1、第四章 信號(hào)的調(diào)理與記錄第四章 信號(hào)的調(diào)理與記錄主要內(nèi)容電橋調(diào)制與解調(diào)濾波器信號(hào)的放大測(cè)試信號(hào)的顯示與記錄 主要內(nèi)容電橋第一節(jié) 電橋定義：用比較法測(cè)量物理量的電磁學(xué)基本測(cè)量?jī)x器。電橋是將電阻、電感、電容等參量的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出的一種測(cè)量電路。分類： 按激勵(lì)電壓的不同可分為 直流電橋交流電橋第一節(jié) 電橋定義：用比較法測(cè)量物理量的電磁學(xué)基本測(cè)量?jī)x器。電一、直流電橋bacdR1R2R3R4I1I2UeUo直流電橋：激勵(lì)電源為直流，而且其電路中流過(guò)的電流性質(zhì)都是直流。一、直流電橋bacdR1R2R3R4I1I2UeUo直流電橋直流電橋平衡條件（U0=0）bacdR1R2R3R4I1I2UeUo

2、平衡條件：對(duì)臂電阻乘積相等。即：R1R3=R2R4直流電橋平衡條件（U0=0）bacdR1R2R3R4I1I2直流電橋的輸出特性單臂電橋接法 為了簡(jiǎn)化橋路，設(shè)計(jì)取abcdR1+RR2R3R4I1I2UeUo直流電橋的輸出特性單臂電橋接法abcdR1+RR2R3R4直流電橋的輸出特性半橋接法abcdR1+RR2-RR3R4I1I2UeUo直流電橋的輸出特性半橋接法abcdR1+RR2-RR3R直流電橋的輸出特性如果像右圖一樣接橋，輸出的電壓是多少？abcdR1+RR2+RR3R4I1I2UeUo直流電橋的輸出特性如果像右圖一樣接橋，abcdR1+RR2電橋的和差特性若相鄰兩橋臂電阻同相變化，所產(chǎn)

3、生的輸出電壓的變化將互相抵消；若相鄰兩橋臂電阻反相變化，所產(chǎn)生的輸出電壓的變化將互相疊加；電橋的和差特性若相鄰兩橋臂電阻同相變化，所產(chǎn)生的輸出電壓的變直流電橋的輸出特性全橋接法abcdR1+RR2-RR3+RR4-RI1I2UeUo直流電橋的輸出特性全橋接法abcdR1+RR2-RR3+直流電橋的輸出特性單臂電橋接法：半橋接法：全橋接法： 全橋接法的靈敏度最高直流電橋的輸出特性單臂電橋接法：直流電橋的輸出特性直流電橋的輸出特性直流電橋的輸出特性直流電橋的輸出特性二、交流電橋交流電橋特點(diǎn)：電橋四臂：R、L、C；電源：交流電壓各阻抗用指數(shù)式表示為： 阻抗角是各橋臂電流與電壓之間的相位差。 純電阻時(shí)

4、電流與電壓同相位，=0； 電感性阻抗，0； 電容性阻抗，fm)。調(diào)幅信號(hào)的實(shí)質(zhì)從時(shí)域上：用x（t）去控制改變y（t）的幅值，解調(diào)同步解調(diào)： 把調(diào)幅波再次與原載波信號(hào)相乘，則頻域圖形將再一次進(jìn)行“偏移”。若用一個(gè)低通濾波器濾去中心頻率為2f0的高頻成分，那么將可以復(fù)現(xiàn)原信號(hào)的頻譜（幅值減小為一半）。“同步”指解調(diào)時(shí)所乘的信號(hào)與調(diào)制時(shí)的載波信號(hào)具有相同的頻率和相位。解調(diào)同步解調(diào)：包絡(luò)檢波（整流檢波）把調(diào)制信號(hào)進(jìn)行偏置，疊加一個(gè)直流分量A，使偏置后的信號(hào)都具有正電壓，那么調(diào)幅波的包絡(luò)線將具有原調(diào)制信號(hào)的形狀。把該調(diào)幅波簡(jiǎn)單地整流、濾波就可恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)。包絡(luò)檢波（整流檢波）把調(diào)制信號(hào)進(jìn)行偏置，疊加一

