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1、信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。信号调理的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的目的 1.1.传传感感器器输输出出的的电电信信号号很很微微弱弱，大大多多数数不不能能直直接接输输送送到到显显示示、记记录录或或分分析析仪仪器器中中去去，需需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。2.2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪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。声，需要去掉噪声，提高信噪比。3.3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要某些场合，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。对传感器
2、测量信进行调制解调处理。第五章第五章信号调理、处理和记录信号调理、处理和记录第五章 信号调理、处理和记录 1 电桥 2 调制与解调 3 滤波器 4 放大器5 信号的指示和记录装置返 回1 电 桥电桥电桥:是将电阻、电感、电容等参量的变化变为是将电阻、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。电压或电流输出的一种测量电路。分类：分类：按激励电压的性质按激励电压的性质:直流电桥直流电桥 交流电桥交流电桥 按输出方式按输出方式:不平衡桥式电路不平衡桥式电路 平衡桥式电路平衡桥式电路目 录一、直流电桥 1、平衡条件 为直流电源要使电桥平衡，输出为零，应满足 为输出电压上 页目 录2、输出
3、特性、输出特性（1）半桥单臂接法）半桥单臂接法 输出电压为了简化设计，取相邻两桥臂电阻相等，为了简化设计，取相邻两桥臂电阻相等，即若 ，则输出电压因 ，所以上 页目 录可见，电桥的输出 与激励电压 成正比，且在 条件下，与 成正比。灵敏度上 页目 录（2）半桥双臂接法）半桥双臂接法输出输出灵敏度灵敏度与半桥单臂相比，灵敏度提高了一倍，电桥的输出与与半桥单臂相比，灵敏度提高了一倍，电桥的输出与 成完全线性关系。成完全线性关系。（注意：一般两个应变片异号，放置在相邻的两个桥注意：一般两个应变片异号，放置在相邻的两个桥臂上。臂上。）（3）全桥接法当输出 灵敏度上 页目 录电桥加减特性电桥加减特性 上
4、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，或环境温度变化时，会引起电桥输出的变化，从而产生测量误差。因此，在某些情况下采用平衡电桥。3、平衡电桥、平衡电桥设被测量等于零时，电桥处于平衡状设被测量等于零时，电桥处于平衡状态，此时指示仪表态，此时指示仪表G及可调电位器及可调电位器H指零。指零。当某一桥臂随被测量变化时，电桥失当某一桥臂随被测量变化时，电桥失去平衡，调节电位器去平衡，调节电位器H，改变电阻改变电阻R5触点位置，可使电桥重新平衡，电表触点位置，可使电桥重新平衡，电表G指针回零。指针回零。电位器电位器H上的标度与桥臂电阻值的变上的标度与桥臂电阻值的变化成比例，故化成比例，
5、故H的指示值可以直接表的指示值可以直接表达被测量的数值。达被测量的数值。上 页目 录4.电桥加减特性的使用 进行温度补偿,增加测试的精度.从复合受力中提取某一单一力可以提高系统灵敏度.二、交流电桥二、交流电桥交流电桥采用交流激励电压。电桥的四个臂可为电感、电容或电阻。电桥平衡条件把各阻抗用指数式表示代入上式上 页目 录阻抗角是各桥臂电流与电压之间的相位差。纯电阻时电流与电压同相位，=0；电感性阻抗，0；电容性阻抗，0。上 页目 录电桥平衡必须满足两个条件其中，为各阻抗的模；为阻抗角。电容传感器 电感传感器 电阻传感器上 页目 录例子：例子：P84习题习题51第二节第二节调制与解调调制与解调1
