信號(hào)的調(diào)理與記錄11級(jí)

第四章信號(hào)的調(diào)理與記錄學(xué)習(xí)要求

了解信號(hào)測(cè)取后為獲取測(cè)量信息所必需的后續(xù)處理方面的基本內(nèi)容；

掌握電橋與電橋測(cè)量方法；

理解調(diào)制與解調(diào)的基本過(guò)程；

掌握濾波器的基本特性及相關(guān)的計(jì)算。信號(hào)的調(diào)理經(jīng)傳感器后的信號(hào)需經(jīng)過(guò)調(diào)理、放大、濾波等一系列的加工處理目的將微弱電壓信號(hào)放大；將非電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；抑制干擾噪聲，提高信噪比；便于傳輸及后續(xù)環(huán)節(jié)的處理。第一節(jié)電橋電橋是將電阻、電容、電感等參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出的一種測(cè)量電路。特點(diǎn)分類橋式電路簡(jiǎn)單可靠，精度和靈敏度很高，應(yīng)用廣泛。2、按其工作原理：偏值法、歸零法。1、按其所采用的激勵(lì)電源類型：直流電橋、交流電橋。偏值法：電橋失衡，輸出不平衡的電壓，反應(yīng)快。歸零法：電橋失衡后，伺服機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)調(diào)整臂阻抗，使輸出恢復(fù)為零，調(diào)整量的大小與被測(cè)量成正比，精度高。一、直流電橋基本結(jié)構(gòu)：電阻R1,R2,R3,R4作為四個(gè)橋臂，在a、c兩端接入直流電源E，在b、d兩端輸出電壓Uo。工作原理：利用四個(gè)橋臂中的一個(gè)或數(shù)個(gè)的阻值變化而引起電橋輸出電壓的變化。輸出電壓平衡條件BD設(shè)各橋臂都是敏感元件，在被測(cè)量作用下均產(chǎn)生微小的變化，分別為電橋的和差特性等臂電橋電路，忽略高階無(wú)窮小只有相對(duì)兩臂有相同方向的變化量，相鄰兩臂有不同方向的變化量，才能使Uo有最大值。和差特性的應(yīng)用實(shí)例若相鄰兩橋臂電阻同向變化，所產(chǎn)生的輸出電壓的變化將相互抵消；若相鄰兩橋臂電阻反向變化，所產(chǎn)生的輸出電壓的變化將相互迭加。懸臂梁測(cè)力的電橋接法直流電橋的連接方式EEEUoUoUo單臂電橋全橋半橋工作中四個(gè)橋臂阻值都隨被測(cè)量變化電橋輸出靈敏度電橋的輸出電壓與激勵(lì)電壓成正比，但比例系數(shù)不同，全橋的靈敏度最大。全橋接法半橋接法單臂接法二、交流電橋橋路平衡設(shè)各橋臂阻抗為與直流電橋的不同點(diǎn)：激勵(lì)電源為交流電源；橋臂可以是電阻、電感或電容。平衡條件阻抗角，各橋臂電流與電壓之間的相位差。阻抗的模電容電橋