5、個(gè)直流分量A，相敏檢波相敏檢波電路是具有鑒別調(diào)制信號(hào)相位和選頻能力的檢波電路。交變信號(hào)過(guò)零線時(shí)符號(hào)發(fā)生突變（+、-），與之對(duì)應(yīng)的調(diào)幅波相位（與載波比較）也相應(yīng)地發(fā)生180的相位跳變。利用載波信號(hào)與調(diào)幅信號(hào)比相，便既能反映出原信號(hào)的幅值又能反映其極性。相敏檢波相敏檢波電路是具有鑒別調(diào)制信號(hào)相位和選頻能力的檢波電頻率調(diào)制及其解調(diào)概念：利用調(diào)制信號(hào)控制高頻載波信號(hào)頻率變化的過(guò)程原理：設(shè)載波y(t)=Acos(0t+0)， 調(diào)頻 (t) = 0+kx(t) x(t)xf(t)tt頻率調(diào)制及其解調(diào)概念：利用調(diào)制信號(hào)控制高頻載波信號(hào)頻率變化的調(diào)頻方法電路的諧振頻率： 若電容的變化量為C，則泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)并忽

6、略高階項(xiàng)調(diào)頻方法電路的諧振頻率：調(diào)頻信號(hào)解調(diào)（鑒頻）鑒頻：是將頻率變化恢復(fù)成調(diào)制信號(hào)電壓幅值變化的過(guò)程。調(diào)頻信號(hào)解調(diào)（鑒頻）鑒頻：是將頻率變化恢復(fù)成調(diào)制信號(hào)電壓幅值調(diào)幅與調(diào)頻的比較頻率調(diào)制較之幅度調(diào)制的一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)是改善了信噪比調(diào)頻系統(tǒng)較之調(diào)幅系統(tǒng)復(fù)雜分析調(diào)頻波要比分析調(diào)幅波困難，實(shí)際上，對(duì)調(diào)頻波的分析是近似的調(diào)幅與調(diào)頻的比較頻率調(diào)制較之幅度調(diào)制的一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)是改善了第三節(jié) 濾波器濾波器是一種選頻裝置，可以使信號(hào)中特定頻率成分通過(guò)，而極大地衰減其他頻率成分分類：（根據(jù)濾波器的選頻作用分為） 低通高通帶通帶阻第三節(jié) 濾波器濾波器是一種選頻裝置，可以使信號(hào)中特定頻率成分濾波器作用濾波器作用理想

7、濾波器理想濾波器：是指能使通帶內(nèi)信號(hào)的幅值和相位都不失真，阻帶內(nèi)的頻率成分都衰減為零的濾波器。理想濾波器的頻率響應(yīng)為理想濾波器是不能實(shí)現(xiàn)的理想濾波器理想濾波器：是指能使通帶內(nèi)信號(hào)的幅值和相位都不失真實(shí)際濾波器的特征參數(shù)0A實(shí)際濾波器幅頻特性中通帶和阻帶間沒(méi)有嚴(yán)格界限，存在過(guò)渡帶。f實(shí)際濾波器的特征參數(shù)0A實(shí)際濾波器幅頻特性中通帶和阻帶間沒(méi)有1)截止頻率fc：0.707A0所對(duì)應(yīng)的頻率 2)紋波幅度d：繞幅頻特性均值A(chǔ)0波動(dòng)值3)帶寬B和品質(zhì)因數(shù)Q：下兩截頻間的頻率范圍稱為帶寬。中心頻率和帶寬之比稱為品質(zhì)因數(shù) 。 波動(dòng)幅度d與幅頻特性平均值A(chǔ)0相比應(yīng)遠(yuǎn)小于 -3dB。0ffc1fc2A00.70

