：根據(jù)載波被調(diào)制的參數(shù)可將調(diào)制分為幅度調(diào)制，簡稱調(diào)幅(AM=AmplitudeModulation)；頻率調(diào)制，簡稱調(diào)頻(FM=FrequencyModulation)；相位調(diào)制，簡稱調(diào)相(PM=PhaseModulation)。23一、調(diào)幅及其解調(diào)1.調(diào)幅原理調(diào)幅就是用調(diào)制信號對載波的幅值進(jìn)行調(diào)制，使載波的幅值隨調(diào)制信號的大小而成比例變化，已調(diào)波（調(diào)幅波）的幅值反映了調(diào)制信號的大小。調(diào)幅可以采用不同的方法實現(xiàn)，如平方律調(diào)幅、斬波調(diào)幅、模擬乘法器調(diào)幅等。本節(jié)主要介紹測量裝置常見的模擬乘法器調(diào)幅原理。例如交流電橋、差動變壓器式傳感器本身就相當(dāng)于一個乘法器，輸出的都是調(diào)幅波。在交流電橋中，供電電壓為載波，橋臂上元件值的變化量為調(diào)制信號。在差動變壓器中，初級線圈的供電電壓為載波，鐵心的位移信號為調(diào)制信號。24一、調(diào)幅及其解調(diào)1.調(diào)幅原理—模擬乘法器調(diào)幅原理用調(diào)制信號x(t)和高頻載波y(t)相乘，使載波y(t)的幅值隨調(diào)制信號x(t)的大小而變。載波y(t)可以是正弦/余弦波或方波。設(shè)載波y(t)=cos(2πf0t)，f0為載波頻率，則25x(t)y(t)=cos(2f0t)xm(t)=x(t)cos(2f0t)調(diào)制波載波調(diào)制器調(diào)幅波調(diào)幅信號xm(t)的波形26ty(t)0載波xm(t)0調(diào)幅波t調(diào)制波有正有負(fù)x(t)t0txm(t)0調(diào)幅波調(diào)制波在零線一側(cè)x(t)t0過零點調(diào)幅波反相2.調(diào)幅信號xm(t)的頻譜Y(f)ff0-f0(1/2)(1/2)f|X(f)|fm-fm0f|Xm(f)|-f0-fmf0-f0-f0+fmf0-fmf0+fm結(jié)論：從頻域看，調(diào)幅的結(jié)果是將調(diào)制信號的頻譜沿頻率軸平移至載波頻率f0處，且頻譜密度大小減半。【注】為了保證調(diào)幅波頻譜不至于混疊，且在解調(diào)濾波時能有效地濾掉高頻成分，要求f0>(5~10)fm

