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1、河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院第五章第五章 信号的调理与记录信号的调理与记录本章学习要求：本章学习要求：1.1.掌握电桥工作原理掌握电桥工作原理 2.2.掌握信号调制解调原理掌握信号调制解调原理 3.3.掌握信号滤波器工作原理掌握信号滤波器工作原理4.4.了解信号放大、显示和记录了解信号放大、显示和记录河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院便于信号的传输与处理便于信号的传输与处理信号调理的目的：信号调理的目的： 第五章第五章 信号调理电路信号调理电路意义：意义：1.1.有有些些传传感感器器输输出出的的是是电电参参量量，需需要要转转换换成成电电信信号才能进行处理。号才能进行处理。2.
2、2.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对某些场合，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。传感器测量信号进行调制解调处理。 3.3.传传感感器器输输出出的的信信号号很很微微弱弱，大大多多数数不不能能直直接接输输送送到到显显示示、记记录录或或分分析析仪仪器器中中去去，需需要要进进一一步步放放大，有的还要进行阻抗变换。大，有的还要进行阻抗变换。4.4.有有些些传传感感器器输输出出的的信信号号中中混混杂杂有有干干扰扰噪噪声声，需需要去掉噪声，提高信噪比。要去掉噪声，提高信噪比。 河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院5.1 5.1 电电 桥桥 电桥是一个四端网络，网络中的
3、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。河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院电桥的分类电桥的分类l按照工作电源性质可分为：直流电桥和交流电桥 l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。 河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院l按照输出测量方式不同可分为：平衡电桥和不平衡电桥。 平衡电桥平衡电桥 不平衡电桥不平衡电桥河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院平衡条件平衡条件一一. .直流电桥直流电桥 1 1、直流电桥平衡
4、直流电桥平衡两相对桥臂电阻值的乘积相等。两相对桥臂电阻值的乘积相等。河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院2. 2. 电桥的和差特性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 fm)。从从时域上域上：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y（t）相同。载波频率载波频率f0称为调幅波的中心频率，称为调幅波的中心频率， f0+fm 称为上旁频带，称为上旁频带，f0-fm 称为下旁频带。称为下旁频带。 调幅过程河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院b) b) 混叠：调幅波是最高频率为混叠：调幅波是最高频率为fma
5、x的双边带信号组的双边带信号组成当载波频率成当载波频率f0较低时，正频端的下边带将与负较低时，正频端的下边带将与负频端的下边带相重叠要求频端的下边带相重叠要求: : f0fmax 河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院2 2、解调、解调u同步解调同步解调 把调幅波再次与原载波把调幅波再次与原载波信号相乘，则频域图形将再一信号相乘，则频域图形将再一次进行次进行“搬移搬移” 。 当用一低通滤波器滤去频当用一低通滤波器滤去频率大于率大于f fm m的成分时，则可以复的成分时，则可以复现原信号的频谱。与原频谱的现原信号的频谱。与原频谱的区别在于幅值为原来的一半，区别在于幅值为原来的一半，这可以通过放
6、大来补偿。这可以通过放大来补偿。 这一过程称为同步解调，这一过程称为同步解调，同步同步是指解调时所乘的信号与是指解调时所乘的信号与调制时的载波信号具有调制时的载波信号具有相同的相同的频率和相位频率和相位。 河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院u包络检波包络检波 若对信号若对信号x(t)x(t)进行偏置，叠加一个直流分量进行偏置，叠加一个直流分量A A，使偏置后的信号都具有正电压。，使偏置后的信号都具有正电压。 河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院解调解调二极管检波二极管检波低通滤波低通滤波河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院调幅过程中失真调幅过程中失真a a）偏置电压过小引起失真：
