模拟信号变换与处理

1、第第6 6章章 模拟信号变换与处理模拟信号变换与处理6.1 6.1 电桥电桥 6.2 6.2 放大器放大器 6.3 6.3 信号的调制与解调信号的调制与解调 6.4 6.4 滤波器滤波器 6.5 6.5 信号的传输及干扰抑制信号的传输及干扰抑制 6.6 6.6 信号的显示与记录装置信号的显示与记录装置 本章学习要求：本章学习要求：1.1.掌握电桥工作原理掌握电桥工作原理 2.2.了解模拟信号放大电路原理了解模拟信号放大电路原理3.3.掌握信号滤波器工作原理掌握信号滤波器工作原理4.4.了解信号调制解调原理了解信号调制解调原理5. 5. 测量信号的传输和记录测量信号的传输和记录6.1 6.1 电

2、桥电桥 电桥是将电桥是将电阻、电感、电容电阻、电感、电容等参数的变化变为等参数的变化变为电压电压或或电流电流输出的一种转换电路。其输出既可用指示仪表直接测输出的一种转换电路。其输出既可用指示仪表直接测量，也可送入放大电路进行放大。量，也可送入放大电路进行放大。电桥结构简单，精确度和灵敏度高，易消除温度及环电桥结构简单，精确度和灵敏度高，易消除温度及环境影响，因此在测试系统中被广泛应用。境影响，因此在测试系统中被广泛应用。电桥电桥(按照所采用电源按照所采用电源)直流电桥直流电桥交流电桥交流电桥按照测量输出方式按照测量输出方式不平衡桥式电路（又称为偏位法测量）不平衡桥式电路（又称为偏位法测量）平衡

3、桥式电路（又称零位法测量）平衡桥式电路（又称零位法测量）6.1.1 直流电桥直流电桥优点：优点： 所需的高稳定直流电源较易获得；所需的高稳定直流电源较易获得； 电桥输出电压是直流，可以用直流仪表测量；电桥输出电压是直流，可以用直流仪表测量； 对从传感器到测量仪表的连接导线要求较低，电桥的平对从传感器到测量仪表的连接导线要求较低，电桥的平衡电路简单。衡电路简单。缺点：缺点：直流放大器比较复杂，易受零漂和接地电位的影响。直流放大器比较复杂，易受零漂和接地电位的影响。条件。此即直流电桥初始平衡或电桥平衡。应满足时，电桥的输出电压431242310RRRRRRRRey1.1.电桥平衡条件电桥平衡条件0

4、4321423104342114211)( )(eRRRRRRRReRRRRRRRIRIUUUeadabbdy2.2.电桥特性电桥特性 04433221144223311)()()(eRRRRRRRRRRRRRRRRey其输出电压为电桥失去平衡，平衡。当电阻变化时，实际测试前，电桥预调RRRRR4321)(443210RRRRRRRReey)(443210Keey表明输出电压是四项代数和，也就是说，电桥能把各桥臂表明输出电压是四项代数和，也就是说，电桥能把各桥臂电阻变化所引起的输出电压自动相加或相减后输出，这就是电电阻变化所引起的输出电压自动相加或相减后输出，这就是电桥的加减特性。桥的加减特性

5、。 KeRReey00414KeeRRey00212KeeRRey0004yeeSRR20eS 0eS 3.3.温度补偿温度补偿 利用电桥的加减特性，可以对应变片进行温度补偿，通常利用电桥的加减特性，可以对应变片进行温度补偿，通常采用补偿块补偿法或工作片补偿法。采用补偿块补偿法或工作片补偿法。（1）补偿块补偿法）补偿块补偿法 使用两个同样的应变片，一片粘贴在试件上，另一片使用两个同样的应变片，一片粘贴在试件上，另一片粘贴在与试件同材料、同温度条件但不受力的补偿块上。根据粘贴在与试件同材料、同温度条件但不受力的补偿块上。根据电桥的加减特性，将这两片应变片接入相邻桥臂上，由于温度电桥的加减特性，将

6、这两片应变片接入相邻桥臂上，由于温度的变化，工作片和补偿片上产生相同的因温度引起的应变，在的变化，工作片和补偿片上产生相同的因温度引起的应变，在桥路中自动抵消，对电桥输出没有影响，达到温度补偿的作用。桥路中自动抵消，对电桥输出没有影响，达到温度补偿的作用。（2）工作片补偿法）工作片补偿法 在同一被测试件上粘贴两个工作应变片，接入相邻臂在同一被测试件上粘贴两个工作应变片，接入相邻臂应变片既可以起到温度补偿的作用，又能测量真实的应变。应变片既可以起到温度补偿的作用，又能测量真实的应变。4.4.布片和接桥布片和接桥 根据已知的应力分布规律、电桥特性、测量目的，合理地根据已知的应力分布规律、电桥特性、

