油氣井工程測(cè)量理論與方法51信號(hào)調(diào)理

第五章

信號(hào)調(diào)理傳感器的本身是以一定精確度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有對(duì)應(yīng)關(guān)系的便于應(yīng)用某種物理量的裝置。如將非電量（振動(dòng)、位移、加速度、光、濕度、溫度…….）轉(zhuǎn)換成電量（如電阻、電容、電感等），當(dāng)然剛剛還學(xué)習(xí)了光強(qiáng)的調(diào)制。那么這些被轉(zhuǎn)換的電信號(hào)通常要進(jìn)行某些調(diào)理和處理，以便提高信噪比。（拿出有用的，拋開無(wú)用的），并把信號(hào)轉(zhuǎn)換成更便于處理、顯示和接收的形式。最終轉(zhuǎn)換為儀表示值或被記錄。第一節(jié)

電橋電橋電路是一種在傳感檢測(cè)中應(yīng)用最廣泛，也是最傳統(tǒng)的一種測(cè)量電路。它通過電橋的運(yùn)算特性，可以將橋路中的電阻、電感或電容等參量的變化變?yōu)闃蚵返妮敵鲭妷夯螂娏鞯淖兓?。如果我們能將被測(cè)的物理量轉(zhuǎn)化為橋路中電參數(shù)的變化，則通過對(duì)橋路輸出電壓的檢測(cè)，就可以知道被測(cè)物理量的變化情況。在此不再贅述。第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)什么叫調(diào)制？調(diào)制就是使一個(gè)信號(hào)的某些參數(shù)在另一個(gè)信號(hào)的控制下發(fā)生變化的過程。前一個(gè)信號(hào)稱為載波，一般是較高頻率的交變信號(hào)。后一個(gè)信號(hào)（控制信號(hào)）稱為調(diào)制信號(hào)。最后的輸出是調(diào)制波。已調(diào)制的信號(hào)都便于放大和傳輸（這是調(diào)制信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)、特色，也是為什么采用調(diào)制的原因），最終從已調(diào)制波中恢復(fù)出調(diào)制信號(hào)的過程，稱為解調(diào)。一、基礎(chǔ)部分頻譜變換的基本概念信號(hào)的頻譜信號(hào)的頻譜，是指組成信號(hào)的各個(gè)頻率正弦分量按頻率的分布情況。如果以頻率為橫坐標(biāo)、以組成這個(gè)信號(hào)的各個(gè)頻率正弦分量的振幅為縱坐標(biāo)作圖，就可以得到該信號(hào)的頻譜圖，簡(jiǎn)稱頻譜。用頻譜表示信號(hào)，可以直觀地了解信號(hào)的頻率組成和特點(diǎn)。因此，一個(gè)信號(hào)有三種表示方法：寫出數(shù)學(xué)表達(dá)式畫出它的波形畫出它的頻譜三種表示方法在本質(zhì)上是相同的，因此可由一種表達(dá)方法得到其它兩種表示方法。應(yīng)該指出，對(duì)于某些復(fù)雜的信號(hào)或無(wú)規(guī)律的信號(hào)，要寫出它的數(shù)學(xué)表達(dá)式或畫出它的波形是很困難的，這時(shí)用頻譜來(lái)表示這種信號(hào)既容易、又方便。1.2頻率變換調(diào)制：所謂調(diào)制是將所需傳送的基帶信號(hào)加載到載波信號(hào)上去，以調(diào)幅波、調(diào)相波或調(diào)頻波的形式輻射出去。解調(diào)：所謂解調(diào)是將接收到的已調(diào)波的原調(diào)制信號(hào)取出來(lái)，例如從調(diào)幅波的振幅變化中取出原調(diào)制信號(hào)。從調(diào)相波的瞬時(shí)相位變化中取出原調(diào)制信號(hào)。從調(diào)頻波的瞬時(shí)頻率變化中取出原調(diào)制信號(hào)。從頻譜的角度來(lái)看：（1）調(diào)制：把低頻的調(diào)制信號(hào)頻譜變換為高頻的已調(diào)波頻譜（2）解調(diào)：把高頻的已調(diào)波頻譜變換為低頻的調(diào)制信號(hào)頻譜（3）變頻：把高頻的已調(diào)波頻譜變換為中頻的已調(diào)波頻譜。因此調(diào)制、解調(diào)和變頻電路都屬于頻譜變換電路。頻率變換：指輸出信號(hào)的頻率與輸入信號(hào)的頻率不同，而且滿足一定的變換關(guān)系。3、頻譜變換電路：頻譜變換電路分為頻譜搬移電路和頻譜非線性變換電路兩種。（1）頻譜搬移電路：將輸入信號(hào)頻譜沿頻率軸進(jìn)行不失真的搬移，頻譜內(nèi)部結(jié)構(gòu)保持不變，如調(diào)幅、檢波、變頻電路都是這類電路。（2）頻譜非線性變換：將輸入信號(hào)頻譜進(jìn)行特定的非線性變換，如調(diào)頻、鑒頻、調(diào)相、鑒相等電路。模擬乘法器模擬乘法器1、模擬乘法器是一種完成兩個(gè)模擬信號(hào)（連續(xù)變化的電壓或電流）相乘作用的電子器件，通常具有兩個(gè)輸入端和一個(gè)模擬乘法器的符號(hào)、ux輸出端，若輸入信號(hào)用

