机电工程测试与信号分析第五章中间变换器

1、测量技术与信号处理测量技术与信号处理机械学院机械系机械学院机械系第五章 中间变换器l第一节第一节 电桥电桥l第二节第二节 调制与解调调制与解调l第三节第三节 滤波器滤波器l第四节第四节 模拟、数字转换器模拟、数字转换器第一节第一节 电桥电桥l电桥是一种将电阻、电感、电容等参数变电桥是一种将电阻、电感、电容等参数变化为电压或电流变化的测量电路。化为电压或电流变化的测量电路。l一、直流电桥一、直流电桥l二、交流电桥二、交流电桥dV一、直流电桥一、直流电桥e ei ie eo o1)-(5 i432142314211oeRRRRRRRRRIRIUUeadab211RReIi432RReIi一、直流电

2、桥一、直流电桥e ei ie eo o1)-(5 i43214231oeRRRRRRRRe2)-(5 4231RRRR平衡条件平衡条件一、直流电桥3)-(5 i434211oeRRRRRRRRei0o0432124eRRReRRRRR，则令i0o04eRReRR，则由于半桥单臂e ei ie eo o一、直流电桥i0o2eRRee ei ie eo o半桥双臂一、直流电桥i0oeRRee ei ie eo o全桥全桥应变片在悬臂梁上的粘贴位置？应变片在悬臂梁上的粘贴位置？一、直流电桥一、直流电桥e ei i直流电桥在不平直流电桥在不平衡条件下工作时，衡条件下工作时，激励电压不稳定、激励电压不稳

3、定、环境温度变化都环境温度变化都会引起电桥输出会引起电桥输出变化，从而产生变化，从而产生误差。因此，常误差。因此，常采用平衡电桥。采用平衡电桥。二、交流电桥二、交流电桥l交流电桥的激励电压为交流电压。交流电桥的激励电压为交流电压。l桥臂元件可以是电阻、电感或电容。桥臂元件可以是电阻、电感或电容。问题问题交流电桥和直流电桥在电路结构上有何交流电桥和直流电桥在电路结构上有何异同异同?它们分别有什么实际应用它们分别有什么实际应用?交流电桥的平衡条件是什么交流电桥的平衡条件是什么?与直流电桥与直流电桥的平衡条件有何区别的平衡条件有何区别?电阻、电容及电感的复阻抗分别如何表电阻、电容及电感的复阻抗分别如

4、何表示示?要使交流电桥最终能调平衡要使交流电桥最终能调平衡,应如何配置应如何配置四个桥臂上的阻抗元件四个桥臂上的阻抗元件?二、交流电桥二、交流电桥423104020301ZZZZ4231ZZZZ1011jeZZ 2022jeZZ 3033jeZZ 4044jeZZ 二、交流电桥二、交流电桥l交流电桥桥臂可有如下的组合方式：交流电桥桥臂可有如下的组合方式：l1 1、如果、如果相邻相邻两臂接入电阻，另两臂应接两臂接入电阻，另两臂应接入性质入性质相同相同的阻抗。的阻抗。l2 2、如果、如果相对相对两臂接入电阻，另两臂应接两臂接入电阻，另两臂应接入性质入性质不同不同的阻抗。的阻抗。l3 3、各桥臂均接

5、入电阻性元件。、各桥臂均接入电阻性元件。几种常用的交流电桥几种常用的交流电桥：测电容的电桥测电容的电桥串联比较电容电桥串联比较电容电桥 适合测量损耗小的电容适合测量损耗小的电容 并联比较电容电桥并联比较电容电桥 适合测量损耗大的电容适合测量损耗大的电容 2R1RADCBmV2R1RCrxC0RCrADCBmVxC0R0C0C测电感的电桥测电感的电桥麦克斯韦电桥麦克斯韦电桥适合测量低适合测量低Q值的电感值的电感海氏电桥海氏电桥适合测量高适合测量高Q值的电感值的电感mVxLLrABCD2R1R0C0R0RABCD2R1RLrxL0CmV二、交流电桥二、交流电桥42134231CRCRRRRRe e