7、测量目的，合理地布片（即应变片在试件上的位置和方向）和接桥，可以准确地布片（即应变片在试件上的位置和方向）和接桥，可以准确地测出各种载荷。零件在实际工作中，往往会受到几种不同性质测出各种载荷。零件在实际工作中，往往会受到几种不同性质的外力作用，采用不同方式的布片和接桥，可消除某种外力的的外力作用，采用不同方式的布片和接桥，可消除某种外力的影响，而测得在一种外力作用下的应变。影响，而测得在一种外力作用下的应变。6.1.2 交流电桥交流电桥 4231ZZZZ电桥平衡时需满足423104020301jjjjeZeZeZeZ)(0402)(03014231jjeZZeZZ件此即交流电桥的平衡条4231

8、04020301 ZZZZ交流电桥的平衡问题较直流复杂得多，对于交流电桥，除交流电桥的平衡问题较直流复杂得多，对于交流电桥，除了进行电阻平衡外，还要进行电抗平衡。交流电桥对于供桥电了进行电阻平衡外，还要进行电抗平衡。交流电桥对于供桥电源要求也较高，必须具有良好的电压波形和频率稳定度。源要求也较高，必须具有良好的电压波形和频率稳定度。 42134231CRCRRRRR42314231LRRLRRRR6.1.3平衡电桥平衡电桥图图5 56 6是平衡电桥工作原理。是平衡电桥工作原理。当被测量等于零时，电桥处于平当被测量等于零时，电桥处于平衡状态，此时，调节可调电位器衡状态，此时，调节可调电位器H H

9、和检流计和检流计P P指零。当某一桥臂电阻指零。当某一桥臂电阻随被测量变化时，电桥失去平衡，随被测量变化时，电桥失去平衡，调节可调电位器调节可调电位器H H，改变电阻，改变电阻R5R5触触点位置，使电桥重新平衡，检流点位置，使电桥重新平衡，检流计计P P指针回零。这样，可以用标定指针回零。这样，可以用标定好的电位器读数好的电位器读数H H来反映被测量的来反映被测量的大小。测量误差只与电位器的精大小。测量误差只与电位器的精度有关。这种电桥的特点是在读度有关。这种电桥的特点是在读数时检流计数时检流计P P始终指零，因此又称始终指零，因此又称零位法零位法。6.2 6.2 放大器放大器 信号放大目的信

10、号放大目的幅度增加幅度增加(1)抗干扰抗干扰;(2)阻抗匹配阻抗匹配2. 分类分类放大器放大器直流放大器直流放大器交流放大器交流放大器电荷放大器电荷放大器 时间域时间域 频率域频率域幅度增大幅度增大 低频保留低频保留,高频截止高频截止幅度增大幅度增大 高频保留高频保留,低频截止低频截止电荷增大电荷增大1 .目的目的对测试系统中的放大器的要求包括：对测试系统中的放大器的要求包括：1）不耗散或基本不耗散信号的能量而改变原信号）不耗散或基本不耗散信号的能量而改变原信号2）线性，即放大倍数不随信号大小而变化，且放大倍数高）线性，即放大倍数不随信号大小而变化，且放大倍数高3）动态范围宽）动态范围宽4）低

11、相移或无相移）低相移或无相移5）幅频特性恒定）幅频特性恒定6）噪声小）噪声小7）输出量不受负载大小影响）输出量不受负载大小影响6.2.1 基本放大器基本放大器 1. 反相放大器反相放大器 1RRAFv反馈电阻反馈电阻RF值不能太大，否则会产生较大的噪声及值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。漂移，一般为几十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于的取值应远大于信号源信号源Ui的内阻。的内阻。 反相放大器是最基本的电路，反相放大器是最基本的电路，其闭环电压增益其闭环电压增益Av为为:2. 同相放大器同相放大器 11RRAFv同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低同相放大

