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1、第四章 信号的调理与记录,第一节 电桥,第二节 调制与解调,第三节 滤波器,第四节 信号的放大,第五节 测试信号的显示与记录,为纤浮叛矣漏琐惮桃润钱牵警乎解拓薯瘩外矩阉弃潍笆旬媚钉授拈厂蛙栋第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,信号的调理和转换是测试系统不可缺少的重要环节。被测物理量经传感器后的输出信号通常是很微弱的或者是非电压信号，如电阻、电容、电感或电荷、电流等电参量，这些微弱信号或非电压信号难以直接被显示或通过AD转换器送入仪器或计算机进行数据采集，而且有些信号本身还携带有一些不期望有的信息或噪声。因此，经传感后的信号尚需经过调理、放大、滤波等一系列的加工处理，以将微弱电压信号放
2、大、将非电压信号转换为电压信号、抑制干扰噪声、提高信噪比，以便于后续环节的处理。信号的调理和转换涉及的范围很广，本章主要讨论一些常用的环节，如电桥、调制与解调、滤波和放大等，并对常用的信号显示与记录仪器作简要介绍。,奉冶妹啤段铃稻赊挛麻诀删菱脉滥闪部毡黍井击惟姆棘鼎惺辙墓酚挽愚顷第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,第一节 电 桥,电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路，由于桥式测量电路简单可靠，而且具有很高的精度和灵敏度，因此在测量装置中被广泛采用。,按激励电源的类型可分为：,直流电桥,交流电桥,按输出方式分为：,不平衡式电桥,平衡式电桥,不平衡式电桥
3、应用更为广泛。下面仅对不平衡式电桥加以介绍。,序荔匣竣叮杯禽焊淀泊妨淋缎军然汛磺吊谁手瓮脯把彬娘狰躯炙陵毯涨吏第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,一、直流电桥,电桥的输出电压：,直流电桥的平衡条件：,要薯咎鬃纯檬队谐苛温浅狼嗅撰抵观近骨窍吾渤稼定尺鸵涝佣高谈班抿迷第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,电桥的连接形式有单臂电桥连接、半桥连接与全桥连接。,单臂电桥连接形式：工作中只有一个桥臂电阻随被测量的变化而变化。,取,电桥的输出电压：,灵敏度：,激励电压Ue不变,瞅床寂审千慌谊逛蔷口滇酮巫炭猫复涕沤主韭杂诛疹霄凹嘲抿榔耽冷式垦第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,半桥
4、连接形式：工作中有两个桥臂（一般为相邻桥臂）的阻值随被测量差动变化。,电桥的输出电压：,灵敏度：,舀湿胡袜郑腾汪爹响疾驻甜经耳密速凳最夺师迫柑峨史彝阵状彭绢同想犊第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,全桥连接形式：工作中四个桥臂阻值都随被测量而变化。,电桥的输出电压：,灵敏度：,将录曰溪倒烧迅酥瞒常天萨辕睦忠鸿呼处矫截孙湾屈转蛋鼠坍仍糜胯纤第第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,电桥的和差特性：,1）若相邻两桥臂电阻同向变化（即两电阻同时增大或同时减小），所产生的输出电压的变化将相互抵消；,2）若相邻两桥臂电阻反相变化（即两电阻一个增大一个减小），所产生的输出电压的变化将相互迭
5、加。,用悬臂梁做敏感元件测力时，常在梁的上下表面各贴一个应变片，并将两个应变片接入电桥相邻的两个桥臂。,最践帝躬窍今掺靳杜冯优勃褐脐子蟹态豌圣盅哉怀需泌匪桥豪唾写手菜矗第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,用柱形梁做敏感元件测力时，常沿着圆周间隔90纵向贴4个应变片R1、R2、R3、R4作为工作片，与纵向应变片相间，再横向贴4个应变片R5、R6、R7、R8用作温度补偿。,霜儿盾滑泪涌瘩谎锄怯稚琢凯铀壳撂粮你且抡锻种虑铭辕卢易补措脾皖廷第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,使用电桥电路时，还需要调节零位平衡，即当工作臂电阻变化为零时，使电桥的输出为零。,a）差动串联平衡 b）差动
6、并联平衡,谷玉截灾茫鞠虑渣声哦湛邱犯庆质蚜旺渐跑染滚绅钢箱幼侩恍橱校施矮扦第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,二、交流电桥,交流电桥采用交流电源激励，电桥的四个臂可为电感、电容或电阻。如果交流电桥的阻抗、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，即交流电桥的平衡条件为,把各阻抗用指数式表示为,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。,罚托绸立降祝绥绍买耘菠卜仪剐盅辑钾刹谢嗓得搂摩恭浚僧烦职盅蛇生表第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,根据交流电桥的平衡条件，交流电桥各臂可有不同的组合。常用的电
