第五講 信號(hào)的調(diào)理及記錄

第五講信號(hào)調(diào)理與記錄電橋信號(hào)的放大與隔離調(diào)制與解調(diào)濾波器第一節(jié)概述

傳感器的輸出信號(hào)有兩種形式：一種是電信號(hào)，如電壓、電流或電荷量等；另一種是電參數(shù)的變化，如電阻、電感和電容等。這些信號(hào)太微弱或不滿足傳輸、記錄和顯示等要求，尚需經(jīng)過中間轉(zhuǎn)換裝置進(jìn)行放大、濾波、調(diào)制解調(diào)等處理以提高信噪比。完成這些功能的電路就是中間變換裝置。

盡管數(shù)字信號(hào)分析技術(shù)已經(jīng)獲得了很大發(fā)展，但模擬信號(hào)分析仍然是不可少的，即使在數(shù)字信號(hào)分析系統(tǒng)中，也要加入模擬分析設(shè)備。例如，對(duì)連續(xù)時(shí)間信號(hào)進(jìn)行數(shù)字分析之前的抗頻混濾波。應(yīng)變片測(cè)量金屬材料的應(yīng)變時(shí)，其電阻變化率只有0.001級(jí)，電壓往往只有μV級(jí)。激勵(lì)被測(cè)對(duì)象傳感器中間變換裝置顯示、記錄裝置被測(cè)物理量電量測(cè)試系統(tǒng)

信號(hào)調(diào)理裝置對(duì)于一個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的性能優(yōu)劣往往有至關(guān)重要的影響。一些常見類型的傳感器和它們各自所需的信號(hào)調(diào)理方法。本課程主要包括：電橋、放大與隔離、調(diào)制與解調(diào)、信號(hào)的濾波。第一節(jié)概述

電橋是將電阻、電感、電容等參量的變化變?yōu)殡妷夯螂娏鬏敵龅囊环N測(cè)量電路。電橋由于具有測(cè)量電路簡(jiǎn)單可靠、較高的靈敏度、容易實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，因此在測(cè)量裝置中被廣泛應(yīng)用。分類：

按激勵(lì)電壓的性質(zhì)：直流電橋(只能測(cè)量電阻變化)

交流電橋(能測(cè)量電阻、電感、電容的變化)

按輸出方式：不平衡橋式電路平衡橋式電路第二節(jié)電橋一、直流電橋采用直流電源的電橋稱為直流電橋，直流電橋的橋臂只能為電阻。要使電橋平衡，輸出為零，應(yīng)滿足輸入：各臂電阻相對(duì)變化量ΔR/R輸出：Uy第二節(jié)電橋電橋在正常工作前必須對(duì)電橋預(yù)調(diào)平衡。下列三種形式可滿足電橋的平衡條件：全等臂電橋：R1=R2=R3=R4=R；臥式橋：R1=R2=R，R3=R4=R′；立式橋：R1=R4=R，R3=R2=R′。其中最常用的是全等臂電橋。根據(jù)電橋工作時(shí)，參與工作的橋臂數(shù)分為半橋單臂、半橋雙臂和全橋三種連接方式。第二節(jié)電橋（1）半橋單臂接法：僅一個(gè)橋臂為工作橋臂工作中只有一個(gè)橋臂阻值隨被測(cè)量的變化而變化。輸出電壓當(dāng)采用全等臂電橋，即，即則輸出電壓因，所以可見，電橋的輸出與激勵(lì)電壓成正比，且在條件下，與成正比。靈敏度第二節(jié)電橋（2）半橋雙臂接法：相鄰兩橋臂為工作橋臂靈敏度與半橋單臂相比，靈敏度提高了一倍，電橋的輸出與成完全線性關(guān)系。第二節(jié)電橋（3）全橋接法：四個(gè)橋臂均為工作臂