6、i ie eo o42421331442311)1()1(CjRRRCjRRRCjRRRCjR二、交流电桥二、交流电桥42134231LRLRRRRRe ei ie eo o24423131442311)()(RLjRRRLjRRLjRRRLjR二、交流电桥二、交流电桥e ei ie eo o导线分布电容导线分布电容的影响不能忽的影响不能忽视！视！二、交流电桥e ei ie eo o二、交流电桥二、交流电桥e ei ie ei i与普通交流电桥与普通交流电桥相比，其灵敏度相比，其灵敏度高，精度高，性高，精度高，性能稳定。能稳定。第二节第二节 调制与解调调制与解调l为什么要对信号进行调制和解调？

7、为什么要对信号进行调制和解调？l何谓载波、调制信号和已调波？何谓载波、调制信号和已调波？l何谓调频、调幅和调相？何谓调频、调幅和调相？第二节第二节 调制与解调调制与解调l为什么要对信号进行调制和解调？为什么要对信号进行调制和解调？解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。 先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。出信号中取出放大了的缓变信号。 第二节第二节 调制与解调调制与解调l什么叫调制？

8、什么叫调制？l由被测的缓变信号控制、调节高频振荡的某由被测的缓变信号控制、调节高频振荡的某个参数（幅值、频率或相位），使其按被测个参数（幅值、频率或相位），使其按被测的缓变信号的规律变化。的缓变信号的规律变化。第二节第二节 调制与解调调制与解调l调幅调幅AM（Amplitude Modulation）：）：l调频调频FM（Frequency Modulation ）：）：l调相调相PM（Phase Modulation）：）：)(mxtcosUUcmstmxcosUUcms)(第二节第二节 调制与解调调制与解调l何谓载波、调制信号和已调波？何谓载波、调制信号和已调波？调制信号调制信号载波信号载

9、波信号一、调幅及其解调一、调幅及其解调l1 1、调幅原理、调幅原理： 调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化信号的变化而变化一、调幅及其解调一、调幅及其解调l交流电桥就是一种交流电桥就是一种简单的调幅装置，简单的调幅装置，其输出为调幅波。其输出为调幅波。i0iRoekRRReKe)cos(0tEeiRtRttRKEeRo)()cos()(02 2、调幅波的频谱、调幅波的频谱：)(*)()()(000fffX21fffX21tfcos2tx）l2 2、调幅波的频谱、调幅波的频

10、谱：y(ty(t) )Y(fY(f) )-f-f0 0f f0 0-f-f0 0f f0 0同步解调同步解调tfcos4tx21tx21tftcos2fcos2tx000)()()(按照这个思路，若将调幅波与原载波信号再按照这个思路，若将调幅波与原载波信号再次相乘，即再次进行频谱次相乘，即再次进行频谱“搬移搬移”，其结果，其结果如图如图5-12所示。所示。l同步解调同步解调y(ty(t) )Y(fY(f) )Xm(fXm(f) )* *Y(fY(f) )l由以上分析可知，载波频率由以上分析可知，载波频率f0必须高于调必须高于调制信号频带的最高频率制信号频带的最高频率fm ，可使频谱不产，可使频

11、谱不产生混叠，减小时域波形失真。但载波频率生混叠，减小时域波形失真。但载波频率受电路截止频率等因素约束，不可过高。受电路截止频率等因素约束，不可过高。通常取载波频率十倍或数十倍于调制信号通常取载波频率十倍或数十倍于调制信号频带的最高频率。频带的最高频率。l3 3、整流检波与相敏检波、整流检波与相敏检波：l3 3、整流检波与相敏、整流检波与相敏检波检波：d-1-D1-2-5-c-Rf-d0d-3-D3-4-5-c-Rf-d05- 2- D2- 3-d- Rf- c- 55- 4- D4- 1-d- Rf- c- 5d0AFBFee调制信号调制信号调幅波调幅波载波载波二、调频及其解调二、调频及其解

