信号的调理与记录

调制信号加偏置的调幅波
•整流检波
•相敏检波 •同步解调
31
6信号的调理与记录
相敏检波解调电路
6.3 调制与解调
xm(t)
xm(t)
0
x(t)
0
a
b
g
A D2
D1
C
ec
D4 a D3
t y(t)
b t0
d f
B
y(t) uf (t)
0 t
相敏检波
uf Rf
t
32
6信号的调理与记录
6.2.2 频率调制与解调
U
0
记
加减特性： •相对加
R1 R3 R2
R2 R4 R3 R1 R4 R2 (R1 R2 )(R3 R4 )
U0
(1
R1 R2 R1)2
U
0
(
R1 R1
R2 R2
R3 R3
R4 R4
)
•相邻减
1 4
U
0
K
(
1
2
3
4)
9
6信号的调理与记录
2.应变计串并联组成桥臂
U BD
1 4
U
0
(
R1 R1
R4 R4
)
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。
12
6信号的调理与记录
6.1 电桥
μ=0.3
ε=200με
13
6信号的调理与记录
1[X( f )( f
2
f0)
X(f
)( f
f0 )]
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．
25
6信号的调理与记录
调幅过程时频域图形
6.3 调制与解调
x(t) y(t)=cos2f0t 0 x(t) 0 xm(t)
0 a) 时域波形
调制器 xm(t)= x(t) cos2f0t
R1 R1 R1, R2 R2 R2， R3 R3 R3, R4 R4 R4
U BD
(
R1R3 R1 R2
)(
R2 R3
R4 R4
)
U
0
U BD
(R1 R1)(R3 R3) (R1 R1 R2 R2
)(
(R2 R2 )(R4 R4 ) R3 R3 R4 R4 )
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 器测量信号进行调制解调处理。 信号调理环节有：电桥、放大器、滤波器、调制器与解调器。
•对调制信号进行偏置，a)
使其大于零;
b)
•对载波进行调制;
•将该调制波进行整流 c)
（半波或全波）
d)
•滤波并消除直流偏置 e)
•可恢复原信号。
f)
整流检波解调
30
6信号的调理与记录
偏置电压不足
6.3 调制与解调
x(t)
x(t)
A
A
0
t
0
t
xm(t)
xm(t)
0
0
t
t
a) 偏置电压足够大
b) 偏置电压不足
6信号的调理与记录
1
6信号的调理与记录
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。
2
6信号的调理与记录
信号调理的目的
信号调理的目的是便于信号的传输与处理。
U0
U BD 'U BD U BD ' 1 R1 R2 1 R1 R1
U BD
U BD
R1 R1 R2
R1 R2 2R1
K
2
14
6信号的调理与记录
•双臂工作
6.1 电桥
U BD'
(R1
R1R3 R1 R2
R2R4 R2 )(R3
R4 ) U0
R1 R2 1 ( R1 R2 )
R1 R i1 1i
•对两边求导数，用增量代替微分并代入
应变计阻值，有
R1 1 n R1i
R1 n i1 R
•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。
11
6信号的调理与记录
提高电桥输出的措施
6.1 电桥
增加电桥工作臂数。
U BD
1 4
U
0
(
R1 R1
R2 R2
R3 R3
y(t)
Y(f)
1/21/2t Nhomakorabeaf 0
0
f0
f
X(f) 1
t
f m 0
fm
f
Xm(f)= X(f) Y(f)
1/2
1/2
t
f 0
0
f0
调幅过程
b) 频域谱图
f
26
6信号的调理与记录
幅值调制的说明
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。
a
I1
I2
R2
c
R4
R3
d
b
b
R1 R1
R2 R2
R1 R1
R2 R2
uo a
I1
I2
c uo a
I1
I2
c uo
R4
R3
d
R4 R4 R3 R3 d
ui
a) 半桥单臂
ui
直流电桥的联接方式
b) 半桥双臂
ui
c) 全桥
7
6信号的调理与记录
6.1.1 直流电桥
桥臂，输入端，输出端。
I1
6.3 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。
• 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 + K x(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。
3
6信号的调理与记录
4
6信号的调理与记录
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
•求 UBD=?