。273.調(diào)幅信號的解調(diào)方法調(diào)幅波的解調(diào)有多種方法，常用的有：同步解調(diào)（又稱相干解調(diào)或相敏解調(diào)）包絡(luò)檢波解調(diào)（又稱整流檢波或非同步解調(diào)或非相干解調(diào)）相敏檢波解調(diào)（相敏檢波解調(diào)裝置又稱鑒相器或環(huán)形解調(diào)器）283.調(diào)幅信號的解調(diào)方法（1）同步解調(diào)同步解調(diào)也稱為相干解調(diào)，因為這種解調(diào)方法既可以恢復(fù)調(diào)制信號的幅度信息，也可以恢復(fù)調(diào)制信號的相位信息，能夠識別信號的正負(fù)極性，所以這種解調(diào)方法也稱為相敏解調(diào)。同步解調(diào)的具體實現(xiàn)方案多種多樣，下面以采用模擬乘法器進(jìn)行解調(diào)為例說明解調(diào)的過程。采用模擬乘法器進(jìn)行解調(diào)包含以下兩個過程：首先將調(diào)幅波信號xm(t)與同載波信號y(t)同頻同相的參考信號vr(t)相乘；然后再用低通濾波器對得到的信號濾波，如圖所示。29（1）同步解調(diào)模擬乘法解調(diào)器原理：參考信號可以直接取自調(diào)幅時所用的載波。設(shè)vr(t)=y(t)=cos(2πf0t)30xp(t)xm(t)vr(t)xd(t)LPFLPF=LowPassFilter原信號一半高頻邊頻帶濾掉幅度為原信號頻譜一半（1）同步解調(diào)從頻域看，同步解調(diào)即為調(diào)幅波的頻譜沿頻率軸平移f0，結(jié)果中包含著調(diào)制信號的頻譜。31調(diào)幅波同步解調(diào)頻譜0ffm-fm|Xp(f)|2f0-fm+2f0fm+2f0X(f)/4-fm-2f0-2f0fm-2f0X(f)/4f|xm(f)|-fm-f0f0-f0fm-f0-fm+f0fm+f0X(f)/2X(f)/2（1）同步解調(diào)乘法器調(diào)幅及乘法器解調(diào)的頻譜變化過程32f|X(f)||X(f)|mfm－fmfY(f)f0－f0(1/2)f|Xm(f)|－f0－fmf0－f0(1/2)－f0+fmf0－fmf0+fm0|X(f)|m/200f|Xp(f)|－2f0－fm2f0－2f0－fm2f0－fm2f0+fm|X(f)|m/20f|H(f)|fc－fc0f|Xd(f)|－f0+fmf0－fm0fm－2f0+fm|X(f)|m/4低通濾波器幅頻特性調(diào)制信號頻譜載波頻譜調(diào)幅信號頻譜同步解調(diào)時濾波前的頻譜低通濾波后的頻譜（1）同步解調(diào)特點：采用模擬乘法器進(jìn)行同步解調(diào)對調(diào)制信號是否在零線一側(cè)沒有要求，但解調(diào)時需要與載波同頻同相的參考信號，實現(xiàn)上比較復(fù)雜，還需要性能良好的線性乘法器。實現(xiàn)同步解調(diào)可以采用集成的載波放大器，例如NE5521、AD598和AD698型都是單片集成載波放大器。這些載波放大器是用來完成交流放大、調(diào)幅波解調(diào)和低通濾波功能的電路，其中還包括必需的振蕩器。解調(diào)后的調(diào)制信號幅度雖然發(fā)生變化，但這種變化只是比例縮放，不會引起時域波形發(fā)生變化，即不會引起調(diào)制信號失真，而幅度的變化很容易用放大器來補(bǔ)償。33（2）包絡(luò)檢波包絡(luò)檢波也稱為非相干解調(diào)或非同步解調(diào)，采用整流檢波，然后再低通濾波的方法，如圖所示。這種方法不能識別調(diào)制信號的正負(fù)極性，為了正確地解調(diào)，要求調(diào)制信號在零線一側(cè)（或全大于零或全小于零）。如果調(diào)制信號不在零線一側(cè)，則需要加一直流偏壓調(diào)整到零線一側(cè)。如果調(diào)制信號中加上了直流偏壓，解調(diào)后，需要準(zhǔn)確地減去該直流偏壓，最簡單的方法是采用隔直電容。34xm(t)整流xd(t)低通濾波器（2）包絡(luò)檢波整流方法：半波整流，全波整流。35全波整流檢波解調(diào)全波整流+低通濾波

