信号的调理与记录.ppt

,学习目标,1.熟练掌握测量电桥的特性和计算公式；2.了解测量放大器的应用和调制与解调电路的工作原理；3.掌握滤波器的特性参数，能正确选用滤波器；4.了解信号指示记录装置的工作原理。,信号调理的目的是便于信号的传输与处理。,信号调理的目的,信号调理环节有：电桥、放大器、滤波器、调制器与解调器。,传感器与测试技术,-电桥,6.1电桥概念,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。按照激励电压的性质，分为直流和交流电桥；直流电桥采用直流电源，桥臂为电阻交流电桥采用交流电源，桥臂为电阻、电感、电容。按照传输条件：负载阻抗无穷大，电压桥；输出阻抗与内电阻匹配，功率桥或电流桥,电桥（bridge）,在A、C端(输入端，电源端)接入直流电源在B、D端(输出端，测量端)输出电压UBD。常用等臂电桥，即R1R2R3R4，或电源端对称电桥，即R1R2，R3R4。单臂工作；双臂工作；四臂工作。半桥；全桥。,6.1.1直流电桥,桥臂，输入端，输出端。,求UBD=?,电桥的平衡条件,I1,I2,加减特性：相对加相邻减,记,2.应变计串并联组成桥臂,桥臂串联,均等于,(2)桥臂并联,对两边求导数，用增量代替微分并代入应变计阻值，有,采用桥臂串、并联方法并不能增加输出，但是可以在一个桥臂得到加减特性。,5.1电桥,提高电桥输出的措施,增加电桥工作臂数。提高供桥电压。受到应变计额定功率的限制，实用中可选用串联方法增加桥臂阻值以提高供桥电压。在桥臂并联情况下，并联电阻愈多，供桥电源负担愈重，使用中应适可而止。使用不等臂电桥时，采用电源端对称电桥。,6.1电桥,=0.3=200,6.1电桥,3.电桥输出的非线性,半桥单臂，输出电压,实际输出电压,线性化表达式,6.1电桥,双臂工作,若有采用半桥双臂和全桥接法，不仅消除线性误差，而且输出灵敏度也成倍提高。,6.1电桥,6.1.3交流电桥,交流电桥输入电源为交流电源。平衡条件,6.1电桥,可见交流电桥除了要满足电阻平衡条件，还必须满足电容平衡的要求。这些平衡条件是针对供桥电源只有一个频率的情况推出的。因此，交流电桥对供桥电源要求具有良好的电压波形和频率稳定性。实测中，应尽量减少分布电容，利用仪器上的电阻、电容平衡装置调好初始平衡，并避免导线移动、温度变化、吸潮等使桥臂电容变化，以减少零漂及相移。,6.1电桥,习题,1、一等强度梁的上、下表面贴有若干参数相同的应变计，如图所示。梁材料的泊松比为，在力P的作用下，梁的轴向应变为，用静态应变仪测量时，如何组桥方能实现下列读数？；(2)(1+)；(3)4；(4)2(1+)；(5)0；(6)2。,图等强度梁的布片和组桥,传感器与测试技术,-调制与解调,6.2调制与解调,由于传感器输出的电信号一般频率较低，当被测量信号比较弱时，为了实现信号的传输尤其是远距离传输，可以采用直流放大或调制与解调。由于信号传输过程中容易受到工频及其他信号的干扰，若采用直流放大则在传输过程中必须采用有限措施抑制干扰信号的影响。在实际中，往往采用更有效的先调制而后交流放大，将信号从低频区推移到高频区，也可以提高电路的抗干扰能力和信号的信噪比。,调制目的,解决办法,1：将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中2：利用交流放大器进行放大3：从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号,将信号从低频区推移到高频区，可以提高电路的抗干扰能力和信号的信噪比。,6.3调制与解调,调制与解调,调制就是使一个信号的某些参数在另一个信号的控制下而发生变化的过程。前一信号称为载波，后一信号（控制信号）称为调制信号。信号的三要素：幅值、频率和相位根据载波的幅值、频率和相位随调制信号而变化的过程，调制可以分为调幅（AM)、调频(FM)和调相(PM)。其波形分别称为调幅波、调频波和调相波。,6.3调制与解调,图例说明,5.3调制与解调,调幅波,调频波,6.2.1幅值调制与解调,幅值调制的工作原理,设调制信号为，其最高频率成分为，载波信号为，。则有调幅波：,调幅是将一个高频简谐信号（载波信号）与测试信号（调制信号）相乘，使载波信号的幅值随测试信号的变化而变化。