信号调理专题知识讲座

第四章信号调理信号调理目标是便于信号传输与处理。

4.1信号调理目标

1.传感器输出电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、统计或分析仪器中去，需要深入放大，有还要进行阻抗变换。

2.有些传感器输出是电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提升信噪比。信号调理专题知识讲座第1页3.一些场所，为便于信号远距离传输，需要对传感器测量信进行调制解调处理。

信号调理专题知识讲座第2页4.2信号放大

信号放大目标幅度增加(1)抗干扰;(2)阻抗匹配2分类放大器直流放大器交流放大器电荷放大器

时间域频率域幅度增大低频保留,高频截止幅度增大高频保留,低频截止

电荷增大1目标第四章信号调理信号调理专题知识讲座第3页按输出测量方式不一样可分为不平衡电桥平衡电桥按激励电压不一样可分为直流电桥交流电桥4.2.4电桥一．直流电桥：

第四章信号调理偏值法零值法VER1R3R2R4信号调理专题知识讲座第4页平衡条件：对臂电阻乘积相等。即：R1R3=R2R41.直流电桥平衡条件：信号调理专题知识讲座第5页2.直流电桥输出特征设电桥四臂阻值相等R1=R２=R３=R４=R，且增量分别为ΔR1=ΔR３=

Δ

R、ΔR２=ΔR４=-ΔR，则电桥输出为信号调理专题知识讲座第6页组桥时，应变片灵敏系数K必须一致，上式又可写成电桥加减特征信号调理专题知识讲座第7页定义电桥灵敏度为：几个经典接桥方法比较

①半桥单臂：

单臂

信号调理专题知识讲座第8页②半桥双臂：半桥相对臂想一想假如像左图一样接桥，输出是多少？信号调理专题知识讲座第9页③全桥差动全桥信号调理专题知识讲座第10页总结：电桥灵敏度工作臂系数单臂:n=1双臂:n=2四臂:n=4电桥线性度单臂:双臂:全桥差动：信号调理专题知识讲座第11页温度赔偿问题例4-1半桥测量时进行温度赔偿——桥路赔偿法R1、R2完全相同，处于相同温度场中，而且接入相邻臂。在力P和温度t作用下，R1上电阻改变率为：R2上电阻改变率为：信号调理专题知识讲座第12页利用加减特征，能够：进行温度赔偿，消除测量误差提升灵敏度复杂应力状态下测取单独由某一原因产生应变实测中，应设法采取电桥相邻臂两应变片差动改变接桥方案。参看书p192信号调理专题知识讲座第13页直流电桥平衡配置方式：信号调理专题知识讲座第14页复习信号调理目标与内容直流电桥平衡条件电桥加减特征常见接桥方案比较电桥加减特征合理利用信号调理专题知识讲座第15页ER2-ΔR2R4R1+ΔR1R3U0图4-2半桥差动电路ER2-ΔR2R4R1+ΔR1R3U0图4-3全桥差动电路信号调理专题知识讲座第16页二、交流电桥

上述式直流电桥特征对交流电桥也是适用。在交流电桥中，电桥平衡条件式可改写为阻抗形式电容电桥平衡条件：应用：见p81电容传感器测量电路信号调理专题知识讲座第17页电感电桥平衡条件：~应用：见p87差动变压器测量电路信号调理专题知识讲座第18页

利用电阻应变片作为传感元件来测量应变专用电子仪器称为电阻应变仪。电阻应变仪ResistanceStrainMeter信号调理专题知识讲座第19页（按频率分类）

静态电阻应变仪（5Hz

）静动态电阻应变仪（0~200Hz）动态电阻应变仪（0~1500Hz）超动态电阻应变仪（几十千赫兹）电阻应变仪分类信号调理专题知识讲座第20页电桥放大器相敏检波器振荡器稳压电源低通滤波器动态电阻应变仪

