机械工程测试技术基础04信号的调理与记录.doc

机械工程测试技术基础04信号的调理与记录 机械工程测试技术基础1河北工程大学Hebei UniversityofEngineering第四章信号的调理与记录河北工程大学机电工程学院周雁冰河北工程大学机电工程学院周雁冰第四章信号的调理与记录2河北工程大学Hebei UniversityofEngineering第四章信号的调理与记录第一节电桥第二节调制与解调第三节滤波器第二节调制与解调第三节滤波器第四节信号的放大（自学）第五节测试信号的显示与记录第四节信号的放大（自学）第五节测试信号的显示与记录第四章信号的调理与记录3河北工程大学Hebei UniversityofEngineering为什么需要对信号进行调理？被测物理量经过传感器后的输出信号通常很微弱，有些是非电信号，如电阻、电容、电感等，同时采集到的信号还携带一些我们不期望的信号或噪声。 为了能直接显示或送入A/D转换器、计算机进行数据采集，必须对经传感后的信号进行调理、放大、滤波等一系列处理，将微弱信号放大、将非电压信号转换为电压信号、抑制干扰噪声、提高信噪比，以便后续环节的处理。 信号的调理与转换内容很广，主要的环节有电桥、调制与解调、滤波、放大等。 第四章信号的调理与记录4河北工程大学Hebei UniversityofEngineering第一节电桥?电桥是将电阻、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。 ?分类按激励电源的类型直流电桥、交流电桥按工作原理偏值法（即不平衡电桥，应用较广）、归零法（即平衡电桥）第四章信号的调理与记录5河北工程大学Hebei UniversityofEngineering 一、直流电桥 1、输出电压 2、平衡条件要使电桥平衡，输出为零，应满足为直流电源为输出电压4231R R R R?0UyU第四章信号的调理与记录6河北工程大学Hebei UniversityofEngineering 3、输出特性 （1）单臂电桥接法输出电压1401234yR R RU UR R R R R?1234?为了简化电路，设计时常取相邻两桥臂电阻相等，即120340R R R R R R?，若00R R?，则输出电压0024UR RRUy?因0R R?，所以004URRUy?第四章信号的调理与记录7河北工程大学Hebei UniversityofEngineering单臂电桥接法特性电桥的输出与激励电压成正比；在一定而且条件下，与大致成正比关系yU0U0R R?0UyU004URRUy?大致成正比关系。 0/R R?定义电桥的灵敏度为041/UR RUSy?第四章信号的调理与记录8河北工程大学Hebei UniversityofEngineering （2）半桥接法输出电压（若）1140011223402yR R R RUU UR R R R R R R?1234012R R R R R R R R?，灵敏度与单臂电桥接法相比，灵敏度提高了一倍。 021/UR RUSy?12R R?为什么要求？第四章信号的调理与记录9河北工程大学Hebei UniversityofEngineering （3）全桥接法1144011223344yR R R RU UR R R R R R R RRU?bR输出电压（若）123401234R R R R R R R R R R?，灵敏度00UR?0/UR RUSy?cd34yU0U1I2IaR R22RR43与半桥接法相比，灵敏度提高1倍；与单臂电桥接法相比，灵敏度提高了3倍。 1243R R R R?如果行吗？第四章信号的调理与记录10河北工程大学Hebei UniversityofEngineering直流电桥三种连接方式的比较输出电压灵敏度单臂电输出电压灵敏度单臂电桥RU?入1U入桥接法半桥接法全桥接法接法半桥接法全桥接法04R入0RUR?入02RUR?入4U入12U入U入第四章信号的调理与记录11河北工程大学Hebei UniversityofEngineering电桥的和差特性?若相邻两桥臂电阻同向变化（即两电阻同时增大或同时减小），所产生的输出电压的变化将相互抵消。 ?若相邻两桥臂电阻反向变化（即两电阻一个增大一个减小），所产生的输出电压的变化将相互叠加。 R R R R R R R R R RRRR?若1234011223344RRRRRRRRRRRRR?，若114401122334401041400012034001222yR RR RU UR RRRRRR RRRRRR RUUR RRRRRRR?33322xx344112xx2yR RRRR RUUURRRRRRRRRR?即或于是31240000014yR RRRUURRRR?推导过程第四章信号的调理与记录12河北工程大学Hebei UniversityofEngineering例用悬臂梁做敏感元件测力时，常在其表面贴应变片并接成电桥结构，三种接法分别如何实现？例用悬臂梁做敏感元件测力时，常在其表面贴应变片并接成电桥结构，三种接法分别如何实现？