测试技术基础第四章信号调理、处理和记录

1、Page: 1第四章第四章 信号调理、处理和记录信号调理、处理和记录Page: 2主要内容主要内容 电桥 调制与解调 滤波器滤波器 信号的放大、显示与记录信号的放大、显示与记录Page: 3第一节第一节 电电 桥桥 定义：将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压或定义：将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压或电流输出的电流输出的一种测量电路一种测量电路。 输出既可用指示仪表直接测量，也可送入放大器进行输出既可用指示仪表直接测量，也可送入放大器进行放大。放大。 特点：电路简单、有较高的精确度和灵敏度特点：电路简单、有较高的精确度和灵敏度 分类分类: 按激励电压的性质：按激励电压的性质：直流电桥直流

2、电桥和和交流电桥交流电桥 按照输出方式：按照输出方式：不平衡桥式电路不平衡桥式电路和和平衡桥式电路平衡桥式电路Page: 4直流电桥直流电桥基本形式基本形式 平衡条件平衡条件04321423104340211URRRRRRRRURRRURRRUUUadaby4231RRRR要使电桥平衡，输出为零，应要使电桥平衡，输出为零，应满足满足直流电源直流电源输出电压输出电压Page: 5直流电桥输出特性直流电桥输出特性 半桥单臂法 输出电压为了简化设计若 ，则输出电压 因 ，所以0434211URRRRRRRRUy043021RRRRRR，00RR 0024URRRUy0RR 004URRUyPage:

3、 6 电桥的输出电桥的输出 与激励电压与激励电压 成正比，且成正比，且在在 条件下，与条件下，与 成正比。成正比。 灵敏度灵敏度yU0U0RR 0/ RR041/URRUSy半桥单臂联接方式半桥单臂联接方式Page: 7直流电桥输出特性 半桥双臂法 输出电压输出电压 灵敏度灵敏度 与半桥单臂相比，灵敏度提高了一倍，电桥的输与半桥单臂相比，灵敏度提高了一倍，电桥的输出与出与 成完全线性关系成完全线性关系0004342211112URRURRRRRRRRRUy021/URRUSy0/ RRPage: 8直流电桥输出特性 全桥法 输出电压 灵敏度 电桥接法不同，输出电压也不同，全桥接法可获得最大输出

4、00URRUy0/URRUSyPage: 9不平衡桥式电路不平衡桥式电路 上述电桥是在不平衡条件下工作的，它的缺点是电压上述电桥是在不平衡条件下工作的，它的缺点是电压不稳定，或环境温度变化时，会引起电桥输出的变化，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。从而产生测量误差。 因此，在某些情况下采用因此，在某些情况下采用平衡电桥平衡电桥平衡电桥平衡电桥平衡电桥平衡电桥。Page: 10平衡桥式电路平衡桥式电路设被测量等于零时，电桥设被测量等于零时，电桥处于平衡状态，此时指示处于平衡状态，此时指示仪表仪表G及可调电位器及可调电位器H指零。指零。当某一桥臂随被测量变化当某一桥

5、臂随被测量变化时，电桥失去平衡，调节时，电桥失去平衡，调节电位器电位器H，改变电阻，改变电阻R5触电触电位置，可使电桥重新平衡，位置，可使电桥重新平衡，电表电表G指针回零。指针回零。电位器电位器H上的标度与桥臂电上的标度与桥臂电阻值的变化成比例，故阻值的变化成比例，故H的的指示值可以直接表达被测指示值可以直接表达被测量的数值量的数值。Page: 11 特点特点 读数时电表指针读数时电表指针G始终指零，始终指零，“零点测量零点测量法法” 应用应用 静态电阻应变仪：手动实现平衡静态电阻应变仪：手动实现平衡 电子电位差计、电子电位差计、X-Y记录仪：自动调平衡记录仪：自动调平衡平衡桥式电路的特点及应