12、器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。的特点，广泛用于前置放大级。 同相放大器也是最基本的电同相放大器也是最基本的电路路 ，其闭环电压增益，其闭环电压增益Av为为:3. 交流放大电路交流放大电路 若只需要放大交流信号，可采用图示的集成运放交流若只需要放大交流信号，可采用图示的集成运放交流电压同相放大器。其中电容电压同相放大器。其中电容C1、C2及及C3为隔直电容。为隔直电容。 11RRAFvR1一般取几十千欧。耦合电容一般取几十千欧。耦合电容C1、C3可根据交流放大可根据交流放大器的下限频率器的下限频率fL来确定。来确定。 )2/()103(31LLfRCC6.2.2

13、输入信号与放大器输入阻抗的匹配输入信号与放大器输入阻抗的匹配 siisiZZZuujdcjbaZZis22222dbcadcuusi%1001siiiuuZ量误差为的介入而引起的电压测由于输入阻抗1. 阻抗阻抗Zs和和Zi均为纯电阻均为纯电阻 2. Zs为纯电阻为纯电阻, Zi为复阻抗为复阻抗isisiRRRuussRZ iiRZ %1001siiiRRR01. 0%1isiRR，则欲ssRZ iiiiCRjRZ1)1 (1iiiiisisCRjRCRjRZZ2211iisiCRuu%10011122iiiCR这种阻抗组合形式呈现低通滤波器的特性这种阻抗组合形式呈现低通滤波器的特性 值应尽可能

14、小。则止频率，较宽的带宽，较高的截若希望低通滤波器具有iiCR尽量小。和使率，又减小误差就应当因此为了既提高截止频值尽量小，和从减小测量误差来看，isisisCRCRRR13. Zs为容抗为容抗, Zi为复阻抗为复阻抗ssCjZ1iiiiCRjRZ1siiiisCjRCRjZZ1222211iiiisiCRCRuuissiiiCCRdcCRbaC0, 1。并令和%1001112222iiiiiCRCR6.2.3 放大器及其负载的阻抗匹配放大器及其负载的阻抗匹配 这种阻抗组合形式呈现出高通滤波器的特性。要使它具有这种阻抗组合形式呈现出高通滤波器的特性。要使它具有较好的低频特性，其截止频率应尽量小

15、。为此，必须使放大器较好的低频特性，其截止频率应尽量小。为此，必须使放大器输入电阻输入电阻R Ri i尽可能大。总之，应当从增加放大器输入电阻尽可能大。总之，应当从增加放大器输入电阻R Ri i和和适当减小并联输入电容适当减小并联输入电容 C Ci i来兼顾两方面的性能。来兼顾两方面的性能。 放大器的输出用来推动负载。负载获得功率放大器的输出用来推动负载。负载获得功率P P的大小，表的大小，表明放大器带动负载的能力。明放大器带动负载的能力。 LLLjXRZooojXRZ22222oLoLLooLloXXRRRuZZRuP负载获得的功率最大时，最大；，一定时，PRRXXPXXRoLoLoL0当负

16、载的阻抗与放大器输出阻抗互为共轭复数时，负载获当负载的阻抗与放大器输出阻抗互为共轭复数时，负载获得最大功率，通常将满足这一条件的情况，称为阻抗匹配。得最大功率，通常将满足这一条件的情况，称为阻抗匹配。 6.3 6.3 信号的调制与解调信号的调制与解调1. 目的目的解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。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。号中取出放大了的缓变信号。 调制调制利用

17、信号来控制或改变高频利用信号来控制或改变高频振荡的某个参数振荡的某个参数(幅值、频率或相幅值、频率或相位位)，使它随着被测信号作有规律，使它随着被测信号作有规律变化的过程称为调制过程。变化的过程称为调制过程。调制信号调制信号将控制高频振荡的缓变将控制高频振荡的缓变信号信号载波载波载送缓变信号的高频振荡波载送缓变信号的高频振荡波已调波已调波经过调制后的高频振荡波经过调制后的高频振荡波根据调幅、调频的不同，分别称为调根据调幅、调频的不同，分别称为调幅波、调频波幅波、调频波 。2. 种类种类调制信号调制信号x(t)载波信号载波信号)2cos()(ftAtza) 幅值调制幅值调制(AM)2cos()(

18、*)(0fttxAtyb) 频率调制频率调制(FM)*)(2cos()(0ttxfAtyc) 相位调制相位调制(PM)(2cos()(0txftAty6.3.1 调幅与其解调调幅与其解调 1. 调幅原理调幅原理 调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号相调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化。乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化。)2cos()(*)(0fttxAty幅度调制与解调过程（波形与频谱分析）幅度调制与解调过程（波形与频谱分析）乘法器放大器x(t)y(t)x m(t)乘法器滤波器y(t)( tx)( txy(t)Y(f)-

