信號的調(diào)理與記錄課件

→是便于信號的傳輸與處理信號調(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。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號進行調(diào)制解調(diào)處理。第四章信號的調(diào)理與記錄→是便于信號的傳輸與處理信號調(diào)理的目的1.傳感器輸出的第一節(jié)信號的放大

通常情況下，傳感器的輸出信號都很微弱，必須用放大電路放大后才便于后續(xù)處理。為了保證測量精度的要求，放大電路應(yīng)具有如下性能:1)足夠的放大倍數(shù)；2)高輸入阻抗，低輸出阻抗；3)高共模抑制能力;4)低溫漂、低噪聲、低失調(diào)電壓和電流。

線性運算放大器具備上述特點，因而傳感器輸出信號的放大電路都由運算放大器所組成，本節(jié)介紹幾種常用的運算放大器電路。信號放大電路

第一節(jié)信號的放大通常情況下，傳感器的輸出信號都很微分類放大器直流放大器交流放大器電荷放大器直流電橋特點交流電橋→低頻保留，高頻截止→高頻保留，低頻截止→激勵電源為直流源→激勵電源為交流源→壓電式傳感器專用信號放大電路

分類放大器直流放大器交流放大器電荷放大器直流電橋特點交流電橋1.直流放大電路電壓增益:注意：①輸入阻抗低，容易對傳感器產(chǎn)生負載效應(yīng)；②反饋電阻R2值不能太大，否則會產(chǎn)生較大的噪聲及漂移，一般為幾十千歐至幾百千歐；③R1的取值應(yīng)遠大于信號源ui的內(nèi)阻。

煙霧報警器酒精傳感器二氧化碳傳感器信號放大電路

1)反相放大器

1.直流放大電路電壓增益:注意：①輸入阻抗低，容易對傳感2)同相放大器

同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點，廣泛用于前置放大級。但易引入共模干擾。

同相放大器也是最基本的電路，其閉環(huán)電壓增益Av為:信號放大電路

2)同相放大器同相放大器具有輸入阻抗非常高，3)差分放大器

差分放大器也不能提供足夠的輸入阻抗和共模抑制比。因此由單個運算放大器構(gòu)成的放大電路在傳感器信號放大中很少直接采用。

一種常用來提高輸入阻抗的辦法是在基本放大電路之前串接一級射極跟隨器。串接射極跟隨器后，電路的輸入阻抗可以提高到109歐以上，所以射極跟隨器也常被稱為阻抗變換器。信號放大電路

3)差分放大器差分放大器也不能提供一種常用來2.交流放大電路

R1一般取幾十千歐。耦合電容C1、C3可根據(jù)交流放大器的下限頻率fL來確定。

若只需要放大交流信號，可采用圖示的集成運放交流電壓同相放大器。其中電容C1、C2及C3為隔直電容。信號放大電路

2.交流放大電路R1一般取幾十千歐。耦合電容C1第二節(jié)調(diào)制與解調(diào)目的

解決微弱緩變信號的放大以及信號的傳輸問題。

×調(diào)制解調(diào)調(diào)制與解調(diào)第二節(jié)調(diào)制與解調(diào)目的解決微弱緩變信號的放大以及

先將微弱的緩變信號加載到高頻交流信號中去，然后利用交流放大器進行放大，最后再從放大器的輸出信號中取出放大了的緩變信號。例：交流電橋VeVR1R3R2R4調(diào)制是指利用某種低頻信號來控制或改變一高頻振蕩信號的某個參數(shù)(幅值、頻率或相位)的過程。調(diào)制與解調(diào)先將微弱的緩變信號加載到高頻交流信號中去，然后利用交流信號調(diào)制信號x(t)0t載波信號z(t)0t調(diào)制與解調(diào)信號調(diào)制信號x(t)0t載波信號z(t)0t調(diào)制與解調(diào)a)幅值調(diào)制(AM)b)頻率調(diào)制(FM)c)相位調(diào)制(PM)←

y(t)的幅值隨x(t)變化而變化←

y(t)的頻率隨x(t)變化而變化←

y(t)的相位隨x(t)變化而變化調(diào)制類型調(diào)制與解調(diào)a)幅值調(diào)制(AM)b)頻率調(diào)制(FM)c)相位調(diào)制(一、幅值調(diào)制與解調(diào)

