CH5信号调理处理和记录

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,9/22/2024,1,第5章 信号调理、处理和记录,Signal Condition, Process and Record,5.1 电桥(Bridge Circuit),5.2 调制与解调(Modulation and Demodulation),5.3 滤波器(Wave Filter),5.4 信号的指示和记录装置,(Indication and Record Equipments of Signal),返回,1,9/22/2024,5.1 电 桥,(Bridge Circuit),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。,按照激励电压的性质，分为,直流,电桥,和,交流电桥,；按照输出方式，分为,不平衡桥式电路,和,平衡桥式电路。,电桥:,分类:,2,1. 直流电桥,电 桥(2/19),9/22/2024,R,1,R,3,R,4,R,2,u,i,u,o,I,1,I,2,a,b,d,c,3,9/22/2024,(2)电桥的平衡条件,(1) 电桥输出电压,电 桥(3/19),4,直流电桥的连接方式,(a) 半桥单臂 (b) 半桥双臂 (c) 全桥,电 桥(4/19),R,3,R,4,R,2,u,i,u,o,I,1,I,2,a,b,d,c,R,3,R,4,u,i,u,o,I,1,I,2,a,b,d,c,u,i,u,o,I,1,I,2,a,b,d,c,1,1,R,R,D,1,1,R,R,D,2,2,R,R,D,m,1,1,R,R,D,2,2,R,R,D,m,4,4,R,R,D,m,3,3,R,R,D,3,4,2,u,u,1,2,3,4,u,u,1,2,u,1,2,1,1,R,R,D,1,1,R,R,D,2,2,R,R,D,m,1,1,R,R,D,2,2,R,R,D,m,4,4,R,R,D,m,3,3,R,R,D,5,电 桥(5/19),如电桥开始处于平衡状态,当各桥臂电阻发生微小变化时电桥失去平衡,其输出为,(3) 电桥的,灵敏度,一般,R,很小，即,R,0时，无论调制波是否为正，相敏检波器的输出波形均为正，即保持与调制信号极性相同。这种电路相当于在0,a,段对,x,m,(,t,)全波整流，解调后的频率比原调制波高一倍。,调制与解调(13/26),33,9/22/2024,调制与解调(14/26),34,9/22/2024,由上两图知，,x,(,t,)0时，不管调制波极性如何，相敏检波器的输出波形均为负，保持与,x,(,t,)一致。同时，电路在,a,b,段相当于对,x,m,(,t,)全波整流后反相，解调后的频率为原调制波的两倍。,调制与解调(15/26),35,9/22/2024,4)调幅应用动态电阻应变仪,调制与解调(16/26),电桥,放大器,相敏检波,低通滤波,显示记录,载波振荡器,x,(,t,),x,(,t,),0,t,0,t,y,(,t,),电阻应变片,0,t,x,m,(,t,),0,t,x,(,t,),0,t,x,m,(,t,),36,9/22/2024,2调频及其解调,(1),原理,利用调制信号的幅值控制载波信号频率的过程。调频波是等幅波，但频率的变化量与调制信号幅值成正比。,调频波的瞬时频率可表示为,f,=,f,0,+,f,=,f,0,+,K x,(,t,),f,0,为载波频率，也称中心频率。,f,为频率偏移，与调制信号,x,(,t,)幅值成正比。,调制与解调(17/26),37,9/22/2024,调频波与调制信号幅值的关系图,调制与解调(18/26),38,9/22/2024,设调制信号,载波信号为,调频时载波的幅值和初始相位角不变，瞬时频率 围绕着,f,0,随调制信号电压作线性的变化：,由上式可见，频率偏移与调制信号的幅值成正比，与调制信号的频率无关，这是调频波的基本特征之一。,调制与解调(19/26),39,9/22/2024,实现信号的调频和解调的方法甚多。在测量系统中，常利用电抗元件组成调谐振荡器，以电抗元件（电感或电容）作为传感器参量，以它感受被测量的变化，作为调制信号的输入，振荡器原有的信号振荡信号作为载波。当有调制信号输入时，振荡器输出即为被调制了的调频波。