19、f0- f0- f0f0f0f0y(t)Y(f)- f0- f0f0f02f0- 2f0幅度调制与解调过程（数学描述）幅度调制与解调过程（数学描述）乘法器放大器x(t)y(t)x m(t)乘法器滤波器y(t)()()()(fYfXtytx)()(2cos)(0210210fffftfty)2cos()()(0tftxtxm)2(2cos()()(2cos)()2cos()(02121020tftxtxtftxtftxm)( tx)(2120txf则得到的高频成分滤掉，用低通滤波器将频率为)(21)(21)()()(21)()(21)(2cos)()(00000ffXffXfXfffXfffXf

20、Xtftxtxmmm)()()(tytxtxm图图5-11 调幅过程调幅过程)2(41)2(41)(21)()(00ffXffXfXtytxFm图图5-12 同步解调同步解调程称为同步解调。原信号的频谱，此过乘，其输出可以恢复相与原载波信号再次把调幅波)()(tytxm实验：实验：同步调制与解调实验同步调制与解调实验 上述调制方法，将信号上述调制方法，将信号x(t)直接直接与载波与载波y(t)相乘这种调幅波具相乘这种调幅波具有极性变化，解调时必须再乘有极性变化，解调时必须再乘与与y(t)相位相同的相位相同的y(t) 方能复原方能复原出原信号，故称同步解调出原信号，故称同步解调 辽宁工学院汽车与

21、交通学院辽宁工学院汽车与交通学院非抑制调幅非抑制调幅 若对信号若对信号x(t)进行偏置，叠加一个直流分量进行偏置，叠加一个直流分量D，使偏，使偏置后的信号都具有正电压置后的信号都具有正电压 )()( txDtx)2cos()()(fttxAtxm,辽宁工学院汽车与交通学院辽宁工学院汽车与交通学院调幅波的波形失真调幅波的波形失真a）过调失真：对于非抑制）过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏置必须调幅，要求其直流偏置必须足够大，否则足够大，否则x(t)的相位将的相位将发生发生180。b)重叠失真：调幅波是重叠失真：调幅波是由一对每边为由一对每边为fm的双边的双边带信号组成当载波频带信号组成当载波

22、频率率fz较低时，正频端的下较低时，正频端的下边带将与负频端的下边边带将与负频端的下边带相重叠要求带相重叠要求: fzfm 2. 相敏检波相敏检波相敏检波器又称相敏整流器，是一种能够辨别调制信号极相敏检波器又称相敏整流器，是一种能够辨别调制信号极性的解调器。调幅波经过相敏检波后，既能反映出信号电压性的解调器。调幅波经过相敏检波后，既能反映出信号电压的幅值，又能反映调制信号电压的极性。的幅值，又能反映调制信号电压的极性。常用的检波电路有常用的检波电路有全波相敏检波电路全波相敏检波电路和和半波相敏检波半波相敏检波。 在测量电路中采用相敏检波器作为解调器，只是在测量电路中采用相敏检波器作为解调器，只

23、是把调幅波把调幅波简单地整流，再滤波简单地整流，再滤波(如图如图5-13d、e所示所示)，就可恢复原调制信，就可恢复原调制信号了。号了。采用相敏检波的原因：采用相敏检波的原因：（1）为使调幅波的包络线不失真地描述被测信号，必须）为使调幅波的包络线不失真地描述被测信号，必须使载波频率远远大于调制信号（被测信号）的频率，实际载使载波频率远远大于调制信号（被测信号）的频率，实际载波频率常至少数倍甚至数十倍于调制信号的频率。波频率常至少数倍甚至数十倍于调制信号的频率。（2）为了解调可以使调幅波再次与载波相乘，相乘后经）为了解调可以使调幅波再次与载波相乘，相乘后经过低通滤波器，但这样需要性能良好的线性乘

24、法器。过低通滤波器，但这样需要性能良好的线性乘法器。 图图 5-13 由电桥调幅及相敏检波解调的波形变换由电桥调幅及相敏检波解调的波形变换6.3.2 调频及其解调调频及其解调 调频是利用信号调频是利用信号x(t)x(t)的幅值调制载波的频率，或者说，的幅值调制载波的频率，或者说，调频波是一种随信号调频波是一种随信号x(t)x(t)的电压幅值而变化的的电压幅值而变化的疏密不疏密不等的等幅波等的等幅波。 *)(2cos)(0ttxfAty1. 调频原理调频原理调频的优缺点：调频的优缺点：优点：抗干扰能力强。优点：抗干扰能力强。 因为调频信号所携带的信息包含在频率变化之中，因为调频信号所携带的信息包

