信號(hào)調(diào)理、處理和記錄 - 機(jī)械工程學(xué)院

1、山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程學(xué)院儀器系Tel:2786982山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 傳感器輸出的電信號(hào)，大多數(shù)不能直接輸送到顯傳感器輸出的電信號(hào)，大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去。其主要原因是大多數(shù)示、記錄或分析儀器中去。其主要原因是大多數(shù)傳感器輸出的電信號(hào)很微弱，需要進(jìn)一步放大，傳感器輸出的電信號(hào)很微弱，需要進(jìn)一步放大，有的還要進(jìn)行阻抗變換；有些傳感器輸出的是電有的還要進(jìn)行阻抗變換；有些傳感器輸出的是電參量，要轉(zhuǎn)換為電能量；輸出信號(hào)中混雜有干擾參量，要轉(zhuǎn)換為電能量；輸出信號(hào)中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比；若測(cè)試工作噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比；若測(cè)

2、試工作僅對(duì)部分頻段的信號(hào)感興趣，則有必要從輸出信僅對(duì)部分頻段的信號(hào)感興趣，則有必要從輸出信號(hào)中分離出所需的頻率成分；因此，傳感器的輸號(hào)中分離出所需的頻率成分；因此，傳感器的輸出信號(hào)要經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)理，使之與后續(xù)測(cè)試環(huán)節(jié)出信號(hào)要經(jīng)過適當(dāng)?shù)恼{(diào)理，使之與后續(xù)測(cè)試環(huán)節(jié)相適應(yīng)。常用的信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)有：電橋、放大器、相適應(yīng)。常用的信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)有：電橋、放大器、濾波器、調(diào)制器與解調(diào)器等濾波器、調(diào)制器與解調(diào)器等。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第四章 信號(hào)調(diào)理與記錄第一節(jié)第一節(jié) 電橋電橋第二節(jié)第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器第四節(jié)第四節(jié) 信號(hào)的放大信號(hào)的放大山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院前序前序1、被測(cè)量經(jīng)傳感

3、器之后的輸出信號(hào)一般具有以下特點(diǎn)：、被測(cè)量經(jīng)傳感器之后的輸出信號(hào)一般具有以下特點(diǎn)：l 信號(hào)比較微弱；信號(hào)比較微弱；l 為非電壓信號(hào)；為非電壓信號(hào)；l 攜帶噪聲信號(hào)等。攜帶噪聲信號(hào)等。2、因此，還需進(jìn)一步調(diào)理、放大、濾波等加工處理。、因此，還需進(jìn)一步調(diào)理、放大、濾波等加工處理。3、本章主要討論信號(hào)調(diào)理和轉(zhuǎn)換中的常用環(huán)節(jié)：、本章主要討論信號(hào)調(diào)理和轉(zhuǎn)換中的常用環(huán)節(jié)：l 電橋；電橋；l 調(diào)制與解調(diào)；調(diào)制與解調(diào)；l 濾波；濾波；l 放大。放大。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第一節(jié)第一節(jié) 電橋電橋定義：定義：電橋是將電阻、電容、電感等參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電壓電橋是將電阻、電容、電感等參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出的一種

4、測(cè)量電路?；螂娏鬏敵龅囊环N測(cè)量電路。特點(diǎn)：特點(diǎn)：橋式電路簡(jiǎn)單可靠，精度和靈敏度很高，應(yīng)用廣泛。橋式電路簡(jiǎn)單可靠，精度和靈敏度很高，應(yīng)用廣泛。分類：分類：根據(jù)其所采用的激勵(lì)電源類型：根據(jù)其所采用的激勵(lì)電源類型： 直流電橋直流電橋 交流電橋交流電橋山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院一、直流電橋一、直流電橋 基本結(jié)構(gòu)：基本結(jié)構(gòu)：電阻電阻R R1 1,R,R2 2,R,R3 3,R,R4 4作為四個(gè)橋臂，在作為四個(gè)橋臂，在a a、c c兩兩端接入直流電源端接入直流電源u ue e，在，在b b、d d兩端輸出電壓兩端輸出電壓u uo o。 工作原理工作原理：利用四個(gè)橋臂中的一個(gè)或數(shù)個(gè)的阻值變化：利用四個(gè)橋臂中的一個(gè)

