(60)-第五章 信号调理与记录机械工程测试技术

传感器输出的电信号往往不能直接用于仪表显示、传输、数据处理和在线控制。因此，在采用这些信号前，必须根据要求，对信号的幅值、驱动能力、传输特性、抗干扰能力等进行调理。微弱放大混杂有干扰噪声去掉噪声，提高信噪比感兴趣频段的信号分离出所需的频率成分

信号调理中常见的环节：电桥、信号放大、隔离、滤波、以及信号调制与解调等。第五章信号调理与记录测试信号的显示与记录信号的放大滤波器电桥内容调制与解调第五章信号调理与记录本章学习要求：1.掌握直流电桥的工作原理

2.掌握调制与解调的方法、过程以及滤波器的特性和作用

3.了解信号的放大和显示记录环节电桥：将电阻、电容、电感等参量的变化变为电压或电流输出的一种测量电路。其输出可用指示仪表测量，也可送入放大器进行放大。R1R3R4R2ueuoI1I2abdc按输出方式：（1）不平衡桥式电路（2）平衡桥式电路图4-1直流电桥第一节电桥按激励电压：（1）直流电桥（2）交流电桥+-分类：一、直流电桥R1R3R4R2ueuoI1I2abdc图4-1直流电桥当电桥输出端后接较大输入电阻的仪表或放大器时，可视为开路，电流输出为零，此时桥路电流为输出电压为a，d之间电位差为a，b之间电位差为一、直流电桥R1R3R4R2ueuoI1I2abdc图4-1直流电桥输出电压为由此可知，若使电桥平衡，输出为零电桥平衡条件：一般取：一、直流电桥当

测量时，使输出电压与被测量引起的电阻变化量有关；全桥直流电桥的连接方式单臂

半桥全桥时，且单臂半桥全桥灵敏度：单臂：半桥：全桥：注意：1）尽量采用全桥接法，提高输出信号。2）对面桥臂阻值变形性质相同，相邻桥臂阻值

变形性质相反。图4-5零位平衡调节平衡电桥：零位测量法例:如图所示，悬臂梁受力F作用，要求出F，并且要考虑温度的影响。试画出应变片的粘贴位置与电桥的连接方式图。FFR1R2R1R1R3R2R4轴向粘贴位置如何考虑？u0ui解:力F使悬臂梁产生纯弯曲变形，温度使梁产生拉伸变形FR1R3R2R4u0uiFR1R2R1如果上述测试灵敏度不够,怎么办?改成全桥。R1R3R2R4eyexFR1,3R2,4R1R3灵敏度是半桥接法的2倍。二、交流电桥交流激励电压，四臂可为LRC平衡：式中为各个阻抗的模；为阻抗角，是各桥臂电流与电压之间的相位差。纯电阻时电流与电压相同，电感性阻抗时电流超前电压，电容性阻抗时电流滞后电压，交流电桥平衡必须满足两个条件：1、相对两桥臂阻抗之模的乘积应相等2、它们的阻抗角之和也必须相等。电容电桥要达到平衡，必须同时调节电阻和电容两个参数。根据平衡条件：令上式实部、虚部分别相等，则有下面两个平衡条件：有：电感电桥根据平衡条件有：实虚部分别相等注意：纯电阻交流电桥，除电阻平衡外，还须有电容平衡；（导线间分布电容的存在）第二节调制与解调调制：使一个信号的某些参数在另一个信号的控制下而发生变化的过程；载波：一般为较高频率的交变信号。调制信号：

已调制波：

调幅(AM)→调幅波调制调频(FM)→调频波

调相(PM)→调相波解调：从已调制波中恢复出调制信号调制与解调目的：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，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。一、调幅及其解调余弦函数的频域图形是一对脉冲谱线以频率为的余弦信号作为载波调幅——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而变化。所以调幅过程就相当于频谱“搬移过程”。调幅乘法器x(t)z(t)xm(t)调幅信号的频域分析若把调幅波再次与原载波信号相乘，则频域图形将再一次进行“搬移”。若用一个低通滤波器滤去中心频率为的高频成分，那么将可以复现原信号的频率（只是幅值减小一半，可以放大处理），这一过程叫做“同步解调”。调幅信号的解调—恢复原信号（1）同步解调“同步”是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。在时域中可以看到：调幅波载波调幅波与载波时域乘积，频域卷积同步解调幅度调制与解调过程（数学分析）乘法器放大器x(t)y(t)xm(t)乘法器滤波器z(t)x(t)幅度调制与解调过程（波形分析）乘法器放大器x(t)y(t)xm(t)乘法器滤波器y(t)x(t)幅度调制与解调过程（频谱分析）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)乘法器滤波器z(t)x(t)调幅条件：1、载波频率必须高于原信号中最高频率。2、为了减小放大电路失真，信号频宽相对中心频率（载波频率）越小越好。整流检波和相敏检波调幅解调二极管检波低通滤波调幅波的波形失真过调失真：对包络检波，要求其直流偏置必须足够大，否则x(t)的相位将发生180。整流检波和相敏检波（3）相敏检波相敏检波又称相敏整流。其特点是相敏检波的解调输出既能反映调制信号电压的幅值，又能反映调制信号电压的极性。1.x(t)为正，xm(t)与y(t)同相，如图0-a段所示。（1）y(t)为正，