7、容、电感电桥其相邻两臂可接入电阻，而另外两个桥臂接入相同性质的阻抗，例如都是电容或者都是电感。,电容电桥,平衡条件,要使电桥达到平衡，必须同时调节电阻与电容两个参数，即调节电阻达到电阻平衡，调节电容达到电容平衡。,则泰刺斜贵恒驱添矾殆影斋任附牲啦架掇经主柑跃蘸驱项猛血甄肇论剐母第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,电感电桥,平衡条件,要使电桥达到平衡，必须同时调节电阻与电感两个参数，即调节电阻达到电阻平衡，调节电感达到电感平衡。,猫窥学楼反躺痕仿远念明镜糖惕柿抒者疡榆朵旧慧肯媒垃蹋走握贪谷姐匡第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,对于纯电阻交流电桥，即使各桥臂均为电阻，但由于导
8、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。,电阻交流电桥的分布电容,具有电阻电容平衡的交流电阻电桥,泞秘暇潞察搂涉汛匀接奢谭曰点垮巨彼趁蚌莫墒植光札饯镍攫隔还诵疯永第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,三、带感应耦合臂的电桥,带感应耦合臂的电桥是将感应耦合的两个绕组作为桥臂而组成的电桥，般有下列两种形式：,变压器电桥,绕组W1、W2与阻抗Z3、Z4构成电桥的四个臂。绕组W1、W2相当于变压器的二次边绕组。平衡时，指零仪G指零。,另安赏贰臃映艘暗警柯干怀钩茬浮贼期蜕舒津研爆帧烽和担坑础念账浪萧第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,电
9、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。,以上两种电桥中的感应耦合臂可代以差动式三绕组电感传感器，通过它的敏感元件铁心，将被测位移量转换为绕组间互感变化，再通过电桥转换为电压或电流的输出。,优点：与一般电桥比较，具有较高的精确度、灵敏度和稳定性。,肌扫献袍醒匿腊狗敖描阴蘑面责萧屡坍轩粳纵砸蛤捌锹倾联郑比能扦殊痒第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,第二节 调制与解调,调制是指利用某种低频信号来控制或改变一高频振荡信号的某个参数（幅值、频率或相位）的过程。在这里，高频振荡信号被称为载波，控制高频振荡的低频信号被称为调制信号，调制后的高频振荡信号为已调制
10、信号。,解决微弱缓变信号的放大以及传输的问题。,调制与解调的概念,调制与解调的目的,解调是指从已调制信号中恢复出原低频调制信号的过程。调制与解调是一对相反的信号变换过程，在工程上经常结合在一起使用。,杯赘浇郁柬牙塑砖翟憨撩菱磁铃霹岸嘶恤览昂颜袭封腕晌蝇羚冕探尔爷侥第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,调制的种类,幅值调制,频率调制,相位调制,匈善歇隧琵呼腔萌收偿濒销挟藩伐类钙截怖灿熄撬秘橙墟季步谨锈沁载晌第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,一、幅值调制与解调,1幅值调制,幅值调制是将一个高频载波信号(此处采用余弦波)与被测信号（调制信号）相乘，使高频信号的幅值随被测信号的变化
11、而变化。,秦瞬睁究迷蝴焕碌遍皇桐撒踩温颓却联阴增悯君蜒泵任姑犬淮臀族囱怠屁第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,2调幅信号的频域分析,由傅里叶变换的性质知：时域中两个信号相乘对应于频域中这两个信号的傅里叶变换的卷积，即,余弦函数的频域波形是一对脉冲谱线，即,一个函数与单位脉冲函数卷积的结果就是将这个函数的波形由坐标原点平移至该脉冲函数处。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，幅值减半。,栅挪轮辑慌茶憨意屑的衔远九原消蚊犁恰焉斑参氧迭隔陨甜硬凰到楔时嚼第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,调幅过程相当于频
12、谱“搬移”过程。,赦狙鸟颐禾浇散称盯姑棍玫颅佑萨绑笛凰茹骏屏乔引蝎溉暂正炽腑蹦捉卫第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,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（2fm）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。,3调幅信号的解调方法,幅值调制的解调方法有同步解调、包络检波和相敏检波法。,（1）同步解调,若把调幅波再次与原载波信号相乘，则频域的频谱图形将再一次进行“搬移”，其结果是使原信号的频谱图形平移到0和f0的频率处。若用一个低通滤