7、要求其直流偏置必）偏置电压过小引起失真：要求其直流偏置必须足够大，否则须足够大，否则x(t)x(t)的相位将发生的相位将发生180180跳变。跳变。河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院u相敏检波相敏检波 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）也相应的产生波的相位（与载波相比）也相应的产生180180的相位跳变的相位跳变。 图相敏检波河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院动态电阻应变仪方框图动态电阻应变仪方框图 河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院二、调频与解调二、调频与解调1 1、概概念念：调调频频是是利
8、利用用调调制制信信号号的的幅幅值值控控制制高高频频载载波波信信号号频频率率变变化化的的过过程程。或或者者说说，调调频频波波是是一一种种随随调调制制信信号号的的幅幅值而变化的疏密度不同的等幅波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,而与调制信号的频率无关。（基本特征）河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院测量过程中，电容测量过程中，电容C C0 0变化量为变化量为C C，此时回路的振荡频率变为此时回路的振荡频率变为：2.频率调制方法频率调制方法u 直接调频测量电路直接调频测量电路 （调谐
9、振荡器）（调谐振荡器）LCLC振荡电路振荡频率振荡电路振荡频率 电抗元件被测量的变化直接转化成震荡频率变化河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院3.3.调频波的解调（鉴频）调频波的解调（鉴频）变压器耦合的谐振回路法变压器耦合的谐振回路法feaeaf0ttfne ef f为输入的调频信号，在回路的谐振频率为输入的调频信号，在回路的谐振频率f fn n处，线圈处，线圈L L1 1,L,L2 2的耦合电流最大，的耦合电流最大，副边输出电压副边输出电压e ea a也最大；也最大；e ef f频率离频率离f fn n越远，线圈越远，线圈L L1 1,L,L2 2的耦合电流越小，副边的耦合电流越小，副边
10、输出电压输出电压e ea a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。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。 ect鉴频器：鉴频器：频率的变频率的变化转化成化转化成电压的变电压的变化。化。河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院优点：抗干扰能力强。优点：抗干扰能力强。 调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的所要求带宽的2020倍；调频系统较之调幅系统复倍；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率调制是一种非线性调制。杂，因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因为调频信号所携带的信息包含在频率
11、变化之中，并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主之中，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要表现在振幅之中 缺点：占频带宽度大，复杂缺点：占频带宽度大，复杂河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院4.3 4.3 信号的滤波信号的滤波 一、概述一、概述 滤波器是一种选频装置，可以使信号中有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。效成分通过，而极大地衰减其他频率成分。一、滤波器分类一、滤波器分类1.根据滤波器的选频作用分根据滤波器的选频作用分 低通滤波器 高通滤波器带通滤波器带阻滤波器河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院 低通低通高通高通河北科技
12、大学机械学院河北科技大学机械学院带通带通带阻带阻河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院滤波器分类滤波器分类根据构成滤波器元件类型分类 RC滤波器、LC滤波器 晶体谐振滤波器根据构成滤波器电路性质分类 有源滤波器、无源滤波器根据滤波器处理的信号性质分类 模拟滤波器、 数字滤波器河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院滤波器的串滤波器的串/ /并联并联 低低通通滤滤波波器器和和高高通通滤滤波波器器是是滤滤波波器器的的两两种种最最基基本本的的形形式式，其其它它的的滤滤波波器器都都可可以以分分解解为为这这两种类型的滤波器。两种类型的滤波器。带阻滤波器带阻滤波器河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院
13、二、滤波器性能分析二、滤波器性能分析1. 1. 理想滤波器理想滤波器 理理想想滤滤波波器器是是指指能能使使通通带带内内信信号号的的幅幅值值和和相相位位都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。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、相频特性理想低通滤波器幅、相频特性河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院理想滤波器的理想滤波器的物理不可实现物理不可实现 理理想想滤滤波波器器在在时时域域内内的的脉脉冲冲响响应应函函数数 h h（t t）为为 sincsinc函函数数。脉脉冲冲响响应应的的波波形形沿沿横横坐坐标标左、右无限延伸。左、右无限延伸。 给理想滤波器一个脉冲激励
