第4章信号的调理与记录

第四章测试信号的调理与记录

第1节电桥第2节调制与解调第3节滤波器第4节信号的放大第5节信号的指示和记录装置29七月2023第四章测试信号的调理与记录

重点内容及要求1、掌握电桥电路的输出特性2、了解调制与解调的特点、应用3、掌握实际滤波器的特性参数4、了解记录仪器的功用、性能29七月2023第4章第1节电桥一、概述当参量型传感器把被测量转换为电路参数R、L、C的变化后，电桥可以把这些参数的变化转变为电桥输出电压的变化。

电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压或电流输出的一种测量电路。

1、根据供桥电压的性质，电桥可分为直流电桥和交流电桥。2、根据输出方式，电桥可分为平衡桥式电桥和不平衡桥式电桥。29七月2023第4章第1节电桥二、直流电桥直流电桥的供桥电源是直流电压，只能适用于电阻R变化的转换。

1、工作原理

由上式可知直流电桥的平衡条件为：R1R3=R2R4。根据电桥的工作原理，当固定供桥电压不变时，电桥的输出电压就与四个桥臂电阻的变化量有关。29七月2023第4章第1节电桥二、直流电桥

2、接桥方式——由电阻值参与变化的桥臂数决定（1）单臂方式

——一个桥臂的电阻值参与变化由上式可知电桥输出电压与应变片上的应变成线性关系。29七月2023第4章第1节电桥二、直流电桥

2、接桥方式——由电阻值参与变化的桥臂数决定（2）半桥方式——两个桥臂的电阻值参与变化

a.邻臂方式——邻臂极性相反29七月2023第4章第1节电桥二、直流电桥

2、接桥方式——由电阻值参与变化的桥臂数决定（2）半桥方式——两个桥臂的电阻值参与变化

b.对臂方式——对臂极性相同29七月2023第4章第1节电桥二、直流电桥

2、接桥方式——由电阻值参与变化的桥臂数决定（3）全桥方式——四个桥臂的电阻值参与变化29七月2023第4章第1节电桥二、直流电桥

29七月2023小结：1、直流电桥的优点：采用稳定性高的直流电源作激励电源时，电桥的输出是直流量，可用直流仪表测量，精度高。2、直流电桥的缺点：当电源电压不稳定，或环境温度变化时，会引起电桥输出的变化，从而产生测量误差。即易引入人工频干扰，易受零漂和接地电位的影响。结论：直流电桥适合于静态量的测量。平衡电桥设被测量等于零时，电桥处于平衡状态，此时指示仪表G及可调电位器H指零。当某一桥臂随被测量变化时，电桥失去平衡，调节电位器H，改变电阻R5触电位置，可使电桥重新平衡，电表G指针回零。电位器H上的标度与桥臂电阻值的变化成比例，故H的指示值可以直接表达被测量的数值。第4章第1节电桥二、直流电桥

第4章第1节电桥三、交流电桥交流电桥的供桥电源是交流电压，可以适用于电阻R、电感L和电容C变化的转换。

1、平衡条件设交流电桥四个桥臂的阻抗为Z1、Z2、Z3、Z4，与直流电桥类似，其平衡条件是：Z1Z3=Z2Z4。

由上式可知交流电桥平衡必须满足两个条件：（1）相对两臂阻抗之模的乘积应相等；（2）相对两臂阻抗角的和也必须相等。注：阻抗角是各桥臂电流与电压之间的相位差。纯电阻时电流与电压同相位，φ=0；电感性阻抗，φ>0；电容性阻抗，φ<0。29七月2023第4章第1节电桥三、交流电桥

1、平衡条件设由电阻和电容组成的交流电桥如下所示：29七月2023第4章第1节电桥三、交流电桥

2、纯电阻交流电桥纯电阻交流电桥的四个桥臂均为电阻。

在纯电阻交流电桥中，由于导线间存在分布电容，就相当于在各个桥臂上并联了一个电容，所以纯电阻交流电桥在平衡时，除了电阻平衡外，还须有电容平衡。29七月2023

电容传感器电感传感器电阻传感器第4章第1节电桥第4章第2节调制与解调一、概述

29七月2023在测控系统中为什么要采用信号调制？

在测控系统中，进入测控电路的除了传感器输出的测量信号外，还往往有各种噪声。而传感器的输出信号一般又很微弱，将测量信号从含有噪声的信号中分离出来是测控电路的一项重要任务。为了便于区别信号与噪声，往往给测量信号赋予一定特征，这就是调制的主要功用。

