第七章信号调理电路及指示记录装置

第7章信号调理电路及指示记录装置学习要求•掌握滤波器特性及分析方法•掌握调幅解调的原理•了解调频解调•了解常用的记录仪器•采样定理及量化误差第7章信号调理电路及指示记录装置如何观测一个细小的昆虫的结构？被测的量经过传感器变换后，已变为满足一定要求的电信号，但常常不能满足直接输出的要求。需利用一定的信号调理电路来对信号进行变换和处理。变换、处理后的信号，可由记录仪器将其不失真地实时记录、存贮下来，供观察研究、数据处理或信号再现。常见的有电桥转换,信号放大,硬件滤波，AC\DC、V\I、U\F、调制、放大等。信号调理器部分仅介绍，其他如电荷放大器、动态电阻应变仪将在后续章节中介绍。滤波器电压/电流转换电路第7章信号调理电路及指示记录装置7.1滤波器滤波器是一种选频装置，可使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。在测试中利用滤波器的这种选频作用，可滤除干扰噪声或进行频谱分析。第7章信号调理电路及指示记录装置滤波器分类及定义根据滤波器的选频作用，一般分为低通、高通、带通、带阻滤波器。处理信号的性质：数字、模拟（自动检测、自动控制、电子测量仪器）是否含有有源器件：有源、无源何种逼近方法：巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔电路特性：一阶、二阶第7章信号调理电路及指示记录装置低通滤波器下图是低通滤波器，从0-频率之间，幅频特性平直，它可使信号中低于的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于的频率成分受到极大的衰减，2f2f通带阻带截止频率第7章信号调理电路及指示记录装置高通滤波器与低通滤波器相反，从频率其幅频特性平直，它使信号中高于的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于的频率成分将受到极大地衰减；~1f1f1f高通第7章信号调理电路及指示记录装置带通滤波器它的通频带在之间，它使信号中高于而低于的频率成分可不受衰减地通过，而其它成分受到衰减；21~ff1f2f带通第7章信号调理电路及指示记录装置带阻滤波器带阻滤波器，特性与带通滤波器刚好相反。带阻第7章信号调理电路及指示记录装置说明：在每种滤波器中，在通带与阻带之间都存在一过渡带，在此带内，信号受到不同程度的衰减，这个过渡带是实际滤波器不可避免的。滤波器第7章信号调理电路及指示记录装置理想滤波器理想滤波器是一个理想化的模型，是一种物理不可实现的系统。理想滤波器具有矩形幅度特性和线性相移特性。其频率响应函数、幅频特性、相频特性分别为020)(ftjeAfH02)(ftf其它0)(cc0fffAfH为何要讨论？第7章信号调理电路及指示记录装置特点：这种理想低通滤波器，将信号中低于截止频率的频率成分予以传输，无任何失真；而将高于的频率成分完全衰减掉。cfcf理想滤波器理想模型第7章信号调理电路及指示记录装置实际滤波器理想滤波器：在通带内是一条直线。实际滤波器：通带中幅频特性也并非常数，所以其主要参数有纹波幅度、截止频率、带宽、品质因素以及倍频程选择性等。对比第7章信号调理电路及指示记录装置实际滤波器的主要参数①纹波幅度d在一定的频率范围内，实际滤波器的幅频特性可能呈波纹变化，其波动幅度d与幅频特性的平均值相比，越小越好，一般应远小于3dB，即第7章信号调理电路及指示记录装置②截止频率幅频特性值等于所对应的频率称为滤波器的截止频率。以为参考值，对应于点，即相对于减。若以信号的幅值平方表示信号功率，则所对应点正好是半功率点。实际滤波器的主要参数第7章信号调理电路及指示记录装置③带宽B与品质因素Q值上、下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽，或-3dB带宽，单位为Hz，带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力—频率分辨力。