当电容,C,和电感,L,并联组成振荡器的谐振回路时，电路的谐振频率将为：,调制与解调(20/26),40,9/22/2024,无信号输入时，,x,(,t,)=0，谐振电路的谐振频率为,有信号输入时，,x,(,t,)0，谐振电路的谐振频率为,调制与解调(21/26),41,9/22/2024,对上式求微分得谐振频率的绝对变换量:,在载波频率,f,0,附近有,C,1,=,C,0,，所以,调制与解调(22/26),42,9/22/2024,谐振频率的表达式为,用,K,f,表示,调制与解调(23/26),43,9/22/2024,无信号时，谐振电路的输出电压,有信号时，谐振电路的输出电压,调制与解调(24/26),44,9/22/2024,(2),调频波的解调,调频波是以正弦波频率的变化来反映被测信号的幅值变化。,调频波的解调是先将调频波变换成调频调幅波，然后进行幅值检波。,调频波的解调由鉴频器完成。鉴频器通常由线性变换电路与幅值检波电路组成。,调制与解调(25/26,),45,9/22/2024,(a),鉴频器,(b,) 频率-电压特性曲线,调制与解调(26/26),u,f,C,1,L,1,L,2,C,2,C,R,u,0,u,a,频率电压线性变换部分,幅值检波,u,a,0,n,0,t,t,u,a,0,u,a,t,0,46,9/22/2024,5.3 滤波器,(Wave Filter),滤波器是一种选频装置，它只允许一定频带范围的信号通过，同时极大地衰减其他频率成分。,滤波器的这种筛选功能在测试技术中可以起到消除噪声、干扰信号等作用，在自动检测、自动控制、信号处理等领域得到广泛的应用。,47,9/22/2024,1. 滤波器的分类,低通滤波器：,通频带,0,f,2,。,高通滤波器：通频带,f,1,带通滤波器：通频带,f,1,f,2,带阻滤波器：通频带,0,f,3,与,f,4,（阻带：,f,3,f,4,）,(1) 根据滤波器的选频特性分类,高通滤波器幅频特性=1-低通滤波器幅频特性,带阻滤波器是高通和低通的组合,滤波器,(2/23),48,9/22/2024,(2)根据滤波器的元件类型分类,RC,、,LC,、晶体谐振及开关电容滤波器,。,(3)根据滤波器的电路性质分类,有源、无源滤波器。,(4)根据滤波器的信号性质分类,模拟、数字滤波器。,滤波器,(3/23),49,9/22/2024,2.理想滤波器,(1)理想滤波器模型及脉冲响应,无过渡带且在通频带内满足不失真测试条件的滤波器称为理想滤波器。理想滤波器的频率响应函数为,理想滤波器的脉冲响应函数为sinc函数，若无相角滞后（,t,0,=0）：,滤波器,(4/23),50,9/22/2024,任何现实系统都不可能具有这种预知未来的能力,在输入,(,t,)到来以前,滤波器有与输入相对应的输出,理想低通滤波器是不存在的.,理想高通、带通、带阻滤波器也是不存在的,滤波器,(5/23),f,f,c,0,-,f,c,(,f,),2,t,0,A,0,0,f,f,c,-,f,c,|,H,(,f,)|,(a)理想低通滤波器频率特性,t,0,1/2,f,c,1/,f,c,-1/2,f,c,-1/,f,c,2,A,0,f,c,h,(,t,),t,t,0,0,h,(,t,),(b)理想低通滤波器脉冲响应函数,51,9/22/2024,(2)理想滤波器的阶跃响应,1)单位阶跃输入,2)滤波器的阶跃响应,：,滤波器,(6/23),52,9/22/2024,若不考虑前、后皱波，输出从0(,a,点)到应有的稳定值,A,0,(,b,点)之间的所需建立时间为：,上截止频率,3)阶跃响应波形图,4)响应时间,滤波器,(7/23),理想低通滤波器对单位阶跃输入的响应,0,t,t,b,t,a,a,y,(,t,),A,0,0.5,A,0,b,(a)无相角滞后，时移,t,0,=0,0,t,y,(,t,),t,b,t,0,t,a,a,A,0,0.5,A,0,b,(b)有相角滞后，时移,t,0,0,53,9/22/2024,如果按稳态响应值的0.10.9作为计算建立时间的标准，则,滤波器通频带越宽（,f,c,越高），建立时间越短，响应速度越快。其物理意义是：,输入信号突变处（间断点）必然含有丰富的高频分量。,低通滤波器阻衰了高频分量，结果将输出波形“圆滑”。,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，故建立时间短，反之建立时间长。,滤波器,(8/23),54,9/22/2024,低通滤波器对阶跃响应的建立时间,T,e,与带宽,B,成反比，即：,BT,e,= 常数,该结论对高通、带通及带阻滤波器均成立。,滤波器带宽表示其频率分辨力，通带越窄，分辨力越高，显然，高分辨力与响应速度是互相矛盾的。如果要用滤波的方法从信号中提取某一很窄的频率成分（如作谱分析），必须有足够的时间。,5)高分辨力与响应速度的关系:,滤波器,(9/23),55,9/22/2024,3. 