第四章+信号处理

1、第四章第四章 信号的处理信号的处理第一节、电桥n电桥是将电阻、电容、电感等参量的变化变为电压或电流输出的一种测量电路。其输出既可以用指示仪表直接测量，也可以送入放大器进行放大。n电桥测量电路简单，并具有较高的精确度和灵敏度，因此在测量电路中被广泛应用。电桥分类n按激励电压分：交流电桥，直流电桥；n按输出方式分：直读电桥，零读电桥。一、直流电桥n激励电压是直流电压。n以四个电阻组成四个桥臂，在a,c两端输入直流电压，b,d两端输出电阻变化信号。n可用电流分析法对电桥桥臂电阻值与输出之间的关系进行分析和。电桥输出与四臂电阻值关系n利用电流分析法，可得到下式，并由下式可看出，如要电桥平衡，必须满足：

2、 R1R3=R2R4电桥和差特性(单臂)n单臂变化，R1是传感器，其余均为固定电阻。电桥和差特性(双臂)n双臂变化，R1、R2是传感器，其余是固定电阻。n试分析R1、R3变化时的情况。电桥和差特性(全桥)n四臂均为传感器。直流电桥总结n平衡时必须满足： R1R3=R2R4。n灵敏度全桥是半桥的一倍，是单臂的四倍，即为电桥和差特性。n直流电桥的桥臂只能是电阻，不能是电容或电感。二、交流电桥n交流电桥的桥臂可以是电阻、电容或电感。n交流电桥的组成与直流电桥类似，也是由四个臂组成。n激励电压必须是交流电(工频或高频)。n平衡时，必须是四臂阻抗平衡，即电阻、电容、电感同时平衡。交流电桥平衡n四臂可为电

3、阻、电容或电感。因此除电阻外，还包括电抗。如果阻抗、电流及电压都用复数表示，则电桥平衡必须达到：交流电桥平衡n交流电桥平衡条件：n四臂对角线阻抗模乘积相等；n四臂对角线阻抗相位差之和相等。电容桥平衡电感桥平衡具有电阻、电容平衡的交流桥带感应耦合臂的桥三、零读电桥n当电桥由于信号的输入而失衡后，通过调整平衡电阻使电桥重新回到平衡位置，根据平衡电阻的值，读出桥臂信号的大小。n这种电桥的精度只取决于电桥的平衡电阻精度、中间检流计的灵敏度，精度高。n该类电桥因调整平衡时间较长，一般只用来测量静态信号或对仪器进行校正。零读电桥工作原理n当四个桥臂有变化时，检流计G指针偏移，通过调整R5的位置，可使G指针

4、回到原位。nH所指示的即为信号的示值。n读数精度只取决于R5的精度及G的灵敏度。常用零读电桥惠斯通电桥n惠斯登电桥就是电流平衡电桥，一般用惠斯登电桥就是电流平衡电桥，一般用来测量电阻。在电桥里，三个桥臂上的来测量电阻。在电桥里，三个桥臂上的电阻是已知和可变的，调整他们和被测电阻是已知和可变的，调整他们和被测电阻达到平衡，就可读出该电阻的阻值。电阻达到平衡，就可读出该电阻的阻值。 惠斯通电桥电桥的一般输出输入关系式0( 1234)4KUUy电桥的平衡n一、直流电桥的平衡电路一、直流电桥的平衡电路n二、交流电桥的平衡电路二、交流电桥的平衡电路电阻应变式传感器的计算n用一只用一只R=120R=120

5、，灵敏度，灵敏度=2=2的应变片和的应变片和120120标准电阻组成电桥，供桥电压为标准电阻组成电桥，供桥电压为3V3V，并假定负载电阻为无穷大。问当输入应并假定负载电阻为无穷大。问当输入应变分别为变分别为2 2，2000 2000 时，分别求时，分别求出单，双臂时输出电压，并比较两种情出单，双臂时输出电压，并比较两种情况下的灵敏度。况下的灵敏度。课堂讨论n有人在使用电阻应变仪时发现灵敏度不有人在使用电阻应变仪时发现灵敏度不够，就试图在开花和电桥上增加应变片够，就试图在开花和电桥上增加应变片数以提高灵敏度，问在下列情况下是否数以提高灵敏度，问在下列情况下是否能够提高灵敏度，为什么？能够提高灵敏

6、度，为什么？n1 半桥双臂各串联一片；半桥双臂各串联一片；n2 半桥双臂各并联一片。半桥双臂各并联一片。第二节调制与解调n在工程测量中一些被测量所产生的信号在工程测量中一些被测量所产生的信号常常是缓变电信号。对于这类信号除采常常是缓变电信号。对于这类信号除采用直流放大外，还可将其先变为交流信用直流放大外，还可将其先变为交流信号后再用交流放大器进行放大处理。这号后再用交流放大器进行放大处理。这个过程称之为调制。个过程称之为调制。n而将信号还原成原信号的过程称之为解而将信号还原成原信号的过程称之为解调。调。 信号调制n用一个缓变信号去改变一个高频信号的幅值、用一个缓变信号去改变一个高频信号的幅值、