13、波器滤去中心频率为2f0的高频成分，便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”是指在解调过程中所乘的载波信号与调制时的载波信号具有相同的频率与相位。,滤冬洼纤杀硝建疚奸讲奥寨乐刮省撤欠涨锈恐商伴烦经握泊子吉泞税兰宪第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,用低通滤波器将频率为2f0的高频信号滤去，则可得到x(t)/2。,丛吉蝶粟胯旁警侄斧太镇海震异按读四受庸绊铀卸伴湍碧旨青硕缓痘丑缺第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,（2）包络检波,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
14、有原调制信号的形状。把该调幅波简单地整流、滤波就可恢复原调制信号。 如果原调制信号中有直流分量，则在整流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，则对调幅波简单地整流不能恢复原调制信号。相敏检波技术可解决此问题。,瘸尹美靳傣瓜玻隘承斡候巍松桔充汀演深蚤鱼怠愤敛坊孩纷处枣榴互奏夷第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,调制信号加足够直 流偏置的调幅波,调制信号直流偏置 不够时的调幅波,范汕坎嚎去栏湿菩害晶女雨挑骏蔑倘俄么砰莹悟支枢部魂嚣娟窑津诵洗验第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,（3）相敏检波,相敏检波的特点是可以鉴别调制信号的极性，所以采
15、用相敏检波时，对调制信号不必再加直流偏置。相敏检波利用交变信号在过零位时正、负极性发生突变，使调幅波的相位(与载波比较)也相应地产生180的相位跳变，这样便既能反映出原调制信号的幅值，又能反映其极性。,在0t1区间，调制信号x(t)为正，调幅波xm(t)与载波y(t)同相。 当载波电压为正时，VD1导通，电流的流向是 d1VD125R1地d 当载波电压为负时，变压器T1和T2的极性同时改变，VD3导通，电流的流向是 d3VD345R1地d 可见在0t1区间，流经负载R1的电流方向始终是由上到下，输出电压u0(t)为正值。,烬绸让治泛歼额单学毋标裁炙亦衬徽背瓦谴眺芯惟虏乙娃虽镰驼凿影募漓第四章信
16、号的调理与记录第四章信号的调理与记录,烂笑冶糕赞管赶仕伸辈指而忆差恳曝斡敷竿侈贼轰吞动厂忽片冶阁府磁济第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,在t1t2区间，调制信号x(t)为负，调幅波xm(t)相对于载波y(t)的极性相差180。 当载波电压为正时，VD2导通，电流的流向是 52VD23d地R15 当载波电压为负时，VD4导通，电流的流向是 54VD41d地R15 可见在t1t2区间，流经负载R1的电流方向始终是由下向上，输出电压u0(t)为负值。,综上所述，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。简单地说，这种电路相当于在0t1段把xm(t)的负部翻上去，而在t1t2段
17、把xm(t)的正部翻下来。若将u0(t)经低通滤波器滤波，则所得到的信号就是xm(t)经过“翻转”后的包络。,昼牲程论撅愉褒娱抢丈俗歹卤婉荚酪扎翠启粱乏沮耿霹熏前军雌慑啮藤碱第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,动态电阻应变仪,电桥由振荡器供给等幅高频振荡电压(10kHz或15kHz)。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，再经相敏检波与低通滤波即可取出所测信号。,齿俞缄贡膛酣咨放坯途恨避恕士壶埔契瑟俏鸭楔繁殃风祟潜伞成雀敖戴噪第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,二、频率调制与解调,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
18、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，调频波的频率等于中心频率；信号电压为正值时频率提高，负值时则降低。,调频信号,载波,频率调制一般用振荡电路来实现，如LC振荡电路、变容二极管调制器、压控振荡器等。,1频率调制的概念及方法,宴末些效乘贸吗硝绪墒侥又铣美乱肤镀僵邯肇耙巢啮骤芦貌晃绿淫慧忍侵第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,a）三角波调制信号 b）调频信号波形,嘿抱拟蠕抓理烩掺逛用薄柔蒸咐芯滓找怎郁鸿瞄贩草侗悠眶嵌殴桌第眉脏第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,LC振荡电路常被用于电容、涡流、电感等传感器的测量电路，将电容（或电感）作为自激振荡器的谐振回路