a)調(diào)制信號b)加直流偏置c)調(diào)幅波d)整流e)低通濾波f)減直流偏置濾波整流xd(t)KR

C

xm(t)半波整流+低通濾波

輸出電阻xd(t)xm(t)K1RCK2K3K4K1RC

xd(t)xm(t)K2（3）相敏檢波解調(diào)當(dāng)調(diào)制信號過零點時，調(diào)幅波的相位反相。相敏解調(diào)器正是利用了這一點實現(xiàn)對調(diào)幅信號的解調(diào)。由于它對相位敏感，能夠判斷出信號的正負(fù)，所以與同步解調(diào)相同，不要求調(diào)制信號全部在零線一側(cè)?；驹恚豪谜{(diào)幅波與載波比相，再經(jīng)過低通濾波。要求：載波變壓器T2的二次側(cè)輸出電壓大于調(diào)幅波變壓器T1的二次側(cè)輸出電壓。當(dāng)xm(t)=0或y(t)=0時，uo(t)=0；當(dāng)x(t)>0時，xm(t)與y(t)同相，i>0，uo(t)>0；y(t)正半周：i=i1-i2>0y(t)負(fù)半周：i=i3-i4>0當(dāng)x(t)<0時，xm(t)與y(t)反相，i<0，uo(t)<0；y(t)正半周：i=i1-i2<0y(t)負(fù)半周：i=i3-i4<036相敏檢波解調(diào)過程37相敏檢波解調(diào)原理調(diào)幅波載波信號y(t)1234VD1R1uo(t)T25dxm(t)VD2VD3VD4T1i1i2i3i4ix(t)0tt1t2xm(t)0tt1t20ty(t)0uo(t)t0xd(t)tL1C1C2低通濾波xd(t)當(dāng)x(t)>0時，xm(t)與y(t)同相，i>0，uo(t)>0；y(t)正半周：i=i1-i2>0y(t)負(fù)半周：i=i3-i4>0當(dāng)x(t)<0時，xm(t)與y(t)反相，i<0，uo(t)<0；y(t)正半周：i=i1-i2<0y(t)負(fù)半周：i=i3-i4<0調(diào)幅電路應(yīng)用舉例早期的動態(tài)電阻應(yīng)變儀；差動電感式傳感器調(diào)幅測量電路；差動變壓器式傳感器測量電路；電容式傳感器調(diào)幅測量電路等。38現(xiàn)在的動態(tài)電阻應(yīng)變儀多采用數(shù)字顯示、自動平衡和模擬輸出，增加了A/D轉(zhuǎn)換等電路。調(diào)幅電路應(yīng)用舉例39靜態(tài)電阻應(yīng)變儀動態(tài)電阻應(yīng)變儀調(diào)幅電路應(yīng)用舉例40動靜態(tài)電阻應(yīng)變儀調(diào)幅電路應(yīng)用舉例41載波振蕩器直流電源移相器同步解調(diào)器低通濾波器縮放網(wǎng)絡(luò)A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)字顯示極限比較器BCD接口功率放大器交流放大器直流放大器相位極限2極限1米制英制調(diào)零量程激勵輸出線路電源模擬輸出極限輸出BCD輸出信號輸入EoS1S2P1P2線性可變差動變壓器（LVDT）信號調(diào)理電路框圖二、頻率調(diào)制與解調(diào)1.調(diào)頻(FM)原理調(diào)頻是利用調(diào)制信號對載波的頻率進(jìn)行調(diào)制，使載波的頻率隨調(diào)制信號的大小而成比例變化，但幅值保持不變，已調(diào)波（調(diào)頻波）頻率的變化量反映了調(diào)制信號的大小。即調(diào)頻波是頻率隨調(diào)制信號大小而變化的等幅波。載波可以采用正弦（或余弦）波或方波等。調(diào)頻波的解調(diào)過程稱為鑒頻，用鑒頻器來完成。