信号调理与记录.ppt

第4章信号的调理与记录 传感器输出的电信号大多数不能直接输送到显示 记录或分析仪器中去 需要经过适当的调理 使之转换为便于处理 接收和显示的形式 信号调理与记录中常用环节 电桥 调制与解调 放大器 滤波器 记录器等 第一节电桥 电桥将电阻 电容 电感等参数的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路 其转换的实质是一种信息的传递 即通过电参量来控制工作电压的幅度变化 从而将电参量变化的信息加到输出电压信号上 其能量由工作电源提供 电桥电路简单可靠 具有很高的精度和灵敏度被广泛的用作仪器测量电路 电桥 按其所使用的激励电源类型 直流电桥 交流电桥 按其工作原理 平衡电桥 不平衡电桥 按桥臂接入的阻抗元件不同 电阻电桥 电容电桥 电感电桥 一 直流电桥 图4 1直流电桥的基本结构形式 当输入端后接输入阻抗较大的仪表或放大电路时 可视为开路 其输出电流为零 此时有 a与b之间和a与d之间的电位差分别为 由此可得输出电压 4 4 4 3 4 2 4 1 由式 4 4 可知 若要使输出为零 亦即当电桥平衡时 则应有 4 5 讨论 式4 5为直流电桥平衡条件 若电桥中任一个或数个电阻发生变化 电桥输出电压变化 测量电桥就是基于上述原理工作 图4 2直流电桥的连接方式a 半桥单臂b 半桥双臂c 全桥 电桥连接形式 半桥单臂 半桥双臂和全桥连接 1 半桥单臂连接形式 工作时仅有一个桥臂电阻值随被测量而变化 设该电阻为R1 变化量为 R 则由式 4 1 可得 设相邻桥臂的阻值相等 亦即 R1 R2 R0 R3 R4 R0 又若R0 R0 则若 R R0 则 4 6 2 半桥双臂连接形式 工作时有两个桥臂电阻值随被测量而变化 即 R1 R1 R2 R2 则由式 4 4 可证明 当R1 R2 R0 R1 R2 R R3 R4 R0 则电桥输出 4 7 3 全桥连接法 四个桥臂的阻值均随被测量而变化 即 当R1 R2 R3 R4 R0 且 R1 R2 R3 R4 R 输出为 结论 式 4 6 4 7 4 8 表明 电桥的输出电压与激励电压成正比 但比例系数不同 4 8 直流电桥的和差特性 和差特性内容 相邻两桥臂电阻同向变化 所产生的输出电压的变化将相互抵消 相邻两桥臂电阻反向变化 所产生的输出电压的变化将相互迭加 和差特性应用实例 悬臂梁作敏感元件测力 为提高灵敏度 常在梁的上 下表面各贴一片应变片 并将上述两应变片接入电桥的相邻两桥臂 直流电桥的零位测量法 上述电桥是在不平衡条件下工作的 它的缺点是当电源电压不稳定 或者环境温度有变化时 都会引起电桥输出的变化 从而产生测量误差 为此 在某些情况下采用平衡电桥如图所示 由于平衡电桥最终的输出为零 因此测量误差取决于可调电位器的精确度 而与电桥电源电压无关 直流电桥适合于静态量的测量 二 交流电桥与直流电桥的不同点 激励电源为交流电源 桥臂可以是电阻 电感或电容 电桥平衡分析 式中 zi 各桥臂的复数阻抗 zi Z0iej i 代入上式得交流电桥平衡条件 阻抗角表示桥臂电流与电压之间的相位差 当桥臂为纯电阻时 0 若为电感性阻抗时 0 若为电容性阻抗时 0 桥臂结构可采取不同的组合方式 以满足相对桥臂阻抗角之和相等这一条件 如电容电桥和电感电桥 交流电桥平衡条件 1 两对桥臂模的乘积相等 2 阻抗角的和相等 1 电容电桥 2 电感电桥 3 交流电阻电桥 影响交流电桥测量精度的因素 电桥各元件之间的互感耦合 泄漏电阻以及元件间 元件对地之间的分布电容 邻近交流电路对电桥的感应影响 交流电桥的激励电源要求其电压波形和频率必须具有很好的稳定性 一般采用音频交流电源 5 10kHz 作为电桥电源 电桥输出将为调制波 后接交流放大电路简单而无零漂 并且解调电路和滤波电路容易去除干扰而获得有用信号 第二节调制与解调 调制 是使一个信号的某些参数在另一信号的控制下而发生变化的过程 或指利用某种低频信号来控制或改变某一高频信号的某个参数 幅值 频率或相位 的过程 解释 高频振荡信号称为载波 控制高频振荡的低频信号为调制信号 调制后的高频振荡信号为已调制信号 便于放大和传输 直流放大会出现零漂和极间耦合 调制分类 当被控制的量是高频振荡信号的幅值时 