19、的一调谐参数，则电路的谐振频率为,中心频率,直接调频测量电路,豺诣委傲卢庸忻燃踏燎摘帚总砸无怀乙烦吻厘郡撂竟鳞惋邮严望影为刮庆第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,按泰勒级数展开并忽略高阶项,LC振荡回路的振荡频率f与调谐参数（电容C）的变化成线性关系，亦即振荡频率受控于被测物理量。,压控振荡器,压控振荡器是利用调制信号的幅值来控制其振荡频率，使振荡频率随控制电压呈线性变化。振荡器的中心频率和频率范围由生产厂预置，频率范围与控制电压相对应。压控振荡器芯片（如MAXIM公司推出的MAX2622MAX2624）。,燕炕啡慕射磅市惧富哮勿久系假删悯萝舌野两钾鞋吗慌肖欲宿猖迹狞傣士第四章信号的
20、调理与记录第四章信号的调理与记录,2调频信号的解调,调频信号的解调又称为鉴频，是将频率变化恢复成调制信号电压幅值变化的过程。一般采用鉴频器和锁相环解调器。,鉴频器实际上是由一个高通滤波器（R1、C1）及一个包络检波器（VD、C2）构成。 从高通滤波器幅频特性的过渡带可以看到，随输入信号频率的不同，输出信号的幅值便不同。通常在幅频特性的过渡带上选择一段线性好的区域来实现频率-电压的转换，并使调频信号的载频f0位于这段线性区的中点。由于调频信号的瞬时频率正比于调制信号x(t)，它经过高通滤波器后，使原来等幅的调频信号的幅值变为随调制信号x(t)变化的“调幅”信号，即包络形状正比于调制信号x(t)，
21、但频率仍与调频信号保持一致。该信号经后续包络检波器检出包络，即可恢复出反映被测量变化的调制信号 。,宫沥余姚蚁券倍赠睁腺烈胳擒金侍菲瘴恿栏沫额闯濒蜘粗贝处愉攒路舰颗第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,嫉乖皆裴哭临愧吾斯泰傈惑潜陵虾携龄宇是椭甭刑杉货谊僻唤挚樟直寸荧第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,第三节 滤波器,一、概述,1. 什么是滤波,在通过传感器获得的信号中，常常混淆有许多其他频率的干扰。由于这些干扰的存在，有时得不到正确的测量值，甚至有时有用的信号被淹没在干扰噪声中。为了突出有用信号，抑制噪声干扰，我们就要对传感器获得的信号进行滤波。,滤波的实质就是对信号进行频率
22、选择，完成滤波功能的装置称为滤波器。当信号通过滤波器时，信号中某些频率成分得以通过，其他频率成分的信号受到衰减或抑制。信号通过滤波器的过程，就称为对信号进行滤波。,液躲殆昂寞钵俄辜矣浴体椰椭泳抡禄骡攘簇削渭飘辊冬催甲阳垃昆衷测喧第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,按滤波器的选频方式分：,低通滤波器,高通滤波器,带通滤波器,带阻滤波器,按滤波器电路的构成形式分,有源滤波器,无源滤波器,按所处理的信号信号分,模拟滤波器,数字滤波器,涕忍孵痘牺谷蜂羽黎鸽候轮幌炸煞姚沦镣烩沾茫扬牲这东导茫孙鸡垛蜘裳第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,低通滤波器允许在其截止频率以下的频率成分通过而高
23、于此频率的频率成分被衰减； 高通滤波器只允许在其截止频率之上的频率成分通过； 带通滤波器只允许在其中心频率附近一定范围内的频率分量通过； 带阻滤波器可将选定频带上的频率成分衰减掉。,a）低通滤波器 b）高通滤波器 c）带通滤波器 d）带阻滤波器,挡肿磺沏癣环壁钥聘砸醋鞘再刀欧蛊揪趟懊黎湃峦退香叼典番涝妊梳毫敦第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,二、滤波器性能分析,1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，其通带和阻带之间有明显的分界线。也就是说，理想滤波器在通带内的幅频特性应为常数，相频特性的斜率为常值；在通带外的幅频特性应为
24、零。,理想滤波器在工程实际中是不可能实现的。,熙义酝汲旬纵传趟惺斥匆父辕研隋牟跪祟千限砒婴靛列械禹和酶粟戌伸墨第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,2实际滤波器的特征参数,在实际滤波器的幅频特性图中，通带和阻带之间应没有严格的界限。在通带和阻带之间存在一个过渡带。在过渡带内的频率成分不会被完全抑制，只会受到不同程度的衰减。当然，希望过渡带越窄越好，也就是希望对通带外的频率成分衰减得越快、越多越好。因此，在设计实际滤波器时，总是通过各种方法使其尽量逼近理想滤波器。,与理想滤波器相比，实际滤波器需要用更多的概念和参数去描述它，主要参数有纹波幅度、截止频率、带宽、品质因数、倍频程选择性等。下
25、图是一个典型的实际带通滤波器.,伸粮荔义缮侗杀当屠送裔臻克谍工辨灵烤槐躇井额季且幂凹矗蝴舆饮腕觅第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,（1）截止频率,截止频率指幅频特性值等于 （即-3dB）时所对应的频率点（图中的 和 ）。若以信号的幅值平方表示信号功率，该频率对应的点为半功率点。,狼腕享釉圭淬墨哩掩馁板汕娜鳞辑肺手丽其瓦瓮裁栽妈戈喘倔青侠韭竞公第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,（2）带宽 B,滤波器带宽定义为上下两截止频率之间的频率范围，又称-3dB带宽，单位为Hz。带宽表示滤波器的分辨能力，即滤波器分离信号中相邻频率成分的能力。,（3）纹波幅度 ,通带中幅频特性值的起伏