25、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。之中。 缺点：占频带宽度大，系统复杂。缺点：占频带宽度大，系统复杂。 调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的宽的20倍；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率调制倍；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率调制足一种非线性调制。足一种非线性调制。2121CCCCLLCf可调电容的电容量，电感量式中，该电路的谐振频率为在测量中，常常采用谐振式调频在测量中，常常采用谐振式调频器将被测量转换为频率的变化。谐振器将被测量转换为频率的变化。谐

26、振电路电路( (如右图如右图) )是由电容、电感是由电容、电感( (或电阻或电阻) )元件构成的电路。元件构成的电路。 当谐振频率随电容、电感值发生变化时并联谐振电路当谐振频率随电容、电感值发生变化时并联谐振电路输出的信号频率将发生变化，得到调频波。输出的信号频率将发生变化，得到调频波。 00021,LCfCC谐振频率无信号输入时，CfLCCf)21()(21)21(23谐振频率的变化量0002 CCffCf频率的变化时，化引起电容变化附近，被测参数微小变在载波频率)21 (000CCffff电路谐振频率为2. 解调（鉴频）解调（鉴频）调频波的解调电路又叫鉴频器。它的作用是将调频波频调频波的解

27、调电路又叫鉴频器。它的作用是将调频波频率的变化变换成电压幅值的变化的过程，鉴频器有多种。在率的变化变换成电压幅值的变化的过程，鉴频器有多种。在一些测试仪器中，常常采用变压器耦合的谐振回路方法，如一些测试仪器中，常常采用变压器耦合的谐振回路方法，如图图5 51717所示。所示。6.4 6.4 滤波器滤波器 滤波器是一种选频装置，可以使信号中特滤波器是一种选频装置，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。定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。6.4.1 滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）滤波器分类（根据滤波器的选频作用分） 低通低通高通高通带通带通带阻带阻滤波器的串滤波器的串

28、/ /并联并联 低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形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。式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。6.4.2 理想滤波器理想滤波器 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。真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。物理不可实现物理不可实现 理想滤波器在时域内的脉冲响应函数理想滤波器在时域内的脉冲响应函数 h（t）为）为 sinc函函数。脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸。数。脉冲响应的波形沿横坐标左

29、、右无限延伸。波波形形给理想滤波器一个脉冲激励，从图中可以看出，在给理想滤波器一个脉冲激励，从图中可以看出，在t=0时刻，单位脉冲输入滤波器之前，即在时刻，单位脉冲输入滤波器之前，即在t0时，滤波时，滤波器就已经有响应了。故物理不可实现。器就已经有响应了。故物理不可实现。6.4.3 实际滤波器实际滤波器 理想滤波器是不存在的，理想滤波器是不存在的，在实际滤波器的幅频特性图中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通带和阻带间应没有严格的界限，存在一个过渡带。描述滤限，存在一个过渡带。描述滤波器性能的参数如下：波器性能的参数如下： 1)纹波幅度纹波幅度d ：波动幅度：波动幅度d与幅频

30、特性平均值与幅频特性平均值A0相比应小于相比应小于-3dB。 2)截止频率截止频率fc :幅频特性值等于幅频特性值等于0.707A0所对应的频率。所对应的频率。 3)带宽带宽B和品质因数和品质因数Q:上下两截频间的频率范围称为带宽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中心频率和带宽之比称为品质因数 4)倍频程选择性倍频程选择性W:指在上截止频率指在上截止频率fc2与与 2fc2之间幅频特性的衰减之间幅频特性的衰减 值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。 5)滤波器因数滤波器因数:滤波器幅频特性滤波器幅频特性-60dB带宽与带宽与-3dB

31、带宽的比值带宽的比值6.4.4 RC滤波器滤波器 在测试系统中，常用在测试系统中，常用RC滤波器。因为这一领域中信号滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰强，有滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标准阻容元件较好的低频性能，并且选用标准阻容元件 。 1. 一阶一阶RC低通滤波器低通滤波器 xyyeedtdeRCfjfH211)(2)2(11)(ffA)2()(farctg真传输系统。低通滤波器是一个不失可以认为RC, 0)(, 1)(,21ffARCf截止频率。可以可以改变滤波器的参数时，可见，适当改变。点，对应的截止频率这

