第四章信号调理、处理和记录__1

1、华南理工大学广州学院机械工程测试技术基础华南理工大学广州学院 传感器输出的电信号，大多数不能直接输送到显传感器输出的电信号，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去。其主要原因是大多数示、记录或分析仪器中去。其主要原因是大多数传感器输出的电信号很微弱，需要进一步放大；传感器输出的电信号很微弱，需要进一步放大；有些传感器输出的是电参量，要转换为电能量；有些传感器输出的是电参量，要转换为电能量；输出信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提输出信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比；若测试工作仅对部分频段的信号感兴高信噪比；若测试工作仅对部分频段的信号感兴趣，则有必要从输出信号中分离出所需

2、的频率成趣，则有必要从输出信号中分离出所需的频率成分；因此，传感器的输出信号要经过适当的调理，分；因此，传感器的输出信号要经过适当的调理，使之与后续测试环节相适应。使之与后续测试环节相适应。 华南理工大学广州学院第四章 信号调理与记录第一节第一节 电桥电桥第二节第二节 调制与解调调制与解调第三节第三节 滤波器滤波器第四节第四节 信号的放大信号的放大第五节第五节 测试信号的显示与记录测试信号的显示与记录华南理工大学广州学院前序前序1、被测量经传感器之后的输出信号一般具有以下特点：、被测量经传感器之后的输出信号一般具有以下特点：l 信号比较微弱；信号比较微弱；l 为非电压信号；为非电压信号；l 携

3、带噪声信号等。携带噪声信号等。2、因此，还需进一步调理、放大、滤波等加工处理。、因此，还需进一步调理、放大、滤波等加工处理。3、本章主要讨论信号调理和转换中的常用环节：、本章主要讨论信号调理和转换中的常用环节：l 电桥；电桥；l 调制与解调；调制与解调；l 滤波；滤波；l 放大。放大。华南理工大学广州学院第一节第一节 电桥电桥定义：定义：电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化转换为电压电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。或电流输出的一种测量电路。特点：特点：桥式电路简单可靠，精度和灵敏度很高，应用广泛。桥式电路简单可靠，精度和灵敏度很高，应用广泛。分类：分类：

4、根据其所采用的激励电源类型：根据其所采用的激励电源类型： 直流电桥直流电桥 交流电桥交流电桥华南理工大学广州学院一、直流电桥一、直流电桥 基本结构：基本结构：电阻电阻R R1 1,R,R2 2,R,R3 3,R,R4 4作为四个桥臂，在作为四个桥臂，在a a、c c两两端接入直流电源端接入直流电源u ue e，在，在b b、d d两端输出电压两端输出电压u uo o。 工作原理工作原理：利用四个桥臂中的一个或数个的阻值变化：利用四个桥臂中的一个或数个的阻值变化而引起电桥输出电压的变化而引起电桥输出电压的变化 。华南理工大学广州学院ueuo华南理工大学广州学院电路分析：电路分析：ueueueue

5、华南理工大学广州学院ueueu0讨论：讨论：式式4 42 2为直流电桥平衡条件。若电桥中任一个或数个电阻为直流电桥平衡条件。若电桥中任一个或数个电阻发生变化，电桥输出电压变化。测量电桥就是基于上述原发生变化，电桥输出电压变化。测量电桥就是基于上述原理工作。理工作。（4 41 1）（4 42 2）华南理工大学广州学院直流电桥的连接形式：直流电桥的连接形式：半桥单臂半桥单臂 半桥双臂半桥双臂 全桥全桥 ueuoueuoueuo华南理工大学广州学院（1 1）半桥单臂连接形式）半桥单臂连接形式：工作时仅有一个桥臂电阻值随：工作时仅有一个桥臂电阻值随被测量而变化，设该电阻为被测量而变化，设该电阻为R R

6、1 1，变化量为，变化量为RR，则由式，则由式（4-14-1）可得：）可得：设相邻桥臂的阻值相等，亦即：设相邻桥臂的阻值相等，亦即：R R1 1=R=R2 2=R=R0 0,R,R3 3=R=R4 4=R=R0 0, ,又又若若R R0 0=R=R0 0, ,则则 若若RRRR0 0, ,则则eoURRRRRRRRU434211eoURRRU240eoURRU04（4 43 3）（4 44 4）（4 45 5）华南理工大学广州学院（1 1）半桥单臂连接形式）半桥单臂连接形式：工作时仅有一个桥臂电阻值随：工作时仅有一个桥臂电阻值随被测量而变化，设该电阻为被测量而变化，设该电阻为R R1 1，变化

