信号调理处置和记录

概述被测量经过传感器转换成电信号，通常要进行某些调理和处理，其目的是提高信噪比，并把信号转换成易于处理、接收和显示的形式，这些处理过程也称为信号的中间转换。下一节下一页上一页目录机电工程学院：刘正平§4-1电桥电桥是一种将电阻、电感、电容等参量的变化转变为电压或电流输出的一种测量电路。其输出既可用指示仪表直接测量，也可以送入放大器进行放大。图示为一纯电阻电桥。当输出端接入电阻较大的仪表或放大器时，可视为开路，电流输出为0，只有电压Uy输出。一、直流电桥下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-1电桥电桥平衡时，输出Uy=0，得电桥平衡条件：当各桥臂电阻有一微小变化（如应变片电阻的变化）时，电桥失去平衡，Uy≠0。考虑到各桥臂电阻变化均很小，可忽略其高次项，并考虑到R1R3=R2R4，可得：下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-1电桥实际应用中，常用全等臂电桥，即R1=R2=R3=R4=R0，此时，注意：这里的

R1、

R2、

R3、

R4均为代数量。从上式可知，当|

R1|=|

R2|=|

R3|=|

R4|时，要使电桥输出不为0，则要求相邻桥臂阻值变化极性应相反，相对桥臂阻值变化极性应相同，这就是电桥的和差特性。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-1电桥测量时，有三种常用的连接形式，开始时，各桥臂电阻值相等，均为R0，当电阻值有变化时，各连接的输出分别为：（1）半桥单臂：下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-1电桥（2）半桥双臂：（|

R1|=|

R2|=|

R

|）下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-1电桥（3）全桥：（|

R1|=|

R2|=|

R3|=|

R4|=|

R

|）下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-1电桥测试中还用到一种平衡电桥：下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-1电桥二、交流电桥交流电桥采用交流电源，电桥四个桥臂可以是电感、电容或电阻，还可以是它们的混合——阻抗。阻抗一般用复数表示。平衡条件：Z1Z3=Z2Z4或：即：此即为交流电桥平衡条件。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-1电桥式中，Z01、Z02、Z03、Z04为各阻抗的模，

1、2、3、4为各桥臂电压与电流间的相位差，称为阻抗角。纯电阻=0；电感性阻抗>0；电容性阻抗<0。为满足上述条件，交流电桥各桥臂可有不同的组合。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-1电桥如图一种常用的电容电桥，其平衡条件为：R1R3=R2R4R2/R3=C4/C1。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-1电桥图4-5是一种常用的电感电桥，其平衡条件为：R1R3=R2R4和L1R3=L4R2。实际应用中，交流电桥多用于电阻传感器，较少用于电感传感器，几乎不用于电容传感器（它们一般用调频电路）。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-1电桥对于纯电阻交流电桥，由于导线分布电容的影响，相当于每个桥臂并联了一个电容(图4-6)，因此，需要调电阻平衡和电容平衡。图4-7是用于动态应变仪的一种具有电阻与电容预调平衡的纯电阻交流电桥。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-1电桥交流电桥的供桥电源一般是采用5~10KHz的音频交流电，其输出是一种调制波，这样，外界干扰不容易从线路引入（干扰频率较低），并且，后接的交流放大电路简单而无零漂。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-1电桥三、带感应耦合臂的电桥它是将感应耦合的一对绕组作为桥臂而组成的电桥，也称为变压器电桥。用差动电容传感器的电容代替Z3和Z4时，可用于电容传感器。而用差动电感传感器代替感应耦合臂时，又可测电感传感器的输出。这种电桥具有较高的精度和灵敏度，性能稳定，频率范围广，应用越来越广。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-1电桥下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-2调制与解调对缓变的微小电信号，除了用直流放大外，目前较常用的方法是先调制而后用交流放大。调制是使一个信号的某些参数在另一信号的控制下而发生变化的过程，前一信号称为载波，其频率较高，后一信号称为调制信号，它控制载波某一参数的变化，调制信号一般为缓变信号。两者综合作用的结果（输出）称为已调波。从已调波中恢复出调制信号的过程称为解调。根据载波受调制参数的不同，可分为调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）三种。主要讨论前两种。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-2调制与解调下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-2调制与解调一、调幅及其解调1、调幅原理将高频简谐信号（载波）与测试信号（调制信号）相乘，其结果即为调幅波。如交流电桥（全桥）的输出：下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-2调制与解调则有：由傅里叶变换的性质，时域中两信号相乘，对应于两信号在频域中进行卷积，即：余弦函数的频域图形是一对脉冲谱线下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-2调制与解调从图形上看，调幅过程就相当于频谱“搬移”过程。但其幅值减半。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-2调制与解调若把调幅波再次与原载波信号相乘，则频域图形将再一次“搬移”，其结果如图所示。用低通滤波器滤去中心频率为2f0的高频成份，就可复原调制信号(但其幅值已减半，可用放大处理补偿)，这一过程称为同步解调。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-2调制与解调调幅的目的是使缓变信号转变为频率较高的信号，以便用交流放大和传输。解调的目的是为了恢复原信号。由图可知，若载波的频率太低，就有可能使原信号的频谱在“搬移”后出现重叠，以至解调时不能准确地恢复原信号。因此，载波频率应大于信号频宽fm的2倍。实际应用中，载波频率至少数倍至数十倍于调制信号。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-2调制与解调2、整流检波与相敏检波前面提及的用调幅波与载波相乘进行解调的方法原理上很简单，但必须使用性能良好的线性乘法器，实际应用较少。除此之外，调幅波的解调还有两种方法：整流检波相敏检波下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-2调制与解调（1）整流检波对图a所示的情况，只要对调幅波进行简单的半波整流或全波整流后，滤除高频分量，就能恢复原信号。其条件是调制信号必须有足够大的直流分量（可迭加进去），确保调制信号没有负电压及可。若直流分量不够大，则调幅波图形如图b所示，就无法用整流检波方法获取原调制信号。这时可用相敏检波方法。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-2调制与解调(2)相敏检波

