《测试技术》课件：第五章

1、第五章第五章 信号的调理与记录信号的调理与记录 1、掌握电桥的作用、原理。2、掌握调制的概念、分类和目的；解调的目的； 掌握幅值调制与解调的原理。3、掌握滤波器的作用、分类； 了解实际滤波器的基本参数。 本章学习要求：本章学习要求：测试系统的组成传感器被测对象信号调理显示纪录信号处理5.1 5.1 电桥电桥 电桥1 1、作用：、作用：将电阻 、电感 、电容 等电参数变为电压 或电流 信号后输出。RLCUIa、c两端接电源 ，称供桥端；iUb、d两端接输出电压 ，称输出端。oU根据桥臂阻抗性质桥臂阻抗性质的不同电阻电桥 电容电桥电感电桥根据供桥电源供桥电源直流电桥：只用于测量电阻R的变化交流电桥

2、：测量电阻R、电容C、电感 L的变化2 2、电桥的分类、电桥的分类 电桥电桥直流电桥 一、直流电桥一、直流电桥 采用直流电源的电桥称为直流电桥。 四个桥臂由电阻R1、R2、R3和R4组成。 在a、c两端接入直流电源，在b、d两端输出电压。1 1、平衡条件、平衡条件 电桥的输出：电桥的输出： R1R3=R2R4 直流电桥 平衡的条件：平衡的条件： 2 2、联接方式、联接方式 在测试过程中，根据工作中的电阻值变化的桥臂情况，电桥可以分为半桥单臂、半桥双臂和全桥式联接方式。 (1)(1) 半桥单臂半桥单臂为了简化设计，令R2=R3=R4=R0，而R1=R0+R则电桥的灵敏度：电桥的灵敏度： 半桥单臂

3、联接方式的半桥单臂联接方式的缺点缺点：(2)(2) 半桥双臂半桥双臂a、供桥电压不稳定会造成灵敏度的漂移。b、温度的变化引起漂移。半桥双臂c、存在非线性误差。 初始状态下，R1=R2=R3=R4=R0，且R=R1=R2，则当R1 R1R1，R2 R2R2 时， 电桥的灵敏度：电桥的灵敏度： 11401122342iiRRRUURRRRRRRUR2iUS 与半桥单臂相比，半桥双臂联接方式的好处好处：a、灵敏度提高了1倍。b、可以实现温度误差的自动补偿。c、消除了非线性误差。(3)(3) 全桥全桥全桥 设初始状态下，R1=R2=R3=R4=R0，且R=R1=R2=R3=R4，则当R1 R0+R，R

4、2 R0R，R3 R0+R，R4 R0R时，电桥的灵敏度：电桥的灵敏度： iiURRRRRRRRRRRRRRRRRRURRRRRRRRU000000000432142310)()()()(全桥联接方式的好处：a、灵敏度又提高了1倍。b、可以实现温度误差的自动补偿。c、消除了非线性误差。3 3、输出变化曲线、输出变化曲线 半桥单臂半桥双臂全桥RR0U0梁应变片电桥二、交流电桥二、交流电桥 采用交流电源的电桥称为交流电桥。 交流电桥的桥臂可以是纯电阻，也可以是包含 有电容、电感的阻抗。 在a、c两端接入交流电源ui，在b、d两端输出电压uo 。交流电桥 1 1、平衡条件、平衡条件 交流电桥 平衡条

5、件平衡条件 4231ZZZZ其中，Zi阻抗的模， 为阻抗角。 i因此， )(42)(314231jjeZZeZZijiieZZ42314231ZZZZ2 2、常用电桥、常用电桥 （1 1）电容电桥）电容电桥 平衡条件：平衡条件： l两相邻桥臂为纯电阻R2、R3，另相邻两臂为电容C1、C4 lR1、R4视为电容介质损耗的等效电阻 根据平衡条件 电容电桥 （2 2）电感电桥）电感电桥 平衡条件：平衡条件： l两相邻桥臂为纯电阻R2、R3，另相邻两臂为电感L1、L4 根据平衡条件 电感电桥 （3 3）纯电阻交流电桥）纯电阻交流电桥 C2UiR2R4R1R3 C1C3C4纯电阻交流电桥 由于导线间存在

