工学机械工程测试技术基础讲信号与测试系统PPT课件

1、学习目标学习重点 学习测量电桥、信号放大电路、调制解调电路、滤波器等信号调理电路的工作原理、基本特性等内容。学完本章后，应对各种信号调理电路的功能特点有较清楚的了解，掌握一些常用信号调理电路的工作原理、特性分析计算，初步具备分析、设计常用信号调理电路的能力。1. 各种电桥的工作原理，电桥的平衡条件及参数计算。2. 调幅原理及相敏检波电路、精密整流电路。3. 滤波器的主要特性指标及典型滤波器电路。第1页/共82页 被测物理量经传感环节被转换为电阻、电容、电感、电压、电流、电荷等电参量的变化，由于在测量过程中不可避免地受到内外干扰，且为了用被测信号驱动显示记录和控制，或进一步将信号输入计算机进行数

2、据处理，因此经传感后的信号需要调理、放大、滤波、运算分析等一系列加工，以抑制干扰，提高信噪比，便于进一步传输和后续环节的处理。被测对象传感器信号调理数据显示与记录第2页/共82页5.1 电桥 测量电桥是将电阻、电感、电容等参数的变化转换成输出电压或电流变化的一种电子装置。 测量装置中最常用的是惠斯登电桥。soeZZZZZZZZe)(43214231 惠斯登电桥电桥的输出为soeZZZZZZZZe)(43214231 电桥的输出为第3页/共82页 电桥的分类 按电桥供电电源的性质分直流电桥采用直流电源供电交流电桥采用高频稳幅交流电源供电 按电桥输出的测量方式分平衡电桥使电桥处于平衡状态后读数不平

3、衡电桥读数时电桥一般处于不平衡状态 按桥臂元件的阻抗性质分纯电阻电桥纯电容电桥、容性电桥纯电感电桥、感性电桥第4页/共82页直流电桥 采用直流电源供电，四个桥臂元件均为纯电阻 。ERRRRRRRRU)(43214231 4231RRRR 电桥输出直流电桥的平衡条件为简化设计和分析，一般将四臂电阻设计成相等，即RRRRR 4321第5页/共82页 将传感器（如电阻应变片）接入电桥的某些桥臂上，则电桥的输出就与被测量的变化有一一对应关系。 传感器可以三种形式接入电桥。 半桥单臂连接ERRU4 当 时，电桥的输出电压为RR RRRERRRRRRRRU240434211第6页/共82页 半桥双臂连接工

4、作桥臂相邻连接时，两电阻变化的极性应相反；工作桥臂相对连接时，两电阻变化的极性应相同。 电桥的输出电压为ERRU2 第7页/共82页 全桥连接相对桥臂的电阻按相同极性变化；相邻桥臂的电阻按相反极性变化。 电桥的输出电压为ERRU RRRRRRRREU43214第8页/共82页半桥双臂接法的灵敏度比半桥单臂接法高一倍；全桥接法的灵敏度又比半桥双臂接法高一倍。 半桥双臂接法和全桥接法也称为电桥的差动连接。差动连接的优点： 提高了电桥的灵敏度； 极大地改善了电桥固有的非线性； 可对由温度等因素变化所造成的同极性影响进行补偿（抵消）。 RUS电桥灵敏度第9页/共82页差动连接应变片的贴法 所需的高稳定

5、度直流电源容易获得； 输出可用直流仪表直接测量显示； 易于实现电桥的平衡调节； 输出需接直流放大器，易受零漂和接地电位的影响。 直流电桥的特点：第10页/共82页直流电桥 直流电桥的优点采用直流电源作激励电源，直流电源的稳定性高；电桥的输出是直流量，可用直流仪表测量，精度高；电桥与后接仪表间的连接导线不会形成分布参数，对导线连接的方式要求低。 直流电桥的缺点易引入人工频干扰，由于输出为直流，而直流放大器比较复杂，易受零漂和接地电位的影响。 直流电桥适合静态量的测量。第11页/共82页交流电桥 采用高频稳幅交流电源供电，四个桥臂元件可以是电阻、电容、电感或它们的复合 。soeZZZZZZZZe)

6、(43214231 电桥的输出为第12页/共82页各桥臂元件的电抗用复数表示：ZjZZImRe jeZZ0 0ZZ或或ZZZ220ImRe )Re/arctan(ImZZ 阻抗的模；阻抗角。各种元件的复数阻抗为：电阻 R R , 电压电流同相电容 C ,电压滞后电流 电感 L ,电压超前电流 Cj 1Lj0,RR,2uiLZj L,2uiCjZC 第13页/共82页交流电桥的平衡条件4231ZZZZ 423104020301 ZZZZ即模平衡条件相位平衡条件 输出为高频调幅波，不易受外界工频干扰； 转换精度较高； 后接的交流放大器结构简单、零漂小； 易于实现不失真测试 ； 输出调幅波需经相敏检

