CH5信號(hào)調(diào)理處理和記錄課件

單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式單擊此處編輯母版文本樣式第二級(jí)第三級(jí)第四級(jí)第五級(jí)2/6/20231第5章信號(hào)調(diào)理、處理和記錄SignalCondition,ProcessandRecord5.1電橋(BridgeCircuit)5.2調(diào)制與解調(diào)(ModulationandDemodulation)5.3濾波器(WaveFilter)5.4信號(hào)的指示和記錄裝置(IndicationandRecordEquipmentsofSignal)返回2/6/20235.1電橋

(BridgeCircuit)將電阻、電感、電容等參量的變化變?yōu)殡妷夯螂娏鬏敵龅囊环N測(cè)量電路。按照激勵(lì)電壓的性質(zhì)，分為直流電橋和交流電橋；按照輸出方式，分為不平衡橋式電路和平衡橋式電路。電橋:分類:1.直流電橋電橋(2/19)2/6/2023R1R3R4R2uiuoI1I2abdc直流電橋的連接方式

(a)半橋單臂(b)半橋雙臂(c)全橋

電橋(4/19)R3R4R2uiuoI1I2abdcR3R4uiuoI1I2abdcuiuoI1I2abdc11RRD±11RRD±22RRDm11RRD±22RRDm44RRDm33RRD±342uu1234uu12u1211RRD±11RRD±22RRDm11RRD±22RRDm44RRDm33RRD±電橋(5/19)如電橋開(kāi)始處于平衡狀態(tài),當(dāng)各橋臂電阻發(fā)生微小變化時(shí)電橋失去平衡,其輸出為(3)電橋的靈敏度一般R很小，即R<<R，又由于電橋開(kāi)始時(shí)平衡，即所以2/6/2023電橋(6/19)

半橋單臂接法:

半橋雙臂接法:

全橋接法:實(shí)際使用中，為了簡(jiǎn)化橋路設(shè)計(jì)，同時(shí)也為了得到電橋的最大靈敏度，往往取橋臂電阻相等，即

2/6/2023例:如圖所示，懸臂梁受力F作用，要求出F，并且要考慮溫度的影響。試畫(huà)出應(yīng)變片的粘貼位置與電橋的連接方式圖。電橋(8/19)F電橋(9/19)FR1R2R1R1R3R2R4eyex軸向粘貼位置如何考慮？2/6/2023解:力F使懸臂梁產(chǎn)生純彎曲變形，溫度使梁產(chǎn)生拉伸變形F電橋(10/19)2/6/2023如果上述測(cè)試靈敏度不夠,怎么辦?改成全橋。電橋(12/19)R1R3R2R4eyexFR1,3R2,4R1R3靈敏度是半橋接法的2倍。2/6/2023電橋(13/19)另外：軸向粘貼在變形最大的位置，可得到最大的靈敏度。由如下兩等式可以求出力F2/6/20232.交流電橋

在已知輸入電壓及電阻的情況下，電橋可以通過(guò)輸出電壓的變化測(cè)出電阻的變化值。當(dāng)輸入電源為交流電源時(shí)，上述等式仍舊成立。

把電容、電感寫(xiě)成矢量形式時(shí)，電橋平衡條件式可改寫(xiě)為寫(xiě)成復(fù)指數(shù)形式

電橋平衡條件為(1)電橋平衡條件電橋(14/19)2/6/2023交流電橋圖1)電容電橋的平衡條件

電橋(16/19)cdbR3aR1uouiI1I2R4R2C1C2(a)電容電橋 cdbR3aR1uouiI1I2R4R2L1L2(b)電感電橋 2/6/20232)電感電橋的平衡條件電橋(17/19)cdbR3aR1uouiI1I2R4R2L1L2電感電橋 2/6/20233)具有電阻、電容平衡的交流電阻電橋

調(diào)電阻平衡調(diào)電容平衡電橋(18/19)2/6/2023§5.2調(diào)制與解調(diào)