5、或數(shù)個(gè)的阻值變化而引起電橋輸出電壓的變化而引起電橋輸出電壓的變化 。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院ueuo山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院電路分析：電路分析：ueueueue山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院ueueu0討論：討論：式式4 42 2為直流電橋平衡條件。若電橋中任一個(gè)或數(shù)個(gè)電阻為直流電橋平衡條件。若電橋中任一個(gè)或數(shù)個(gè)電阻發(fā)生變化，電橋輸出電壓變化。測(cè)量電橋就是基于上述原發(fā)生變化，電橋輸出電壓變化。測(cè)量電橋就是基于上述原理工作。理工作。（4 41 1）（4 42 2）山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院直流電橋的連接形式：直流電橋的連接形式：半橋單臂半橋單臂 半橋雙臂半橋雙臂 全橋全橋 ueuoueuoueuo山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院（

6、1 1）半橋單臂連接形式）半橋單臂連接形式：工作時(shí)僅有一個(gè)橋臂電阻值隨：工作時(shí)僅有一個(gè)橋臂電阻值隨被測(cè)量而變化，設(shè)該電阻為被測(cè)量而變化，設(shè)該電阻為R R1 1，變化量為，變化量為R R，則由式，則由式（4-14-1）可得：）可得：設(shè)相鄰橋臂的阻值相等，亦即：設(shè)相鄰橋臂的阻值相等，亦即：R R1 1=R=R2 2=R=R0 0,R,R3 3=R=R4 4=R=R0 0,又若又若R R0 0=R=R0 0,則則 若若RRR0 0 ；若為電容性阻抗時(shí)，若為電容性阻抗時(shí)，0 0時(shí)，時(shí)，| H(j )| 衰減很快衰減很快 顯然，電路能使低于顯然，電路能使低于 0的信號(hào)的信號(hào)順利通過，衰減很小，而使高于順

7、利通過，衰減很小，而使高于 0的信號(hào)不易通過，衰減很大，的信號(hào)不易通過，衰減很大，稱一稱一 階有源低通濾波器。階有源低通濾波器。 為了改善濾波效果，使為了改善濾波效果，使 0 時(shí)信號(hào)衰減得更快些，時(shí)信號(hào)衰減得更快些，常將兩節(jié)常將兩節(jié)RC濾波環(huán)節(jié)串接起濾波環(huán)節(jié)串接起來，來，組成二階有源低通濾波組成二階有源低通濾波器。器。uoRFCR+ R1+ui+RC一階一階二階二階 幅頻特性幅頻特性f021uA 0| Auf0 | H(j ) | O山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院RCRCRRRCRRUUj1j)1 (j1111F1Fio頻率頻率角角稱為截止稱為截止RC1: 式中0 uiuoRFCR+ R1+山東理工大學(xué)

8、機(jī)械學(xué)院 可見，電路使頻率大于可見，電路使頻率大于 0 的信號(hào)通過的信號(hào)通過 ，而小于，而小于 0 的信號(hào)被阻止，的信號(hào)被阻止， 稱為稱為有源高通濾波器有源高通濾波器。 200f0)(1)(juAH001Fioj1)1 ()(j)(j)(jRRUUH其模為其模為 幅頻特性幅頻特性f021uA 0| Auf0 | H(j ) | O山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 四、帶通濾波器在信號(hào)頻率分析中的應(yīng)用四、帶通濾波器在信號(hào)頻率分析中的應(yīng)用 1 1、多路帶通濾波器的并聯(lián)形式、多路帶通濾波器的并聯(lián)形式 主要應(yīng)用：主要應(yīng)用： 信號(hào)的頻譜分析和信號(hào)中特定頻率成分提取。信號(hào)的頻譜分析和信號(hào)中特定頻率成分提取。 具體要求

9、：具體要求：l為保證帶通濾波器的帶寬覆蓋整個(gè)分析的頻帶，它們?yōu)楸ＷC帶通濾波器的帶寬覆蓋整個(gè)分析的頻帶，它們的中心頻率能使相鄰的帶寬恰好互相銜接，即前一個(gè)的中心頻率能使相鄰的帶寬恰好互相銜接，即前一個(gè)濾波器的濾波器的3dB3dB上截止頻率等于后一個(gè)濾波器的上截止頻率等于后一個(gè)濾波器的3dB3dB下截止頻率；下截止頻率；l濾波器組具有相同的放大倍數(shù)。濾波器組具有相同的放大倍數(shù)。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院兩類常用的帶通濾波器組：兩類常用的帶通濾波器組：l 恒帶寬比濾波器（恒帶寬比濾波器（a圖）圖）l 恒帶寬濾波器（恒帶寬濾波器（b圖）圖）山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院（1 1）恒帶寬比濾波器）恒帶寬比濾波器 恒帶寬