7、量为，变化量为RR，则由式，则由式（4-14-1）可得：）可得：eoURRU04（4 43 3）（4 44 4）（4 45 5）华南理工大学广州学院eoURRU04电桥的输出电压与激励电压成正比；在激励电压一定的条件下，与工作桥臂的阻值变化量呈单调线性关系。华南理工大学广州学院（2 2）半桥双臂连接形式）半桥双臂连接形式：工作时有两个桥臂电阻值随被测：工作时有两个桥臂电阻值随被测量而变化，即：量而变化，即： R R1 1RR1 1， R R2 2 RR2 2，则由式（，则由式（4-14-1）可）可证明，当证明，当R R1 1=R=R2 2=R=R0 0 ，RR1 1RR2 2RR， R R3

8、3=R=R4 4=R=R0 0 ，则电，则电桥输出桥输出eoURRU02（4 46 6）华南理工大学广州学院（3 3）全桥连接法）全桥连接法：四个桥臂的阻值均随被测量而变化，即：四个桥臂的阻值均随被测量而变化，即： 当当R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=R0 0, ,且且RR1 1= =RR2 2=R=R3 3= =RR4 4=R=R，输出为：输出为：44332211,RRRRRRRReoURRU0结论：结论：式（式（4 45 5）、（）、（4 46 6）、（）、（4 47 7）表明，电桥的）表明，电桥的输出电压与激励电压成正比，但比例系数不同。输出电压与激励电压成正

9、比，但比例系数不同。（4 47 7）华南理工大学广州学院灵敏度。全桥接法可以获得最大灵敏度不同，结论：电桥接法不同，。全桥灵敏度；半桥灵敏度；单臂电桥灵敏度则有：定义电桥的灵敏度为eeeoUUURRUS24华南理工大学广州学院直流电桥的和差特性：直流电桥的和差特性：eoeeoeeoURRRRRRRRUURRRRURRRRRRRRRRRRUURRRRURRRRRRRRRRRRURRRRRRRRRRRRc4321232211224433334144334422111144332211432141212114R24推出：得：时，可由、且，当如图eoURRRRRRRRU432141华南理工大学广州学院

10、和差特性内容：和差特性内容： 相邻两桥臂电阻同向变化，产生的输出电压的变化将相邻两桥臂电阻同向变化，产生的输出电压的变化将相互抵消；相互抵消；相邻两桥臂电阻反向变化，产生的输出电压的变化将相邻两桥臂电阻反向变化，产生的输出电压的变化将相互叠加；相互叠加；和差特性应用实例：和差特性应用实例： 悬臂梁作敏感元件测力：悬臂梁作敏感元件测力：为提高灵敏度，常在梁的上，为提高灵敏度，常在梁的上，下表面各贴一片应变片，并将上述两应变片接入电桥下表面各贴一片应变片，并将上述两应变片接入电桥的相邻两桥臂。的相邻两桥臂。柱形梁作敏感元件测力：柱形梁作敏感元件测力：四个纵向应变片俩俩串联，四个纵向应变片俩俩串联，

11、接入相对桥臂接入相对桥臂; ;横向应变片主要起温度补偿作用。横向应变片主要起温度补偿作用。华南理工大学广州学院 悬臂梁应变仪结构悬臂梁应变仪结构 温度补偿的实现 ？华南理工大学广州学院 第四章例题_电桥.doc 以阻值R120、灵敏度Sg=2的电阻丝应变片与阻值为120的固定电阻组成电桥，供桥电压为2V，并假定负载电阻为无穷大，当应变片的应变为2和2000时，分别求出单臂、双臂电桥的输出电压，并比较两种情况下的灵敏度。 华南理工大学广州学院 作业： P152 4-1 华南理工大学广州学院第二节第二节 调制与解调调制与解调 调制：调制：是指利用某种低频信号来控制或改变某一高频信号是指利用某种低频

12、信号来控制或改变某一高频信号的某个参数（幅值、频率或相位）的过程。的某个参数（幅值、频率或相位）的过程。 解释：解释：高频振荡信号称为高频振荡信号称为载波载波；控制高频振荡的低频信号为；控制高频振荡的低频信号为调制信号调制信号；调制后的高频振荡信号为调制后的高频振荡信号为已调制信号已调制信号。 调制分类：调制分类：当被控制的量是高频振荡信号的当被控制的量是高频振荡信号的幅值幅值时，称为时，称为调幅调幅(AM)(AM)；已调制信号为；已调制信号为调幅波调幅波；当被控制的量为高频振荡信号的当被控制的量为高频振荡信号的频率频率时，称为时，称为调频调频(FM)(FM)；已调制信号为；已调制信号为调频波

