第四章信号调理.ppt

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1、第四章 信号调理、处理和记录 1 电桥 2 调制与解调 3 滤波器4 信号的指示和记录装置一、直流电桥二、交流电桥1 电 桥一、调幅及其解调二、调频及其解调2 调制与解调一、滤波器分类二、理想滤波器三、实际RC调谐式滤波器四、恒带宽比滤波器和恒带宽滤波器3 滤波器1 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：按激励电压的性质 直流电桥 交流电桥 按输出方式 不平衡桥式电路 平衡桥式电路一、直流电桥1、电路形式 2、平衡条件 为直流电源要使电桥平衡，输出为零，应满足 为输出电压3、输出特性（1）半桥单臂接法 输出电压为了简化设计，取相邻两桥臂电阻相等，即若

2、 ，则输出电压因 ，所以可见，电桥的输出 与激励电压 成正比，且在 条件下，与 成正比。灵敏度（2）半桥双臂接法输出灵敏度与半桥单臂相比，灵敏度提高了一倍，电桥的输出与 成完全线性关系。（3）全桥接法输出 灵敏度电桥输出公式重要结论：当相邻桥臂为异号或相对桥臂为同号的电阻当相邻桥臂为异号或相对桥臂为同号的电阻变化时，电桥的输出可相加；当相邻桥臂为同号变化时，电桥的输出可相加；当相邻桥臂为同号或相对桥臂为异号的电阻变化时，电桥的输出应或相对桥臂为异号的电阻变化时，电桥的输出应相减。相减。电桥输出的八字原则八字原则:相邻相减，相对相加。温度补偿问题温度补偿问题例4-1 半桥测量时进行温度补偿桥路补

3、偿法R1、R2完全相同，处于相同温度场中，并且接入相邻臂。在力P和温度 t 的作用下，R1上的电阻变化率为：R2上的电阻变化率为：利用加减特性，可以：进行温度补偿，消除测量误差提高灵敏度复杂应力状态下测取单独由某一因素产生的应变 实测中，应设法采用电桥相邻臂两应变实测中，应设法采用电桥相邻臂两应变实测中，应设法采用电桥相邻臂两应变实测中，应设法采用电桥相邻臂两应变片差动变化的接桥方案。片差动变化的接桥方案。片差动变化的接桥方案。片差动变化的接桥方案。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

4、点位置，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。上述电桥是在不平衡条件下工作的，它的缺点是当电源电压不稳定，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。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同相位，；电感性阻抗，；电容性阻抗，。电桥平衡必须满足两个条件其中，为各阻抗的模；为阻抗角。如图是一种常用电容电桥，两相临桥臂为如图是一种常用电容电桥，两相临桥

5、臂为纯电阻纯电阻R2，R3。另外两桥臂为另外两桥臂为C1，C4。此时此时R1，R4视为电容介质损耗的等效电阻。视为电容介质损耗的等效电阻。根据平衡条件有根据平衡条件有平衡条件为平衡条件为 如图是一种常用电感电桥相临两如图是一种常用电感电桥相临两桥臂为电感桥臂为电感L1，L4与电阻与电阻R2，R3。根据平衡条件有根据平衡条件有电阻交流电桥的分布电容电阻交流电桥的分布电容具有电阻、电容平衡的交流电阻电桥具有电阻、电容平衡的交流电阻电桥带感应偶合臂的电桥带感应偶合臂的电桥v目的：目的：主要解决微弱缓变信号的放大以及信号的传主要解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。输问题。定义：定义：所谓调制就是

6、使一个信号的某些参数在另一个信号所谓调制就是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。最终从已调制波中恢复出调的控制下而发生变化的过程。最终从已调制波中恢复出调制信号的过程，称为解调。制信号的过程，称为解调。调制调制信号信号载波载波调制调制波波第二节第二节 调制与解调调制与解调调制调制：ModulationModulation调幅调幅(Amplitude modulation-AMAmplitude modulation-AM）调频调频（Frequency modulation-FM)Frequency modulation-FM)调相调相（Phase modulation-P

