[信息与通信]4 信号调理、处理和记录

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1、Page: 1第四章 信号调理、处理和记录Page: 2主要内容 电桥 调制与解调 滤波器 信号的放大、显示与记录Page: 3第一节 电 桥 定义：将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压或电流输出的一种测量电路。输出既可用指示仪表直接测量，也可送入放大器进行放大。 特点：电路简单、有较高的精确度和灵敏度 分类:按激励电压的性质：直流电桥和交流电桥按照输出方式：不平衡桥式电路和平衡桥式电路Page: 4直流电桥基本形式 平衡条件要使电桥平衡，输出为零，应 满足直流电源输出电压Page: 5直流电桥输出特性 半桥单臂法输出电压为了简化设计若 ，则输出电压 因 ，所以Page: 6电桥的输出 与激

2、励电压 成正比，且在 条件下，与 成正比。灵敏度半桥单臂联接方式Page: 7直流电桥输出特性 半桥双臂法输出电压灵敏度与半桥单臂相比，灵敏度提高了一倍，电桥的输 出与 成完全线性关系Page: 8直流电桥输出特性 全桥法输出电压灵敏度电桥接法不同，输出电压也不同，全桥接法可获 得最大输出Page: 9不平衡桥式电路 上述电桥是在不平衡条件下工作的，它的缺点是电压 不稳定，或环境温度变化时，会引起电桥输出的变化 ，从而产生测量误差。 因此，在某些情况下采用平衡电桥。Page: 10平衡桥式电路设被测量等于零时，电桥处 于平衡状态，此时指示仪表 G及可调电位器H指零。当某一桥臂随被测量变化时 ，

3、电桥失去平衡，调节电位 器H，改变电阻R5触电位置 ，可使电桥重新平衡，电表 G指针回零。电位器H上的标度与桥臂电 阻值的变化成比例，故H的 指示值可以直接表达被测量 的数值。Page: 11 特点 读数时电表指针G始终指零，“零点测量法” 应用 静态电阻应变仪：手动实现平衡 电子电位差计、X-Y记录仪：自动调平衡平衡桥式电路的特点及应用Page: 12交流电桥交流电桥采用交流激励电压。电桥的四个臂可为电感、电容或电阻 。电桥平衡条件把各阻抗用指数式表示代入上式Page: 13交流电桥平衡条件交流电桥平衡必须满足两个条件：其中， 为各阻抗的模；为阻抗角。阻抗角是各桥臂电流与电压之间的相位差。纯

4、电阻时电流与电压同相位，=0；电感性阻抗，0 ；电容性阻抗，0。Page: 14电容传感器 电感传感器 电阻传感器Page: 15电容电桥平衡条件 平衡条件 要使电桥达到平衡，必须同时调节电阻与电 容两个参数，即调节电阻达到平衡，调节电 容达到平衡Page: 16电感电桥平衡条件 平衡条件Page: 17纯电阻电桥应注意的问题 由于导线间存在分布电容。因此，除了有电 阻平衡外，还须有电容平衡 动态电阻应变仪中的具有电阻和电容平衡的 纯电阻电桥Page: 18第二节 调制与解调 目的：放大信号、便于传输 调制：使一个信号的某些参数在另一信号的控制下发生变化的过 程。前一信号称为载波，后一信号（控

5、制信号）称为调制信号。 最后的输出是已调制波。 解调：最终从已调制波中恢复出调制信号的过程。许多传感器的输出就是一种已调制信号！根据载波受调制的参数不同，调制可分为 调幅（AM）-调幅波 调频（FM）-调频波 调相（PM）-调相波Page: 19Page: 20一、调幅及其解调 定义：调幅是将一个高频简谐信号（载波）与测试信号（调制 信号）相乘，使高频信号的幅值随测试信号的变化而变化。 调幅原理由傅立叶变换的性质知：在时域中两个信号相乘，则对应在频域中这两个信号进行卷积，即余弦函数的频域图形是一对脉冲谱线一个函数与单位脉冲函数卷积的结果，就是将其图形 由坐标原点平移至该脉冲函数处。Page:

