CH 5 信號(hào)調(diào)理_處理和記錄.ppt

1、,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),1,第5章 信號(hào)調(diào)理、處理和記錄 Signal Condition, Process and Record,5.1 電橋(Bridge Circuit),5.2 調(diào)制與解調(diào)(Modulation and Demodulation),5.3 濾波器(Wave Filter),5.4 信號(hào)的指示和記錄裝置 (Indication and Record Equipments of Signal),返回,5.1 電 橋 (Bridge Circuit),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。

2、,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)電橋的平衡條件,(1) 電橋輸出電壓,電 橋(3/19),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),R,3,R,4,R,2,u,i,u,o,I,1,I,2,a,b,d,c,R,3,R,4,u,i,u,o,I,1,I,2,a,b,d,c,u,i,u,o,I,1,I,2,a,b,d,c,3,4,2,u,u,1,2,3,4,u,u,1,2,u,1,2,電 橋(5/19),如電橋開始處于平衡狀態(tài),當(dāng)各橋

3、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RR，又由于電橋開始時(shí)平衡，即,所以,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,定義電橋的靈敏度,則三種接法的靈敏度比分別為1：2：4。,電 橋(7/19),注意： 相鄰兩臂電阻增量符號(hào)相反； 相對(duì)兩臂電阻增量符號(hào)相同。,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。試畫出應(yīng)變片的粘貼位置與電橋的連接方式圖。,電 橋(8/19),電 橋(9/19),軸向粘貼位置如何考慮？,解:力F使懸臂

4、梁產(chǎn)生純彎曲變形，溫度使梁產(chǎn)生拉伸變形,電 橋(10/19),電 橋(11/19),如果上述測(cè)試靈敏度不夠,怎么辦?,改成全橋。,電 橋(12/19),靈敏度是半橋接法的2倍。,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F,2.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、電感寫成矢量形式時(shí)，電橋平衡條件式可改寫為,寫成復(fù)指數(shù)形式,電橋平衡條件為,(1) 電橋平衡條件,電 橋(14/19),此式成立的條件為等式兩邊阻抗的模、阻抗角相等，即,因此，交流

5、電橋需要兩只旋鈕調(diào)平衡，一只用于調(diào)整阻抗的模，一只用于調(diào)整阻抗角。,交流電橋有不同的組合，常用的有電容、電感電橋，其相鄰兩臂接入電阻，而另外兩臂接入相同性質(zhì)的阻抗，例如都是電容或電感。,電 橋(15/19),交流電橋圖,1)電容電橋的平衡條件,電 橋(16/19),2)電感電橋的平衡條件,電 橋(17/19),3)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),交流電橋的平衡條件針對(duì)供橋電源只有一個(gè)頻率的情況下推出的。,當(dāng)供橋電源有多個(gè)頻率成分時(shí)，得不到平衡條件，也即電橋是不平衡的。,因此，交流電橋?qū)螂娫匆缶哂辛己玫碾妷翰ㄐ魏皖l率穩(wěn)定性。,采用交流電橋時(shí)，

6、還要注意影響測(cè)量誤差的一些參數(shù)，如：,電橋中元件之間的互感影響；,無(wú)感電阻的殘余電抗；,鄰近交流電路對(duì)電橋的感應(yīng)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(diǎn),電 橋(19/19), 5.2 調(diào)制與解調(diào) (Modulation and Demodulation),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，

7、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。,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),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),1.幅值

8、調(diào)制與解調(diào),設(shè)調(diào)制信號(hào)為 ，其最高頻率成分為 ，載波信號(hào)為 ， 。則有調(diào)幅波：,由傅里葉變換的卷積性質(zhì),調(diào)幅是將一個(gè)高頻簡(jiǎn)諧信號(hào)（載波信號(hào)）與測(cè)試信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）相乘，使載波信號(hào)的幅值隨測(cè)試信號(hào)的變化而變化。,(1)幅值調(diào)制的工作原理,調(diào)制與解調(diào)(4/26),則,而,調(diào)制與解調(diào)(5/26),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。,

9、調(diào)制與解調(diào)(6/26),(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),從時(shí)域看：,2)整流檢波解調(diào),對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行偏置，使其大于零。將該調(diào)制波進(jìn)行整流（半波或全波）、濾波并消除直流偏置即可恢復(fù)原信號(hào)。,調(diào)制與解調(diào)(8/26),整流檢波解調(diào),調(diào)制與解調(diào)(9/26),3)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),調(diào)制與解調(diào)(11/26),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。,+

10、,+,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),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0a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),調(diào)制與解調(diào)(14/26),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ab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),4)調(diào)幅應(yīng)用動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀,調(diào)制與解調(diào)(16/26),2調(diào)頻及其解調(diào),(1) 原理,

11、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 + K x(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),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),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，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),實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)頻和解調(diào)的方法甚多。在測(cè)

12、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),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),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),諧振頻率的表達(dá)式為,用Kf表示,調(diào)制與解調(diào)(23/26),無(wú)信號(hào)時(shí)，諧振電

13、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)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),(a) 鑒頻器,(b) 頻率-電壓特性曲線,調(diào)制與解調(diào)(26/26),頻率電壓線性變換部分,幅值檢波,5.3 濾波器 (Wave Filter),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，

14、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。,1. 濾波器的分類,低通濾波器：通頻帶 0f2。 高通濾波器：通頻帶 f1 帶通濾波器：通頻帶 f1f2 帶阻濾波器：通頻帶 0f3 與 f4 （阻帶：f3f4）,(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)根據(jù)濾波器的元件類型分類 RC、LC、晶體諧振及開關(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.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

15、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),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),(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),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

16、濾波器對(duì)單位階躍輸入的響應(yīng),如果按穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值的0.10.9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),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

17、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),3. 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),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

18、器(11/23),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=15。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)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)鬏敗８哳l段近于積分器。

19、高頻衰減率20dB/dec（ 6dB/oct）,濾波器(13/23),RC低通濾波器,2)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?濾波器(14/23),RC高通濾波器,(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),RC帶通濾波器,4. 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。

20、,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),(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)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

21、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),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),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),(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

22、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),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),恒帶寬與恒帶寬比帶通濾波器比較,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),三種濾波器測(cè)量結(jié)果比較,5.4 信號(hào)的指示和記錄裝置 (Indication and Record Equipments of Signal),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

23、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。,信號(hào)的指示和記錄裝置 (2/7),1. 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12 000 r/min、7 200 r/min、5 400 r/min等多種，并且朝著轉(zhuǎn)速越來(lái)越快的方向發(fā)展。,信號(hào)的指示和記錄裝置 (4/7),光盤： 目前常見的光盤儲(chǔ)存器是CD-ROM和DVD-ROM。又可以分為以下幾種：只讀光盤(CD-R)、可讀寫光盤(rewritable)。其工作原理是把被記錄信息經(jīng)過(guò)數(shù)字化處理，變成了