7、M)Phase modulation-PM)分类：分类：调幅及其解调调幅及其解调一、原理一、原理 调幅调幅是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的过程。下面将以频率下面将以频率 0 0的余弦的余弦信号作为载波进行讨论。信号作为载波进行讨论。调制器（乘法器）调制信号载波调幅波一个函数与单位脉冲函数卷积的结果，就是将其频谱图形由一个函数与单位脉冲函数卷积的结果，就是将其频谱图形由坐标原点平移至该脉冲函数处。坐标原点平移至该脉冲函数处。y(t)=cos2ot调幅过程调幅过程调幅：幅：从从频域上域上：相当于频率的搬迁过程。从低频搬迁到高频。频谱形

8、状保持不变（f0fm)。从从时域上域上：用x（t）去控制改变y（t）的幅值，使xm（t）的幅值随着x（t）的变化而变化，频率仍与y（t）相同。载波频率载波频率f0称为调幅波的中心频率，称为调幅波的中心频率，f0+fm 称为上旁称为上旁频带，频带，f0-fm 称为下旁频带。称为下旁频带。小小 结：二、解调v同步解调同步解调 把调幅波再次与原载波信号相乘，则频域图形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将再一次进行“搬移搬移”,其结果如图所示。当用一其结果如图所示。当用一低通滤波器滤去频率大于低通滤波器滤去频率大于f fm m的成分时，则可以复的成分时，则可以复现原信号的频谱。与原频

9、谱的区别在于幅值为原现原信号的频谱。与原频谱的区别在于幅值为原来的一半，这可以通过放大来补偿。这一过程称来的一半，这可以通过放大来补偿。这一过程称为同步解调，为同步解调，同步同步是指解调时所乘的信号与调制是指解调时所乘的信号与调制时的载波信号具有时的载波信号具有相同的频率和相位相同的频率和相位。同步解调同步解调整流检波整流检波 若把调制信号进行偏置，叠加一个直流分量，使偏置若把调制信号进行偏置，叠加一个直流分量，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，如制信号的形状，如图图所示。把该调幅波进行简单的半波或所示。把该

10、调幅波进行简单的半波或全波整流、滤波，并减去所加的偏置电压就可以恢复原调全波整流、滤波，并减去所加的偏置电压就可以恢复原调制信号。制信号。这种方法又称作这种方法又称作包络分析包络分析。xm(t)=A+x(t)cos2f0t 调制信号加偏置的调幅波v相敏检波相敏检波 交变信号过零线时符号发生突变（交变信号过零线时符号发生突变（+、-），），与之对应的调幅波相位（与载波比较）也相与之对应的调幅波相位（与载波比较）也相应地发生应地发生180180的相位跳变。利用载波信号的相位跳变。利用载波信号与调幅信号与调幅信号比相比相，便既能反映出原信号的，便既能反映出原信号的幅幅值值又能反映其又能反映其极性极性

11、。相敏检波调幅应用调幅应用调幅应用调幅应用动态电阻应变仪。动态电阻应变仪。动态电阻应变仪。动态电阻应变仪。动态电阻应变仪方框图 二、调频及其解调二、调频及其解调 调频：利用信号电压控制一个等幅调频：利用信号电压控制一个等幅波振荡器，其振荡频率偏移量和信号电波振荡器，其振荡频率偏移量和信号电压成正比。当信号电压为零时，调频波压成正比。当信号电压为零时，调频波的频率就是中心频率，信号电压为正时的频率就是中心频率，信号电压为正时频率提高，负时则频率降低。频率提高，负时则频率降低。调频波的瞬时频率调频波的瞬时频率=0 0 中心频率。中心频率。频率偏移。频率偏移。调频波与调制信号幅值的关系调频波与调制信

12、号幅值的关系（一）直接调频测量电路一）直接调频测量电路由由 进行微分得进行微分得在在 0附近有附近有C=C0在小范围内，频率和被测量有线性关系。在小范围内，频率和被测量有线性关系。频率调制一般用振荡电路来实现，以振荡电路的电容变化为例。（三）三）谐振回路鉴频法谐振回路鉴频法 调频波的解调又称为鉴频，是将频率调频波的解调又称为鉴频，是将频率变化恢复成电压幅值变化的过程。变化恢复成电压幅值变化的过程。用变压器偶合的谐振回路鉴频频率频率电压特性曲线电压特性曲线 第三节、滤波器第三节、滤波器滤波器滤波器是一种选频装置，可使信号中特定的频是一种选频装置，可使信号中特定的频率成分通过，而率成分通过，而极大