6、分布电容，因此在调节平衡时既要调电阻平衡，也要调电容平衡。3 3、交流电桥的输出、交流电桥的输出5.3 5.3 调制与解调调制与解调调制与解调的过程高频信号-载波；被测缓变信号-调制信号；输出信号-已调制波。1 1、调制的概念：、调制的概念：使高频信号的某些参数在被测缓变信号的控制下发生变化的过程。一、调制和解调的概念一、调制和解调的概念 2 2、调制的目的、调制的目的 1）实现缓变信号的传输，特别是远距离传输 2）提高信号传输中的抗干扰能力和信噪比 3 3、调制的种类、调制的种类a) 幅值调制(简称调幅，AM) b) 频率调制(简称调频，FM) c) 相位调制(简称调相，PM) 根据参数的不

7、同，调制可以分为：5 5、解调的目的、解调的目的 从已调制波中不失真地恢复原来的缓变信号的过程。 4 4、解调、解调为了不失真地恢复被调制的信号。 载波、调制信号及调幅、调频波图载波、调制信号及调幅、调频波图(a) (a) 载波信号载波信号 (b) (b) 调制信号调制信号 (c) (c) 调幅波形调幅波形 (d) (d) 调频波形调频波形二、幅值调制（调幅）二、幅值调制（调幅）调幅调幅使载波信号y(t)的幅值随缓变信号x(t) 幅值的变化而变化的过程。幅值调制后的信号称为调幅波。 调幅的目的是为了便于缓变信号的放大和传送。(1) (1) 调幅的时域表达调幅的时域表达 )(txtfty02co

8、s)(tftxtym02cos)()(2) (2) 调幅的频域表达调幅的频域表达 设调制信号为设调制信号为 ，其最高频率成分为，其最高频率成分为 ，载波信号，载波信号为为)(txmftf02cos e)(e)(212cos)(002j2j0tftftxtxtftx由傅里叶变换的卷积性质由傅里叶变换的卷积性质)(*)()()(fYfXtytx则有调幅波：则有调幅波：)(*)()(*)(212cos)(000fffXfffXtftx则则时域时域 频域频域 载波信号载波信号 调制信号调制信号 调幅波调幅波 音频信号音频信号 调幅调幅(AM)(AM)载波信号载波信号 调幅波调幅波 广播电台的发射塔广播

9、电台的发射塔 幅值解调的目的幅值解调的目的 恢复所需要的缓变信号 广播电台的广播电台的发射塔发射塔 调幅波调幅波 接接收收解调解调DemodulationDemodulation对调幅波进行鉴别以恢复缓对调幅波进行鉴别以恢复缓变信号的过程。变信号的过程。 三、调幅波的解调三、调幅波的解调(1) (1) 同步解调同步解调 同步解调后信号的时域表达式：同步解调后信号的时域表达式：tf02cos)2()2(41)(212cos)(000ffXffXfXtftym)2()2(214cos)(000ffXffXtftx所以，同步解调后信号的频谱：同步解调后信号的频谱： 同步解调后信号的频域表达式：同步解

10、调后信号的频域表达式：(a)调幅波频谱 (b)载波信号频谱 (c)同步解调、低通滤波后频谱 (2) (2) 整流检波整流检波 把调制信号进行偏置，叠加一个直流分量，使偏置后的信号都具有正电压，那么调幅波的包络线将具有原调制信号的形状。 把该调幅波进行简单的半波或全波整流、滤波，并减去所加的偏置电压就可以恢复原调制信号。 (3) (3) 相敏检波相敏检波 相敏检波电路原理图电路结构：电路结构： x(t)0时(0t1)，ym(t)与y(t)同相，检波器输出uf(t)0；x(t)0时(t1t2)，ym(t)与y(t)反相，检波器输出uf(t)0 x(t)0时，无论调制波是否为正，相敏检波器的时，无论

11、调制波是否为正，相敏检波器的输出波形均为正，即保持与调制信号极性相同。输出波形均为正，即保持与调制信号极性相同。三、应用电路三、应用电路动态电阻应变仪动态电阻应变仪的工作原理电桥电桥放大器放大器相敏检波相敏检波低通滤波低通滤波显示记录显示记录载波振荡器载波振荡器x(t)电阻应变片电阻应变片1 1）动态电阻应变仪的组成部分：）动态电阻应变仪的组成部分：2）动态电阻应变仪各部分的作用如下： 电桥、放大器、相敏检波器、滤波器、振荡器、电源。电桥：电桥：将应变片电阻的变化转换为电流或电压信号。振荡器振荡器：供给正弦波交流电压作为电桥的工作电压，并通过信号电压对它进行调幅，输出调幅电压信号送入放大器，同

