第四章信號的調理與記錄本章學習要求：1.掌握電橋工作原理2.掌握信號調制解調原理3.掌握信號濾波器工作原理4.自學信號放大、顯示和記錄便于信號的傳輸與處理信號調理的目的：

第4章信號調理電路1.有些傳感器輸出的是電參量，需要轉換成電信號才能進行處理。2.某些場合，為便于信號的遠距離傳輸，需要對傳感器測量信號進行調制解調處理。3.傳感器輸出的信號很微弱，大多數不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需要進一步放大，有的還要進行阻抗變換。4.有些傳感器輸出的信號中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。

4.1電橋

電橋是一個四端網絡，網絡中的每一支路稱為橋臂，橋臂上可接入電阻、電容或電感變化的傳感器。網絡的一個對角接入工作電壓，另一個對角為輸出電壓。

電橋的作用是將電阻、電容或電感等電參量的變化轉換為電壓或電流輸出。一、電橋的分類按照工作電源性質可分為：直流電橋和交流電橋按橋臂接入的阻抗元件可分為：電阻電橋、電容電橋和電感電橋。

按照輸出測量方式不同可分為：平衡電橋和不平衡電橋。平衡電橋

不平衡電橋●平衡條件二、電橋的平衡

1、直流電橋平衡兩相對橋臂電阻值的乘積相等。2、交流電橋的平衡平衡條件：

交流電流平衡條件：①相對兩臂阻抗之模的乘積應相等②相對兩臂阻抗角之和也應相等。三.電橋的和差特性設電橋四臂阻值相等R1=R2=R3=R4=R，且增量分別為ΔRi

<<Ri，則電橋的輸出為電橋和差特性

1）若相鄰兩橋臂電阻同向變化，所產生的輸出電壓將相互抵消。

2）若相鄰兩橋臂電阻反向變化，所產生的輸出電壓將相互疊加。利用和差特性，可以：進行溫度補償，消除測量誤差提高靈敏度復雜應力狀態下測取單獨由某一因素產生的應變1.直流電橋的連接方式：單臂

半橋

全橋

四、電橋的聯接方式令：一般，所以上式可簡化為：直流電橋的的輸出與靈敏度：單臂

半橋

全橋

電容電橋電感電橋2.交流電橋的連接方式：

純電阻交流電橋，除有電阻平衡，還應有電容平衡。（由于導線間分布電容的存在）電阻交流電橋的分布電容具有電阻電容平衡的交流電阻電橋

利用電阻應變片作為傳感元件來測量應變的專用電子儀器稱為電阻應變儀。電阻應變儀直流電橋與交流電橋的特點直流電橋：平衡電路簡單、對聯接導線要求低，直流電源穩定性容易保證；后接比較復雜的直流放大器。交流電橋：交流放大器簡單；要求波形沒有畸變，頻率必須穩定。五、溫度補償問題R1、R2完全相同，處于相同溫度場中，并且接入相鄰臂。在力P和溫度t的作用下，R1上的電阻變化率為：R2的電阻變化率為：例題:將電阻應變片貼在等強度梁上，構成測力傳感器，用來測量力F0

(1)若采用半橋測量方法

a在圖上繪出貼片位置并畫出測量電橋電路；

b已知應變片R=120Ω，S=2，工作時其應變為1000με，電橋激勵電壓u0=3V。（S為應變片靈敏系數或靈敏度）求：電橋的輸出電壓uo及電橋靈敏度Sb

。

(2)為提高電橋靈敏度，采用何種接橋方式并在圖上繪貼片位置。F如圖所示，測量力F與F2，如何布片組橋？F2考慮：交流電橋的輸出VinVoR1R3R2R4定義：調制是指利用某種低頻信號來控制或改變高頻振蕩信號的某個參數（幅值、頻率或相位)。調制信號調制波4.2調制與解調目的：解決微弱緩變信號的放大以及信號的傳輸問題。

a)調幅(AM)b)調頻(FM)c)調相(PM)載波一、調幅與解調

調幅是將一個高頻載波信號（此處采用余弦波）與被測信號（調制信號）相乘，使載波信號幅值隨被測信號的變化而變化．調制器（乘法器）調制信號載波調幅波1、調幅調制器（乘法器）調制信號載波調幅波一個函數與單位脈沖函數卷積的結果，就是在發生δ函數的坐標位置上將原來的函數重新構圖。調幅：

從頻域上：相當于頻率的搬遷過程。從低頻搬遷到高頻。頻譜形狀保持不變（f0>>fm)。從時域上：用x（t）去控制改變y（t）的幅值，使xm（t）的幅值隨著x（t）的變化而變化，頻率仍與z（t）相同。載波頻率f0稱為調幅波的中心頻率，f0+fm