12、调l1 1、调频原理、调频原理：l是用调制信号的幅值变化控制和调节载波是用调制信号的幅值变化控制和调节载波的的频率频率。或者说，调频波是一种随信号或者说，调频波是一种随信号x(t)x(t)的电压的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波幅值而变化的疏密度不同的等幅波. . l通常是由一个振荡频率可控的振荡器来完通常是由一个振荡频率可控的振荡器来完成。成。fff0瞬时频率可表示为二、调频及其解调l调频波的频偏与调制信号的幅值成比例。二、调频及其解调l如图如图5-175-17所示，电容（电感）的变化将使所示，电容（电感）的变化将使调频振荡器的振荡频率发生相应的变化。调频振荡器的振荡频率发生相应的变化。谐

13、振频率为谐振频率为18)-(5 21LCfCfdCdf2)185(进行微分对002CCffC 所引起的频偏20)-(5 )21 (000CCffff率为则电容调谐调频器的频二、调频及其解调二、调频及其解调优点：抗干扰能力强。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作用则主要表现在振幅之中 二、调频及其解调二、调频及其解调缺点：占频带宽度大，复杂缺点：占频带宽度大，复杂调频波通常要求很宽的频带，甚至为调调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的

14、幅所要求带宽的2020倍；调频系统较之调倍；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率调制是一种非线幅系统复杂，因为频率调制是一种非线性调制。性调制。二、调频及其解调二、调频及其解调l调频波的解调又称为鉴频。调频波的解调又称为鉴频。调调频频波波ea调频调频-调幅波调幅波第四节第四节 滤波器滤波器l滤波器的作用是使信号中的特定频率成分滤波器的作用是使信号中的特定频率成分通过，而抑制或极大地衰减其他频率成分。通过，而抑制或极大地衰减其他频率成分。l滤波器是频谱分析和滤除干扰噪声的频率滤波器是频谱分析和滤除干扰噪声的频率选择装置，广泛用于各种自动检测、自动选择装置，广泛用于各种自动检测、自动控制装置中。控制

15、装置中。l本节重点介绍滤波器原理及应用。本节重点介绍滤波器原理及应用。第三节 滤波器l根据选频特性，滤波器分为根据选频特性，滤波器分为l低通滤波器低通滤波器l高通滤波器高通滤波器l带通滤波器带通滤波器l带阻滤波器带阻滤波器fc2fc2fc2fc1fc1fc1低通低通高通高通带通带通带阻带阻滤波器的串滤波器的串/ /并联并联 低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，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。其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。一、滤波器的特性及描述一、滤波器的特性及描述l1 1、实际滤波器的基本参数、实际滤波器

16、的基本参数l2 2、RCRC滤波器的基本特性滤波器的基本特性l3 3、RCRC有源滤波器有源滤波器1 1、实际滤波器的基本参数、实际滤波器的基本参数l如图如图5-205-20所示，对所示，对于理想滤波器，只于理想滤波器，只需规定截止频率就需规定截止频率就可以得知其性能。可以得知其性能。实际滤波器则复杂实际滤波器则复杂得多。得多。l重点介绍带通滤波重点介绍带通滤波器的主要参数器的主要参数。1 1、纹波幅度、纹波幅度d dl纹波幅度为幅频特性的最大波动值。纹波幅度为幅频特性的最大波动值。20Ad 2 2、截止频率、截止频率l幅频特性值等于幅频特性值等于 所对应的频率为所对应的频率为截止频率，记作截

17、止频率，记作f fc c。l截止频率对应的点正好是半功率点。截止频率对应的点正好是半功率点。l截止频率又称为截止频率又称为-3-3dBdB频率。频率。20A3 3、带宽、带宽B B和中心频率和中心频率f f0 0l带通滤波器上、下两带通滤波器上、下两截止频率之间的频率截止频率之间的频率范围称为其通频带带范围称为其通频带带宽，或宽，或-3-3dBdB带宽，记带宽，记作作B=fB=fc2c2-f-fc1c1(Hz)(Hz)。l带宽决定滤波器分离带宽决定滤波器分离信号中相邻频率成分信号中相邻频率成分的能力的能力频率分辨频率分辨力。力。210ccfff4 4、选择性、选择性l选择性是一个特别重要选择性