14、，在给理想滤波器一个脉冲激励，在t=0t=0时刻单时刻单位脉冲输入滤波器之前，滤波器就已经有响应了。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。故物理不可实现。fcH(f)河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院0ffc1fc2A00.707A0(2)(2)截止频率截止频率fcfc：0.707A0.707A0 0所对应的频率所对应的频率. .(4)(4)品质因数品质因数Q Q：中心频率和带宽之比称为品质因数中心频率和带宽之比称为品质因数 。 BQ=f0 / B(3)(3)带宽带宽B:B:上下两截止频率间的频率范围称为带宽。上下两截止频率间的频率范围称为带宽。2.2.实际滤波器的
15、特征参数实际滤波器的特征参数 (1)(1) 波动幅度波动幅度：通频带中：通频带中幅频特性的起伏变化值。幅频特性的起伏变化值。河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院(5)(5)倍频程选择性倍频程选择性W W 指在上截止频率指在上截止频率f fc2c2与与2f2fc2c2之间或下截止频率之间或下截止频率f fc1c1与与f fc1c12 2之间幅频特性的衰减值，即频率变化一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。个倍频程时的衰减量。 倍频程衰减量以倍频程衰减量以dB/dB/octoct表示（表示（Octave，倍频程）倍频程）。衰减越快（即。衰减越快（即W W值越大），滤波器的选择
16、性越好。值越大），滤波器的选择性越好。(6)(6)滤波器因数滤波器因数（矩形系数）（矩形系数） 滤波器幅频特性的滤波器幅频特性的-60dB-60dB带宽与带宽与-3dB-3dB带宽的比值。带宽的比值。值越小，频率的选择性越好！值越小，频率的选择性越好！河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院三、实际滤波电路三、实际滤波电路 在在测测试试系系统统中中，常常用用RCRC滤滤波波器器。RCRC滤滤波波器器电电路路简简单单，抗抗干干扰扰强强，有有较较好好的的低低频频性性能能，并并且且选选用标准阻容元件用标准阻容元件 。 1) 1) 一阶一阶RCRC低通滤波器低通滤波器 河北科技大学机械学院河北科技大学
17、机械学院截止频率河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院2) 2) 一阶一阶RCRC高通滤波器高通滤波器 截止频率河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院3) RC3) RC带通滤波器带通滤波器 可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联 河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院）有源滤波器）有源滤波器河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院五、滤波器的应用五、滤波器的应用超门限报警超门限报警 实例：实例：旅游索道钢缆检测旅游索道钢缆检测河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院实例：机床轴心轨迹的滤波处理实例：机床轴心轨迹的滤波处理 河北科技大学机械学院河北科
18、技大学机械学院实例：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滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院思考题：思考题： 1 1 信号调理的内容和目的信号调理的内容和目的 ？2 2 信号放大电路的种类，如何根据传感器输出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特性选择合适的放大电路 ？3 3 信号信号调制与解调的种类调制与解调的种类 ？4 4 幅度幅度调制与解调的原理调制与解调的原理 ？5 5 调幅波的失真，如何消除调幅波的失真，如何消除 ？6 6 信号滤波器的种类信号滤波器的
19、种类 ？河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院1.电桥的作用是把电感、电阻、电容的变化转化为 输出的装置。2.在桥式测量电路中，按照 的性质，电桥可分为直流和交流电桥。3.在桥式测量电路中，根据工作时阻抗参与变化的 可将其分为半桥与全桥测量电路。4.调幅是指一个高频的正（余）弦信号与被测信号 ，使高频信号的幅值随被测信号的 而变化。信号调幅波可以看作是载波与调制波的 。河北科技大学机械学院河北科技大学机械学院5.调频波的解调又称为 。6.调频是利用信号电压的 控制一个振荡器，使其输出为等幅波，而 与信号电压成正比。7.常用滤波器的上、下截止频率、的定义为 ，其带宽 ，若为倍频程滤波器与的关系为 。8.RC低通滤波器中RC值愈 ，则上截止频率愈低。