7、频率或相位的过程称之为调制。频率或相位的过程称之为调制。n缓变信号称为：调制信号。缓变信号称为：调制信号。n高频信号称为：载波信号。高频信号称为：载波信号。n调制信号改变载波信号的幅值称为：调幅。调制信号改变载波信号的幅值称为：调幅。n调制信号改变载波信号的频率称为：调频。调制信号改变载波信号的频率称为：调频。n调制信号改变载波信号的相位称为：调相。调制信号改变载波信号的相位称为：调相。n工程测量中大多采用调幅或调频。工程测量中大多采用调幅或调频。 调幅的特点 n载波信号的幅值原是等幅，等频。n经调制信号调制后，其频率未变，但幅值随调制信号的幅值而变。n调幅信号的包络线近似调制信号 调频的特点

8、n载波信号的幅载波信号的幅值原是等幅，值原是等幅，等频。等频。n经调制信号调经调制信号调制后，其幅值制后，其幅值未变，但频率未变，但频率随调制信号的随调制信号的幅值而变。幅值而变。n调频信号的频调频信号的频率随调制信号率随调制信号的强弱连续变的强弱连续变化。化。一、调幅与解调n调幅：将一个调频简谐信号调幅：将一个调频简谐信号( (载波信号载波信号) )与一个测试信号与一个测试信号( (调制信号调制信号) )相乘，使高相乘，使高频信号的幅值随测试信号的变化而变化。频信号的幅值随测试信号的变化而变化。n在时域中两个信号的乘积等于频域中两在时域中两个信号的乘积等于频域中两个信号的卷积。个信号的卷积。

9、n常用的载波信号是高频正弦或余弦信号。常用的载波信号是高频正弦或余弦信号。卷积的定义n设函数f1(t)与f2(t)都满足条件，t xm(t)，D1-D4的导通与否只取决于ym(t)的极性及相位。n当信号过零时，A、B变压器的极性同时改变。分析P102情况，等效D1、D2导通 二、调频与解调n调频：用调制信号来控制载波信号的频率，使高频载波信号的频率随测试信号的变化而变化。n常用的载波信号是高频正弦或余弦信号，也可以用方波信号。n常用调频电路有LC振荡器及压控振荡器，目前在工程测试技术中常用的多是压控振荡器。压控振荡器n压控振荡器是常用的一种调频方法，利压控振荡器是常用的一种调频方法，利用信号电

10、压来控制振荡器的频率输出。用信号电压来控制振荡器的频率输出。n当信号电压变化时，振荡器输出的电压当信号电压变化时，振荡器输出的电压也随之而变化。也随之而变化。n因为压控振荡器的输出是频率，其幅值因为压控振荡器的输出是频率，其幅值的变化对输出频率无影响，固此种调制的变化对输出频率无影响，固此种调制方法的抗干扰性比调幅式强。方法的抗干扰性比调幅式强。压控振荡器工作原理 第三节 滤波器n滤波器是一种选频装置，可以使信号中滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率通过，而极大地衰减其它频特定的频率通过，而极大地衰减其它频率成份。率成份。n在测试装置中，利用滤波器的筛选作用，在测试装置中，利用滤波器的

11、筛选作用，可以滤除信号中的干扰或进行频谱分析。可以滤除信号中的干扰或进行频谱分析。n本节中所介绍的滤波器与电子技术中所本节中所介绍的滤波器与电子技术中所介绍的滤波器属于同类。本课程只介绍介绍的滤波器属于同类。本课程只介绍其在测试中的典型使用。其在测试中的典型使用。一、滤波器的分类n根据滤波器的选频作用，可分为：低通、高通、带通、带阻四种。n从原理上可分为：理想滤波器、实际滤波器，本课程着重介绍实际滤波器。n从滤波器的结构上可分为：无源滤波器、有源滤波器。本课程介绍的是无源滤波器。1. 低通滤波器n从0f2频率之间为其通频带，幅频特性平直。它可以使信号中低于f2的频率几乎不受衰减地通过，而高于f