調(diào)幅是將一個高頻正弦信號（或稱載波）與測試信號相乘，使載波信號幅值隨測試信號的變化而變化。緩變信號調(diào)制高頻信號放大放大高頻信號解調(diào)放大緩變信號調(diào)制與解調(diào)一、幅值調(diào)制與解調(diào)調(diào)幅是將一個高頻正弦信號（幅度調(diào)制與解調(diào)過程（波形分析）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)乘法器濾波器z(t)x(t)調(diào)制與解調(diào)幅度調(diào)制與解調(diào)過程（波形分析）乘法器放大器x(t)z(t)x幅度調(diào)制與解調(diào)過程（數(shù)學分析）乘法器放大器乘法器濾波器x(t)z(t)xm(t)z(t)x(t)調(diào)制與解調(diào)幅度調(diào)制與解調(diào)過程（數(shù)學分析）乘法器放大器乘法器濾波器x(t幅度調(diào)制與解調(diào)過程（頻譜分析）乘法器放大器乘法器濾波器x(t)z(t)xm(t)z(t)x(t)X(f)Z(f)Z(f)X(f)低通濾波器調(diào)制與解調(diào)Xm(f)-fzfz-2fz2fz幅度調(diào)制與解調(diào)過程（頻譜分析）乘法器放大器乘法器濾波器x(t調(diào)幅信號的解調(diào)方法：(1)同步解調(diào)

上述調(diào)制方法，將信號x(t)直接與載波z(t)

相乘。這種調(diào)幅波具有極性變化，解調(diào)時必須再乘與z(t)相位相同的z’(t)

方能復原出原信號，故稱同步解調(diào)。它要求有性能良好的線性乘法器，否則會引起信號失真。調(diào)制與解調(diào)調(diào)幅信號的解調(diào)方法：(1)同步解調(diào)上述調(diào)制方法，將信號(2)包絡(luò)檢波（整流檢波）

若對信號x(t)

進行偏置，疊加一個直流分量D，使偏置后的信號都具有正電壓。調(diào)制與解調(diào)(2)包絡(luò)檢波（整流檢波）若對信號x(t)進行①調(diào)幅調(diào)制與解調(diào)①調(diào)幅調(diào)制與解調(diào)②解調(diào)二極管檢波低通濾波調(diào)制與解調(diào)②解調(diào)二極管檢波低通濾波調(diào)制與解調(diào)調(diào)幅波的波形失真過調(diào)失真：對于包絡(luò)檢波，要求其直流偏置必須足夠大，否則x(t)的相位將發(fā)生180。上述方法的關(guān)鍵是準確地加、減偏置電壓。若所加的偏置電壓未能使信號電壓都位于零位的同一側(cè)，那么對調(diào)幅之后的波形只進行簡單的整流濾波便不能恢復原調(diào)制信號，而會造成很大失真。調(diào)制與解調(diào)調(diào)幅波的波形失真過調(diào)失真：對于包絡(luò)檢波，要求其直流偏置必須上重疊失真：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

fz

較低時，正頻端的下邊帶將與負頻端的上邊帶相重疊。要求:

fz

＞fm

調(diào)制與解調(diào)重疊失真：調(diào)幅波是由一對每邊為fm的雙邊帶信號組成。當載(3)相敏檢波（整流檢波）

相敏檢波的特點是可以鑒別調(diào)制信號的極性，所以采用相敏檢波時，對調(diào)制信號不必再加直流偏置。相敏檢波利用交變信號在過零位時正、負極性發(fā)生突變，使調(diào)幅波的相位(與載波比較)也相應(yīng)地產(chǎn)生180°的相位跳變，這樣便既能反映出原調(diào)制信號的幅值，又能反映其極性。調(diào)制與解調(diào)(3)相敏檢波（整流檢波）相敏檢波的特點是相敏檢波電路調(diào)制與解調(diào)++++++------相敏檢波電路調(diào)制與解調(diào)++++++------若y(t)>0，則VD1通：d→1→VD1→2→5→R1→地→dVD1或VD3通若y(t)<0，則VD3通：d→3→VD3→4→5→R1→地→d①調(diào)幅信號x(t)>0時①②調(diào)制與解調(diào)++++HL-L-H-HL-LH注意：y(t)的振幅大于xm(t)的振幅若y(t)>0，則VD1通：d→1→VD1→2→5→R若y(t)>0，則VD2通：5→2→VD2→3→d→地→R1→5若y(t)<0，則VD4通：5→4→VD4→1→d→地→

R1→5②調(diào)幅信號x(t)<0時①②VD2或VD4通調(diào)制與解調(diào)++++注意：y(t)的振幅大于xm(t)的振幅若y(t)>0，則VD2通：5→2→VD2→3→d→地調(diào)制與解調(diào)動態(tài)電阻應(yīng)變儀框圖調(diào)制與解調(diào)動態(tài)電阻應(yīng)變儀框圖二、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。調(diào)制與解調(diào)1.頻率調(diào)制的基本概念或者載波：載波的瞬時頻率：調(diào)頻信號：二、頻率調(diào)制調(diào)頻是利用信號x(t)的幅值調(diào)制載調(diào)制與解調(diào)調(diào)制信號已調(diào)制信號調(diào)制與解調(diào)調(diào)制信號已調(diào)制信號

