第四章_信号调理与显示记录装置.ppt

1、第四章 信号调理与显示记录装置,Signal Conditioning, Display, Recording Apparatus,学习目标,学习重点与难点,电桥、幅值调制、RC滤波器的工作原理和特性。,重点,难点,信号的调制原理。,学习测量电桥、信号放大电路、调制解调电路、滤波器等信号调理电路的工作原理、基本特性，了解各种显示记录装置工作原理及适用场合。学完本章后，应对各种信号调理电路的功能特点有较清楚的了解，能正确选用各种显示记录装置以实现信号的不失真记录。, 第一节 测量电桥 第二节 信号放大电路 第三节 调制与解调 第四节 滤波器 第五节 显示记录装置,学习内容,第一节 测量电桥,测量

2、电桥是将电阻、电感、电容等参数的变化转换成输出电压或电流变化的一种电子装置。 测量装置中最常用的是惠斯登电桥。, 惠斯登电桥,电桥的输出为,电桥的输出为, 电桥的分类, 按电桥供电电源的性质分,直流电桥采用直流电源供电 交流电桥采用高频稳幅交流电源供电, 按电桥输出的测量方式分,平衡电桥使电桥处于平衡状态后读数 不平衡电桥读数时电桥一般处于不平衡状态, 按桥臂元件的阻抗性质分,纯电阻电桥 纯电容电桥、容性电桥 纯电感电桥、感性电桥,一、 直流电桥,采用直流电源供电，四个桥臂元件均为纯电阻 。,电桥输出,直流电桥的平衡条件：,为简化设计和分析，一般将四臂电阻设计成相等，即,将传感器（如电阻应变片

3、）接入电桥的某些桥臂上，则电桥的输出就与被测量的变化有一一对应关系。,传感器可以三种形式接入电桥。,1. 半桥单臂连接,当 时，电桥的输出电压为,2. 半桥双臂连接, 工作桥臂相邻连接时，两电阻变化的极性应相反； 工作桥臂相对连接时，两电阻变化的极性应相同。,电桥的输出电压为,3. 全桥连接, 相对桥臂的电阻按相同极性变化； 相邻桥臂的电阻按相反极性变化。,电桥的输出电压为, 半桥双臂接法的灵敏度比半桥单臂接法高一倍； 全桥接法的灵敏度又比半桥双臂接法高一倍。,半桥双臂接法和全桥接法也称为电桥的差动连接。,差动连接的优点：, 提高了电桥的灵敏度； 极大地改善了电桥固有的非线性； 可对由温度等因

4、素变化所造成的同极性影响进行补偿（抵消）。,差动连接应变片的贴法, 所需的高稳定度直流电源容易获得； 输出可用直流仪表直接测量显示； 易于实现电桥的平衡调节； 输出需接直流放大器，易受零漂和接地电位的影响。,直流电桥的特点：,二、 交流电桥,采用高频稳幅交流电源供电，四个桥臂元件可以是电阻、电容、电感或它们的复合 。,电桥的输出为,各桥臂元件的电抗用复数表示：,或,或,阻抗的模,阻抗角,各种元件的复数阻抗为：,电阻 R R,电容 C ,电感 L ,交流电桥的平衡条件：,即,模平衡条件,相位平衡条件, 输出为高频调幅波，不易受外界工频干扰； 转换精度较高； 后接的交流放大器结构简单、零漂小； 易

5、于实现不失真测试 ； 输出调幅波需经相敏检波器进行解调； 供桥电源要具有较高的幅值、频率稳定性和良好的波形。,交流电桥的特点：,三、 带感应耦合臂的电桥,电桥的两个桥臂由传感器或变压器的两个感应耦合线圈所构成，另两个桥臂则是固定的电抗元件或差动传感器的电感、电容。,差动电感传感器电桥,差动变压器电桥,差动电容传感器电桥,带感应耦合臂电桥的特点：, 克服了寄生参数（寄生电容、电感等）的影响； 使用变压器可隔离直流干扰； 频率范围较宽，性能稳定、灵敏度及转换精度较高。,第二节 信号放大电路, 信号放大电路的基本特点,通用放大电路、测量放大器、运算放大电路、功率放大电路、隔离放大电路、增益调整电路、

6、线性化电路等。, 信号放大电路的种类, 广泛使用各种集成放大器，其中以集成运算放大器和专用测量放大器应用最多； 广泛采用各种负反馈技术来改善放大电路的性能。,一、通用集成运算放大电路,1. 理想运算放大器与实际运算放大器,开环放大倍数A,失调电压,偏流,输入阻抗,输出阻抗,特 性,理想运放,实际运放,或更高,0,0,0,1mV（25）,或更高,2. 使用运算放大器的基本放大电路, 反相比例运算电路,反相比例运算电路,反相比例加法器, 同相比例运算电路,同相比例运算电路,电压跟随器, 求差运算电路,差动放大电路, 微分运算电路,微分运算电路, 积分运算电路,积分运算电路, 对数运算电路,对数运算

