第四章信号的调理与传输.

第四章信号的调理与传输被测量经传感器转换为电量后，最终要送到处理或显示设备以便输出测试结果。然而有些传感器输出的电量可能过于微弱，且变化缓慢不易传输及无法驱动处理和显示设备；有些传感器输出的电量特别容易受到外界的干扰。为了能有效地解决这些问题，需对传感器输出的信号进行技术处理即调理，以及将被测量不失真地传给处理器或显示设备。4.1信号的调制与解调在汽车测试过程中，常会遇到诸如力、位移等一些变化缓慢且经传感器转换成的电信号又比较微弱的量。若用直流放大器对其放大，容易出现零漂和级间耦合问题；而用阻容耦合交流放大器对其进行放大，虽能抑止零漂，但交流放大器的低频特性较差，无法对缓变信号进行放大。为此常设法将这些低频信号转换为高频信号，这一过程称为调制；经调制的高频信号用高频放大器进行放大后，再将其恢复为原缓变信号，这一将高频信号转变回原缓变信号的过程，称为解调。信号调制的方法是利用传感器输出的缓变信号来控制或改变高频振荡波的幅值、频率或相位的变化。当被控的量是高频振荡波的幅值时，称为幅值调制，简称调幅（AM）；当被控制量是高频振荡波的频率时，称为频率调制，简称为调频（FM）；若被控量是高频振荡波的相位时，称为相位调制，简称调相（PM）。用于控制高频振荡波的缓变信号称为调制信号，被控的高频振荡波称为载波，经调制后的高频信号称为已调波。由于调相在汽车试验中用的很少，在此只介绍调幅、调频与解调。一、调幅与解调1、调幅若将传感器输出的缓变信号与一高频的正弦（或余弦）波相乘，则缓变信号大小的变化就变成了高频正弦（或余弦）波幅值的变化，如图4-1所示。图4-1调幅原理(a)高频的余弦信号；(b)调制信号x（t）；(c)已调波()cos2oztft()()cos2moxtxtft由富氏变换的性质知，两信号在时域中相乘，在频域中与之相对应的便是该两信号富氏变换的卷积即：(4-1)(4-2)将式(4-2)代入(4-1)得：(4-3)图4-2是式(4-3)的图形表示，调制信号x(t)与载波z(t)的乘积在频域上相当于将x(t)在原点处的频谱图形移至载波频率处，但幅值减小了一半。调幅过程在频域上相当于一个移频过程。图4-2调幅的频域表达(a)(b)(c)00()[cos2]0.5()0.5()oZfFftffff()Zf()Xf)()()]([)]([)]()([fZfXtzFtxFtztxF)()(5.0)()(5.0)]()([00fffXfffXtztxF)()()(fZfXfXm上述的调幅原理在工程实际中如何实现呢？由电桥原理知，对于电阻式电桥，电桥的输出电压为(4-4)式中：—被测量的电阻变化；—与电桥接法有关的常数；—电桥的供电电压。若被测量可以通过传感器转换为电参量（如电阻、电容或电感）的变化，则式中的R(t)就是调制信号；此时，若电桥的供电电压是一高频的余弦信号(A0为供电电压的幅值)，则就是幅值调制中的载波。显然，电桥就是一个很好的幅值调制设备。欲使已调波的包络线能不失真地反映调制信号(见图4-1©)，载波的频率应远大于被测量信号的频率。为保证调制的精度，载波的频率至少应比被测信号的频率大10倍以上。()bdut()()()bdacutKRtut()RtK()acut()acut00()cos2acutAft()acut2、幅值调制的解调幅值调制的解调方法有多种，常用的有：同步解调整流解调相敏解调同步解调由三角函数的倍角公式知：(4-5)若能消除式(4-5)中的项，则将已调波再与载波相乘便可将幅值调制的高频信号恢复成原信号。(4-6)为了能找到消除的方法,下面来看看在频域中的情况。