FM的特點：抗干擾，便于遠(yuǎn)距離傳輸，不易失真，也很容易采用數(shù)字技術(shù)和計算機(jī)處理。42二、頻率調(diào)制與解調(diào)1.調(diào)頻(FM)原理設(shè)載波y(t)=Acos(ω0t)，ω0為載波中心頻率，是沒有受到調(diào)制時的載波頻率。如果保持振幅A為常數(shù)，讓載波瞬時角頻率ω(t)隨調(diào)制信號x(t)作線性變化，即有ω(t)=ω0+kx(t)。式中k是比例常數(shù)，表示調(diào)制信號x(t)對載波頻率偏移量的控制能力，是單位調(diào)制信號產(chǎn)生的頻率偏移量，故稱為調(diào)頻靈敏度。調(diào)頻信號的瞬時相角為式中φ0是調(diào)頻信號的起始相角。所以，調(diào)頻信號可以表示為43二、頻率調(diào)制與解調(diào)1.調(diào)頻(FM)原理：

4400.511.522.53-1-0.500.5100.511.522.53-1-0.500.5100.511.522.53-1-0.500.51載波調(diào)制波調(diào)頻波t1t2t3t4t52.調(diào)頻的實現(xiàn)方法針對不同的傳感器，實現(xiàn)調(diào)頻的具體方案很多。對于電阻、電容、電感等參量型傳感器，可選的調(diào)頻方案有可變振蕩器諧波振蕩器弛緩振蕩器CMOS振蕩器等電壓-頻率變換器。對于發(fā)電型傳感器，主要采用電壓-頻率變換器。452.調(diào)頻的實現(xiàn)方法（1）諧波振蕩器諧波振蕩器輸出的是正弦波。將電容式、電感式或電阻式傳感器放置在RC諧波振蕩器或LC諧波振蕩器中作為振蕩器的一個選頻元件，當(dāng)傳感器的電容、電感或電阻值隨被測量而變時，傳感器的阻抗發(fā)生變化，從而導(dǎo)致振蕩器的振蕩頻率也隨之發(fā)生變化，輸出調(diào)頻信號。這種方法要求C/C0或L/L0很小，即頻偏不能太大，否則非線性嚴(yán)重。RC諧波振蕩器依靠RC移相網(wǎng)絡(luò)或維恩電橋進(jìn)行工作，最好是采用維恩電橋，因為它更穩(wěn)定。462.調(diào)頻的實現(xiàn)方法（1）諧波振蕩器下圖示出維恩電橋的基本結(jié)構(gòu)和用來對其進(jìn)行分析的等效方框圖。圖中，Ad、Ac分別是運算放大器的開環(huán)差模放大倍數(shù)和開環(huán)共模放大倍數(shù)，Z1是R1和C1的串聯(lián)等效阻抗，Z2是R2和C2的并聯(lián)等效阻抗。如果運算放大器滿足Ad?Ac，且滿足一定的條件，則電路將產(chǎn)生振蕩，振蕩頻率為472.調(diào)頻的實現(xiàn)方法（1）諧波振蕩器48維恩電橋振蕩器a）維恩電橋振蕩器的基本結(jié)構(gòu)b）等效方框圖–+uoR3R4R1C1C2R2a)b)+–2.調(diào)頻的實現(xiàn)方法（1）諧波振蕩器傳感器可以是Z1或Z2的任一部分（電阻或電容）。為了保證能在起動時形成振蕩，R3或R4的選擇取決于uo。當(dāng)uo很小時，需要大的增益，以對運算放大器輸入端頻率為fo的任何擾動進(jìn)行放大。一旦uo達(dá)到足夠大的幅度后，便要求降低增益，以防出現(xiàn)輸出飽和。492.調(diào)頻的實現(xiàn)方法（1）諧波振蕩器50使用二極管限幅的實際維恩電橋振蕩器–+uoR3R4'R1C1C2R2R4"右圖示出一個實際振蕩器。當(dāng)uo很小時，R4=R4'。但當(dāng)uo大到一定程度時，兩個二極管輪流在各自相應(yīng)的半周期內(nèi)導(dǎo)通，R4=R4'||R4"，增益下降。例如，們可以選擇R4'=2.1R3和R4"=10R4'。2.頻率調(diào)制方法對于發(fā)電型傳感器，采用電壓-頻率變換器。電壓-頻率變換器