32、就是滤波器的RCRCfdBffARCfc213,45)(,21)(,2120作用。低通滤波器起积分器的RCdteRCeffARCfxy1,21)(,212. 2. 一阶一阶RCRC高通滤波器高通滤波器 xyyedteRCe1fjfjfH212)(2)2(12)(fffA)21()(farctgf真传输系统。高通滤波器是一个不失可以认为RC, 0)(, 1)(,21ffARCf截止频率。可以可以改变滤波器的参数时，可见，适当改变。点，对应的截止频率这就是滤波器的RCRCfdBffARCfc213,45)(,21)(,2120作用。高通滤波器起微分器的RCdtdeRCeffARCfxy,2)(,2

33、13. RC3. RC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可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联 )()()(21fHfHfH)()()(21fAfAfA)()()(21fff22211121,21CRfCRfcc上截止频率为下截止频率为4. RC4. RC有源滤波器有源滤波器 RCRC无源滤波器，具有线路简单、体积小、成本低的优点，无源滤波器，具有线路简单、体积小、成本低的优点，但它们都是低阶系统，由于过渡带衰减慢，因此选择性差。但它们都是低阶系统，由于过渡带衰减慢，因此选择性差。将几个一阶滤波器串联起来可以提高阶次，但极间耦合的负将几个一阶滤波器串联起来可以提高阶次

34、，但极间耦合的负载效应会使信号逐级减弱。载效应会使信号逐级减弱。 RCRC有源滤波器是用有源滤波器是用RCRC无源网络和运算放大器等有源器件无源网络和运算放大器等有源器件结合在一起构成的。运算放大器既可起级间隔离作用，又可结合在一起构成的。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。起信号幅值的放大作用。 RCRC网络则通常作为运算放大器的负网络则通常作为运算放大器的负反馈网络。反馈网络。 a）滤波网络接到放大器的输入端）滤波网络接到放大器的输入端 b）滤波网络作负反馈）滤波网络作负反馈图图5-25一阶有源一阶有源RC低通滤波器低通滤波器辽宁工学院汽车与交通学院辽宁工学院汽车与交通

35、学院恒带宽、恒带宽比滤波器恒带宽、恒带宽比滤波器 实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实际滤波实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实际滤波器中心频率与带宽之问的数值关系，可以分为两种。器中心频率与带宽之问的数值关系，可以分为两种。2) 恒带宽带通滤波器恒带宽带通滤波器 1) 恒带宽带通滤波器恒带宽带通滤波器 辽宁工学院汽车与交通学院辽宁工学院汽车与交通学院1/3倍频程滤波器倍频程滤波器滤波器的应用滤波器的应用案例：案例：无损探伤中的应用无损探伤中的应用滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警案例：案例：机床轴心轨迹的滤波处理机床轴心轨迹的滤波处理 滤除信

36、号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律6.5.1 信号的传输信号的传输 6.5 6.5 信号的传输及干扰抑制信号的传输及干扰抑制 一个测量系统，由于某种原因使得各组成部分的位置一个测量系统，由于某种原因使得各组成部分的位置相隔一定距离，它们之间必须通过某种通道来传输信息。相隔一定距离，它们之间必须通过某种通道来传输信息。即使各部件相互靠得较近，由于系统的一个部分相对即使各部件相互靠得较近，由于系统的一个部分相对于另于另部分而运动，也存在信号传输问题。部分而运动，也存在信号传输问题。本节将讨论信号的导线传输、集流环本节将讨论信号的导线传输、集流环( (

37、或称集流器或称集流器) )和和无线传输。无线传输。电干扰是由于外部环境对导线传输引入的干扰信号，或称电干扰是由于外部环境对导线传输引入的干扰信号，或称干扰电压，它主要是干扰源以电压、电流、辐射电磁场的形式，干扰电压，它主要是干扰源以电压、电流、辐射电磁场的形式，通过电磁感应、静电（电容）耦合于传输导线，是与所传递的通过电磁感应、静电（电容）耦合于传输导线，是与所传递的信息无关的电能。在测量系统中，传感器输出的模拟电信号常信息无关的电能。在测量系统中，传感器输出的模拟电信号常常频率较宽、电平较低，这样低的电平信号对电干扰十分敏感，常频率较宽、电平较低，这样低的电平信号对电干扰十分敏感，所以在组成