(4-7)将式(4-2)代入式(4-7)并整理得：(4-8)0.5cos4oft()mxt()cos(2)cos(2)0.5()0.5()cos(4)oooxtftftxtxtft1()cos42oxtft()cos2moxtft1)2(cos2)2(2cos020tftftftf0024cos5.05.0)2(cos)()()()()(fZfZfXtztxFm)()()(21)()()(41)()(0000fffffXfffffXtztxFm)()()(4100fffffX)(tx图4-3是式(4-8)的图形表示，从中可以看出，若用一低通滤波器(下一章将要详细讨论)滤掉集中在处的高频信号，便可实现幅值调制的解调。由于此解调方法与已调波相乘的高频波和载波是同一个波,因此这一解调方法称为同步解调。图4-3同步解调2of整流检波解调整流检波解调的原理和步骤是：（1）对传感器输出的缓变信号（调制信号）偏置一个直流分量A，使偏置后的信号均为正值，如图4-4(a)所示；（2）对传感器输出的缓变型号进行幅值调制，调制后的高频信号见图4-4(b)；（3）对已调波进行整流（全波整流或半波整流），经整流后的波形见图4-4(c)；（4）利用低通滤波器滤掉高频振荡波并减掉原偏置的直流份量A，便可恢复原来的调制信号。图4-4整流检波解调过程(a)调制信号(b)已调波(c)整流后的已调波1－原调制信号2－偏置直流分量后的调制信号相敏检波解调相敏检波解调是利用相敏检波器既能鉴别信号的幅值变化,又能识别信号极性的功能来完成幅值调制的解调工作,其工作原理是：四个特征相同的二极管D1、D2、D3、D4分别接到电桥的四个臂上,电桥的四个端点2、4和1、3分别接在两个变压器A和B的次级绕组上,如图4-5所示。图4-5相敏检波解调工作原理(a)相敏检波器(b)，(c)、的极性相同(d)，(e)、的极性相反iuiuxuxu当已调波和参考信号的极性相同，即、同时大于零或、同时小于零时，从图4-5(b)和4-5(c)中可以看出，电流流进负载电阻R1的方向均为逆时针方向，其输出电压为正，。iuiuiuxuxuxu1i0ou当已调波和参考信号的极性相反，即，或，时，从图4-5(d)和图4-5(e)中可以看出，电流流进负载电子的方向与图4-5(b)和图4-5(c)中的方向相反，其输出电压为负，。iuxu0iu0xu0iu0xu1i0ou当已调波和参考信号均为零时，负载电阻R1两端的电阻差为零，此时的输出电压为。iuxu0ou已调波经其检波整流后便可得到图4-6(d)所示的波形，再用低通滤波器滤掉高频成分便将其恢复成原调制信号，见图4-6(e)。图4-6相敏检波解调过程(a)载波(b)调制信号(c)放大后的已调波(d)经相敏检波后的波形(e)滤波后的波形图4-7是用动态应变仪测量汽车车身各部分应力分布的测试原理框图，振荡器输出一高频振荡电压，被测量（车身各部应力）通过电阻应变片的电阻变化来控制调幅电桥的输出，已调波经放大和相敏检波后再经低通滤波后，便可将恢复后的信号传递给显示或处理设备。图4-7动态应变仪的测试原理框图二、调频与解调1、调频图4-8是一LC振荡电路,若用传感器输出的缓变信号去控制可变电容器电容量的变化,如此被测量随时间的变化就被转换成了频率的变化,如图4-9所示。已调波的振荡频率与信号的大小成正比。已调波的中心频率是调制信号为零时所对应的频率,信号为正值时,已调波的频率；信号为负时,已调波的频率。4-8LC震荡调频电路4-9测试信号的频率调制cfcffcff图4-8所示的LC振荡调频电路中，实现频率调制的控制量是可变电容C＋△C。实际上若将控制量改变为可变电感同样可以实现频率调制。显然，对于电容式传感器和电感式传感，将其直接接入图4-8中可变电容的位置，则由传感器和LC振荡器所组成的测试系统所输出的便是调频信号，这种将被测量的变化直接转换为调频信号的测试方法称为直接调频测量。若直接调频测量中的传感器是电容式传感器，称为电容式直接调频测量（或称C式直接调频测量）；若直接调频测量中的传感器是电感式传感器，称为电感式直接调频测量（或称L式直接调频测量）。