a)y(t)与xm(t)同相且均位于正半周时(均黑)，D2(左)、D1(右)导通，过Rf的电流I由下向上(正)。b)y(t)与xm(t)同相且均位于负半周时(均红)，D4(右)、D3(左)导通，过Rf的电流I也由下向上(正)。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-2调制与解调c)y(t)为正半周(B黑)，xm(t)为负半周(A红)时，D1(右)、D2(左)导通，过Rf的电流I由上向下(负)。d)y(t)为负半周(B红)，xm(t)为正半周(A黑)时，D3(左)、D4(右)导通，过Rf的电流I也由上向下(负)。（注意：调幅波中a点有相位突变，另外，UB>UA。）下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-2调制与解调调频（频率调制）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0时，调频波的频率等于中心频率（载波频率），信号电压为正时，频率提高，负值时频率降低。所以，调频波是随信号幅值而变化的疏密不等的等幅波。二、调频及其解调下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-2调制与解调调频波的瞬时频率可表示为：f=f0±Δf式中：f0—载波频率，或称为中心频率Δf—频率偏移，与调制信号x(t)的幅值成正比。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-2调制与解调1、直接调频电路图示为一种并联谐振电路，电路谐振频率为：若电路中C为电容传感器的输出，则f将随C的变化而变化。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-2调制与解调由此可知，回路的振荡频率将和调谐参数C（或L）的变化呈线性关系，也就是说，在小范围内，它和被测量的变化有线性关系。在f0附近有C=C0，故下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-2调制与解调2、压控振荡器压控振荡器是另一种调频电路。目前已有各种各样的集成化的压控振荡器芯片出售。它的输出是一种疏密相间的等幅方波，其频率与控制信号电压ux成正比。3、鉴频器调频波的解调电路又叫鉴频器或频率检波器，它的作用是将调频波频率的变化变换成电压幅值的变化。实现鉴频的方法很多，图4-17是一种采用变压器耦合的谐振回路鉴频方案，也是测试仪器中常用的鉴频方法。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-2调制与解调这种鉴频方法要经过两个步骤：（1）将等幅的调频波变成幅值随频率变化的调频—调幅波；(2)用幅值检波器得到原调制信号。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-3滤波器滤波器是一种选频装置，它能起到过滤信号中某些频率成份分量的作用。一、滤波器的分类1、按选频作用分：低通、高通、带通、带阻滤波器。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-3滤波器2、按构成元件分：RC、LC和晶体谐振滤波器。3、按电路性质分：有源（带运算放大器）、无源滤波器。4、按被处理信号性质分：模拟、数字滤波器。5、按工作原理分：机械滤波器（如衬垫）、电路网络滤波器。本节主要介绍电路网络滤波器的一些基本知识。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-3滤波器二、理想滤波器前面曾介绍过线性系统不失真测试的条件，即系统的频响函数应为：滤波器也是一个线性系统，对理想低通滤波器，只允许输出|f|<f0的分量，即：符合这种假设的滤波器称为理想滤波器。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-3滤波器根据傅里叶变换的对称性，当无相角滞后，即t0=0时，得“理想”滤波器的脉冲响应函数的图形（如图），是sinc函数。由图可知，t可正可负，且图形延伸到|t|→∞。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-3滤波器h(t)为滤波器在δ(t)作用下的输出，在δ(t)作用之前（t<0），滤波器是不可能预知其输出的，实际输出图形中不可能有t<0的部分。因此，理想滤波器是不可能存在的。讨论理想滤波器的目的是为了进一步了解滤波器的传输特性。原则上讲，实际滤波器的频域图形将延伸到|f|→∞。但能对通带以外的频率成分作极大的衰减。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-3滤波器滤波器的输出y(t)是输入x(t)与滤波器脉冲响应函数h(t)的卷积。若滤波器的输入为一单位阶跃信号：则：有相角滞后无相角滞后下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-3滤波器有相角滞后无相角滞后由图可知，若不考虑前后皱波，输出从0值（a点）到应有的稳定值A0（b点）需要一定的时间tb-ta。时移t0只影响输出曲线y(t)的右移，不影响tb-ta的值。通过计算可知：fc越大（通频带越宽），tb-ta越小，h(t)的图形越陡峭。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-3滤波器如果按理论响应值的0.1~0.9（0.1A0~0.9A0一段）作为计算建立时间的标准，则：通带越宽，阻衰的高频分量越少，使信号能量更多更快地通过，建立时间就越短，反之则长。即低通滤波器对阶跃响应的建立时间Te=tb-ta和带宽B成反比，有：Bte=常数。这一结论对高通、带通和带阻滤波器也适应。