表u

y示，輸出信號(hào)為，uo

為kM比例系數(shù)，稱為模擬乘法器的相乘增益，其單位為V－1，則u0

=

KMuxuy(a)(b)uxuyuouxuyuoxy×

z根據(jù)兩個(gè)輸入電壓的不同極性，乘法輸出的極性有四種組合，用下圖所示的工作象限來(lái)說明。若信號(hào)均限定為某一極性的電壓時(shí)才能正常工作，該乘法器稱為單象限乘法器。若其中一個(gè)能適應(yīng)正、負(fù)兩種極性電壓，而另一個(gè)只能適應(yīng)單極性電壓，則為二象限乘法器；若兩個(gè)輸入信號(hào)能適應(yīng)四種極性組合，稱為四象限乘法器。2.2

模擬乘法器的基本工作原理uzRc

Rcic1ic21、原理電路變跨導(dǎo)型模擬乘法器原理電路如圖所示，它是一個(gè)具有恒流源的差動(dòng)放大器，只是I0受輸入電壓控制uy，uy控制V3管的集電極電流I0＋EcV2＋－uBE2V1＋uBE1

－Io＋xV3u—＋—uyRe變跨導(dǎo)型模擬乘法器原理電路2.3

集成模擬乘法器的應(yīng)用1、乘方器模擬乘法電路的兩個(gè)輸入端接同一個(gè)輸入信號(hào)，就可以組成平方運(yùn)算電路。電路如圖4-5所示。它的輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系是如果平方運(yùn)算電路的輸入信號(hào)是正弦波則輸出電壓將是這時(shí)只要在電路輸出端接一個(gè)電容隔斷直流輸出，就可得到頻率為輸入信號(hào)頻率兩倍（即2ω）的正弦波，即實(shí)現(xiàn)了正弦波倍頻作用。0u

=

Ku

2IuI

=uim

sinwt22Kim0

imwt)

=

U

2

(1-cos2wt)u

=

K(U

sin2、除法器除法運(yùn)算電路可以由模擬乘法器和運(yùn)放組成，乘法器置于運(yùn)放的反饋支路中。相除運(yùn)算電路而當(dāng)R1＝RF時(shí)，有則由上圖可以得到乘法器的輸出端電位為：u

Z=

KM

xy1I1fI1RuR

=

-uuz

=

-iF

RF

=-

I1KMuI

2

KM

uI

2從上式知，電路的輸出電壓與兩個(gè)輸入電壓之商成正比，于是實(shí)現(xiàn)了除法運(yùn)算。另外，還有開放電路等。u

1

uu0

=

Z

=-3

頻譜搬移的實(shí)現(xiàn)原理模擬乘法器實(shí)現(xiàn)頻譜搬移的原理(a)

原理電路（b)頻譜變換模擬乘法器實(shí)現(xiàn)頻譜搬移的原理二、調(diào)幅及其解調(diào)我們?cè)跍y(cè)量中遇到的一些被測(cè)量，常常是一些緩變的信號(hào)，這些緩變的信號(hào)當(dāng)然可以采用直流放大，但直流放大的誤差較大，也不利于遠(yuǎn)距離傳輸，因此實(shí)際上應(yīng)用的更多的還是先調(diào)制后交流放大。3、調(diào)相：使載波的相位隨調(diào)制信號(hào)改變。2、調(diào)頻：使載波的頻率隨調(diào)制信號(hào)改變：調(diào)制的種類：1、調(diào)幅：使載波的幅值隨調(diào)制信號(hào)改變；（描述一個(gè)交變的信號(hào)可以用幅值、頻率、和相位這三個(gè)參數(shù)。）調(diào)幅波信號(hào)載波信號(hào)調(diào)制信號(hào)它保持著高頻載波的頻率特性，但包絡(luò)線的形狀則和調(diào)制信號(hào)波形相似，調(diào)幅波的振幅大小，由調(diào)制信號(hào)的強(qiáng)度決定1、調(diào)幅線性地變化。由于調(diào)制信號(hào)為零時(shí)調(diào)幅波的振幅應(yīng)1.1普通調(diào)幅波的表達(dá)式設(shè)高頻載波uc