7、电路,3. 运算放大器构成的其他电路, 电压比较电路, 精密整流电路,当满足 时,电路就能够输出非常精确的全波整流波形。,二、 测量放大器,1. 高输入阻抗放大器,用电压跟随器做前置输入缓冲级; 使用高阻型集成运算放大器; 采用由通用运算放大器组成的自举式高输入阻抗放大电路。,自举式同相交流放大电路,自举式交流电压跟随器,自举组合电路,2. 高共模抑制比放大器,三运放高共模抑制比放大电路,3. 电桥放大器, 单端输入电桥放大电路,单端(反相)输入电桥放大电路,单端(同相)输入电桥放大电路, 差动输入电桥放大电路, 线性电桥放大电路,4. 单片集成测量放大器, 共模抑制比高，一般可达100120

8、dB； 输入阻抗高，一般高于109； 平衡的差动输入，单端输出，输入端可承受较高的输入电压，有较强的过载能力； 增益可由用户按需要通过选择不同的增益电阻来确定； 动态特性好，工作频带宽； 低失调，低漂移。,特点：,AD612的内部结构,AD612与测量电桥的连接,第三节 调制与解调, 调制, 解调, 信号的调制方法,用原始缓变信号控制高频信号的某个特征参数（幅值、频率或相位），使这些参数随被测量的变化而变化。,调制信号用来控制高频信号的缓变信号。 载波被控的高频信号。 已调波经过调制后所得到的高频信号。,从已调波中恢复原始缓变信号。, 幅值调制（调幅，AM） 频率调制（调频，FM） 相位调制（

9、调相，PM）,一、 调幅及其解调,1. 调幅原理, 调幅就是用调制信号与高频载波信号相乘，所得到的高频已调波（称为调幅波或调幅信号）的幅值随调制信号的变化而变化。, 在频域内，调幅过程是一个“频谱搬移”过程。, 调幅过程中的载波不仅要保证幅值的高度稳定，其频率也要足够高。一般要保证 。, 调幅波的频谱分布在相对变化很窄的一个范围内，有利于信号的交流放大、有用信号与无用信号的鉴别，易于保证不失真测试条件的实现。,2. 调幅装置,交流电桥调幅,3. 调幅的解调（鉴幅）, 同步解调, 包络检波,包络检波适用于调制信号为单边（单极性）变化的调幅信号的解调。,包络检波通过整流、滤波两个环节，将调幅波中的

10、包络线（与原信号波形一致）还原出来，即得到了原信号的波形。, 整流将双边变化的调幅信号整理成单边变化的调幅信号； 滤波滤除单边变化调幅信号中的高频成分。,常用的包络检波电路有：二极管环形检波电路、精密整流电路+滤波电路等。, 相敏检波,二极管环型相敏检波电路,4. 调幅的应用,动态电阻应变仪,差动变压器式电感测微仪,JDC智能化精密电容测微测振仪,二、 调频及其解调,1. 调频原理,调频是将调制信号的变化转换成调频波频率的变化。具体地讲，就是用调制信号控制一振荡器，使振荡器的振荡频率随调制信号的变化而变化。,调制信号为零时，振荡器输出的调频波的频率称为中心频率（即载波频率）。,2. 调频装置,

11、 直接调频电路,设,则, 压控振荡器,3. 调频的解调（鉴频 ）,实现鉴频的装置称为鉴频器。,谐振式振幅鉴频器,谐振式振幅鉴频器的谐振特性,第四节 滤波器,使信号中某些特定的频率成分通过，极大地衰减其他频率成分。,滤波器的作用：,一、 滤波器的基本知识,1. 滤波器的分类（按选频范围分）, 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器,四类滤波器的幅频特性,上截止频率,下截止频率,2. 理想滤波器,理想滤波器在其通频带内应满足不失真测试条件，即幅频特性为常数，相频特性与频率保持线性关系，阻带内的幅频特性应等于零。其频率响应函数应为,（通带内， 为常数）,（阻带内）, 理想滤波器是非因果系统，

12、在物理上是不可能实现的。, 理想滤波器的建立时间 与滤波器的带宽B成反比，它们的乘积为常数。即,建立时间,建立时间反映了滤波器对输入的响应速度（滤波时间）；带宽反映了滤波器的频率分辨力。 二者相矛盾,3. 实际滤波器的特性指标,实际带通滤波器的幅频特性曲线, 幅频特性平均值, 纹波幅度, 截止频率, 带宽,中心频率, 品质因数, 频率选择性, 倍频程选择性, 滤波器因数（矩形系数）,或,二、 无源RC滤波器,1. 一阶无源RC低通滤波器,传递函数,上截止频率,时间常数,过渡带： -20dB/十倍频程 -20dB/dec,幅频特性,2. 一阶无源RC高通滤波器,传递函数,下截止频率,时间常数,过

