四信号的调理

1、2019/6/20,1,第四章 信号的调理和记录 重点掌握内容: 1.直流电桥、交流电桥工作原理 2.信号的幅值调制与解调原理、频率调制与解调原理 3.常用滤波器及其使用方法 4.信号的放大电路及其使用方法 5.测试系统的基本组成,2019/6/20,2,被测量经传感器转换成电信号，需要进行某些调理和处理，以便提高信噪比，并把信号转换成更便于处理、接收和显示的形式，最终转换为仪表示值，或被记录，或输入计算机、控制装置，或供人观察。 本章将讨论信号调理、处理和记录中常用的某些环节，如 1.电桥 2.调制和解调 3.滤波器 4.信号显示和记录,2019/6/20,3,第一节 电桥 电桥是将电阻、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。其输出既可用指示仪表直接测量，也可以送入放大器进行放大。 由于桥式测量电路简单，并具有较高精确度和灵敏度，因此在测量装置中被广泛应用。 按照其激励电压的性质，可分为直流与交流电桥；按照输出方式，可分为不平衡桥式电路与平衡桥式电路。,2019/6/20,4,一、直流电桥 下图是直流电桥的基本形式。电阻R1、R2、R3、R4作为四个桥臂，在a、c两

2、端接入直流电源U0，在b、d两端输出电压Uy。 当电桥输出端后接输入电阻较大的仪表或放大器时，可视为开路，电流输出为零。此时桥路电流为：,a、b之间与a、d之间电位差：,2019/6/20,5,输出电压：,由此可以看出，若要使电桥平衡，输出为零，应满足：,若电桥中任一电阻产生变化,则输出电压也产生相应的变化.,2019/6/20,6,在测试技术中，一般根据工作中电阻值参与变化的桥臂数可分为半桥式与全桥式联接，如下图所示。,若 R1R2R3R4 R0,a),b),c),2019/6/20,7,（1）半桥单臂接法 输出电压 为了简化设计，取相邻两桥臂电阻相等， 即 若 ，则输出电压 因 ，所以,灵敏度,2019/6/20,8,（2）半桥双臂接法 输出 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。,2019/6/20,9,（3）全桥接法 输出 灵敏度,2019/6/20,10,电桥的和差特性(差动特性) 1.若相邻两桥臂同相变化,输出电压相互抵消; 2.若相邻两桥臂反相变化,输出电压相互叠加. 实际应用中,利用和差特性可以完成差动感测输入变化量;也可以作为温度补偿

3、应用. 电桥的零位平衡 差动串联平衡 差动并联平衡,2019/6/20,11,二、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。因此，除了电阻外还包含电抗。如果阻抗、电流及电压都用复数表示，则关于直流电桥的平衡关系式在交流电桥中也可适用，即电桥达到平衡时必须满足,把各阻抗用指数式表示并代入上式：,若此式成立，必须同时满足下列两等式：,2019/6/20,12,纯电阻时电流与电压同相位， 0；电感性阻抗，0；电容性阻抗， 0。 交流电桥平衡必须满足两个条件，即相对两臂阻抗之模的乘积应相等，并且它们的阻抗角之和也必须相等。 下图是一种常用电容电桥：,根据平衡条件，上式的实数和虚数部分分别相等，则平衡条件：,2019/6/20,13,图4-5 电感电桥,电阻交流电桥的分布电容,右图是一种常用电感电桥，电桥平衡条件应为：,对于纯电阻交流电桥，即使各桥臂均为电阻，但由于导线间存在分布电容，相当于在各桥臂上并联了一个电容。为此，除了有电阻平衡外，还须有电容平衡。,2019/6/20,14,带有电阻、电容平衡的交流电阻电桥,图示一种用于动态应变仪中的具有电阻、电容平衡的纯电阻

4、电桥。电容C2是一个差动可变电容器，当扭动电容平衡旋钮时，电容器左右两部分的电容，其一增加，另一则减少，使并联到相邻两臂的电容值改变，以实现电容平衡。,2019/6/20,15,在一般情况下，交流电桥的供桥电源必须具有良好的电压波形与频率稳定度。如电源电压波形畸变（即包含了高次谐波），对基波而言，电桥达到平衡，而对高次谐波，电桥不一定能平衡，因而将有高次谐波的电压输出。 一般采用音频交流电源（510）kHz作为电桥电源。这样，电桥输出将为调制波，外界工频干扰不易从线路中引入，并且后接交流放大电路简单而无零漂。,2019/6/20,16,三、带感应耦合臂的电桥 图a是用于电感比较仪中的电桥，感应耦合的绕组W1、W2与阻抗Z3、Z4构成电桥的四个臂。平衡时，指零仪G指零。 图b所示电桥平衡时，绕组W1、W2 的激磁效应互相抵消，铁心中无磁通，所以指零仪G指零。,2019/6/20,17,第二节 调制与解调,一些被测量，如力、位移等，经过传感器变换以后，常常是一些缓变的电信号。从放大处理来看，这类信号除用直流放大外，目前较常用的还是先调制而后用交流放大。 调制就是利用低频信号来控制或改变高频