称为调幅 AM 已调制信号为调幅波 当被控制的量为高频振荡信号的频率时 称为调频 FM 已调制信号为调频波 当被控制的量为高频振荡信号的相位时 称为调相 PM 已调制信号为调相波 解调 则是从已调制波信号中恢复出原有低频调制信号的过程 调制与解调的应用 应用分析 传感器输出的低频微弱信号需要放大 直流放大 存在零漂和级间耦合 容易失真 交流放大 抗零漂 故一般先将低频信号调制为高频信号 再交流放大 最后解调 应用实例 差动变压器式位移传感器 交流电桥等 一 调幅及其解调 1 调幅原理 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 现以频率为的余弦信号作为载波进行讨论 f0 余弦函数的频域图形是一对脉冲谱线 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 即 图4 9调幅过程a 时域b 频域 小结 调幅的过程在频域上就相当于一个移频的过程 载波频率f0必须高于信号中的最高频率fmax 才不会出现混叠现象 实际应用中 载波频率至少在调制信号上限频率的十倍以上 注意 调幅波是否可以看作是载波与调制信号的迭加 不可以 因为调幅波是载波幅值随调制信号大小成正比变化 只有相乘才能实现 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 2 调幅信号的解调方法 1 同步解调基本原理 将调幅波再经一乘法器与原载波信号相乘 则调幅波的频谱在频域上将再次被进行移频 由于载波信号的频率仍为f0 因此 再次移频的结果是使原信号的频谱图形出现在0和的2f0频率处 由于在解调过程中所乘的信号与调制时的载波信号具有相同的频率与相位 因此这一解调的方法称为同步解调 时域分析上有 解调 检波 从已调信号中检出调制信号的过程 低通滤波器将频率为2f0的高频信号滤去 得到 2 整流检波和相敏检波 整流检波 包络检波 幅值调制就是让已调信号的幅值随调制信号的值变化 因此调幅信号的包络线形状与调制信号一致 只要能检出调幅信号的包络线即能实现解调 这种方法称为整流检波或包络检波 若调制信号是交流信号 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 若所加的偏置电压未能使信号电压都在零线的一侧 则对调幅波只进行简单地整流就不能恢复原调制信号 应用相敏检波技术就能解决这一问题 图4 10调制信号加偏置的调幅波a 偏置电压足够大b 偏置电压不够大 相敏检波为了使信号具有判别信号相位和选频的能力 需采用相敏检波电路 实现正确的解调必须要求参考信号的幅值远大于调幅信号的幅值 使开关器件的通断完全由参考信号决定 其中x t 为原信号 y t 为载波 xm t 为调幅波 电路设计使变压器B二次边的输出电压大于A二次边的输出电压 即满足参考信号的幅值大于调幅信号的幅值 若原信号x t 为正 调幅波xm t 与载波y t 同相 如图中0 a段所示 当载波电压为正时 VD1 VD2导通 且V23 V12 i23 i12 电流的流向是5 2 VD2 3 d 地 负载 c 5 当载波电压为负时 变压器A和B的极性同时改变 VD3 VD4导通 且V41 V34 i41 i34 电流的流向是5 4 VD4 1 d 地 负载 c 5 也就是 当原信号为正时 相敏检波电路的输出为负 与原信号反相 若原信号x t 为负 调幅波xm t 与载波y t 异相 如图中a b段所示 当载波为正时 变压器B的极性如图中所示 变压器A的极性却与图中相反 这时VD1 VD2导通 且V23 V12 i23 i12 电流的流向是d 1 VD1 2 5 c 负载 地 d 当载波电压为负时 VD3 VD4导通 且V41 V34 i41 i34 电流的流向是d 3 VD3 4 5 c 负载 地 d 也就是 当原信号为负时 相敏检波电路的输出为正 也与原信号反相 图4 11相敏检波 正1 5 2 VD2 3 d 地 负载 c 5 2 5 4 VD4 1 d 地 负载 c 5 负1 d 1 VD1 2 5 c 负载 地 d 2 d 3 VD3 4 5 c 负载 地 d 