測試與傳感技術(shù)信號(hào)變換及調(diào)理

關(guān)于測試與傳感技術(shù)信號(hào)變換及調(diào)理2024/4/1612024/4/162一、信號(hào)調(diào)理的目的目的：便于信號(hào)的傳輸與處理原因：1.傳感器輸出的電信號(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。

第2頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1632.有些傳感器輸出的是電信號(hào)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(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，需要對傳感器測量信進(jìn)行調(diào)制解調(diào)處理。

第3頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/164二、電橋

電橋a

、c兩端接電源Ui，稱供橋端；b、d兩端接輸出電壓Uo，稱輸出端。將電阻R(應(yīng)變片)、電感L、電容C等電參數(shù)變?yōu)殡妷害或電流ΔI信號(hào)后輸出的一種測量電路。

第4頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/165電橋根據(jù)橋臂阻抗性質(zhì)的不同為:電阻電橋電容電橋電感電橋根據(jù)供橋電源分為:直流電橋:采用直流電源——只用于測量電阻R的變化交流電橋：采用交流電源——測量電阻R

、電容C

、電感L的變化1.電橋的分類第5頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1662.直流電橋四個(gè)橋臂由電阻R1、R2、R3和R4組成。采用直流電源的電橋稱為直流電橋直流電橋VR1R2R3R4溫敏電阻平衡條件R1·R3=R2·R4

電橋的輸出：平衡的條件：推導(dǎo)第6頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/167直流電橋R1＋ΔR

U0＋ΔUΔUR1VR2R3R4R1·R3=R2·R4

平衡的條件：電橋的輸出：這時(shí)，電橋平衡嗎？＋ΔR第7頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/168為了簡化設(shè)計(jì)，R2=R3=R4=R0

，而

R1=R0+ΔR直流電橋R0＋ΔR

U0＋ΔUΔU電橋的靈敏度定義為第8頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/169單臂半橋R1R3R2R4

雙臂半橋R1R3R2R4

全橋R1R3R2R4

半橋、單臂輸出全橋、四臂輸出半橋、雙臂輸出統(tǒng)一表示：第9頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1610電橋測量的誤差非線性誤差溫度誤差直流電源的電壓穩(wěn)定性造成的誤差半橋、單臂輸出：半橋、雙臂輸出：全橋、四臂輸出：直流電橋第10頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1611平衡條件3.交流電橋交流電橋而其中，Z1、Z2、Z3、Z4為阻抗的模，而φ1、φ2、φ3、φ4為阻抗角，是各橋臂電流與電壓之間的相位差。Z1Z3ej(φ1+φ3)=Z2Z4ej(φ2+φ4)

(*)平衡條件第11頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1612電容電橋電容電橋平衡條件：電感電橋電感電橋平衡條件：推導(dǎo)推導(dǎo)第12頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1613聲音信號(hào)廣播電臺(tái)的發(fā)射塔接收調(diào)制Modulation解調(diào)Demodulation三、調(diào)制與解調(diào)第13頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1614聲音信號(hào)廣播電臺(tái)的發(fā)射塔

利用緩變信號(hào)控制高頻信號(hào)的某個(gè)參數(shù)(幅值、頻率或相位)變化的過程。調(diào)制Modulation已調(diào)波1）實(shí)現(xiàn)緩變信號(hào)的傳輸，特別是遠(yuǎn)距離傳輸

2）提高信號(hào)傳輸中的抗干擾能力和信噪比

調(diào)制的目的→音頻信號(hào)第14頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1615載波信號(hào)：高頻振蕩信號(hào)稱為載波信號(hào)。載波信號(hào)調(diào)制信號(hào)：緩變信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)。

已調(diào)波：載波被緩變信號(hào)調(diào)制后稱為已調(diào)波。

解調(diào)：從已調(diào)波中恢復(fù)出調(diào)制信號(hào)的過程。調(diào)制信號(hào)x(t)第15頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/16161.調(diào)制的種類調(diào)制信號(hào)載波信號(hào)a)幅值調(diào)制(簡稱調(diào)幅，AM，AmplitudeModulation)b)頻率調(diào)制(簡稱調(diào)頻，F(xiàn)M，F(xiàn)requencyModulation)c)相位調(diào)制(簡稱調(diào)相，PM，PhaseModulation)緩變信號(hào)x(t)高頻簡諧信號(hào)第16頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/16172.幅值調(diào)制（調(diào)幅）及其解調(diào)

調(diào)幅是將一個(gè)高頻簡諧信號(hào)y(t)（載波信號(hào)）與緩變信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）x(t)相乘，使載波信號(hào)y(t)的幅值隨緩變信號(hào)x(t)的幅值變化而變化過程。幅值調(diào)制后的信號(hào)稱為調(diào)幅波。高頻信號(hào)緩變信號(hào)調(diào)制后信號(hào)第17頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1618調(diào)制信號(hào)載波信號(hào)調(diào)幅波(1).調(diào)幅的時(shí)域表達(dá)第18頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1619假設(shè)調(diào)制信號(hào)x(t)的最高頻率成分為，載波信號(hào)(2).調(diào)幅的頻域表達(dá)如果則，則有調(diào)幅波：第19頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1620調(diào)制信號(hào)載波信號(hào)調(diào)幅波?時(shí)域頻域第20頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1621為保證頻移后的頻譜不失真，載波頻率fz

