机械工程测试技术基础--04信号的调理与记录

1、,第四章 信号的调理与记录,河北工程大学 机电工程学院 周雁冰,第四章 信号的调理与记录,第一节 电桥 第二节 调制与解调 第三节 滤波器 第四节 信号的放大（自学） 第五节 测试信号的显示与记录,为什么需要对信号进行调理？,被测物理量经过传感器后的输出信号通常很微弱，有些是非电信号，如电阻、电容、电感等，同时采集到的信号还携带一些我们不期望的信号或噪声。 为了能直接显示或送入A/D转换器、计算机进行数据采集，必须对经传感后的信号进行调理、放大、滤波等一系列处理，将微弱信号放大、将非电压信号转换为电压信号、抑制干扰噪声、提高信噪比，以便后续环节的处理。 信号的调理与转换内容很广，主要的环节有电

2、桥、调制与解调、滤波、放大等。,第一节 电桥,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。 分类： 按激励电源的类型：直流电桥、交流电桥 按工作原理：偏值法（即不平衡电桥，应用较广）、 归零法（即平衡电桥）,一、直流电桥 1、输出电压 2、平衡条件 要使电桥平衡，输出为零，应满足 为直流电源 为输出电压,3、输出特性,（1）单臂电桥接法,输出电压,为了简化电路，设计时常取相邻两桥臂电阻相等，即：,若,，则输出电压,因,，所以,单臂电桥接法特性：电桥的输出 与激励电压 成正比；在 一定而且 条件下， 与 大致成正比关系。,定义电桥的灵敏度为,（2）半桥接法,输出电压（若

3、 ）,灵敏度,与单臂电桥接法相比，灵敏度提高了一倍。,为什么要求 ？,（3）全桥接法,灵敏度,输出电压（若 ）,与半桥接法相比，灵敏度提高1倍；与单臂电桥接法相比，灵敏度提高了3倍。,如果 行吗？,直流电桥三种连接方式的比较,电桥的和差特性,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。 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叠加。,若,即,或,于是,推导过程,例：用悬臂梁做敏感元件测力时，常在其表面贴应变片并接成电桥结构，三种接法分别如何实现？,补充内容：上述电桥是在不平衡条件下工作的，它的缺点是当电源电

4、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。因此，在某些情况下采用平衡电桥。,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。,二、交流电桥,交流电桥采用交流激励电压。电桥的四个臂可为电感、电容或电阻。,电桥平衡条件,把各阻抗用指数式表示,代入上式后得,交流电桥平衡必须满足两个条件：,其中，,为各阻抗的模；,为阻抗角。,阻抗角是各桥臂电流与电压之间的相位差。

5、 纯电阻时电流与电压同相位，=0；电感性阻抗，0；电容性阻抗，0。,例：如图这是一种常用电容电桥，R2、R3为纯电阻，C1、C2为电容，R1、R4可视为电容介质损耗的等效电阻，求电桥的平衡条件？,由,得：,即,令上式实虚部分别相等，得到平衡条件：,例：如图这是一种常用电感电桥，R2、R3为纯电阻，L1、L2为电容，R1、R4可视为电感介质的等效电阻，求电桥的平衡条件？,由,得：,即,令上式实虚部分别相等，得到平衡条件：,作业：如图这是一种常用纯电阻交流电桥， R1、 R2、 R3、R4为纯电阻，由于导线间存在分布电容，相当于在各桥臂上分别并联了一个电容C1、C2、C3、C4，求此电桥的平衡条件

6、？,三、带感应耦合臂的电桥（变压器电桥）,主要有以下两种形式，平衡时指零仪指零。其中a）又称为变压器电桥。带感应耦合臂的电桥与一般电桥相比，具有较高精确度、灵敏度以及性能稳定等优点。,电位+,电位-,第二节 调制与解调,调制：利用某种低频信号来控制或改变一高频振荡信号的某个参数（幅值、频率、相位）的过程。根据载波受调制的参数不同，调制可分为调幅（AM）,调频（FM）,调相（PM）。高频振荡信号称为载波，控制高频振荡的低频信号称为调制信号，调制后的高频信号是已调制信号。,解调：从已调制信号中恢复出调制信号的过程。,载波、调制信号及调幅、调频波图 (a)载波信号 (b)调制信号 (c)调幅波形 (