6、21若以高频余弦信号作载波，把信号x(t)和载波信号相乘，其结果就相当于把原信号的频谱图形由原点平移至载波频率 处，幅值减半。即，调幅过程相当于频谱“搬移”过程Page: 22调幅过程Page: 23须注意的问题从调幅原理看，载波频率 必须高于原信号中的最高 频率 才能使已调波仍保持原信号的频谱图形，不致 重叠。为了减小放大电路可能引起的失真，信号的频宽相对 中心频率（载波频率 ）应越小越好。实际载波频率常至少数倍甚至数十倍于调制信号。幅值调制装置实质上是一个乘法器。电桥在本质上也是一个乘法装置。Page: 24解 调 11）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

7、” 。若用一个低通滤波器滤去中心频率为 的高频成分，那么将可以复现原信号的频谱（幅值减小为一半），这一过程称为同步解 调。“同步”指解调时所乘的信号与 调制时的载波信号具有相同 的频率和相位。Page: 25解 调 2（2）偏置解调把调制信号进行偏置，叠 加一个直流分量A，使偏置 后的信号都具有正电压， 那么调幅波的包络线将具 有原调制信号的形状。把 该调幅波简单地整流、滤 波就可恢复原调制信号。如果原调制信号中有直流 分量，则在整流后应准确 地减去所加的偏置电压。Page: 26解 调 3（2）偏置解调若所加的偏置电压未能使信号电压都在零线的一侧，则对调幅波简单地整流不能恢复原调制信号。相敏

8、检波技术可解决此问题。Page: 27相 敏 检 波Page: 28相敏检波的工作原理 原信号、调幅波与载波之间的关系 当 ，调幅波与载波同相位； 当 ，调幅波与载波反相位 工作原理调幅波与载波y(t)同相 载波电压为正 均为正（ 原信号x(t)为正） 载波电压为负 调幅波与载波y(t)异相 载波电压为正 均为负（原信号x(t)为负） 载波电压为负 利用二极管的单向导通作用将电路输出机性换向 Page: 29动态电阻应变仪 电桥调幅与相敏检波的典型应用Page: 30二、调频及其解调 调频（频率调制）是利用信号电压的幅值控制一个振 荡器，振荡器输出的是等幅波，但其振荡频率偏移量 和信号电压成正

9、比。当信号电压为零时 ，调频波的频率等 于中心频率；信号 电压为正值时频率 提高，负值时则降 低。Page: 31Page: 32（一）直接调频测量电路把被测量的变化直接转换为振 荡频率的变化称为直接调频式测 量电路，其输出也是等幅波。举例：电容、涡流、电感传感器 的一种测量电路两种常用的调频方法及一种解调方案：Page: 33两种常用的调频方法及一种解调方案（二）压控振荡器（ VCO ）压控振荡器的输出瞬时频率与输入的控制 电压值成线性关系。有多种形式的芯片出售，振荡器的中心频 率和频率范围由生产厂家预置，频率范围与 控制电压相对应。Page: 34（三）鉴频器原理(调频波的解调又称为鉴频，

10、是将频率变化恢复 成调制信号电压幅值变化的过程。Page: 35第三节 滤波器滤波器是一种选频装置，它只允许一定频带范围的信号通过，同时极大地衰减其它频率成分。滤波器的这种筛选功能在测试技术中可以起到消除噪声及干扰信号等作用，在自动检测、自动控制、信号处理等领域得到广泛的应用。 滤波器的种类 根据滤波器的选频特性 q 低通滤波器(LP)：通频带0fc q 高通滤波器(HP)：通频带fC q 带通滤波器(BP)：通频带fC1fC2 q 带阻滤波器(BS)：通频带0fC1与fC2（阻带: fC1 fC2） Page: 361) 低通滤波器 从0f2频率之间，幅 频特性平直，它可以使信号 中低于f2