13、调频波；当被控制的量为高频振荡信号的当被控制的量为高频振荡信号的相位相位时，称为时，称为调相调相(PM)(PM)；已调制信号为；已调制信号为调相波调相波；华南理工大学广州学院 解调：解调：则是从已调制波信号中恢复出原有低频调制信号的则是从已调制波信号中恢复出原有低频调制信号的过程。过程。 调制与解调的应用：调制与解调的应用： 应用分析：应用分析：传感器输出的低频微弱信号需要放大。直流传感器输出的低频微弱信号需要放大。直流放大，存在零漂和级间耦合，容易失真；交流放大，抗零放大，存在零漂和级间耦合，容易失真；交流放大，抗零漂，故一般先将低频信号调制为高频信号，再交流放大，漂，故一般先将低频信号调制

14、为高频信号，再交流放大，最后解调。最后解调。 应用实例：应用实例：差动变压器式位移传感器；交流电桥等。差动变压器式位移传感器；交流电桥等。华南理工大学广州学院一、幅值调制与解调一、幅值调制与解调 1、幅值调制：幅值调制： 幅值调制是将一个高频简谐信号（载波）与测试信号幅值调制是将一个高频简谐信号（载波）与测试信号（调制信号）相乘，使高频信号的幅值随测试信号的变化（调制信号）相乘，使高频信号的幅值随测试信号的变化而变化。而变化。 实例分析：实例分析： 设设x(t)x(t)为被测信号，为被测信号，y(t)y(t)为高频载波信号，若选择余弦为高频载波信号，若选择余弦信号：信号：y(t)=cos2fy

15、(t)=cos2f0 0t t，则已调制信号，则已调制信号x xm m(t)(t)为为x(t)x(t)与与y(t)y(t)的乘积：的乘积：x xm m(t)=x(t)cos2f(t)=x(t)cos2f0 0t t。华南理工大学广州学院华南理工大学广州学院 000ff*fX21ff*)f (X21tf2costx则有则有2 2、调幅信号的频域分析、调幅信号的频域分析华南理工大学广州学院图图410 调幅过程调幅过程（a）时域）时域 （b）频域）频域 华南理工大学广州学院小结：小结：v调幅的过程在频域上就相当于一个移频的过程。调幅的过程在频域上就相当于一个移频的过程。v载波频率载波频率f f0 0

16、必须高于信号中的最高频率必须高于信号中的最高频率f fmaxmax，才不会出，才不会出现混叠现象。实际应用中，载波频率至少在调制信号现混叠现象。实际应用中，载波频率至少在调制信号上限频率的十倍以上。上限频率的十倍以上。注意：调幅波是否可以看作是载波与调制信号的迭加？注意：调幅波是否可以看作是载波与调制信号的迭加？不可以。因为调幅波是载波幅值随调制信号大小成正比不可以。因为调幅波是载波幅值随调制信号大小成正比变化，只有相乘才能实现变化，只有相乘才能实现。 华南理工大学广州学院3 3、调幅信号的解调方法、调幅信号的解调方法（1 1）同步解调）同步解调 基本原理：将调幅波再经一乘法器与原载波信号相乘

17、，基本原理：将调幅波再经一乘法器与原载波信号相乘，则调幅波的频谱在频域上将再次被进行移频。由于载波信则调幅波的频谱在频域上将再次被进行移频。由于载波信号的频率仍为号的频率仍为f f0 0，因此，因此，再次移频的结果是使原信号的频再次移频的结果是使原信号的频谱图形出现在谱图形出现在0 0和的和的2f2f0 0频率处频率处。由于在解调过程中所乘的。由于在解调过程中所乘的信号信号与调制时的载波信号具有相同的频率与相位与调制时的载波信号具有相同的频率与相位，因此这，因此这一解调的方法称为同步解调。时域分析上有：一解调的方法称为同步解调。时域分析上有： tftxtxtftftx0004cos2122co

