4章 信号调理、处理和记录

乘法器
滤波器

1 1 X m 0 X m 0 2 2
xm t x t cos 0t
y t cos 0t
x twenku.baidu.com
2016年10月20日2时17分
23
4.2 调制与解调
包络(整流)检波解调 若对信号x(t)进行偏置，叠加一个直流分量D，使偏置后的信号 都具有正电压 ,然后再与高频载波相乘得到调幅波，其包络线 具有调制波的形状。调幅波经过包络检波（整流、滤波）就可 以恢复偏置后的信号。
U1 E 2 U2 E R 1 2 R
Uo
RF R R R (U 2 U1 ) F (U 2 U1 ) E F R1 / / R2 R2 R R
输出电压与桥臂电阻 R 有关
2016年10月20日2时17分
38
4.3 放大器
为了排除 R 的影响，采用电 桥电源浮置法
前向通道： 反馈通道： 振荡条件：
H ( )
F ( )
1 j RC
uz 0.1ux uy
H ()F () 1

2016年10月20日2时17分
0.1u x RC
30
4.2 调制与解调
调频波的解调
T2 T4
T1 A
T3
最简单的一种是将调频波放大，限幅成为方波，然后取其 上升（或下降）沿转换为脉冲，脉冲的疏密就是调频波的疏密 。每个脉冲触发一个定时的单稳态触发器，这样可以获得一系 列时宽相等，疏密随调频波频率而变的单向窄矩形波。这样就 得到了将频率变化向电压变化的转换，取其瞬时平均电压就反 映了原信号电压的变化。
2016年10月20日2时17分
2
第四章
信号的调理与记录
对象 电参数： 电容 电阻 电感 电信号： 电压 电流 电量 功能 信号调理： 隔离 变换 放大 滤波 目的 标准信号： 电流 电压 频率 便于 传输/接收 显示/记录
传感器
2016年10月20日2时17分
3
第四章
信号的调理与记录
2016年10月20日2时17分
f
1
f f 0 f f 0 (1
回路的振荡频率和调谐参数的变化呈线性关系
2016年10月20日2时17分
29
4.2 调制与解调
压控振荡器调频 由集成运算放大器组成的电压–频率变换电路，简称压– 频变换电路，其特点是输出信号的频率与输入电压成正比。
u0 1 积分器A2： uz jRC uy H ( ) 1 正反馈放大器A1： 1 u0 H 2 ( )
乘法器
载波频率？
x t
用不同频率的载波对不同被测信号进 xm t x t cos 0t
2016年10月20日2时17分
行调制后，能够移动它们的频谱位置， 使它们互相不发生覆盖。 22
4.2 调制与解调
同步解调原理
1 xm (t ) cos(0t ) x(t)cos2 0t 1 2 x(t ) 2 x(t )cos(20t )
y(t ) A cos(2 [ f 0 x(t )]* t )
调频波的瞬时频率可表示为 f f 0 f
优点：抗干扰能力强、便于远距离传输、不易错乱、跌落和 失真，容易采用数字技术和计算机相连接。 缺点：调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的 20倍；调频系统比调幅系统复杂，因为调频是一种非线性调制。
2016年10月20日2时17分
28
4.2 调制与解调
谐振电路调频 对自激振荡器的谐振回路，当被测量在小范围内变化时，电 容（电感）也有与之对应的、接近线性的变化
2 LC f 1 1 1 f ( )( )( LC ) 1.5 L ( ) C 2 2 2 C
f ( f 0 C ) 2 C0 C ) 2C0
26
4.2 调制与解调
例：动态应变仪
电桥电源频率和标准信号为同频率； 被测信号为负，使原载波信号反向。 输出信号的幅值大小与载波信号无关。
2016年10月20日2时17分
27
4.2 调制与解调
4 频率调制与解调 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 疏密不同的等幅波，疏密度随信号x(t)的幅值而变。
y(t ) A cos(2 [ f 0 x(t )]* t )
b) 频率调制(FM)
c) 相位调制(PM)
2016年10月20日2时17分
y(t ) A cos(2ft [0 x(t )])
20
4.2 调制与解调
3 调幅及解调 调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号 相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化．
2016年10月20日2时17分
15
4.1 电 桥
直流电桥的优点： 所需高稳定的直流电源容易获得 电桥输出是直流，可以用直流仪表测量 对连接导线要求较低
电桥的平衡电路简单
交流电桥的优点： 可测量为电阻、电容、电感 可测量为调制波，外界工频干扰不易从线路引进 看后接的交流放大电路简单而无零漂
带感应耦合臂的电桥 Z4 U1 W1
变压器电桥
i1 Z1
i
G Z3 W1 G
U0～
U2 W2
W2 U0～
i2 Z3
i
感应耦合臂代以差动式三绕组电感传感器，通过敏感元件铁芯， 将被测位移量转换为绕组间互感变化。
2016年10月20日2时17分
18
4.2 调制与解调
1 目的 微弱缓变信号的放大 信号的远程传输
33
4.3 放大器
性能要求：
1)高阻抗输入: 隔离前级。 2)低阻抗输出: 提高驱动能力。 3)规范输出：±5V电压；4~20mA电流。 4)抗干扰：共模抑制。 5)低温漂、低噪声、低失调电压。
2016年10月20日2时17分
34
具有理想参数的运算放大器叫理想运算放大器。
特点
rd
U U I入 0 rd
y(t ) [ A0 * x(t )]cos(2ft )
2016年10月20日2时17分
21
4.2 调制与解调
调幅原理