包含信号调制，放大和解调三个过程。即低频应变信号经过电桥转换成频率高交流信号，然后送到放大器进行放大，最终把放大后交流信号输入至相敏检波器，并经滤波器输出已放大原输入信号。组成信号调理专题知识讲座第21页电桥测20-200Hz应变力输出调幅调制波；

放大器将电桥输出调幅波放大；

振荡器产生等幅正弦波提供电桥电压和相敏检波器参考电压；

相敏检波器假如应变有拉应变和压应变，可经过相敏检波电路区分双相信号；

相移器相敏检波器参考信号与被测信号有严格相位关系；

滤波器为了还原被检测信号用低通滤波器去掉高频保留低频应变信号。信号调理专题知识讲座第22页课堂练习F如图所表示，测量力F与F2，怎样布片组桥？F2信号调理专题知识讲座第23页复习提要信号调理步骤作用直流电桥平衡条件直流电桥输出特征几个经典接桥方法比较电桥加减特征合理利用交流电桥平衡条件信号调理专题知识讲座第24页4.3调制与解调目标：主要处理微弱缓变信号放大以及信号传输问题。定义：所谓调制就是使一个信号一些参数在另一个信号控制下而发生改变过程。最终从已调制波中恢复出调制信号过程，称为解调。调制信号载波调制波信号调理专题知识讲座第25页调制：Modulation调幅(Amplitudemodulation--AM）调频（Frequencymodulation-FM)调相（Phasemodulation--PM)分类：4.2.1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，使高频信号幅值随测试信号改变而改变过程。信号调理专题知识讲座第26页调制器（乘法器）调制信号载波调幅波P22(1-57)P17(表1-3)一个函数与单位脉冲函数卷积结果，就是将其频谱图形由坐标原点平移至该脉冲函数处。信号调理专题知识讲座第27页卷积定义卷积定理信号调理专题知识讲座第28页证实：（时域卷积）依据卷积积分定义有代入上式得其傅里叶变换为由时移性知，信号调理专题知识讲座第29页函数:

是一个理想函数，是物理不可实现信号。

幅值无限，连续时间为零脉冲。

tS(t)tS(t)tS(t)1/信号调理专题知识讲座第30页函数特征：1）乘积特征2）积分特征3）卷积特征推广可得信号调理专题知识讲座第31页4）拉氏变换5）傅氏变换函数特征：信号调理专题知识讲座第32页小结：调幅：

从频域上：相当于频率搬迁过程。从低频搬迁到高频。频谱形状保持不变（f0>>fm)。从时域上：用x（t）去控制改变y（t）幅值，使xm（t）幅值伴随x（t）改变而改变，频率仍与z（t）相同。载波频率f0称为调幅波中心频率，f0+fm称为上旁频带，f0-fm称为下旁频带。信号调理专题知识讲座第33页二、解调同时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”,其结果如图5-12所表示。当用一低通滤波器滤去频率大于fm成份时，则能够复现原信号频谱。与原频谱区分在于幅值为原来二分之一，这能够经过放大来赔偿。这一过程称为同时解调，同时是指解调时所乘信号与调制时载波信号含有相同频率和相位。信号调理专题知识讲座第34页整流检波若把调制信号进行偏置，叠加一个直流分量，使偏置后信号都含有正电压，那么调幅波包络线将含有原调制信号形状，如图所表示。把该调幅波进行简单半波或全波整流、滤波，并减去所加偏置电压就能够恢复原调制信号。这种方法又称作包络分析。xm(t)=[A+x(t)]cos2πf0t

信号调理专题知识讲座第35页相敏检波交变信号过零线时符号发生突变（+、-），与之对应调幅波相位（与载波比较）也对应地发生180°相位跳变。利用载波信号与调幅信号比相，便既能反应出原信号幅值又能反应其极性。y(t)信号调理专题知识讲座第36页图4.21二极管相敏检波器及其工作原理(a)x(t)>0,y(t)>0