第四章信号的调理与记录13河北工程大学Hebei UniversityofEngineering补充内容上述电桥是在不平衡条件下工作的，它的缺点是当电源电压不稳定，或环境温度变化时，会引起电桥输出的变化，从而产生测量误差。 因此，在某些情况下采用平衡电桥。 设被测量等于零时，电桥处于平衡状态，此时指示仪表G及可调电位器H指零。 H可调电位器H指零。 当某一桥臂随被测量变化时，电桥失去平衡，调节电位器H，改变电阻R5触电位置，可使电桥重新平衡，电表G指针回零。 电位器H上的标度与桥臂电阻值的变化成比例，故H的指示值可以直接表达被测量的数值。 GUR012345RRRR第四章信号的调理与记录14河北工程大学Hebei UniversityofEngineering 二、交流电桥交流电桥采用交流激励电压。 电桥的四个臂可为电感、电容或电阻。 电桥平衡条件4231Z Z Z Z?把各阻抗用指数式表示ZZ12U把各阻抗用指数式表示1011?je Z Z?2022?je Z Z?3033?je Z Z?4044?je Z Z?423104020301?j je Z ZeZ Z代入上式后得ZZ34UU0y第四章信号的调理与记录15河北工程大学Hebei UniversityofEngineering交流电桥平衡必须满足两个条件?423104020301?Z Z ZZ04030201ZZZZ、其中，为各阻抗的模；4321?、为阻抗角。 阻抗角是各桥臂电流与电压之间的相位差。 纯电阻时电流与电压同相位，=0；电感性阻抗，0；电容性阻抗，调频调幅波幅值检波第四章信号的调理与记录43河北工程大学Hebei UniversityofEngineering调频的优点抗干扰能力强。 因为调频信号所携带的信息包含在频率变化之中，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。 调频的缺点占频带宽度大，复杂调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的20倍，调频系统较之调幅系统复杂。 频缺频带宽度复例人耳正常听力的频率范围是20HZ到2万HZ，四六级听力调频86.25兆赫，试分析其原因。 第四章信号的调理与记录44河北工程大学Hebei UniversityofEngineering例收音机原理收音机通过接收从许多广播电台发射的无线电波中的一种来选择某一需要收听的节目。 在无线电广播中，收音机接收AM广播和接收FM广播是不同的，它们通过按钮操作来切换。 收音机通过天线收到广播信号后，还必须清除电信号中的载波，只得到声信号。 因为收音机收到的无线电信号非常微弱，要由放大器将信号充分放大，这样使喇叭发出声音。 第四章信号的调理与记录45河北工程大学Hebei UniversityofEngineering AM无线电广播分为长波、中波和短波三个大波段，AM广播服务范围大于FM广播,我国只有中波和短波，中波广播使用的频段大致为550kHz-1600kHz，主要靠地波传播，也伴有部分天波（夜间为甚）；短波广播使用的频段约为2MHz-24MHz，主要靠天波传播，近距离内伴有地波。 FM无线电广播多用超短波(甚高频)无线电波传送信号，国内广播电台使用的频率约为88MHz-108MHz，校园广播电台使用的频率约在70MHz-88MHZ之间，主要靠空间波传送信号。 与AM广播相比，FM广播有良好的音质和较少的噪音第四章信号的调理与记录46河北工程大学Hebei UniversityofEngineering第四章信号的调理与记录47河北工程大学Hebei UniversityofEngineering第三节滤波器 一、滤波器的分类低通滤波器高通滤波器?滤波是指让被测信号中的有效成分通过，而将其中不需要的成分抑制掉或衰减掉的一种过程。 1、按选频作用分高通滤波器带通滤波器带阻滤波器（陷波滤波器）?10ff2A(f)110f f1A(f)210f f f12A(f)310f f f12A(f)4第四章信号的调理与记录48河北工程大学Hebei UniversityofEngineering低通高通带通带阻第四章信号的调理与记录49河北工程大学Hebei UniversityofEngineering低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。 低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。 第四章信号的调理与记录50河北工程大学Hebei UniversityofEngineering案例机床轴心轨迹的滤波处理滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律第四章信号的调理与记录51河北工程大学Hebei UniversityofEngineering 2、按构成元件类型分RC谐振滤波器LC谐振滤波器晶体谐振滤波器有滤波? 3、按构成电路性质分有源滤波器无源滤波器 4、按所处理的信号分模拟滤波器数字滤波器?