CH 5 信號的調理與記錄 WL

第5章信號的調理5.1電橋5.2信號的放大與隔離5.3調制與解調5.4濾波器信號調理的目的：把來自傳感器的信號轉換成更適合進一步傳輸與處理的形式。傳感器輸出的電信號很微弱，大多數不能直接傳輸到顯示、記錄、分析儀器，需要進一步放大，有的還需要進行阻抗變換。有些傳感器輸出的電信號中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。某些場合，為便于信號的遠距離傳輸，需要對傳感器測量信號進行調制解調處理。

激勵

裝置傳感器信號調理顯示記錄觀察者信號處理被測對象5.1電橋將傳感器輸出的電阻、電感、電容等電參量的變化轉換為電壓或電流的一種測量電路。按照激勵電源的性質，分為直流電橋和交流電橋。分類:只能測量電阻的變化可以測量電阻、電感和電容的變化1.直流電橋（采用直流電源的電橋）R1R3R4R2uiuoI1I2abdc(2)電橋的平衡條件→輸出電壓u0為零

(1)電橋輸出電壓

Uab與Uad之間的電位差4相對臂的電阻乘積相等。相鄰臂的電阻比值相等。或者或3241RRRR=R1R3R2R4uoui直流電橋的連接方式

(a)半橋單臂(b)半橋雙臂(c)全橋

差動電橋：相對臂電阻變化符號相同；相鄰臂電阻變化符號相反。電橋開始處于平衡狀態(tài)，當各橋臂電阻發(fā)生微小變化時電橋失去平衡，其輸出為(3)電橋的靈敏度一般R很?。≧<<R），又由于電橋開始時平衡，即所以橋臂電阻單位相對變化量引起的輸出電壓變化量。半橋單臂接法:

半橋雙臂接法:

全橋接法：實際使用中，為了簡化橋路設計，同時也為了得到電橋的最大靈敏度，往往取橋臂電阻相等（等臂電橋），即

電橋靈敏度：

則三種接法的靈敏度比為1∶2∶4半橋單臂接法:

半橋雙臂接法:

全橋接法：2.交流電橋（采用交流電源的電橋）

以阻抗代替電阻，直流電橋平衡條件式可改寫為阻抗的復指數形式

(1)交流電橋平衡條件在已知輸入電壓及電阻的情況下，電橋可以通過輸出電壓的變化測出電阻的變化值。當激勵電源為交流電源時，依然成立。

iejjiiZZ=→交流電橋平衡條件為交流電橋需要兩只平衡旋鈕，一只調整阻抗模，一只調整阻抗角。

交流電橋有不同的組合，常用的有電容電橋、電感電橋，其相鄰兩臂接入電阻，而另外兩臂接入相同性質的阻抗（都是電容或都是電感）。相對兩臂阻抗模乘積相等，

阻抗角之和相等。阻抗電阻電抗感抗容抗導納電導電納感納容納取倒數電容電橋的平衡條件

cdbR3aR1uouiI1I2R4R2C1C2(a)電容電橋 cdbR3aR1uouiI1I2R4R2L1L2(b)電感電橋 電感電橋的平衡條件交流電橋的電源應嚴格為單一頻率正弦波交流電橋的平衡條件針對電源只有一個頻率的情況下推出的。

當電源有多個頻率成分時，得不到平衡條件。交流電橋要求電源具有良好的電壓波形和頻率穩(wěn)定性。采用交流電橋時，注意影響測量誤差的一些參數：電橋元件之間的互感影響；無感電阻的殘余電抗；周邊交流電路對電橋的感應作用；泄漏電阻以及元件之間、元件與地之間的分布電容等。(2)交流電橋的特點5.2信號的放大與隔離

分立元件放大電路集成運算放大器反相放大器同相放大器測量放大器（儀表放大器）單片集成測量放大器通常只需外接RG用于設定增益，外接原件少，使用靈活，能夠處理幾微伏到幾伏的電壓信號隔離放大器：輸入、輸出、電源電路之間沒有直接的電路耦合，即信號在傳輸過程中沒有公共的接地端。三端隔離放大器AD2105.3調制與解調傳感器輸出的電信號一般為較低頻率分量(在直流至幾十kHz之間)，當被測信號比較弱時，為了實現信號的傳輸尤其是遠距離傳輸，可以采用放大或調制與解調。信號傳輸過程中容易受到工頻及其它信號的干擾，若采用放大則在傳輸過程中必須采用一定措施抑制干擾信號的影響。實際中往往采用更有效的先調制后交流放大，將信號從低頻區(qū)推移到高頻區(qū)，可以提高電路的抗干擾能力和信號的信噪比。調制就是使載波信號的某些參數在控制信號(調制信號)的控制下發(fā)生變化的過程。對應于信號的幅值、頻率、相位三個要素，調制可以分為調幅(AM)、調頻(FM)、調相(PM)，其波形分別稱為調幅波、調頻波、調相波。