(也叫壓頻轉(zhuǎn)換器V/F)：電壓?頻率變換器從輸入電壓或電流給出與一般的邏輯電平（TTL，CMOS）兼容的脈沖串或方波信號或兩者兼?zhèn)?，信號的頻率與模擬輸入量呈線性比例關(guān)系。壓控振蕩器也是一種電壓?頻率變換器，但變化范圍非常有限（至多為100:1），線性較差。然而，它們可以工作在遠(yuǎn)高于電壓?頻率變換器的10MHz常規(guī)極限頻率之上。單片電壓?頻率變換器能給出從100kHz到10MHz的滿量程輸出頻率，頻率的變化范圍為1～10000，相當(dāng)于模數(shù)轉(zhuǎn)換器13位的分辨力。這里的調(diào)制信號是電壓，因此適用于發(fā)電式傳感器或者將被測量轉(zhuǎn)換成電壓以后再調(diào)頻的測量電路。513.調(diào)頻信號的解調(diào)調(diào)頻信號的解調(diào)過程是從調(diào)頻信號中恢復(fù)調(diào)制信號的過程，稱為鑒頻，用于實現(xiàn)鑒頻的電路稱為鑒頻器。實現(xiàn)鑒頻的方案有很多，分為直接鑒頻和間接鑒頻兩類。直接鑒頻就是直接檢測調(diào)頻信號中的頻率，然后還原出調(diào)制信號。間接鑒頻是將調(diào)頻信號轉(zhuǎn)換成另一種形式的信號，然后還原出調(diào)制信號。523.調(diào)頻信號的解調(diào)直接鑒頻法之一是采用零點鑒頻器或脈沖計數(shù)式鑒頻器。將調(diào)頻信號放大限幅成方波并轉(zhuǎn)換成脈沖信號去觸發(fā)定時單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，轉(zhuǎn)換成一系列時寬相等但頻率隨調(diào)頻信號頻率變化的單向窄矩形波輸出，然后取其平均電壓。533.調(diào)頻信號的解調(diào)直接鑒頻法之一：零點鑒頻器54零點鑒頻器工作原理ufu1u2u3u4uottttttufu1u2u3u4uo限幅放大器微分器整流器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器低通濾波器0000003.調(diào)頻信號的解調(diào)直接鑒頻法之二：采用計數(shù)器和計時器鑒頻（頻率計）55頻率計的基本方框圖ufT0N0計數(shù)器fx3.調(diào)頻信號的解調(diào)間接鑒頻法間接鑒頻可以采用振幅鑒頻法和相位鑒頻法等。振幅鑒頻法是將等幅的調(diào)頻信號變換成振幅也隨瞬時頻率變化、既調(diào)頻又調(diào)幅的調(diào)頻-調(diào)幅波，然后通過包絡(luò)檢波器獲得原調(diào)制信號。振幅鑒頻的實現(xiàn)方法有直接時間域微分法、斜率鑒頻法等。斜率鑒頻法利用在所需頻率范圍內(nèi)具有線性幅頻特性的網(wǎng)絡(luò)完成鑒頻，可以采用單失諧回路，也可以采用雙失諧回路。這兩種鑒頻網(wǎng)絡(luò)是利用調(diào)諧回路幅頻特性曲線的傾斜部分鑒頻，因此稱為斜率鑒頻法。另外由于是利用調(diào)諧回路的失（離）諧狀態(tài)，所以又稱為失（離）諧回路法。563.調(diào)頻信號的解調(diào)間接鑒頻法：單失（離）諧回路法。57用變壓器耦合的失諧回路鑒頻a）鑒頻器b）頻率－電壓特性曲線頻率-電壓線性變換部分L2L1C1C2CRKufuoua幅值包絡(luò)檢波部分Uamftfrf0000ttuouaa)b)fΔfm調(diào)頻應(yīng)用舉例渦電流傳感器的調(diào)頻測距電路電容式傳感器調(diào)頻測量電路外差式電感或電容傳感器調(diào)頻電路58第三節(jié)濾波器一、概述二、濾波器性能分析三、實際濾波電路四、帶通濾波器在信號頻譜分析中的應(yīng)用59一、概述濾波器的作用：用于濾除信號中無用的信號分量，保留有用的信號分量。濾波器的應(yīng)用十分普遍，如用于抑制噪聲干擾，平滑信號；數(shù)字信號處理中的抗混疊濾波；分離信號不同頻率成分（頻譜分析）；機(jī)械隔振等等。例如，有一個較低頻率的信號，其中包含一些較高頻率成分的干擾。經(jīng)低通濾波器后，高頻干擾被濾掉。60低通濾波器一、概述濾波器的類型：最廣泛使用的濾波器是選頻濾波器，按通過的信號頻率范圍（通頻帶）分為低通濾波器；高通濾波器；帶通濾波器；帶阻（或稱陷波）濾波器。61d）帶阻濾波器A4(f)0fc1ffc2AP四類基本濾波器的幅頻特性A1(f)f0fc2APa）低通濾波器A2(f)f0fc1APb）高通濾波器f0fc1fc2A3(f)APc）帶通濾波器二、濾波器性能分析1.理想濾波器動態(tài)特性及可行性所謂理想濾波器就是將濾波器的一些特性理想化而定義的濾波器。62對于理想低通濾波器，應(yīng)有理想低通濾波器的頻響特性(f)f0fcA(f)f0fcA0理論分析表明，具有理想特性的濾波器實際上是不可實現(xiàn)的。實際的濾波器在截止頻率處存在過渡帶，這個過渡帶可能持續(xù)到無限遠(yuǎn)處，即實際濾波器對通頻帶之外的頻率成分只能極大地衰減，而不可能完全濾掉。

