第四章信號(hào)調(diào)理以及記錄

第四章信號(hào)的調(diào)理與記錄本章學(xué)習(xí)要求：1.掌握電橋工作原理2.掌握信號(hào)調(diào)制解調(diào)原理3.掌握信號(hào)濾波器工作原理4.自學(xué)信號(hào)放大、顯示和記錄便于信號(hào)的傳輸與處理信號(hào)調(diào)理的目的：

第4章信號(hào)調(diào)理電路1.有些傳感器輸出的是電參量，需要轉(zhuǎn)換成電信號(hào)才能進(jìn)行處理。2.某些場(chǎng)合，為便于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，需要對(duì)傳感器測(cè)量信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)處理。3.傳感器輸出的信號(hào)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(jìn)一步放大，有的還要進(jìn)行阻抗變換。4.有些傳感器輸出的信號(hào)中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。

4.1電橋

電橋是一個(gè)四端網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的每一支路稱(chēng)為橋臂，橋臂上可接入電阻、電容或電感變化的傳感器。網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)對(duì)角接入工作電壓，另一個(gè)對(duì)角為輸出電壓。

電橋的作用是將電阻、電容或電感等電參量的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出。一、電橋的分類(lèi)按照工作電源性質(zhì)可分為：直流電橋和交流電橋按橋臂接入的阻抗元件可分為：電阻電橋、電容電橋和電感電橋。

按照輸出測(cè)量方式不同可分為：平衡電橋和不平衡電橋。平衡電橋

不平衡電橋●平衡條件二、電橋的平衡

1、直流電橋平衡兩相對(duì)橋臂電阻值的乘積相等。2、交流電橋的平衡平衡條件：

交流電流平衡條件：①相對(duì)兩臂阻抗之模的乘積應(yīng)相等②相對(duì)兩臂阻抗角之和也應(yīng)相等。三.電橋的和差特性設(shè)電橋四臂阻值相等R1=R2=R3=R4=R，且增量分別為ΔRi

<<Ri，則電橋的輸出為電橋和差特性

1）若相鄰兩橋臂電阻同向變化，所產(chǎn)生的輸出電壓將相互抵消。

2）若相鄰兩橋臂電阻反向變化，所產(chǎn)生的輸出電壓將相互疊加。利用和差特性，可以：進(jìn)行溫度補(bǔ)償，消除測(cè)量誤差提高靈敏度復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下測(cè)取單獨(dú)由某一因素產(chǎn)生的應(yīng)變1.直流電橋的連接方式：?jiǎn)伪?/p>

半橋

全橋

四、電橋的聯(lián)接方式令：一般，所以上式可簡(jiǎn)化為：直流電橋的的輸出與靈敏度：?jiǎn)伪?/p>

半橋

全橋

電容電橋電感電橋2.交流電橋的連接方式：

純電阻交流電橋，除有電阻平衡，還應(yīng)有電容平衡。（由于導(dǎo)線間分布電容的存在）電阻交流電橋的分布電容具有電阻電容平衡的交流電阻電橋

利用電阻應(yīng)變片作為傳感元件來(lái)測(cè)量應(yīng)變的專(zhuān)用電子儀器稱(chēng)為電阻應(yīng)變儀。電阻應(yīng)變儀直流電橋與交流電橋的特點(diǎn)直流電橋：平衡電路簡(jiǎn)單、對(duì)聯(lián)接導(dǎo)線要求低，直流電源穩(wěn)定性容易保證；后接比較復(fù)雜的直流放大器。交流電橋：交流放大器簡(jiǎn)單；要求波形沒(méi)有畸變，頻率必須穩(wěn)定。五、溫度補(bǔ)償問(wèn)題R1、R2完全相同，處于相同溫度場(chǎng)中，并且接入相鄰臂。在力P和溫度t的作用下，R1上的電阻變化率為：R2的電阻變化率為：例題:將電阻應(yīng)變片貼在等強(qiáng)度梁上，構(gòu)成測(cè)力傳感器，用來(lái)測(cè)量力F0

(1)若采用半橋測(cè)量方法

a在圖上繪出貼片位置并畫(huà)出測(cè)量電橋電路；

b已知應(yīng)變片R=120Ω，S=2，工作時(shí)其應(yīng)變?yōu)?000με，電橋激勵(lì)電壓u0=3V。（S為應(yīng)變片靈敏系數(shù)或靈敏度）求：電橋的輸出電壓uo及電橋靈敏度Sb

。

(2)為提高電橋靈敏度，采用何種接橋方式并在圖上繪貼片位置。F如圖所示，測(cè)量力F與F2，如何布片組橋？F2考慮：交流電橋的輸出VinVoR1R3R2R4定義：調(diào)制是指利用某種低頻信號(hào)來(lái)控制或改變高頻振蕩信號(hào)的某個(gè)參數(shù)（幅值、頻率或相位)。調(diào)制信號(hào)調(diào)制波4.2調(diào)制與解調(diào)目的：解決微弱緩變信號(hào)的放大以及信號(hào)的傳輸問(wèn)題。

a)調(diào)幅(AM)b)調(diào)頻(FM)c)調(diào)相(PM)載波一、調(diào)幅與解調(diào)

調(diào)幅是將一個(gè)高頻載波信號(hào)（此處采用余弦波）與被測(cè)信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）相乘，使載波信號(hào)幅值隨被測(cè)信號(hào)的變化而變化．調(diào)制器（乘法器）調(diào)制信號(hào)載波調(diào)幅波1、調(diào)幅調(diào)制器（乘法器）調(diào)制信號(hào)載波調(diào)幅波一個(gè)函數(shù)與單位脈沖函數(shù)卷積的結(jié)果，就是在發(fā)生δ函數(shù)的坐標(biāo)位置上將原來(lái)的函數(shù)重新構(gòu)圖。調(diào)幅：