12、2的频率成分受到极大地衰减。2.高通滤波器n从频率f1-无穷为其通频带，其幅频特性平直。它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于f1频率成分将受到极大地衰减。3.带通滤波器n它的通频带在f1-f2之间。它使信号中高于f1并低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而其它成分受到极大地衰减。4. 带阻滤波器n它的阻带在频率f1-f2之间。它使信号中高于f1并低于f2的频率受到极大地衰减，而其它频率成分几乎不受衰减地通过。二、理想与实际滤波器1.纹波幅度d 1nf1/ 2RC n此时的信号几乎不受衰减地通过滤波器此时的信号几乎不受衰减地通过滤波器n截止频率：截止频率： f = 1/ 2R

13、C n幅频函数幅频函数：1( )2A低通滤波器的积分特性11 2yxfuu dtRCRC时，2 高通滤波器的特性高通滤波器的特性( (一阶一阶) )nUx 输入信号；nUy 输出信号nR：热阻，电阻，弹性系数；nC：热容，电容，阻尼。高通滤波器的特性分析高通滤波器的特性分析1 uH(s)=1H( )=1yyxu dtuRCssjj微分方程：传递函数：频率响应函数：高通滤波器的幅相特性高通滤波器的幅相特性222( ) ( )1 ()1 (2)11( ) ( )=arctg2fAA ffarctgff 或或高通滤波器的幅相特性分析高通滤波器的幅相特性分析11 A( )1, ( )022111 22

14、xyfffRCdufRCRC dt时时 u四、带通滤波器的应用n为了对信号做频谱分析，或希望获取信为了对信号做频谱分析，或希望获取信号中某些特殊频率成分，可将信号通过号中某些特殊频率成分，可将信号通过放大倍数相同而中心频率各个不同的带放大倍数相同而中心频率各个不同的带通滤波器，各个滤波器的输出主要反映通滤波器，各个滤波器的输出主要反映信号中在该通带频率范围内的量值。信号中在该通带频率范围内的量值。滤波器组的应用恒带宽比与恒带宽滤波器n对用于频谱分析的滤波器组，各滤波器对用于频谱分析的滤波器组，各滤波器的通带应该相互连接，覆盖整个需进行的通带应该相互连接，覆盖整个需进行分析的频率段，而不能够分析

15、的频率段，而不能够“丢失丢失”频率。频率。n各个滤波器的增益系数必须一致。各个滤波器的增益系数必须一致。n可使用中心频率可调，如扫频仪；也可可使用中心频率可调，如扫频仪；也可使用中心固定的分析仪器，包括恒带宽使用中心固定的分析仪器，包括恒带宽比及恒带宽。比及恒带宽。1. 恒带宽比滤波器n这是一种工程测试中常用的滤波器。这是一种工程测试中常用的滤波器。n采用同样的采用同样的Q Q值调谐滤波器做成邻接式滤波值调谐滤波器做成邻接式滤波器组，各个滤波器在器组，各个滤波器在-3dB-3dB处邻接。处邻接。n该种滤波器带宽该种滤波器带宽B B，中心频率，中心频率f fn n与增益系数与增益系数Q Q之间关

16、系为：之间关系为：B=B=f fn/Qn/Q。中心频率越高，带。中心频率越高，带宽越大。可以用有限个滤波器组成一个能宽越大。可以用有限个滤波器组成一个能够覆盖整个所需分析的频率范围的滤波器够覆盖整个所需分析的频率范围的滤波器组。组。恒带宽滤波器示意图2. 恒带宽滤波器n为使滤波器在每个频段均有同样良好的分辨率可采用恒带宽滤波器。该种滤波器带宽一定，不随中心频率的提高而改变。3. 两种滤波器组数比较4. 两种滤波器效果比较第四节 信号的指示和记录装置n指示和记录是测试装置的最后和重要环节。n所有测量结果必须通过不同的指示方式记录下来。n指示和记录的目的是：了解测量的结果，并对其进行分析、研究、事

17、后信号重现。n有些记录仪器本身具有控制功能，在记录的同时，还对系统进行自动控制。一、测试装置的分类n从数据记录的形式上分：数字式、 模拟式。n从读数的形式上分：显式记录仪、 隐式记录仪。1. 记录形式的特点n模拟式：能够反映被测物理量变化的趋势。2. 读数形式的特点n显式：可直接获取信号n隐式：不可直接获取信号，需借助专门仪器。n128通道记录仪，DC40KHz频率响应。二、动圈式磁电指示机构n工作原理：可转动的线圈处于均匀强磁场中，当信号电流通过线圈时，所产生的电磁力矩与强磁场相互作用，使线圈产生偏转。在线圈上设有阻尼装置及弹簧，线圈的偏转角度所产生的偏转力与弹簧力平衡时为止。此时转角与输入信号电流成正比。n结构：达松瓦尔机构。机构示意图n万用表n光线示波器振子万用表工作原理1.线圈；2.永久磁铁；3.转轴；4.弹簧；5.指针；6.转子。光线示波器工作原理1.光源