信號調(diào)理電路及指示紀錄裝置.ppt

學 習 要 求,掌握濾波器特性及分析方法 掌握調(diào)幅解調(diào)的原理 了解調(diào)頻解調(diào) 了解常用的記錄儀器 采樣定理及量化誤差,如何觀測一個細小的昆蟲的結(jié)構(gòu)？ 被測的量經(jīng)過傳感器變換后，已變?yōu)闈M足一定要求的電信號，但常常不能滿足直接輸出的要求。 需利用一定的信號調(diào)理電路來對信號進行變換和處理。變換、處理后的信號，可由記錄儀器將其不失真地實時記錄、存貯下來，供觀察研究、數(shù)據(jù)處理或信號再現(xiàn)。 常見的有電橋轉(zhuǎn)換,信號放大,硬件濾波，ACDC、VI、UF、調(diào)制、放大等。 信號調(diào)理器部分僅介紹 ，其他如電荷放大器、動態(tài)電阻應變儀將在后續(xù)章節(jié)中介紹。,濾波器,7.1 濾波器,濾波器是一種選頻裝置，可使信號中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其它頻率成分。在測試中利用濾波器的這種選頻作用，可濾除干擾噪聲或進行頻譜分析。,篩子的作用？,濾波器分類及定義,根據(jù)濾波器的選頻作用，一般分為低通、高通、帶通、帶阻濾波器。 處理信號的性質(zhì)：數(shù)字、模擬（自動檢測、自動控制、電子測量儀器） 是否含有有源器件：有源、無源 何種逼近方法：巴特沃斯、切比雪夫、貝塞爾 電路特性：一階、二階,低通濾波器,下圖是低通濾波器，從0- 頻率之間，幅頻特性平直，它可使信號中低于 的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而高于 的頻率成分受到極大的衰減，,通帶 阻帶 截止頻率,高通濾波器 與低通濾波器相反，從頻率 其幅頻特性平直，它使信號中高于 的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而低于 的頻率成分將受到極大地衰減；,高通,帶通濾波器 它的通頻帶在 之間，它使信號中高于 而低于 的頻率成分可不受衰減地通過，而其它成分受到衰減；,帶通,帶阻濾波器 帶阻濾波器，特性與帶通濾波器剛好相反。,帶阻,說明： 在每種濾波器中，在通帶與阻帶之間都存在一過渡帶，在此帶內(nèi)，信號受到不同程度的衰減，這個過渡帶是實際濾波器不可避免的。,濾波器,理想濾波器,理想濾波器是一個理想化的模型，是一種物理不可實現(xiàn)的系統(tǒng)。 理想濾波器具有矩形幅度特性和線性相移特性。其頻率響應函數(shù)、幅頻特性、相頻特性分別為,為何要 討論？,特點： 這種理想低通濾波器，將信號中低于截止頻率 的頻率成分予以傳輸，無任何失真；而將高于 的頻率成分完全衰減掉。,理想濾波器,理想模型,實際濾波器,理想濾波器：在通帶內(nèi)是一條直線。 實際濾波器：通帶中幅頻特性也并非常數(shù)，所以其主要參數(shù)有紋波幅度、截止頻率、帶寬、品質(zhì)因素以及倍頻程選擇性等。,對比,實際濾波器的主要參數(shù),紋波幅度d 在一定的頻率范圍內(nèi)，實際濾波器的幅頻特性可能呈波紋變化，其波動幅度d與幅頻特性的平均值相比，越小越好，一般應遠小于3dB，即,截止頻率 幅頻特性值等于 所對應的頻率稱為濾波器的截止頻率。以 為參考值， 對應于 點，即相對于 衰減 。 若以信號的幅值平方表示信號功率，則所對應點正好是半功率點。,實際濾波器的主要參數(shù),帶寬B與品質(zhì)因素Q值 上、下兩截止頻率之間的頻率范圍稱為濾波器帶寬，或 帶寬，單位為Hz，帶寬決定著濾波器分離信號中相鄰頻率成分的能力頻率分辨力。 把中心頻率 和帶寬B之比稱為濾波器的品質(zhì)因素Q，Q值越大，表明濾波器分辨力越高。,實際濾波器的主要參數(shù),倍頻程選擇性W 在兩截止頻率外側(cè)，實際濾波器有一個過渡帶，這個過渡帶的幅頻曲線傾斜程度表明了幅頻特性衰減的快慢。