12、时它也为相敏检波器提供参考电压。放大器：放大器：由于电桥输出的信号非常微弱，必须经过放大器将电桥送来的调幅电压进行不失真放大。低通滤波器：低通滤波器：由于通过相敏检波后，波形中还包含着载波及其高次谐波，因此需要通过低通滤波器滤掉被测应变信号以外的高频成分，得到信号的原形。相敏检波器相敏检波器：它既具有检波器的作用，又能完成辨别被测信号相位（如应变信号的拉伸或压缩性质）的任务，实现解调。动态电阻应变仪就是利用交流电桥进行调幅，利用相敏检波动态电阻应变仪就是利用交流电桥进行调幅，利用相敏检波进行解调的。进行解调的。5.4 5.4 滤波器滤波器滤波器滤波器是一种选频装置，它只允许一定频带范围内的信号

13、通过， 同时极大地衰减其它频率成分。 滤波器作用：作用： 滤除干扰噪声，去除无用信号；分离不同频率的有用信号；对测量仪器或控制系统的频率特性进行补偿。一、滤波器的分类：一、滤波器的分类： 滤波器滤波器按构成滤波器的元件类型RC滤波器RL滤波器按电路性质有源滤波器无源滤波器按处理信号的性质数字滤波器模拟滤波器按滤波器通频带范围低通滤波器带阻滤波器高通滤波器带通滤波器1.1.通频带通频带允许信号通过的频率范围称为滤波器的通频带。2.2.阻带阻带被滤波器阻挡或极大地衰减的频率范围称为滤波器的阻带。3.3.截止频率截止频率通频带与阻带的交界频率称为截止频率。三个概念：四种理想滤波器的幅频特性 二、理想

14、滤波器与实际滤波器二、理想滤波器与实际滤波器 1 1、理想滤波器、理想滤波器理想带通滤波器 滤波器)(tx)(ty输入（激励）输出（响应）ftf02)(通频带内0)(AfA阻带内0)(fA滤波器)(tx)(ty输入（激励）输出（响应）t01( ) t2 2、实际滤波器、实际滤波器2) 2) 带宽带宽B B上下截止频率间的频率范围。带宽反映了滤波器的频率分辨力（分离信号中相邻频率成分的能力）。1)1)截止频率截止频率幅频特性值等于 所对应的频率。012AB越窄，滤波器的分辨力越高。atbtt)(tyabettt称为是滤波器的建立时间。带宽、分辨力、建立时间三者的关系：带宽越小，分辨力越高，但建立

15、时间越长，滤波器的响应速度越慢。3)3)纹波幅度纹波幅度d d 幅频特性在顶部的波动幅度。5) 5) 倍频程选择性倍频程选择性 上截止频率 与 之间或下截止频率 与 之间幅频特性的衰减值，即频率 变化一个倍频程时的衰减量。 1cf112cf22cf2cf603dBdBBB6)6)滤波器因素滤波器因素 滤波器幅频特性值为的-60dB处的带宽与-3dB 带宽的比值。4) 4) 品质因数品质因数Q Q中心频率和带宽之比。即Q = fQ = f0 0 / / B B 其中，中心频率210ccfff 3 3、RCRC无源滤波器无源滤波器 RC滤波器电路简单，抗干扰能力强，有较好的低频性能。 （a）RC低通滤波器（b）RC高通滤波器1)1)一阶一阶RCRC低通滤波器低通滤波器 RC低通滤波器幅频特性 相频特性 yyxduRCuudt1( )1Hj21()1()A( )arctan() 一阶微分方程频率响应函数可以求得滤波器的上截止频率为：RCfc21212当 f f fff fc2c2 时，输出 与输入 的积分成正比，即： 滤波器相当于积分环节。1yxuu dtRCxuyu2)2)一阶一阶RCRC高通滤波器高通滤波器 幅频特性 相频特性 1yyxu dtuuRC2()1()A( )arctan(1/) 一阶微分方程频率响应函数RC高