第四章 信号调理、处理和记录 郑惠萍 河北科技大学机械电子工程学院 主要内容 • 电桥 • 调制与解调 • 滤波器 • 信号的放大、显示与记录 第一节 电 桥 • 定义：将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压或 电流输出的一种测量电路。 输出既可用指示仪表直接测量，也可送入放大器进行 放大。 • 特点：电路简单、有较高的精确度和灵敏度 • 分类: 按激励电压的性质：直流电桥和交流电桥 按照输出方式：不平衡桥式电路和平衡桥式电路 直流电桥 基本形式 平衡条件 U y U ab U ad R1 R4 U0 U0 R1 R2 R3
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第四章 信号调理、处理和记录 郑惠萍 河北科技大学机械电子工程学院 主要内容 • 电桥 • 调制与解调 • 滤波器 • 信号的放大、显示与记录 第一节 电 桥 • 定义：将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压或 电流输出的一种测量电路。 输出既可用指示仪表直接测量，也可送入放大器进行 放大。 • 特点：电路简单、有较高的精确度和灵敏度 • 分类: 按激励电压的性质：直流电桥和交流电桥 按照输出方式：不平衡桥式电路和平衡桥式电路 直流电桥 基本形式 平衡条件 U y U ab U ad R1 R4 U0 U0 R1 R2 R3 R4 R1 R3 R2 R4 U0 R1 R2 R3 R4 要使电桥平衡，输出为零，应 满足 直流电源 输出电压 R1R3 R2 R4 直流电桥输出特性 • 半桥单臂法 输出电压 R1 R R4 U 0 U y R1 R R2 R3 R4 为了简化设计 R1 R2 R0，R3 R4 R ' 0 若 R R ' ，则输出电压 0 0 Uy 因 R R0 ，所以 R U0 4 R0 2R R Uy U0 4 R0 半桥单臂联接方式 电桥的输出 U y 与激励电压 U 0 成正比，且 在 R R0 条件下，与 R / R0 成正比。 灵敏度 Uy 1 S U0 R / R 4 直流电桥输出特性 • 半桥双臂法 输出电压 R1 R1 R4 U 0 U y R1 R1 R2 R2 R3 R4 R U0 2 R0 灵敏度 Uy 1 S U0 R / R 2 与半桥单臂相比，灵敏度提高了一倍，电桥的输 出与 R / R0 成完全线性关系 直流电桥输出特性 • 全桥法 输出电压 灵敏度 R Uy U0 R0 S Uy R / R U0 电桥接法不同，输出电压也不同，全桥接法 可获得最大输出 不平衡桥式电路 • 上述电桥是在不平衡条件下工作的，它的缺点是电压 不稳定，或环境温度变化时，会引起电桥输出的变化， 从而产生测量误差。 • 因此，在某些情况下采用平衡电桥。 平衡桥式电路 • 设被测量等于零时，电桥 处于平衡状态，此时指示 仪表G及可调电位器H指零。 • 当某一桥臂随被测量变化 时，电桥失去平衡，调节 电位器H，改变电阻R5触 电位置，可使电桥重新平 衡，电表G指针回零。 • 电位器H上的标度与桥臂 电阻值的变化成比例，故 H的指示值可以直接表达 被测量的数值。 平衡桥式电路的特点及应用 • 特点 – 读数时电表指针G始终指零，“零点测量 法” • 应用 – 静态电阻应变仪：手动实现平衡 – 电子电位差计、X-Y记录仪：自动调平衡 交流电桥 交流电桥采用交流激励电压。电桥的四个臂可为电感、电容或电阻。 电桥平衡条件 Z1Z 3 Z 2 Z 4 Z1 Z2 Uy 把各阻抗用指数式表示 Z1 Z 01e j1 Z 2 Z 02e j 2 Z 3 Z 03e j 3 Z 4 Z 04e j 4 Z3 Z4 U0 代入上式 Z 01Z 03e j 1 3 Z 02 Z 04e j 2 4 交流电桥平衡条件 交流电桥平衡必须满足两个条件： Z 01Z 03 Z 02 Z 04 1 3 2 4 其中，Z 01、Z 02、Z 03、Z 04 为各阻抗的模； 1、 2、3、 4 为阻抗角。 阻抗角是各桥臂电流与电压之间的相位差。 