它決定著濾波器對帶寬外頻率成分衰阻的能力，通常用倍頻程選擇性來表征。 所謂倍頻程選擇性是指在上截止頻率fC2與2 fC2之間，或者在下截止頻率fC1與fC1/2之間幅頻特性的衰減，即頻率變化一個倍頻程時的衰減量。以dB表示。顯然，衰減越快，濾波器選擇性越好。對于遠離截止頻率的衰減率也可用10倍頻程衰減數(shù)表示之。,實際濾波器的主要參數(shù),實際濾波器的主要參數(shù),濾波器因素（或矩形系數(shù)） 濾波器選擇性的另一種表示方法，是用濾波器幅頻特性的-60dB帶寬與-3dB帶寬的比值來表示。 理想濾波器=1，通常使用的濾波器=(1-5)。有些濾波器因器件影響（如電容漏阻等），阻帶衰減倍數(shù)達不到-60dB，則以標明的衰減倍數(shù)（如-40dB或-30dB）帶寬與-3dB帶寬之比來表示其選擇性。,2RC調(diào)諧式濾波器的基本特性,在測試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因為在這一領域中，信號頻率相對講是不高的，而RC濾波電路簡單，抗干擾性強，有較好的低頻性能，且易通過標準阻容元件來實現(xiàn)。,R2,e x,e y,C2,C1,R1,C1,（f）,圖7-7 RC帶通濾波器及其幅頻、相頻特性,0,f,A（f）,-450,450,0,f,1,3可實現(xiàn)的典型濾波網(wǎng)絡函數(shù),實用中的濾波器，在通頻帶內(nèi)不平坦；在過渡部分不陡直；阻帶部分不為零。而濾波器的設計是在一定限度內(nèi)進行逼近的。“最佳逼近特性”的標準是根據(jù)濾波器的不同應用要求而定出的。如可只考慮幅頻特性，而不考慮相頻特性，如巴特沃斯、切比雪夫濾波器等，也可以提出相頻特性而不關心幅頻特性，如貝塞爾濾波器等。,信號調(diào)制的類型，一般正（余）弦調(diào)制可分為幅度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制三種，簡稱為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相。本節(jié)討論幅度調(diào)制及其解調(diào)。,調(diào)幅解調(diào),調(diào)幅與解調(diào)原理,調(diào)幅：是將一個高頻正弦信號（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，現(xiàn)以余弦信號作為載波進行討論。 由傅里葉變換的性質(zhì)知，時域中兩信號相乘，則對應在頻域這兩個信號進行卷積，即,一個函數(shù)與單位脈沖函數(shù)卷積的結(jié)果，就是將其圖形由坐標原點平移至該脈沖函數(shù)處，所以，若以高頻余弦信號作載波，把信號 和載波信號 相乘，其結(jié)果就相當于把原信號頻譜圖形由原點平移至載波頻率 處，其幅值減半 。即,余弦函數(shù)的頻域，圖形是一對脈沖譜線，即,這一過程就是調(diào)幅，調(diào)幅過程相當于頻率“搬移”過程。若把調(diào)幅波 再次與載波信號 相乘，則頻域圖形將再次進行“搬移”，即 與 乘積的傅里葉變換為 若用一個低通濾波器濾除中心頻率為 的高頻成分，則可復現(xiàn)原信號的頻譜（只是其幅值減小一半，這可用放大處理來補償），這一過程稱為同步解調(diào)。 “同步”指解調(diào)時所乘的信號與調(diào)制時載波信號具有相同的頻率與相位 。,上述調(diào)制方法是將調(diào)制信號x(t)直接與載波信號z(t)相乘，這種調(diào)幅波具有極性變化，即在信號過零線時： 其幅值發(fā)生由正到負或由負到正的突然變化，此時調(diào)幅波的相位（相對于載波）也相應地發(fā)生的相位變化。