实际滤波器,(1)实际滤波器的基本参数,理想带通滤波器（虚线）与实际带通滤波器（实线）的幅频特性图,滤波器,(10/23),56,9/22/2024,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。带宽,B,决定频率分辨力。,将中心频率,f,0,（ ，几何平均）与带宽,B,之比称为滤波器的品质因素。,f,0,确定，品质因素,Q,越大，滤波器分辨力越高。,或,指在上截止频率,f,c2,与2,f,c2,之间，或者在下截止频率,f,c1,与,f,c1,/2之间幅频特性的衰减量，即频率变化一个倍频程的衰减量。,带宽,B,和品质因素,Q,倍频程选择性,W,滤波器,(11/23),57,9/22/2024,倍频程选择性用dB/oct表示，有时也采用10倍频程选择性用dB/dec表示。倍频程选择性表明滤波器过渡带内幅频曲线的倾斜程度，它决定了滤波器对带宽外频率成分衰减的能力。显然,W,越大，滤波器选择性越好。,理想滤波器,=1，通常,=15。有些滤波器因器件影响（如电容漏阻），阻带衰减达不到,-,60dB，可用,-,40dB或,-,30dB带宽与,-,3dB带宽的比值表示,。,滤波器因数（矩形系数）,滤波器选择性的另一种表示法。用滤波器幅频特性的,-,60dB带宽与,-,3dB带宽的比值表示。,滤波器,(12/23),58,9/22/2024,(2),RC,调谐式滤波器的基本参数,1)一阶,RC,低通滤波器,低频段近于不失真传输。高频段近于积分器。高频衰减率,20dB/dec（ 6dB/oct,）,滤波器,(13/23),C,R,u,y,u,x,f,1/2,1,A,(,f,),0,f,-45,0,-90,0,0,(,f,),1/2,RC,低通滤波器,59,9/22/2024,2)一阶,RC,高通滤波器,低频段近于微分器。高频段近于不失真传输。,滤波器,(14/23),u,y,u,x,RC,高通滤波器,60,9/22/2024,(3),RC,带通滤波器,带通滤波器可由低通和高通滤波器串联组成。,为了消除串联时负载效应的影响，通常用输出跟随器或运算放大器实现隔离。,因此，实际带通滤波器通常是有源的。,不考虑负载效应时，带通滤波器传递函数为,滤波器,(15/23),C,1,R,2,C,2,R,1,u,y,u,x,H,1,(,s,),H,2,(,s,),X,(,s,),Y,(,s,),RC,带通滤波器,61,9/22/2024,4. 恒带宽比与恒带宽滤波器,对信号做频谱分析或摘取信号中某些频率成分时，可以通过多个中心频率不同的带通滤波器实现，各个滤波器的输出反映了信号在该通频带内的量值。,带通滤波器实现谱分析可有两种方式：一是由一中心频率可调的带通滤波器独立构成；二是使用各自中心频率固定，但又按一定规律相隔的滤波器组。显然后者可以实现“实时”谱分析。,对滤波器组，各滤波器的通带应相互邻接，覆盖整个感兴趣的频带。即前一滤波器的,3dB上截止频率为后一相邻滤波器的3dB下截止频率。滤波器组具有相同的增益（对各中心频率而言）。,滤波器,(16/23),62,9/22/2024,(1)倍频程频谱分析装置,中心频率固定,Q,=,f,/,B,。,Q,相同，中心频率,f,越高，带宽,B,越宽。,滤波器,(17/23),63,9/22/2024,(2)恒带宽比滤波器（恒定百分比带通滤波器）,特点： ，即品质因数恒定。,显然，中心频率,f,0,越高，带宽越大。,恒带宽比滤波器的低端截止频率,f,c1,与高端截止频率,f,c2,之间常满足如下关系：,n,称为倍频程数。,n,=1称为倍频程滤波器；,n,=1/3称为1/3倍频程滤波器。,滤波器,(18/23),64,9/22/2024,由于：,从而有：,n,=1时，,Q,=1.41；,n,=1/3时，,Q,=4.38；,n,=1/5时，,Q,=7.2。,对邻接的滤波器组，易得： 。,只要选定,n,值，即可设计覆盖给定频率范围的邻接式滤波器。,显然，倍频程数越,小，,Q,值越大，滤波器,分辨力越高。,滤波器,(19/23),65,9/22/2024,中心频率/Hz,16,31.5,63,125,250,带宽/Hz,11.31,22.27,44.55,88.39,176.78,中心频率/Hz,12.5,16,20,25,31.5,40,50,63,带宽/Hz,2.9,3.7,4.6,5.8,7.3,9.3,11.6,14.6,倍频程滤波器,1/3倍频程滤波器,高频段分辨率低,滤波器,(20/23),66,9/22/2024,(3)恒带宽滤波器,恒带宽滤波器带宽恒定。在所有频带内都具有良好的频率分辨力。