第二節(jié)電橋以上三種接法的靈敏度比分別為1：2：4。注意：相鄰兩臂電阻增量符號(hào)相反；相對(duì)兩臂電阻增量符號(hào)相同。第二節(jié)電橋電橋測(cè)量的誤差及其補(bǔ)償誤差主要來源：非線性誤差和溫度誤差。非線性誤差：半橋單臂→半橋雙臂、全橋接法。溫度誤差：溫度變化造成阻值變化不同。應(yīng)盡量使各應(yīng)變片的溫度一致。第二節(jié)電橋直流電橋的干擾由上述可知，電橋輸出為ΔR0/R0與供橋電壓Ui的乘積。由于ΔR0/R0是一個(gè)非常小的量，因此，電源電壓不穩(wěn)定所造成的干擾是不可忽略的。為了抑制干擾，通常采用如下措施：(1)電橋的信號(hào)引線采用屏蔽電纜。(2)屏蔽電纜的屏蔽金屬網(wǎng)應(yīng)該與電源至電橋的負(fù)接線端連接。(3)放大器應(yīng)該具有高共模抑制比。第二節(jié)電橋電橋的和差特性：如每一橋臂都為工作橋臂，對(duì)上式全微分有：對(duì)于全等臂電橋來說，上式可表示為：即為電橋電路的和差特性，它是進(jìn)行溫度補(bǔ)償和提高電橋靈敏度的主要依據(jù)。第二節(jié)電橋上述電橋是在不平衡條件下工作的，它的缺點(diǎn)是當(dāng)電源電壓不穩(wěn)定，會(huì)引起電橋輸出的變化，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差。因此，在某些情況下可以采用平衡電橋。平衡電橋設(shè)被測(cè)量等于零時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，此時(shí)指示儀表G及可調(diào)電位器H指零。當(dāng)某一橋臂隨被測(cè)量變化時(shí)，電橋失去平衡，調(diào)節(jié)電位器H，改變電阻R5觸電位置，可使電橋重新平衡，電表G指針回零。電位器H上的標(biāo)度與橋臂電阻值的變化成比例，故H的指示值可以直接表達(dá)被測(cè)量的數(shù)值。由于平衡電橋最終輸出為零，因此測(cè)量誤差取決于可變電阻的精確度，而與電源電壓無關(guān)。第二節(jié)電橋二、交流電橋交流電橋采用交流激勵(lì)電壓。電橋的四個(gè)臂可為電感、電容或電阻。電橋平衡條件把各阻抗用指數(shù)式表示代入上式第二節(jié)電橋其中，為各阻抗的模；為阻抗角，是各橋臂電流與電壓之間的相位差，純電阻=0，電感性阻抗>0，電容性阻抗<0。

為了滿足上述平衡條件，交流電橋各臂可有不同組合。常用有電容、電感電橋，其相鄰兩臂接入電阻，而另外兩臂接入相同性質(zhì)的阻抗，如都是電容或電感。電橋平衡必須滿足兩個(gè)條件第二節(jié)電橋電容電橋電感電橋第二節(jié)電橋交流電橋的平衡條件針對(duì)供橋電源只有一個(gè)頻率的情況下推出的。當(dāng)供橋電源有多個(gè)頻率成分時(shí)，得不到平衡條件，也即電橋是不平衡的。因此，交流電橋?qū)螂娫匆缶哂辛己玫碾妷翰ㄐ魏皖l率穩(wěn)定性。一般采用音頻電源(5kHz～10kHz)作為電橋電源。這樣，電橋的輸出將為調(diào)幅波。其后應(yīng)接檢波電路和低通濾波器才能恢復(fù)原信號(hào)。交流電橋的特點(diǎn)第二節(jié)電橋第二節(jié)

信號(hào)的放大與隔離傳感輸出的微弱電信號(hào)其幅值和功率不能滿足后續(xù)處理要求。為什么要放大信號(hào)？

反相放大器

同相放大器

差動(dòng)放大器隔離方式主要有變壓器耦合、電容耦合和光電耦合。為什么要隔離信號(hào)？保證人身及設(shè)備的安全并降低干擾的影響。第二節(jié)

信號(hào)的放大與隔離第三節(jié)調(diào)制與解調(diào)

在測(cè)試技術(shù)中，調(diào)制是工程測(cè)試信號(hào)在傳輸過程中常用的一種調(diào)理方法，主要是為了使微弱緩變信號(hào)的信道傳輸?shù)膯栴}?；靖拍钫{(diào)制：將緩變的被測(cè)信號(hào)變?yōu)轭l率適當(dāng)?shù)慕涣餍盘?hào)的過程，以便對(duì)信號(hào)進(jìn)行傳輸、放大、處理等操作，它是使一個(gè)信號(hào)（載波信號(hào)）的某些參數(shù)在另外一個(gè)信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）的控制下發(fā)生變化的過程。解調(diào)：將調(diào)制信號(hào)恢復(fù)為原信號(hào)的過程。調(diào)制的3種方法：調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。調(diào)幅：調(diào)幅是將一個(gè)高頻簡(jiǎn)諧信號(hào)（載波信號(hào)）與測(cè)試信號(hào)(調(diào)制信號(hào))相乘，使載波信號(hào)幅值隨測(cè)試信號(hào)的變化而變化。調(diào)頻：用被測(cè)信號(hào)調(diào)制高頻振蕩信號(hào)的頻率，使其頻率隨被測(cè)信號(hào)的幅值而線性變化，其幅值不變。其頻率的疏密是隨被測(cè)信號(hào)幅值而發(fā)生變化的一種變頻波。調(diào)相：用被測(cè)信號(hào)調(diào)制高頻振蕩信號(hào)的相位。載波：信號(hào)調(diào)制過程中的高頻振蕩信號(hào)。一般采用5kHz～10kHz的音頻振蕩作為載波。第三節(jié)調(diào)制與解調(diào)幅度調(diào)制