18、是一个特别重要的性能指标。的性能指标。l过渡带的幅频特性曲线过渡带的幅频特性曲线的斜率表明其幅频特性的斜率表明其幅频特性衰减的快慢，它决定着衰减的快慢，它决定着滤波器对通频带以外频滤波器对通频带以外频率成分的衰减能力。率成分的衰减能力。l倍频程选择性倍频程选择性l滤波器因数滤波器因数倍频程选择性倍频程选择性l频率变化一个倍频程频率变化一个倍频程时，过渡带幅频特性时，过渡带幅频特性的衰减量称为滤波器的衰减量称为滤波器的倍频程选择性，以的倍频程选择性，以dBdB表示。表示。l衰减越快，选择性越衰减越快，选择性越好好。滤波器因数（矩形系数）滤波器因数（矩形系数）l滤波器幅频特性的滤波器幅频特性的-6

19、0-60dBdB带宽与带宽与-3-3dBdB带宽之比称带宽之比称为滤波器因数，记作为滤波器因数，记作，即即dBdBBB360理想滤波器理想滤波器=1=1，常用滤波器常用滤波器=（1515）5、品质因数Q值l带通滤波器中心频率带通滤波器中心频率f f0 0与与带宽带宽B B之比称为滤波器的之比称为滤波器的品质因数，有时称作品质因数，有时称作Q Q值，值，即即BfQ0Q Q值越高，选择性越好。值越高，选择性越好。5、品质因数Q值l若中心频率若中心频率f f0 01 1=f=f0202=500Hz,=500Hz, Q Q1 1=50=50，Q Q2 2=25=25，哪个滤波器的选择性好？哪个滤波器的

20、选择性好？HzQfB10505001011Q Q值越高，选择性越好。值越高，选择性越好。举例举例HzQfB202550020222 2、RCRC滤波器的基本特性滤波器的基本特性lRCRC低通低通滤波器滤波器lRCRC高通滤波器高通滤波器lRCRC带通滤波器带通滤波器RCRC低通低通滤波器滤波器iooeedtdeRC2211)(AjjH11121e eo oe ei iarctg)(RCRC高通滤波器高通滤波器ioo1edteRCejjjH1221)(A21e eo oe ei i1)(arctg注意：截止频率的计算注意：截止频率的计算RCRC带通滤波器带通滤波器2111)1 (jjjjH112

21、1cf2221cf?1222112121RRCRCRffcc与e eo oe ei i3 3、RCRC有源滤波器有源滤波器l低阶无源滤波器的选择性主要取决于滤波器的阶低阶无源滤波器的选择性主要取决于滤波器的阶次。次。为什么为什么？l无源无源RCRC滤波器串联虽然可以提高阶次，但受级间滤波器串联虽然可以提高阶次，但受级间耦合影响，其效果是递减的，信号的幅值将逐级耦合影响，其效果是递减的，信号的幅值将逐级衰减。衰减。l有源滤波器由有源滤波器由RCRC网络和有源器件组成。目前以网络和有源器件组成。目前以运运算放大器算放大器作有源器件构成的有源滤波器应用广泛。作有源器件构成的有源滤波器应用广泛。l运算

22、放大器可以消除级间耦合对特性的影响，又运算放大器可以消除级间耦合对特性的影响，又可以起到放大信号的作用。可以起到放大信号的作用。3 3、RCRC有源滤波器有源滤波器3 3、RCRC有源滤波器有源滤波器二、实际滤波器的应用l滤波器的应用主要有两种形式：滤波器的应用主要有两种形式：l1 1、单个滤波器接入自动检测、自动控制、单个滤波器接入自动检测、自动控制装置的电路中；装置的电路中；l2 2、多个滤波器的滤波器组件。（本节讨、多个滤波器的滤波器组件。（本节讨论该种情况）论该种情况）倍频程滤波装置倍频程滤波装置二、实际滤波器的应用二、实际滤波器的应用l1 1、倍频程滤波器、倍频程滤波器l2 2、恒带