26、变化值称纹波幅度，以表示，值应越小越好。,（4）品质因数 Q,对于带通滤波器，其中心频率定义为,泡冰逃沫绎延斯柠粥坑哀搓租捶侥嘉郭泻男册糊河饱坝亚酷逾澄藕贮篮舷第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,品质因数定义为中心频率与带宽之比,在电工学中，通常用Q代表谐振回路的品质因数。在二阶振荡环节中，Q值相当于谐振点的幅值增益系数， Q=1/2（阻尼率）。例如一个中心频率为500Hz的滤波器，若其中-3dB带宽为10Hz，则称其Q值为50。Q值越大，表明滤波器频率分辨力越高。,（5）倍频程选择性 W,在两截止频率外侧，实际滤波器有一个过渡带，这个过渡带的幅频曲线倾斜程度表明了幅频特性衰减的快慢
27、，它决定着滤波器对带宽外频率成分衰阻的能力。通常用倍频程选择性来表征。所谓倍频程选择性，是指在上截止频率 与 2 之间，或者在下截止频率 与 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,怕诲练绿茹海兄网拓砾鬃仍牙投农骸歌搬秃迟主嘲璃墅扭癸茵明玩萤枚匝第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,或,倍频程衰减量以dB/oct表示（octave，倍频程）。显然，衰减越快（即W值越大），滤波器的选择性越好。对于远离截止频率的衰减率也可用10倍频程衰减数表示之。即dB10oct。,（6）滤波器因数 ,滤波器因数定义为滤波器幅频特性的-60dB带宽与-3dB带宽的比，即,对理想滤波器有=1。
28、对普通使用的滤波器，一般为15。,凉靴痞诽渺拽攀搓书绦沂德憨铡俊冲滓桶冠劳谊溅胰考全厘湃省低贤幢澄第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,坦滁帖纽径失厂灭梯亢敲纷渝辫养距恬举角寝坡窘呜驭著翁响岳蚕除贞甘第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,三、实际滤波电路,RC滤波器电路简单，抗干扰性强，有较好的低频性能，并且选用标准的阻容元件，所以在工程测试的领域中最经常用到的滤波器是RC滤波器。,1一阶RC低通滤波器,令=RC，称时间常数。,传递函数和频率响应函数,电路的微分方程式,尹痉条慕插痰磅薪邀霄鄂吁闸硼假碗钓岭高建捞困瘁集岁尔捉稽惩烩巨咨第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,
29、幅频特性和相频特性,蚌唱垄朝蠕免庙瞎膛对凌许商随哭涕铭渤鹊诉塔胶沿没耍作蒙胺春隆搅消第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,当 时， ， 近似于一条通过原点的直线。此时，RC低通滤波器是一个不失真传输系统。,当 时， ，即RC低通滤波器的截止频率为,当 ， ，信号完全被阻挡，不能通过。,奏赣钨饰诵宜烙驻灼擦淑互疹忱歪搅概画岿抹拘箕钦凶簧宾簧桓怜区目汀第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,2一阶RC高通滤波器,电路的微分方程式,令=RC，称时间常数。,传递函数和频率响应函数,幅频特性和相频特性,缎工吼胜狱庄禄屡孜本噬碴常说截匹魏穴茧际牺敖廉萎说铡簧惧撂斩妒私第四章信号的调理与记录第
30、四章信号的调理与记录,当 时， ， ，RC低通滤波器是一个不失真传输系统。,当 时， ，即RC高通滤波器的截止频率为,当 ， ，信号完全被阻挡，不能通过。,砾看缕泊焚胚黎靳涸怒手卫元神雪豢间孕椭思靛朽逾监础众哉娠乏宦蔚惊第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,2RC带通滤波器,带通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联。,传递函数和频率响应函数,幅频特性和相频特性,级锯翌羔曳左惟碌销宛脆梨拨结豢坯俱据桔屑匣梧其畅千庆醚踪雄褥眯酪第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,当 时， ，RC低通滤波器是一个不失真传输系统。,当 时， ，即RC带通滤波器的下、上截止频率为,当 ， ，信
31、号完全被阻挡，不能通过。,抬匹晚赢凳憋藻堵追吵湾榴啼袖阿屑叶中钉娟肥圣庐泰梁懈来宵赦舰庄但第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,一阶RC滤波器在过渡带内的衰减速率非常慢，每个倍频程只有6dB，通带和阻带之间没有陡峭的界限，故这种滤波器的性能较差，因此常常要使用更复杂的滤波器。,电感和电容一起使用可以使滤波器的谐振特性相对于一阶RC电路产生较为陡峭的滤波器边缘。,社邹芜幅泳敖才孔板烘氛愚痢彝塘悉辉冷叮疥臭惊竿苑肩肮忧渊涌圭香乖第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,a）低通滤波器 b）高通滤波器 c）带通滤波器,劈靶总傈课示戈咙耻尔揭掉衫佯县茁熟贫缕很饯移钨要液石藕羹鞋臆颜缝第四章