xm(t)为正。链接（2）y(t)为负。

xm(t)为负。链接2.x(t)为负，xm(t)与y(t)异相，如图a-b段所示。（1）y(t)为负，

xm(t)为正。链接（2）y(t)为正，

xm(t)为负。链接相敏检波器设计时要求B的二次边的输出大于A的二次边输出。回路i1起点回路i2起点++电压:从负正,为(+)正;负载从上下为(+)正i1i20~a时间内[x(t)>0，xm(t)与y(t)同相]回路i1：回路i2：由上两图知，x(t)>0时，无论调制波是否为正，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。这种电路相当于在0~a段对xm(t)全波整流，解调后的频率比原调制波高一倍。由上两图知，x(t)<0时，不管调制波极性如何，相敏检波器的输出波形均为负，保持与x(t)一致。同时，电路在a~b段相当于对xm(t)全波整流后反相，解调后的频率为原调制波的两倍。调幅应用—动态电阻应变仪

电桥放大器相敏检波低通滤波显示记录载波振荡器x(t)x(t)0t0ty(t)电阻应变片0tx’m(t)0tx’(t)0txm(t)调频波的瞬时频率可表示为式中：——载波频率（中心频率）——频率偏移，与调制信号x(t)的幅值成比例调频是利用信号电压的幅值控制一个振荡器，振荡器输出的是等幅波，但其振荡频率偏移量和信号电压成正比。当信号电压为零时，调频波频率等于中心频率，信号电压为正值时频率提高，负值时则降低。所以调频波是随信号而变化的疏密不等的等幅波。a)锯齿波信号b)正弦信号二、调频及其解调（1）直接调频测量电路如前所述，在被测量小范围变化时，电容（或电感）的变化也有与之对应的，接近线性的变化。如果把电容（或电感）作为自激振荡器的谐振回路中的一个调谐参数，那么电路震荡频率为假如在电容传感器中以电容为调谐参数，对式4-25进行微分，可得在附近有，故因此，回路的震荡频率和调谐参数的变化呈线性关系（小范围内），这种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。频率调制方法（2）压控振荡器利用亚控振荡器是一个常用的调频方案。亚控振荡器的输出瞬时频率与输入的控制电压成线性关系。见图4-16，是一个正反馈放大器，其输出电压受稳压管钳制，或为或为，M是乘法器，是积分器。是正常值电压。3.调频信号的解调调频波的解频（鉴频）—是将频率变化恢复成调制信号电压幅值变化的过程。实现鉴频的方法很多，图4-17是一种测振仪常用的鉴频。滤波器：信号中特定的频率成分通过，而极大的衰减其它频率成分的装置。第三节滤波器作用：利用滤波器的筛选作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。一、滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）低通高通带通带阻1、理想滤波器若频率响应满足以下条件根据线性系统的不失真传输条件，理想测量系统的频率响应函数是：不失真条件：

理想滤波器是指能使通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。二、滤波器性能分析5)滤波器因数：幅频特性的-60dB带宽与-3dB带宽的比。2、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间应没有严格的界限,，存在一个过渡带。3)纹波幅度：波动幅度与幅频特性平均值A0相比应小于-3dB。1)截止频率fc:幅频特性值等于0.707A0所对应的频率。2)带宽B和品质因数Q:上下两截频间的频率范围称为带宽；中心频率和带宽之比称为品质因数。4)倍频程选择性:指在上截止频率fc2与2fc2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。三、实际滤波电路