,6.3调制与解调,则,而,原信号频谱图形由原点平移至载波频率处，其幅值减半，调幅过程就相当于频率“搬移”过程,由傅里叶变换的卷积性质,幅值调制的工作原理,6.3调制与解调,?,?,调幅过程时频域图形,6.3调制与解调,为了减小放大电路可能引起的失真，信号的频宽（2fm）相对于中心频率（载波频率）应越小越好，实际载波频率(f0)常大于调制信号频率(fm)数倍甚至数十倍。调幅的目的是为了便于缓变信号的放大和传送，而解调的目的是为了恢复被调制的信号。如在电话电缆、有线电视电缆中，由于不同的信号被调制到不同的频段，因此，在一根导线中可以传输多路信号。,幅值调制的说明,6.3调制与解调,幅值调制信号的解调,将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”用一低通滤波器滤去频率大于fm的成分，则可恢复出原来的调制信号。与原频谱的区别在于幅值为原来的一半。,6.3调制与解调,？,从时域看：,解调: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。,解调,5.3调制与解调,整流检波解调,对调制信号进行偏置，使其大于零;对载波进行调制;将该调制波进行整流（半波或全波）滤波并消除直流偏置可恢复原信号。,6.3调制与解调,偏置电压不足,相敏检波,整流检波,同步解调,6.3调制与解调,相敏检波解调电路,6.3调制与解调,原理,利用调制信号的幅值控制载波信号频率的过程。调频波是等幅波，但频率的变化量与调制信号幅值成正比。调频波的瞬时频率可表示为：f=f0+f=f0+Kx(t)f0为载波频率，也称中心频率。f为频率偏移，与调制信号x(t)幅值成正比。,6.2.2频率调制与解调,定义:用调制信号去控制载波信号的频率或相位，使其随调制信号的变化而变化，这一过程称为频率调制或相位调制，简称调频或调相。,6.3调制与解调,调频波与调制信号幅值的关系图,6.3调制与解调,？,传感器与测试技术,-信号的放大与衰减,传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号，其幅值或功率不足以进行后续的转换处理，或驱动指示器、记录器以及各种控制机构，因此需对其进行放大处理。集成运算放大器,6.3信号的放大与衰减,6.3.1信号放大器的主要特性,放大倍数即增益表示放大器的灵敏度：,对数分度,增益接近于常数的频率范围被称为带宽。带宽的高端频率和低端频率被称为拐角频率即截止频率。截止频率定义为增益减少3dB时的频率。,6.2信号的放大与衰减,方波由于高频衰减而产生的频率失真,频率失真的影响,相位移动对纯正弦波形没有影响；对于比较复杂的周期性的波形，可能会出现有影响；如果相角随频率线性变化，相位将不会失真。,相位失真的影响,波形落后于输入波形,放大器影响信号：频率失真,相位失真,共模干扰,电源负载,6.2信号的放大与衰减,共模抑制比的影响,当大小相等极性不同的电压加到两个输入端时，该电压被称为差模电压；当相同的电压（对地电压）供给两个输入端时，该电压被称为共模电压；理想的仪器放大器将对差模电压产生输出，对于共模电压则没有输出。但实际都会产生输出。,信号通常产生差模输入，噪声一般产生共模输入，所以CMRR()。,共模抑制比,越大越好,6.2信号的放大与衰减,共模抑制比,输入输出阻抗的影响,电源装置模拟成一个与电阻Rs串联的电压发生器Vs放大器的输入模拟成输入电阻Ri输出模拟成为与输出电阻Ro串联的电压发生器GVi,电源,放大器,6.2信号的放大与衰减,理想情况VL=GVsRLRo并且RiRs,理想的放大器(或信号调理器)的输入阻抗Ri为无限大，输出阻抗Ro为零,记,6.2信号的放大与衰减,6.3.2使用运算放大器的放大器,A741C的输入阻抗rd约为2M，输出阻抗ro约为75，增益g可达200000，CMRR约为75dB或更高。,运算放大器的符号和简化模型,运放开环接线的输出为,6.2信号的放大与衰减,(1)同相放大器,输出电压相对地线的符号与输入电压的相同。,同相放大器电路,输出饱和,增益带宽积（GBP）,放大器串联,6.2信号的放大与衰减,如果Vi足够大以至于Vo（=GVi）接近电源电压,那么再增加Vi也不会增加输出。这种现象被称为输出饱和。