要大于或等于兩倍調(diào)制信號(hào)的最高頻率fm

，通常取數(shù)倍至數(shù)十倍的fm

。調(diào)幅過程就相當(dāng)于頻率“搬移”過程。第21頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1622(3).電阻交流電橋的幅值調(diào)制不同接法的電橋可表示為當(dāng)ΔR/R0=R(t)，Ui=E0cos2πf0t時(shí)U0=KR(t)E0cos2πf0t交流電橋的輸出電壓U0隨R(t)的變化而變化，即U0的幅值受R(t)的控制，其頻率為輸入電壓信號(hào)Ui的頻率，即f0

全橋、四臂輸出R(t)E0cos2πf0t

交流電橋是一個(gè)調(diào)幅器。調(diào)幅器實(shí)際上是一個(gè)乘法器.第22頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1623廣播電臺(tái)的發(fā)射塔對已調(diào)波進(jìn)行鑒別以恢復(fù)緩變信號(hào)的過程。調(diào)幅波解調(diào)方法：同步解調(diào)，

整流檢波

相敏檢波(4).幅值解調(diào)接收解調(diào)Demodulation第23頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1624同步解調(diào)

“同步”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。第24頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1625同步解調(diào)(a)調(diào)幅波頻譜(b)載波信號(hào)頻譜(c)同步解調(diào)后頻譜(d)調(diào)制信號(hào)頻譜第25頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1626幅度調(diào)制與解調(diào)過程（波形與頻譜分析）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)乘法器濾波器z(t)x(t)第26頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1627幅度調(diào)制與解調(diào)過程（數(shù)學(xué)描述）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)乘法器濾波器z(t)x(t)第27頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1628若把調(diào)制信號(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。整流檢波解調(diào)

調(diào)制信號(hào)+直流分量A->整流->低通濾波->去直流分量->復(fù)現(xiàn)原調(diào)制信號(hào)第28頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1629x(t)>0時(shí)(0~t1)，ym(t)與y(t)同相，檢波器輸出uf(t)>0x(t)<0時(shí)(t1~t2)，ym(t)與y(t)反相，檢波器輸出uf(t)<01122相敏檢波解調(diào)推導(dǎo)相敏檢波器33t1t1132213t1t2t2t2相敏檢波器是一種能根據(jù)調(diào)幅波和載波的相位差來判別調(diào)制信號(hào)極性的解調(diào)器第29頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1630

調(diào)幅波的波形失真

a）過調(diào)失真：對于非抑制調(diào)幅，要求其直流偏置必須足夠大，否則x(t)的相位將發(fā)生180。b)重疊失真：調(diào)幅波是由一對每邊為fm的雙邊帶信號(hào)組成．當(dāng)載波頻率fz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:fz＞fm

第30頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1631例：動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀第31頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/16323.頻率調(diào)制與解調(diào)調(diào)頻是利用信號(hào)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(hào)x(t)的電壓幅值而變化的疏密度不同的等幅波.x(t)Acos(2πf0t+Φ)調(diào)頻波：疏密不同的等幅波。第32頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1633諧振電路電抗到電壓的轉(zhuǎn)化諧振電路把電容、電感等電參量的變化轉(zhuǎn)為電壓變化的電路高頻振蕩器諧振電路的頻率：諧振電路作調(diào)頻器調(diào)頻及解調(diào)電路第33頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1634頻率的解調(diào)

諧振電路調(diào)頻波的解調(diào)一般使用鑒頻器

調(diào)頻波－>調(diào)頻調(diào)幅波－>幅值檢波頻率－電壓特性曲線第34頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1635脈沖計(jì)數(shù)鑒頻

調(diào)頻播瞬時(shí)頻率的變化，直接表現(xiàn)為調(diào)頻信號(hào)通過零值的點(diǎn)的疏密變化。ty(t)tg(t)通過脈沖計(jì)數(shù)，根據(jù)單位時(shí)間內(nèi)脈沖的個(gè)數(shù)，可恢復(fù)出原來的信號(hào)。第35頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1636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)雜第36頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1637(a)低通濾波器(Lowpassfilter)(b)高通濾波器(Highpassfilter)(c)帶通濾波器(bandpassfilter)

(d)帶阻濾波器(bandstopfilter)

四、濾波器

濾波器是一種選頻裝置，可以使信號(hào)中特定頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分．1.濾波器分類(根據(jù)濾波器的選頻作用分)