7、波器进行解调； 供桥电源要具有较高的幅值、频率稳定性和良好的波形。交流电桥的特点第14页/共82页变压器式电桥 电桥的两个桥臂由传感器或变压器的两个感应耦合线圈所构成，另两个桥臂则是固定的电抗元件或差动传感器的电感、电容。 差动电感传感器电桥 第15页/共82页差动变压器电桥 第16页/共82页差动电容传感器电桥 带感应耦合臂电桥的特点： 克服了寄生参数（寄生电容、电感等）的影响； 使用变压器可隔离直流干扰； 频率范围较宽，性能稳定、灵敏度及转换精度较高。 第17页/共82页5.2调制与解调 调制 解调 信号的调制方法 用原始缓变信号控制高频信号的某个特征参数（幅值、频率或相位），使这些参数随

8、被测量的变化而变化。调制信号用来控制高频信号的缓变信号。载波被控的高频信号。已调波经过调制后所得到的高频信号。从已调波中恢复原始缓变信号。 幅值调制（调幅，AM） 频率调制（调频，FM） 相位调制（调相，PM）第18页/共82页调幅及其解调电路1. 调幅原理 第19页/共82页 调幅就是用调制信号与高频载波信号相乘，所得到的高频已调波（称为调幅波或调幅信号）的幅值随调制信号的变化而变化。 在频域内，调幅过程是一个“频谱搬移”过程。 调幅过程中的载波不仅要保证幅值的高度稳定，其频率也要足够高。一般要保证 。 调幅波的频谱分布在相对变化很窄的一个范围内，有利于信号的交流放大、有用信号与无用信号的鉴

9、别，易于保证不失真测试条件的实现。 mcff10 第20页/共82页2. 调幅装置 tftfRSEtxRtRtxcmcm2sin42sin)(4)()(交流电桥调幅 第21页/共82页3. 调幅的解调（鉴幅） 同步解调 第22页/共82页 包络检波 包络检波适用于调制信号为单边（单极性）变化的调幅信号的解调。 包络检波通过整流、滤波两个环节，将调幅波中的包络线（与原信号波形一致）还原出来，即得到了原信号的波形。 整流将双边变化的调幅信号整理成单边变化的调幅信号； 滤波滤除单边变化调幅信号中的高频成分。 常用的包络检波电路有：二极管环形检波电路、精密整流电路+滤波电路等。第23页/共82页 相敏

10、检波 二极管环型相敏检波电路 第24页/共82页第25页/共82页4. 调幅的应用 动态电阻应变仪 第26页/共82页差动变压器式电感测微仪 第27页/共82页调频及其解调电路1. 调频原理 调频是将调制信号的变化转换成调频波频率的变化。具体地讲，就是用调制信号控制一振荡器，使振荡器的振荡频率随调制信号的变化而变化。 调制信号为零时，振荡器输出的调频波的频率称为中心频率（即载波频率）。 第28页/共82页2. 调频装置 直接调频电路 )(210CCCLf )(2100CCLf )(1)(21000tKxfCCCff 设则第29页/共82页 压控振荡器 第30页/共82页3. 调频的解调（鉴频

11、） 实现鉴频的装置称为鉴频器。 谐振式振幅鉴频器 第31页/共82页谐振式振幅鉴频器的谐振特性 第32页/共82页5.3 滤波器 使信号中某些特定的频率成分通过，极大地衰减其他频率成分。 滤波器的作用：滤波器的基本知识1. 滤波器的分类（按选频范围分） 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器 第33页/共82页四类滤波器的幅频特性第34页/共82页2. 理想滤波器 理想滤波器在其通频带内应满足不失真测试条件，即幅频特性为常数，相频特性与频率保持线性关系，阻带内的幅频特性应等于零。其频率响应函数应为 0)(020ftjeAfH（通带内， 为常数）00tA、（阻带内）-fcfc-fcfcf

12、fA(f)(f) 理想滤波器是非因果系统，在物理上是不可能实现的。 第35页/共82页1.理想滤波器对单位脉冲的响应将单位脉冲输入理想滤波器，则其响应为sinc函数。)2(sin2)(0tfcfAthcc)(2sin2)(00ttfcfAthcc第36页/共82页2.理想滤波器对单位阶跃的响应0t)(tu1000,02/11)(Ttttu滤波器的响应)(2221sin221)(*)()()(20tfsidttttuthtyctfc单位阶跃函数建立时间Te第37页/共82页 理想滤波器的建立时间 与滤波器的带宽B成反比，它们的乘积为常数。即 .constBTe eT建立时间 建立时间反映了滤波器

13、对输入的响应速度（滤波时间）；带宽反映了滤波器的频率分辨力。 二者相矛盾第38页/共82页3. 实际滤波器的特性指标 实际带通滤波器的幅频特性曲线 第39页/共82页 幅频特性平均值 纹波幅度 截止频率 带宽 中心频率 品质因数 频率选择性 倍频程选择性 滤波器因数（矩形系数） )()2(lg2022ccfAfAW )()2/(lg2011ccfAfAW 3dB60dB BB BfQ0 210ccfff 12ccffB 或 0Ad21ccff 、第40页/共82页无源滤波器：由电阻、电容、电感等元件组成的滤波电路。有源滤波器：由 R、L、C 及运放构成的滤波器，运放工作时要外加电源，所以称为有