目的：解决微弱缓变信号的传输问题

第4章第2节调制与解调一、概述

1、定义

调制：利用调制（控制）信号（低频信号）使载波（高频振荡信号）的某个参数（幅值、频率或相位）发生变化的过程称为调制。载波一般是高频稳定的交变信号。经过调制的信号称为已调制波。

解调：从已调制波中恢复出调制（控制）信号的过程称为解调。

2、调制方式根据载波受调制的参数不同，调制可分为：

调幅（AM）：载波幅值随调制信号变化。

调频（FM）：载波频率随调制信号变化。

调相（PM）：载波相位随调制信号变化。29七月2023第4章第2节调制与解调二、调幅及其解调

1、原理调幅是在时域将一个高频简谐信号（载波）与测试信号（调制信号）相乘，使载波信号的幅值随测试信号的变化而变化。而在频域，则是将信号的频谱搬移到载波的频率处，相当于频谱的“搬移”过程。数学表达式如下所示：时域：频域：

29七月2023若以高频余弦信号作载波，把信号x(t)和载波信号相乘，其结果就相当于把原信号的频谱图形由原点平移至载波频率处，且幅值减半。则：第4章第2节调制与解调二、调幅及其解调

1、原理

问题：载波频率小于调制信号最高频率会出现什么情况？

重叠失真：当载波频率较低时，信号在中间部分的频带会相互重叠，这类似于采样频率较低时所发生的频率混叠效应。因此，调幅时要求载波频率必须大于调制信号中的最高频率。实际应用中，往往选择载波频率至少数倍甚至数十倍于信号中的最高频率。29七月2023第4章第2节调制与解调二、调幅及其解调

2、解调方法（1）同步解调若把调幅波再次与载波信号相乘，则将再次“搬移”，即:

时域：频域：

若用一个低通滤波器滤除中心频率中的高频成分，那末将可以复现原信号的频谱（只是其幅值减少了一半，这可用放大处理来补偿），这一过程称为同步解调。“同步”指解调时所乘的信号与调制时的载波信号具有相同的频率和相位。

29七月2023第4章第2节调制与解调二、调幅及其解调

2、解调方法（1）同步解调——图形表示29七月2023第4章第2节调制与解调二、调幅及其解调

2、解调方法（2）包络检波将调制信号进行偏置，叠加一个直流分量，使偏置后的信号都具有正电压，然后对其调幅，其调幅波的包络线具有原信号形状，这时可采用整流、滤波（或称整流检波）的方法，就可以恢复原信号，这种解调方法称为包络检波。29七月2023第4章第2节调制与解调二、调幅及其解调

2、解调方法（3）相敏检波相敏检波的原理与同步解调相似，也是将调制信号直接与载波信号相乘。这种调幅波具有极性变化，即在信号过零线时，其幅值发生由正到负（或由负到正）的突然变化，此时调幅波的相位（相对于载波）也相应地发生180°的相位变化。在解调电路中利用二极管的单向导通性，即可恢复出原信号的幅值和极性，此种解调方法称为相敏检波。相对于整流检波而言，采用相敏检波时，对原信号可不必再加偏置电压。29七月2023第4章第2节调制与解调二、调幅及其解调

2、解调方法（3）相敏检波——原理图29七月2023工作原理：调幅波与载波y(t)同相（原信号x(t)为正）载波电压为正或载波电压为负输出电压均为正调幅波与载波y(t)异相（原信号x(t)为负）载波电压为正或载波电压为负输出电压均为负第4章第2节调制与解调三、调频及其解调

1、原理调频是利用信号的幅值控制一个振荡器，振荡器输出的是等幅波，但其频率偏移量与信号幅值成正比，或者说，调频波是一种随信号幅值而变化的疏密度（频率）不同的等幅波。29七月2023第4章第2节调制与解调三、调频及其解调