,恒带宽滤波器一般不宜固定中心频率。,而是利用一个定带宽、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。,滤波器,(21/23),67,9/22/2024,常用恒带宽滤波器,有相关滤波和跟踪滤波两种。,滤波器,(22/23),. . .,. . .,f,A,(,f,),0,100,200,400,600,800,1 000,(a)恒带宽带通滤波器,. . .,. . .,f,A,(,f,),0,100,200,400,600,800,1 000,(b)恒带宽比带通滤波器,恒带宽与恒带宽比带通滤波器比较,68,9/22/2024,中心频率在不同频率时均有输出,(4)三种滤波器测量结果比较,滤波器,(23/23),0,40,20,幅值/dB,940,1 060,f,/Hz,(a)实际信号,0,40,20,幅值/dB,630,800,1 000,1 250,1 600,f,/Hz,(b)1/3倍频程分析结果,f,/Hz,0,40,20,幅值/dB,940,1 060,(c)1/10倍频程分析结果,(d) 恒带宽滤波器分析结果,940,1 060,0,40,20,幅值/dB,f,/Hz,三种滤波器测量结果比较,69,9/22/2024,5.4 信号的指示和记录装置,(Indication and Record Equipments of Signal),信号指示与记录装置是测试系统的最后一个环节，也是进一步了解、分析和研究测量结果的重要环节。,选择指示与记录装置，首先关心的是其响应能力，即能否正确地跟踪测量信号的变化，并把它如实的记录下来（随动系统）。,通常把记录装置对正弦信号的响应能力称为记录装置的频率响应特性，它决定了记录装置的工作频率范围。,70,9/22/2024,信号的指示和记录装置,(2/7),71,9/22/2024,1. 磁光盘记录器,信号的指示和记录装置,(3/7),硬盘：,硬盘存储器主要由磁头、盘片、硬盘驱动器和读/写控制电路组成，盘片用铝合金或玻璃等材料制成，其表面涂有磁性材料，硬盘存储器根据磁头和盘片结构的不同可以分为固定磁头硬盘，活动磁头固定盘片硬盘以及活动可换盘片硬盘等几种类型。磁盘的转速有12 000 r/min、7 200,r/min,、5 400,r/min,等多种，并且朝着转速越来越快的方向发展。,72,9/22/2024,信号的指示和记录装置,(4/7),光盘：,目前常见的光盘储存器是CD-ROM和DVD-ROM。又可以分为以下几种：只读光盘(CD-R)、可读写光盘(rewritable)。其工作原理是把被记录信息经过数字化处理，变成了“ 0”与“1”，其对应在光盘上就是沿着盘面螺旋形状信息轨道上的一系列凹点(pits)和平面(lands)。所有的凹点都具有相同的深度和长度，其深度约为0.11,0.13,m，宽度约为0.4,0.5,m，而激光光束能在1,s内从1,m,2,的面积内获得清晰的反射信号。根据其反射回激光的状况，光盘驱动器就能将其解读为“0”或“1”的数字编码了。,73,9/22/2024,信号的指示和记录装置,(5/7),闪存盘：,便携存储（USB flash disk），也称为闪存盘。是采用USB接口和闪存（flash memory）技术结合的方便携带外观精美时尚的移动存储器，具有可多次擦写、速度快而且防磁、防振、防潮的优点。 最初的闪存盘出现在1999年，是由我国朗科（Netac）公司研发的，他们把它命名叫“优盘” 。,74,9/22/2024,2. 高速摄像仪,信号的指示和记录装置,滤波器,(6/7),采用小型摄像头以及帧捕获卡高速采集图像以记录快速运动对象的状态。一般地，高速摄像仪每秒可捕获 500帧(即 500 fps) 以上的高分辨率图像，并且在降低分辨率的情况下提高捕获图像的帧数，如某台高速摄像仪在降低分辨率的情况下可达到16 000 fps。,高速摄像仪把高速数字摄影、控制软件和强大的分析功能与 PC 结合，提供一个完整的高速摄像视频系统。系统具有完善的功能和灵活性，能满足多样运动分析的需求。用于工业测试、体育、汽车工业、自动化生产线检测、军事、医疗等领域的各类高速数字摄影系统。,75,9/22/2024,3. 数字波形存储记录仪,模拟信号转换为数值信号,数值,信号转换为,模拟,信号,信号的指示和记录装置,(7/7),输入的被测信号先经衰减器、放大器变换为符合 A/D 变换器输入范围的信号，经 A/D 变换器进行取样、量化、编码，成为数字码，存储到 RAM 中实现被测信号的数字化存储，数字化存储的信号通过显示驱动显示在显示屏上。,76,