(t)的表達(dá)式為uc

(t)=Ucm

coswct

=Ucm

cos

2p

fct調(diào)幅時(shí)，載波的頻率和相位不變，而振幅將隨著調(diào)制信號(hào)uW

(t)等于載波振幅Ucm

，則調(diào)幅波Ucm

(t)的振幅可寫作：Ucm

(t)

=Ucm

+

kauW

(t)式中，

ka

是一個(gè)與調(diào)幅電路有關(guān)的比例常數(shù)。因此，調(diào)幅波的數(shù)學(xué)表達(dá)式為uAM

(t)

=

Ucm

(t)

coswct

=

(Ucm

+

kauW

(t))

coswct與 成正比。 是高頻振蕩的振幅，它反映了調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律，稱為調(diào)幅波的包絡(luò)。在調(diào)制信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，對(duì)輸入單頻調(diào)制信號(hào)：uW

(t)=UW

m

coswW

t

=UW

m

cos

2p

Ft

且fc

>>F

，則AMcmcmccmk

UUa

W

mu

(t)

=

(U+

kauW

(t))

coswct

=

U

(1+cos

W

t)

cosw

tcmcmccmcmUDU=

U

(1+cos

W

t)

cosw

t

=

U(1+

ma

cos

W

t)

coswct式中DUcm

=kaUW

m

是受調(diào)后載波電壓振幅的最大變化量；ma

=

kaUW

m

/Ucm=

DUcm

/Ucm稱為調(diào)幅系數(shù)或調(diào)幅度，它反映了載波振幅受調(diào)制信號(hào)控制的程度，maW

m

cm

cm

aU

U

(t)

=

U

(1+

m

cos

W

t)Ucm

max

=

Ucm，(1+

ma

)調(diào)制波的最大振幅：最小振幅，Ucm

min

=Ucm

(1-ma

)acm

max

cm

min

cm

cm，故有m=

Ucm

max

-Ucm

min

=

Ucm

max

-Ucm

=

Ucm

-Ucm

minU

+U

U

U1.2普通調(diào)幅信號(hào)的波形如圖所示，Ucm

(1+ma

cos

W

t)是uo

(t)的振幅，調(diào)幅波的包絡(luò)與調(diào)制信號(hào)的形狀完全一致，它反映調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)線的變化。由圖可見，在輸入調(diào)制信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)，調(diào)幅信號(hào)的最大振幅為Ucm

max

=Ucm

(1+ma

)，最小振幅為Ucm

min

=Ucm

(1-ma

)。1.3普通調(diào)幅信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)和頻譜寬度組成調(diào)幅波信號(hào)的各正弦分量按頻率分布的情況，即用頻率f或角頻率ω作橫坐標(biāo)，用組成信號(hào)的各正弦分量的幅度做縱坐標(biāo)而表示的圖形，稱為頻譜圖若調(diào)制信號(hào)為單頻正弦信號(hào)，則上式表明，單頻正弦信號(hào)調(diào)制的調(diào)幅波是由三個(gè)頻率分量構(gòu)成的：第一項(xiàng)為載波分量；第二項(xiàng)的頻率為

，稱。由此可畫出相應(yīng)的調(diào)幅波稱為上邊頻分量，其振幅為的頻譜。2

2AM

cm

ca

cm

c

a

cm

cu

(t)

=

U cosw

t

+

1

m

U cos(w

-

W

)t

+

1

m

U

cos(w+

W

)tfc

-

F2a

cm為下邊頻分量，其振幅為

1

m

U

；第三項(xiàng)的頻率為cf

+

F

，2a

cm1

m

U如圖所示：圖單頻信號(hào)調(diào)制時(shí)的頻譜三個(gè)頻率相距很近。由圖可以看出，上、下邊頻分量對(duì)稱地排列在載波分量的兩側(cè)。調(diào)幅波的頻譜寬度簡(jiǎn)稱帶寬，用fbw

表示。顯然fbw

=

(

fc

+

F

)

-(

fc

-

F

)

=

2F因此，調(diào)幅電路的作用是在時(shí)域?qū)崿F(xiàn)uW

(t)和uc(t)相乘，反映在波形上就是將uW

(t)不失真地搬移到高頻振蕩的振幅上，而在頻域則將uW

(t)的頻譜不失真地搬移到fc的兩邊。1.4

普通調(diào)幅電路模擬乘法器調(diào)幅電路由模擬乘法器和集成運(yùn)放組成的普通調(diào)幅電路如圖所示。圖中，乘法器的輸出電壓加器。號(hào)，則輸出電壓：uW