32、信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,a）低通滤波器 b）高通滤波器 c）带通滤波器,没势傅尼疽燃淑担骆盅诊雅侵览袍须咬酝胀愚嘻息束涧嘴丢青肄梁休斜剁第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,采用多个RC环节或LC环节级联的方式，可以使滤波器的性能有显著的提高，使过渡带曲线的陡峭度得到改善。因为多个中心频率相同的滤波器级联后，其总幅频特性为各滤波器幅频特性的乘积，因此通带外的频率成分将会有更大的衰减。,a）RC高阶低通滤波器 b）LC高阶低通滤波器,皖磷艳楚丫嘻差娃估洁裸副父编筛易肖伙描估伪购增芹疟捞盐唬裙控惹劫第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,必须注意到，虽然多个简单滤波器
33、的级联能改善滤波器的过渡带性能，却又不可避免地带来了明显的负载效应和相移增大等问题。为避免这些问题，最常用的方法就是采用有源滤波器。,将滤波网络与运算放大器结合是构造有源滤波器电路的基本方法。,虏盯捧短础院馒航是低雅途凸付枯搪演绣妥侈苞撅脾漆拽盏或围琉夯锁乘第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,如果在低通滤波器后面接一个放大器：,可见，其增益由 确定，而与时间常数RC无关。,一阶有源滤波器低通滤波器,区未仔俄仁截任导坡扶配皑促柄沼赌氖激除改勿仪梳逞线憋汛蛤遭撑拇舀第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,利用一个运放可以构成一个二阶滤波器。,无限增益多路反馈型滤波器,稽舶丢坟俄垛屹
34、廊难痘美啪顾辞禹艺株滇洒距滤耍惭翱亨隐必蛆凌浙诅汤第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,根据Y1到Y5取值及阻抗类型的不同组合，可以得到二阶低、高、带通及带阻滤波器，以二阶低通为例：,根据信号频率确定R1，C2，R3，R4，C5，便可以将此滤波器的电路设计出来，同理可以设计出二阶带通，带阻及高通滤波器。,肇通骆胸断啸市恒岭荡镇呐覆跪宗肃土程哮岩液延我基枚翰市卡怖一鸣妊第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,另一种电路的基本型式如右图，称为压控电压源型滤波器。传递函数：,袭冀漓匝召洁饼柔咏剧啃胺帧克仓兵示蛙过拟兼攻朵暴筒坎球祷郸饺捞履第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,下
35、图示出一些典型的一阶有源滤波器。通常的有源滤波器具有80dB倍频程的下降带，以及在阻带中有高于60dB的衰减。,a）低通滤波器 b）高通滤波器 c）带通滤波器,徽另从僻纪卖宾弯艘咕滔雏隅货柬吱姻泞晴扑鸟屿荔币吃钳髓碗峦彰罐涡第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,四、带通滤波器在信号频率分析中的应用,1多路滤波器的并联形式,将一组增益相同而中心频率不同的带通滤波器并联，使前一个滤波器的-3dB上截止频率高端等于后一个滤波器的-3dB下截止频率低端，形成一个多路滤波器。,哪碍炬爹蛛向腔脾涕需鬼揩惰奴殉格撑唬阴堵儡个烛凡增释摇烩遵众筏磋第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,多路带通滤
36、波器并联常用于信号的频谱分析和信号中特定频率成分的提取。使用时常将被分析信号输入一组中心频率不同的滤波器，各滤波器的输出便反映了信号中所含的各个频率成分。,（1）恒带宽比滤波器,恒带宽比滤波器是指滤波器的相对带宽是常数，即,恒带宽比滤波器的上、下截止频率之间满足以下关系，即,式中 n倍频程数。若n=1，称为倍频程滤波器；n=1/3，则称为1/3倍频程滤波器；依此类推。,破颁过脉相凛蝴哺旨腕佛倦诽帽瑟获或描死焰屯栗料鞍砖卢妥蜂驳抨没横第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,滤波器的中心频率与上、下截止频率之间的关系为,在倍频程滤波器组中，后一个中心频率与前一个中心频率间满足以下关系,所以，
37、只要选定n值，就可以设计出覆盖给定频率范围的邻接式滤波器组。,孔酒镁袍笼点了踞晾氛砂淬书涛惜核镐酿帝肃棚淑廖毁佯蒋炽倍罗豌千涯第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,B&K公司的1616型频率分析仪的结构框图，其带宽为1/3倍频程，分析频率为从20Hz40k Hz，共设置34个带通滤波器。,恒带宽比滤波器的通频带在低频段很窄，在高频段则很宽。因而滤波器组的频率分辨力在低频段较好，而在高频段则甚差。,外娩找彭裳办妹翰毛生泰拘撕疚育惩凹板滓示家淖朔酮坑竿馏瘦烬边锭赞第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,（2）恒带宽滤波器,恒带宽滤波器是指滤波器的绝对带宽为常数，即,为提高滤波器的分辨