13、渡带： -20dB/十倍频程 -20dB/dec,幅频特性,3. 二阶无源RC带通滤波器,传递函数,截止频率,时间常数,过渡带： -40dB/十倍频程 -40dB/dec,（交叉时 间常数）,三、 有源RC滤波器,1. 一阶有源RC滤波器,传递函数,通带增益,截止频率,一阶有源RC低通滤波器（同相输入）,优点：有增益（放大） 隔离（减小负载效应）,传递函数,通带增益,截止频率,一阶有源RC低通滤波器（反相输入）,2. 二阶有源RC滤波器, 无限增益多路负反馈型,无限增益多路负反馈型二阶有源RC滤波器的基本结构,无限增益多路负反馈型二阶有源RC低通滤波器,无限增益多路负反馈型二阶有源RC高通滤波

14、器,无限增益多路负反馈型二阶有源RC带通滤波器,使用无限增益多路负反馈型电路不能构成带阻滤波器！, 压控电压源型,压控电压源型二阶有源RC滤波器的基本结构,压控电压源型二阶有源RC低通滤波器,压控电压源型二阶有源RC高通滤波器,压控电压源型二阶有源RC带通滤波器,压控电压源型二阶有源RC带阻滤波器,一、动圈式（ 检流计式）笔式记录仪,通电线圈在磁场中受力而产生偏转，从而将输入（被记录）电流的变化转换为记录笔的位移变化。,第五节 显示记录装置,1. 动力学分析,电磁力矩,阻尼力矩,游丝反力矩,游丝的扭转刚度系数,转动惯量,阻尼系数,常数,输入,输出,2. 传递函数,3. 特点, 检流计式笔录仪是

15、一个二阶系统。为实现信号的不失真记录，应满足 且 。 因转动惯量较大及游丝刚度较小，因此固有频率较低，加上摩擦，因此其可记录信号的频率也比较低， 通常100Hz。,静态灵敏度,固有频率,阻尼比,笔式记录仪,由于运动部件的惯性较大以及机械摩擦的存在，前面两种笔式记录仪可记录信号的频率都比较低。为了改善记录仪的动态特性，人们发明了光线示波器。光线示波器也是一种检流计式记录仪，它用一个转动惯量较小的振子取代了检流计式笔录仪的动圈部分，同时用“光笔”取代了机械笔，由于 ，从而使其具有较高的固有频率，可以实现对高频（最高可达10kHz）信号的不失真记录。,二、光线示波器,1. 工作原理,2. 特点, 光

16、线示波器（的振子）也是一个二阶系统，其动态特性与检流计式笔式记录仪相似。为实现信号的不失真记录，也应满足 且 。 选择振子的依据是其固有频率，应满足上面的条件。, 固有频率较高的振子（ ）的阻尼主要由油阻尼产生，固有频率较低的振子（ ）的阻尼主要由电磁阻尼产生。,SC-16型光线示波器,1. 工作原理,三、伺服式记录仪（电位计式自动平衡记录仪）,2. 特点, 是一种记录电压信号的电位计式记录仪，属于零位平衡式伺服系统。 记录幅值的精度较高，误差一般不超过满量程的0.2%0.5% 。 因其运动部分的机械惯性较大，故只能记录变化缓慢的低频信号（一般在10Hz以下）。,X-Y函数记录仪,磁带记录仪的

17、基本组成,四、磁带记录仪,1. 工作原理,SONY 多通道数字式磁带机,磁带记录仪,2. 特点, 工作频带宽，可记录直流信号及数兆赫兹的交流信号。 所记录的信息可长久保存，必要时可实现信号的重放。 能同时记录多路信号，在工作频带内可保证这些信号之间的时间和相位关系。 具有变换信号时基（时间尺度）的能力。 既可记录模拟信号，也可记录数字信号。 记录速度快，记录数字信号时可高达1MB/s。 可以和计算机配合，进行大量复杂的数据处理、分析。,1. 工作原理,五、数字存储示波器（DSO）,数字存储示波器,2. 工作方式,模拟方式：象传统示波器一样工作，此时工作频带不受A/D转换器转换速度的影响，可以高

18、达100MHz； 存储方式：信号经A/D转换后被存储起来，经D/A转换、波形重构、功率放大，在CRT上显示出重构后的波形。, 信号算术运算 多窗口工作模式 波形参数的自动测量 数字信号处理 通信接口 记录信号波形的硬拷贝,3. 特殊功能,六、其他,阴极射线管显示器 （CRT）,液晶显示器 （LCD）,信号调理电路在测试系统中起着承上启下的作用，是测试系统中最重要的环节之一。测量电桥是实现微弱参量测量转换的主要装置之一。将电桥接成差动式可以提高灵敏度、改善非线性，并具有某些误差补偿作用。采用调制与解调技术可以提高测试系统的抗干扰能力，便于信号的交流放大，有利于不失真测试的实现。在测试系统的适当位置上使用各种滤波器，可以实现信号的分离，从