1 1 1 j 0t j 0t x t cos 0t [ x t e x t e ] X 0 X 0 2 2 2 y t cos 0t
8
4.1 电 桥
案例：
F'
受压时，如何接到电桥的两个臂上？
受拉时呢？ 只有一个工作臂时如何补偿温度误差？ 两个力同时作用时，如何分别测量F和F呢？
2016年10月20日2时17分
9
4.1 电 桥
案例：
使用两组差动变化，组成全桥，进一步提高 灵敏度？
2016年10月20日2时17分
10
4.1 电 桥
第四章
绪论
信号的调理与记录
信号及其描述
测试装置的基本特性 测试技术 & 信号处理
常用传感器与敏感元件 信号的调理与记录 信号处理初步
振动测试与虚拟仪器技术
2016年10月20日2时17分
1
第四章
信号的调理与记录
主要研究内容： 1.电桥电路原理 2.信号调制解调原理
3.信号滤波器工作原理
4.放大器原理
2.放大。
2016年10月20日2时17分
条件：相邻异性，相对同性。
7
4.1 电 桥
电桥的接法：
R1 R2 R3 R4 R
Uo S R / R
R1 R2 R3 R4 R
单臂
半桥
全桥
S U / 4
2016年10月20日2时17分
S U / 2
S U
R4 R4 R4
1 R1 R2 R3 R4 U db ( )U 4 R1 R2 R3 R4
2016年10月20日2时17分
6
4.1 电 桥
性质： 1.与输入电压成正比。 2.与桥臂电阻变化率的代数和成正比。 3.相邻臂电阻变化率符号相反，相对臂电阻变化 率符号相同。 作用： 1.补偿。 同符号干扰量接法？
Zc
r c
1 jc
ZR
C
r
R
相邻臂为纯电阻，另两 臂可为电容或电感？ 相对臂为纯电阻，另两 臂可为电容或电感？
2016年10月20日2时17分
13
4.1 电 桥
理 想 电 感 测 量
理 想 电 容 测 量
2016年10月20日2时17分
14
4.1 电 桥
损耗小的电容电桥的测量
测量低频电感的电桥
2016年10月20日2时17分
16
4.1 电 桥
具有电阻、电容平衡的交流电阻电桥
b
R
R1
K
R
R2
c U0
改变开关K的位置及调节可 变电阻R3，调节电桥的电阻 平衡。 电容C是差动可变电容器， 旋动电容平衡旋钮，实现电 容平衡。
a
R3
R
d Uy
2016年10月20日2时17分
C
R
17
4.1 电 桥
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，最后再从放大器的输
出信号中取出放大了的缓变信号。
2016年10月20日2时17分
19
4.2 调制与解调
2 种类
调制信号x(t) 载波信号 z (t ) A cos(2ft )
a) 幅度调制(AM)
y(t ) [ A0 * x(t )]cos(2ft )
36
4.3 放大器
仪器放大器
程控放大器
特点：增益大、 抗共模干扰能 力强。
2016年10月20日2时17分
37
4.3 放大器
电桥放大器 放大器两个输入端的电压:
U1 E R1 R1 R2 U2 E R4 R3 R4
对全等臂电桥 R1=R2=R3=R4=R 若为半桥双臂（差动电桥）
4
4.1 电 桥
1）直流电桥
U DB
R1R3 R2 R4 U ( R1 R2 )( R3 R3 )
R1R3 R2 R4
5
●平衡条件
2016年10月20日2时17分
4.1 电 桥
令：R1 R1 R1 R2 R2 R2
(R R)
R3 R3 R3
器信号先传输到高输入阻抗的前置放大器。
q Ui (Ca Cc Ci ) (Ui Uo )C f
Uo KUi
Kq Uo (C C f ) KC f
E RF R U o 1 2 R1 R
Uo E RF S 1 R / R 2 R1
电桥电源浮置的电桥放大器
2016年10月20日2时17分
39
4.3 放大器
电荷放大器
由于压电式传感器输出的电信号是很微弱的电荷，而且 传感器本身也存在很大内阻，故输出能量甚微。通常把传感
x' (t ) D x(t )
xm (t ) [ D x(t )]cos(2 ft )
低通滤波
2016年10月20日2时17分
24
4.2 调制与解调
相敏检波解调
？ 调幅波与载波、原信号的相位关系
原信号为正，调幅波与载波y(t)同相 原信号为负，调幅波与载波y(t)反相
？如何取出原信号
2016年10月20日2时17分
31
4.2 调制与解调
鉴频器
调频波→调频调幅波→ 幅值检波
2016年10月20日2时17分
32
4.2 调制与解调
鉴频器 电压－频率特性曲线
亚谐振区 H()
等幅调频波的频率等于回路谐振 频率，线圈中的耦合电流最大
A()
2016年10月20日2时17分
?调频波解调过程中的幅值及频率变化
将调幅波和标准信号进行比较，使其同相为正，反向为负。
实质：改变调幅信号中对应载波信号为负部分的极性。
2016年10月20日2时17分
25
4.2 调制与解调
相敏检波解调
载波电压为正 载波电压为负
载波电压为正 载波电压为负
标准信号
2016年10月20日2时17分
实现：利用二极管的单向导通作用改变输出信号的极性。
Kd
U U
U 0
U 0
反相输入端的电位接近于“地”电位，常称为“虚地”。
2016年10月20日2时17分
35
4.3 放大器
基本放大器
反向放大器
差动放大器
反向放大器：大增益，输入阻抗低。 同向放大器：输入阻抗高，置于前级。
同向放大器
2016年10月20日2时17分
特点：温漂大、失调电压大、 抗共模干扰能力弱。
常用调平衡
2016年10月20日2时17分
11
4.1 电 桥
2）交流电桥
●平衡条件
~
Z1Z3 Z 2 Z 4
1 3 2 4
2016年10月20日2时17分
12
4.1 电 桥
电容传感器
Zc r
1 jc
电感传感器
Z L r jL
Z R R //
ZL
L
电阻传感器