8、7A0BQ=f0 / Bd1)截止頻率fc：0.707A0所對(duì)應(yīng)的頻率 2)紋波幅度實(shí)際濾波電路低通濾波器實(shí)際濾波電路低通濾波器幅頻特性1 0幅頻特性1 0高通濾波器1高通濾波器1濾波器的應(yīng)用機(jī)床軸心軌跡的濾波處理 濾波器的應(yīng)用機(jī)床軸心軌跡的濾波處理 濾除信號(hào)中的高頻噪聲，以便于觀察軸心運(yùn)動(dòng)規(guī)律濾除信號(hào)中的高頻噪聲，以便于觀察軸心運(yùn)動(dòng)規(guī)律鋼管無(wú)損探傷濾除信號(hào)中的零漂和低頻晃動(dòng)，便于門(mén)限報(bào)警鋼管無(wú)損探傷濾除信號(hào)中的零漂和低頻晃動(dòng)，便于門(mén)限報(bào)警調(diào)節(jié)計(jì)算機(jī)mp3播放器等軟件中的聲音均衡器，試驗(yàn)其對(duì)音樂(lè)信號(hào)的濾波情況。310Hz3kHz這三段它們包含了大多數(shù)樂(lè)器的低頻諧波，如果提升過(guò)多會(huì)使聲音像電話里

9、的聲音。如把600Hz和1kHz過(guò)度提升會(huì)使聲音像喇叭的聲音。如把3kHz提升過(guò)多會(huì)掩蔽說(shuō)話的識(shí)別音，即口齒不清，并使唇音“mbv”難以分辨。如把1kHz和3kHz過(guò)分提升會(huì)使聲音具有金屬感。由于人耳對(duì)這一頻段比較敏感，通常不調(diào)節(jié)這一段，過(guò)分提升這一段會(huì)使聽(tīng)覺(jué)疲勞。調(diào)節(jié)計(jì)算機(jī)mp3播放器等軟件中的聲音均衡器，試驗(yàn)其對(duì)音樂(lè)信號(hào)第四節(jié) 信號(hào)的放大放大器的特點(diǎn)虛短 u+=u-虛斷 i+=i-=0+-u-u+uo第四節(jié) 信號(hào)的放大放大器的特點(diǎn)+-u-u+uo基本放大電路反相放大器Ii=If，U+=U-=0I1IfU+U-+o基本放大電路I1IfU+U-+o同相放大器差分放大器oUi2R2U0Ui1Rf

10、R1Rf同相放大器oUi2R2U0Ui1RfR1Rf儀器放大器也稱精密放大器，通常用于對(duì)傳感器送出的微弱電信號(hào)進(jìn)行放大，為此要求儀器放大器要有很高的電壓增益。儀器放大器也稱精密放大器，通常用于對(duì)傳感器送出的微弱電信號(hào)進(jìn)第五節(jié)測(cè)試信號(hào)的顯示與記錄目的：測(cè)試人員通過(guò)顯示儀器觀察各路信號(hào)的大小或?qū)崟r(shí)波形；及時(shí)掌握測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信息，及時(shí)采取相應(yīng)的措施-增益調(diào)整、濾波等；記錄信號(hào)的重現(xiàn)；對(duì)信號(hào)進(jìn)行后續(xù)的分析和處理。第五節(jié)測(cè)試信號(hào)的顯示與記錄目的：信號(hào)的顯示指示機(jī)構(gòu)信號(hào)的顯示指示機(jī)構(gòu)示波器示波器信號(hào)的記錄傳統(tǒng)的方法-光線示波器、磁帶記錄等已很少使用目前比較常用的：用數(shù)據(jù)采集儀器進(jìn)行信號(hào)記錄用計(jì)算機(jī)內(nèi)插A