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 在0 a段把xm t 的零线上的正部翻下来 而在a b段的负部翻上去 信号uf是经过反转后的相敏检波的输出 经过电容C Rf组成的低通滤波器后 输出的信号uc能够反应调制信号的波形 经过适当放大倍数的反相放大器 能够完全复现调制信号 动态电阻应变仪为电桥调幅与相敏检波的典型实例 振荡器输出等幅高频振荡电压 一般频率为10kHz或15kHz 一方面振荡器为电桥提供电源 调制信号通过电桥调制振荡器输出的高频信号 并输出调幅波 另一方面 为相敏检波电路提供参考信号 调幅波经过放大 最后经相敏检波与低通滤波获得所测信号 二 调频及其解调 1 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 常用的调频方法 1 直接调频法 被测参数的变化直接引起传感器输出信号频率的改变 振弦式传感器 2 参数调频法 首先将被测参数的变化转换为传感器的L R或C的变化 将传感器线圈 电容或电阻接在一定振荡回路中 这样被测参数变化就会引起振荡器振荡频率的变化 输出调频信号 3 电压调频法 利用电压变化来控制振荡频率的变化 压控振荡器是一种常用的调频方法 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 压控振荡器 输出瞬时频率与输入控制电压值成线性关系 由原理图知 A1是一个正反馈放大器 其输出电压受稳压管Vw牵制 或 Vw或 Vw M是乘法器 A2是积分器 假设开始时A1输出处于 Vw 乘法器输出uz是正电压 A2的输出端电压将线性下降 当降到比 Vw更低时 A1翻转 其输出将为 Vw 同时乘法器的输出 A2的输入也随之变为负电压 其结果是A2的输出将线性上升 当A2输出到达 Vw A1又将翻转 输出 Vw 故在常值正电压ux下 振荡器的A2输出频率一定的三角波 A1则输出同一频率的方波uy 乘法器M的一个输入端uy幅度为定值 改变另一个输入值ux就可以线性地改变其输出uz 因此积分器A2的输入电压也随之改变 这将导致积分器由 Vw充电至 Vw 或由 Vw放电至 Vw 所需时间的变化 所以振荡器的振荡频率将和电压ux成正比 改变ux值就达到控制振荡频率的目的 2 鉴频电路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 常用的鉴频方法有采用变压器耦合的失谐回路鉴频方法 也称斜率鉴频 是测试仪器常用的鉴频方法 L1 L2是一次 二次边线圈 和C1 C2组成并联谐振回路 调频波经过C1 L1耦合 加于C2 L2的谐振回路上 将等幅调频波uf频率输入为谐振频率fn时 线圈L1 L2中的耦合电流最大 二次边输出电压ua也最大 uf频率离开fn ua也随之下降 ua的频率和uf保持一致 但幅值ua却是变化 幅值和频率关系见图 利用特性曲线的亚谐振区近似直线的一段实现频率 电压变换 被测量 如位移 为零时 f0为对应特性曲线上升部分的中点 将ua经由VD R C组成的包络检波电路 即可得到与被测信号x t 成比例的输出电压uc 鉴频电路缺点是线性范围较窄 可以采用双失谐回路鉴频器 二个谐振器回路的f01和f02分别比载波频率fc高和低 随着us频率的变化 回路1的输出us1 与回路2的输出us2 分别如图d 和e 所示 回路l的输出灵敏度 单位频率变化而引起的输出幅值变化 随着频率升高而上升 回路2的输出灵敏度随着频率升高而下降 总输出为二者绝对值之和 线性得到改善 灵敏度提高一倍 信号放大是为了将微弱的传感器信号 放大到足以进行各种转换处理 或推动指示器 记录器以及各种控制机构 为保证测量精度 要求放大电路具有如下 足够的放大倍数 高输入阻抗 低输出阻抗 高共模抑制能力 低温漂 低噪声 低失调电压和电流 说明 集成运算放大器具备上述特点 第三节信号的放大与衰减 一 基本放大器反相放大器 a 同相放大器 b 基本差动放大器 c 三种基本放大电路的基本形式 反相放大电路性能稳定 但输入阻抗比较低 容易对传感器形成负载效应 同相放大电路输入阻抗高 但易受干扰和精度低 差动放大电路把两个输入信号分别输入到运算放大器的同相和反相输入端 