2.實際濾波器的特征參數(shù)理想濾波器只需給出上、下截止頻率即可完全確定其特性，而實際濾波器由于其幅頻特性曲線存在過渡帶，且通帶內(nèi)幅頻特性也不是常數(shù)，所以需要更多的參數(shù)才能合理描述其性能。主要參數(shù)有截止頻率fc1和fc2帶寬B中心頻率f0紋波幅度品質(zhì)因數(shù)Q倍頻程選擇性濾波器因數(shù)（矩形系數(shù)）等。632.實際濾波器的特征參數(shù)

64實際帶通濾波器的幅頻特性fc1fc2f0A(f)A0理想實際即截止頻率就是幅頻特性值衰減3dB點的頻率，正好是半功率點。截止頻率描述了濾波器的通頻帶范圍。2.實際濾波器的特征參數(shù)（2）帶寬B和中心頻率f0帶寬B定義為分為上、下截止頻率之差，即65實際帶通濾波器的幅頻特性fc1fc2f0A(f)A0理想實際【注】對于低通和帶通濾波器，帶寬指的是通帶寬度；對于高通和帶阻濾波器，帶寬指的是阻帶寬度。也稱為-3dB帶寬。帶寬標(biāo)志著濾波器的頻率分辨能力，即濾波器分離信號中相鄰頻率成分的能力。帶寬越窄，頻率分辨能力越高。B2.實際濾波器的特征參數(shù)（2）帶寬B和中心頻率f0中心頻率f0定義為分為上、下截止頻率之幾何平均，即66實際帶通濾波器的幅頻特性fc1fc2f0A(f)A0理想實際【注】中心頻率只適用于帶通和帶阻濾波器。f02.實際濾波器的特征參數(shù)（3）紋波幅度δ通頻帶內(nèi)幅頻特性值的波動值稱為紋波幅度。紋波幅度用于衡量實際濾波器在通頻帶內(nèi)的幅頻特性值的波動程度，可按下式計算67實際帶通濾波器的幅頻特性fc1fc2f0A(f)AmaxAminA0理想實際一般要求B即2.實際濾波器的特征參數(shù)（4）品質(zhì)因數(shù)Q品質(zhì)因數(shù)Q定義為中心頻率f0與帶寬B之比。即68實際帶通濾波器的幅頻特性fc1fc2f0A(f)AmaxAminA0理想實際品質(zhì)因數(shù)Q用于衡量濾波器的頻率選擇性—過渡帶衰減快慢程度。BQ越大，過渡帶衰減越快，頻率選擇性越好。2.實際濾波器的特征參數(shù)（5）倍頻程選擇性理想濾波器在通頻帶之外幅頻特性值立即衰減到零，而實際濾波器則存在一個過渡帶，是慢慢衰減的。這一衰減的快慢決定了濾波器對通頻帶之外頻率成分的衰阻能力——即選擇能力。當(dāng)然，衰減越快越好。衰減的快慢通常用倍頻程選擇性來衡量。69倍頻程選擇性，是指在上、下截止頻率之外頻率各變化為截止頻率的一倍處所對應(yīng)的幅頻特性值的衰減量，用dB衡量。即實際帶通濾波器的幅頻特性fc1fc2f0A(f)AmaxAminA0理想實際B-60dBA0/1000B-3dB2.實際濾波器的特征參數(shù)（6）濾波器因數(shù)（或叫矩形系數(shù)）λ濾波器因數(shù)是表示濾波器選擇性的另一種方法，定義為幅頻特性的-60dB帶寬與-3dB帶寬之比值。即70B-60dB是幅頻特性值衰減60dB（即幅頻特性值衰減到A0/1000)點所對應(yīng)的帶寬。B-60dB越接近B-3dB，過渡帶衰減越快，選擇性越好。理想濾波器，λ=1；實際濾波器λ一般在1~5之間。實際帶通濾波器的幅頻特性fc1fc2f0A(f)AmaxAminA0理想實際B-60dBA0/1000B-3dB三、實際濾波電路模擬濾波器（由模擬電路實現(xiàn)）RC濾波器無源RC濾波器有源RC濾波器LC濾波器（無源）數(shù)字濾波器（由數(shù)字電路或數(shù)字算法軟件實現(xiàn)）71

三、實際濾波電路濾波器產(chǎn)品72

電源濾波器模擬信號濾波器可編程濾波器可編程為低通、高通和帶通一階無源RC低通濾波器73一階無源RC低通濾波器CRui(t)uo(t)時間常數(shù)

=RC，決定了該濾波器的動態(tài)特性（工作頻帶）。 上截止頻率：倍頻程選擇性：H(s)=1/(s+1)的BodeDiagram(rad/s)=0.001s101102103104105-90-450()()-40-30-20-10020lgA()(dB)一階無源RC低通濾波器的頻響特性曲線-20dB/十倍頻程≈-6dB/倍頻程-374一階無源RC高通濾波器RCui(t)uo(t)一階無源RC高通濾波器時間常數(shù)

=RC，決定了該濾波器的動態(tài)特性（工作頻帶）。 下截止頻率：倍頻程衰減率：75H(s)=s/(s+1)的BodeDiagram(rad/s)=0.01s10010110210310404590()()-50-40-30-20-10020lgA()(dB)一階無源RC高通濾波器的頻響特性曲線+20dB/十倍頻程≈-6dB/倍頻程-376二階無源RC帶通濾波器下截止頻率：77R1C1uo(t)二階RC帶通濾波器C2R2ui(t)