对于A741C而言，若输出电压少于电源电压2V，就会产生饱和。增益在高频率时的下降是运放的固有特性。对于大多数基于运放的运算放大器，低频增益和带宽的乘积，即增益带宽积（GBP）为常数。因为带宽的下限是零，所以高端截止频率,6.2信号的放大与衰减,两个放大器串联,串联两个放大器，即把一个放大器的输出作为另一个放大器的输入。两级总增益提高而带宽不变。尽管在整个带宽的增益是常数，但输入和输出之间的相角随频率变化。对于上面的同相放大器，相角,6.2信号的放大与衰减,(2)反相放大器,输入电阻近似为R1，输出电阻趋于0。与传感器配合使用时，注意阻抗匹配的问题。,输入信号和反馈信号均加在运放的反相输入端。电压增益：,反相放大器电路,6.2信号的放大与衰减,反相放大器与同相放大器的不同特点：,同相放大器的输入阻抗达几百兆欧姆，而反相放大器的输入阻抗约等于R1，通常不大于100k。这可能对一些输入装置带来负载问题；同样有低输出阻抗的特性,一般小于1；增益带宽积不同：,6.2信号的放大与衰减,6.3.3信号衰减,若输出电压的幅值高于下一级元件输入电压的范围，必须进行衰减。最简单的方法是使用分压网络。从分压网络产生的输出电压是,6.2信号的放大与衰减,传感器与测试技术,-滤波器,滤波滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分.,l根据滤波器的选频特性,低通滤波器：通频带0f2。高通滤波器：通频带f1带通滤波器：通频带f1f2带阻滤波器：通频带0f1与f2（阻带：f1f2）,6.4.1滤波器的分类（1）,低通,高通,带通,带阻,6.4滤波器,RC调谐式滤波器的基本参数,优点：RC滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频特性，易于实现。,一阶RC低通滤波器,低频段近于不失真传输。高频段近于积分器。高频衰减率-20dB/dec。,RC决定截止频率。,6.4滤波器,当时，其幅频特性。信号不受衰减通过；当时，也即幅值比稳定幅值降了-3dB。RC值决定着上截止频率。改变RC值就可以改变滤波器的截止频率；当时，输出与输入的积分成正比，即：对高频成分的衰减率为-20dB/10倍频程。如果要加大滤波器的衰减率，可提高滤波器阶数实现。,低通滤波器的幅频特性讨论,6.4滤波器,一阶RC高通滤波器,低频段近于微分器。高频段近于不失真传输。,RC决定截止频率。,一阶RC高通滤波器,6.4滤波器,当时，输出与输入的微分成正比，起着微分器的作用；当时，也即幅值比稳定幅值降了-3dB。RC值决定着上截止频率。改变RC值就可以改变滤波器的截止频率；当时，其幅频特性。信号不受衰减通过。,高通滤波器的幅频特性讨论,6.4滤波器,带通滤波器可由低通和高通滤波器串联组成。为了消除串联时负载效应的影响，通常用输出跟随器或运算放大器实现隔离。因此，实际带通滤波器通常是有源的。,RC带通滤波器,思考：串联所得的带通滤波器以原高通的截止频率为（），原低通的截止频率为（）。,下截止频率,上截止频率,6.4滤波器,低通,高通,？,2.滤波器的阶次,实际滤波器的传递函数是有理函数，即式中n为滤波器的阶。对特定类型滤波器，其阶数越大，其阻频带对信号的衰减能力越大。因为高阶传递函数可以写成若干一阶、二阶传递函数的乘积，所以可以把高阶滤波器的设计归结为一阶、二阶滤波器的设计。,6.4滤波器,理想滤波器模型及脉冲响应,无过渡带且在通频带内满足不失真测试条件的滤波器称为理想滤波器。理想滤波器的频率响应函数为：,理想滤波器的脉冲响应函数为sinc函数，若无相角滞后（t0=0）：,3.滤波器的逼近方式,6.4滤波器,理想滤波器的特性与响应,理想滤波器实现的不可能性,6.4滤波器,由h(t)图形可见，在输入(t)到来以前，即t0时，滤波器即有了与输入相对应的输出，显然，这违背了因果关系，任何现实系统都不可能具有这种预知未来的能力。,同样，理想高通、带通、带阻滤波器也是不存在的。实际滤波器的频域图形不可能出现直角锐变，也不会在有限频率上完全截止。理论上，实际滤波器的频域图形将延伸至|f|。即滤波器只能对通带以外的频率成分极大地衰减而不能完全阻止其通过。