?2稱為低通濾波器的上截止頻率

?1、?2分別稱為帶通濾波器的下、上截止頻率

通帶通帶通帶通帶通帶阻帶阻帶阻帶阻帶阻帶理想濾波器?1稱為高通濾波器的下截止頻率

第37頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1638通帶：能通過濾波器的頻率范圍；阻帶：被抑制或極大地衰減的頻率范圍；截止頻率：通帶和阻帶之間的交界點(diǎn)；通帶阻帶第38頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1639

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型的濾波器。第39頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1640(c)帶通濾波器(bandpassfilter)

(d)帶阻濾波器(bandstopfilter)

通帶通帶阻帶通帶阻帶阻帶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。2.理想濾波器H(2π?)=A(2π?)ejφ(2π?)A(2π?)=A0=constφ(2π?)=-2π?t0

第40頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1641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、右無限延伸。給理想濾波器一個(gè)脈沖激勵(lì)，從圖中可以看出，在t=0時(shí)刻單位脈沖輸入濾波器之前，即在t＜0時(shí)，濾波器就已經(jīng)有響應(yīng)了。h(t)δ(t)第41頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1642-3dB在實(shí)際濾波器的幅頻特性圖中通帶和阻帶間應(yīng)沒有嚴(yán)格的界限，存在一個(gè)過渡帶。3.實(shí)際濾波器

過渡帶：從截止頻率到A(f)趨近于零的頻段。理想濾波器與實(shí)際濾波器的主要區(qū)別：通帶內(nèi)的平直程度；過渡帶的陡直程度；第42頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1643-3dB實(shí)際濾波器的主要特性參數(shù)

1)截止頻率:幅頻特性值等于所對應(yīng)的頻率,也叫-3dB頻率。2)帶寬B：上下兩截頻間的頻率范圍稱為帶寬

3)紋波幅度d：波動(dòng)幅度d與幅頻特性平均值A(chǔ)0相比應(yīng)小于-3dB。

恒帶寬濾波器B=fc2-fc1恒帶寬比濾波器B=fc1（2n-1)第43頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/16445)

品質(zhì)因數(shù)Q:中心頻率和帶寬之比稱為品質(zhì)因數(shù)4)中心頻率f0:指上下截止頻率的幾何平均值,即第44頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1645倍頻程選擇性

利用頻率變化一個(gè)倍頻程時(shí)，過渡帶幅頻特性的衰減量來衡量濾波器選擇性的指標(biāo)，以dB為單位。倍頻程選擇總是小于0，其值越小，濾波器的過渡特性越好。濾波器因數(shù)(或矩形系數(shù))λ

利用濾波器幅頻特性的-60dB帶寬與-30dB帶寬的比值來衡量濾波器選擇性，即：λ總是大于等于1，其值越接近1，濾波器的過渡特性越好。第45頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/16464.RC無源濾波器

在測試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因?yàn)檫@一領(lǐng)域中信號(hào)頻率相對來說不高。而RC濾波器電路簡單，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。第46頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/16471)一階RC低通濾波器

令τ=RC，稱為時(shí)間常數(shù)傅立葉變換，頻響函數(shù)：當(dāng)??1/2πRC時(shí)，φ(?)-?相頻特性近似于一條通過原點(diǎn)的直線當(dāng)?=1/2πRC時(shí)，，

?c2=1/2πRC上截止頻率:|H(jω)|=A(?)≈1，A(?)=1/第47頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1648令RC=τ代入，作傅立葉變換，得頻響函數(shù)當(dāng)?=1/2πτ，即

?=1/2πRC時(shí)，

當(dāng)??1/2πRC時(shí)，下截止頻率：?c1=1/2πRC

A(?)=1/A(?)≈1，φ(?)=02)一階RC高通濾波器第48頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/16493)一階RC帶通濾波器

可以看成是低通和高通兩個(gè)濾波器串聯(lián)而成。第49頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1650高通低通頻響函數(shù)幅頻特性和相頻特性?c2=1/2πτ2=1/2πR2C2上截止頻率:下截止頻率：?c1=1/2πτ1=1/2πR1C1

一階RC帶通濾波器第50頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1651

一階濾波器通帶外衰減率為-20dB/10倍頻程，因此在過渡區(qū)衰減緩慢，選擇性不佳。把無源RC濾波器串聯(lián)，雖然也可以提高階次，但受級(jí)間耦合的影響，效果是互相削弱的，且信號(hào)的幅值也逐級(jí)減弱。為了克服這些缺點(diǎn)，常采用有源濾波器。

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。RC網(wǎng)絡(luò)則通常作為運(yùn)算放大器的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。5、RC有源濾波器第51頁,共60頁，2024年2月25日，星期天2024/4/1652

有源濾波器由RC調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器（有源器件）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。RC網(wǎng)絡(luò)則通常作為運(yùn)算放大器的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)。運(yùn)算放大器的負(fù)反饋電路若是高通濾波網(wǎng)絡(luò)，則得到有源低通濾波器；若用帶阻網(wǎng)絡(luò)做負(fù)反饋，則得到帶