這種調(diào)制方法稱為抑制調(diào)幅。 抑制調(diào)幅需采用同步解調(diào)，才能反映出原信號的幅值和極性。,若把調(diào)制信號x(t)進行偏置，疊加一個直流分量A，使偏置后的信號都具有正電壓，此時調(diào)幅波的表達式為： 或 式中，m1,稱為調(diào)幅指數(shù)。 該調(diào)制方法為非抑制調(diào)幅或偏置調(diào)幅。 其調(diào)幅波的包絡線具有原符號形狀如下圖所示，對于非抑制調(diào)幅波，一般進行整流、濾波后，就可恢復原信號。,7.3 調(diào)頻解調(diào),在實際應用中，除調(diào)幅及其解調(diào)外，還經(jīng)常在測試中運用調(diào)頻及解調(diào)方法。 調(diào)頻：是利用信號 的幅值調(diào)制載波的頻率，或者說，調(diào)頻波是一種隨信號 的電壓幅值而變化的疏密不同的等幅波。,調(diào)頻特點： 優(yōu)點：頻率調(diào)制較幅度調(diào)制的最大優(yōu)點是改善了信噪比。 調(diào)頻波之所以改善了信號傳輸過程中的信噪比，是因為調(diào)頻信號所攜帶的信息包含在頻率的變化之中，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。,調(diào)頻特點： 缺點： 調(diào)頻波通常要求很寬的頻帶； 調(diào)頻系統(tǒng)較之調(diào)幅系統(tǒng)復雜，因為調(diào)頻調(diào)制實際上是一種非線性調(diào)制，它不能運用疊加原理，因此，分析調(diào)頻波比分析調(diào)幅波困難。,頻率調(diào)制是使載波頻率對應于調(diào)制信號 的幅值的變化。由于的幅值是一個隨時間而變化的函數(shù)，因此，調(diào)頻波的頻率是一個“隨時間而變化的頻率”，其定義為 式中， 中的 。,通常在單一頻率時 式中， 為初相位，是常數(shù)。 頻率調(diào)制就是利用瞬時頻率 來表示信號的調(diào)制，即 式中， 為載波中心頻率； 是調(diào)制信號； 是載波被信號調(diào)制部分，表明瞬 時頻率是載波中心頻率 與隨信號 幅值而變化的頻率 之和，,（A）,對式（A）積分 如調(diào)制信號是單一余弦波，即 則調(diào)頻波表達式為,式中，,為調(diào)頻指數(shù)；,為實際變化的頻率幅度，稱為最大頻率偏移， 或表示為,為研究調(diào)頻波的頻譜，將上式展開，利用貝塞爾函數(shù)式 ：,計算可得 式中， 的n階貝塞爾函數(shù)；是自變量，下角n為整數(shù)。,用單一頻率 調(diào)制時，調(diào)頻波可用載頻與許多對稱的位于載頻兩側(cè)的邊頻 之和來表示，鄰近的邊頻彼此之間相差為 ; 每一個頻率分量的幅值等于 ，當n為偶數(shù)時，高低對稱邊頻有相同的符號；當n為奇數(shù)時，它們符號相反; 從理論上講，邊頻數(shù)目無窮多，不過，由于從 開始，隨n的增加，邊頻幅值很快衰減，實際上可以認為邊頻有效數(shù)目為 。,結(jié)論,7.3.2 直接調(diào)頻與鑒頻 自學（教材：PP174175） 7.3.3 調(diào)頻解調(diào)應用 自學（教材：PP175176）,7.4 記錄儀器,記錄儀器分類： 模擬式記錄儀器：如電子示波器，磁帶記錄儀。,數(shù)字式記錄儀器：如數(shù)字萬用表、電壓表、數(shù)字存儲式示波器、數(shù)字式瞬態(tài)波形存儲器等。,本節(jié)僅介紹數(shù)字式存儲示波器的工作原理。,數(shù)字式瞬態(tài)波形存儲設備的工作原理 原理：瞬態(tài)波形存貯器的一般工作原理是高速瞬態(tài)模擬信號經(jīng)過模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成一連串的數(shù)字信號。