從頻域上：相當(dāng)于頻率的搬遷過(guò)程。從低頻搬遷到高頻。頻譜形狀保持不變（f0>>fm)。從時(shí)域上：用x（t）去控制改變y（t）的幅值，使xm（t）的幅值隨著x（t）的變化而變化，頻率仍與z（t）相同。載波頻率f0稱(chēng)為調(diào)幅波的中心頻率，f0+fm

稱(chēng)為上旁頻帶，f0-fm

稱(chēng)為下旁頻帶。2、解調(diào)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”。當(dāng)用一低通濾波器濾去頻率大于fm的成分時(shí)，則可以復(fù)現(xiàn)原信號(hào)的頻譜。與原頻譜的區(qū)別在于幅值為原來(lái)的一半，這可以通過(guò)放大來(lái)補(bǔ)償。這一過(guò)程稱(chēng)為同步解調(diào)，同步是指解調(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。包絡(luò)檢波

若對(duì)信號(hào)x(t)進(jìn)行偏置，疊加一個(gè)直流分量D，使偏置后的信號(hào)都具有正電壓。解調(diào)二極管檢波低通濾波調(diào)幅過(guò)程中失真a）偏置電壓過(guò)小引起失真：要求其直流偏置必須足夠大，否則x(t)的相位將發(fā)生180°跳變。b)混疊：調(diào)幅波是最高頻率為fmax的雙邊帶信號(hào)組成．當(dāng)載波頻率f0較低時(shí)，正頻端的下邊帶將與負(fù)頻端的下邊帶相重疊．要求:f0＞fmax

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)幅波的相位（與載波相比）也相應(yīng)的產(chǎn)生180°的相位跳變。

圖相敏檢波動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀方框圖二、調(diào)頻與解調(diào)1、概念：調(diào)頻是利用調(diào)制信號(hào)的幅值控制高頻載波信號(hào)頻率變化的過(guò)程?；蛘哒f(shuō)，調(diào)頻波是一種隨調(diào)制信號(hào)的幅值而變化的疏密度不同的等幅波.

調(diào)頻波的瞬時(shí)頻率可表示為：f=f0+△f式中f0為載波信號(hào)頻率；△f為頻率偏移，與調(diào)制信號(hào)x(t)的幅值成正比。

測(cè)量過(guò)程中，電容C0變化量為△C，此時(shí)回路的振蕩頻率變?yōu)椋?.頻率調(diào)制方法直接調(diào)頻測(cè)量電路LC振蕩電路振蕩頻率

壓控振蕩器（VCO)3.鑒頻變壓器耦合的諧振回路法feaeaf0ttfnef為輸入的調(diào)頻信號(hào)，在回路的諧振頻率fn處，線圈L1,L2的耦合電流最大，副邊輸出電壓ea也最大；ef頻率離fn越遠(yuǎn)，線圈L1,L2的耦合電流越小，副邊輸出電壓ea也越小；從而將調(diào)頻波信號(hào)頻率的變化轉(zhuǎn)化為電壓幅值的變化。ect優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)。

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(fù)雜，因?yàn)轭l率調(diào)制是一種非線性調(diào)制。

因?yàn)檎{(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．

缺點(diǎn)：占頻帶寬度大，復(fù)雜4.3信號(hào)的濾波

一、概述

濾波器是一種選頻裝置，可以使信號(hào)中有效成分通過(guò)，而極大地衰減其他頻率成分。

濾波器分類(lèi)（根據(jù)濾波器的選頻作用分）

低通高通帶通帶阻濾波器的串/并聯(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(lèi)型的濾波器。帶阻濾波器二、濾波器性能分析1.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。理想低通濾波器幅相頻特性理想濾波器的物理不可實(shí)現(xiàn)

理想濾波器在時(shí)域內(nèi)的脈沖響應(yīng)函數(shù)h（t）為sinc函數(shù)。脈沖響應(yīng)的波形沿橫坐標(biāo)左、右無(wú)限延伸。

給理想濾波器一個(gè)脈沖激勵(lì)，在t=0時(shí)刻單位脈沖輸入濾波器之前，濾波器就已經(jīng)有響應(yīng)了。故物理不可實(shí)現(xiàn)。fcH(f)0ffc1fc2A00.707A0(1)截止頻率fc：0.707A0所對(duì)應(yīng)的頻率.δ(3)紋波幅度δ：通頻帶中幅頻特性的起伏變化值。(4)品質(zhì)因數(shù)Q：中心頻率和帶寬之比稱(chēng)為品質(zhì)因數(shù)。BQ=f0/B(2)帶寬B:上下兩截止頻率間的頻率范圍稱(chēng)為帶寬。2.實(shí)際濾波器的特征參數(shù)

(5)倍頻程選擇性W

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(gè)倍頻程時(shí)的衰減量。

倍頻程衰減量以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。(6)濾波器因數(shù)λ（矩形系數(shù)）

濾波器幅頻特性的-60dB帶寬與-3dB帶寬的比值。三、實(shí)際濾波電路

在測(cè)試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。RC濾波器電路簡(jiǎn)單，抗干擾強(qiáng)，有較好的低頻性能，并且選用標(biāo)準(zhǔn)阻容元件。

1)一階RC低通濾波器

截止頻率2)一階RC高通濾波器

截止頻率3)RC帶通濾波器

可以看作為低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián)

４）有源濾波器產(chǎn)品LineDa:LTC1564MAXIM:MAX74xx四、帶通濾波器在信號(hào)頻率分析中的應(yīng)用

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

２、恒帶寬濾波器

１、恒帶寬比濾波器

中心頻率倍頻程數(shù)上截止頻率下截止頻