(ModulationandDemodulation)傳感器輸出的電信號(hào)一般為較低頻率分量（在直流至幾十千赫茲之間），當(dāng)被測(cè)信號(hào)比較弱時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸尤其是遠(yuǎn)距離傳輸，可以采用直流放大或調(diào)制與解調(diào)。信號(hào)傳輸過(guò)程中容易受到工頻及其他信號(hào)的干擾，若采用直流放大則在傳輸過(guò)程中必須采用有限措施抑制干擾信號(hào)的影響。實(shí)際中往往采用更有效的先調(diào)制而后交流放大，將信號(hào)從低頻區(qū)推移到高頻區(qū)，也可以提高電路的抗干擾能力和信號(hào)的信噪比。2/6/2023調(diào)制就是使一個(gè)信號(hào)的某些參數(shù)在另一個(gè)信號(hào)的控制下而發(fā)生變化的過(guò)程。前一信號(hào)稱為載波，后一信號(hào)（控制信號(hào)）稱為調(diào)制信號(hào)。對(duì)應(yīng)于信號(hào)的三要素：幅值、頻率和相位，根據(jù)載波的幅值、頻率和相位隨調(diào)制信號(hào)而變化的過(guò)程，調(diào)制可以分為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相，其波形分別稱為調(diào)幅波、調(diào)頻波和調(diào)相波。調(diào)制與解調(diào)(2/26)單擊此處編輯母版文本樣式第二級(jí)第三級(jí)第四級(jí)第五級(jí)2/6/2023載波、調(diào)制信號(hào)及調(diào)幅、調(diào)頻波圖(a)載波信號(hào)(b)調(diào)制信號(hào)(c)調(diào)幅波形(d)調(diào)頻波形調(diào)制與解調(diào)(3/26)(a)(b)(c)(d)2/6/2023則而調(diào)制與解調(diào)(5/26)2/6/2023調(diào)幅過(guò)程相當(dāng)于“頻譜”搬移過(guò)程。調(diào)幅的目的是為了便于緩變信號(hào)的放大和傳送。如在電話電纜、有線電視電纜中，由于不同的信號(hào)被調(diào)制到不同的頻段，因此在一根導(dǎo)線中可以傳輸多路信號(hào)。為了減小放大電路可能引起的失真，信號(hào)的頻寬相對(duì)于中心頻率（載波頻率）應(yīng)越小越好，實(shí)際載波頻率常至少數(shù)倍甚至數(shù)十倍于調(diào)制信號(hào)頻率。調(diào)制與解調(diào)(6/26)2/6/2023(2)幅值調(diào)制信號(hào)的解調(diào)

1)同步解調(diào)解調(diào)的目的是為了恢復(fù)被調(diào)制的信號(hào)。調(diào)幅波載波調(diào)幅波與載波時(shí)域乘積，頻域卷積調(diào)制與解調(diào)(7/26)2/6/2023調(diào)制與解調(diào)(9/26)2/6/20233)相敏檢波解調(diào)

相敏檢波又稱相敏整流。其特點(diǎn)是相敏檢波的解調(diào)輸出既能反映調(diào)制信號(hào)電壓的幅值，又能反映調(diào)制信號(hào)電壓的極性。