下面分别分析两种直接调频测量中已调波的频率与传感器电容或传感器电感的关系。LL（1）电容式直接调频测量由《电工学》知，LC振荡器的谐振频率为：(4-9)若电容式传感器输出的电量为，则电容式直接调频测试系统输出的经频率调制的高频信号的频率f为：对上式等号的二边平方并取倒数得：式中：——振荡电路中电容和电容式传感器零位电容值C之和，——所引起得频率变化，。——已调波得基准频率。通常已调波基频远大于,已调波振动频率的变化与传感器电容量的变化的平方根近似呈反比关系,由所引起与已调波的频率近似呈线性关系。of12ofLCCC0C01CCC1CfCof)(21)(210111CCLCCCLf220012211)(41ffCCLf2200fffffCLf121offCCfff（2）电感式直接调频测量用上述同样的方法可得到电感式直接调频测量的已调波的振动频率与传感器电感量的变化的平方根近似呈反比关系，与由所引起近似呈线性关系。LfLLf2、频率调制的解调实现频率调制解调的常用工具是鉴频器因此频率调制的解调又称为鉴频。尽管干扰信号一般不会改变已调波的频率，但它会带来已调波的幅值变化，此幅值的变化在解调过程中同样会反映到恢复的原信号中，因此将干扰信号所引起的已调波幅值的变化称为寄生调幅，为了消除寄生调幅，在进行频率调制的解调之前，常采用限幅器将已调波变为等幅振荡波。鉴频器有振幅鉴频器和相位鉴频器两种，在汽车试验中很少采用相位鉴频器，因此在此仅介绍图4-10所示的振幅鉴频器。振幅鉴频器由线性变换电路和幅值检波电路两部分组成。线性变换电路的作用是将等幅的调频波转换为调幅波，其工作原理是：在线圈、电容和线圈、电容所组成的并联谐振电路中，当初级线圈的输入为等幅调频波时，次级线圈的输出为，当输入波的频率f与谐振回路的固有频率相等（即时，线圈和中的耦合电流达到最大值，次级线圈的输出电压亦最大；当输入波的频率偏离谐振回路的固有频率时，输出电压随之下降。图4-10频率解调的解调电路1L1C2L2C1Lfu2Laufunf)nff1L2L2Laufuau对于前面所述的利用测试信号控制可变电容或可变电感的变化实现的调频，由于已调波频率的变化与测试信号大小的平方根近似呈反比，因此，鉴频器并联谐振回路的固有频率应小于已调波的最小频率（即）。频率调制的已调波经振幅鉴频器的线性变性电路如下图所示。efnfenff在此需特别指出的是：图4-11中是传感器的输出为零时所对应的已调波频率，即前面所述的已调波的基准频率，或称调频测量的基频。显然，已调波经振幅鉴波器后所得到的调幅波的坐标输出的调幅波并非如此，而是有一正的偏置分量A。正因为如此，图4-10中的幅值检波电路采用的是前面所述的整流检波电路。经整流检波和低通滤波后的信号还需减掉正偏置分量A才能恢复为原测试信号。0f4.2信号的模拟滤波由前面的分析知，在测试过程中，有时不可避免地会有一些干扰信号的混入，在进行试验数据处理之前，需将干扰信号从测试信号中分离出来；在进行动态测试的数据处理时，常需对频率进行筛选，在工程上将其称为滤波。实现滤波处理的设备称为滤波器。测试信号的滤波可以通过电路和数值计算两种不同的方法来实现，分别称为模拟滤波和数字滤波，本节着重讨论模拟滤波。一、滤波器的分类1、按滤波器的选频方式分类滤波器可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器四类，此四类滤波器的幅频特性如图4-12所示。图4-12滤波器的幅频特性(a)低通滤波器(b)高通滤波器(c)带通滤波器(d)带阻滤波器2、按其他方式分按组成滤波器元件的不同，滤波器可分为：•RC滤波器•LC滤波器•晶体管谐振滤波器按滤波器中是否含有源器件可将滤波器分为•无源滤波器•有源滤波器二、滤波器的滤波原理由第二章中对串联系统的动态特性的分析知，若向滤波器提供测试信号的设备如传感器的频率响应函数为、滤波器的频率响应