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1、第四章 信号的调理与记录,本章学习要求：,1.掌握电桥工作原理 2.掌握信号调制解调原理 3.掌握信号滤波器工作原理4.自学信号放大、显示和记录,第四章 信号的调理与记录本章学习要求：1.掌握电桥工作原理,便于信号的传输与处理,信号调理的目的：,第4章 信号调理电路,1.有些传感器输出的是电参量，需要转换成电信号才能进行处理。2.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量信号进行调制解调处理。3.传感器输出的信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。4.有些传感器输出的信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。,便于信号的传输
2、与处理信号调理的目的：第4章 信号调理电,4.1 电 桥,电桥是一个四端网络，网络中的每一支路称为桥臂，桥臂上可接入电阻、电容或电感变化的传感器。网络的一个对角接入工作电压，另一个对角为输出电压。,电桥的作用是将电阻、电容或电感等电参量的变化转换为电压或电流输出。,4.1 电 桥 电桥是一个四端网络，网络中的每一支,一、电桥的分类按照工作电源性质可分为：直流电桥和交流电桥 按桥臂接入的阻抗元件可分为：电阻电桥、电容电桥和电感电桥。,一、电桥的分类,按照输出测量方式不同可分为：平衡电桥和不平衡电桥。,平衡电桥,不平衡电桥,平衡电桥 不平衡电桥,平衡条件,二、电桥的平衡 1、直流电桥平衡,两相对桥
3、臂电阻值的乘积相等。,平衡条件二、电桥的平衡两相对桥臂电阻值的乘积相等。,2、交流电桥的平衡,平衡条件：,交流电流平衡条件：相对两臂阻抗之模的乘积应相等相对两臂阻抗角之和也应相等。,2、交流电桥的平衡平衡条件：交流电流平衡条件,三.电桥的和差特性,设电桥四臂阻值相等R1=R2=R3=R4=R，且增量分别为Ri Ri，则电桥的输出为,三.电桥的和差特性设电桥四臂阻值相等R1=R2=R3=R4,电桥和差特性,1）若相邻两桥臂电阻同向变化，所产生的输出电压将相互抵消。2）若相邻两桥臂电阻反向变化，所产生的输出电压将相互叠加。,电桥和差特性 1）若相邻两桥臂电阻同向变化，所产生的输出电压,利用和差特性
4、，可以：进行温度补偿，消除测量误差提高灵敏度复杂,1.直流电桥的连接方式：,单臂,半桥,全桥,四、电桥的联接方式,1.直流电桥的连接方式：单臂 半桥 全桥 四、电桥的联接方式,令：,一般，所以上式可简化为：,令：一般，所以上式可简化为：,直流电桥的的输出与灵敏度：,单臂,半桥,全桥,直流电桥的的输出与灵敏度：单臂 半桥 全桥,电容电桥,电感电桥,2.交流电桥的连接方式：,电容电桥电感电桥2.交流电桥的连接方式：,纯电阻交流电桥，除有电阻平衡，还应有电容平衡。（由于导线间分布电容的存在）,电阻交流电桥的分布电容,具有电阻电容平衡的交流电阻电桥,纯电阻交流电桥，除有电阻平衡，还应有电容平衡。（由于
5、,利用电阻应变片作为传感元件来测量应变的专用电子仪器称为电阻应变仪。,电阻应变仪,利用电阻应变片作为传感元件来测量应变的专用电子仪器称为电,直流电桥与交流电桥的特点,直流电桥：平衡电路简单、对联接导线要求低，直流电源稳定性容易保证；后接比较复杂的直流放大器。交流电桥：交流放大器简单；要求波形没有畸变，频率必须稳定。,直流电桥与交流电桥的特点直流电桥：,五、温度补偿问题,R1、R2完全相同，处于相同温度场中，并且接入相邻臂。,在力P和温度 t 的作用下，R1上的电阻变化率为：,R2的电阻变化率为：,五、温度补偿问题R1、R2完全相同，处于相同温度场中，并且接,例题:将电阻应变片贴在等强度梁上，构
6、成测力传感器，用来测量力F0(1)若采用半桥测量方法 a 在图上绘出贴片位置并画出测量电桥电路；b 已知应变片R=120，S=2，工作时其应变为 1000，电桥激励电压u0=3V。（S为应变片灵敏系数或灵敏度）求：电桥的输出电压uo及电桥灵敏度Sb。(2)为提高电桥灵敏度，采用何种接桥方式并在图上绘贴片位置。,例题:将电阻应变片贴在等强度梁上，构成测力传感器，用来测量,如图所示，测量力F与F2，如何布片组桥？,F2,F如图所示，测量力F与F2，如何布片组桥？F2,考虑：交流电桥的输出,考虑：交流电桥的输出VinVoR1R3R2R4,第四章信号的调理与记录课件,定义：调制是指利用某种低频信号来控