(t)

=

UW

m

cos

W

tuZ

(t)

=

KM

uW

(t)uc

(t。)

集成運(yùn)放構(gòu)成相若為單頻信號(hào)，uc

(t)

=

Ucm

coswct

為載波信uo

(t)=

-(uc

(t)

+

uZ

(t))

=

-Ucm

(1+

KMUW

m

cos

W

t)

coswct=

-Ucm

(1+

ma

cos

W

t)

coswct式中：ma

=KMUW

m

。2、解調(diào)（檢波）2.1

檢波的作用和組成經(jīng)過調(diào)制后，原變化緩慢的信號(hào)就依附在高頻信號(hào)上，兩者成了一個(gè)變幅的高頻信號(hào)。這個(gè)高頻信號(hào)是易于放大和傳輸?shù)?。但到了目的地之后，我們還要把變化緩慢的信號(hào)取出來(lái)（還原）這就是解調(diào)。它的作用是從已調(diào)制的高頻振蕩中恢復(fù)出原來(lái)的調(diào)制信號(hào)。解調(diào)的辦法也是用載波信號(hào)去乘已調(diào)制的信號(hào)，從頻域的角度看，信號(hào)將再一次發(fā)生偏移。振幅解調(diào)(又稱檢波)是振幅調(diào)制的逆過程。從頻譜上看，檢波就是將幅度調(diào)制波中的邊帶信號(hào)不失真地從載波頻率附近搬移到零頻率附近,因此，檢波器也屬于頻譜搬移電路。檢波器的組成應(yīng)包括三部分：高頻已調(diào)信號(hào)源，非線性器件，RC低通濾波器。2.2

檢波電路一、同步檢波器同步檢波器又稱為相干檢波器，常由模擬乘法器和低通濾波器LPF組成。因此這種電路有時(shí)也稱為模擬相乘檢波器，其原理圖如圖所示。同步檢波器原理圖設(shè)uI

為單頻正弦信號(hào)調(diào)制的調(diào)幅波，而同步電壓ur

(t)=Urm

coswct。uI

(t)

為普通調(diào)幅波：uI

(t)=Uim

(1+ma

cos

W

t)coswct則乘法器的輸出電壓為Z

M

I

r

M

rm

im

a

cu

(t)

=

K u

(t)u

(t)

=

K

UU

(1+

m

cos

W

t)

cos2

w

t222M

rm

ima

M

rm

ima

M

rm

imc=

1K

UU

+

1

m

K

UU

cos

W

t

+

1

m

K

U

U

cos

2w

t

+4a

M

rm

imca

M

rm

imc1

m

K

U

Ucos(2w-

W

)t、1+W

)t

+

m

K

U

U

cos(2w4、可見uZ

(t)中含有0、F、2

fc

、2

fc

–F

頻率分量，經(jīng)過LPF濾去2

fc

、2

fc

–F2o

a

M

rm

imW

m分量，再阻隔直流后就得到：

u

(t)

=

1

m

K

UU

cos

W

t

=

Ucos

W

t1、式中：UW

m

=2

ma

KMUrmUim可見：uo

(t)已恢復(fù)出了原調(diào)制信號(hào)。dM

rma

im檢波器的傳輸系數(shù)：Km

U

2=

UW

m=

1

K

U從上圖可以看出，為了使解調(diào)后的信號(hào)真實(shí)反映原調(diào)制信號(hào)，載波頻率至少要大于調(diào)制信號(hào)，即：f

0

>f

m如果用低通濾波濾去高頻成分，則可以得到幅值為原來(lái)一半的信號(hào)。該信號(hào)的相位、頻率均與原信號(hào)相同。fm-

2

f02

f0f-

fm用低通濾波濾掉用低通濾波濾掉二．調(diào)頻與解調(diào)使載波頻率按照調(diào)制信號(hào)改變的調(diào)制方式叫調(diào)頻。已調(diào)波頻率變化的大小由調(diào)制信號(hào)幅度大小決定，變化的周期由調(diào)制信號(hào)的頻率決定。已調(diào)波的振幅保持不變。調(diào)頻波的波形，就像是個(gè)被壓縮得不均勻的彈簧。調(diào)頻是利用信號(hào)的電壓幅值控制一個(gè)振蕩器（的頻率），振蕩器輸出的是等幅波，但振蕩器頻率的偏移量（頻率改變）和信號(hào)電壓成正比，一般情況可使信號(hào)電壓為0時(shí)，頻率改變量為0。電壓為正，頻率增大，電壓為負(fù)，頻率降低，即調(diào)頻波是隨信號(hào)電壓變化的疏密不