信號(hào)調(diào)理電路及指示紀(jì)錄裝置.ppt

學(xué) 習(xí) 要 求,掌握濾波器特性及分析方法 掌握調(diào)幅解調(diào)的原理 了解調(diào)頻解調(diào) 了解常用的記錄儀器 采樣定理及量化誤差,如何觀測(cè)一個(gè)細(xì)小的昆蟲(chóng)的結(jié)構(gòu)？ 被測(cè)的量經(jīng)過(guò)傳感器變換后，已變?yōu)闈M足一定要求的電信號(hào)，但常常不能滿足直接輸出的要求。 需利用一定的信號(hào)調(diào)理電路來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換和處理。變換、處理后的信號(hào)，可由記錄儀器將其不失真地實(shí)時(shí)記錄、存貯下來(lái)，供觀察研究、數(shù)據(jù)處理或信號(hào)再現(xiàn)。 常見(jiàn)的有電橋轉(zhuǎn)換,信號(hào)放大,硬件濾波，ACDC、VI、UF、調(diào)制、放大等。 信號(hào)調(diào)理器部分僅介紹 ，其他如電荷放大器、動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀將在后續(xù)章節(jié)中介紹。,濾波器,7.1 濾波器,濾波器是一種選頻裝置，可使信號(hào)中特定的頻率成分通過(guò)，而極大地衰減其它頻率成分。在測(cè)試中利用濾波器的這種選頻作用，可濾除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析。,篩子的作用？,濾波器分類(lèi)及定義,根據(jù)濾波器的選頻作用，一般分為低通、高通、帶通、帶阻濾波器。 處理信號(hào)的性質(zhì)：數(shù)字、模擬（自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制、電子測(cè)量?jī)x器） 是否含有有源器件：有源、無(wú)源 何種逼近方法：巴特沃斯、切比雪夫、貝塞爾 電路特性：一階、二階,低通濾波器,下圖是低通濾波器，從0- 頻率之間，幅頻特性平直，它可使信號(hào)中低于 的頻率成分幾乎不受衰減地通過(guò)，而高于 的頻率成分受到極大的衰減，,通帶 阻帶 截止頻率,高通濾波器 與低通濾波器相反，從頻率 其幅頻特性平直，它使信號(hào)中高于 的頻率成分幾乎不受衰減地通過(guò)，而低于 的頻率成分將受到極大地衰減；,高通,帶通濾波器 它的通頻帶在 之間，它使信號(hào)中高于 而低于 的頻率成分可不受衰減地通過(guò)，而其它成分受到衰減；,帶通,帶阻濾波器 帶阻濾波器，特性與帶通濾波器剛好相反。,帶阻,說(shuō)明： 在每種濾波器中，在通帶與阻帶之間都存在一過(guò)渡帶，在此帶內(nèi)，信號(hào)受到不同程度的衰減，這個(gè)過(guò)渡帶是實(shí)際濾波器不可避免的。,濾波器,理想濾波器,理想濾波器是一個(gè)理想化的模型，是一種物理不可實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)。 理想濾波器具有矩形幅度特性和線性相移特性。其頻率響應(yīng)函數(shù)、幅頻特性、相頻特性分別為,為何要 討論？,特點(diǎn)： 這種理想低通濾波器，將信號(hào)中低于截止頻率 的頻率成分予以傳輸，無(wú)任何失真；而將高于 的頻率成分完全衰減掉。,理想濾波器,理想模型,實(shí)際濾波器,理想濾波器：在通帶內(nèi)是一條直線。 實(shí)際濾波器：通帶中幅頻特性也并非常數(shù)，所以其主要參數(shù)有紋波幅度、截止頻率、帶寬、品質(zhì)因素以及倍頻程選擇性等。,對(duì)比,實(shí)際濾波器的主要參數(shù),紋波幅度d 在一定的頻率范圍內(nèi)，實(shí)際濾波器的幅頻特性可能呈波紋變化，其波動(dòng)幅度d與幅頻特性的平均值相比，越小越好，一般應(yīng)遠(yuǎn)小于3dB，即,截止頻率 幅頻特性值等于 所對(duì)應(yīng)的頻率稱為濾波器的截止頻率。以 為參考值， 對(duì)應(yīng)于 點(diǎn)，即相對(duì)于 衰減 。 若以信號(hào)的幅值平方表示信號(hào)功率，則所對(duì)應(yīng)點(diǎn)正好是半功率點(diǎn)。,實(shí)際濾波器的主要參數(shù),帶寬B與品質(zhì)因素Q值 上、下兩截止頻率之間的頻率范圍稱為濾波器帶寬，或 帶寬，單位為Hz，帶寬決定著濾波器分離信號(hào)中相鄰頻率成分的能力頻率分辨力。 把中心頻率 和帶寬B之比稱為濾波器的品質(zhì)因素Q，Q值越大，表明濾波器分辨力越高。,實(shí)際濾波器的主要參數(shù),倍頻程選擇性W 在兩截止頻率外側(cè)，實(shí)際濾波器有一個(gè)過(guò)渡帶，這個(gè)過(guò)渡帶的幅頻曲線傾斜程度表明了幅頻特性衰減的快慢。