1、原理——常用的调频方法（1）直接调频电路

29七月2023

把被测量的变化直接转换为振荡频率的变化称为直接调频式测量电路，其输出是等幅波。

以电容或电感原理工作的传感器，在被测量小范围变化时，电容或电感也随之有近似的线性变化关系，那么可由电容、电感做成振荡器，把其中一个参数与被测量联系，比如以电容做调谐参数：第4章第2节调制与解调三、调频及其解调

1、原理——常用的调频方法（1）直接调频电路对一个自激振荡电路，其谐振频率与调谐参数（电容或电感）有关，即：

由上式可知，这种电路可将被测量的变化直接转化为振荡频率的变化，因此称为直接调频电路，其输出也是等幅波。29七月2023第4章第2节调制与解调三、调频及其解调

1、原理——常用的调频方法（2）压控振荡器用调制信号的幅值来控制其振荡频率，利用其振荡频率与控制电压成线性变化的特性，改变压控振荡器的输出频率，从而达到频率调制的目的。压控振荡电路有多种形式，现在已有集成化的压控振荡器芯片出售，振荡器的中心频率和频率范围由生产厂家预置，频率范围与控制电压相对应。29七月2023第4章第2节调制与解调三、调频及其解调

2、解调方法对调频波进行解调又称为鉴频，就是将信号的频率变化再变换为电压幅值的变化。鉴频的方法也有许多，常用的是变压器耦合的谐振回路法，其主要包括两大部分：（1）频率——电压线性变换部分（2）幅值检波部分

29七月2023优点：抗干扰能力强。

调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的20倍；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率调制是一种非线性调制。

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，而干扰波的干扰作用则主要表现在振幅之中．

缺点：占频带宽度大，复杂第4章

第2节调制与解调三、调频及其解调

29七月2023第4章第2节调制与解调四、调频及其解调应用调幅和调频应用非常广泛：

1、收音机用调幅波和调频波来远距离传送节目信号；

2、应用于工程遥测技术，实现被测量的远距离测量，以各种现代通信方式进行信号的发送和接收。

29七月2023第4章第3节滤波器

滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。

广义地讲，任何一种信息传输的通道（媒质）都可视为是一种滤波器。因为，任何装置的响应特性都是激励频率的函数，都可用频域函数描述其传输特性。因此，构成测试系统的任何一个环节，诸如机械系统、电气网络、仪器仪表甚至连接导线等等，都将在一定频率范围内，按其频域特性，对所通过的信号进行变换与处理。

29七月2023第4章第3节滤波器一、滤波器的分类根据滤波器的选频作用，可将滤波器分为以下四类：（1）低通滤波器

从0－f2频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大地衰减。（2）高通滤波器

与低通滤波相反，从频率f1－∞，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的频率成分将受到极大地衰减。29七月2023第4章第3节滤波器一、滤波器的分类（3）带通滤波器

它的通频带在f1－f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成分受到衰减。（4）带阻滤波器

与带通滤波相反，阻频带在频率f1－f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。

29七月2023第4章第3节滤波器一、滤波器的分类

低通滤波器和高通滤波器是滤波器两种最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。例如：低通滤波器与高通滤波器的串联为带通滤波器，低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器。

带通滤波器低通与高通滤波器的串联带阻滤波器低通与高通滤波器的并联

29七月2023

①RC谐振滤波器按构成元件类型分②LC谐振滤波器③晶体谐振滤波器按构成电路性质分①有源滤波器②无源滤波器按所处理的信号信号分①模拟滤波器②数字滤波器第4章第3节滤波器一、滤波器的分类

第4章第3节滤波器二、理想滤波器

理想滤波器是指能使通频带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器，其通带和阻带之间有明显的分界线。也就是说，理想滤波器在通带内的幅频特性应为常数，相频特性的斜率为常值；在通带外的幅频特性应为零。