5、振荡的某个参数(幅值,频率,相位)的过程。 最终从已调制波中恢复出调制信号的过程，称为解调。 根据载波受调制的参数的不同，调制可分为调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）。使载波的幅值、频率或相位随调制信号而变化的过程分别称为调幅、调频或调相。,2019/6/20,18,一、调幅及其解调 （一）原理 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。现以频率为f0的余弦信号作为载波进行讨论。,由傅里叶变换的性质知：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,2019/6/20,19,一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。 所以，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 f0处，其幅值减半，如图所示。,2019/6/20,20,图4-10调幅过程 a）时域b）频域,2019/6/20,21,(二)调幅信号的解调方法 (1)同步解调 若把调幅波再次与原载波信号相乘，则频域图形将再一次进

6、行“搬移”，。若用一个低通滤波器滤去中心频率为幼的高频成分，那么将可以复现原信号的频谱（只是其幅值减小为一半，这可用放大处理来补偿），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。在时域分析中也可看到：,低通滤波器将频率为2f0的高频信号滤去，则得到：,2019/6/20,22,同步解调,2019/6/20,23,由此可见，调幅的目的是使缓变信号便于放大和传输。解调的目的则是为了恢复原信号。广播电台把声音信号调制到某一频段，既便于放大和传送，也可避免各电台之间的干扰。在测试工作中，也常用调制一解调技术使在一根导线中传输多路信号。 从调幅原理看，载波频率f0必须高于原信号中的最高频率fm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(2 fm)相对中心频率（载波频率f0）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。现在已有性能良好的线性乘法器组件。霍尔元件也是一种乘法器，电桥在本质上也是一个乘法装置，若以高频振荡电源供给电桥，则输出(uy)为调幅波。,2019

7、/6/20,24,（2）包络检波(整流检波) 为了解调可以使调幅波和载波相乘，乘后通过低通滤波。但这样做需要性能良好的线性乘法器件。 若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xm(t)简单地整流（半波或全波整流）、滤波就可以恢复原调制信号。如果原调制信号中有直流分量、则在整流以后应准确地减去所加的偏置电压。,2019/6/20,25,若所加的偏置电压未能使信号电压都在零线的一侧，则对调幅波只是简单地整流就不能恢复原调制信号，如图4-12b所示。相敏检波技术就是为了解决这一问题。,2019/6/20,26,采用相敏检波时，对原信号可不必再加偏置。 这种相敏检波是利用二极管的单向导通作用将电路输出极性换向。,(3)相敏检波技术,2019/6/20,27,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,2019/6/20,28,动态电阻应变仪可作为电桥调幅与相敏检波的典型实例

8、。电桥由振荡器供给等幅高频振荡电压（一般频率为10kHz或15kH）。被测量（应变）通过电阻应变片调制电桥输出。电桥输出为调幅波，经过放大，最后经相敏检波与低通滤波取出所测信号。,2019/6/20,29,二、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比。当信号电压为零时，调频波的频率就等于中心频率；信号电压为正值时频率提高，负值时则降低。所以调频波是随信号而变化的疏密不等的等幅波。调频波的瞬时频率可表示为,f0载波频率，或称为中心频率； f 频率偏移，与调制信号x(t)的幅值成正比。,2019/6/20,30,2019/6/20,31,（一）直接调频测量电路 在前一章对电容、涡流、电感传感器的讨论中曾提到一种测量电路方案：在被测量小范围变化时，电容（或电感）的变化也有与之对应的、接近线性的变化。倘若把该电容（或电感）作为自激振荡器的谐振回路中的一个调谐参数，那么电路的谐振频率将是,在电容传感器中以电容作为调谐参数，对上式进行微分，可得：,2019/6/20,32,因此，回路的振荡频率将和调谐参数的变化呈线性

9、关系，也就是说，在小范围内，它和被测量的变化有线性关系。 这种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。,在f0附近有 C C0，故：,2019/6/20,33,（二）压控振荡器 利用压控振荡器是一种常用的调频方案。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。下图是一种压控振荡器原理图。A1是一个正反馈放大器，其输出电压受稳压管Vw箝制，或为+uw或为-uw。M是乘法器，A2是积分器。压控振荡电路有多种形式，现在已有集成化的压控振荡器芯片出售。,2019/6/20,34,（三）变压器耦合的谐振回路鉴频法 调频波的解调又称为鉴频，是将频率变化恢复成调制信号电压幅值变化的过程。实现鉴频过程的方案很多，下图是一种采用变压器耦合的谐振回路鉴频方法，也是测试仪器常用的鉴频法。,2019/6/20,35,随着测量参量的变化，幅值|ua|随调频波频率而近似线性变化，调频波uf的频率却和测量参量保持近似线性的关系。因此，把ua进行幅值检波就能获得测量参量变化的信息，且保持近似线性的关系。调幅、调频技术不仅在一般检测仪表中应用，而且是工程遥测技术的重要内容。工程遥测是对被测量的远距离测量，以现代通信方式（有线或无线通信、光通信）实现信号的发送和接收。,2019/6/20,36,第三节 滤波器,滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种筛选作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。,2019/6/20,37,一、滤波器分类 根据滤波器的选频作用，一般将滤波器分为四类，即低通、高通、带通和带阻滤波器。,2019/6/20,38,低通,高通,2019/6/20,39,带通,带阻,2019/6/20,40,（l）低通滤波器 从0f2频率之间为其通频带，幅频特性平直。它可以使信号中低于f2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 与低通滤波器相反，从频率f1为其通频带，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

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