電容消耗的等效電阻交流電橋的平衡條件調(diào)節(jié)電阻達(dá)到電阻平衡，調(diào)節(jié)電容達(dá)到電容平衡。電感電橋

交流電橋的平衡條件調(diào)節(jié)電阻達(dá)到電阻平衡，調(diào)節(jié)電感達(dá)到電感平衡。影響交流電橋測(cè)量精度的因素電橋各元件之間的互感耦合；泄漏電阻以及元件間、元件對(duì)地之間的分布電容；鄰近交流電路對(duì)電橋的感應(yīng)影響。交流電橋的激勵(lì)電源要求其電壓波形和頻率必須具有很好的穩(wěn)定性。電容傳感器作為電橋的一部分，電容變化轉(zhuǎn)換為電橋電壓輸出。圖示為電感、電容組成的交流電橋。電橋的輸出為一調(diào)幅波，經(jīng)放大、相敏解調(diào)、濾波后輸出。實(shí)例分析解決微弱緩變信號(hào)的放大以及信號(hào)的傳輸問(wèn)題。-101-101-101-101-101第二節(jié)調(diào)制與解調(diào)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—利用某種低頻信號(hào)控制或改變一高頻信號(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)。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)—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。調(diào)制信號(hào)x(t)0t載波信號(hào)y(t)0t幅度調(diào)制(AM)頻率調(diào)制(FM)相位調(diào)制(PM)分類調(diào)制與解調(diào)的應(yīng)用應(yīng)用分析：傳感器輸出的低頻微弱信號(hào)需要放大。直流放大，存在零漂和級(jí)間耦合，容易失真；交流放大，抗零漂，故一般先將低頻信號(hào)調(diào)制為高頻信號(hào)，再交流放大，最后解調(diào)。應(yīng)用實(shí)例：差動(dòng)變壓器式位移傳感器；交流電橋等。被測(cè)信號(hào)調(diào)幅及其解調(diào)緩變信號(hào)調(diào)制高頻信號(hào)放大放大高頻信號(hào)解調(diào)放大緩變信號(hào)調(diào)幅—將一個(gè)高頻簡(jiǎn)諧信號(hào)（載波）與被測(cè)信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）相乘，使高頻信號(hào)的幅值隨被測(cè)信號(hào)的變化而變化。實(shí)例分析載波信號(hào)調(diào)幅信號(hào)的頻域分析

由傅里葉變換的性質(zhì)知：時(shí)域中兩個(gè)信號(hào)相乘對(duì)應(yīng)于頻域中這兩個(gè)信號(hào)的傅里葉變換的卷積余弦函數(shù)的頻域圖形是一對(duì)脈沖譜線一個(gè)函數(shù)與單位脈沖函數(shù)卷積的結(jié)果就是將該函數(shù)的波形由坐標(biāo)原點(diǎn)平移至該脈沖函數(shù)處調(diào)幅過(guò)程相當(dāng)于頻譜“搬移”過(guò)程。載波頻率fc必須高于原信號(hào)中的最高頻率fmax，才不產(chǎn)生混疊現(xiàn)象。

調(diào)幅波不可以看作是載波與調(diào)制信號(hào)的迭加。Xm(f)-fcfc0調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)方法-505-101-505-101-505-101-505-101-505-1011、同步解調(diào)把調(diào)幅波再次與原載波信號(hào)相乘，則頻域圖形將再一次進(jìn)行“搬移”，并用一個(gè)低通濾波器濾去中心頻率為2f0的高頻成分，則可以復(fù)現(xiàn)原信號(hào)的頻譜?！巴健敝附庹{(diào)時(shí)所乘的信號(hào)與調(diào)制時(shí)的載波信號(hào)具有相同的頻率和相位。解釋幅度調(diào)制與解調(diào)過(guò)程（數(shù)學(xué)分析）乘法器放大器x(t)y(t)xm(t)乘法器濾波器y(t)x(t)幅度調(diào)制與解調(diào)過(guò)程（頻譜分析）乘法器放大器x(t)y(t)xm(t)乘法器濾波器y(t)x(t)（1）調(diào)幅2、包絡(luò)檢波又稱整流檢波，先對(duì)調(diào)制信號(hào)偏置直流分量A，使偏置后的信號(hào)都具有正電壓值，則該信號(hào)調(diào)幅后得到的調(diào)幅波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)簡(jiǎn)單的整流（全波或半波整流）、濾波便可恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)。二極管檢波低通濾波（2）解調(diào)a)偏置電壓足夠大b)偏置電壓不夠大出現(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)。3、相敏檢波利用交變信號(hào)在過(guò)零位時(shí)正、負(fù)極性發(fā)生突變，使調(diào)幅波相位與載波相比也相應(yīng)地產(chǎn)生180°相位跳變，從而既能反映出原信號(hào)的幅值，又能反映其極性。典型的二極管相敏檢波是利用二極管的單向?qū)ㄗ饔脤㈦娐份敵鰳O性換向。相敏檢波應(yīng)用動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀是電橋調(diào)幅與相敏檢波的典型實(shí)例。電橋由振蕩器提供等幅高頻振蕩電壓（載波）。被測(cè)量（調(diào)制波）通過(guò)電阻應(yīng)變片控制電橋輸出，電橋輸出為調(diào)幅波，經(jīng)過(guò)放大，再經(jīng)相敏檢波與低通濾波取出所測(cè)信號(hào)。調(diào)頻及其解調(diào)調(diào)頻波是一種隨信號(hào)x(t)的電壓幅值而變化的疏密度不同的等幅波。調(diào)頻—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。在調(diào)頻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。頻率調(diào)制方法諧振頻率電容為調(diào)諧參數(shù)