滤波器的带宽表示它对频率的分辨力，通带越窄，分辨力越高，但测量时的响应速度就越慢。因此，我们在做高分辨力的频谱分析时，需要有足够的时间，否则就可能出现谬误和假象。当滤波器的带宽B已知时，测量时间Te可取：Bte=5~10。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-3滤波器三、实际RC调谐式滤波器1、实际滤波器的基本参数图示为理想带通与实际带通滤波器的幅频特性。对理想滤波器，当fc1<=f<=fc2时，A(f)=A0，其他A(f)=0。而对实际滤波器，A(f)曲线没有明显的转折点，且在通带内，A(f)并非常数，因此，需要更多的参数来描述实际滤波器的性能。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-3滤波器（1）纹波幅度d：越小越好，（2）截止频率：时所对应的频率fc1和fc2。信号幅值的平方表示信号的功率，所以截止频率正好对应于半功率点。用分贝数表示时，对应于-3dB点，即截止频率点的幅值相对于A0衰减-3dB。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-3滤波器（3）带宽B和品质因数Q：上、下截止频率之间的频率范围称为滤波器的带宽，也称-3dB带宽。B=fc2-fc1。带宽越小，滤波器的频率分辨力越高。通带中心频率与带宽B之比称为滤波器的品质因数Q。（4）倍频程选择性：它反映滤波器对通带以外频率成分衰阻的能力。是指fc1/2点和2fc2点的幅值相对于fc1点和fc2点的幅值的衰减量，用dB表示。dB数越大，滤波器选择性越好。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-3滤波器（5）滤波器因数（或矩形系数）λ反映对通带以外频率成分衰阻的快慢。理想滤波器λ=1，通常使用的滤波器1<λ<5。有些滤波器，阻带衰减量达不到-60dB，则上式中B-60dB用B-40dB或B-30dB代替。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-3滤波器2、RC调谐式滤波器的基本特性这种滤波器具有较好的低频性能，在测试系统中较常用。（1）一阶RC低通滤波器输入ux，输出uy，均为电压信号。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-3滤波器令τ=RC，称时间常数。则：当时，，且关系为近似于过原点的直线。可保证不失真测试。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-3滤波器此式表明，RC值决定着上截止频率。当时，输出uy与输入ux的积分成正比，是一个积分器。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-3滤波器（2）RC高通滤波器（τ=RC）滤波器的–3dB截止频率为：下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-3滤波器（3）RC带通滤波器将RC低通滤波器和RC高通滤波器串联，可做成带通滤波器。下截止频率为原高通滤波器的下截止频率：上截止频率为原低通滤波器的上截止频率：要注意的是高、低通两级串联时，相互有影响。为消除两级耦合时的相互影响，两级间常用射极输出器或运算放大器进行隔离。所以，实际的带通滤波器常常是有源的。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-3滤波器4、滤波器的串接下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-3滤波器四、恒带宽比滤波器和恒带宽滤波器对信号作频谱分析时，要知道各频率成份（一般是频率范围）幅值的大小。为此，可将信号通过放大倍数相同而中心频率不同的多个带通滤波器，得到各通带内信号的幅值。有两种方法：一是将滤波器做成中心频率可调的，二是在一台仪器内安装多个中心频率不同的带通滤波器，且各滤波器带通按一定规律排列。图示为一倍频程谱分析装置示意图。图中数字为中心频率。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-3滤波器1、恒带宽比滤波器采用具有同样品质因数Q的调谐式滤波器做成邻接式滤波器组，则该滤波器组是一些恒带宽比的滤波器构成的。因为B=fn/Q，所以中心频率fn越高，则带宽B越大。若fc2=2nfc1，当n=1时，我们称为倍频程滤波器；当n=1/3时，我们称之为1/3倍频程滤波器。n称为倍频程数。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-3滤波器中心频率fn用几何平均求得：当n=1时，Q=1.41，n=1/3时，Q=4.38，n=1/5时，Q=7.2。（1）下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-3滤波器对一组邻接的滤波器组，后一频率的中心频率fn2和前一个滤波器的中心频率fn1也有类似的关系：（2）根据（1）式和（2）式，只要选定n值，就可设计出覆盖给定频率范围的邻接式滤波器组。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-3滤波器下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-3滤波器2、恒带宽滤波器对恒带宽比滤波器来说，其通频带在低频段很窄，而进入高频段后，通频带很宽，这样，它的频率分辨力在低频段很好，而在高频段很差。为改善这种现象，可使用恒带宽滤波器。为提高频率分辨力，带宽不宜太大，这样，为覆盖整个频率范围，就需要很多滤波器。为此，恒带宽滤波器的中心频率往往做成可调的。常用的恒带宽滤波器有相关滤波和变频跟综滤波两种。