調(diào)制與解調(diào)(10/26)2/6/2023調(diào)制與解調(diào)(11/26)2/6/2023相敏檢波器設(shè)計(jì)時(shí)要求B的二次邊的輸出大于A的二次邊輸出?；芈穒1起點(diǎn)回路i2起點(diǎn)++電壓:從負(fù)正,為(+)正;負(fù)載從上下為(+)正調(diào)制與解調(diào)(12/26)2/6/2023由上兩圖知，x(t)>0時(shí)，無(wú)論調(diào)制波是否為正，相敏檢波器的輸出波形均為正，即保持與調(diào)制信號(hào)極性相同。這種電路相當(dāng)于在0~a段對(duì)xm(t)全波整流，解調(diào)后的頻率比原調(diào)制波高一倍。調(diào)制與解調(diào)(13/26)2/6/2023調(diào)制與解調(diào)(14/26)2/6/2023由上兩圖知，x(t)<0時(shí)，不管調(diào)制波極性如何，相敏檢波器的輸出波形均為負(fù)，保持與x(t)一致。同時(shí)，電路在a~b段相當(dāng)于對(duì)xm(t)全波整流后反相，解調(diào)后的頻率為原調(diào)制波的兩倍。調(diào)制與解調(diào)(15/26)2/6/20234)調(diào)幅應(yīng)用——?jiǎng)討B(tài)電阻應(yīng)變儀

調(diào)制與解調(diào)(16/26)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(yīng)變片0tx’m(t)0tx’(t)0txm(t)2/6/20232．調(diào)頻及其解調(diào)

(1)

原理利用調(diào)制信號(hào)的幅值控制載波信號(hào)頻率的過(guò)程。調(diào)頻波是等幅波，但頻率的變化量與調(diào)制信號(hào)幅值成正比。

調(diào)頻波的瞬時(shí)頻率可表示為f=f0+f=f0+Kx(t)f0為載波頻率，也稱中心頻率。f為頻率偏移，與調(diào)制信號(hào)x(t)幅值成正比。

調(diào)制與解調(diào)(17/26)2/6/2023調(diào)頻波與調(diào)制信號(hào)幅值的關(guān)系圖

調(diào)制與解調(diào)(18/26)2/6/2023設(shè)調(diào)制信號(hào)

載波信號(hào)為

調(diào)頻時(shí)載波的幅值和初始相位角不變，瞬時(shí)頻率圍繞著f0隨調(diào)制信號(hào)電壓作線性的變化：由上式可見(jiàn)，頻率偏移與調(diào)制信號(hào)的幅值成正比，與調(diào)制信號(hào)的頻率無(wú)關(guān)，這是調(diào)頻波的基本特征之一。

調(diào)制與解調(diào)(19/26)2/6/2023實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)頻和解調(diào)的方法甚多。在測(cè)量系統(tǒng)中，常利用電抗元件組成調(diào)諧振蕩器，以電抗元件（電感或電容）作為傳感器參量，以它感受被測(cè)量的變化，作為調(diào)制信號(hào)的輸入，振蕩器原有的信號(hào)振蕩信號(hào)作為載波。當(dāng)有調(diào)制信號(hào)輸入時(shí)，振蕩器輸出即為被調(diào)制了的調(diào)頻波。當(dāng)電容C和電感L并聯(lián)組成振蕩器的諧振回路時(shí)，電路的諧振頻率將為：

調(diào)制與解調(diào)(20/26)2/6/2023無(wú)信號(hào)輸入時(shí)，x(t)=0，諧振電路的諧振頻率為有信號(hào)輸入時(shí)，x(t)≠0，諧振電路的諧振頻率為調(diào)制與解調(diào)(21/26)2/6/2023對(duì)上式求微分得諧振頻率的絕對(duì)變換量:在載波頻率f0附近有C1=C0，所以調(diào)制與解調(diào)(22/26)2/6/2023諧振頻率的表達(dá)式為用Kf表示調(diào)制與解調(diào)(23/26)2/6/2023無(wú)信號(hào)時(shí)，諧振電路的輸出電壓有信號(hào)時(shí)，諧振電路的輸出電壓調(diào)制與解調(diào)(24/26)2/6/2023(2)調(diào)頻波的解調(diào)調(diào)頻波是以正弦波頻率的變化來(lái)反映被測(cè)信號(hào)的幅值變化。調(diào)頻波的解調(diào)是先將調(diào)頻波變換成調(diào)頻調(diào)幅波，然后進(jìn)行幅值檢波。調(diào)頻波的解調(diào)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。調(diào)制與解調(diào)(25/26)2/6/2023(a)

