第四章 信号调理、处理和记录 1 电桥 2 调制与解调 3 滤波器4 信号的指示和记录装置返 回一、直流电桥二、交流电桥1 电 桥目 录一、调幅及其解调二、调频及其解调2 调制与解调目 录一、滤波器分类二、理想滤波器三、实际RC调谐式滤波器四、恒带宽比滤波器和恒带宽滤波器3 滤波器目 录1 电 桥电桥是将电阻、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。分类： 按激励电压的性质 直流电桥 交流电桥 按输出方式 不平衡桥式电路 平衡桥式电路目 录一、直流电桥1、电磁形式 2、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3、输出特性（1）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，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）半桥双臂接法输出灵敏度与半桥单臂相比，灵敏度提高了一倍，电桥的输出与 成完全线性关系。上 页目 录（3）全桥接法输出 灵敏度上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。上 页目 录平衡电桥设被测量等于零时，电桥处于平衡状态，此时指示仪表G及可调电位器H指零。当某一桥臂随被测量变化时，电桥失去平衡，调节电位器H，改变电阻R5触电位置，可使电桥重新平衡，电表G指针回零。电位器H上的标度与桥臂电阻值的变化成比例，故H的指示值可以直接表达被测量的数值。上 页目 录二、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 录第二节 调制与解调调制：使一个信号的某些参数在另一信号的控制下发生变化的过程。前一信号称为载波，后一信号（控制信号）称为调制信号。最后的输出是已调制波。解调：最终从已调制波中恢复出调制信号的过程。根据载波受调制的参数不同，调制可分为 调幅（AM） 调频（FM） 调相（PM）上 页目 录一、调幅及其解调调幅：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。1、调幅原理由傅立叶变换的性质知：在时域中两个信号相乘，则对应在频域中这两个信号进行卷积，即余弦函数的频域图形是一对脉冲谱线一个函数与单位脉冲函数卷积的结果，就是将其图形由坐标原点平移至该脉冲函数处。上 页目 录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 处，幅值减半。即，上 页目 录调制器上 页目 录x(t)y(t)从调幅原理看，载波频率 必须高于原信号中的最高频率 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 相对中心频率（载波频率 ）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。上 页目 录乘法器低通2、解调（1）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“偏移”。若用一个低通滤波器滤去中心频率为 的高频成分，那么将可以复现原信号的频谱（幅值减小为一半），这一过程称为同步解调。“同步”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。上 页目 录载波y(t)调幅波x(t)（2）偏置解调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。上 页目 录3、相敏检波A54123BCd.上 页目 录工作原理：调幅波与载波y(t)同相 载波电压为正 均为正 （ 原信号x(t)为正） 载波电压为负 调幅波与载波y(t)异相 载波电压为正 均为负 （原信号x(t)为负） 载波电压为负 上 页目 录4、动态电阻应变仪上 页目 录二、调频及其解调调频（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。上 页目 录两种常用的调频方法及一种解调方案：（一）直接调频测量电路把被测量的变化直接转换为振荡频率的变化称为直接调频式测量电路，其输出也是等幅波。（二）压控振荡器压控振荡器的输出瞬时频率与输入的控制电压值成线性关系。上 页目 录（三）变压器耦合的谐振回路鉴频法调频波的解调又称为鉴频，是将频率变化恢复成调制信号电压幅值变化的过程。随着测量参数的变化，幅值 随调频波频率近似线性变化，调频波 的频率和测量参数保持近似线性关系。因此，把 进行幅值检波就能获得测量参量变化的信息，且保持近似线性关系。频率-电压线性变换部分幅值检波部分目 录上 页第三节 滤波器一、概述1、作用：选频作用 进行频谱分析 滤除干扰噪声2、分类 低通滤波器按选频作用分 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器 上 页目 录 RC谐振滤波器按构成元件类型分 LC谐振滤波器 晶体谐振滤波器按构成电路性质分 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 数字滤波器上 页目 录二、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滤波器。上 页目 录f0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 ，则h(t)具有对称的图形。上 页目 录理想滤波器是不能实现的。因为h(t)是滤波器在(t)作用下的输出，其图形却表明，在输入(t)到来之前，即t0, 滤波器就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未来的能力，所以理想低通滤波器是不可能存在的。可以推论，理想的高通、带通、带阻滤波器都是不存在的。上 页目 录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：不考虑前、后皱波，输出从零值（a点）到应有稳定值 （b点）需要一定的建立时间 。上 页目 录0ty(t)时移 只影响输出曲线y(t)的右移，不影响 值。滤波器的通频带越宽，即 越大，则h(t)的图形越陡峭，响应的建立时间 也将越小。上 页目 录低通滤波器对阶跃响应的建立时间 和带宽B成反比，或者说带宽和建立时间的乘积是常数，即上 页目 录需要一定建立时间的解释：输入信号如有突变处必然含有丰富的高频分量。低通滤波器阻衰了高频分量，其结果是把输出波形“圆滑”了。通带越宽，阻衰的高频分量越少，使信号能量更多、更快地通过，所以建立时间就短；反之，则长。三、实际RC调谐式滤波器（一）基本参数1、纹波幅度d 2、截止频率 幅频特性值 等于 所对应的频率。3、带宽B和品质因数Q值上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽。中心频率 和带宽B之比称为滤波器的品质因数Q。4、倍频程选择性倍频程选择性是指在上截止频率 与 之间，或者在下 截止频率 与 之间幅频特性的衰减量。5、滤波器因数 A(f)fff0c1c2.dd上 页目 录（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。传递函数上 页目 录1、当 时，A(f)=1,(f)-f 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。2、当 时， ，即 表明，RC值决定着上截止频率。3、当 时，输出 与输入 的积分成正比，即 此时，RC低通滤波器起着积分器的作用。上 页目 录2、RC高通滤波器微分方程式令RC=，则传递函数上 页目 录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。上 页目 录动态演示3、RC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。上 页目 录四、恒带宽比滤波器和恒带宽滤波器 使带通滤波器的中心频率可调，通过改变RC 调谐 参数而使其中心频率跟随所需量测的信 号频段。 使用一组各自中心频率固定的、但又按一定规 律 相隔的滤波器组。多个滤波器上 页目 录（一）恒带宽比滤波器带宽比 滤波器的中心频率越高，其带宽越大。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，在高频段则甚差。 上 页目 录上 页目 录（二）恒带宽滤波器恒带宽滤波器在所有频段都具有同样良好的频率分辨力。恒带宽滤波器不宜做成固定中心频率的。一般利用一个定带宽的定中心频率的滤波器加上可变参考频率的差频变换来适应各种不同中心频率的定带宽滤波的需要。上 页目 录第四节 信号的指示和记录装置 动圈式磁电指示机构 光线示波器 伺服式记录仪 采用阴极射线管的信号显示和记录装置 数字式波形存储记录仪 磁记录器 磁带记录器 磁盘记录器上 页目 录结 束