原理

調(diào)幅是將一個(gè)高頻簡(jiǎn)諧信號(hào)（載波信號(hào)）與測(cè)試信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）相乘，使載波信號(hào)幅值隨測(cè)試信號(hào)的變化而變化。原信號(hào)頻譜圖形由原點(diǎn)平移至載波頻率處，其幅值減半。所以調(diào)幅過程就相當(dāng)于頻率“搬移”過程

幅值調(diào)制的頻移功能在工程技術(shù)上具有重要的使用價(jià)值。例如，廣播電臺(tái)把聲頻信號(hào)移頻至各自分配的高頻、超高頻頻段上，既便于放大和傳遞，也可避免各電臺(tái)之間的干擾。第三節(jié)調(diào)制與解調(diào)對(duì)于單臂電橋，其電壓輸出為：如供橋激勵(lì)為載波頻率第三節(jié)調(diào)制與解調(diào)把調(diào)幅波xm(t)再次與載波z(t)信號(hào)相乘，則頻域圖形將再一次進(jìn)行“搬移”?！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。其時(shí)域：同步解調(diào)第三節(jié)調(diào)制與解調(diào)整流檢波解調(diào)對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行偏置，使其大于零。將該調(diào)幅波進(jìn)行整流（半波或全波）、濾波并消除直流偏置即可恢復(fù)原信號(hào)。又稱包絡(luò)分析法。xm(t)=[A+x(t)]cos2πfzt第三節(jié)調(diào)制與解調(diào)相敏檢波解調(diào)相敏檢波解調(diào)方法能夠使已調(diào)幅的信號(hào)在幅值和極性上完整地恢復(fù)成原調(diào)制信號(hào)。相敏濾波器輸出波形的包絡(luò)線即是所需要的信號(hào)。由于被測(cè)信號(hào)的最高頻率

(載波頻率)，所以應(yīng)在相敏檢波器的輸出端再接一個(gè)適當(dāng)頻帶的低通濾波器，即可得到與原信號(hào)波形一致的信號(hào)。第三節(jié)調(diào)制與解調(diào)調(diào)幅應(yīng)用——?jiǎng)討B(tài)電阻應(yīng)變儀

電橋放大器相敏檢波低通濾波顯示記錄載波振蕩器x(t)x(t)0t0ty(t)電阻應(yīng)變片0tx’m(t)0tx’(t)0txm(t)第三節(jié)調(diào)制與解調(diào)調(diào)幅應(yīng)用——?jiǎng)討B(tài)電阻應(yīng)變儀

x(t)第三節(jié)調(diào)制與解調(diào)頻率調(diào)制

原理調(diào)頻就是用調(diào)制信號(hào)(緩變的被測(cè)信號(hào))去控制載波信號(hào)的頻率，使其隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化。調(diào)頻信號(hào)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，使得信號(hào)的抗干擾能力得到很大的提高；同時(shí)，調(diào)頻信號(hào)還便于遠(yuǎn)距離傳輸和采用數(shù)字技術(shù)。由于調(diào)頻信號(hào)的這些優(yōu)點(diǎn)使得調(diào)頻和解調(diào)技術(shù)在測(cè)試技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用。第三節(jié)調(diào)制與解調(diào)第四節(jié)濾波器

濾波器是一種選頻裝置，可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其它頻率成分。在測(cè)試裝置中，利用濾波器的這種選頻作用，可以濾除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析。廣義地講，任何一種信息傳輸?shù)耐ǖ溃劫|(zhì)）都可視為是一種濾波器。因?yàn)?，任何裝置的響應(yīng)特性都是激勵(lì)頻率的函數(shù)，都可用頻域函數(shù)描述其傳輸特性。因此，構(gòu)成測(cè)試系統(tǒng)的任何一個(gè)環(huán)節(jié)，諸如機(jī)械系統(tǒng)、電氣網(wǎng)絡(luò)、儀器儀表甚至連接導(dǎo)線等等，都將在一定頻率范圍內(nèi)，按其頻域特性，對(duì)所通過的信號(hào)進(jìn)行變換與處理。濾波器分類