鑒頻器

(b)頻率-電壓特性曲線調(diào)制與解調(diào)(26/26)ufC1L1L2C2CRu0ua頻率電壓線性變換部分幅值檢波ua0

n0t?tua0uat02/6/20235.3濾波器

(WaveFilter)濾波器是一種選頻裝置，它只允許一定頻帶范圍的信號(hào)通過(guò)，同時(shí)極大地衰減其他頻率成分。濾波器的這種篩選功能在測(cè)試技術(shù)中可以起到消除噪聲、干擾信號(hào)等作用，在自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制、信號(hào)處理等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。2/6/20231.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~f3與f4~（阻帶：f3~f4）(1)

根據(jù)濾波器的選頻特性分類高通濾波器幅頻特性=1-低通濾波器幅頻特性帶阻濾波器是高通和低通的組合濾波器(2/23)2/6/2023(2)根據(jù)濾波器的元件類型分類RC、LC、晶體諧振及開(kāi)關(guān)電容濾波器。(3)根據(jù)濾波器的電路性質(zhì)分類有源、無(wú)源濾波器。(4)根據(jù)濾波器的信號(hào)性質(zhì)分類模擬、數(shù)字濾波器。濾波器(3/23)2/6/20232.理想濾波器

(1)理想濾波器模型及脈沖響應(yīng)

無(wú)過(guò)渡帶且在通頻帶內(nèi)滿足不失真測(cè)試條件的濾波器稱為理想濾波器。理想濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)為理想濾波器的脈沖響應(yīng)函數(shù)為sinc函數(shù)，若無(wú)相角滯后（t0=0）：濾波器(4/23)2/6/2023任何現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)都不可能具有這種預(yù)知未來(lái)的能力在輸入(t)到來(lái)以前,濾波器有與輸入相對(duì)應(yīng)的輸出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濾波器(5/23)ffc0-fc(f)2t0A00ffc-fc|H(f)|(a)理想低通濾波器頻率特性t01/2fc1/fc-1/2fc-1/fc2A0fch(t)tt00h(t)(b)理想低通濾波器脈沖響應(yīng)函數(shù)2/6/2023(2)理想濾波器的階躍響應(yīng)1)單位階躍輸入

2)濾波器的階躍響應(yīng)：濾波器(6/23)2/6/2023若不考慮前、后皺波，輸出從0(a點(diǎn))到應(yīng)有的穩(wěn)定值A(chǔ)0(b點(diǎn))之間的所需建立時(shí)間為：上截止頻率3)階躍響應(yīng)波形圖

4)響應(yīng)時(shí)間濾波器(7/23)理想低通濾波器對(duì)單位階躍輸入的響應(yīng)0ttbtaay(t)A00.5A0b(a)無(wú)相角滯后，時(shí)移t0=00ty(t)tbt0taaA00.5A0b(b)有相角滯后，時(shí)移t0≠02/6/2023如果按穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值的0.1~0.9作為計(jì)算建立時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)，則濾波器通頻帶越寬（fc越高），建立時(shí)間越短，響應(yīng)速度越快。其物理意義是：輸入信號(hào)突變處（間斷點(diǎn)）必然含有豐富的高頻分量。低通濾波器阻衰了高頻分量，結(jié)果將輸出波形“圓滑”。通帶越寬，阻衰的高頻分量越少，使信號(hào)能量更多更快地通過(guò)，故建立時(shí)間短，反之建立時(shí)間長(zhǎng)。濾波器(8/23)2/6/2023低通濾波器對(duì)階躍響應(yīng)的建立時(shí)間Te與帶寬B成反比，即： BTe=常數(shù)該結(jié)論對(duì)高通、帶通及帶阻濾波器均成立。濾波器帶寬表示其頻率分辨力，通帶越窄，分辨力越高，顯然，高分辨力與響應(yīng)速度是互相矛盾的。如果要用濾波的方法從信號(hào)中提取某一很窄的頻率成分（如作譜分析），必須有足夠的時(shí)間。5)高分辨力與響應(yīng)速度的關(guān)系:濾波器(9/23)2/6/20233.實(shí)際濾波器