38、测试系统时，要避开干扰源和采取各种可能的抑制所以在组成测试系统时，要避开干扰源和采取各种可能的抑制干扰的措施。干扰的措施。 1. 1. 导线传输导线传输导线传输回路通常有电阻、分布电容和电感等阻抗。而长导线传输回路通常有电阻、分布电容和电感等阻抗。而长导线中电阻、电容和电感等参数并不是集中的，当需精确分析导线中电阻、电容和电感等参数并不是集中的，当需精确分析传输线路的特性时，常采用分布参数的方法。传输线路的特性时，常采用分布参数的方法。一般说来，每米长芯线的电阻值大约为一般说来，每米长芯线的电阻值大约为0.0330.033，而电容值，而电容值则大约为则大约为30pF30pF。 2. 2. 集流

39、环集流环如果如果传感器必须安装在旋转着的被测试件传感器必须安装在旋转着的被测试件上，例如测试汽车上，例如测试汽车半轴转矩，应变片贴在旋转的半轴上，就必须提供某种方法，在半轴转矩，应变片贴在旋转的半轴上，就必须提供某种方法，在旋转部件和静止部件旋转部件和静止部件( (如测试仪器如测试仪器) )之间，把激励电流输入传感器之间，把激励电流输入传感器并取走输出信号，实现数据传输和激励电源的传输。如果涉及的并取走输出信号，实现数据传输和激励电源的传输。如果涉及的转角比较小，则可采用连续的柔软导体。在有的情况下，旋转运转角比较小，则可采用连续的柔软导体。在有的情况下，旋转运动只有几圈，则可让连接导线在旋转

40、轴上绕圈或退绕。但是，当动只有几圈，则可让连接导线在旋转轴上绕圈或退绕。但是，当被测试件高速连续旋转时，就需要在旋转部件和静止部件之间采被测试件高速连续旋转时，就需要在旋转部件和静止部件之间采用集流环。用集流环。3. 3. 信号的无线传输信号的无线传输对于高速旋转部件和不易接触的移动部件的测试，在传对于高速旋转部件和不易接触的移动部件的测试，在传感器和测量记录仪器之间常常难以实现导线连接，有时因测感器和测量记录仪器之间常常难以实现导线连接，有时因测距太远或地形和空间的限制，也很难用导线直接连接，这时距太远或地形和空间的限制，也很难用导线直接连接，这时宜采用无线传输方式，即采用无线电波传输的无线

41、电遥测。宜采用无线传输方式，即采用无线电波传输的无线电遥测。 图图5-27 5-27 无线电遥测系统无线电遥测系统信号的干扰存在于各种测试系统中，因此测试信号在测信号的干扰存在于各种测试系统中，因此测试信号在测试系统不断的变换和传递过程中，各种干扰信号也随被测信试系统不断的变换和传递过程中，各种干扰信号也随被测信号一起变换和传递，所获测试结果总是不可避免地受到干扰，号一起变换和传递，所获测试结果总是不可避免地受到干扰，严重的干扰甚至会使测试系统不能正常工作。严重的干扰甚至会使测试系统不能正常工作。外部干扰来源于设备外部干扰来源于设备( (受感器受感器) )之外，与本设备的设计无之外，与本设备的

42、设计无关。内部干扰是由于设计不良或功能原理所产生的。关。内部干扰是由于设计不良或功能原理所产生的。6.5.2 干扰抑制干扰抑制 自然干扰自然干扰干扰形成的原因干扰形成的原因 人为干扰人为干扰 外部干扰外部干扰按照干扰源的位置按照干扰源的位置 内部干扰。内部干扰。 电场干扰电场干扰按照干扰原理按照干扰原理 磁场干扰磁场干扰 电磁场干扰电磁场干扰（1 1）静电感应）静电感应任何通电导体之间或通电导体与地之间都存在着分布电任何通电导体之间或通电导体与地之间都存在着分布电容干扰，电压通过分布电容的静电感应作用耦合到有效信号容干扰，电压通过分布电容的静电感应作用耦合到有效信号就造成干扰就造成干扰 。 （

43、2 2）电磁感应）电磁感应 电磁感应干扰由于干扰电流产生磁通，当此磁通随时间电磁感应干扰由于干扰电流产生磁通，当此磁通随时间变化，它可通过互感变化，它可通过互感, ,作用在测量电路引起感应电动势，当印作用在测量电路引起感应电动势，当印刷电路板中两根导线平行敷设时，就会有互感存在。刷电路板中两根导线平行敷设时，就会有互感存在。1. 1. 干扰的传播途径干扰的传播途径(a)静电感应 (b)电感耦合 （3 3）辐射电磁干扰的漏电流耦合）辐射电磁干扰的漏电流耦合在电能频繁交换的地方和高频换能装置周围存在着强烈在电能频繁交换的地方和高频换能装置周围存在着强烈的电磁辐射，会对仪器产生干扰电压；而电器元件绝