11、/D卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與記錄儀器前段直接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集與記錄信號(hào)的記錄傳統(tǒng)的方法-光線示波器、磁帶記錄等已很少使用第五章 信號(hào)處理初步信號(hào)處理的目的分離信、噪，提高SNR；從信號(hào)中提取有用的特征信號(hào)；修正測(cè)試系統(tǒng)的某些誤差，如傳感器的線性誤差、溫度影響等。第五章 信號(hào)處理初步信號(hào)處理的目的信號(hào)處理系統(tǒng)分類模擬信號(hào)處理系統(tǒng)由一系列能實(shí)現(xiàn)模擬運(yùn)算的電路，如模擬濾波器、乘法器、微分放大器等環(huán)節(jié)組成。通常是數(shù)字信號(hào)處理的前奏，例如濾波、限幅、隔直、解調(diào)等預(yù)處理。數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)借助計(jì)算機(jī)的軟件程序完成；借助專用數(shù)字處理機(jī)。信號(hào)處理系統(tǒng)分類模擬信號(hào)處理系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)勢(shì)用數(shù)學(xué)計(jì)算和計(jì)算機(jī)顯示代替復(fù)雜的電路

12、和機(jī)械結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)發(fā)展的有力推動(dòng)多種多樣的工業(yè)用計(jì)算機(jī)。 靈活、方便的計(jì)算機(jī)虛擬儀器開(kāi)發(fā)系統(tǒng)數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)勢(shì)用數(shù)學(xué)計(jì)算和計(jì)算機(jī)顯示代替復(fù)雜的電路和機(jī)械主要內(nèi)容數(shù)字信號(hào)處理的基本步驟信號(hào)數(shù)字化出現(xiàn)的問(wèn)題相關(guān)分析及其應(yīng)用功率譜分析及其應(yīng)用主要內(nèi)容數(shù)字信號(hào)處理的基本步驟第一節(jié) 數(shù)字信號(hào)處理的基本步驟 數(shù)字信號(hào)處理主要研究用數(shù)字序列來(lái)表示測(cè)試信號(hào)，并用數(shù)學(xué)公式和運(yùn)算來(lái)對(duì)這些數(shù)字序列進(jìn)行處理。物理信號(hào)對(duì)象傳感器電信號(hào)預(yù)處理電信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)計(jì)算機(jī)顯示D/A轉(zhuǎn)換電信號(hào)控制物理信號(hào)第一節(jié) 數(shù)字信號(hào)處理的基本步驟 數(shù)字信號(hào)處理主要研究用數(shù)字第二節(jié) 信號(hào)數(shù)字化出現(xiàn)的問(wèn)題數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程把一個(gè)連續(xù)

13、變化的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)；然后由計(jì)算機(jī)處理，從中提取有用的信息。 信號(hào)數(shù)字化過(guò)程包含著一系列步驟，每一步驟都可以引起信號(hào)和其蘊(yùn)含信息的失真。第二節(jié) 信號(hào)數(shù)字化出現(xiàn)的問(wèn)題數(shù)字信號(hào)處理過(guò)程計(jì)算一個(gè)模擬信號(hào)的頻譜時(shí)域或頻域無(wú)限長(zhǎng)連續(xù)信號(hào)時(shí)域采樣時(shí)域無(wú)限長(zhǎng)序列 頻域連續(xù)周期信號(hào)截?cái)鄷r(shí)域有限長(zhǎng)序列 頻域連續(xù)周期信號(hào)頻域采樣時(shí)域有限長(zhǎng)周期性離散序列 頻域有限長(zhǎng)周期性離散序列整周期截?cái)鄷r(shí)域有限長(zhǎng)序列 頻域有限長(zhǎng)序列計(jì)算一個(gè)模擬信號(hào)的頻譜時(shí)域或頻域無(wú)限長(zhǎng)連續(xù)信號(hào)時(shí)域采樣時(shí)域無(wú)時(shí)域采樣、混疊和采樣定理時(shí)域采樣： 把連續(xù)時(shí)間信號(hào)變成離散時(shí)間序列的過(guò)程。相當(dāng)于在連續(xù)時(shí)間信號(hào)上“摘取”許多離散時(shí)刻上的信號(hào)瞬時(shí)值采