(b)

x(t)>0,

y(t)<0(c)与(d)x(t)<0信号调理专题知识讲座第37页调幅应用——动态电阻应变仪。

信号调理专题知识讲座第38页4.2.2调频及其解调调频是利用信号x（t）幅值调制载波频率，或者说，调频波是一个随信号x(t)电压幅值而改变疏密度不一样等幅波。调频波：(a)锯齿波调频(b)正弦波调频调频波瞬时频率可表示为：f=f0+df

式中f0为载波信号频率；df为频率偏移，与调制信号x(t)幅值成正比。信号调理专题知识讲座第39页直接调频法把被测参数改变直接转化为振荡器频率改变。谐振回路谐振频率为：如被测量改变引发电容改变，则：可见，回路振荡频率在小范围内将和调谐参数改变呈线性关系。输出等幅波。（P67涡流式传感器测量电路，p72电容式）信号调理专题知识讲座第40页鉴频变压器耦合谐振回路法feaeaf0ttfnef为输入调频信号，在回路谐振频率fn处，线圈L1,L2耦合电流最大，副边输出电压ea也最大；ef频率离fn越远，线圈L1,L2耦合电流越小，副边输出电压ea也越小；从而将调频波信号频率改变转化为电压幅值改变。信号调理专题知识讲座第41页调幅与调频比较频率调制较之幅度调制一个主要优点是改进了信噪比调频系统较之调幅系统复杂分析调频波要比分析调幅波困难，实际上，对调频波分析是近似信号调理专题知识讲座第42页复习提要交流电桥平衡条件调制与解调目标与方法调幅原理调幅波解调方法调频及其解调信号调理专题知识讲座第43页4.4信号滤波

滤波器是一个选频装置，能够使信号中特定频率成份经过，而极大地衰减其它频率成份．1滤波器分类（依据滤波器选频作用分）

低通高通带通带阻试验信号调理专题知识讲座第44页2滤波器串/并联

低通滤波器和高通滤波器是滤波器两种最基本形式，其它滤波器都能够分解为这两种类型滤波器。信号调理专题知识讲座第45页3理想滤波器

理想滤波器是指能使通带内信号幅值和相位都不失真，阻带内频率成份都衰减为零滤波器。fcH(f)fQ(f)信号调理专题知识讲座第46页4实际滤波器

理想滤波器是不存在，实际滤波器幅频特征中通带和阻带间没有严格界限，存在过渡带。

0fA信号调理专题知识讲座第47页0ffc1fc2A00.707A01)截止频率fc：0.707A0所对应频率．

d2)纹波幅度d：绕幅频特征均值A0波动值3)带宽B和品质因数Q：下两截频间频率范围称为带宽。中心频率和带宽之比称为品质因数。BQ=W0/B波动幅度d与幅频特征平均值A0相比应远小于-3dB。信号调理专题知识讲座第48页分贝是表示电气机械和声学等信号在传输过程中功率增加(增益)与减小(损耗)计量单位。在表示电压（或电流）增减时在表示功率放大或衰减时：分贝数=分贝数=信号调理专题知识讲座第49页4)倍频程选择性W指在上截止频率fc2与2fc2之间幅频特征衰减值，即频率改变一个倍频程时衰减量。

倍频程衰减量以dB/oct表示（Octave，倍频程）。衰减越快（即W值越大），滤波器选择性越好。信号调理专题知识讲座第50页5RC无源滤波器

（1）低通滤波器滤掉输入信号高频成份，经过低频成份。信号调理专题知识讲座第51页低通滤波器传递函数虚部和实部表示幅频和相频表示信号调理专题知识讲座第52页三分贝点相频特征幅频特征低通滤波器频率特征100~：带宽：截止频率信号调理专题知识讲座第53页（2）高通滤波器滤掉输入信号低频成份，经过高频成份。高通滤波器传递函数信号调理专题知识讲座第54页