第四章 信号的调理与记录.ppt

1、 第四章 信号的调理 与记录,重点：直流电桥、交流电桥、调制与 解调、信号的指示和记录装置；,难点：电桥的基本特性、能够合理选 用信号调理电路和记录仪器。,工程测试技术与信息处理 第 4 章,-便于信号的传输与处理。,信号调理的目的,1、传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。,工程测试技术与信息处理 第 4 章,3、某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量信号进行调制解调处理。,工程测试技术与信息处理 第 4 章, 第一节 电 桥,工程测试技术与信息处理 第 4 章,测出传感器产生的微弱信号，并将电 阻、电容、电

2、感的变化转换成电流或 电压的变化。,工程测试技术与信息处理 第 4 章,作用：,按激励电压有直流电桥和交流电桥； 按输出测量方式有不平衡电桥和平衡 电桥。,分类：,工程测试技术与信息处理 第 4 章,一、直流电桥,工程测试技术与信息处理 第 4 章,当电桥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，此时桥路电流：,工程测试技术与信息处理 第 4 章,工程测试技术与信息处理 第 4 章,a、b与a、d之间的电位差：,输出电压 ：,工程测试技术与信息处理 第 4 章,要使电桥平衡，输出为0，应满足：,平衡条件：相对臂的乘积相等。,直流电桥的联接方式：,工程测试技术与信息处理 第

3、4 章,半桥单臂：,工程测试技术与信息处理 第 4 章,令 代入式（4-4）得输出电压为,工程测试技术与信息处理 第 4 章,又因为 R0,灵敏度为：,半桥双臂：,工程测试技术与信息处理 第 4 章,工作中有二个桥臂阻值随被测量而变化，即 、 ，如图4-2（b）所示。当 ， 时，电桥的输出电压为,灵敏度为：,全桥接法：,工程测试技术与信息处理 第 4 章,工作中有四个桥臂阻值随被测量而变化，即 、 、 、 ，如图4-2（c）所示，此时电桥输出为,灵敏度为：,由此可见，电桥接法不同，电桥输出的灵敏度也不同：,工程测试技术与信息处理 第 4 章,工程测试技术与信息处理 第 4 章,事实上，对于全桥

4、接法，当四个电阻均产生电阻变化R1 R4，R1=R2=R3=R4=R，且RR，忽略R高次项：,由上式可看出：, 若相邻两桥臂电阻同向变化（即两电阻同时增大或同时减小），所产生的输出电压的变化将相互抵消；,工程测试技术与信息处理 第 4 章, 若相邻两桥臂电阻反向变化（即两电阻一个增大一个减小），所产生的输出电压的变化将相互迭加。,测量方式：,1、不平衡电桥（又称偏位法），上述电桥是在不平衡条件下才有电压输出。,特 点：适宜于动态测量，但电源电压、环境温度有变化时，会引起电桥输出产生误差。动态应变仪用该法。,工程测试技术与信息处理 第 4 章,2、平衡电桥（零位法）,特点：适宜于静态测量。若设有

5、自动平衡则可测低频动态。测量误差与电源电压无关。静态电阻应变仪用该法 。,工程测试技术与信息处理 第 4 章,二、交流电桥,工程测试技术与信息处理 第 4 章,交流电桥采用交流激励电压。关于直流电桥的平衡关系式在交流电桥也可适用。其平衡条件：,工程测试技术与信息处理 第 4 章,把各阻抗用指数式表示，则有,工程测试技术与信息处理 第 4 章,交流电桥平衡须同时满足,即交流电桥平衡的条件为：相对两臂阻抗之模的乘积应相等，并且它们的阻抗角之和也必须相等。,电容电桥，据平衡条件：,工程测试技术与信息处理 第 4 章,由上式得平衡条件为,电感电桥： 常用的平衡件：,工程测试技术与信息处理 第 4 章,

6、对于纯电阻交流电桥，由于导线分布电容，相当于每个桥臂上都并联一个电容（图46）。,工程测试技术与信息处理 第 4 章,图47为动态应变仪中具有电阻，电容平衡的纯电阻电桥.,工程测试技术与信息处理 第 4 章, 第二节 调制与解调（Modulation）,工程测试技术与信息处理 第 4 章,传感器的输出常常是一些缓变的微小电信号，需要放大。因直流放大存在着零漂和级间耦合两个主要问题，放大比较困难。一般先把缓变信号变为频率适当的交流信号，然后用交流放大器放大，最后再恢复为原来的缓变信号。这样一种变换过程就是调制与解调。,工程测试技术与信息处理 第 4 章,从电工学知，交流放大器工作在较高的频率范围

7、才不易产生幅值和相位失真。为把被测的低频信号提高到交流放大器的工作频带上，需要用一种运载工具高频振荡波来传输被测信号。,工程测试技术与信息处理 第 4 章,用被测信号来调整制约高频振荡的某个参数（幅值、频率、相位），使这一被调参数按被测信号的规律而变化，以便放大和传输。最后的输出是已调制波。,调 制：,工程测试技术与信息处理 第 4 章,载波,调制信号,解调：从已调制波中恢复出调制信号的过程,工程测试技术与信息处理 第 4 章,分类：,工程测试技术与信息处理 第 4 章,a) 幅度凋制(Amplitude modulation (AM),b) 频率调制(Frequency modulation