6、1 目的目的 解决微弱缓变信号的放大以及信号解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。的传输问题。微弱的缓变信号微弱的缓变信号采用直流放大器放大，采用直流放大器放大，将会受到零点漂移的影响。当漂移信号大小将会受到零点漂移的影响。当漂移信号大小接近或超过被测信号时，经过逐级放大后，接近或超过被测信号时，经过逐级放大后，被测信号会被零点漂移淹没；被测信号会被零点漂移淹没；先将微弱的缓变信号加载到高频交流信先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器进行放大，最号中去，然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号变信
7、号。2 2 种类种类调制信号调制信号x(t)x(t)0 0t t载波信号载波信号z(t)z(t)0 0t ta)a)幅度调制幅度调制(AM)(AM)b)b)频率调制频率调制(FM)(FM)c)c)相位调制相位调制(PM(PM)3 3 幅度调制幅度调制 调调幅幅是是将将一一个个高高频频正正弦弦信信号号（或或称称载载波波）与与测测试试信信号号相相乘乘，使使载载波波信信号号幅幅值值随随测测试试信信号号的的变变化而变化化而变化缓变信号缓变信号调制调制高频信号高频信号放大放大放大高放大高频信号频信号解调解调放大缓放大缓变信号变信号为了减小信号频率混叠、失真，必须遵循香农定理。为了减小信号频率混叠、失真，
8、必须遵循香农定理。香农定理：香农定理：实际载波频率常至少数倍甚至数十倍于调制信号最高实际载波频率常至少数倍甚至数十倍于调制信号最高频率。频率。常见调幅器件：常见调幅器件：交流电桥交流电桥 霍尔元件霍尔元件 4、解调、解调（1）同步解调）同步解调 把调幅波再次与原载波信号相乘后，用一把调幅波再次与原载波信号相乘后，用一个低通滤波器滤去高频成分，这样就可以得到个低通滤波器滤去高频成分，这样就可以得到原始信号原始信号,但其幅值减小了一半，这一过程称为但其幅值减小了一半，这一过程称为同步解调。同步解调。“同步同步”指解调时所乘的信号与调制时的载波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
9、信号具有相同的频率和相位。x(t)乘法器低通载波y(t)调幅波需要性能良好的需要性能良好的线性乘法器件。线性乘法器件。（2 2）包络检波和相敏检波）包络检波和相敏检波 把调制信号进行偏置，叠加一个直流分量把调制信号进行偏置，叠加一个直流分量A，使偏使偏置后的信号都具有正电压，那么调幅波的包络线将具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。有原调制信号的形状。偏置电压不够大偏置电压不够大 偏置电偏置电压足够压足够大大 把该调幅波简单地整流、滤波就可恢复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，原调制信号。如果原调制信号中有直流分量，则在整流
10、后应准确地减去所加的偏置电压。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零线的一侧，则对调幅波简单地整流不能恢复原调制信号。复原调制信号。相敏检波相敏检波技术可解决此问题。技术可解决此问题。（3）、相敏检波）、相敏检波A54123BCd.上 页目 录工作原理：工作原理：调幅波与载波调幅波与载波y(t)同相：同相：取调幅波上半部分取调幅波上半部分（原信号原信号x(t)为正）为正）调幅波与载波调幅波与载波y(t)异相：异相：取调幅波下半部分取调幅波下半部分 （原信号（原信号x(t)为负）为负）上
11、页目 录动态电阻应变仪上 页目 录5 5 频率调制频率调制 调调频频是是利利用用信信号号x(t)x(t)的的幅幅值值调调制制载载波波的的频频率率，或或者者说说，调调频频波波是是一一种种随随信信号号x(t)x(t)的的电电压压幅值而变化的疏密度不同的等幅波幅值而变化的疏密度不同的等幅波.鉴频：鉴频：T1T2T3T4F1、调频方法、调频方法LC调谐振荡器调谐振荡器 2、解调频、解调频鉴频鉴频思路：思路：调频波调频波调频调幅波调频调幅波调制信号调制信号 包络检波低通滤波变压器耦合变压器耦合优点：抗干扰能力强。优点：抗干扰能力强。调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅
12、所要求带宽的所要求带宽的2020倍；调频系统较之调幅系统复倍；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率调制足一种非线性调制。杂，因为频率调制足一种非线性调制。因为调频信号所携带的信息包含在频率变化因为调频信号所携带的信息包含在频率变化之中，并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主之中，并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主要表现在振幅之中要表现在振幅之中 缺点：占频带宽度大，复杂缺点：占频带宽度大，复杂第三节第三节 滤波器滤波器一、概述一、概述1、作用、作用：进行频谱分析进行频谱分析 滤除干扰噪声滤除干扰噪声2、分类、分类 低通滤波器低通滤波器按选频作用分按选频作用分 高通滤波器高通滤波器 带通滤波器带通
13、滤波器 带阻滤波器带阻滤波器 RC谐振滤波器谐振滤波器按构成元件类型分按构成元件类型分:LC谐振滤波器谐振滤波器 晶体谐振滤波器晶体谐振滤波器按构成电路性质分按构成电路性质分:有源滤波器有源滤波器 无源滤波器无源滤波器按所处理的信号信号分按所处理的信号信号分:模拟滤波器模拟滤波器 数字滤波器数字滤波器上 页目 录二、理想滤波器二、理想滤波器若滤波器的频率响应H(f)满足条件则称为理想低通滤波器。理想低通滤波器。其他脉冲响应函数脉冲响应函数在频域为矩形窗函数的“理想”低通滤波器的时域脉冲响应函数是sinc函数。如无相角滞后，即 t=0，则h(t)具有对称的图形。理想滤波器是不能实现的。理想滤波器
14、是不能实现的。因为因为h(t)是滤波器在是滤波器在(t)作用下的输出，其图形作用下的输出，其图形却表明，在输入却表明，在输入(t)到来之前，即到来之前，即t0,滤波器就滤波器就有了与输入相对应的输出。显然，这违背了因有了与输入相对应的输出。显然，这违背了因果关系，任何现实的滤波器不可能有这种预知果关系，任何现实的滤波器不可能有这种预知未来的能力，所以理想低通滤波器是不可能存未来的能力，所以理想低通滤波器是不可能存在的。在的。可以推论，理想的高通、带通、带阻滤波器都可以推论，理想的高通、带通、带阻滤波器都是不存在的。是不存在的。三、实际三、实际RC调谐式滤波器调谐式滤波器（一）基本参数（一）基本
15、参数1、纹波幅度、纹波幅度d 波动幅度波动幅度d与幅频特性的平均值相比，越小越好，一与幅频特性的平均值相比，越小越好，一般应远小于般应远小于-3dB，即，即 2、截止频率截止频率 3、带宽、带宽B和品质因数和品质因数Q值值上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽B。中心频率 和带宽B之比称为滤波器的品质因数Q。带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力频率分辨力频率分辨力4、倍频程选择性、倍频程选择性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决定着滤波器对带宽外频率成分衰阻的能力。倍频程选择性是指在上截止频率 与 2 之
16、间，或者在下截止频率 与 /2 之间幅频特性的衰减量。5、滤波器因数、滤波器因数 滤波器选择性还有另一种表示方法，就是用滤波器幅频特性的-60dB带宽与-3dB带宽的比值:理想滤波器 ，通常使用的滤波器（二）RC调谐式滤波器的基本特性1、一阶RC低通滤波器电路的微分方程式：令=RC，称时间常数。传递函数1、当、当 时，时，A(f)=1,(f)-f 近似于一条通过原点的直线。近似于一条通过原点的直线。此时，此时，RC低通滤波器是一个不失低通滤波器是一个不失真传输系统。真传输系统。2、当、当 时，时，即，即 表明，表明，RC值决定着上截止频率值决定着上截止频率。3、当、当 时，输出时，输出 与输入
17、与输入 的积分成正比，即的积分成正比，即 此时，此时，RC低通滤波器起着积分器的作用低通滤波器起着积分器的作用。2、RC高通滤波器高通滤波器微分方程式令RC=，则传递函数1、当 时，滤波器的-3dB截止频率为2、当 时，；RC高通滤波器可视为不失真传输系统。3、当 时，输出与输入的微分成正比，RC高通滤波器起着微分器的作用。3、RC带通滤波器带通滤波器带通滤波器可看成是低通滤波器和高通滤波器串联组成。串联所得的带通滤波器以原高通滤波器的截止频率为下截止频率，即其上截止频率为原低通的截止频率，即分别调节高、低通环节的时间常数（及 ），就可得到不同的上、下截止频率和带宽的带通滤波器。注意：注意：当