頻率調(diào)制一般用振蕩電路來實現(xiàn)，如LC振蕩電路、變?nèi)荻O管調(diào)制器、壓控振蕩器等。以LC振蕩回路為例，如圖所示，該電路常被用于電容、渦流、電感等傳感器的測量電路，將電容(或電感)作為自激振蕩器的諧振回路的一調(diào)諧參數(shù)，則電路的諧振頻率為2.頻率調(diào)制方法調(diào)制與解調(diào)頻率調(diào)制一般用振蕩電路來實現(xiàn)，如LC振蕩電路、變調(diào)制與解調(diào)3.調(diào)頻信號的解調(diào)

調(diào)頻信號的解調(diào)亦稱鑒頻，一般采用鑒頻器和鎖相環(huán)解調(diào)器。前者結(jié)構(gòu)簡單，在測試技術(shù)中常被使用，而后者解調(diào)性能優(yōu)良，但結(jié)構(gòu)復雜，一般用于要求較高的場合，如通信機等。此處只介紹鑒頻器解調(diào)。調(diào)制與解調(diào)3.調(diào)頻信號的解調(diào)調(diào)頻信號的解調(diào)亦稱鑒頻，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)制是一種非線性調(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，復雜調(diào)制與解調(diào)優(yōu)點：抗干擾能力強。調(diào)頻波通常要求很寬的頻帶案例：旋轉(zhuǎn)機械扭距測量調(diào)制與解調(diào)案例：旋轉(zhuǎn)機械扭距測量調(diào)制與解調(diào)案例：鐵路機車調(diào)度信號檢測調(diào)制頻率8.5Hz，綠燈調(diào)制頻率23.5Hz，紅燈調(diào)制與解調(diào)案例：鐵路機車調(diào)度調(diào)制頻率8.5Hz，綠燈調(diào)制與解調(diào)第三節(jié)濾波器

濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分。第四章信號的調(diào)理與記錄一、概述濾波第三節(jié)濾波器濾波器是一種選頻裝置，可以使信濾波器分類（根據(jù)濾波器的選頻作用分類）低通高通濾波器濾波器分類（根據(jù)濾波器的選頻作用分類）低通高通濾波器帶通帶阻濾波器帶通帶阻濾波器濾波器的串/并聯(lián)

低通和高通濾波器是濾波器的兩種最基本的形式，其它的濾波器都可以分解為這兩種類型的濾波器。低通和高通濾波器的串聯(lián)成為帶通濾波器LPFHPF低通和高通濾波器的并聯(lián)成為帶阻濾波器LPFHPF濾波器濾波器的串/并聯(lián)低通和高通濾波器是濾波器的兩種最基1.理想濾波器—是指能使通帶內(nèi)信號的幅值和相位都不失真，阻帶內(nèi)的頻率成分都衰減為零的濾波器。fj

(

f

)-fcfc以理想的低通濾波器為例，其特性為-fc|H(

f

)|fcf0二、濾波器性能分析濾波器1.理想濾波器—是指能使通帶內(nèi)信號的幅值和相位都不失真，阻帶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(yīng)函數(shù)

h(t)為

sinc函數(shù)。脈沖響應(yīng)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(yīng)了。故為物理不可實現(xiàn)。fcH(f)濾波器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2.實際濾波器的特征參數(shù)

理想濾波器是不存在的，實際濾波器幅頻特性中通帶和阻帶間沒有嚴格界限,，存在過渡帶。0fA濾波器2.實際濾波器的特征參數(shù)理想濾波器是不存在又稱-3dB帶寬，單位為Hz。帶寬表示濾波器的分辨能力，即濾波器分離信號中相鄰頻率成分的能力。0ffc1fc2A00.707A0(1)截止頻率fc：0.707A0所對應(yīng)的頻率。

(3)紋波幅度d：通帶中幅頻特性值的起伏變化值。(4)品質(zhì)因子Q：中心頻率和帶寬之比。BQ=f0

/B2d(2)帶寬B：上下兩截止頻率之間的頻率范圍。B=fc2-fc1f0d值應(yīng)越小越好Q越大，則相對帶寬越小，濾波器的選擇性越好。濾波器又稱-3dB帶寬，單位為Hz。帶寬表示濾波器的分辨能力，即濾

從阻帶到通帶或從通帶到阻帶，實際濾波器有一個過渡帶，過渡帶的曲線傾斜度代表著幅頻特性衰減的快慢程度，通常用倍頻程選擇性來表征。倍頻程衰減量以dB或dB/oct表示(Octave，倍頻程)。衰減越快（即W值越大），濾波器的選擇性越好?；?/p>