在f0附近有頻率偏移

頻率調(diào)制常用振蕩電路，如LC振蕩電路、壓控振蕩器。LC振蕩電路用在電容、渦流或電感等傳感器的測(cè)量電路。000被測(cè)量的變化振蕩頻率的變化調(diào)頻波的瞬時(shí)頻率直接調(diào)頻電路：調(diào)頻波的解調(diào)調(diào)頻波的解調(diào)稱為鑒頻或頻率檢波。鑒頻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)試中應(yīng)用廣泛。鑒頻器示意圖頻率變化

調(diào)制信號(hào)電壓幅值的變化

先將等幅的調(diào)頻波轉(zhuǎn)換為幅值隨頻率變化的調(diào)頻調(diào)幅波；檢測(cè)幅值的變化，得到原調(diào)制信號(hào)。

輸入信號(hào)頻率不同，輸出信號(hào)幅值不同第三節(jié)濾波器信號(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：一種選頻裝置，可以使信號(hào)中特定頻率成分通過(guò)，而極大地衰減其它頻率成分。低通高通濾波器的分類根據(jù)濾波器的選頻作用分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器四類。帶通帶阻帶通濾波器：低通濾波器與高通濾波器的串聯(lián)低通濾波器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。帶阻濾波器：低通濾波器與高通濾波器的并聯(lián)理想濾波器理想濾波器指能使通帶內(nèi)信號(hào)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。頻率響應(yīng)函數(shù)理想濾波器的物理不可實(shí)現(xiàn)。說(shuō)明：在t

=0時(shí)刻單位脈沖輸入理想濾波器前，濾波器就已經(jīng)有響應(yīng)了。故物理不可實(shí)現(xiàn)。理想濾波器在時(shí)域內(nèi)的脈沖響應(yīng)函數(shù)沿橫坐標(biāo)左、右無(wú)限延伸0fA理想濾波器是不存在的，實(shí)際濾波器幅頻特性中通帶和阻帶間沒(méi)有嚴(yán)格界限，存在過(guò)渡帶，因此要用更多的參數(shù)描述實(shí)際濾波器的特征。低通濾波器對(duì)單位階躍輸入的響應(yīng)建立時(shí)間濾波器通帶越寬，建立時(shí)間越短。帶寬表示濾波器的頻率分辨能力，通頻帶越窄分辨力越高。濾波器的高分辨能力與測(cè)量時(shí)的快速響應(yīng)要求相矛盾。截止頻率（通頻寬）實(shí)際濾波器的基本參數(shù)幅頻特性的平均值（1）波動(dòng)幅度—通帶中幅頻特性值的起伏變化值，應(yīng)越小越好，（3）帶寬B—上下兩截止頻率之間的頻率范圍，也稱-3dB帶寬，單位Hz，表示濾波器的分辨能力。（4）品質(zhì)因子Q—中心頻率f0與帶寬B之比，即Q=f0/B。Q越大，濾波器選擇性越好。（2）截止頻率—幅頻特性值等于所對(duì)應(yīng)的所對(duì)應(yīng)的頻率，即相對(duì)A0衰減-3dB。理想濾波器λ=1常用濾波器1<λ<5（5）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之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。衰減越快，選擇性越好。（6）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帶寬的比值，即在測(cè)試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因?yàn)檫@一領(lǐng)域中信號(hào)頻率相對(duì)來(lái)說(shuō)不高，而RC濾波器電路簡(jiǎn)單，電容支路的數(shù)量決定了電路的階數(shù)?？垢蓴_強(qiáng)，有較好的低頻性能，并且容易選用標(biāo)準(zhǔn)阻容元件。所以在工程測(cè)試的領(lǐng)域中最經(jīng)常用到的濾波器是RC濾波器。

實(shí)際濾波電路1、一階RC低通濾波器

頻率特性函數(shù)幅、相頻率特性微分方程式當(dāng)時(shí)，，當(dāng)時(shí)，，即當(dāng)時(shí)，充放電很緩慢，：近似一條通過(guò)原點(diǎn)的直線。起積分器作用微分方程式