它決定著濾波器對(duì)帶寬外頻率成分衰阻的能力，通常用倍頻程選擇性來(lái)表征。 所謂倍頻程選擇性是指在上截止頻率fC2與2 fC2之間，或者在下截止頻率fC1與fC1/2之間幅頻特性的衰減，即頻率變化一個(gè)倍頻程時(shí)的衰減量。以dB表示。顯然，衰減越快，濾波器選擇性越好。對(duì)于遠(yuǎn)離截止頻率的衰減率也可用10倍頻程衰減數(shù)表示之。,實(shí)際濾波器的主要參數(shù),實(shí)際濾波器的主要參數(shù),濾波器因素（或矩形系數(shù)） 濾波器選擇性的另一種表示方法，是用濾波器幅頻特性的-60dB帶寬與-3dB帶寬的比值來(lái)表示。 理想濾波器=1，通常使用的濾波器=(1-5)。有些濾波器因器件影響（如電容漏阻等），阻帶衰減倍數(shù)達(dá)不到-60dB，則以標(biāo)明的衰減倍數(shù)（如-40dB或-30dB）帶寬與-3dB帶寬之比來(lái)表示其選擇性。,2RC調(diào)諧式濾波器的基本特性,在測(cè)試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因?yàn)樵谶@一領(lǐng)域中，信號(hào)頻率相對(duì)講是不高的，而RC濾波電路簡(jiǎn)單，抗干擾性強(qiáng)，有較好的低頻性能，且易通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)阻容元件來(lái)實(shí)現(xiàn)。,R2,e x,e y,C2,C1,R1,C1,（f）,圖7-7 RC帶通濾波器及其幅頻、相頻特性,0,f,A（f）,-450,450,0,f,1,3可實(shí)現(xiàn)的典型濾波網(wǎng)絡(luò)函數(shù),實(shí)用中的濾波器，在通頻帶內(nèi)不平坦；在過(guò)渡部分不陡直；阻帶部分不為零。而濾波器的設(shè)計(jì)是在一定限度內(nèi)進(jìn)行逼近的?！白罴驯平匦浴钡臉?biāo)準(zhǔn)是根據(jù)濾波器的不同應(yīng)用要求而定出的。如可只考慮幅頻特性，而不考慮相頻特性，如巴特沃斯、切比雪夫?yàn)V波器等，也可以提出相頻特性而不關(guān)心幅頻特性，如貝塞爾濾波器等。,信號(hào)調(diào)制的類(lèi)型，一般正（余）弦調(diào)制可分為幅度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制三種，簡(jiǎn)稱為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相。本節(jié)討論幅度調(diào)制及其解調(diào)。,調(diào)幅解調(diào),調(diào)幅與解調(diào)原理,調(diào)幅：是將一個(gè)高頻正弦信號(hào)（載波）與測(cè)試信號(hào)相乘，使載波信號(hào)幅值隨測(cè)試信號(hào)的變化而變化，現(xiàn)以余弦信號(hào)作為載波進(jìn)行討論。 由傅里葉變換的性質(zhì)知，時(shí)域中兩信號(hào)相乘，則對(duì)應(yīng)在頻域這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行卷積，即,一個(gè)函數(shù)與單位脈沖函數(shù)卷積的結(jié)果，就是將其圖形由坐標(biāo)原點(diǎn)平移至該脈沖函數(shù)處，所以，若以高頻余弦信號(hào)作載波，把信號(hào) 和載波信號(hào) 相乘，其結(jié)果就相當(dāng)于把原信號(hào)頻譜圖形由原點(diǎn)平移至載波頻率 處，其幅值減半 。即,余弦函數(shù)的頻域，圖形是一對(duì)脈沖譜線，即,這一過(guò)程就是調(diào)幅，調(diào)幅過(guò)程相當(dāng)于頻率“搬移”過(guò)程。若把調(diào)幅波 再次與載波信號(hào) 相乘，則頻域圖形將再次進(jìn)行“搬移”，即 與 乘積的傅里葉變換為 若用一個(gè)低通濾波器濾除中心頻率為 的高頻成分，則可復(fù)現(xiàn)原信號(hào)的頻譜（只是其幅值減小一半，這可用放大處理來(lái)補(bǔ)償），這一過(guò)程稱為同步解調(diào)。 “同步”指解調(diào)時(shí)所乘的信號(hào)與調(diào)制時(shí)載波信號(hào)具有相同的頻率與相位 。,上述調(diào)制方法是將調(diào)制信號(hào)x(t)直接與載波信號(hào)z(t)相乘，這種調(diào)幅波具有極性變化，即在信號(hào)過(guò)零線時(shí)： 其幅值發(fā)生由正到負(fù)或由負(fù)到正的突然變化，此時(shí)調(diào)幅波的相位（相對(duì)于載波）也相應(yīng)地發(fā)生的相位變化。