11、的频率成分几乎不 受衰减地通过，而高于f2的 频率成分受到极大地衰减。2) 高通滤波器 与低通滤波相反，从 频率f1，其幅频特性 平直。它使信号中高于f1 的频率成分几乎不受衰减 地通过，而低于f1的频率成分将受到极大地衰减。 Page: 373) 带通滤波器 它的通频带在f1f2之 间。它使信号中高于f1而低 于f2的频率成分可以不受衰 减地通过，而其它成分受 到衰减。4) 带阻滤波器 与带通滤波相反， 阻带在频率f1f2之间 。它使信号中高于f1 而低于f2的频率成分 受到衰减，其余频率 成分的信号几乎不受 衰减地通过。Page: 38滤波器的分类2 按构成元件类型分 RC谐振滤波器 LC

12、谐振滤波器 晶体谐振滤波器 按构成电路性质分 有源滤波器 无源滤波器 按所处理的信号分 模拟滤波器 数字滤波器Page: 39滤波器性能分析-理想滤波器 定义：若滤波器的频率 响应H( f )满足如下条件:特别提醒: 理想低通滤 波器是不能实现的!Page: 40Page: 41特别提醒理想的高通、带通、带阻滤波器都是不存在的。Page: 42滤波器性能分析-实际滤波器的特征参数截止频率 带宽B 波纹幅度 品质因子(Q 值)倍频程选择性 滤波器因数（ 矩形系数）Page: 43 带宽B： 上下两截止频率之间的频率范围,又称 -3dB带宽。带滤波器的带宽表示着它的频率分 辨力，通带越窄则分辨力越

13、高。 品质因子（Q值）：对带通滤波器而言，定义 为中心频率f0与带宽B的比值，即Q = f0 / B。 倍频程选择性: 频率变化一个倍频程的幅频特 性的衰减量，以dB表示。衰减越快，选择性越 好。 滤波器因数（矩形系数）：实际滤波器的特征参数Page: 44实际滤波电路微分方程传递函数Page: 45一阶RC低通滤波器频率特性RC决定着上截止频率RC低通滤波器起着积分器的作用Page: 46RC高通滤波器频率特性Page: 471、当 时， 滤波器的-3dB截止频率为2、当 时， ；RC高通滤波器可视为不失真传输系统。3、当 时，输出与输入的微分成正比。RC高通滤波器起着微分器的作用。Page

14、: 48RC带通滤波器的基本特性 可看成是低通滤波器和高通滤波器串联 组成。Page: 49RC带通滤波器的基本特性串联所得的带通滤波器以原高通滤波器的截止 频率为下截止频率，其上截止频率为原低通的 截止频率，即分别调节高、低通环节的时间常数，就可得到 不同的上、下截止频率和带宽的带通滤波器。Page: 50电感和电容一起使用可以改善滤波器边缘Page: 51提高滤波器性能的方法Page: 52提醒注意 多个简单滤波器的级联能改善滤波器的过渡带性能 带来的问题：负载效应、相移增大 如何解决此问题？Page: 53有源滤波器的基本构造Page: 54一阶有源滤波器Page: 55带通滤波器在信号

15、频率分析中的应用 多路滤波器的并联形式（频谱分析，特定频率成分的提取） 中心频率可调式Page: 56多路滤波器的并联形式 恒带宽比滤波器 恒带宽滤波器Page: 57恒带宽比滤波器 定义：指滤波器组中各滤波器的相对带宽为常数。 滤波器的中心频率越高，其带宽越大。 若一个带通滤波器的低端截止频率为 ，高端截止 频率为 ，则其关系为： n称为倍频程数滤波器中心频率注意：恒带宽比滤波器的频率分辨力在低频段较好， 在高频段则甚差。 Page: 58恒带宽比和恒带宽滤波器特性对照Page: 59恒带宽滤波器 定义：指滤波器组中各滤波器的绝对带宽为常 数。恒带宽滤波器在所有频段都具有同样良好 的频率分辨力。 注意 恒带宽滤波器不宜做成固定中心频率的。 一般利用一个定带宽的定中心频率的滤波器加上可 变参考频率的差频变换来适应各种不同中心频率的 定带宽滤波的需要。 常见的恒带宽滤波器 相关滤波器 变频跟踪滤波器中心频率都能自动跟 踪参考信号的频率； 恒带宽跟踪滤波器的