7、制或改变高频振荡信号的某个参数（幅值、频率或相位)。,调制信号,调制波,4.2 调制与解调,目的：解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。,a)调幅(AM),b)调频(FM),c)调相(PM),载波,定义：调制是指利用某种低频信号来控制或改变高频振荡信号的某,一、调幅与解调,调幅是将一个高频载波信号（此处采用余弦波）与被测信号（调制信号）相乘，使载波信号幅值随被测信号的变化而变化,1、调幅,一、调幅与解调 调幅是将一个高频载波信号（此处,一个函数与单位脉冲函数卷积的结果，就是在发生函数的坐标位置上将原来的函数重新构图。,调制器 调制信号载波调幅波一个函数与单位脉冲函数卷积的结果，,调幅：从频
8、域上：相当于频率的搬迁过程。从低频搬迁到高频。频谱形状保持不变（f0fm)。,从时域上：用x（t）去控制改变y（t）的幅值，使xm（t）的幅值随着x（t）的变化而变化，频率仍与z（t）相同。,载波频率f0称为调幅波的中心频率，f0+fm 称为上旁频带，f0-fm 称为下旁频带。,调幅：从时域上：用x（t）去控制改变y（t）的幅值，使xm,2、解调,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”。当用一低通滤波器滤去频率大于fm的成分时，则可以复现原信号的频谱。与原频谱的区别在于幅值为原来的一半，这可以通过放大来补偿。这一过程称为同步解调，同步是指解调时所乘的信号与调制时
9、的载波信号具有相同的频率和相位。,2、解调同步解调 把调幅波再次与原载波信号相乘，则频,包络检波,若对信号x(t)进行偏置，叠加一个直流分量D，使偏置后的信号都具有正电压。,包络检波 若对信号x(t)进行偏置，叠加一个直流分量D，,解调,二极管检波,低通滤波,解调二极管检波低通滤波,调幅过程中失真,a）偏置电压过小引起失真：要求其直流偏置必须足够大，否则x(t)的相位将发生180跳变。,调幅过程中失真a）偏置电压过小引起失真：要求其直流偏置必须足,b)混叠：调幅波是最高频率为fmax的双边带信号组成当载波频率f0较低时，正频端的下边带将与负频端的下边带相重叠要求:f0fmax,b)混叠：调幅波
10、是最高频率为fmax的双边带信号组成当载,相敏检波 利用交变信号在过零位时正、负极性发生突变，使调幅波的相位（与载波相比）也相应的产生180的相位跳变。,图 相敏检波,相敏检波 图 相敏检波,动态电阻应变仪方框图,动态电阻应变仪方框图,二、调频与解调,1、概念：调频是利用调制信号的幅值控制高频载波信号频率变化的过程。或者说，调频波是一种随调制信号的幅值而变化的疏密度不同的等幅波.,调频波的瞬时频率可表示为：f=f0+f,式中f0为载波信号频率；f为频率偏移，与调制信号x(t)的幅值成正比。,二、调频与解调1、概念：调频是利用调制信号的幅值控制高频载波,测量过程中，电容C0变化量为C，此时回路的
11、振荡频率变为：,2.频率调制方法 直接调频测量电路,LC振荡电路振荡频率,测量过程中，电容C0变化量为C，此时回路的振荡频率变为,压控振荡器（VCO),压控振荡器（VCO),3.鉴频,变压器耦合的谐振回路法,ef为输入的调频信号，在回路的谐振频率fn处，线圈L1,L2的耦合电流最大，副边输出电压ea也最大；ef频率离fn越远，线圈L1,L2的耦合电流越小，副边输出电压ea也越小；从而将调频波信号频率的变化转化为电压幅值的变化。,3.鉴频变压器耦合的谐振回路法feaeaf0ttfnef为输,优点：抗干扰能力强。,调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的20倍；调频系统较之调幅系统复杂，因
12、为频率调制是一种非线性调制。,因为调频信号所携带的信息包含在频率变化之中，并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主要表现在振幅之中,缺点：占频带宽度大，复杂,优点：抗干扰能力强。调频波通常要求很宽的频带，甚至为,4.3 信号的滤波,一、概述 滤波器是一种选频装置，可以使信号中有效成分通过，而极大地衰减其他频率成分。,4.3 信号的滤波 一、概述,滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）,低通,高通,滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）低通高通,带通,带阻,带通带阻,滤波器的串/并联,低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。,带阻滤波器,滤波器的串/