23、宽恒带宽滤波器滤波器l3 3、各种滤波器的比较、各种滤波器的比较1、倍频程滤波器l带通带通滤波器上下截止频率可表示为滤波器上下截止频率可表示为f fc2c2=2=2n nf fc1c1，n n为倍频程数，常取为为倍频程数，常取为1 1，1/31/3，1/51/5，1/101/10。l滤波器的中心频率滤波器的中心频率f f0 0则为则为210ccfff 220220022122nnnnffBfQ当当n一定时，一定时，Q值为值为常数，所以倍频程常数，所以倍频程滤波器都是恒带宽滤波器都是恒带宽比带通滤波器比带通滤波器。邻接式倍频程滤波器中，两邻接式倍频程滤波器中，两个邻接的滤波器的中心频率个邻接的滤

24、波器的中心频率关系为关系为f02=2nf012 2、恒带宽恒带宽滤波器滤波器2) 2) 恒带宽比带通滤波器恒带宽比带通滤波器 1) 1) 恒带宽带通滤波器恒带宽带通滤波器 2 2、恒带宽恒带宽滤波器滤波器l恒带宽比式滤波器的带宽随中心频率的恒带宽比式滤波器的带宽随中心频率的增大而增大增大而增大，致使带宽过大、频率分辨，致使带宽过大、频率分辨力过差，无法分离频率值接近的成分。力过差，无法分离频率值接近的成分。l为使滤波器在各个频率段都具有相同的为使滤波器在各个频率段都具有相同的频率分辨力，需要采用恒带宽滤波器。频率分辨力，需要采用恒带宽滤波器。2 2、恒带宽恒带宽滤波器滤波器l常用的恒带宽滤波器

25、有两种：常用的恒带宽滤波器有两种：l1 1、跟踪滤波器、跟踪滤波器l2 2、相关滤波器、相关滤波器l中心频率都由参考信号控制连续调中心频率都由参考信号控制连续调节。节。跟踪滤波器跟踪滤波器l是一种连续式恒带宽滤波器。工作原理是一种连续式恒带宽滤波器。工作原理如图如图5-285-28所示。所示。跟踪滤波器原理图跟踪滤波器原理图1 12 23 34 45 5(1) ttsinttsin2ABtBcostAsin)()()(2) ttsinttsin2ABtBsintAcos)()()(3) tABsinttABsin)()(4) tntsinxtsinxx(t)iii0)()()(5) n(t)t

26、ABsin(tcostcos2ABx )t2cos(- )-tcos(2ABx tx(t)ABsiniiiii0)()()(吉布斯现象吉布斯现象（GibbsGibbs）建立时间建立时间T Te e与带宽的关系与带宽的关系eccTf1Bf常数eBT滤波器的频率分辨率与快速响应特性互相矛盾滤波器的频率分辨率与快速响应特性互相矛盾3 3、各种滤波器的比较、各种滤波器的比较1/3倍频程滤波器1/10倍频程滤波器倍频程选择性为45dB跟踪滤波器带宽为3Hz滤波器因数=4信号的滤波信号的滤波 由案例提炼的典型实验由案例提炼的典型实验：钢管无损探伤钢管无损探伤滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警滤除信号

27、中的零漂和低频晃动，便于门限报警实验实验案例：机床轴心轨迹的滤波处理案例：机床轴心轨迹的滤波处理 信号的滤波信号的滤波 案例：机床轴心轨迹的滤波处理案例：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滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律实验实验第四节第四节 模拟、数字转换器模拟、数字转换器l1 1、什么是、什么是模拟信号模拟信号？ 经过传感器变换后，代表被测量的电经过传感器变换后，代表被测量的电压或电流信号的幅值压或电流信号的幅值在连续时间内取连在连续时间内取连续值，续值，称为模拟信号。称为模拟信号。l模拟信号可以直接记录、显示或存储。模拟信号可以直接记录、显示或存储。l随着计算机技术在测试领域的应用，需随着计算机技术在测试领域的应用，需要进行要进行模模- -数转换数转换，也需要进行，也需要进行数数- -模转模转换换以推动控制系统执行元件或作模拟记以推动控制系统执行元件或作模拟记录或显示。录或显示。第四节第四节 模拟、数字转换器模拟、数字转换器