信号调理医学宣教

第四章信号调理信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。

4.1信号调理的目的

1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。

2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量信进行调制解调处理。

4.2信号放大

信号放大目的幅度增加(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目的第四章信号调理按输出测量方式不同可分为不平衡电桥平衡电桥按激励电压的不同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平衡条件：对臂电阻乘积相等。即：R1R3=R2R41.直流电桥平衡条件：2.直流电桥的输出特性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，则电桥的输出为组桥时，应变片的灵敏系数K必须一致，上式又可写成电桥加减特性定义电桥的灵敏度为：几种典型的接桥方法的比较

①半桥单臂：

单臂

②半桥双臂：半桥相对臂想一想如果像左图一样接桥，输出是多少？③全桥差动全桥总结：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：温度补偿问题例4-1半桥测量时进行温度补偿——桥路补偿法R1、R2完全相同，处于相同温度场中，并且接入相邻臂。在力P和温度t的作用下，R1上的电阻变化率为：R2上的电阻变化率为：利用加减特性，可以：进行温度补偿，消除测量误差提高灵敏度复杂应力状态下测取单独由某一因素产生的应变实测中，应设法采用电桥相邻臂两应变片差动变化的接桥方案。参看书p192直流电桥平衡的配置方式：复习信号调理的目的与内容直流电桥的平衡条件电桥的加减特性常见接桥方案的比较电桥加减特性的合理利用ER2-ΔR2R4R1+ΔR1R3U0图4-2半桥差动电路ER2-ΔR2R4R1+ΔR1R3U0图4-3全桥差动电路二、交流电桥

上述式直流电桥的特性对交流电桥也是适用的。在交流电桥中，电桥平衡条件式可改写为阻抗的形式电容电桥平衡条件：应用：见p81电容传感器的测量电路电感电桥平衡条件：~应用：见p87差动变压器的测量电路

利用电阻应变片作为传感元件来测量应变的专用电子仪器称为电阻应变仪。电阻应变仪ResistanceStrainMeter（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

包括信号的调制，放大和解调三个过程。即低频的应变信号通过电桥转换成频率高的交流信号，然后送到放大器进行放大，最后把放大后的交流信号输入至相敏检波器，并经滤波器输出已放大的原输入信号。组成电桥测20-200Hz应变力输出调幅调制波；

放大器将电桥输出的调幅波放大；

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；

相敏检波器如果应变有拉应变和压应变，可通过相敏检波电路区分双相信号；

相移器相敏检波器的参考信号与被测信号有严格的相位关系；

滤波器为了还原被检测的信号用低通滤波器去掉高频保留低频应变信号。课堂练习F如图所示，测量力F与F2，如何布片组桥？F2复习提纲信号调理环节的作用直流电桥的平衡条件直流电桥的输出特性几种典型的接桥方法的比较电桥加减特性的合理利用交流电桥的平衡条件4.3调制与解调目的：主要解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。定义：所谓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。最终从已调制波中恢复出调制信号的过程，称为解调。调制信号载波调制波调制：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，使高频信号的幅值随测试信号的变化而变化的过程。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的结果，就是将其频谱图形由坐标原点平移至该脉冲函数处。卷积定义卷积定理证明：（时域卷积）根据卷积积分的定义有代入上式得其傅里叶变换为由时移性知，函数:

是一个理想函数，是物理不可实现信号。

幅值无限，持续时间为零的脉冲。

tS(t)tS(t)tS(t)

1/函数特性：1）乘积特性2）积分特性3）卷积特性推广可得4）拉氏变换5）傅氏变换函数特性：小结：调幅：

从频域上：相当于频率的搬迁过程。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）的幅值，使xm（t）的幅值随着x（t）的变化而变化，频率仍与z（t）相同。载波频率f0称为调幅波的中心频率，f0+fm称为上旁频带，f0-fm称为下旁频带。二、解调同步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所示。当用一低通滤波器滤去频率大于fm的成分时，则可以复现原信号的频谱。与原频谱的区别在于幅值为原来的一半，这可以通过放大来补偿。这一过程称为同步解调，同步是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。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，如图所示。把该调幅波进行简单的半波或全波整流、滤波，并减去所加的偏置电压就可以恢复原调制信号。这种方法又称作包络分析。xm(t)=[A+x(t)]cos2πf0t

相敏检波交变信号过零线时符号发生突变（+、-），与之对应的调幅波相位（与载波比较）也相应地发生180°的相位跳变。利用载波信号与调幅信号比相，便既能反映出原信号的幅值又能反映其极性。y(t)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调幅应用——动态电阻应变仪。

4.2.2调频及其解调调频是利用信号x（t）的幅值调制载波的频率，或者说，调频波是一种随信号x(t)的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波。调频波：(a)锯齿波调频(b)正弦波调频调频波的瞬时频率可表示为：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)的幅值成正比。直接调频法把被测参数的变化直接转化为振荡器频率的变化。谐振回路的谐振频率为：如被测量的变化引起电容的变化，则：可见，回路的振荡频率在小范围内将和调谐参数的变化呈线性关系。输出等幅波。（P67涡流式传感器测量电路，p72电容式）鉴频变压器耦合的谐振回路法feaeaf0ttfnef为输入的调频信号，在回路的谐振频率fn处，线圈L1,L2的耦合电流最大，副边输出电压ea也最大；ef频率离fn越远，线圈L1,L2的耦合电流越小，副边输出电压ea也越小；从而将调频波信号频率的变化转化为电压幅值的变化。调幅与调频的比较频率调制较之幅度调制的一个重要的优点是改善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，对调频波的分析是近似的复习提纲交流电桥的平衡条件调制与解调的目的与方法调幅的原理调幅波解调的方法调频及其解调4.4信号的滤波

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．1滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）

低通高通带通带阻实验2滤波器的串/并联

低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。3理想滤波器

理想滤波器是指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。fcH(f)fQ(f)4实际滤波器

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

0fA0ffc1fc2A00.707A01)截止频率fc：0.707A0所对应的频率．

d2)纹波幅度d：绕幅频特性均值A0波动值3)带宽B和品质因数Q：下两截频间的频率范围称为带宽。中心频率和带宽之比称为品质因数。BQ=W0/B波动幅度d与幅频特性平均值A0相比应远小于-3dB。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)的计量单位。在表示电压（或电流）的增减时在表示功率的放大或衰减时：分贝数=分贝数=4)倍频程选择性W指在上截止频率fc2与2fc2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。

倍频程衰减量以dB/oct表示（Octave，倍频程）。衰减越快（即W值越大），滤波器的选择性越好。5RC无源滤波器

（1）低通滤波器滤掉输入信号的高频成分，通过低频成分。低通滤波器的传递函数虚部和实部表示幅频和相频表示三分贝点相频特性幅频特性低通滤波器的频率特性100~：带宽：截止频率（2）高通滤波器滤掉输入信号的低频