8、 (FM),c) 相位调制(Phase modulation(PM),工程测试技术与信息处理 第 4 章,一、幅值调制与调解,工程测试技术与信息处理 第 4 章,（一）、原 理,将一个高频简谐信号（载波）与测试信号（调制信号）相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化。,工程测试技术与信息处理 第 4 章,用来对载波的幅值实现调制的器件称为调幅器，前面提到的交流电桥就是一个调幅器，在本质上也是一个乘法器，若以高频振荡电源供给电桥，其输出为调幅波。,工程测试技术与信息处理 第 4 章,工程测试技术与信息处理 第 4 章,工程测试技术与信息处理 第 4 章,供桥电压为一正弦交流电压，波形如上图：,

9、工程测试技术与信息处理 第 4 章,等臂电桥，单臂工作：,1静态正应变,电桥的输出电压,频率与相位均和电源载波同，但 幅值为电源电压的 倍，即载波幅值被应变所调制。可见，通过交流电桥把被测静态信号转变成了频率为 的交流电压信号。,工程测试技术与信息处理 第 4 章,2静态负应变,电桥的输出电压,频率与载波同，但相位上差 ，幅值仍为载波的 倍。,工程测试技术与信息处理 第 4 章,3动态简谐应变,电桥输出电压,工程测试技术与信息处理 第 4 章,输出电压的幅值随应变的变化而变化，且随动态应变信号正负半周的改变，输出电压波形的相位也随之改变：正半周时与载波相同，负半周时与载波有的相位差。输出电压频

10、率为 ，也就是将被测信号的频率由提高到 。,工程测试技术与信息处理 第 4 章,总之，无论被测信号是静应变还是动应变，其输出电压均是一个幅值按应变信号规律变化的调制波。对信号调制的目的就是要把被测信号的频率提高到交流放大器的工作频带上，以便使它能不失真地进行放大。实际载波频率常至少数倍或数十倍于调制信号。,工程测试技术与信息处理 第 4 章,因为：,所以：,工程测试技术与信息处理 第 4 章,频谱分析：,工程测试技术与信息处理 第 4 章,工程测试技术与信息处理 第 4 章,同步解调：若把调幅波再次与原载波信号相乘，即,解调：目的是为为了恢复原信号。,工程测试技术与信息处理 第 4 章,乘法器

11、,滤波器,x(t)/2,工程测试技术与信息处理 第 4 章,幅度调制与解调过程（波形分析）,乘法器,放大器,x(t),y(t),x m(t),乘法器,滤波器,y(t),x(t),工程测试技术与信息处理 第 4 章,非抑制调幅：若对信号x（t）进行偏置，叠加一个直流分量D，使偏置后的信号都具有正电压。,二、整流检波和相敏检波,调幅,工程测试技术与信息处理 第 4 章,工程测试技术与信息处理 第 4 章,解调,二极管检波,低通滤波,若偏置电压不够大，则调幅波的波形会失真。,工程测试技术与信息处理 第 4 章,（二）相敏检波器,工程测试技术与信息处理 第 4 章,工程测试技术与信息处理 第 4 章,

12、例：动态应变仪,二、频率调制与解调,1、原 理：,调频是利用信号电压的幅值调制载波的频率，可由一个振荡器来完成，振荡器输出一个振荡频率与调制信号幅值成正比的等幅波，如下图：,工程测试技术与信息处理 第 4 章,调频波的瞬时频率可表示为：,工程测试技术与信息处理 第 4 章,（一）直接调频测量电路,工程测试技术与信息处理 第 4 章,传感器电容（或电感）的变化使调频振荡器的振荡频率发生相应变化。,谐振频率：,对上式微分：,工程测试技术与信息处理 第 4 章,设电容器初始电容为C0时，振荡器频率为 ，且 ，则C引起的频率偏移：,故电容调谐调频器的振荡频率：,可见振荡频率 与调谐参数 呈线性关系，也

13、就是说，在小范围内，振荡频率 与被测量呈线性关系。,工程测试技术与信息处理 第 4 章,（二）压控振荡器,输出瞬时频率与输入的控制电压值成线性关系。,工程测试技术与信息处理 第 4 章,（三）鉴频器,调频波的解调又称为鉴频，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。鉴频的方法有很多，介绍一种变压器耦合的谐振回路鉴频器。如图417：,工程测试技术与信息处理 第 4 章,定 义：,工程测试技术与信息处理 第 4 章,调频波调频调幅波幅值检波,鉴频器电压频率特性曲线,亚谐振区,等幅调频波的频率等于回路谐振频率，线圈中的耦合电流最大,工程测试技术与信息处理 第 4 章, 第三节 滤