理想低通滤波器的频率响应函数及图形为：

29七月2023第4章第3节滤波器二、理想滤波器

分析上式所表示的频率特性可知，该滤波器在时域内的脉冲响应函数h(t)为sinc函数，图形如下图所示。脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸，从图中可以看出，在单位脉冲输入滤波器之前，即在t＜0时，滤波器就已经有响应了。显然，这是一种非因果关系，在物理上是不能实现的。由此知在截止频率处呈现直角锐变的幅频特性，或者说在频域内用矩形窗函数描述的理想滤波器是不可能存在的。实际滤波器的频域图形不会在某个频率上完全截止，而会逐渐衰减并延伸到∞。29七月2023第4章第3节滤波器三、实际滤波器

理想滤波器是不存在的，在实际滤波器的幅频特性图中，通带和阻带之间应没有严格的界限。在通带和阻带之间存在一个过渡带。在过渡带内的频率成分不会被完全抑制，只会受到不同程度的衰减。所以，当一个信号经过实际滤波器时，其带宽B与响应建立时间T之间存在一个反比关系，即：

B·T=常数带宽标志着滤波器的分辨力，带宽越窄，分辨力越高，但由上式可知滤波器达到稳态输出的时间会加长，反之，若想获得较快的输出，就要选择带宽较大的滤波器，但由此会导致滤波的精度下降。实际使用时，要综合考虑这两个因素。

29七月2023第4章第3节滤波器三、实际滤波器1、实际滤波器实际滤波器描述的主要参数有纹波幅度、截止频率、品质因数等。下图是一个典型的实际带通滤波器：

品质因数Q：对于带通滤波器，通常把中心频率f0和带宽B之比称为滤波器的品质因数，其值越大，则相对带宽越小，表明滤波器频率分辨力越高（选择性越好）。

29七月2023截止频率：是频率特性值等于时所对应的频率点。纹波幅度：通带中幅频特性值的起伏变化值。

倍频程选择性：从阻带到通带或从通带到阻带，实际滤波器有一个过渡带，过渡带的曲线倾斜度代表着幅频特性衰减的快慢程度。第4章第3节滤波器三、实际滤波器2、RC调谐式滤波器在测试系统中，信号频率相对来说不高，因此常用RC滤波器。RC滤波器电路简单，抗干扰性强，有较好的低频性能，并且选用标准的阻容元件易得，所以在工程测试的领域中经常用到。

(1)一阶RC低通滤波器

RC低通滤波器的电路及其幅频、相频特性如下图所示：29七月2023第4章第3节滤波器三、实际滤波器2、RC调谐式滤波器

(2)一阶RC高通滤波器

RC高通滤波器的电路及其幅频、相频特性如下图所示：29七月2023第4章第3节滤波器三、实际滤波器2、RC调谐式滤波器

(3)RC带通滤波器

RC带通滤波器的电路及其幅频、相频特性如下图所示：29七月2023第4章第3节滤波器四、常用滤波器

频谱分析：将信号通过中心频率不同的多个带通滤波器，则各个滤波器的输出就反映了信号中在该通带频率范围内的量值，此过程称为信号的频谱分析，由此分析，也可摘取信号中某些特殊的频率成分。频谱分析时带通滤波器的使用方法：（1）采用中心频率可调的带通滤波器。（2）采用一组各自中心频率固定、但又按一定规律相隔的滤波器组。29七月2023第4章第3节滤波器四、常用滤波器

用于频谱分析装置中的滤波器组，根据带通滤波器中心频率与带宽之间的数值关系，可分为两种：

1、恒带宽比滤波器

中心频率与带宽的比值（品质因数）是不变的，称为恒带宽比带通滤波器，优点是用较少的带通滤波器个数就可以覆盖较大的频率范围，缺点是中心频率越高，带宽也越宽，高频滤波性能下降。

29七月2023第4章第3节滤波器四、常用滤波器1、恒带宽比滤波器

恒带宽比带通滤波器为使各个带通滤波器组合起来后能覆盖整个要分析的信号频率范围，其带通滤波器组的中心频率是倍频程关系，同时带宽是邻接式的，通常的做法是使前一个滤波器的上截止频率与后一个滤波器的下截止频率相一致，如下图所示。这样的一组滤波器将覆盖整个频率范围，称之为“邻接式”的。29七月2023第4章第3节滤波器四、常用滤波器2、恒带宽滤波器