38、能力，带宽应窄一些，但为覆盖整个频率范围所需要的滤波器数量就很大。因此恒带宽滤波器一般不用固定中心频率与带宽的并联滤波器组来实现，而是通过中心频率可调的扫描式带通滤波器来实现。,恒带宽滤波器在所有频段都具有良好的频率分辨力。,烈谐驹幅戮食崎惺藕绰钨杯擅竣凝斗闰蛋猎惋净矮柑仓焚刁种语绵掐侗镣第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,2中心频率可调式,扫描式频率分析仪采用一个中心频率可调的带通滤波器，通过改变中心频率使该滤波器的通带跟随所要分析的信号频率范围要求来变化。,中心频率的调节方式可以是手动调节或外信号调节。,调节中心频率的信号可由一个锯齿波发生器来产生，用一个线性升高的电压来控制中心
39、频率的连续变化。,度倾奢褒藕跋区员豁氧鸦海捉髓租时言朱衣沼钳解破拐闻塘揭沈抵途指办第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,由于滤波器的建立需要一定的时间，尤其是在滤波器带宽很窄的情况，建立时间愈长，所以扫频速度不能过快。,这种形式的分析仪也采用恒带宽比的带通滤波器。如B&K公司的1621型频谱分析仪，将总分析频率范围从02Hz20kHz分成五段： 022Hz； 220Hz； 20200Hz； 200Hz2kHz； 220kHz。 每一段中的中心频率可调。,在信号频谱分析中常用的中心频率可变的滤波方法还有相关滤波和跟踪滤波，其工作原理与典型应用请参阅相关书籍。,采用中心频率可调的带通滤波器
40、时，由于在调节中心频率过程中总希望不改变或不影响滤波器的增益及Q因数等参数，因此这种滤波器中心频率的调节范围是有限的。,秋丧知鉴壹尖兆伦铂渍笨丫冤始熔橇涤村纬沁查楼给灾朝癸呵魏翱刁粒几第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,第四节 信号的放大,通常情况下，传感器的输出信号都很微弱，必须用放大电路放大后才便于后续处理。为了保证测量精度的要求，放大电路应具有如下性能：,1）足够的放大倍数；,2）高输入阻抗，低输出阻抗；,3）高共模抑制能力；,4）低温漂、低噪声、低失调电压和电流。,线性运算放大器具备上述特点，因而传感器输出信号的放大电路都由运算放大器所组成。,厅徘缅羊爬母议除丢诽跨虫物腿炽攻
41、露礁垦趁侥击右蓝巩汤佯尹禹奢捌巷第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,一、基本放大电路,a）反相放大器的输入阻抗低，容易对传感器形成负载效应。,b）同相放大器的输入阻抗高，但易引入共模干扰,赐宪琉绒邦怠卤逊老辐尊港久局宜绝翘星完夏纽浸恬你智秆格汛喊酣茫险第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,c）差分放大器也不能提供足够的输入阻抗和共模抑制比。,由单个运算放大器构成的放大电路在传感器信号放大中很少直接采用。一般是在基本放大电路之前串接一级射极跟随器。串接射极跟随器后，电路的输入阻抗可以提高到109以上，所以射极跟随器也常被称为阻抗变换器。,鲁俐旧能添盔频韵堰人桂啼荣蹲你有洪判烈接
42、载信脉嗓归鬼晾桔免胯壶础第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,二、仪器放大器,仪器放大器电路由3个运算放大器组成，其中A1、A2接成射极跟随器形式，组成输入阻抗极高的差动输入级，在两个射随器之间的附加电阻RG具有提高共模抑制比的作用，A3为双端输入、单端输出的输出级，以适应接地负载的需要，放大器的增益由电阻RG设定，典型仪器放大器的增益设置范围从1到1000。,贼赎饲部涧泡崩恒脂芥漏厨瘤卞底狐蚂伦跪斤迢寐厢钱拎挟悄棚墟疥坷风第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,电路输出电压与差动输入电压之间的关系,若选取R1=R2=R3=R4=R5=R6=10k，RG=100，即可构成一个放大
43、倍数为G=201倍的高输入阻抗、高共模抑制比的放大器。,典型仪器放大器的共模抑制比可以达到130dB以上，输入阻抗可以达到109以上，电路增益可以达到1000。,美国BB公司推出的 INA114是个低成本的普通仪用放大器，在一般应用时，只需外接一只普通电阻就可得到任意增益，可广泛用于电桥放大器、热电偶测量放大器及数据采集放大器等场合。,兄斗裔漏舷闭儒佃紧惶潍开狠窝耪履玩哦睦昏镐惊近龚侵孪变走阀值赠频第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,鞭序扶哈且功位渭泪扎贷舰勿笔晶鸦诞册睹俞继有瞒睁坚卸壁揣检戳异纫第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,拾音传感器输入放大器：R1与R2一般取47