10、濾波器是指濾波器的相對(duì)帶寬是常數(shù)，即恒帶寬濾波器是指濾波器的相對(duì)帶寬是常數(shù)，即 假若一個(gè)帶通濾波器的低端截止頻率為假若一個(gè)帶通濾波器的低端截止頻率為f fc1ic1i ，高端截，高端截止頻率為止頻率為f fc2ic2i ，二者的關(guān)系：，二者的關(guān)系： 式中式中n n稱為稱為倍頻程數(shù)倍頻程數(shù)。若。若n=1 n=1 ，則稱為倍頻程濾波器；，則稱為倍頻程濾波器；若若n=1/3 n=1/3 ，則稱為，則稱為1/31/3倍頻程濾波器。倍頻程濾波器。CffffBiicicii0120icnicff122山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院一個(gè)濾波器組中后一個(gè)濾波器的中心頻率一個(gè)濾波器組中后一個(gè)濾波器的中心頻率f f0i0i

11、與前一個(gè)濾波與前一個(gè)濾波器的中心頻率器的中心頻率f f0(i-1)0(i-1)間滿足：間滿足：而且，濾波器的中心頻率與上下截止頻率間的關(guān)系為而且，濾波器的中心頻率與上下截止頻率間的關(guān)系為 )1(002inifficicifff210山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院n=1n=1的倍頻程濾波器（如下圖），有：的倍頻程濾波器（如下圖），有：(1)(1)中心頻率（中心頻率（HzHz）16,31.5,63,125,250,16,31.5,63,125,250, ,(2)(2)帶寬（帶寬（HzHz ）11.31,22.27,44.55,88.39,176.78,11.31,22.27,44.55,88.39,176.

12、78, , n=1/3 n=1/3倍頻程濾波器組，有：倍頻程濾波器組，有：(1)(1)中心頻率中心頻率（HzHz） 12.5,16,20,25,31.5,40,50,63,12.5,16,20,25,31.5,40,50,63, ,(2)(2)帶寬帶寬（H Hz z） 2.9,3.7,4.6,5.8,7.3,9.3,11.6,14.62.9,3.7,4.6,5.8,7.3,9.3,11.6,14.6, ,山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 倍頻程譜分析裝置倍頻程譜分析裝置 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院（2 2）恒帶寬濾波器）恒帶寬濾波器l 恒帶寬比的濾波器的不足之處：恒帶寬比的濾波器的不足之處： 其通頻帶在低頻段內(nèi)

13、甚窄，而在高頻段內(nèi)則較寬。因此，其通頻帶在低頻段內(nèi)甚窄，而在高頻段內(nèi)則較寬。因此，濾波器組的頻率分辨率在低頻段內(nèi)較好，在高頻段內(nèi)甚濾波器組的頻率分辨率在低頻段內(nèi)較好，在高頻段內(nèi)甚差。差。l 為了使濾波器組的分辨率在所有頻段都具有同樣良好的為了使濾波器組的分辨率在所有頻段都具有同樣良好的頻率分辨率，可以采用頻率分辨率，可以采用恒帶寬的濾波器恒帶寬的濾波器。l 恒帶寬濾波器是指濾波器的絕對(duì)帶寬為常數(shù)：恒帶寬濾波器是指濾波器的絕對(duì)帶寬為常數(shù)：CffBicic12山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院l 為了提高濾波器的分辨率，其帶寬應(yīng)窄一些。但這樣為覆為了提高濾波器的分辨率，其帶寬應(yīng)窄一些。但這樣為覆蓋整個(gè)頻率范圍所

14、需要的濾波器數(shù)量就很大。因此，蓋整個(gè)頻率范圍所需要的濾波器數(shù)量就很大。因此，恒帶恒帶寬濾波器不應(yīng)做成中心頻率為固定的。寬濾波器不應(yīng)做成中心頻率為固定的。l 實(shí)際中一般利用一個(gè)定帶寬的定中心頻率的濾波器加上實(shí)際中一般利用一個(gè)定帶寬的定中心頻率的濾波器加上可可變參考頻率的差頻變換來適應(yīng)變參考頻率的差頻變換來適應(yīng)各種不同中心頻率的定帶寬各種不同中心頻率的定帶寬濾波器濾波器的需要。的需要。l 參考信號(hào)的掃描速度應(yīng)能夠滿足建立時(shí)間的要求，尤其是參考信號(hào)的掃描速度應(yīng)能夠滿足建立時(shí)間的要求，尤其是濾波器帶寬很窄的情況，參考頻率變化不能過快。常用的濾波器帶寬很窄的情況，參考頻率變化不能過快。常用的恒帶寬濾波器