第四章信号的调理与记录52河北工程大学Hebei UniversityofEngineering 二、理想滤波器以理想低通滤波器为例若滤波器的频率响应函数H(f)满足条件?0020ft jeAf H?cf f?其它则称为理想滤波器。 它具有矩形幅频特性和线性相频特性，将低于频率f c的所有信号通过而无任何失真，将高于频率f c的信号全部衰减，f c称为截止频率。 问信号不失真传输（测量）的条件？（复习2章5节）理想滤波器在工程实际中不可能实现，实际滤波器幅频特性中通带和阻带间没有严格界限，存在过渡带。 第四章信号的调理与记录53河北工程大学Hebei UniversityofEngineering?0020ft jeAf H?cf f?其它在频域为矩形窗函数的理想低通滤波器的时域脉冲响应函数是sinc函数。 (f)t0cf A02第四章信号的调理与记录54河北工程大学Hebei UniversityofEngineering 三、实际滤波器的特征参数（一）基本参数 1、纹波幅度d。 通带中幅频特性值的起伏变化值。 越小越好。 A(f)d d0A20A 2、截止频率f c。 幅频特性值等于（即-3dB）所对应的频率。 上截止频率，下截止频率。 2/0Af ff0c1c222cf1cf 3、带宽B。 上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽，又称-3dB带宽。 表示滤波器的分辨能力。 21c cBff?第四章信号的调理与记录55河北工程大学Hebei UniversityofEngineering 4、品质因子（Q值）。 中心频率和带宽B之比称为滤波器的品质因数Q（即Q=f0/B）。 越大，相对带宽越小，滤波器的选择性越好。 ?012c cf ff?即 5、倍频程选择性。 是指在上截止频率与之间（或者在下截止频率与之间）幅频特性的衰减量即2cf22cff2/f倍频程衰减量以dB/oct表示（Octave，倍频程）。 衰减越快（即W值越大），滤波器的选择性越好。 者在下截止频率与之间）幅频特性的衰减量。 即频率变化一个倍频程的衰减量，以dB表示。 1cf2/1cf)()2(log201c1cf AfAW?或)()2(log202c2cf AfAW?第四章信号的调理与记录56河北工程大学Hebei UniversityofEngineering 6、滤波器因数（矩形系数）。 普通滤波器常为15，理想滤波器=1。 dBdBBB360?1021A?0202120lg20lg20lg210lg232AA?101001002120lg20lg20lg2200lg2602AA?第四章信号的调理与记录57河北工程大学Hebei UniversityofEngineering 四、实际滤波电路 1、一阶RC低通滤波器111()21211cH fj fRC j f j ff?RC?12cfRC?2211()121arctan2arctanA fH fff fffff?第四章信号的调理与记录58河北工程大学Hebei UniversityofEngineering11）当，时，即RCf?21?21?f ARCfc?212?表明，RC值决定着上截止频率。 f1/2?1A(f)2/10(f)2）当时，(f)-f近似于一条通过原点的直线。 此时，RC低通滤波器是一个不失真传输系统。 RCf?21?1?f Af-450-9000(f)1/2?第四章信号的调理与记录59河北工程大学Hebei UniversityofEngineering 2、一阶RC高通滤波器22()21211f ffRC fHfjfRCjfjff?RC?12cfRC?222()12111arctan arctan2cf ffA fH fff fffff?第四章信号的调理与记录60河北工程大学Hebei UniversityofEngineering1）当时，滤波器的-3dB截止频率为?21?f?21?f ARCfc?211?12）当时，?21?f?1?fA?0?f?RC高通滤波器可视为不失真传输系统。 第四章信号的调理与记录61河北工程大学Hebei UniversityofEngineering 3、RC带通滤波器带通滤波器可看成是低通滤波器和高通滤波器串联组成。 以原高通滤波器的截止频率为下截止频率，以原低通的截止频率为上截止频率，即1121?cf2221?cf下截止频率上截止频率1?2分别调节高、低通环节的时间常数（及），就可得到不同的上、下截止频率和带宽的带通滤波器。 1?2?第四章信号的调理与记录62河北工程大学Hebei UniversityofEngineering 五、常见的两类带通滤波器组（一）恒带宽比滤波器恒带宽比0i0ii c2i c1if fQBff?常数恒带宽比滤波器由多路带通滤波器并联而成，其中心频率越高，带宽越大。 其频率分辨力在低频段较好，在高频段滤波器中心频率:2i1i,c cff2i1i2nc cff?0i1i2i fff?则甚差。 恒带宽比滤波器的上、下截止频率为，满足关系。 式中n称为倍频程数。 恒带宽比带通滤波器第四章信号的调理与记录63河北工程大学Hebei UniversityofEngineer