(1)實(shí)際濾波器的基本參數(shù)理想帶通濾波器（虛線）與實(shí)際帶通濾波器（實(shí)線）的幅頻特性圖濾波器(10/23)2/6/2023上、下兩截止頻率之間的頻率范圍稱為濾波器帶寬或-3dB帶寬。帶寬B決定頻率分辨力。將中心頻率f0（，幾何平均）與帶寬B之比稱為濾波器的品質(zhì)因素。f0確定，品質(zhì)因素Q越大，濾波器分辨力越高。或

指在上截止頻率fc2與2fc2之間，或者在下截止頻率fc1與fc1/2之間幅頻特性的衰減量，即頻率變化一個(gè)倍頻程的衰減量。帶寬B和品質(zhì)因素Q倍頻程選擇性W濾波器(11/23)2/6/2023倍頻程選擇性用dB/oct表示，有時(shí)也采用10倍頻程選擇性用dB/dec表示。倍頻程選擇性表明濾波器過(guò)渡帶內(nèi)幅頻曲線的傾斜程度，它決定了濾波器對(duì)帶寬外頻率成分衰減的能力。顯然W越大，濾波器選擇性越好。理想濾波器=1，通常=1~5。有些濾波器因器件影響（如電容漏阻），阻帶衰減達(dá)不到-60dB，可用-40dB或-30dB帶寬與-3dB帶寬的比值表示。濾波器因數(shù)（矩形系數(shù)）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。濾波器(12/23)2/6/2023(2)RC調(diào)諧式濾波器的基本參數(shù)

1)一階RC低通濾波器

低頻段近于不失真?zhèn)鬏?。高頻段近于積分器。高頻衰減率﹣20dB/dec（﹣6dB/oct）濾波器(13/23)CRuyuxf1/2

1A(f)0f-450-9000φ(f)1/2RC低通濾波器2/6/20232)一階RC高通濾波器

低頻段近于微分器。高頻段近于不失真?zhèn)鬏敗?/p>

濾波器(14/23)uyuxRC高通濾波器2/6/2023(3)RC帶通濾波器帶通濾波器可由低通和高通濾波器串聯(lián)組成。為了消除串聯(lián)時(shí)負(fù)載效應(yīng)的影響，通常用輸出跟隨器或運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)隔離。因此，實(shí)際帶通濾波器通常是有源的。不考慮負(fù)載效應(yīng)時(shí)，帶通濾波器傳遞函數(shù)為濾波器(15/23)C1R2C2R1uyuxH1(s)H2(s)X(s)Y(s)RC帶通濾波器2/6/20234.恒帶寬比與恒帶寬濾波器

對(duì)信號(hào)做頻譜分析或摘取信號(hào)中某些頻率成分時(shí)，可以通過(guò)多個(gè)中心頻率不同的帶通濾波器實(shí)現(xiàn)，各個(gè)濾波器的輸出反映了信號(hào)在該通頻帶內(nèi)的量值。帶通濾波器實(shí)現(xiàn)譜分析可有兩種方式：一是由一中心頻率可調(diào)的帶通濾波器獨(dú)立構(gòu)成；二是使用各自中心頻率固定，但又按一定規(guī)律相隔的濾波器組。顯然后者可以實(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)”譜分析。對(duì)濾波器組，各濾波器的通帶應(yīng)相互鄰接，覆蓋整個(gè)感興趣的頻帶。即前一濾波器的﹣3dB上截止頻率為后一相鄰濾波器的﹣3dB下截止頻率。濾波器組具有相同的增益（對(duì)各中心頻率而言）。濾波器(16/23)2/6/2023(1)倍頻程頻譜分析裝置中心頻率固定Q=f/B。Q相同，中心頻率f越高，帶寬B越寬。濾波器(17/23)2/6/2023(2)恒帶寬比濾波器（恒定百分比帶通濾波器）特點(diǎn)：，即品質(zhì)因數(shù)恒定。顯然，中心頻率f0