這種調(diào)制方法稱為抑制調(diào)幅。 抑制調(diào)幅需采用同步解調(diào)，才能反映出原信號(hào)的幅值和極性。,若把調(diào)制信號(hào)x(t)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，此時(shí)調(diào)幅波的表達(dá)式為： 或 式中，m1,稱為調(diào)幅指數(shù)。 該調(diào)制方法為非抑制調(diào)幅或偏置調(diào)幅。 其調(diào)幅波的包絡(luò)線具有原符號(hào)形狀如下圖所示，對(duì)于非抑制調(diào)幅波，一般進(jìn)行整流、濾波后，就可恢復(fù)原信號(hào)。,7.3 調(diào)頻解調(diào),在實(shí)際應(yīng)用中，除調(diào)幅及其解調(diào)外，還經(jīng)常在測(cè)試中運(yùn)用調(diào)頻及解調(diào)方法。 調(diào)頻：是利用信號(hào) 的幅值調(diào)制載波的頻率，或者說(shuō)，調(diào)頻波是一種隨信號(hào) 的電壓幅值而變化的疏密不同的等幅波。,調(diào)頻特點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：頻率調(diào)制較幅度調(diào)制的最大優(yōu)點(diǎn)是改善了信噪比。 調(diào)頻波之所以改善了信號(hào)傳輸過(guò)程中的信噪比，是因?yàn)檎{(diào)頻信號(hào)所攜帶的信息包含在頻率的變化之中，并非振幅之中，而干擾波的干擾作用則主要表現(xiàn)在振幅之中。,調(diào)頻特點(diǎn)： 缺點(diǎn)： 調(diào)頻波通常要求很寬的頻帶； 調(diào)頻系統(tǒng)較之調(diào)幅系統(tǒng)復(fù)雜，因?yàn)檎{(diào)頻調(diào)制實(shí)際上是一種非線性調(diào)制，它不能運(yùn)用疊加原理，因此，分析調(diào)頻波比分析調(diào)幅波困難。,頻率調(diào)制是使載波頻率對(duì)應(yīng)于調(diào)制信號(hào) 的幅值的變化。由于的幅值是一個(gè)隨時(shí)間而變化的函數(shù)，因此，調(diào)頻波的頻率是一個(gè)“隨時(shí)間而變化的頻率”，其定義為 式中， 中的 。,通常在單一頻率時(shí) 式中， 為初相位，是常數(shù)。 頻率調(diào)制就是利用瞬時(shí)頻率 來(lái)表示信號(hào)的調(diào)制，即 式中， 為載波中心頻率； 是調(diào)制信號(hào)； 是載波被信號(hào)調(diào)制部分，表明瞬 時(shí)頻率是載波中心頻率 與隨信號(hào) 幅值而變化的頻率 之和，,（A）,對(duì)式（A）積分 如調(diào)制信號(hào)是單一余弦波，即 則調(diào)頻波表達(dá)式為,式中，,為調(diào)頻指數(shù)；,為實(shí)際變化的頻率幅度，稱為最大頻率偏移， 或表示為,為研究調(diào)頻波的頻譜，將上式展開(kāi)，利用貝塞爾函數(shù)式 ：,計(jì)算可得 式中， 的n階貝塞爾函數(shù)；是自變量，下角n為整數(shù)。,用單一頻率 調(diào)制時(shí)，調(diào)頻波可用載頻與許多對(duì)稱的位于載頻兩側(cè)的邊頻 之和來(lái)表示，鄰近的邊頻彼此之間相差為 ; 每一個(gè)頻率分量的幅值等于 ，當(dāng)n為偶數(shù)時(shí)，高低對(duì)稱邊頻有相同的符號(hào)；當(dāng)n為奇數(shù)時(shí)，它們符號(hào)相反; 從理論上講，邊頻數(shù)目無(wú)窮多，不過(guò)，由于從 開(kāi)始，隨n的增加，邊頻幅值很快衰減，實(shí)際上可以認(rèn)為邊頻有效數(shù)目為 。,結(jié)論,7.3.2 直接調(diào)頻與鑒頻 自學(xué)（教材：PP174175） 7.3.3 調(diào)頻解調(diào)應(yīng)用 自學(xué)（教材：PP175176）,7.4 記錄儀器,記錄儀器分類(lèi)： 模擬式記錄儀器：如電子示波器，磁帶記錄儀。,數(shù)字式記錄儀器：如數(shù)字萬(wàn)用表、電壓表、數(shù)字存儲(chǔ)式示波器、數(shù)字式瞬態(tài)波形存儲(chǔ)器等。,本節(jié)僅介紹數(shù)字式存儲(chǔ)示波器的工作原理。,數(shù)字式瞬態(tài)波形存儲(chǔ)設(shè)備的工作原理 原理：瞬態(tài)波形存貯器的一般工作原理是高速瞬態(tài)模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成一連串的數(shù)字信號(hào)。這些數(shù)字信號(hào)立即被存入一個(gè)高速大容量半導(dǎo)體存貯器。