44、缘电阻的电磁辐射，会对仪器产生干扰电压；而电器元件绝缘电阻R R的漏电流或功率元器件间距不够也会产生漏电现象，由此的漏电流或功率元器件间距不够也会产生漏电现象，由此引入干扰。引入干扰。（4 4）共阻抗耦合）共阻抗耦合共阻抗耦合是指同一检测系统内部的各个部分之间传播共阻抗耦合是指同一检测系统内部的各个部分之间传播干扰。干扰。 (c)漏电流耦合 (d)共阻抗耦合 3. 3. 常用的抗干扰技术常用的抗干扰技术 静电屏蔽静电屏蔽 （1 1）屏蔽技术）屏蔽技术 电磁屏蔽电磁屏蔽 磁屏蔽磁屏蔽 信号接地信号接地（2 2）接地技术）接地技术 电缆屏蔽层的接地电缆屏蔽层的接地 图5-29单芯屏蔽线防止静电干扰

45、 隔离变压器隔离变压器 （3 3）隔离技术）隔离技术 光电耦合光电耦合 隔离放大器隔离放大器 图5-30光电耦合截断地回路 （4）平衡技术）平衡技术图5-31双芯屏蔽线防止静电和磁场干扰 一般说来，良好的屏蔽及正确的接地可去除大部分的电磁波干扰。使一般说来，良好的屏蔽及正确的接地可去除大部分的电磁波干扰。使用交流稳压器、隔离稳压器可减小供电电源波动的影响。信道干扰是测量用交流稳压器、隔离稳压器可减小供电电源波动的影响。信道干扰是测量装置内部的干扰，可以在设计时选用低噪声的元器件，印刷电路板设计时装置内部的干扰，可以在设计时选用低噪声的元器件，印刷电路板设计时元件合理排放等方式来增强信道的抗干扰

46、性。元件合理排放等方式来增强信道的抗干扰性。 6.6.1 笔式记录仪笔式记录仪6.6 6.6 信号的显示与记录装置信号的显示与记录装置在汽车测试过程中或测试结束后，需要将信号显示出来或在汽车测试过程中或测试结束后，需要将信号显示出来或记录下来，能方便地对研究对象实现在线或离线分析、处理。记录下来，能方便地对研究对象实现在线或离线分析、处理。常用的显示记录仪器很多，可分为模拟式记录仪器和数字式记常用的显示记录仪器很多，可分为模拟式记录仪器和数字式记录仪器。录仪器。常用的模拟式记录仪器有：笔式记录仪、光线示波器、磁常用的模拟式记录仪器有：笔式记录仪、光线示波器、磁带记录仪等。带记录仪等。应用的数字

47、式记录仪器有：数字磁带机，数字函数记录仪，应用的数字式记录仪器有：数字磁带机，数字函数记录仪，数字存储示波器，磁盘存储器和光盘存储器等。数字存储示波器，磁盘存储器和光盘存储器等。6.6.2 光线示波器光线示波器图5-33光线示波器构造图光线示波器是利用细光束在感光光线示波器是利用细光束在感光相纸或感光胶卷上感光记录信号的，相纸或感光胶卷上感光记录信号的，是一种可以显示和记录各种电量与物是一种可以显示和记录各种电量与物理量变化过程波形曲线的仪器。它利理量变化过程波形曲线的仪器。它利用电磁转换原理将变化的信号通过光用电磁转换原理将变化的信号通过光线记录在记录纸上。主要由振动子系线记录在记录纸上。主要由振动子系统、光学系统、记录纸传动系统及时统、光学系统、记录纸传动系统及时标系统等组成。标系统等组成。 振动子相当于一个磁电式检流计。振动子中的可动线圈上下各用一根张振动子相当于一个磁电式检流计。振动子中的可动线圈上下各用一根张丝拉紧在壳体上，用弹簧来保持一定的张紧力。在上张丝上贴有一个小反射镜。丝拉紧在壳体上，用弹簧来保持一定的张紧力。在上张丝上贴有一个小反射镜。一组（几个到几十个）振动子插在一个公共的磁场中。当有电流经过张丝流过一组（几个到几十个）振动子插在一个公共的磁场中。当有电流经过张丝流过线圈时，线圈在磁场中受到电磁转矩的作用，