稱為上旁頻帶，f0-fm

稱為下旁頻帶。2、解調同步解調

把調幅波再次與原載波信號相乘，則頻域圖形將再一次進行“搬移”。當用一低通濾波器濾去頻率大于fm的成分時，則可以復現原信號的頻譜。與原頻譜的區別在于幅值為原來的一半，這可以通過放大來補償。這一過程稱為同步解調，同步是指解調時所乘的信號與調制時的載波信號具有相同的頻率和相位。包絡檢波

若對信號x(t)進行偏置，疊加一個直流分量D，使偏置后的信號都具有正電壓。解調二極管檢波低通濾波調幅過程中失真a）偏置電壓過小引起失真：要求其直流偏置必須足夠大，否則x(t)的相位將發生180°跳變。b)混疊：調幅波是最高頻率為fmax的雙邊帶信號組成．當載波頻率f0較低時，正頻端的下邊帶將與負頻端的下邊帶相重疊．要求:f0＞fmax

相敏檢波利用交變信號在過零位時正、負極性發生突變，使調幅波的相位（與載波相比）也相應的產生180°的相位跳變。

圖相敏檢波動態電阻應變儀方框圖二、調頻與解調1、概念：調頻是利用調制信號的幅值控制高頻載波信號頻率變化的過程。或者說，調頻波是一種隨調制信號的幅值而變化的疏密度不同的等幅波.

調頻波的瞬時頻率可表示為：f=f0+△f式中f0為載波信號頻率；△f為頻率偏移，與調制信號x(t)的幅值成正比。

測量過程中，電容C0變化量為△C，此時回路的振蕩頻率變為：2.頻率調制方法直接調頻測量電路LC振蕩電路振蕩頻率

壓控振蕩器（VCO)3.鑒頻變壓器耦合的諧振回路法feaeaf0ttfnef為輸入的調頻信號，在回路的諧振頻率fn處，線圈L1,L2的耦合電流最大，副邊輸出電壓ea也最大；ef頻率離fn越遠，線圈L1,L2的耦合電流越小，副邊輸出電壓ea也越小；從而將調頻波信號頻率的變化轉化為電壓幅值的變化。ect優點：抗干擾能力強。

調頻波通常要求很寬的頻帶，甚至為調幅所要求帶寬的20倍；調頻系統較之調幅系統復雜，因為頻率調制是一種非線性調制。

因為調頻信號所攜帶的信息包含在頻率變化之中，并非振幅之中，而干擾波的干擾作用則主要表現在振幅之中．

缺點：占頻帶寬度大，復雜4.3信號的濾波

一、概述

濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中有效成分通過，而極大地衰減其他頻率成分。

濾波器分類（根據濾波器的選頻作用分）

低通高通帶通帶阻濾波器的串/并聯

低通濾波器和高通濾波器是濾波器的兩種最基本的形式，其它的濾波器都可以分解為這兩種類型的濾波器。帶阻濾波器二、濾波器性能分析1.理想濾波器

理想濾波器是指能使通帶內信號的幅值和相位都不失真，阻帶內的頻率成分都衰減為零的濾波器。理想低通濾波器幅相頻特性理想濾波器的物理不可實現

理想濾波器在時域內的脈沖響應函數h（t）為sinc函數。脈沖響應的波形沿橫坐標左、右無限延伸。

給理想濾波器一個脈沖激勵，在t=0時刻單位脈沖輸入濾波器之前，濾波器就已經有響應了。故物理不可實現。fcH(f)0ffc1fc2A00.707A0(1)截止頻率fc：0.707A0所對應的頻率.δ(3)紋波幅度δ：通頻帶中幅頻特性的起伏變化值。(4)品質因數Q：中心頻率和帶寬之比稱為品質因數。BQ=f0/B(2)帶寬B:上下兩截止頻率間的頻率范圍稱為帶寬。2.實際濾波器的特征參數

(5)倍頻程選擇性W

指在上截止頻率fc2與2fc2之間或下截止頻率fc1與fc1／2之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個倍頻程時的衰減量。

倍頻程衰減量以dB/oct表示（Octave，倍頻程）。衰減越快（即W值越大），濾波器的選擇性越好。(6)濾波器因數λ（矩形系數）

濾波器幅頻特性的-60dB帶寬與-3dB帶寬的比值。三、實際濾波電路

在測試系統中，常用RC濾波器。RC濾波器電路簡單，抗干擾強，有較好的低頻性能，并且選用標準阻容元件。

1)一階RC低通濾波器

截止頻率2)一階RC高通濾波器

截止頻率3)RC帶通濾波器

可以看作為低通濾波器和高通濾波器的串聯

４）有源濾波器產品LineDa:LTC1564MAXIM:MAX74xx四、帶通濾波器在信號頻率分析中的應用

實際濾波器頻率通帶通常是可調的，根據實際濾波器中心頻率與帶寬之間的數值關系，可以分為兩種。１、恒帶寬比濾波器

２、恒帶寬濾波器

１、恒帶寬比濾波器

中心頻率倍頻程數上截止頻率下截止頻