纯电阻时电流与电压同相位，φ=0；电感性阻抗，φ>0； 电容性阻抗，φ<0。 电容传感器 Zc r Zc r c 1 jc 电感传感器 Z L r jL 电阻传感器 Z R R // ZL 1 jc ZR L C r R 电容电桥平衡条件 • 平衡条件 • 要使电桥达到平衡，必须同时调节电阻与电 容两个参数，即调节电阻达到平衡，调节电 容达到平衡 电感电桥平衡条件 • 平衡条件 纯电阻电桥应注意的问题 • 由于导线间存在分布电容。因此，除了有电 阻平衡外，还须有电容平衡 • 动态电阻应变仪中的具有电阻和电容平衡的 纯电阻电桥 第二节 调制与解调 • 目的：放大信号、便于传输 • 调制：使一个信号的某些参数在另一信号的控制下发生变化的 过程。前一信号称为载波，后一信号（控制信号）称为调制信 号。最后的输出是已调制波。 • 解调：最终从已调制波中恢复出调制信号的过程。 许多传感器的输出就是一种已调制信号！ • 根据载波受调制的参数不同，调制可分为 – 调幅（AM）----调幅波 – 调频（FM）----调频波 – 调相（PM）----调相波 一、调幅及其解调 • 定义：调幅是将一个高频简谐信号（载波）与测试信号（调 制信号）相乘，使高频信号的幅值随测试信号的变化而变化。 • 调幅原理 由傅立叶变换的性质知：在时域中两个信号相乘，则对应在频 域中这两个信号进行卷积，即 xt yt X f *Y f 余弦函数的频域图形是一对脉冲谱线 1 1 cos 2f 0t f f 0 f f 0 2 2 一个函数与单位脉冲函数卷积的结果，就是将其图形 由坐标原点平移至该脉冲函数处。 若以高频余弦信号作载波，把信号x(t)和载波 信号相乘，其结果就相当于把原信号的频谱图 形由原点平移至载波频率 f0 处，幅值减半。 即， 1 1 xt cos 2f 0t X f * f f 0 X f * f f 0 2 2 调幅过程相当于频谱“搬移”过程 调幅过程 须注意的问题 •从调幅原理看，载波频率 f 0 必须高于原信号中的最高 频率 f m才能使已调波仍保持原信号的频谱图形，不致 重叠。 •为了减小放大电路可能引起的失真，信号的频宽相对 中心频率（载波频率 f 0 ）应越小越好。 •实际载波频率常至少数倍甚至数十倍于调制信号。 •幅值调制装置实质上是一个乘法器。 •电桥在本质上也是一个乘法装置。 解 调1 1）同步解调 把调幅波再次与原载波信号相乘， 则频域图形将再一次进行“搬 移”。 若用一个低通滤波器滤去中心频 2 f0 率为 的高频成分，那么将可 以复现原信号的频谱（幅值减小 为一半），这一过程称为同步解 调。 “同步”指解调时所乘的信号 与调制时的载波信号具有相 同的频率和相位。 解 （2）偏置解调 把调制信号进行偏置，叠 加一个直流分量A，使偏置 后的信号都具有正电压， 那么调幅波的包络线将具 有原调制信号的形状。把 该调幅波简单地整流、滤 波就可恢复原调制信号。 如果原调制信号中有直流 分量，则在整流后应准确 地减去所加的偏置电压。 调2 解 （2）偏置解调 若所加的偏置电压未能 使信号电压都在零线的 一侧，则对调幅波简单 地整流不能恢复原调制 信号。 相敏检波技术可解决此 问题。 调3 相敏检波 相敏检波的工作原理 • 原信号、调幅波与载波之间的关系 – 当 x (t ) 0 ，调幅波与载波同相位； – 当 x(t ) 0 ，调幅波与载波反相位 • 工作原理 调幅波与载波y(t)同相 载波电压为正 （ 原信号x(t)为正） 载波电压为负 调幅波与载波y(t)异相 载波电压为正 （原信号x(t)为负） 载波电压为负 均为正 均为负 利用二极管的单向导通作用将电路输出机性换向 动态电阻应变仪 • 电桥调幅与相敏检波的典型应用 二、调频及其解调 • 调频（频率调制）是利用信号电压的幅值控制一个 振荡器，振荡器输出的是等幅波，但其振荡频率偏 移量和信号电压成正比。 •当信号电压为零时， 调频波的频率等于 中心频率；信号电 压为正值时频率提 高，负值时则降低。 两种常用的调频方法及一种解调方案： （一）直接调频测量电路 把被测量的变化直接转换为振 荡频率的变化称为直接调频式测 量电路，其输出也是等幅波。 