测试技术第四章信号调理、处理和记录.doc

第四章 信号调理、处理和记录信号转换电路测量电路，用来测量传感器输出的电信号，如电阻、电压、电感电容、电荷量、频率等量的大小。若从传感器到显示环节的整体来看，信号转换电路具有传输的作用，在传输过程中又将信号进行了若干的变换，如放大、调制解调、滤波等。目的是将传感器输出的信号转换为人易于观测（显示）的信号形式，因此称为转换电路。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。一、分类：1按激励电压的性质：直流电桥和交流电桥。 直流电桥：电源为直流，元件只能是直流元件电阻。交流电桥：电源为交流，元件可以是电阻、电容、电感。2按输出方式：非平衡电桥和平衡电桥二、电桥分析（一）非平衡电桥1. 非平衡电桥分析电桥输出端后接输入电阻较大的仪表或放大器时，可视为开路，电流输出为零。Z为阻抗，U为电源（电源可以是直流也可以是交流）。Z为纯电阻时Z=ZR=RZ为电容时 Z=ZC=1/CZ为电感时 Z=ZL=L2. 电桥平衡条件：要使电桥平衡，输出为零Uy0，应满足 3. 电桥形式在一般情况下，电桥都做成对称型和等臂型。对称型 或 等臂型Z1=Z2=Z3=Z4（二）平衡电桥当桥路中某一参数发生变化，打破了桥路的平衡，使电桥的输出有了变化，通过反馈（手动或自动）调节某一桥臂上的可变电阻，以使桥路重新达到平衡状态（即桥路输出为零）。如图，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。三、直流电桥电源为直流，阻抗Z为纯电阻，即Zi=Ri ,电桥的输出为当各桥臂上的电阻值发生变化，打破桥路的平衡，使电桥有电压输出（Uy0）时，若桥臂的电阻是按一定规律变化，则对桥路输出电压的测量就可以计算出桥臂参数变化的大小。根据桥臂参数变化的不同，可以分为半桥单臂、半桥双臂和全桥型。1.半桥单臂电桥在实际应用中，为了方便，一般都是等臂型，即R2=R3=R4=R0。设R为工作电阻（接入应变片），当R1=R0时（R0为初始电阻，不受应力作用），电桥平衡Uy=0当R1=R0R时，输出电压R1=R2=R3=R4=R0 则输出电压 因，所以 可见，电桥的输出Uy与激励电压Uo成正比，且在R R0 条件下，与R/ R0成正比。灵敏度 其中正负表示极性，即输出可表示出R的变化方向。在单臂情况下，近似成线性关系。2半桥双臂接法（1）相邻两臂为工作电阻（差动式）R1和R2为电阻应变片，R3、R4为固定电阻。必须保证：两个电阻的阻值的变化方向相反，即为差动式。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R成完全线性关系。（2）相对臂为工作电阻（对称式）设R1= R3=R0R，（阻值变化方向相同），R2= R4=R0 当R0；电容性阻抗， v- 时， vo=Vomax（正饱和值） v+ v- 时， vo=Vomin （负饱和值） v+ = v- 时， 逻辑状态转换 6. 加法器在反相端输入若干路信号，构成反相加法运算电路。 由此得当R11R12R13R1时若R1Rf，则7.电压跟随器uo=ui利用运放本身具有高输入阻抗、低输出阻抗的特点，且加上深度负反馈使得这一特点更加突出，故常用作隔离级，来隔离前后两级电路，减小前后的影响。 8.仪器放大器仪器放大器是用来放大微弱差值信号的高精度放大器。 9.功率放大器 因运放的输出只有10mA左右，太小不能带动执行器，所以要将电流进行放大。第三节 调制与解调1.调制：使一个信号的某些参数在另一信号的控制下发生变化的过程。前一信号称 为载波，后一信号（控制信号）称为调制信号。最后的输出是已调制波。2.解调：最终从已调制波中恢复出调制信号的过程。根据载波受调制的参数不同，调制可分为：调幅（AM）、调频（FM）和调相（PM）。3.目的：解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。 先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。 一、调幅及其解调1、调幅原理调幅：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。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，即余弦函数的频域图形是一对脉冲谱线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。若以高频余弦信号作载波，把信号x(t)和载波信号相乘，其结果就相当于把原信号的频谱图形由原点平移至载波频率f0处，幅值减半。即，从调幅原理看，载波频率f0必须高于原信号中的最高频率fm才能使已调波仍保持原信号的频谱图形，不致重叠。为了减小放大电路可能引起的失真，信号的频宽2fm相对中心频率（载波频率f0）应越小越好。实际载波频率常至少数倍甚至数十倍于调制信号。2、解调（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2 f0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有相同的频率和相位。（2）偏置解调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。若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。相敏检波技术可解决此问题。（3）相敏检波工作原理：调幅波与载波y(t)同相 载波电压为正 均为正 （ 原信号x(t)为正） 载波电压为负 调幅波与载波y(t)异相 载波电压为正 均为负 （原信号x(t)为负） 载波电压为负 3. 调幅与解调的目的 调幅的目的是使缓变信号便于放大和传输。解调的目的是为了恢复原信号。二、调频及其解调调频（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。当信号电压为零时，调频波的频率等于中心频率；信号电压为正值时频率提高，负值时则降低。（一）两种常用的调频方法：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。2.压控振荡器压控振荡器的输出瞬时频率与输入的控制电压值成线性关系。（二）常用的一种解调方案变压器耦合的谐振回路鉴频法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。随着测量参数的变化，幅值随调频波频率近似线性变化，调频波uf的频率和测量参数保持近似线性关系。因此，把进行幅值检波就能获得测量参量变化的信息，且保持近似线性关系。第四节 滤波器1、作用：选频作用，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分进行频谱分析滤除干扰噪声2、分类（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：3、理想滤波器理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。若滤波器的频率响应H(f)满足条件则称为理想滤波器。理想滤波器是不能实现的。4、实际滤波器 理想滤波器是不存在的，在实际滤波器的幅频特性图中通带和阻带间应没有严格的界限,，存在一个过渡带。 1)纹波幅度d ：波动幅度d与幅频特性平均值A0相比应小于-3dB。 2)截止频率fc ：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f0和带宽B之比称为滤波器的品质因数Q。4)倍频程选择性：倍频程选择性是指在上截