13、地衰减极大地衰减其它频率成分。在其它频率成分。在测试中利用滤波器的这种选频作用，可滤除干测试中利用滤波器的这种选频作用，可滤除干扰噪声或进行频谱分析。扰噪声或进行频谱分析。一、概述1、作用：选频作用 进行频谱分析 滤除干扰噪声2、分类 低通滤波器按选频作用分 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器 RC谐振滤波器按构成元件类型分 LC谐振滤波器 晶体谐振滤波器按构成电路性质分 有源滤波器 无源滤波器按所处理的信号信号分 模拟滤波器 数字滤波器二、理想滤波器若滤波器的频率响应H(f)满足条件则称为理想滤波器。f0脉冲响应函数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。如无

14、相角滞后，即 ，则h(t)具有对称的图形。理想滤波器是不能实现的。因为h(t)是滤波器在(t)作用下的输出，其图形却表明，在输入(t)到来之前，即t0,滤波器就有了与输入相对应的输出。显然，这违背了因果关系，任何现实的滤波器不可能有这种预知未来的能力，所以理想低通滤波器是不可能存在的。可以推论，理想的高通、带通、带阻滤波器都是不存在的。阶跃响应给滤波器以单位阶跃输入u(t)，滤波器的输出y(t)将是该输入和脉冲响应函数h(t)的卷积：不考虑前、后皱波，输出从零值（a点）到应有稳定值（b点）需要一定的建立时间 。0ty(t)时移 只影响输出曲线y(t)的右移，不影响 值。滤波器的通频带越宽，即

15、越大，则h(t)的图形越陡峭，响应的建立时间 也将越小。低通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，即需要一定建立时间的解释：输入信号在突变处必然含有丰富的高频分量。低通滤波器阻衰了高频分量，其结果是把输出波形“圆滑”了。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，所以建立时间就短；反之，则长。三、实际RC调谐式滤波器（以带通为例）（一）基本参数1、纹波幅度d 2、截止频率 幅频特性值 等于 所对应的频率。3、带宽B和品质因数Q值上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽。中心频率 和带宽B之比称为滤波器的品质因数Q。4、倍频程选择性倍频程选

16、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。5、滤波器因数 A(f)fff0c1c2.dd（二）RC调谐式滤波器的基本特性1、一阶RC低通滤波器电路的微分方程式：令=RC，称时间常数。传递函数 R Ce xe y0f1A（f）-900-4500fRC低通滤波器及其幅频、相频特性(f)1、当 时，A(f)=1,(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。2、当 时，即 表明，RC值决定着上截止频率。3、当 时，输出 与输入 的积分成正比，即 此时，RC低通滤波器起着积分器的作用。2、RC高通滤波器微分方程式令RC=，则传递函数

17、CRexRC高通滤波器及其幅频、相频特性9004500 f0 f1A（f）(f)ey1、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、当 时，输出与输入的微分成正比，RC高通滤波器起着微分器的作用。3、RC带通滤波器带通滤波器 带通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联，带通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联，其电路及其幅频、相频特性如下图所示。其电路及其幅频、相频特性如下图所示。H(s)=H1(s)H2(s)式中式中H1(s)为高通滤波器为高通滤波器的传递函数，的传递函数，H2(s)为低为低通滤波器的传递函数。通滤波器的传递函数。有有

18、 应注意，当高、低通两级串联时，应消除两级耦合时的相互应注意，当高、低通两级串联时，应消除两级耦合时的相互影响，因为后一级成为前一级的影响，因为后一级成为前一级的“负载负载”，而前一级又是后一级，而前一级又是后一级的信号源内阻。的信号源内阻。实际上两级间常用射极输出器或者用运算放大器进行隔离。实际上两级间常用射极输出器或者用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。有源滤波器由所以实际的带通滤波器常常是有源的。有源滤波器由RC调谐网调谐网络和运算放大器组成。运算放大器既可起级间隔离作用，又可起络和运算放大器组成。运算放大器既可起级间隔离作用，又可起信号幅值的放大作用。信号幅值的放大