,理想滤波器实现的不可能性,6.4滤波器,理想滤波器的阶跃响应,单位阶跃输入,滤波器的阶跃响应：,低通滤波器在阶跃信号下的响应,6.4滤波器,阶跃响应波形图,510,6.4滤波器,如果按稳态响应值的0.10.9作为计算建立时间的标准，则：,若不考虑前、后皱波，输出从0(a点)到应有的稳定值A0(b点)之间的所需建立时间为：,稳态响应时间,式中,为低通滤波器的截止频率，也称为滤波器的通频带。可见，滤波器的通频带越宽，即越大，则响应的建立时间越小，即图5.21中图形越陡峭。,6.4滤波器,低通滤波器带宽B,因此，低通滤波器对阶跃响应的建立时间和带宽B（通频带的宽度）成反比，即这一结论对其它滤波器（高通、带通、带阻）也适用。另一方面，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高。因此，滤波器的高分辨能力和测量时快速响应的要求是相互矛盾的。当采用滤波器从信号中选取某一频率成分时，就需要有足够的时间。如果建立时间不够，就会产生虚假的结果，而过长的测量时间也是没有必要的。一般采用10。,6.4滤波器,滤波器通频带越宽（fc越高），建立时间越短，响应速度越快。其物理意义是：通带越宽，阻衰的高频分量越少，使信号能量更多更快地通过，故建立时间短，反之建立时间长。低通滤波器对阶跃响应的建立时间Te与带宽B成反比，即：BTe=常数该结论对高通、带通及带阻滤波器均成立。滤波器带宽表示其频率分辨力，通带越窄，分辨力越高，显然，高分辨力与响应速度是互相矛盾的。如果要用滤波的方法从信号中提取某一很窄的频率成分（如作谱分析），必须有足够的时间。BTe510,低通滤波器的特点归纳,6.4滤波器,截止频率fc:幅频特性等于所对应的频率。带宽B:上下两截止频率之间的频率范围。,实际滤波器参数（1）,图为理想带通滤波器（虚线）与实际带通滤波器（实线）的幅频特性。,6.4滤波器,品质因素Q将中心频率fn与带宽B之比称为滤波器的品质因素。fn由下式确定：思考：品质因素Q越大，滤波器分辨力,越高,实际滤波器参数（2）,6.4滤波器,纹波幅度d：实际滤波器的通频带内幅频特性可能呈波纹变化，最大变化量称为纹波幅度。一般应远小于-3dB。,实际滤波器参数（3）,6.4滤波器,倍频程选择性W指在上截止频率fc2与2fc2之间，或者在下截止频率fc1与fc1/2之间幅频特性的衰减量，即频率变化一个倍频程的衰减量。,或,倍频程选择性表明滤波器过渡带内幅频曲线的倾斜程度，它决定了滤波器对带宽外频率成分衰减能力。,思考：W越大，衰减（），滤波器选择性（）。,越好,越快,实际滤波器参数（4）,6.4滤波器,滤波器因数（矩形系数）滤波器选择性的另一种表示法。用滤波器幅频特性的-60dB带宽与-3dB带宽的比值表示。,理想滤波器=1，通常=15。有些滤波器因器件影响（如电容漏阻），阻带衰减达不到-60dB，可用-40dB或-30dB带宽与-3dB带宽的比值表示。,实际滤波器参数（5）,6.4滤波器,(3)滤波器的逼近方式,理想滤波器的性能只能用实际滤波器逼近，四种逼近方式的滤波器得到最广泛的应用：巴特沃斯、切比雪夫、椭圆和贝塞尔滤波器。,6.4滤波器,巴特沃斯，通带增益稳定；切比雪夫，过渡带变化大，通带增益波纹；椭圆，过渡带变化大，通带、阻带波纹；贝塞尔，衰减速度较低，相角变化线性较好。,低通巴特沃斯滤波器的增益,低通切比雪夫滤波器的增益,指定种类(例如，低通)、逼近方式(例如，巴特沃斯)、阶数(例如，8)截止频率。对于切比雪夫和椭圆滤波器，必须指明通带和阻带的波纹。,6.4滤波器,购买滤波器必须,图使用运算放大器的低通巴特沃斯滤波器：(a)运放电路；(b)频率响应,6.4.2采用运算放大器的巴特沃斯低通滤波器,6.4滤波器,虽然无源滤波器可由阻抗、电容和电感构成，但是在用于仪器时，有源滤波器有明显的优点。最常见的有源滤波器以运算放大器为基础。产生一阶巴特沃斯响应的滤波器电路是反向放大器的改进；电路的频率响应特性是从低频到截止频率fc的增益为常数，并且在大于截止频率时增益的衰减速度为6dB/倍频程。,说明,6.4滤波器,对信号做频谱分析或摘取其中某些频率成分时，可以通过多个中心频率不同的带通滤波器实现，各个滤波器的输出反映了信号在该通频带内的量值。带通滤波器实现谱分析可有两种方式：一是由一中心频率可调的带通滤波器独立构成；二是使用各自中心频率固定，但又按一定规律相隔的滤波器组。对滤波器组，各滤波器的通带应