18、s2cos华南理工大学广州学院低通滤波器将频率为低通滤波器将频率为2f2f0 0的高频信号滤去，的高频信号滤去，得到得到)t(x21华南理工大学广州学院（2 2）包络检波（整流检波）包络检波（整流检波） 基本原理：基本原理： 对调制信号偏置一个直流分量对调制信号偏置一个直流分量A A，使偏置后的信号具有，使偏置后的信号具有正电压值。对该信号作调幅后得到的已调制波正电压值。对该信号作调幅后得到的已调制波x xm m(t)(t)的的包络线将具有原信号形状包络线将具有原信号形状。对该调幅波。对该调幅波x xm m(t)(t)作简单的作简单的整流（全波或半波整流）和滤波便可恢复原调制信号。整流（全波或

19、半波整流）和滤波便可恢复原调制信号。 出现问题：出现问题：如果所加的偏置电压未能使信号电压都位如果所加的偏置电压未能使信号电压都位于零位同侧，会造成失真，此时应采用相敏检波技术。于零位同侧，会造成失真，此时应采用相敏检波技术。 华南理工大学广州学院华南理工大学广州学院（2 2）包络检波（整流检波）包络检波（整流检波） 出现问题：出现问题：如果所加的偏置电压未能使信号电压都位如果所加的偏置电压未能使信号电压都位于零位同侧，会造成失真，此时应采用相敏检波技术。于零位同侧，会造成失真，此时应采用相敏检波技术。 华南理工大学广州学院二、频率调制与解调二、频率调制与解调1 1、频率调制的基本概念、频率调

20、制的基本概念 频率调制是指利用调制信号控制高频载波信号频率变化频率调制是指利用调制信号控制高频载波信号频率变化的过程。在频率调制过程中载波的幅值保持不变，仅载的过程。在频率调制过程中载波的幅值保持不变，仅载波的频率随调制信号的幅值成比例关系。波的频率随调制信号的幅值成比例关系。 。如图此时调频信号可表示）变化，有（）随调制信号（频率为常数，让载波瞬时角若保持振幅设载波194)(cos)(cos)(00000dttxktAtxtkxttxtAtAtyf华南理工大学广州学院2 2、频率调制方法、频率调制方法频率调制电路常用振荡电路，如频率调制电路常用振荡电路，如LCLC振荡电路、压控振荡器。振荡电

21、路、压控振荡器。LCLC振荡电路：应用于电容、涡流或电感等传感器的测量电路。振荡电路：应用于电容、涡流或电感等传感器的测量电路。ffCCffCCfCCLCfCLCf000000000)21 (11)1 (2121泰勒展开，得，则有若电容变化电路的谐振频率华南理工大学广州学院结论：结论： LCLC振荡回路以振荡频率振荡回路以振荡频率f f与调谐参数的变化成线性关系，与调谐参数的变化成线性关系，即振荡频率受控于被测物理量。这种将被测参数的变化直即振荡频率受控于被测物理量。这种将被测参数的变化直接转换为振荡频率变化的过程称为接转换为振荡频率变化的过程称为直接调频式测量直接调频式测量。华南理工大学广州

22、学院3、调频信号的解调、调频信号的解调 调频波的解调又称为调频波的解调又称为鉴频鉴频，是将频率变化恢复成调制信，是将频率变化恢复成调制信号电压幅值变化的过程；号电压幅值变化的过程； 是将频率变化的等幅调频波按其频率变化复现调制信号是将频率变化的等幅调频波按其频率变化复现调制信号波形的过程。波形的过程。 华南理工大学广州学院3 3、调幅信号的解调方法、调幅信号的解调方法（1 1）同步解调）同步解调 基本原理：将调幅波再经一乘法器与原载波信号相乘，基本原理：将调幅波再经一乘法器与原载波信号相乘，则调幅波的频谱在频域上将再次被进行移频。由于载波信则调幅波的频谱在频域上将再次被进行移频。由于载波信号的

23、频率仍为号的频率仍为f f0 0，因此，因此，再次移频的结果是使原信号的频再次移频的结果是使原信号的频谱图形出现在谱图形出现在0 0和的和的2f2f0 0频率处频率处。由于在解调过程中所乘的。由于在解调过程中所乘的信号信号与调制时的载波信号具有相同的频率与相位与调制时的载波信号具有相同的频率与相位，因此这，因此这一解调的方法称为同步解调。时域分析上有：一解调的方法称为同步解调。时域分析上有： tftxtxtftftx0004cos2122cos2cos华南理工大学广州学院低通滤波器将频率为低通滤波器将频率为2f2f0 0的高频信号滤去，的高频信号滤去，得到得到)t(x21华南理工大学广州学院第