7、d)调频波形,(a),(b),(c),(d),一、幅值调制及其解调,1、幅值调制：将一个高频载波信号（如余弦信号）与被测信号（调制信号）相乘，使高频信号的幅值随被测信号的变化而变化。,调幅原理：,由傅立叶变换的性质知，在时域中两个信号相乘，则对应在频域中这两个信号进行卷积，即,设调制信号为y(t)，其最高频率成分为 fm，载波信号为x(t)=cos2f0t ， 。,而余弦函数的频域图形是一对脉冲谱线，即,一个函数与单位脉冲函数卷积的结果，就是将其图形由坐标原点平移至该脉冲函数处。x(t)y(t)结果就相当于把x(t)的频谱图形的原点平移至y(t)载波频率处，幅值减半：,注意： 从调幅原理看，载

8、波频率 必须高于原信号的最高频率 才能使已调波仍保持原信号的频谱图形，不致产生混叠现象。 为了减小电路可能引起的失真，信号的频宽 相对载波频率 应越小越好。 实际应用中，载波频率通常常至少十倍于调制信号上限频率。,调幅案例：,(1)设f0=250Hz，fn=25Hz时：,(2)设f0=50Hz，fn=50Hz时：,(3)设f0=30Hz，fn=50Hz时：,（1）同步解调 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“偏移”。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谱（幅值减小为一半），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

9、有相同的频率和相位。,2、调幅信号的解调方法,解调的目的是为了恢复被调制的信号。 常用的有三种方法：同步解调、包络检波、相敏检波。,调幅波,载波,调幅波与载波时域乘积，对应着频域卷积,2）包络检波（整流检波）,把调制信号进行偏置，叠加一个直流分量A，使偏置后的信号都具有正电压，那么调幅波的包络线将具有原调制信号的形状。把该调幅波简单地整流、滤波就可恢复原调制信号。如果原调制信号中有直流分量，则在整流后应准确地减去所加的偏置电压。,整流，就是通过带有二极管的电路，利用其单向导通性，将交流电变为直流电，方法有半波整流、全波整流。,包络检波流程图,包络检波的关键是准确地加、减偏置电压A。 该方法的缺

10、点是：若所加的偏置电压未能使信号电压都位于零位的同一侧，那么对调幅之后的波形只进行简单的整流、滤波是不能恢复原调制信号的，会造成很大的失真。,3）相敏检波,若包络检波所加的偏置电压未能使信号电压都在零线的一侧，则对调幅波简单地整流不能恢复原调制信号，此时，相敏检波技术可解决此问题。 相敏检波的特点是可以鉴别调制信号的极性，所以采用相敏检波时无需对调制信号加偏置电压。 相敏检波是利用二极管的单向导通作用将电路输出极性转向。,相敏检波,相敏检波工作原理： 调幅波xm(t)与载波y(t)同相 载波电压为正 均为正 （ 调制信号x(t)为正）载波电压为负 调幅波xm(t)与载波y(t)异相 载波电压为

11、正 均为负 （调制信号x(t)为负）载波电压为负,动态电阻应变仪原理框图,2）重叠失真：调幅波是由一对每边为fm的双边带信号组成当载波频率fz较低时，正频端的下边带将与负频端的下边带相重叠要求: fzfm,调幅波的波形失真,1）过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏置必须足够大，否则x(t)的相位将发生180度反转。,二、频率调制及其解调,1、调频（频率调制）：是利用调制信号控制高频载波信号频率变化的过程。调频时载波的是等幅波，其频率随调制信号的幅值成比例变化。,当调制信号电压为零时，调频波的频率等于载波中心频率；调制信号电压为正值时调频波频率提高；调制信号电压负值时调频波则降低。,两种常用的

12、调频方法,1）直接调频测量电路,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，其输出也是等幅波。一般由振荡电路实现，如LC振荡电路等。,2）压控振荡器,压控振荡器的输出瞬时频率与输入的调制信号电压值成线性关系。,2、调频信号的解调,调频波的解调又称为鉴频，是将频率变化恢复成调制信号电压幅值变化的过程。,随着测量参数（如电阻）的变化，调制信号幅值也随之线性变化，调频波频率也随着调制信号幅值近似线性变化，所以调频波的频率和测量参数保持近似线性关系。,鉴频,鉴频器原理,调频波调频调幅波幅值检波,调频的优点：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