K上截止頻率：二階無源RC帶通濾波器78-50-40-30-20-100-90-4504590fc1(f)()20lgA(f)(dB)+20dB/dec二階RC帶通濾波器的頻響特性曲線（伯德圖）–20dB/decf(Hz)fc2-3雙T型RC帶阻濾波器79頻響特性曲線如下圖所示。當(dāng)時uoC3R1uiC1R3C2R2雙T型RC帶阻濾波器的頻響特性曲線8000.20.40.60.81f/f0|H(f)|0.010.11.010100-90-4504590f/f0(f)(°)為阻帶中心頻率。各種有源濾波器一階有源RC低通濾波器CR1R2uiuo81一階有源RC高通濾波器CR1R2uiuo二階有源RC帶通濾波器C1R1R2uiuoC2【注】教材144頁圖4-31c)同上，為二階有源RC帶通濾波器。相當(dāng)于一階低通和高通串聯(lián)而成。各種有源濾波器82RFRCR1uiuo二階SallenKey低通濾波器CR四、帶通濾波器在信號頻譜分析中的應(yīng)用1.多路濾波器并聯(lián)將中心頻率不同的帶通濾波器并聯(lián)起來用于頻譜分析。83四、帶通濾波器在信號頻譜分析中的應(yīng)用1.多路濾波器并聯(lián)帶通濾波器的設(shè)計通常有兩種方法恒帶寬比濾波器Bi/f0i=常數(shù)fc2i=2nfc1if0i=2nf0(i-1)n—倍頻程數(shù)恒帶寬濾波器B=fc2i?fc1i=常數(shù)84b)恒帶寬濾波器特性………a)恒帶寬比濾波器特性四、帶通濾波器在信號頻譜分析中的應(yīng)用2.中心頻率可調(diào)式濾波器掃描式頻譜分析儀采用。85輸入放大器中心頻率可調(diào)濾波器檢測器輸出放大器手動或自動調(diào)節(jié)輸入顯示記錄掃描式頻譜分析儀框圖?+?++?R1R2RGA1A2A3R3R4R5R6ui1ui2uo第四節(jié)信號的放大一、基本放大電路二、儀器放大器三、可編程增益放大器86第四節(jié)信號的放大放大電路的主要作用是用于對信號進(jìn)行放大。放大電路目前一般采用集成放大器，常見的有：由集成運算放大器構(gòu)成的基本放大電路同相放大器反相放大器差分放大器儀器放大器（或稱儀表放大器或儀用放大器或測量放大器）可編程增益放大器斬波放大器載波放大器互導(dǎo)放大器、互阻抗放大器等87一、基本放大電路88b)同相放大電路a)反相放大電路c)差分放大電路b)a)c)輸入阻抗低，容易對傳感器形成負(fù)載效應(yīng)。輸入阻抗高，但易引入共模干擾。也不能提供足夠的輸入阻抗和共模抑制比。二、儀器放大器儀器放大器是儀器中廣泛采用的一種特殊結(jié)構(gòu)的放大器。特點：與普通放大器相比，儀器放大器是一種能同時提供高輸入阻抗和共模抑制比的差動放大器。此外，它還具有以下特點：可以用單一電阻器調(diào)節(jié)增益，增益穩(wěn)定，失調(diào)電壓和失調(diào)電流低，漂移小，輸出阻抗低。適中的帶寬和有限范圍的增益(通常為1~1000)。實現(xiàn)方案：采用通用運放構(gòu)成直接采用集成儀器放大器89二、儀器放大器儀器放大器典型電路結(jié)構(gòu)90教材147頁圖4-38中的R1和R2位置不對。?+?++?R1R2RGA1A2A3R3R4R5R6ui1ui2uo儀器放大器典型電路結(jié)構(gòu)差分輸入級單端輸出級由兩級差分放大器電路構(gòu)成。運放A1、A2采用同相差分輸入方式，構(gòu)成差分輸入級。運放A3采用差分輸入，構(gòu)成單端輸出級。當(dāng)R1=R2，R3=R4，R5=R6時，增益二、儀器放大器儀器放大器典型電路結(jié)構(gòu)輸入級采用同相輸入可以大幅提高電路的輸入阻抗，減小電路對微弱輸入信號的衰減（負(fù)載效應(yīng)）；差分輸入可以使電路只對差模信號放大，而對共模輸入信號只起跟隨作用，使得送到后級的差模信號與共模信號的幅值之比(即共模抑制比CMRR)得到提高。這樣在以運放A3為核心部件組成的差分放大電路中，在CMRR要求不變情況下，可明顯降低對電阻R3和R4，R5和R6的精度匹配要求，從而使儀表放大器電路比簡單的差分放大電路具有更好的共模抑制能力。在R1=R2，R3=R4，R5=R6的條件下，電路的增益為：G=(1+2R1/RG)(R5/R3)。由公式可見，電路增益的調(diào)節(jié)可以通過改變RG阻值實現(xiàn)。91二、儀器放大器集成儀器放大器92型號：INA103BURR-BROWN（BB）公司三、可編程增益放大器增益可通過編程控制。將運算放大器、電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)以及譯碼器等電路集成到一塊芯片上，則構(gòu)成集成可編程增益放大器。