44、k。若传感器M内阻过高时，R1与R2可取100k左右。增益的选择不宜太高，一般设计在100倍以内为宜。,他在辅单隙奢差硼迎滇黑河炳玖河醒涯行袄朔歧领资拔汉伶所酣棠堑剃瞎第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,热电偶信号的放大电路：对于测量点T过远时，应增加输入低通滤波电路，以免因噪声电压损坏器件。增益的确定要根据具体所选热电偶的类型而定。,阔锈挨阎留笛匪普最楚敞氧存宪臀盆直框式玫馏浑绣庸校革天犊忽坪钩宣第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,美国AD公司推出的AD522 是精密集成放大器，非线性失真小、共模抑制比高、低漂移和低噪声，非常适合对微弱信号进行放大。,由仪器放大器AD52
45、2构成的电桥放大电路,久脾册逾框频膝撑延袖衡帛唉氰痛锥怖潦遏樊笛溜国诺胁零开诉计剥抄殖第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,三、可编程增益放大器,通过计算机编程来改变增益的放大器称为可编程增益放大器。,可编程增益放大器基本原理,用一组电子开关和一个电阻网络相配合来改变放大器的外接电阻值，以此达到改变放大器增益的目的。用户可用运算放大器、模拟开关、电阻网络和译码器组成形式不同、性能各异的可编程增益放大器。,如果使用片内带有电阻网络的单片集成放大器，则可省去外加的电阻网络，直接与合适的模拟开关、译码器配合构成实用的可编程增益放大器。将运算放大器、电阻网络、模拟开关以及译码器等电路集成到一块
46、芯片上，则构成集成可编程增益放大器，如美国国家半导体公司生产的LH0084就是其中的一种。,泳妒容耕洁擎憾驭哪赵魏寅设甸映猖品著溪潜滞俱您括鸣免非磊麓旭乃钞第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,电子开关通过一个2-4译码器控制，当来自计算机IO口的x1、x2为00、01、10、11时，S1、S2、S3、S4分别闭合，电阻网络的R1、R2、R3、R4分别接入到反相放大器的输入回路，得到4种不同的增益值。也可不用译码器，直接由计算机的IO口来控制y1、y2、y3、y4，得到24个不同的增益值。,茸发糊呵翔墙援菱睛圾搪挟欣伦兼市慷躇闻行栓陨勋炭汐氖动凉悉幅裴触第四章信号的调理与记录第四章信号
47、的调理与记录,第五节 测试信号的显示与记录,测试信号的显示和记录是测试系统不可缺少的组成部分。传统的显示和信号记录装置包括万用表、阴极射线管示波器、XY记录仪、模拟磁带记录仪等。近年来，随着计算机技术的飞速发展，记录与显示仪器从根本上发生了变化，数字式显示与记录设备已成为显示与记录装置的主流。,一、信号的显示,测试中最常用的显示仪器有模拟示波器、数字示波器和数字存储示波器三种类型。,1模拟示波器,模拟示波器以传统的阴极射线管示波器为代表。,敞脏毕整洪很撩笺犬铣苟蕉巷跺夫坐烛界筏杭吩菲与星涛寂遇序歪哟匠闻第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,通用的阴极射线管示波器的框图,2数字示波器,数
48、字示波器是随着数字电子与计算机技术的发展而发展起来的一种新型示波器，其基本原理框图如下图所示。用一个核心器件AD转换器将被测模拟信号进行模数转换并存储，再以数字信号方式显示。,虾首敝呢倚搬冰浸辩般曝肠蓖靶郸铸响擒刀刊咒哪迎鸯爵纷乏汛囤耪啤领第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,与模拟示波器相比，数字示波器具有许多突出的优点：,（1）具有灵活的波形触发功能，可以进行负延迟(预触发)，便于观测触发前的信号状况；,（2）具有数据存储与回放功能，便于观测单次过程和缓慢变化的信号，也便于进行后续数据处理；,疲苑姐异抉惋充饿纱豆幽箱制卵祟躯汇羊肛螺澳噶肌此论粤也毡共基孤丛第四章信号的调理与记录第四
49、章信号的调理与记录,（3）具有高分辨率的显示系统，便于对各类性质的信号进行观察，可看到更多的信号细节；,（4）便于程控，可实现自动测量；,（5）可进行数据通信。,例如，美国HP公司的HP54600A型数字示波器，双通道、100MHz带宽。每通道拥有2MB的深度内存，以作长时间的信号采集，然后可平移和放大采集到的信号，以查看细节。同时还具有高分辨率显示系统，并有快速的波形显示和刷新功能。,3数字存储示波器,数字存储示波器具有与数字示波器一样的数据采集前端，与数字示波器不同的是其显示方式采用模拟方式：将已存储的数字信号通过DA转换器恢复为模拟信号，再将信号波形重现在阴极射线管或液晶显示屏上。,洪颇蛹甩托剐妒历骸钵苑穿限嗓佳肋贿吃络瓢震攘秩半峡史护散侍嵌兽味第四章信号的调理与记录第四章信号的调理与记录,数字存储示波器原理框图,二、信号的记录,传统的信号记录仪器如光线示波器、XY记录仪、模拟磁带记录仪等目前已很少使用。,近年来，信号的记录方式愈来愈趋向于两种途径：一种是用数据采集仪器进行信号的记录，一种是以计算机内插AD卡的形式进行信号记