然后在输出端取出两个信号的差模成分 抑制两个信号的共模成分的电路 结构简单 但输入阻抗较低 增益调节困难 使其应用受到很大限制 运算放大器不论是作为同相放大器还是反相放大器 电路都是采用电压负反馈的形式 电路的闭环输出阻抗都非常小 二 仪器放大器典型的仪器放大电路由三个集成运放构成的 如图所示 两个输入端分别是两个集成运放 的同相输入端 因此输入电阻很高 构成差分放大电路 两边电阻对称 可以消除上述远距离测量时的共模干扰 同时当 输出端上产生的漂移电压对称时 在 输出V 中也被消除 因此该电路有很高的共模抑制能力和较低的输出漂移电压 仪器放大器 仪用放大器 为提高电路的抗共模干扰能力和抑制漂移的影响 应使电路上下对称 即取R1 R2 R4 R6 R5 R7 若A1 A2 A3都是理想运放 则V1 V4 V2 V5 故有 4 23 4 24 该电路输出电压与差动输入电压之间的关系可以下式表示 若取Rl R2 R4 R6 R5 R7 10K 即可以构成一个Af 201倍的高输入阻抗 高共模抑制比的放大器 世界许多公司都有自己的集成仪器放大器 如美国AD公司生产的AD612和AD614 美国BB公司推出的INA114等 都是根据仪器放大器原理设计的三运放结构单片集成电路 其它型号的仪器放大器 虽然电路有所区别 但基本性能是一致的 如AD521 AD522等 世界许多公司都推出了自己的集成仪器放大器 如美国AD公司生产的AD612和AD614 美国BB公司推出的INA114等 它们都是根据仪器放大器原理设计的三运放结构单片集成电路 其它型号的仪器放大器 虽然电路有所区别 但基本性能是一致的 如AD521 AD522等 电桥与AD612组成的放大电路 AD612集成测量放大器 具有高精度 高速度 三 可编程增益放大器多回路检测系统 输入信号变化范围不同 要提供多量程放大器 利用计算机编程改变增益的放大器为可编程增益放大器 可编程增益放大器为可编程增益的反相放大器 包括 电阻网络 模拟开关 译码器和仪器放大器 也可不用译码器 由计算机I O口控制y1 y2 y3 y4 得到24个不同增益 y1 Uo A 80k 40k 10k 20k S4 S3 S2 S1 Ui y3 y4 y2 x1 x2 Rf 译码器 一 概述信号分析 被测信号一般由多个频率分量组成 检测中得到的信号除包含有效信息外 还含有噪声和不希望的成分 会导致真实信号的畸变和失真 需要有一种电路能选出有用的频率信号 抑制掉无用的与信号频率不同的噪声 滤波 让被测信号中的有效成分通过而将其中不需要的成分抑制或衰减掉的一种过程 滤波器 能实施滤波功能的装置 第四节滤波器 滤波器分类 1 根据其选频作用 可分为四类 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器 四类滤波器的幅频特性 a 低通 b 高通 c 带通 d 带阻 二 滤波器性能分析1 模型理想低通滤波器 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 其通带和阻带之间有明显的分界线 即具有矩形幅频特性和线性相频特性 理想低通滤波器的幅 相频特性 由频率特性可知 该滤波器函数在时域内的脉冲响应函数h t 为函数 图形4 25所示 脉冲响应的波形沿横坐标左 右无限延伸 在t 0时刻 单位脉冲输入滤波器之前 即在t 0时 滤波器就已经有响应了 显然 这是非因果关系 是不能实现的 这说明在截止频率处呈现直角锐变的幅频特性 或者在频域内用矩形窗函数描述的理想滤波器是不可能存在的 实际滤波器的频域图形不会在某个频率上完全截止 而会逐渐衰减并延伸到 4 25理想低通滤波器的频率响应 2 滤波器参数理想滤波器只需规定截止频率即可说明其特性 而实际滤波器的特性曲线无明显转折点 通带中幅频特性也非常数 需更多参数描述其性能 主要参数包括 纹波幅度 截止频率 带宽 品质因数 倍频程选择性 滤波器因数 图4 24理想和实际的带通滤波器的幅频特性 截止频率 幅频特性值等于所对应的频率点 纹波幅度 通带中幅频特性值的起伏变化值 带宽B 上下两截止频率之间的频率范围B c2 c1 又称 3dB带宽 品质因子 Q值 对于一个带通滤波器 