14、樣間隔的選擇是一個(gè)重要問(wèn)題。間隔太小（采樣頻率高），數(shù)字序列長(zhǎng)，計(jì)算工作量大；若采樣間隔過(guò)大（采樣頻率低），則可能丟失有用信息。時(shí)域采樣、混疊和采樣定理時(shí)域采樣： 把連續(xù)時(shí)間信號(hào)變成離散時(shí)采樣定理x(0), x(1), x(2), , x(n) 采樣定理x(0), x(1), x(2), , x(n采樣定理0t0f0t0ft00f采樣定理0t0f0t0ft00f采樣定理為保證采樣后信號(hào)能真實(shí)地保留原始模擬信號(hào)信息，信號(hào)采樣頻率必須至少為原信號(hào)中最高頻率成分的2倍。注意：滿足采樣定理，只保證不發(fā)生頻率混疊，而不能保證此時(shí)的采樣信號(hào)能真實(shí)地反映原信號(hào)x(t)。工程實(shí)際中采樣頻率通常大于信號(hào)中最高頻

15、率成分的3到5倍。0t0f采樣定理為保證采樣后信號(hào)能真實(shí)地保留原始模擬信號(hào)信息，信號(hào)采量化和量化誤差量化：采樣所得的離散信號(hào)電壓的幅值，若用二進(jìn)制數(shù)碼組來(lái)表示，就使離散信號(hào)變成數(shù)字信號(hào)。量化實(shí)質(zhì)：從一組有限個(gè)離散電平（量化電平）中取出一個(gè)來(lái)近似代表采樣點(diǎn)的信號(hào)實(shí)際幅值電平量化和量化誤差量化：采樣所得的離散信號(hào)電壓的幅值，若用二進(jìn)制量化和量化誤差量化單位：A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)是一定的。一個(gè)n位（字長(zhǎng)）的二進(jìn)制數(shù)，共有L=2n個(gè)數(shù)碼。如果A/D轉(zhuǎn)換器允許的動(dòng)態(tài)工作范圍為D，則兩相鄰量化電平之差為： q=D/2(n-1)量化誤差：當(dāng)離散信號(hào)采樣值x(n)的電平落在兩個(gè)相鄰量化電平之間，就要舍入到相近一

16、個(gè)量化電平上，該量化電平與信號(hào)實(shí)際電平之間的差值稱為 (n) 。 (n) (-q/2,+q/2)量化誤差(n)將形成疊加在信號(hào)采樣值x(t)上的隨機(jī)噪聲，其值通常比其他誤差小，可忽略。A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)選擇，視信號(hào)的具體情況和量化精度要求而定。量化和量化誤差量化單位：A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)是一定的。一個(gè)n位截?cái)唷⑿孤┖痛昂瘮?shù)截?cái)啵簩⑿盘?hào)乘以時(shí)域的有限寬矩形窗函數(shù)。泄漏：窗外的時(shí)域信息全部損失了，而導(dǎo)致頻域上增加了頻率分量。截?cái)唷⑿孤┖痛昂瘮?shù)截?cái)啵簩⑿盘?hào)乘以時(shí)域的有限寬矩形窗函數(shù)。頻域采樣、時(shí)域周期延拓和柵欄效應(yīng)頻域采樣：信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)域采樣和截?cái)嗪螅漕l譜是連續(xù)的。如果要用數(shù)字信號(hào)描述頻譜，這就意味著

17、必須使頻率離散化，實(shí)行頻域采樣。時(shí)域周期延拓：頻域采樣后的信號(hào)在時(shí)域中相當(dāng)于將窗內(nèi)的信號(hào)波形在窗外進(jìn)行周期延拓，即時(shí)域周期延拓。頻域采樣、時(shí)域周期延拓和柵欄效應(yīng)頻域采樣：信號(hào)經(jīng)過(guò)時(shí)域采樣和柵欄效應(yīng)柵欄效應(yīng)：對(duì)一個(gè)函數(shù)進(jìn)行采樣，其效果有如透過(guò)柵欄的縫隙觀看外景一樣，只有落在縫隙前的少數(shù)景象被看到，其余均視為零，這種現(xiàn)象稱為柵欄效應(yīng)。擋住的部分可能是重要的或具有特征的成分。柵欄效應(yīng)柵欄效應(yīng)：對(duì)一個(gè)函數(shù)進(jìn)行采樣，其效果有如透過(guò)柵欄的縫頻率分辨力、整周期截?cái)囝l率采樣間隔：是頻率分辨力的指標(biāo)f =fs / N=1/T 這種關(guān)系加重了頻率分辨力和計(jì)算工作量的矛盾整周期截?cái)啵簩?duì)周期信號(hào)實(shí)行整周期截?cái)嗍谦@得準(zhǔn)