24、三节第三节 滤波器滤波器一、概述一、概述 信号分析：信号分析：被测信号一般由多个频率分量组成，检测中被测信号一般由多个频率分量组成，检测中得到的信号除包含有效信息外，还含有噪声和不希望的得到的信号除包含有效信息外，还含有噪声和不希望的成分，会导致真实信号的畸变和失真。成分，会导致真实信号的畸变和失真。 滤波：滤波：让被测信号中的有效成分通过，而将其中不需要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或衰减掉。的成分抑制或衰减掉。 滤波器：滤波器：能实施滤波功能的装置。能实施滤波功能的装置。华南理工大学广州学院 滤波器分类滤波器分类（1）根据其选频作用，可分为四类：）根据其选频作用，可分

25、为四类： 低通滤波器；低通滤波器； 高通滤波器；高通滤波器； 带通滤波器；带通滤波器； 带阻滤波器。带阻滤波器。 图图4-22 4-22 四类滤波器的幅频特性四类滤波器的幅频特性（a a）低通）低通 （b b）高通）高通 （c c）带通）带通 （d d）带阻）带阻华南理工大学广州学院（2 2）根据其结构形式可分为两类：）根据其结构形式可分为两类：有源滤波器：使用运算放大器结构；有源滤波器：使用运算放大器结构；无源滤波器：由无源滤波器：由RLCRLC组合配置而成。组合配置而成。华南理工大学广州学院关于关于幅值比幅值比002010/)()sin()()sin()(XYAtYtytXtx幅值比输出输

26、入华南理工大学广州学院2-122-122-132-13华南理工大学广州学院二、滤波器性能分析二、滤波器性能分析1 1、理想滤波器、理想滤波器 特性理想化的滤波器。特性理想化的滤波器。理想低通滤波器：具有矩形幅频特性和线性相频特性。理想低通滤波器：具有矩形幅频特性和线性相频特性。 其他0ffeAfHctf2j00华南理工大学广州学院理想低通滤波器的幅、相频特性理想低通滤波器的幅、相频特性 华南理工大学广州学院2 2、实际滤波器的基本参数、实际滤波器的基本参数理想滤波器只需规定截止频率即可说明其特性，而实理想滤波器只需规定截止频率即可说明其特性，而实际滤波器的特性曲线际滤波器的特性曲线无明显转折点

27、无明显转折点，通带中，通带中幅频特性幅频特性也非常数也非常数，需更多参数描述其性能。，需更多参数描述其性能。 华南理工大学广州学院图图4-24 4-24 理想和实际的带通滤波器的幅频特性理想和实际的带通滤波器的幅频特性华南理工大学广州学院三、实际滤波电路三、实际滤波电路一阶一阶RCRC低通滤波器低通滤波器 低通滤波器的典型电路如图所示。低通滤波器的典型电路如图所示。 （见下页图）（见下页图） 华南理工大学广州学院 低通滤波器电路图：低通滤波器电路图：221( )11( )1 ()1( )1 (/)ooicduRCuudtRCHjHH fff令华南理工大学广州学院dBAA32lg10)(lg20

28、)(11)(12得代入1120:,.?ccffRCfRC即截止频率低通滤波器的带宽通过调节可方便地改变也改变了滤波器的.?1122/2ccfRCfff华南理工大学广州学院低通滤波器的频率响应特性为：低通滤波器的频率响应特性为： 率。可以方便地改变截止频所以调节点，因对应截止频率讨论：RCRCfdBfffffffHcccc,213)(tan)(11)(12华南理工大学广州学院RCRC高通滤波器高通滤波器 RCRC高通滤波器的典型电路如图所示。高通滤波器的典型电路如图所示。 RCRC高通滤波器及其幅频特性曲线高通滤波器及其幅频特性曲线 uiu0H华南理工大学广州学院RCRC高通滤波器高通滤波器 ()oioiRUd UUiCdt华南理工大学广州学院 其频率响应特性为其频率响应特性为)(tan90)(1)(12cccffffffffH3、带通滤波器、带通滤波器 低通滤波器和高通滤波器的组合。低通滤波器和高通滤波器的组合。华南理工大学广州学院二、滤波器性能分析二、滤波器性能分析1 1、理想滤波器、理想滤波器 特性理想化的滤波器。特性理想化的滤波器。理想低通滤波器：具有矩形幅频特性和线性相频特性。理想低通滤波器：具有矩形幅频特性和线性相频特性。 其他0ffeAfHctf2j00华南理工大学