93可編程增益放大器基本原理三、可編程增益放大器可編程增益放大器產(chǎn)品實例94數(shù)控可編程增益儀器放大器型號：PGA202BURR-BROWN公司A1A0GAIN001011010100111000第五節(jié)測試信號的顯示與記錄一、信號的顯示二、信號的記錄95第五節(jié)測試信號的顯示與記錄通過各種測量裝置獲取的信號通常都是電壓或電流信號，由于電壓或電流是不可見的，所以必須轉(zhuǎn)換成一種觀測者所能看見并能理解的形式。顯示和記錄儀器就是用于將測得的信號顯示或記錄下來，以供觀察和分析，從中得到信息。96第五節(jié)測試信號的顯示與記錄顯示裝置將所需要的信息或信號的波形等以可見的文本、圖形形式顯示出來。信息的表現(xiàn)形式包括刻度盤上指針的移動、數(shù)碼管顯示、液晶顯示、陰極射線管上電子束顯示等。顯示裝置按顯示方式分為模擬式和數(shù)字式兩大類。模擬式顯示裝置直接顯示模擬信號，常用的模擬顯示裝置包括指針式顯示儀器（如指針式電壓表、電流表、溫度表、壓力表等），CRT（陰極射線管）顯示裝置（如模擬式電子示波器、計算機(jī)CRT顯示器等）。數(shù)字式顯示裝置或是直接顯示數(shù)字信號，或者通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后進(jìn)行顯示。典型的數(shù)字顯示裝置包括LED顯示器、LCD顯示器等。97第五節(jié)測試信號的顯示與記錄記錄儀器可以將信息或信號波形以可見或不可見的形式記錄或存儲起來，以供進(jìn)一步觀察或后續(xù)分析和處理使用。記錄的形式可以采用筆記錄、各種打印機(jī)記錄、各種存儲器記錄等。一些記錄儀器（例如筆式記錄儀、打印機(jī)等）以可見的形式記錄信號或信息，因此這類記錄儀器同時具有顯示功能。而另一些記錄裝置（如微儲存卡、磁帶記錄儀等）以不可見的形式記錄信號或信息，因此這類記錄儀器只具有存儲功能，需要某種顯示儀器將記錄的信號或信息直接或經(jīng)過分析處理后顯示出來。記錄裝置按記錄信號的形式分為模擬式、數(shù)字式兩大類。模擬式記錄裝置直接記錄模擬信號，常見的有筆試記錄儀、熱敏式記錄儀、壓敏式記錄儀、模擬磁帶記錄儀等。數(shù)字式記錄裝置或者直接記錄數(shù)字信號，或者通過A/D轉(zhuǎn)換器將模擬輸入信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后進(jìn)行記錄。常見的有數(shù)字磁帶記錄儀、數(shù)字函數(shù)記錄儀、數(shù)字存儲示波器、數(shù)字打印機(jī)、磁盤記錄器、光盤記錄器、微存儲卡記錄器等。98動圈式模擬顯示和記錄裝置動圈式模擬顯示和記錄裝置采用的典型測量機(jī)構(gòu)是達(dá)松伐爾測量機(jī)構(gòu)，如圖所示。如果將指針改成記錄筆，并增加走紙機(jī)構(gòu)，便可構(gòu)成筆式記錄儀。這種顯示或記錄儀表具有二階低通特性。99動圈式模擬顯示和記錄裝置當(dāng)使用達(dá)松伐爾測量機(jī)構(gòu)測量交流（不一定是正弦波）電壓時，必須進(jìn)行整流。對整流后電壓的檢測有不同的檢測電路，一般有絕對均值檢測電路、峰值檢測電路和有效值（或稱均方根值）檢測電路三種。無論采用哪種檢測電路，一般的做法都是將儀表的刻度標(biāo)定成讀取有效值。通常，標(biāo)定都是以正弦波作為基準(zhǔn)，有效值的刻度是按著正弦波的有效值與其峰值或絕對均值之間的關(guān)系來標(biāo)定的，所以，只有在測量純正弦波的時候才準(zhǔn)確；而對非正弦波，直接檢測峰值或絕對均值的儀表不可能讀出正確的均方根值。要準(zhǔn)確地測量非正弦波信號的有效值，應(yīng)該采用所謂的真有效值測量儀表，如熱電式電壓表。100動圈式模擬顯示儀表101數(shù)字電壓表和多功能表與模擬儀表相比，數(shù)字儀表能提供更高的準(zhǔn)確度和輸入阻抗，能在更大的可視距離上清晰地讀數(shù)，尺寸較小。除了能提供可視化讀數(shù)之外，還能輸出數(shù)字電信號，用于與外部設(shè)備連接。數(shù)字儀表的三種主要類型為面板式儀表，臺式儀表和系統(tǒng)儀表。所有數(shù)字式儀表都使用了某種類型的A/D轉(zhuǎn)換器（常用的是雙斜坡積分型），并有可視化的讀數(shù)裝置顯示轉(zhuǎn)換器的輸出。面板式儀表一般功能單一，而臺式和系統(tǒng)儀表一般為多功能儀表（俗稱萬用表）。萬用表可以在若干個量程上讀取交直流電壓、電流和電阻等?；倦娐范际侵绷麟妷菏降摹ｋ娏鳒y量通過一個精密低阻值分流