14、波 器,工程测试技术与信息处理 第 4 章,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，而极大地衰减其他频率成分。,工程测试技术与信息处理 第 4 章,定 义：,工程测试技术与信息处理 第 4 章,一、分 类：,工程测试技术与信息处理 第 4 章,低通,通频带为0 ， 为阻带。,据选频作用分：,高通,通频带为 ，0 为阻带。,工程测试技术与信息处理 第 4 章,工程测试技术与信息处理 第 4 章,带通,通频带为 ，其他频率为阻带。,工程测试技术与信息处理 第 4 章,带阻,阻带为 ，其他频率为通带。,据构成元件分：RC、LC、晶体管谐振滤 波器。,据处理信号方式分：模拟滤波器，数字

15、滤波器。,工程测试技术与信息处理 第 4 章,二、理想滤波器,工程测试技术与信息处理 第 4 章,根据不失真测试条件，理想带通滤波器的频率特性指性为：,工程测试技术与信息处理 第 4 章,工程测试技术与信息处理 第 4 章,其时域为：,工程测试技术与信息处理 第 4 章,工程测试技术与信息处理 第 4 章,若给滤波器以单位阶跃输入u（t），即,其输出如图4-20，经计算,理想滤波器对阶跃响应的建立时间和带宽 B 成反比，或者说带宽和建立时间的乘积是常数：,工程测试技术与信息处理 第 4 章,即 BTe分辨力,一般取 BTe=510,三、实际RC调谐式滤波器,工程测试技术与信息处理 第 4 章,

16、（一）、实际滤波器的基本参数,Q=W0 / B,1、截止频率fc：0.707A0所对应的频率，若以信号的幅值平方表示信号功率，则所对应的点正好是半功率点；,2、纹波幅度d：绕幅频特性均值A0波动值,3、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 。,工程测试技术与信息处理 第 4 章,4、倍频程选择性W 指在上截止频率fc2与2fc2之间或者在下截止频率fc1与fc1/2幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。,倍频程衰减量以dB/oct表示（Octave，倍频程）。衰减越快（即W值越大），滤波器的选择性越好。,工程测试技术与信息处理 第 4

17、章,5、滤波器因数（或矩形系数）：滤波器选择性，用滤波器幅频特性的-60dB带宽与-3dB带宽的比值,（二）、RC调谐式滤器的基本特性,工程测试技术与信息处理 第 4 章,1、 一阶RC低通滤器,工程测试技术与信息处理 第 4 章,电路的微分方程式为：,则传递函数为：,工程测试技术与信息处理 第 4 章,则频率响应函数为：,当 时，幅值特性值约等于1，信号几乎不受衰减地通过滤波器。相频特性近似于一条通过原点的直线，因此，此时的低通滤波器可视为一个不失真的传输系统；,工程测试技术与信息处理 第 4 章,当 时， ，故该低通滤波器的上截止频率 ，可见，要改变截止频率，只需适当改变电阻R或电容C即可

18、；,工程测试技术与信息处理 第 4 章,当 ， ，信号受到 极大衰减，此时，输出 与输入 的积 分成正比，即 ，它对通频带 的高频成分衰减率为 倍频程 （或 ）。,工程测试技术与信息处理 第 4 章,2、 RC高通滤波器,工程测试技术与信息处理 第 4 章,由图可知，其微分方程式为：,工程测试技术与信息处理 第 4 章,当 时， ，信号受到 极大衰减，此时，高通滤波器的输出 与输 入 的微分成正比，即：,工程测试技术与信息处理 第 4 章,，它起着微分器的作用；,当 ， ，故该高通滤波器的下截止频率 ；,当 ， ， ，此时的高通滤波器可视为不失真传输系统。,工程测试技术与信息处理 第 4 章,

19、3、 RC带通滤波器,工程测试技术与信息处理 第 4 章,串连后带通滤波器的传递函数,工程测试技术与信息处理 第 4 章,下截止频率为原高通滤波器的截止函数：,上截止频率为原低通滤波器的截止频率：,用串连方式组成带通滤波器时应消除两极耦合时的相互影响，通常采用射极跟随器或运算放大器来进行隔离。,分别调节 及 可得到不同的上、下截止频率和带宽。,工程测试技术与信息处理 第 4 章,案例：机床轴心轨迹的滤波处理,滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律,工程测试技术与信息处理 第 4 章,应 用：,工程测试技术与信息处理 第 4 章,钢管无损探伤实验：,滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警,工程测试技术与信息处理 第 4 章, 第五节,测试信号的显示与记录,测试信号的显示和记录是测试系统不可缺少的组成部分。信号显示与记录的目的在于：,工程测试技术与信息处理 第 4 章,测试人员通过显示仪器观察各路信号的大小或实时波形；,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；,记录信号的重现；,对信号进行后续的分析和处理。,一、信号的显示,工程测试技术与信息处理 第 4 章,示波器是测试中最常用的显示仪器，有模拟示波器、数字示波器和数字存储示波器。,工程测试技术与信息处理 第 4 章,模拟示波器,模拟示波器以传统的阴极射线管示波