18、低通滤波器和高通滤波器串联时，应消除两级间的负载效应。实际上常用运放进行两级间隔离。四、恒带宽比滤波器和恒带宽滤波器 上 页目 录（一）（一）恒带宽比滤波器恒带宽比滤波器 带宽比 常说的倍频程或常说的倍频程或1/3倍频程滤波器就是恒带宽比滤波器。倍频程滤波器就是恒带宽比滤波器。若一个带通滤波器的低端截止频率为 ，高端截止频率为 ，则其关系为：,n称为倍频程数。滤波器中心频率恒带宽比滤波器的频率分辨力在低频段较好，在高频段则恒带宽比滤波器的频率分辨力在低频段较好，在高频段则甚差。甚差。（二）恒带宽滤波器常数恒带宽滤波器在所有频段都具有同样良好的频率分辨力。1 1 基本放大器基本放大器 许多集成运
19、放的功能电路都是在反相和同相两许多集成运放的功能电路都是在反相和同相两种放大电路的基础上组合和演变而来的。种放大电路的基础上组合和演变而来的。电压增益电压增益:1)1)反相放大器反相放大器 反相放大器的输入电阻近似为反相放大器的输入电阻近似为R1，其输出电阻趋于零。，其输出电阻趋于零。第四节第四节 信号放大信号放大 2)2)同相放大器同相放大器 同相放大器具有输入电阻为无限大，而输出同相放大器具有输入电阻为无限大，而输出电阻仍趋于零的特点，广泛用于前置放大级。电阻仍趋于零的特点，广泛用于前置放大级。电压跟随器电压跟随器：在测试系统中常用作阻抗在测试系统中常用作阻抗变换器。把具有高输出阻抗的变换
20、器。把具有高输出阻抗的电路和低输入阻抗的电路连接电路和低输入阻抗的电路连接起来。起来。二、测量放大器（二、测量放大器（仪表放大器）具有很高共模抑制比，高增益、低噪声、高输入阻抗的放大器，也称仪表放大器。Al、A2为两个性能一致运放，A3工作于差动放大方式，作用是进一步抑制A1、A2的共模信号。对于电阻桥或热电偶后续的放大常采用仪表放大器在热电偶和电阻桥的应用中，差模电压总是相当小（几毫伏到十几毫伏），而两个输入端输入的同极性、同幅值的电压约为2.5V，还有对测量无用的共模分量，所以理想的仪表放大器应该放大输入端两信号的差值，任何共模分量都必须被抑制。目前已开发出各种高质量的单片集成测量目前已开
21、发出各种高质量的单片集成测量放大器，通常只需外接电阻，用于设定增放大器，通常只需外接电阻，用于设定增益。特点是外接元件少，使用灵活，能够益。特点是外接元件少，使用灵活，能够处理处理几微伏到几伏的电压信号几微伏到几伏的电压信号。交流放大电路交流放大电路 若只需要放大交流信号，可采用图示的集成若只需要放大交流信号，可采用图示的集成运放交流电压同相放大器。其中电容运放交流电压同相放大器。其中电容C1C1、C2C2及及C3C3为隔直电容。为隔直电容。第五节 信号的指示和记录装置 上 页目 录一、笔式记录仪一、笔式记录仪二、光线示波器二、光线示波器三、磁带记录器三、磁带记录器一、笔式记录仪一、笔式记录仪
22、 二、光线示波器二、光线示波器三、磁带记录器三、磁带记录器 磁带记录按照信号记录方式可分磁带记录按照信号记录方式可分数字式数字式DV的磁带的磁带模拟式模拟式录音机磁带录音机磁带 四、四、数字式数字式LED显示记录装置显示记录装置 五、液晶显示器五、液晶显示器(LCD)六、图像显示器六、图像显示器阴极射线管是图像显示器的主要部分。阴极射线管是图像显示器的主要部分。阴极射线管阴极射线管1-阴极阴极2-栅极栅极3-阳极阳极4-聚焦系统聚焦系统5-y偏转系统偏转系统6-x偏偏转系统转系统结 束第四节第四节 信号放大信号放大 分类分类放大器放大器直流放大器直流放大器交流放大器交流放大器测量放大器测量放大
23、器电荷放大器电荷放大器特点特点低频保留低频保留,高频截止高频截止高频保留高频保留,低频截止低频截止幅度调制与解调过程（波形分析）幅度调制与解调过程（波形分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器乘法器滤波器滤波器z(t)x(t)幅度调制与解调过程（频谱分析）幅度调制与解调过程（频谱分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器乘法器滤波器滤波器z(t)x(t)幅度调制与同步解调过程（数学分析）幅度调制与同步解调过程（数学分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器乘法器滤波器滤波器z(t)x(t)阶跃响应给滤波器以单位阶跃输入u(t)，滤波器的输出y(t)将是该输入和脉冲响应函数h(t)的卷积：有时移有时移 输出从零值（a点）到应有稳定值（b点）需要一定的建立时间 所以，低通滤波器对阶跃响应的建立时间和带宽B(即通频带的宽度，对于低通滤波器，)成反比，即:BTe=常数 对其它滤波器(高通、带通、带阻)这一结论也适用。含义：含义：B越窄，滤波器的分辨率越高，则越容易从信号中选取某一频率成分，但需要足够的时间来进行（Te较大）。一般取BTe=510