指在上截止頻率fc2

與2fc2

之間或下截止頻率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。

(5)倍頻程選擇性W濾波器從阻帶到通帶或從通帶到阻帶，實際濾波器有一個

定義為濾波器幅頻特性的-60dB帶寬與-3dB帶寬的比，即對理想濾波器有

l

=

1。對普通使用的濾波器，l

一般為1~5。(6)濾波器因數(shù)(矩形系數(shù))l濾波器定義為濾波器幅頻特性的-60dB帶寬與-3dB帶三、實際濾波電路

在測試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因為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。RCui+uoRCui+uoRC無源濾波器：低通濾波器高通濾波器濾波器三、實際濾波電路在測試系統(tǒng)中，常用RC濾1)一階RC低通濾波器

RCui+uo濾波器1)一階RC低通濾波器RCui+uo濾波器RCui+uo2)一階RC高通濾波器

濾波器RCui+uo2)一階RC高通濾波器濾波器3)RC帶通濾波器可以看作為高通濾波器和低通濾波器的串聯(lián)

濾波器3)RC帶通濾波器可以看作為高通濾波器和低通濾波器的串聯(lián)帶通帶阻濾波器?帶通帶阻濾波器?R1C1C2ui+uoR2+帶通濾波器(圖4-26）

一階RC濾波器在過渡帶內(nèi)的衰減速率非常慢，每個倍頻程只有6dB（見上圖），通帶和阻帶之間沒有陡峭的界限，故這種濾波器的性能較差，因此常常要使用更復雜的濾波器。濾波器R1C1C2ui+uoR2+帶通濾波器一階R

電感和電容一起使用可以使濾波器的諧振特性相對于一階RC電路產(chǎn)生較為陡峭的濾波器邊緣。圖4-28中給出了一些此類濾波器的構(gòu)成方法。濾波器電感和電容一起使用可以使濾波器的諧振特性相對

通過采用多個RC環(huán)節(jié)或LC環(huán)節(jié)級聯(lián)的方式(見圖4-29)，可以使濾波器的性能有顯著的提高，使過渡帶曲線的陡峭度得到改善。濾波器通過采用多個RC環(huán)節(jié)或LC環(huán)節(jié)級聯(lián)的方式(

這是因為多個中心頻率相同的濾波器級聯(lián)后，其總幅頻特性為各濾波器幅頻特性的乘積，因此通帶外的頻率成分將會有更大的衰減。但必須注意到，雖然多個簡單濾波器的級聯(lián)能改善濾波器的過渡帶性能，卻又不可避免地帶來了明顯的負載效應(yīng)和相移增大等問題。為避免這些問題，最常用的方法就是采用有源濾波器。濾波器這是因為多個中心頻率相同的濾波器級聯(lián)后，其總幅有源濾波器

通常的有源濾波器具有80dB/倍頻程的下降帶以及在阻帶中有高于60dB的衰減。目前市場上己有高性能的高階有源濾波器出售。濾波器有源濾波器通常的有源濾波器具有80dB/倍頻程的四、帶通濾波器在信號頻率分析中的應(yīng)用1.多路濾波器的并聯(lián)形式

多路帶通濾波器并聯(lián)常用于信號的頻譜分析和信號中特定頻率成分的提取。使用時常將被分析信號輸入一組中心頻率不同的濾波器，各濾波器的輸出便反映了信號中所含的各個頻率成分。為使各帶通濾波器的帶寬覆蓋整個分析的頻帶，它們的中心頻率能使相鄰的帶寬恰好相互銜接，通常的做法是使前一個濾波器的-3dB上截止頻率高端等于后一個濾波器的-3db下截止頻率低端。濾波組須具有相同的放大倍數(shù)。濾波器四、帶通濾波器在信號頻率分析中的應(yīng)用1.多路濾波器的并

實際濾波器頻率通帶通常是可調(diào)的，根據(jù)實際濾波器中心頻率與帶寬之問的數(shù)值關(guān)系，可以分為兩種。濾波器實際濾波器頻率通帶通常是可調(diào)的，根據(jù)實際濾波器中(1)恒帶寬比濾波器←

濾波器的相對寬帶為常數(shù)濾波器(1)恒帶寬比濾波器←濾波器的相對寬帶為常數(shù)濾波器1/3倍頻程濾波器（見教材表4-1）濾波器1/3倍頻程濾波器（見教材表4-1）濾波器濾波器濾波器(1)恒帶寬比濾波器(2)恒帶寬濾波器←

濾波器的絕對帶寬為常數(shù)←

濾波器的相對寬帶為