高頻簡諧信號測試信號(a)(b)(c)(d)載波信號

調制信號

調幅波形

調頻波形1.調幅及其解調

設調制信號為，其最高頻率成分為，載波信號為，，則調幅波為：

由傅里葉變換的卷積性質將載波信號與調制信號相乘，使載波信號的幅值隨測試信號的變化而變化。(1)調幅的工作原理則而調幅的目的是為了便于緩變信號的放大和傳送。在電話電纜、有線電視電纜中，由于不同的信號被調制到不同的頻段，因此在一根導線中可以傳輸多路信號?！差l分復用〕為了減小放大電路可能引起的失真，載波中心頻率f0應遠大于調制信號的頻寬2fm，實際載波中心頻率要至少數倍甚至數十倍于調制信號頻率。(2)調幅信號的解調目的是為了恢復被調制的信號。1）同步解調

調幅波與載波時域乘積，頻域卷積調幅波載波截止頻率2)整流檢波法/包絡分析法

把調制信號進行偏置，疊加一個直流分量，使其大于零。(a)(b)(c)(d)(e)(f)調幅波的包絡線具有調制信號的形狀。將調制波進行整流（半波或全波）、濾波，并減去直流偏置即可恢復原調制信號。3)相敏檢波法

變壓器B的二次線圈的輸出大于A的二次線圈的輸出。二極管相敏檢波電路

回路i1起點回路i2起點++電壓:從負正,為(+)正;負載從上下為(+)正調制信號x(t)>0時，無論調制波是否為正，相敏檢波器的輸出波形

均為正，保持與調制信號極性相同。電路在0~t1段相當于對xm(t)

全波整流，解調后的頻率是原調制波的兩倍。調制信號x(t)<0時，不管調制波極性如何，相敏檢波器的輸出波形均為負，保持與x(t)一致。電路在t1~t2段相當于對xm(t)全波整流后反相，解調后的頻率是原調制波的兩倍。4)調幅應用——動態(tài)電阻應變儀

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)電阻應變片0tx’m(t)0tx’(t)0txm(t)2．調頻及其解調

(1)

原理利用調制信號的幅值控制載波信號頻率的過程。調頻波是等幅波，但頻率的變化量與調制信號幅值成正比。

調頻波與調制信號幅值的關系

設調制信號

載波信號為

調頻時載波的幅值和初始相位角不變，瞬時頻率圍繞著f0隨調制信號電壓作線性變化：頻率偏移與調制信號的幅值X0成正比，與調制信號的頻率fm無關，這是調頻波的基本特征之一。

頻率偏移調頻波的瞬時頻率：

f=f0±f

f0為載波頻率(中心頻率)。f為頻率偏移，與調制信號x(t)的幅值成正比。

在測量系統(tǒng)中，常利用電抗元件（電感或電容）組成調諧振蕩器，以電抗元件感受被測量的變化，作為調制信號，振蕩器原有的振蕩信號作為載波。當有調制信號輸入時，振蕩器的輸出就是調頻波。電容C和電感L并聯組成的振蕩器的諧振頻率為

(2)調頻波的解調調頻波以正弦波頻率的變化反映被測信號的幅值變化。調頻波的解調是先將調頻波變換成調頻調幅波，然后進行幅值檢波。調頻波的解調由鑒頻器完成。鑒頻器通常由線性變換電路與幅值檢波電路組成。(a)

鑒頻器

(b)電壓-頻率特性曲線ua0

n0t?tua0uat0調頻調幅波調頻波uf半波整流ufC1L1L2C2CRu0ua頻率電壓線性變換幅值檢波濾波5.4濾波器

濾波器是一種選頻裝置，只允許一定頻帶范圍的信號通過，該頻帶范圍之外的信號被極大地衰減。濾波器的篩選功能在測試技術中可以消除噪聲及干擾信號。1.濾波器的分類低通濾波器：通頻帶0~f2高通濾波器：通頻帶f1~帶通濾波器：通頻帶f1~f2帶阻濾波器：通頻帶0~f1與f2~（阻帶：f1~f2）(1)根據濾波器的選頻特性分類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。低通濾波器與高通濾波器的串聯為帶通濾波器；低通濾波器與高通濾波器的并聯為帶阻濾波器。帶阻濾波器(2)根據濾波器的元件類型分類RC、LC、晶體諧振、開關電容濾波器(3)根據濾波器的電路性質分類有源濾波器、無源濾波器(4)根據濾波器的信號性質分類模擬濾波器、數字濾波器2.理想濾波器

(1)理想濾波器模型及脈沖響應

無過渡帶且在通頻帶內滿足不失真測試條件的濾波器。通帶內信號的幅值和相位都不失真，幅頻特性為常數，相頻特性的斜率為常值；阻帶內的頻率成分都衰減為零，通帶和阻帶之間有明顯的分界線。理想低通濾波器的頻率響應函數為理想濾波器的脈沖響應函數為sinc函數，若無相角滯后（t0=0），則：理想低通濾波器是不存在的。理想高通、帶通、帶阻濾波器也是不存在的。(2)理想濾波器的階躍響應1)單位階躍激勵2)濾波器的階躍響應：脈沖響應函數3)階躍響應波形圖