带宽B不随中心频率而变化，称为恒带宽带通滤波器，其优点是不论带通滤波器的中心频率处在任何频段上，带宽都相同，即分辨率不随频率变化，缺点是在覆盖频率范围相同的情况下，要比恒带宽比滤波器使用较多的带通滤波器。

29七月2023第4章第4节信号的放大一、测量放大电路的定义在测量控制系统中，用来放大传感器输出的微弱电压、电流或电荷信号的放大电路称为测量放大电路，亦称仪用放大电路。二、放大电路的基本要求1、足够的放大倍数2、高输入阻抗，低输出阻抗3、高共模抑制能力，即输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配4、低温漂、低噪声、低失调电压和电流29七月2023第4章第4节信号的放大三、基本放大电路的类型

1、反相放大器2、同相放大器3、差分放大器uoR3uiR1R2∞-++N1Kf=uo/ui=–R2/R1特点：输入阻抗低，容易对传感器形成负载效应uoR3uiR1R2∞-++N1Kf=uo/ui=1+R2/R1Zi→∞特点：输入阻抗高，容易引入共模干扰R3uoR4ui2R1∞-++N1R2ui1Kf=uo/ui=1+R2/R1Zi→∞特点：不能提供足够的输入阻抗和共模抑制比第4章第5节测试信号的显示与记录一、显示记录装置检测人员和检测系统联系的主要环节二、主要作用

了解被测量的大小或变化的过程，具体作用如下：1、测试人员通过显示仪器观察各路信号的大小或实时波形；2及时掌握测试系统的动态信息，必要时对测试系统的参数做相应调整3、记录信号的重现4、对信号进行后续的分析和处理三、显示装置的分类模拟显示数字显示图像显示29七月2023第4章第5节测试信号的显示与记录一、显示记录装置检测人员和检测系统联系的主要环节二、主要作用

了解被测量的大小或变化的过程，具体作用如下：1、测试人员通过显示仪器观察各路信号的大小或实时波形；2、及时掌握测试系统的动态信息，必要时对测试系统的参数做相应调整3、记录信号的重现4、对信号进行后续的分析和处理三、显示装置的分类模拟显示数字显示图像显示29七月2023第4章第5节测试信号的显示与记录四、显示记录装置模拟式显示是利用指针对标尺的相对位置表示被测量的大小。其特点是读数方便、直观，结构简单、价格低廉，在检测系统中一直被大量应用；数字式显示则直接以十进制数字形式来显示读数，实际上是专用的数字电压表，它可以附加打印机，打印记录测量数值；图像显示，将输出信号送至记录仪，从而描绘出被测量随时间变化的曲线，作为检测结果，供分析使用。29七月2023第4章第4节信号的放大五、信号的记录

动圈式磁电指示机构光线示波器伺服式记录仪采用阴极射线管的信号显示和记录装置数字式波形存储记录仪磁记录器磁带记录器磁盘记录器数据采集仪器－计算机内插A/D卡29七月2023记录在纸质、磁带等介质上，缺点：频率响应差、分辨率低、记录长度有限第4章习题一、填空题1、直流电桥适用于

参数变化的测量；交流电桥适用于

参数变化的测量。2、纯电阻交流电桥除了

平衡，还要有

平衡。3、调制方式因载波参数不同可分为

、

和

。4、调幅波的解调方法有

、

和

。5、调频电路常用的有

和

。6、调频波的解调包括

和

两大部分。7、滤波器由选频作用分为

、

、

和

四种。8、常用的滤波器有

和

。29七月20231、设有一电桥，R1是工作桥臂，R2，R3，R4是固定电阻，且R1=R2=R3=R4

。工作时，若电桥的电源电压为e0，则电桥输出电压（）。（1）（2）（3）（4）

2、调幅相当于在时域中将调制信号与载波信号（）。

（1）相乘（2）相除（3）相加（4）相减

3、电路中鉴频器的作用是

。（1）