19、作用。串联所得的带通滤波器以原高通滤波器的截止频率为下截止频率，即 其上截止频率为原低通的截止频率，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。四、恒带宽比滤波器和恒带宽滤波器用于频谱分析装置中的带通滤波器，可根据中心频率与带宽之间的数值关系，分为两种。恒带宽滤波器：使带通滤波器的中心频率可调，通过改变RC 调谐 参数而使其中心频率跟随所需量测的信 号频段。恒带宽比滤波器：使用一组各自中心频率固定的、但又按一定规律 相隔的滤波器组。（一）恒带宽比滤波器带宽比 滤波器的中心频率越高，其带宽越大。若一个带通滤波器的低端截止频率为 ，高端截止频率为 ，则

20、其关系为：n称为倍频程数。滤波器中心频率恒带宽比滤波器的频率分辨力在低频段较好，在高频段则甚差。（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固定中心频率的。一般利用一个定带宽的定中心频率的滤波器加上可变参考频率的差频变换来适应各种不同中心频率的定带宽滤波的需要。6363机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础四、恒带宽、恒带宽比滤波器四、恒带宽、恒带宽比滤波器 通通常常实实际际滤滤波波器器通通频频带带是是可可调调的的，根根据据实实际际滤滤波波器器中中心频率与带宽之问的数值关系，可以分为两种。心频率与带宽之问的数

21、值关系，可以分为两种。2 2 恒带宽比带通滤波器恒带宽比带通滤波器 1 1 恒带宽带通滤波器恒带宽带通滤波器 4.4 4.4 信号的滤波信号的滤波6464机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础四、恒带宽、恒带宽比滤波器四、恒带宽、恒带宽比滤波器1/31/3倍频程滤波器倍频程滤波器（恒带宽比滤波器）（恒带宽比滤波器）4.4 4.4 信号的滤波信号的滤波6565机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础四、恒带宽、恒带宽比滤波器四、恒带宽、恒带宽比滤波器4.4 4.4 信号的滤波信号的滤波A A）实际信号）实际信号）实

22、际信号）实际信号B B）用）用）用）用1/31/3倍频程滤波器分析结果倍频程滤波器分析结果倍频程滤波器分析结果倍频程滤波器分析结果C C）用）用）用）用1/101/10倍频程滤波器分析结果倍频程滤波器分析结果倍频程滤波器分析结果倍频程滤波器分析结果D D）用恒带宽滤波器分析结果）用恒带宽滤波器分析结果）用恒带宽滤波器分析结果）用恒带宽滤波器分析结果第四节 信号的指示和记录装置 动圈式磁电指示机构 光线示波器 伺服式记录仪 采用阴极射线管的信号显示和记录装置 数字式波形存储记录仪 磁记录器 磁带记录器 磁盘记录器 信号的指示和记录装置是测试信号的指示和记录装置是测试系统的最后和重要环节。指示装置

23、系统的最后和重要环节。指示装置是提供最终结果数据的设备。记录是提供最终结果数据的设备。记录装置是用来存储测量信号，以备需装置是用来存储测量信号，以备需要时重放。要时重放。一、动圈式磁电指示机构一、动圈式磁电指示机构二、光线示波器二、光线示波器三、伺服式记录仪三、伺服式记录仪四、阴极射线管信号显示和记录四、阴极射线管信号显示和记录 阴极射线管是一种真空电子阴极射线管是一种真空电子器件，由电子枪、偏转系统和荧器件，由电子枪、偏转系统和荧光屏等三大部分组成。光屏等三大部分组成。五、数字式波形存储记录仪五、数字式波形存储记录仪六、磁带记录器的基本组成六、磁带记录器的基本组成磁带和磁头磁带和磁头磁盘记录器磁盘记录器