頻率特性函數(shù)幅、相頻率特性2、一階RC高通濾波器

當(dāng)時(shí)，，

截止頻率當(dāng)時(shí)，RC高通濾波器是一個(gè)不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)當(dāng)時(shí)，充放電很快，起微分器作用可以看作為低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián)

3、RC帶通濾波器

幅、相頻率特性有源濾波器

當(dāng)高、低通兩級(jí)串聯(lián)時(shí)，應(yīng)消除兩級(jí)耦合時(shí)的相互影響，因?yàn)楹笠患?jí)成為前一級(jí)的“負(fù)載”，而前一級(jí)又是后一級(jí)的信號(hào)源內(nèi)阻。實(shí)際上兩級(jí)間常用射極輸出器或者用運(yùn)算放大器進(jìn)行隔離。所以實(shí)際的帶通濾波器常常是有源的。有源濾波器由RC調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器組成。運(yùn)算放大器既可起級(jí)間隔離作用，又可起信號(hào)幅值的放大作用。理想運(yùn)放工作在線性區(qū)的特點(diǎn)uo

=

Auo(u+–

u–

)

(1)差模輸入電壓近似相等

即u+≈u–

,稱“虛短”

(2)輸入電流約等于0

即i+=i–0,稱“虛斷”

電壓傳輸特性++∞uou–u+i+i––

u+–u–

uo線性區(qū)–Uo(sat)+Uo(sat)O

理想運(yùn)放工作在飽和區(qū)的特點(diǎn)(1)輸出只有兩種可能，+Uo(sat)或–Uo(sat)(2)i+=i–0，仍存在“虛斷”現(xiàn)象電壓傳輸特性當(dāng)u+>u–

時(shí)，uo

=+Uo(sat)當(dāng)u+<u–

時(shí)，uo

=–Uo(sat)

不存在“虛短”現(xiàn)象

u+–u–

uo–Uo(sat)+Uo(sat)O飽和區(qū)uiuoRFuCCR++

–

R1+–++––設(shè)輸入為正弦波信號(hào)，則有有源低通濾波器若頻率

為變量，則電路的頻率特性幅頻特性

0|Auf0||T(j

)|

O當(dāng)

>

0時(shí)，

|T(j

)|

衰減很快一階二階幅頻特性

0|Auf0||T(j

)|

O

為了改善濾波效果，使

>

0時(shí)信號(hào)衰減得更快些，常將兩節(jié)RC濾波環(huán)節(jié)串接起來(lái)，組成二階有源低通濾波器。uoRFCR++

–

R1+–ui+–RCuiuoRFCR++

–

R1+–+–設(shè)輸入為正弦波信號(hào)，則有有源高通濾波器若頻率

為變量，則電路的頻率特性幅頻特性

0|Auf0||T(j

)|

O產(chǎn)品LineDa:LTC1564MAXIM:MAX74xx

案例：機(jī)床軸心軌跡的濾波處理

濾除信號(hào)中的高頻噪聲，便于觀察軸心運(yùn)動(dòng)規(guī)律案例：電機(jī)模型參數(shù)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)

MATLAB工具箱提供的模擬濾波器函數(shù)

Bessel低通模擬濾波器

Butterworth濾波器

Chebyshev(Ⅰ型、Ⅱ型)濾波器調(diào)用格式原始信號(hào)圖

快速傅里葉變換(FFT)頻譜圖

濾波后信號(hào)圖

噪聲信號(hào)圖

第四節(jié)信號(hào)的放大信號(hào)放大的目的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)：1～5V

標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)：4～20mA

其它標(biāo)準(zhǔn)電壓電流信號(hào)方便對(duì)被測(cè)信號(hào)的后續(xù)變換、處理、記錄、分析因虛短,

所以u(píng)–=u+=0，稱反相輸入端“虛地”—反相輸入的重要特點(diǎn)因虛斷，i+=i–=0

，

ifi1i–i+uoRFuiR2R1++––++

–

所以i1

if

平衡電阻R2=R1//RF反相比例運(yùn)算閉環(huán)電壓放大倍數(shù)因虛斷，所以u(píng)+=ui

uoRFuiR2R1++––++

–

因虛短，所以

u–=ui

，反相輸入端不“虛地”

平衡電阻R2=R1//RFu+u–同相比例運(yùn)算閉環(huán)電壓放大倍數(shù)當(dāng)R1=

（斷開）或RF

=0時(shí)，