其品质因子Q则定义为中心频率 0与带宽B之比 即Q 0 B 倍频程选择性 上截止频率 c2与2 c2之间或下截止频率 c1与 c1 2间幅频特性的衰减值 即频率变化一个倍频程的衰减量 以dB表示 倍频程选择性表征过渡带的幅频曲线倾斜的程度 即幅频特性衰减的快慢 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 即对理想滤波器有 1 对普通使用的滤波器 一般为 1 5 3 可实现的典型滤波网络函数 实际可实现滤波器的传递函数的一般表达式为 4 29 式中 a b为电路结构和元件参数值决定的实常数 S j 为保证线性网络的稳定性 分母中的各系数均应为正 且要求m n n为滤波器的阶 反映了滤波器的复杂程度 滤波器的幅频特性逼进理想频率特性的程度取决于传递函数的阶数n 二阶滤波器传递函数的形式 为了使其具有更明显的物理意义 令 4 30 4 31 为阻尼系数 为固有频率 当系数bk取不同的值时 可以得到不同特性的滤波器 1 低通滤波器 b0 b1 0 b2 k0 02 2 高通滤波器 b0 k0 b1 b2 0 3 带通滤波器 b0 b2 0 b2 4 带阻滤波器 b0 k0 b1 0 b2 k0 02 二 实际滤波电路 1 RC无源滤波器 RC低通滤波器 电路时间常数 RC 滤波器为一阶系统 RC高通滤波器 时间常数 RC 频率响应函数和幅频特性分别为 RC带通滤波器将两者串联起来 两个环节之间串入具有高输入阻抗的放大器进行隔离 RC带阻滤波器 将两者并联起来 2 RC有源滤波器由阻容元件组成的无源滤波器 具有线路简单 体积小 成本低 但它们都是低阶系统 由于过渡带衰减缓慢 选择性差 RC有源滤波器用RC无源网络和运算放大器等有源器件结合在一起构成的 其特点 1 可以放大信号 2 具有高输入阻抗的运算放大器可以进行级间隔离 消除或减小负载效应的影响 有源滤波器可以多级串联组成高阶滤波器 明显地提高了滤波器的选择性 a 低通b 高通c 带通 3 开关电容滤波器 开关电容等效于电阻的原理如图4 34所示 图4 34a电容C通过开关Q交替接通A B两端 接通A时 电容C上储存电荷为 当Q接通B时则通过负载放电而形成电压 这时电容C中储存电荷为 在一个开关周期T内通过电容C由A传送到B的电荷量为 其平均电流量I 例题 已知某RC低通滤波器 R 1k C 1 F 1 确定各函数式H s H A 2 当输入信号ui 10sin1000t时 求输出信号uo 并比较其幅值及相位关系 解 第五节信号的显示与记录 信号显示的作用是显示信号的特征量 如幅值 频率 相位角 峰峰值 信号的波形 以及复杂信号的特定输出状态的显示等 其特点是输出信号直观 并能充分反映测试与检测信号的实时性 记录仪器是用于记录反映被测信号变化过程的输出设备 可以将被测信号记录存储起来 供人或仪器做进一步处理和分析 一 信号的显示 1 LED显示 发光二极管 LED数码显示器件分别有7段 8 字形数码管 米 字形数码管 数码点阵 数码条柱等类型 7段LED显示器的段排列结构如图4 37 a 所示 图4 37 b 给出共阴极7段LED显示电路 所有发光二极管的公共阴极接地 当某个字段的阳极为高电平时 相应字段就被点亮 若阳极为低电平 则该字段不亮 图4 37 c 给出共阳极7段LED显示电路 所有发光二极管的公共阳极接 5v 当某个字段的阴极为低电平时 相应字段就点亮 图4 377段LED显示器 2 LCD显示 液晶显示器 液晶层能使光线发生扭转 LCD的基本结构及显示原理如图所示 由于液晶的四壁效应 在定向膜的作用下 液晶分子在正 背玻璃电极上呈水平排列 但排列方向互为正交 而玻璃间的分子呈连续扭转过渡 这样的构造能使液晶对光产生旋光作用 使光的偏振方向旋转90 当外部光线通过上偏振片后形成偏振光 偏振方向成垂直方向 当此偏振光通过液晶材料之后被旋转90 偏振方向成水平方向 此方向与下偏振片的偏振方向一致 因此 此光线能完全穿过下偏振片而到达反射板 经反射后沿原路返回 从而呈现出透明状态 当在液晶盒的上下电极加上一定的电压后 电极部分的液晶分子转成垂直排列 从而失去放光性 因此 从上偏振片入射的偏振光不被旋转 当此偏振光到达下偏振片时