把中心频率f0和带宽B之比称为滤波器的品质因素Q，Q值越大，表明滤波器分辨力越高。实际滤波器的主要参数第7章信号调理电路及指示记录装置④倍频程选择性W在两截止频率外侧，实际滤波器有一个过渡带，这个过渡带的幅频曲线倾斜程度表明了幅频特性衰减的快慢。它决定着滤波器对带宽外频率成分衰阻的能力，通常用倍频程选择性来表征。所谓倍频程选择性是指在上截止频率fC2与2fC2之间，或者在下截止频率fC1与fC1/2之间幅频特性的衰减，即频率变化一个倍频程时的衰减量。以dB表示。显然，衰减越快，滤波器选择性越好。对于远离截止频率的衰减率也可用10倍频程衰减数表示之。实际滤波器的主要参数第7章信号调理电路及指示记录装置实际滤波器的主要参数dB3dB60BB⑤滤波器因素（或矩形系数）滤波器选择性的另一种表示方法，是用滤波器幅频特性的-60dB带宽与-3dB带宽的比值λ来表示。理想滤波器λ=1，通常使用的滤波器λ=(1-5)。有些滤波器因器件影响（如电容漏阻等），阻带衰减倍数达不到-60dB，则以标明的衰减倍数（如-40dB或-30dB）带宽与-3dB带宽之比来表示其选择性。第7章信号调理电路及指示记录装置2．RC调谐式滤波器的基本特性•在测试系统中，常用RC滤波器。因为在这一领域中，信号频率相对讲是不高的，而RC滤波电路简单，抗干扰性强，有较好的低频性能，且易通过标准阻容元件来实现。第7章信号调理电路及指示记录装置RCexey0f1A（f）-900-4500f图7-5RC低通滤波器及其幅频、相频特性φ(f)π21xyyeeteRCdd11)()()(ssesesHxyRC2)π2(11|)(|)(ffHfAffπ2arctg)(teexyd1第7章信号调理电路及指示记录装置CRex图7-6RC高通滤波器及其幅频、相频特性9004500f0f1A（f）φ(f)eyπ21xyyeteRCed12)π2(1π2)(fffAffπ21arctg)(1)(sssH第7章信号调理电路及指示记录装置R2exeyC2C1R1Y(S)X(s)H1（s）H2（s）C1φ（f）图7-7RC带通滤波器及其幅频、相频特性0fA（f）-4504500f11π212π212π211π21第7章信号调理电路及指示记录装置3．可实现的典型滤波网络函数•实用中的滤波器，在通频带内不平坦；在过渡部分不陡直；阻带部分不为零。而滤波器的设计是在一定限度内进行逼近的。“最佳逼近特性”的标准是根据滤波器的不同应用要求而定出的。如可只考虑幅频特性，而不考虑相频特性，如巴特沃斯、切比雪夫滤波器等，也可以提出相频特性而不关心幅频特性，如贝塞尔滤波器等。01110111)()()(asasasabsbsbsbsXsYsHnnnnmmmm第7章信号调理电路及指示记录装置信号调制的类型，一般正（余）弦调制可分为幅度调制、频率调制、相位调制三种，简称为调幅、调频、调相。本节讨论幅度调制及其解调。调幅解调第7章信号调理电路及指示记录装置调幅与解调原理调幅：是将一个高频正弦信号（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，现以频率为的余弦信号作为载波进行讨论。由傅里叶变换的性质知，时域中两信号相乘，则对应在频域这两个信号进行卷积，即)()()()(fZfXtztx第7章信号调理电路及指示记录装置•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，所以，若以高频余弦信号作载波，把信号x(t)和载波信号z(t)相乘，其结果就相当于把原信号频谱图形由原点平移至载波频率fz处，其幅值减半。即•)(21)(21π2cosZZZfffftf)()(21)()(21π2cos)(ZZZfffXfffXtftx第7章信号调理电路及指示记录装置余弦函数的频域，图形是一对脉冲谱线，即第7章信号调理电路及指示记录装置•这一过程就是调幅，调幅过程相当于频率“搬移”过程。