存入后，即可反復(fù)取出這些數(shù)字信號(hào)?？蓪⑦@些數(shù)字信號(hào)通過(guò)接口送入微處理機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，或?qū)⑦@些數(shù)字信號(hào)送至數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換器，還原成模擬波形送入示波器觀察波形。 特點(diǎn)：它的特點(diǎn)是速度高、容量大、價(jià)格便宜。,數(shù)字式瞬態(tài)波形存儲(chǔ)器的組成,數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)的基本特性 將能提供數(shù)字輸出信號(hào)的測(cè)量系統(tǒng)稱之為數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)。 因?yàn)閷?shí)際的被測(cè)輸入信號(hào)x(t)一般都是隨時(shí)間連續(xù)變化的模擬信號(hào)，相應(yīng)的數(shù)字測(cè)量系統(tǒng)必須完成將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)的工作（ADC）。 將連續(xù)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)接受的離散數(shù)字信號(hào)，需經(jīng)過(guò)兩個(gè)基本環(huán)節(jié)： 首先是采樣，由連續(xù)的模擬信號(hào)變成離散模擬信號(hào)， 然后量化，即通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換將采樣后的離散模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。,采樣,由連續(xù)的模擬信號(hào)變成離散模擬信號(hào)，然后再通過(guò)模/數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。,x(t) x*(t),s(t),x*(t),x(t),t,t,t,(a),(a),(b),(b),0,-3Ts,-2Ts,-Ts,0,Ts,2Ts,3Ts,(a)采樣開(kāi)關(guān)及采樣輸出；(b)采樣函數(shù)。 (a)采樣脈沖s(t)；(b)采樣信號(hào)x*(t)。,因脈沖寬度遠(yuǎn)小于采樣周期Ts，可認(rèn)為0，用單位脈沖序列函數(shù) 來(lái)描述，有,2. 采樣定理 為確保采樣后的離散信號(hào)能恢復(fù)原來(lái)的連續(xù)信號(hào)，要遵守采樣定理，否則將出現(xiàn)信號(hào)的嚴(yán)重畸變。設(shè)對(duì)信號(hào)采樣周期為T(mén)s，采樣頻率為f=1/Ts。采樣頻率必須大于或等于信號(hào)最高頻率的兩倍，此即采樣定理，也稱奈奎斯特定理。,連續(xù)函數(shù)有最高頻率 ，采樣函數(shù)有以采樣頻率為周期的無(wú)限多個(gè)頻譜，每個(gè)頻譜寬度仍為 ，幅值為原來(lái)的 ；當(dāng)頻譜寬度 時(shí)，各頻譜將相互交疊，發(fā)生混迭，因此，僅有 ，即采樣頻率大于等于信號(hào)最高頻率的兩倍，才能保證頻譜不混迭。在實(shí)際使用中，一般采樣頻率取最高頻率的510倍。,n=-2 n=-1 n=1 n=2 -2s -s 2max s 2s ,X*(j),s,-max,X(j),max,量化,采樣是對(duì)模擬信號(hào)在時(shí)間軸上的離散化，而量化則是把采樣點(diǎn)的幅值在一組有限個(gè)離散電平中取其中之一來(lái)近似取代信號(hào)的實(shí)際電平。這些離散電平稱為量化電平，每一個(gè)量化電平用一個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼來(lái)表示，從而模擬信號(hào)經(jīng)采樣、量化之后，就轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)。,量化誤差,A/D轉(zhuǎn)換器的位數(shù)是一定的，一個(gè)n位（又稱量化位數(shù)）的二進(jìn)制數(shù)，共有L=2n個(gè)數(shù)碼，即有L個(gè)量化電平，如果A/D轉(zhuǎn)換器允許的動(dòng)態(tài)工作范圍為E（例如5V或010V），則該A/D轉(zhuǎn)換器的量化分辨率為 A/D轉(zhuǎn)換的非線性度為 當(dāng)模擬信號(hào)采樣值的電平落在兩個(gè)相鄰量化電平之間時(shí)，就要舍入歸并到相應(yīng)的一個(gè)量化電平上，該