在测试系统中，常用RC滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标准阻容元件。1)一阶RC低通滤波器2)一阶RC高通滤波器3)RC带通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联相频特性为幅频特性为则串联后传递函数为一阶低通滤波器传递函数为一阶高通滤波器传递函数为3)RC带通滤波器下截止频率为上截止频率为分别调节高、低通环节的时间常数和，可得到不同上、下截止频率的带宽的带通滤波器。但要注意串联耦合时的相互影响。实际上两级常用射极输出器或者运放进行隔离。所以实际的带通滤波器常常是有源的。调幅应用—动态电阻应变仪

电桥放大器相敏检波低通滤波显示记录载波振荡器x(t)x(t)0t0ty(t)电阻应变片0tx’m(t)0tx’(t)0txm(t)滤波器的串联为了加强滤波器效果，常将两个中心频率相同的滤波器串联，其总幅频特性将是两滤波器幅频特性的乘积，通带外频率成分将更大衰减。高阶滤波器就是由低阶滤波器串联而成。由于叠加性，两个中心频率相同的带通滤波器串联结果将使由频率偏移而造成的相角变化更为距离。恒带宽比和恒带宽滤波器方法：1）使带通滤波器的中心频率可调，由改变RC调谐参数而使中心频率跟随所需要测量的信号频段，其可调范围一般是有限的。2）使用一组各自中心频率固定，又按一定规律相隔的滤波器组。

实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实际滤波器中心频率与带宽之问的数值关系，可以分为两种。2)恒带宽比带通滤波器

1)恒带宽带通滤波器恒带宽比和恒带宽滤波器倍频程谱分析装置倍频程滤波器1、品质因数由可知，。（一）恒带宽比滤波器具有同样品质因数Q的调谐滤波器做成邻接式滤波器组，则该滤波器组式一些恒带宽比的滤波器所构成。若n=称为倍频程滤波器。3、中心频率与关系2、高低截止频率关系4、Q与倍频程关系5、相邻频段中心频率关系：若n=1则Q=1.41n=Q=4.30

n=Q=7.20得到由例如n=1的倍频程滤波器计算参数如下：当n=倍频程滤波器计算参数如下中心频率(Hz)12.516202531.5405063带宽(Hz)2.93.64.65.77.29.111.514.5中心频率（Hz）1631.563125250带宽（Hz）11.0522.0944.1988.36176.75倍频程谱分析装置倍频程滤波器(二)恒带宽滤波器1)恒带宽比带通滤波器2)恒带宽带通滤波器5、实例1、图4-26b是用倍频程滤波器（倍频程选择性接近25dB，=0.23）分档测量结果2、图4-26c式用倍频程滤波器（倍频程选择性接近45dB，=0.06）分档测量结果。3、图4-26d是用恒带宽比跟踪滤波器（-3dB带宽3Hz，-60dB带宽12Hz，）测量结果。从图中看出倍频程滤波器分析效果最差，带宽太大，无法分辨。尽管信号不在同频带中仍有信号。倍频程滤波器稍好一些。用恒带宽跟踪滤波器足以消除上述两方面的不确定性，达到良好分析效果。第四节信号的放大放大电路性能：1、足够的放大倍数

2、高输入阻抗，低输出阻抗。

3、高共模一直能力。

4、低温漂，低噪声，低失调电压和电流一、基本放大电路差模信号：在差动放大电路中，当在这两个段子上分别输入大小相等，相位相反的信号（这是有用的信号）放大器能产生很大的放大倍数，我们把这种信号叫做差模信号，这时的放大倍数叫做差模放大倍数。共模信号：如果在两个输入端分别输入大小相等，相位相同的信号（这实际上是上一级由于温度变化而产生的信号，是一种有害的东西），我们把这种信号叫做共模信号，这时的放大倍数叫做共模放大倍数。由于差动放大电路的构成特点，电路对共模信号有很强的负反馈，所以共模放大倍数很小，一般都小于1。共模抑制比：为了说明差动放大电路抑制共模信号的能力，常用共模抑制比作为一项技术指标来衡量，其定义为放大器对差模信号的电压放大倍数Aud与对共模信号的电压放大倍数Auc之比，称为共模抑制比，英文全称是CommonModeRejectionRatio，因此一般用简写CMRR来表示。差模信号电压放大倍数Aud越大，共模信号电压放大倍数Auc越小，则CMRR越大。此时差分放大电路抑制共模信号的能力越强，放大器的性能越好。当差动放大电路完全对称时，共模信号电压放大倍数Auc=0，则共模抑制比CMRR趋向于无穷大，这是理想情况，实际上电路完全对称式不存在的，共