若把调幅波再次与载波信号相乘，则频域图形将再次进行“搬移”，即与乘积的傅里叶变换为•若用一个低通滤波器滤除中心频率为的高频成分，则可复现原信号的频谱（只是其幅值减小一半，这可用放大处理来补偿），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载波信号具有相同的频率与相位。)(tz)(mtx)(tz)(mtx)2(41)2(41)(21)]()([ZZmffXffXfXtztxFZ2f第7章信号调理电路及指示记录装置第7章信号调理电路及指示记录装置上述调制方法是将调制信号x(t)直接与载波信号z(t)相乘，这种调幅波具有极性变化，即在信号过零线时：⑴其幅值发生由正到负或由负到正的突然变化，此时调幅波的相位（相对于载波）也相应地发生的相位变化。这种调制方法称为抑制调幅。抑制调幅需采用同步解调，才能反映出原信号的幅值和极性。第7章信号调理电路及指示记录装置⑵若把调制信号x(t)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，此时调幅波的表达式为：或式中，m≤1,称为调幅指数。该调制方法为非抑制调幅或偏置调幅。其调幅波的包络线具有原符号形状如下图所示，对于非抑制调幅波，一般进行整流、滤波后，就可恢复原信号。tftxAtxZmπ2cos)]([)(tftmxAtxmZπ2cos)](1[)(第7章信号调理电路及指示记录装置第7章信号调理电路及指示记录装置7.3调频解调在实际应用中，除调幅及其解调外，还经常在测试中运用调频及解调方法。调频：是利用信号x(t)的幅值调制载波的频率，或者说，调频波是一种随信号x(t)的电压幅值而变化的疏密不同的等幅波。第7章信号调理电路及指示记录装置调频特点：优点：频率调制较幅度调制的最大优点是改善了信噪比。调频波之所以改善了信号传输过程中的信噪比，是因为调频信号所携带的信息包含在频率的变化之中，并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主要表现在振幅之中。第7章信号调理电路及指示记录装置调频特点：缺点：①调频波通常要求很宽的频带；②调频系统较之调幅系统复杂，因为调频调制实际上是一种非线性调制，它不能运用叠加原理，因此，分析调频波比分析调幅波困难。第7章信号调理电路及指示记录装置•频率调制是使载波频率对应于调制信号x(t)的幅值的变化。由于x(t)的幅值是一个随时间而变化的函数，因此，调频波的频率是一个“随时间而变化的频率”，其定义为•式中，中的。第7章信号调理电路及指示记录装置通常在单一频率时式中，为初相位，是常数。频率调制就是利用瞬时频率来表示信号的调制，即式中，为载波中心频率；是调制信号；是载波被信号调制部分，表明瞬时频率是载波中心频率与随信号幅值而变化的频率之和，（A）第7章信号调理电路及指示记录装置对式（A）积分如调制信号是单一余弦波，即则调频波表达式为sin)(GtgtAtGttxtGsinsind)(sin0000tmtGsinsinf0第7章信号调理电路及指示记录装置/0fAm0A00A式中，为调频指数；为实际变化的频率幅度，称为最大频率偏移，或表示为第7章信号调理电路及指示记录装置•为研究调频波的频谱，将上式展开，利用贝塞尔函数式：tmJmJtmnncos)(2)()sincos(f21f0ftntmJtmnn)12(sin)(2)sinsin(f121f第7章信号调理电路及指示记录装置•计算可得式中，的n阶贝塞尔函数；是自变量，下角n为整数。tmJtmJGtg)sin()(sin)([)(0f10f0tnmJtmJtmJtmJn)sin()()2sin()()2sin()()sin()(0f0f20f20f1])sin()()1(0tnmJfnnff)(mmJn为第7章信号调理电路及指示记录装置①用单一频率调制时，调频波可用载频与许多对称的位于载频两侧的边频之和来表示，邻近的边频彼此之间相差为;②每一个频率分量的幅值等于，当n为偶数时，高低对称边频有相同的符号；当n为奇数时，它们符号相反;③从理论上讲，边频数目无穷多，不过，由于从开始，随n的增加，边频幅值很快衰