這些數(shù)字信號立即被存入一個高速大容量半導體存貯器。存入后，即可反復取出這些數(shù)字信號。可將這些數(shù)字信號通過接口送入微處理機進行數(shù)據(jù)處理，或?qū)⑦@些數(shù)字信號送至數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器，還原成模擬波形送入示波器觀察波形。 特點：它的特點是速度高、容量大、價格便宜。,數(shù)字式瞬態(tài)波形存儲器的組成,數(shù)字測量系統(tǒng)的基本特性 將能提供數(shù)字輸出信號的測量系統(tǒng)稱之為數(shù)字測量系統(tǒng)。 因為實際的被測輸入信號x(t)一般都是隨時間連續(xù)變化的模擬信號，相應的數(shù)字測量系統(tǒng)必須完成將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號的工作（ADC）。 將連續(xù)模擬信號轉(zhuǎn)換成計算機接受的離散數(shù)字信號，需經(jīng)過兩個基本環(huán)節(jié)： 首先是采樣，由連續(xù)的模擬信號變成離散模擬信號， 然后量化，即通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換將采樣后的離散模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。,采樣,由連續(xù)的模擬信號變成離散模擬信號，然后再通過模/數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。,x(t) x*(t),s(t),x*(t),x(t),t,t,t,(a),(a),(b),(b),0,-3Ts,-2Ts,-Ts,0,Ts,2Ts,3Ts,(a)采樣開關及采樣輸出；(b)采樣函數(shù)。 (a)采樣脈沖s(t)；(b)采樣信號x*(t)。,因脈沖寬度遠小于采樣周期Ts，可認為0，用單位脈沖序列函數(shù) 來描述，有,2. 采樣定理 為確保采樣后的離散信號能恢復原來的連續(xù)信號，要遵守采樣定理，否則將出現(xiàn)信號的嚴重畸變。設對信號采樣周期為Ts，采樣頻率為f=1/Ts。采樣頻率必須大于或等于信號最高頻率的兩倍，此即采樣定理，也稱奈奎斯特定理。,連續(xù)函數(shù)有最高頻率 ，采樣函數(shù)有以采樣頻率為周期的無限多個頻譜，每個頻譜寬度仍為 ，幅值為原來的 ；當頻譜寬度 時，各頻譜將相互交疊，發(fā)生混迭，因此，僅有 ，即采樣頻率大于等于信號最高頻率的兩倍，才能保證頻譜不混迭。在實際使用中，一般采樣頻率取最高頻率的510倍。,n=-2 n=-1 n=1 n=2 -2s -s 2max s 2s ,X*(j),s,-max,X(j),max,量化,采樣是對模擬信號在時間軸上的離散化，而量化則是把采樣點的幅值在一組有限個離散電平中取其中之一來近似取代信號的實際電平。這些離散電平稱為量化電平，每一個量化電平用一個二進制數(shù)碼來表示，從而模擬信號經(jīng)采樣、量化之后，就轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。,量化誤差,A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)是一定的，一個n位（又稱量化位數(shù)）的二進制數(shù)，共有L=2n個數(shù)碼，即有L個量化電平，如果A/D轉(zhuǎn)換器允許的動態(tài)工作范圍為E（例如5V或010V），則該A/D轉(zhuǎn)換器的量化分辨率為 A/D轉(zhuǎn)換的非線性度為 當模擬信號采樣值的電平落在兩個相鄰量化電平之間時，就要舍入歸并到相應的一個量化電平上，該