13、并联 低通滤波器和高通滤波器是,二、滤波器性能分析1.理想滤波器,理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。,理想低通滤波器幅相频特性,二、滤波器性能分析 理想滤波器是指能使通带内信,理想滤波器的物理不可实现,理想滤波器在时域内的脉冲响应函数 h（t）为 sinc函数。脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸。,给理想滤波器一个脉冲激励，在t=0时刻单位脉冲输入滤波器之前，滤波器就已经有响应了。故物理不可实现。,理想滤波器的物理不可实现 理想滤波器在时域内的脉,0,f,(1)截止频率fc：0.707A0所对应的频率.,(3)纹波幅度：通频带中幅频特性的起
14、伏变化值。,(4)品质因数Q：中心频率和带宽之比称为品质因数。,B,Q=f0/B,(2)带宽B:上下两截止频率间的频率范围称为带宽。,2.实际滤波器的特征参数,0ffc1fc2A00.707A0(1)截止频率fc：0.7,(5)倍频程选择性W 指在上截止频率fc2与2fc2之间或下截止频率fc1与fc12之间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。,倍频程衰减量以dB/oct表示（Octave，倍频程）。衰减越快（即W值越大），滤波器的选择性越好。,(6)滤波器因数（矩形系数）滤波器幅频特性的-60dB带宽与-3dB带宽的比值。,(5)倍频程选择性W 倍频程衰减量以dB/oct,三、
15、实际滤波电路,在测试系统中，常用RC滤波器。RC滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标准阻容元件。,1)一阶RC低通滤波器,三、实际滤波电路 在测试系统中，常用RC滤波器。,截止频率,截止频率,2)一阶RC高通滤波器,截止频率,2)一阶RC高通滤波器 截止频率,3)RC带通滤波器,可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联,3)RC带通滤波器 可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联,）有源滤波器,）有源滤波器,产品,LineDa:LTC1564,MAXIM:MAX74xx,产品LineDa:LTC1564MAXIM:MAX74x,四、带通滤波器在信号频率分析中的应用,实际滤波器频率
16、通带通常是可调的，根据实际滤波器中心频率与带宽之间的数值关系，可以分为两种。,、恒带宽比滤波器,、恒带宽滤波器,四、带通滤波器在信号频率分析中的应用 实际滤波器频率,、恒带宽比滤波器,中心频率,倍频程数,上截止频率,下截止频率,只要选定n值，就可设计覆盖给定频率范围的邻接式滤波器组,、恒带宽比滤波器 中心频率倍频程数上截止频率下截止频率,倍频程滤波器,倍频程滤波器,、恒带宽滤波器,滤波器的绝对带宽为常数,不用固定中心频率与带宽的并联滤波器组来实现，而是通过中心频率可调的扫描式带通滤波器实现。,、恒带宽滤波器 滤波器的绝对带宽为常数不用固定中,五、滤波器的应用,超门限报警,实例：旅游索道钢缆检测,五、滤波器的应用超门限报警 实例：旅游索道钢缆检测,实例：机床轴心轨迹的滤波处理,实例：机床轴心轨迹的滤波处理,实例：机床轴心轨迹的滤波处理,滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律,实例：机床轴心轨迹的滤波处理 滤除信号中的高频噪声，以便于观,思考题：,1 信号调理的内容和目的？,2 信号放大电路的种类，如何根据传感器输出 特性选择合适的放大电路？,3 信号调制与解调的种类？,4 幅度调制与解调的原理？,5 调幅波的失真，如何消除？,6 信号滤波器的种类？,思考题：1 信号调理的内容和目的？2 信号放大电路的种类,