越高，帶寬越大。恒帶寬比濾波器的低端截止頻率fc1與高端截止頻率fc2之間常滿足如下關(guān)系：n稱為倍頻程數(shù)。n=1稱為倍頻程濾波器；

n=1/3稱為1/3倍頻程濾波器。濾波器(18/23)2/6/2023由于：從而有：n=1時(shí)，Q=1.41；n=1/3時(shí)，Q=4.38；n=1/5時(shí)，Q=7.2。對(duì)鄰接的濾波器組，易得：。

只要選定n值，即可設(shè)計(jì)覆蓋給定頻率范圍的鄰接式濾波器。顯然，倍頻程數(shù)越小，Q值越大，濾波器分辨力越高。濾波器(19/23)2/6/2023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

1/3倍頻程濾波器高頻段分辨率低濾波器(20/23)2/6/2023(3)恒帶寬濾波器

恒帶寬濾波器帶寬恒定。在所有頻帶內(nèi)都具有良好的頻率分辨力。恒帶寬濾波器一般不宜固定中心頻率。而是利用一個(gè)定帶寬、定中心頻率的濾波器加上可變參考頻率的差頻變換來(lái)適應(yīng)各種不同中心頻率的定帶寬濾波的需要。濾波器(21/23)2/6/2023常用恒帶寬濾波器有相關(guān)濾波和跟蹤濾波兩種。濾波器(22/23)......fA(f)01002004006008001000(a)恒帶寬帶通濾波器......fA(f)01002004006008001000(b)恒帶寬比帶通濾波器恒帶寬與恒帶寬比帶通濾波器比較2/6/2023中心頻率在不同頻率時(shí)均有輸出(4)三種濾波器測(cè)量結(jié)果比較濾波器(23/23)04020幅值/dB9401060f/Hz(a)實(shí)際信號(hào)04020幅值/dB630800100012501600f/Hz(b)1/3倍頻程分析結(jié)果f/Hz04020幅值/dB9401060(c)1/10倍頻程分析結(jié)果(d)恒帶寬濾波器分析結(jié)果940106004020幅值/dBf/Hz三種濾波器測(cè)量結(jié)果比較2/6/20235.4信號(hào)的指示和記錄裝置

(IndicationandRecordEquipmentsofSignal)信號(hào)指示與記錄裝置是測(cè)試系統(tǒng)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，也是進(jìn)一步了解、分析和研究測(cè)量結(jié)果的重要環(huán)節(jié)。選擇指示與記錄裝置，首先關(guān)心的是其響應(yīng)能力，即能否正確地跟蹤測(cè)量信號(hào)的變化，并把它如實(shí)的記錄下來(lái)（隨動(dòng)系統(tǒng)）。通常把記錄裝置對(duì)正弦信號(hào)的響應(yīng)能力稱為記錄裝置的頻率響應(yīng)特性，它決定了記錄裝置的工作頻率范圍。2/6/2023信號(hào)的指示和記錄裝置(2/7)2/6/20231.磁光盤記錄器

信號(hào)的指示和記錄裝置(3/7)硬盤：硬盤存儲(chǔ)器主要由磁頭、盤片、硬盤驅(qū)動(dòng)器和讀/寫(xiě)控制電路組成，盤片用鋁合金或玻璃等材料制成，其表面涂有磁性材料，硬盤存儲(chǔ)器根據(jù)磁頭和盤片結(jié)構(gòu)的不同可以分為固定磁頭硬盤，活動(dòng)磁頭固定盤片硬盤以及活動(dòng)可換盤片硬盤等幾種類型。磁盤的轉(zhuǎn)速有12000r/min、7200