14、源滤波器滤波器的分类 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器 无源滤波器 有源滤波器 数字滤波第41页/共82页无源RC滤波器1. 一阶无源RC低通滤波器 11)( ssH )2/(12 cf传递函数 上截止频率 时间常数 RC 第42页/共82页2. 一阶无源RC高通滤波器 传递函数 下截止频率 1)( sssH )2/(11 cf时间常数 RC 为改善过渡带曲线的陡度，可采用多个RC环节的级联。为解决负载效应，可采用运算放大器。第43页/共82页3. 二阶无源RC带通滤波器 传递函数 截止频率 时间常数 1)()()()(3212211 ssssEsEsHio 111CR 222C

15、R 213CR )2/(111 cf)2/(122 cf第44页/共82页有源RC滤波器 1. 一阶有源RC滤波器 传递函数 通带增益 截止频率 RCsKsH 1)(RCfc 212 11RRKf 一阶有源RC低通滤波器（同相输入） 第45页/共82页传递函数 通带增益 截止频率 CsRKsHf 1)(CRffc 212 1RRKf 一阶有源RC低通滤波器（反相输入） 第46页/共82页2. 二阶有源RC滤波器 无限增益多路负反馈型 无限增益多路负反馈型二阶有源RC滤波器的基本结构 324532121)()(YYYYYYYYYsH 第47页/共82页13RRK 21321CCRRn 32111

16、11121RRRCn 无限增益多路负反馈型二阶有源RC低通滤波器 第48页/共82页无限增益多路负反馈型二阶有源RC高通滤波器 31CCK 32211CCRRn 32232121CCRCCCn 第49页/共82页无限增益多路负反馈型二阶有源RC带通滤波器 )(21113CCRCRK 2132121CCRRRRRn 121311 CCRQn 第50页/共82页 压控电压源型 24315432121)1()()(YYYKYYYYYYYYKsHff 压控电压源型二阶有源RC滤波器的基本结构 RRKf01 第51页/共82页RRKKf01 21211CCRRn 22211111121CRKRRCfn

17、压控电压源型二阶有源RC低通滤波器 第52页/共82页RRKKf01 压控电压源型二阶有源RC高通滤波器 21211CCRRn 11212111121CRKCCRfn 第53页/共82页压控电压源型二阶有源RC带通滤波器 1213121111 RRKRRCCKKff2132121CCRRRRRn 1122313111111 CRKCRCRCRQfn 第54页/共82页压控电压源型二阶有源RC带阻滤波器 RRKKf01 211RRCn 1121212 RRRKCRQfn 第55页/共82页5.2 信号放大电路 信号放大电路的基本特点 通用放大电路、测量放大器、运算放大电路、功率放大电路、隔离放大

18、电路、增益调整电路、线性化电路等。 信号放大电路的种类 广泛使用各种集成放大器，其中以集成运算放大器和专用测量放大器应用最多；广泛采用各种负反馈技术来改善放大电路的性能。第56页/共82页通用集成运算放大电路1. 理想运算放大器与实际运算放大器 开环放大倍数A 失调电压 OSVBAii 、偏流 输入阻抗 iZ输出阻抗 oZ特 性理想运放实际运放541010或更高 0 0 0 1mV（25） A1010146 1151010或更高 101第57页/共82页2. 运算放大器的基本放大电路 反相比例运算电路 反相比例运算电路 ifoeRRe1 第58页/共82页反相比例加法器 NkikfoeRRe1

19、)(21RRRRN 第59页/共82页 同相比例运算电路 ifoeRRe)1(1 同相比例运算电路 第60页/共82页电压跟随器 第61页/共82页 求差运算电路 差动放大电路 )/(12kRRRRfp )(12iioeeke 第62页/共82页 微分运算电路 dtdeRCeio 微分运算电路 第63页/共82页 积分运算电路 积分运算电路 tiodteRCe01第64页/共82页 对数运算电路 对数运算电路 TTVVsVVsDeIeIi )1(ln)ln(isToeRIVe 第65页/共82页3. 运算放大器构成的其他电路 电压比较电路 第66页/共82页第67页/共82页 精密整流电路 第68页/共82页 )()()/()(0)(341teRRteao)()/()(342teRRteio )()()(21teteteooo 当满足 时,电路就能够输出非常精确的全波整流波形。 )/(2/3312RRRR 第69页/共82页测量放大器1. 高输入阻抗放大器 用电压跟随器做前置输入缓冲级;使用高阻型集成运算放大器;采用由通用运算放大器组成的自举式高输入阻抗放大电路。 自举式同相交流放大电路 第70页/共82页自举式交流电压跟随器 第71页/共82