理想低通濾波器對單位階躍輸入的響應0ttbtaay(t)A00.5A0b(a)無相角滯后，時移t0=00ty(t)tbt0taaA00.5A0b(b)有相角滯后，時移t0≠0輸出從0(a點)到穩(wěn)定值A0(b點)所需的時間稱為建立時間。4)建立時間fc為低通濾波器的截止頻率0ttbtaay(t)A00.5A0b如果按穩(wěn)態(tài)響應值的10%~90%作為計算建立時間的標準，則濾波器通頻帶越寬(即fc越大)，建立時間越短，響應速度越快。低通濾波器對階躍響應的建立時間Te與帶寬B成反比，即：

BTe=常數濾波器帶寬B也反映其頻率分辨力，帶寬越窄，頻率分辨力越高。顯然，高分辨力與快速響應是互相矛盾的。如果要用濾波的方法從信號中提取某一很窄的頻率成分（如作譜分析），必須有足夠的時間，一般取BTe=5~10。5)高分辨力與響應速度的關系該結論對高通、帶通、帶阻濾波器均成立。3.實際濾波器

(1)實際濾波器的基本參數理想帶通濾波器與實際帶通濾波器的幅頻特性ddA(f)A00.707A00實際理想fc1fc2f0f幅頻特性值等于0.707A0所對應的頻率。上截止頻率、下截止頻率以A0為參考值，0.707A0相對于A0衰減-3dB。若以信號的幅值平方表示信號功率，則所對應的點正好是半功率點。截止頻率上下截止頻率之間的頻率范圍稱為濾波器帶寬或-3dB帶寬。

B=fc2－fc1帶寬B決定頻率分辨力，帶寬越窄，頻率分辨力越高。帶寬B中心頻率f0與帶寬B之比，。品質因素Q

，幾何平均中心頻率f0紋波幅度d在一定頻率范圍內，實際濾波器的幅頻特性可能呈紋波變化，其波動幅度d與幅頻特性的穩(wěn)定值A0相比，越小越好，一般應遠小于-3dB，即。或

在兩截止頻率外側，實際濾波器有一個過渡帶，其幅頻特性曲線傾斜程度表明了幅頻特性衰減的快慢，它決定著濾波器對帶寬外頻率成分衰阻的能力。常用fc2與2fc2之間，或者fc1與fc1/2之間幅頻特性的衰減量來表示，即頻率變化一個倍頻程的衰減量。倍頻程選擇性W理想濾波器=1，通常=1~5。濾波器因素（矩形系數）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。有些濾波器因器件影響（如電容漏阻），阻帶衰減達不到

-60dB，可用-40dB或-30dB帶寬與-3dB帶寬的比值表示。4.恒帶寬濾波器、恒帶寬比濾波器對信號做頻譜分析或提取信號中某些頻率成分時，可以通過多個放大倍數相同而中心頻率不同的帶通濾波器實現，各個濾波器的輸出反映了信號在該通頻帶內的量值。帶通濾波器實現譜分析有兩種方式：恒帶寬比濾波器

各個濾波器的中心頻率固定，按一定規(guī)律相隔的濾波器組。恒帶寬濾波器

由一個中心頻率可調的帶通濾波器獨立構成，通過改變?yōu)V波器

的參數使中心頻率跟蹤感興趣的頻段。周期信號的分解1)恒帶寬比濾波器特點：品質因素Q為常數。Q相同，中心頻率f0越高，帶寬B越大，頻率分辨力越低。恒帶寬比濾波器的下截止頻率fc1與上截止頻率fc2滿足：n稱為倍頻程數。n=1稱為[1]倍頻程濾波器；n=1/3稱為1/3倍頻程濾波器。......fA(f)01002004006008001000從而有：n=1時，Q=1.41；n=1/3時，Q=4.32；n=1/5時，Q=7.21。只要選定n值，即可設計覆蓋給定頻率范圍的鄰接式濾波器組。倍頻程數n越小，Q值越大，濾波器頻率分辨力越高。中心頻率/Hz1631.563125250…帶寬/Hz11.3122.2744.5588.39176.78…中心頻率/Hz12.516202531.5405063…帶寬/Hz2.93.74.65.87.39.311.614.6…倍頻程濾波器組(n=1時，Q=1.41)

1/3倍頻程濾波器組(n=1/3時，Q=4.32)對恒帶寬比濾波器組，各濾波器的通帶應相互連接，以便覆蓋整個感興趣的頻域范圍，即前一濾波器的上截止頻率為后一相鄰濾波器的下截止頻率。倍頻程頻譜分析裝置鄰接式倍頻程濾波器方框內數字表示各個帶通濾波器的中心頻率，被分析信號輸入后，輸入、輸出波段開關順序接通各濾波器，如果信號頻率成分正好落在某帶通濾波器通頻帶內，那么就可以在顯示、記錄儀器上觀測到這一頻率成分。

2)恒帶寬濾波器

為了使濾波器在任意頻段都