18、確頻譜的先決條件。頻率分辨力、整周期截?cái)囝l率采樣間隔：是頻率分辨力的指標(biāo)第三節(jié) 相關(guān)分析及其應(yīng)用函數(shù)關(guān)系：兩變量間存在一一對(duì)應(yīng)的確定關(guān)系。相關(guān)關(guān)系：隨著某一個(gè)變量數(shù)值的確定，另一變量按一定的概率統(tǒng)計(jì)取值。 本節(jié)主要內(nèi)容兩隨機(jī)變量的相關(guān)系數(shù)信號(hào)的自相關(guān)函數(shù) 信號(hào)的互相關(guān)函數(shù) 第三節(jié) 相關(guān)分析及其應(yīng)用函數(shù)關(guān)系：兩變量間存在一一對(duì)應(yīng)的確兩隨機(jī)變量的相關(guān)系數(shù)當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)分布越接近于一條直線時(shí)，相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值越接近于1，x和y的線性相關(guān)程度越好。相關(guān)系數(shù)的正負(fù)號(hào)表示一變量隨另一變量的增加而增加或減少。相關(guān)系數(shù)越接近于0時(shí)，可以認(rèn)為x、y兩變量完全無(wú)關(guān)，但可能存在某種非線性的相關(guān)關(guān)系甚至函數(shù)關(guān)系兩隨機(jī)變量的

19、相關(guān)系數(shù)當(dāng)數(shù)據(jù)點(diǎn)分布越接近于一條直線時(shí)，相關(guān)系數(shù)相關(guān)系數(shù)：表示兩個(gè)變量之間的相關(guān)程度。相關(guān)系數(shù)：表示兩個(gè)變量之間的相關(guān)程度。信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)設(shè)x(t)是某各態(tài)歷經(jīng)隨機(jī)過(guò)程的一個(gè)樣本記錄， x(t+)是x(t)時(shí)移后的樣本，二者具有相同的均值和標(biāo)準(zhǔn)差信號(hào)的自相關(guān)函數(shù)設(shè)x(t)是某各態(tài)歷經(jīng)隨機(jī)過(guò)程的一個(gè)樣本記錄信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)兩個(gè)各態(tài)歷經(jīng)過(guò)程的隨機(jī)信號(hào)x(t)和y(t)的互相關(guān)函數(shù)定義為若兩信號(hào)是同頻率的周期信號(hào)或包含相同的頻率的周期成分，則互相關(guān)函數(shù)也會(huì)出現(xiàn)該周期成分，且不收斂。信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)兩個(gè)各態(tài)歷經(jīng)過(guò)程的隨機(jī)信號(hào)x(t)和y(t) 當(dāng)運(yùn)動(dòng)的熱軋鋼帶表面的反射光經(jīng)透鏡聚焦在相距為d的兩個(gè)光電池上時(shí)，反射光通過(guò)光電池轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)可調(diào)延時(shí)器延時(shí)，再進(jìn)行相關(guān)處理。當(dāng)可調(diào)延時(shí)t等于鋼帶上某點(diǎn)在兩個(gè)測(cè)點(diǎn)之間經(jīng)過(guò)所需的時(shí)間t時(shí)，互相關(guān)函數(shù)為最大值 。信號(hào)互相關(guān)的應(yīng)用 當(dāng)運(yùn)動(dòng)的熱軋