UBD U BA U DA
I2
UBA I1R1 UDA I2 R4
I1
Uo R1 R2
I2
Uo R3 R4
R R R R UBD
( R1 R1 R2
R4
) U0
R3 R4
电桥的平衡条件
R1R3 R2 R4
U0
13
24
(R1 R2 )(R3 R4 )
8
6信号的调理与记录
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。
22
6信号的调理与记录
调幅波
图例说明
5.3 调制与解调
调频波 23
6信号的调理与记录
6.2.1 幅值调制与解调
6.3 调制与解调
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。
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6信号的调理与记录
幅值调制信号的解调
6.3 调制与解调
• 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”
3. 电桥输出的非线性
6.1 电桥
U BD
R1R3 R2R4 U 0 (R1 R2 )(R3 R4 )
半桥单臂，输出电压
实际输出电压
UBD '
(
( R1 R1 )R3 - R2R4 R1 R1 R2 )( R3 R4
)
U0
线性化表达式
U BD
( R1 R1 )R3 - R2R4
( R1 R2 )( R3 R4 )
R1 R2
2 R1 R2
若 R1 R2 有
U BD
2
R1 4 R1
U0
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。
15
6信号的调理与记录
6.1.3 交流电桥
交流电桥——输入电源为交流电源。
平衡条件
Z1Z3 Z2Z4
Z Z e j(13 ) 13
Z Z e j(2 4 ) 24
5
6信号的调理与记录
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R1＝R2＝R3＝R4， 或电源端对称电桥，即R1＝R2，R3 ＝R4。
单臂工作；双臂工作；四臂工作。 半桥；全桥。
6
6信号的调理与记录
b
R1 R1
• 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。
xm(t) 调幅波
乘法器
低通滤波
x(t)
载波y(t)
Xm(f)
1/2
1/2
f 0
0
Y(f) 1/2
f0
f
1/2
1/4
2 f 0
f 0
0
f0
f
Xm(f) Y(f) 1/2
低通
1/4
？？
f cf m 0 f m f c
2 f0
同步解调
28
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解调
5.3 调制与解调
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。
从时域看：
x(t) cos 2
f0t cos 2
f0t
1 2
x(t )
1 2
x(t) cos
4
f0t
29
6信号的调理与记录
整流检波解调
6.3 调制与解调
R3
R4
1 R1
jC1
1 R2
jC2
R1R3 R2R4 C1R4 C2R3
6.1 电桥
16
6信号的调理与记录
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。
35
6信号的调理与记录
6.3 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
f0t
x(t)e j 2
] f0t
24
6信号的调理与记录
幅值调制的工作原理
6.3 调制与解调
由傅里叶变换的卷积性质
x(t) y(t) X???(??f??)?*??Y???(??f?)
而
c os 2f 0 t
1 [ ( f
2
???f?0?)?????(??f????f0 )]
则
x(t) cos 2f0t
20
6信号的调理与记录
解决办法
6.3 调制与解调
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。
21
6信号的调理与记录
调制与解调
6.3 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。
实现下列读数？
(1)ε； (2) (1+μ)ε； (3) 4ε； (4) 2(1+μ)ε； (5) 0； (6) 2ε。
图 等强度梁的布片和组桥
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6信号的调理与记录
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6.2 调制与解调
调制目的 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。
幅值调制的工作原理
设调制信号为 x(t) ，其最高频率成分为 fm ， 载波信号为 cos 2f0t ， f0 f m 。则有调幅波：
x(t) cos 2f0t
1 [ x(t)e j 2 2
R2 R2
R3 R3
R4 ) R4
(1) 桥臂串联
n
1 4
U
0
K
(1
2
3
4)
U BD
U0 4
Ri
i 1
nR
U0 4n
n i 1
Ri R
Ri 均等于 R
U BD
U0 4
R R
10
6信号的调理与记录
(2)桥臂并联
U BD
1 4
U
0
(
R1 R1
R2 R2
R3 R3
R4 R4
)
5.1 电桥
1 n 1
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。
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6信号的调理与记录
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μ，在力P的作用下， 梁的轴向应变为ε，用静态应变仪测量时，如何组桥方能
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6信号的调理与记录
6.3 调制与解调
调频波与调制信号幅值的关系图
1 0.8 0.6 0.4 0.2
0 0
1
0.5
0
-0.5
-1 0
50
100
150
200
1 0.5
0 -0.5
-1 0
1