13、统较之调幅系统复杂。,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。,调频的缺点：占频带宽度大，复杂,例：人耳正常听力的频率范围是20HZ到2万HZ，四六级听力调频86.25兆赫，试分析其原因。,例：收音机原理,收音机通过接收从许多广播电台发射的无线电波中的一种来选择某一需要收听的节目。在无线电广播中，收音机接收 AM 广播和接收 FM 广播是不同的，它们通过按钮操作来切换。,收音机通过天线收到广播信号后，还必须清除电信号中的载波，只得到声信号。因为收音机收到的无线电信号非常微弱，要由放大器将信号充分放大，这样使喇叭发出声音。,AM无线电广播

14、分为长波、中波和短波三个大波段，AM广播服务范围大于FM广播,我国只有中波和短波，中波广播使用的频段大致为550kHz-1600kHz，主要靠地波传播，也伴有部分天波（夜间为甚）；短波广播使用的频段约为2MHz-24MHz，主要靠天波传播，近距离内伴有地波。 FM无线电广播多用超短波(甚高频)无线电波传送信号，国内广播电台使用的频率约为88MHz-108MHz，校园广播电台使用的频率约在70MHz-88MHZ之间，主要靠空间波传送信号。与AM广播相比，FM广播有良好的音质和较少的噪音,第三节 滤波器,一、滤波器的分类,1、按选频作用分,低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器（陷波滤波器

15、）,滤波：是指让被测信号中的有效成分通过，而将其中不需要的成分抑制掉或衰减掉的一种过程。,低通,高通,带通,带阻,低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。,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,2、按构成元件类型分,RC谐振滤波器 LC谐振滤波器 晶体谐振滤波器,3、按构成电路性质分,有源滤波器 无源滤波器,4、按所处理的信号分,模拟滤波器 数字滤波器,二、理想滤波器,以理想低通滤波器为例：若滤波器的频率响应函数H(f)满足条件：,则称为理想滤波器。,它具有矩形幅频特性和线性相频特性，将低于频率fc的所

16、有信号通过而无任何失真，将高于频率fc的信号全部衰减， fc称为截止频率。,问：信号不失真传输（测量）的条件？（复习2章5节）,理想滤波器在工程实际中不可能实现，实际滤波器幅频特性中通带和阻带间没有严格界限，存在过渡带。,在频域为矩形窗函数的理想低通滤波器的时域脉冲响应函数是sinc函数。,三、实际滤波器的特征参数,（一）基本参数,1、纹波幅度d。通带中幅频 特性值的起伏变化值。越小 越好。,2、截止频率fc。幅频特性值等于 （即-3dB）所对应的频率。上截止频率，下截止频率。,3、带宽B。上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽，又称-3dB带宽。表示滤波器的分辨能力。,4、品质因子（Q值

17、）。中心频率 和带宽B之比称为滤波器的品质因数Q（即Q=f0/B）。越大，相对带宽越小，滤波器的选择性越好。,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。,5、倍频程选择性。是指在上截止频率 与 之间（或者在下截止频率 与 之间）幅频特性的衰减量。即频率变化一个倍频程的衰减量，以dB表示。,或,6、滤波器因数（矩形系数）。 普通滤波器常为15，理想滤波器=1。,四、实际滤波电路,1、一阶RC低通滤波器,2）当 时， ，(f)-f 近似于一条通过原点的直线。此时，RC低通滤波器是一个不失真传输系统。,1）当 ， 时， 即,表明，RC值决定着

18、上截止频率。,2、一阶RC高通滤波器,1）当 时，,滤波器的-3dB截止频率为,2）当 时，,RC高通滤波器可视为不失真传输系统。,3、RC带通滤波器,带通滤波器可看成是低通滤波器和高通滤波器串联组成。以原高通滤波器的截止频率为下截止频率，以原低通的截止频率为上截止频率，即,分别调节高、低通环节的时间常数（ 及 ），就可得到不同的上、下截止频率和带宽的带通滤波器。,下截止频率,上截止频率,五、常见的两类带通滤波器组,（一）恒带宽比滤波器,恒带宽比,滤波器中心频率:,恒带宽比滤波器由多路带通滤波器并联而成，其中心频率越高，带宽越大。其频率分辨力在低频段较好，在高频段则甚差。恒带宽比滤波器的上、下截止频率为 ，满足关系： 。式中n称为倍频程数。,恒带宽比带通滤波器,例：1/3倍频程滤波器,案例：调节音频播放器等软件中的声音均衡器，试验其对音乐信号的滤波情况。,恒带宽带通滤波器,（二）恒带宽滤波器,恒带宽滤波器在所有频段都具有同样良好的频率分辨力。 恒带宽滤波器不宜做成多个固定中心频率的滤