(原理：P177~178)下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-3滤波器下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-3滤波器由图可见，1/3倍频程滤波器效果最差(带宽太大：fn=1000Hz时，B=230Hz)，无法确切分辨出两频率成分的频率和幅值。由于它的倍频程选择性较差，以致当中心频率改为800Hz和1250Hz时，尽管信号已不在其通频带中，但滤波器仍有较大输出。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-4信号的指示和记录装置指示和记录装置是测试系统的最后一个重要环节。一、动圈式磁电指示机构工作原理：将可转动的线圈置于很强的辐射状均匀磁场中，信号电流i通过线圈时，会产生电磁转矩推动线圈转动，游丝4则阻止线圈的转动，最终游丝产生的转矩与电磁转矩平衡时，线圈转过一定角度θ。θ与i成正比，i小，θ也小，反之亦然。由此，θ的大小可反映i的大小。若将指针改成记录笔，并配上走纸机构，就可做成笔式记录仪。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-4信号的指示和记录装置要注意的是这种机构是一种电流敏感机构，用它来测电压时，必须保持电路中电阻值的恒定。温度的变化，会引起线圈电阻、磁场强度和游丝刚度的变化。电路中应串联一补偿电阻R0来消除温度对示值的影响。动圈式磁电指示机构是一个二阶系统，由于转动部件的质量较大，而游丝刚度又较小，所以固有频率较低。只能记录频率较低（125Hz）的信号。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-4信号的指示和记录装置二、光线示波器原理与动圈式磁电指示机构相似,只是用张丝5的弹性扭转变形代替了游丝的作用，并用固定在张丝上并随张丝转动的反射镜的反射光线代替指针。反射光线聚焦在匀速移动的感光纸上，实现信号的记录。由于这种机构转动部分的质量较前者小，弹簧刚度较大，有较高的固有频率，其工作频率可达4000Hz。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-4信号的指示和记录装置用两套伺服式记录系统分别控制X和Y两个方向的记录（一个动笔，一个走纸），可做成X—Y记录仪。特点：记录幅值准确性高，但只能记录缓变信号（10Hz）。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-4信号的指示和记录装置四、采用阴极射线管的信号显示和记录装置显示：示波器。记录：专用照相机。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-4信号的指示和记录装置五、数字式波形存贮记录仪“波形存贮”系统可作为一个单独仪器和记录仪联用，也可作为记录仪的一个部件。工作频率可达100MHz以上。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-4信号的指示和记录装置六、磁记录器（一）、磁带记录器1、工作原理组成（如图）：a)磁头b)磁带和磁带传动机构；c)记录放大器和重放放大器等。下一节下一页上一节上一页目录机电工程学院：刘正平§4-4信号的指示和记录装置磁带上涂有厚约10微米的硬磁性材料粉末。磁头是一个环形铁