15、有恒帶寬濾波器有相關(guān)濾波和變頻跟蹤濾波相關(guān)濾波和變頻跟蹤濾波兩種。兩種。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 例題：已知某RC低通濾波器，R=1k，C=1F，1）確定各函數(shù)式H(s)；H()；A()；()。2）當(dāng)輸入信號(hào)ui=10sin1000t時(shí)，求輸出信號(hào)uo，并比較其幅值及相位關(guān)系。 解： 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第四節(jié)第四節(jié) 信號(hào)的放大信號(hào)的放大l為保證測(cè)量精度，要求放大電路具有如下：為保證測(cè)量精度，要求放大電路具有如下：1.足夠的放大倍數(shù)；足夠的放大倍數(shù)；2.高輸入阻抗，低輸出阻抗；高輸入阻抗，低輸出阻抗；3.高共模抑制能力；高共模抑制能力；

16、4.低溫漂、低噪聲、低失調(diào)電壓和電流。低溫漂、低噪聲、低失調(diào)電壓和電流。說明：說明：集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器具備上述特點(diǎn)。具備上述特點(diǎn)。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院一、基本放大電路一、基本放大電路l 反相放大器：反相放大器：輸入阻抗低、易對(duì)傳感器形成負(fù)載效應(yīng)；輸入阻抗低、易對(duì)傳感器形成負(fù)載效應(yīng)；山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院l 同相放大器：同相放大器：輸入阻抗高、易引入共模干擾；輸入阻抗高、易引入共模干擾；山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院l 差分放大器：差分放大器：不能提供足夠的輸入阻抗和共模抑制比；不能提供足夠的輸入阻抗和共模抑制比；山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院二、儀器放大器二、儀器放大器l 典型的儀器放大電路由三個(gè)集成運(yùn)放

17、構(gòu)成的，如圖所示。典型的儀器放大電路由三個(gè)集成運(yùn)放構(gòu)成的，如圖所示。l 兩個(gè)輸入端分別是兩個(gè)集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端分別是兩個(gè)集成運(yùn)放、的同相輸入端，的同相輸入端，因此輸入電阻很高。因此輸入電阻很高。l 構(gòu)成差分放大電路，兩邊電阻對(duì)稱，可以消除上述遠(yuǎn)構(gòu)成差分放大電路，兩邊電阻對(duì)稱，可以消除上述遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)的共模干擾。同時(shí)當(dāng)距離測(cè)量時(shí)的共模干擾。同時(shí)當(dāng)、輸出端上產(chǎn)生輸出端上產(chǎn)生的漂移電壓對(duì)稱時(shí)，在的漂移電壓對(duì)稱時(shí)，在輸出輸出中也被消除。因此該中也被消除。因此該電路有電路有很高的共模抑制能力很高的共模抑制能力和和較低的輸出漂移電壓較低的輸出漂移電壓。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院山東理工大學(xué)機(jī)

18、械學(xué)院l 集成儀器放大器產(chǎn)品集成儀器放大器產(chǎn)品 美國(guó)美國(guó)BB公司的公司的INA114山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院三、可編程增益放大器三、可編程增益放大器l 多回路檢測(cè)系統(tǒng)，輸入信號(hào)變化范圍不同，要提供多量程多回路檢測(cè)系統(tǒng)，輸入信號(hào)變化范圍不同，要提供多量程放大器。利用計(jì)算機(jī)編程改變?cè)鲆娴姆糯笃鳛榭删幊淘鲆娣糯笃?。利用?jì)算機(jī)編程改變?cè)鲆娴姆糯笃鳛榭删幊淘鲆娣糯笃?。放大器。l 可編程增益放大器為可編程增益的反相放大器。包括：可編程增益放大器為可編程增益的反相放大器。包括：電電阻網(wǎng)絡(luò)阻網(wǎng)絡(luò)、電子開關(guān)電子開關(guān)、譯碼器譯碼器和和運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器。l 也可不用譯碼器，由計(jì)算機(jī)也可不用譯碼器，由計(jì)算機(jī)I/O口控制口控制y1、y2、y3、y4，得，得到到24個(gè)不同增益。個(gè)不同增益。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院y1Uo A80k80k40k40k10k10k20k20kS4S3S2S1Uiy3y4y2x1x2Rf譯碼器山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 x1 x2y1 y2 y3 y4閉合開關(guān) 0 00 1 1 1 S1 0 11 0 1 1 S2 1 01 1 0 1 S3 1 11 1 1 0 S4山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第五節(jié)測(cè)試信號(hào)的顯示與記錄 測(cè)試信號(hào)的顯示和記錄是不可缺少的組成部分，其目的在于： 1）測(cè)試人員通過顯示儀器觀察各路信號(hào)的大小和實(shí)時(shí)波