低通濾波器

高通濾波器

帶通濾波器

帶阻濾波器按選頻作用分第四節(jié)濾波器按有源、無源分無源濾波：由電阻、電容、電感線圈等電路元件構(gòu)成的濾波電路稱為無源濾波電路。由于損耗信號(hào)能量及帶負(fù)載能力差受到限制。有源濾波：由運(yùn)放器件(有源器件)和RC調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的濾波電路稱為有源濾波電路。按電路元件分根據(jù)濾波電路的構(gòu)成電路元件分為RC濾波電路和LC濾波電路。按處理的信號(hào)的性質(zhì)分可分為模擬信號(hào)濾波電路和數(shù)字信號(hào)濾波電路。第四節(jié)濾波器理想濾波器理想濾波器是指能使通帶內(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，其通帶和阻帶之間有明顯的分界線。也就是說，理想濾波器在通帶內(nèi)的幅頻特性應(yīng)為常數(shù)，相頻特性的斜率為常值；在通帶外的幅頻特性應(yīng)為零。理想低通濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)t01/fc-1/fch(t)脈沖響應(yīng)實(shí)際濾波器的頻域圖形不會(huì)在某個(gè)頻率上完全截止，而會(huì)逐漸衰減并延伸到∞。第四節(jié)濾波器實(shí)際濾波器(1)實(shí)際濾波器的基本參數(shù)理想濾波器是不存在的，在實(shí)際濾波器的幅頻特性圖中，通帶和阻帶之間應(yīng)沒有嚴(yán)格的界限。在通帶和阻帶之間存在一個(gè)過渡帶。在過渡帶內(nèi)的頻率成分不會(huì)被完全抑制，只會(huì)受到不同程度的衰減。當(dāng)然，希望過渡帶越窄越好，也就是希望對(duì)通帶外的頻率成分衰減得越快、越多越好。因此，在設(shè)計(jì)實(shí)際濾波器時(shí)，總是通過各種方法使其盡量逼近理想濾波器。第四節(jié)濾波器

紋波幅度d

在一定頻率范圍內(nèi)，實(shí)際濾波器的幅頻特性可能呈波紋變化，其波動(dòng)幅度d與幅頻特性的平均值A(chǔ)0相比，越小越好，一般應(yīng)遠(yuǎn)小于-3dB。截止頻率fc

幅頻特性值等于0.707A0所對(duì)應(yīng)的頻率稱為濾波器的截止頻率。以A0為參考值，0.707A0對(duì)應(yīng)于-3dB點(diǎn)，即相對(duì)于A0衰減3dB。若以信號(hào)的幅值平方表示信號(hào)功率，則所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)正好是半功率點(diǎn)。帶寬B和品質(zhì)因素Q上、下兩截止頻率之間的頻率范圍稱為濾波器帶寬。帶寬B決定頻率分辨力。將中心頻率f0（，幾何平均）與帶寬B之比稱為濾波器的品質(zhì)因素。f0確定，品質(zhì)因素Q越大，濾波器分辨力越高。第四節(jié)濾波器倍頻程選擇性W

在兩截止頻率外側(cè)，實(shí)際濾波器有一個(gè)過渡帶，這個(gè)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(duì)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2fc2之間，或者在下截止頻率fc1與fc1/2之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個(gè)倍頻程時(shí)的衰減量。理想濾波器=1，通常=1~5。有些濾波器因器件影響（如電容漏阻），阻帶衰減達(dá)不到-60dB，可用-40dB或-30dB帶寬與-3dB帶寬的比值表示。濾波器因數(shù)（矩形系數(shù)）濾波器選擇性的另一種表示法。用濾波器幅頻特性的-60dB帶寬與-3dB帶寬的比值表示。第四節(jié)濾波器RC無源濾波器1、一階RC低通濾波器電路的微分方程式：傳遞函數(shù)τ=RC，為時(shí)間常數(shù)。第四節(jié)濾波器1o、當(dāng)時(shí)，A(f)=1,φ(f)-f

近似于一條通過原點(diǎn)的直線。此時(shí)，RC低通濾波器是一個(gè)不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。2o、當(dāng)時(shí)，，即RC值決定著上截止頻率。3o、當(dāng)時(shí)，輸出與輸入