举例：电容、涡流、电感传感器 的一种测量电路 两种常用的调频方法及一种解调方案 （二）压控振荡器（ VCO ） 压控振荡器的输出瞬时频率与输入的控制 电压值成线性关系。 有多种形式的芯片出售，振荡器的中心频 率和频率范围由生产厂家预置，频率范围与 控制电压相对应。 （三）鉴频器原理 (调频波的解调又称为鉴频，是将频率变化恢复 成调制信号电压幅值变化的过程。 第三节 滤波器 • 定义：是一种选频装置。 • 作用：选频作用（进行频谱分析、滤除 干扰噪声） • 分类： ①低通滤波器 • 按选频作用分 ②高通滤波器 ③带通滤波器 ④带阻滤波器 滤波器的分类1 滤波器的分类2 • 按构成元件类型分 – RC谐振滤波器 – LC谐振滤波器 – 晶体谐振滤波器 • 按构成电路性质分 – 有源滤波器 – 无源滤波器 • 按所处理的信号分 – 模拟滤波器 – 数字滤波器 滤波器性能分析---理想滤波器 • 定义：若滤波器的频率 响应H( f )满足如下条件: j 2ft0 A e 0 H f 0 f fc 其它 特别提醒: 理想低通滤 波器是不能实现的! 特别提醒 理想的高通、带通、带阻 滤波器都是不存在的。 滤波器性能分析--- 实际滤波器的特征参数 –截止频率 –带宽B –波纹幅度δ –品质因子(Q 值) –倍频程选择性 –滤波器因数 （矩形系数）λ 实际滤波器的特征参数 • 带宽B： 上下两截止频率之间的频率范围,又 称-3dB带宽。带滤波器的带宽表示着它的频 率分辨力，通带越窄则分辨力越高。 • 品质因子（Q值）：对带通滤波器而言，定义 为中心频率f0与带宽B的比值，即Q = f0 / B。 • 倍频程选择性: 频率变化一个倍频程的幅频特 性的衰减量，以dB表示。衰减越快，选择性 越好。 • 滤波器因数（矩形系数）λ： B60dB B3dB 实际滤波电路 微分方程 传递函数 一阶RC低通滤波器频率特性 RC决定着上截止频率 RC低通滤波器起着积分器的作用 RC高通滤波器频率特性 1º、当 f 1 时， 2 A f 滤波器的-3dB截止频率为 2º、当 f 1 2 1 2 1 f c1 2RC 时，A f 1； f 0 RC高通滤波器可视为不失真传输系统。 1 3º、当 f 2 时，输出与输入的 微分成正比。 RC高通滤波器起着微分器的作用。 RC带通滤波器的基本特性 • 可看成是低通滤波器和高通滤波器串联 组成。 RC带通滤波器的基本特性 串联所得的带通滤波器以原高通滤波器的截止 频率为下截止频率，其上截止频率为原低通的 截止频率，即 分别调节高、低通环节的时间常数，就可得到 不同的上、下截止频率和带宽的带通滤波器。 电 感 和 电 容 一 起 使 用 可 以 改 善 滤 波 器 边 缘 提高滤波器性能的方法 提醒注意 • 多个简单滤波器的级联能改善滤波器的 过渡带性能 • 带来的问题：负载效应、相移增大 • 如何解决此问题？ 有源滤波器的基本构造 一阶有源滤波器 带通滤波器在信号频率分析中的应用 • 多路滤波器的并联形式 （频谱分析，特定频率成分的提取） • 中心频率可调式 多路滤波器的并联形式 • 恒带宽比滤波器 • 恒带宽滤波器 恒带宽比滤波器 • 定义：指滤波器组中各滤波器的相对带宽为常数。 Bi f f c1i c 2i C f oi f oi • 滤波器的中心频率越高，其带宽越大。 • 若一个带通滤波器的低端截止频率为 f c1i ，高端截止 频率为 f c 2i ，则其关系为： f c 2i 2 n f c1i n称为倍频程数 滤波器中心频率 f oi f c1i f c 2i 注意：恒带宽比滤波器的频率分辨力在低频段较好， 在高频段则甚差。 恒带宽比和恒带宽滤波器特性对照 恒带宽滤波器 • 定义：指滤波器组中各滤波器的绝对带宽为 常数。恒带宽滤波器在所有频段都具有同样 良好的频率分辨力。 • 注意 – 恒带宽滤波器不宜做成固定中心频率的。 – 一般利用一个定带宽的定中心频率的滤波器加上 可变参考频率的差频变换来适应各种不同中心频 率的定带宽滤波的需要。 中心频率都能自动跟 • 常见的恒带宽滤波器 踪参考信号的频率； – 相关滤波器 恒带宽跟踪滤波器的 – 变频跟踪滤波器 频率分辨率可以很高 三种滤波器测量结果比较 谢 谢！