6、用平衡桥式电路的特点及应用Page: 12交流电桥交流电桥采用交流电桥采用交流激励电压交流激励电压。电桥的四个臂可为。电桥的四个臂可为电感、电容或电阻电感、电容或电阻。电桥平衡条件电桥平衡条件把各阻抗用指数式表示把各阻抗用指数式表示代入上式代入上式ZZZZ1234UU0y4231ZZZZ1011jeZZ 2022jeZZ 3033jeZZ 4044jeZZ 423104020301jjeZZeZZPage: 13交流电桥平衡条件交流电桥平衡条件交流电桥平衡必须满足两个条件：交流电桥平衡必须满足两个条件：其中，其中， 为各阻抗的模；为各阻抗的模； 为阻抗角。为阻抗角。阻抗角是各桥臂电流与电压之间

7、的相位差。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，纯电阻时电流与电压同相位，=0；电感性阻抗，；电感性阻抗，0；电容性阻抗，电容性阻抗，0。423104020301ZZZZ04030201ZZZZ、4321、Page: 14 电容传感器 电感传感器 电阻传感器cjrZc1LjrZLcjRZR1/rcZcLrZLRCZRPage: 15电容电桥平衡条件电容电桥平衡条件 平衡条件平衡条件 要使电桥达到平衡，必须同时调节电阻与电容两个参数，即调节电阻达到平衡，调节电容达到平衡Page: 16电感电桥平衡条件电感电桥平衡条件 平衡条件平衡条件Page: 17纯电阻电桥应注意的问

8、题纯电阻电桥应注意的问题 由于导线间存在分布电容。因此，除了有电由于导线间存在分布电容。因此，除了有电阻平衡外，还须有电容平衡阻平衡外，还须有电容平衡 动态电阻应变仪中的具有电阻和电容平衡的动态电阻应变仪中的具有电阻和电容平衡的纯电阻电桥纯电阻电桥Page: 18第二节第二节 调制与解调调制与解调 目的目的：放大信号、便于传输放大信号、便于传输 调制调制：使一个信号的某些参数在另一信号的控制下发生变化的：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。前一信号称为过程。前一信号称为载波载波，后一信号（控制信号）称为，后一信号（控制信号）称为调制信号调制信号。最后的输出是最后的输出是已调制

9、波已调制波。 解调解调：最终从已调制波中恢复出调制信号的过程。：最终从已调制波中恢复出调制信号的过程。 许多传感器的输出就是一种已调制信号！许多传感器的输出就是一种已调制信号！根据载波受调制的参数不同，调制可分为根据载波受调制的参数不同，调制可分为 调幅（调幅（AM）-调幅波调幅波 调频（调频（FM）-调频波调频波 调相（调相（PM）-调相波调相波Page: 19Page: 20一、调幅及其解调一、调幅及其解调 定义定义：调幅是将一个高频简谐信号（载波）与测试信号（调制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。信号）相乘，使高频信号的幅

10、值随测试信号的变化而变化。 调幅原理调幅原理 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。 fYfXtytx*00021212cosfffftfPage: 21若以高频余弦信号作载波，把信号若以高频余弦信号作载波，把信号x(t)和载波和载波信号相乘，其结果就相当于把原信号的频谱图信号相乘，其结果就相当于把原信号的频谱图形由原点平移至载波

11、频率形由原点平移至载波频率 处，幅值减半。处，幅值减半。即，即， 调幅过程相当于频谱“搬移”过程0f 000*21*212cosfffXfffXtftxPage: 22调幅过程调幅过程Page: 23须注意的问题须注意的问题从调幅原理看，载波频率从调幅原理看，载波频率 必须高于原信号中的最高必须高于原信号中的最高频率频率 才能使已调波仍保持原信号的频谱图形，不致才能使已调波仍保持原信号的频谱图形，不致重叠。重叠。为了减小放大电路可能引起的失真，信号的频宽相对为了减小放大电路可能引起的失真，信号的频宽相对中心频率（载波频率中心频率（载波频率 ）应越小越好。）应越小越好。实际载波频率常至少数倍甚至

12、数十倍于调制信号。实际载波频率常至少数倍甚至数十倍于调制信号。幅值调制装置幅值调制装置实质上是一个实质上是一个乘法器。乘法器。电桥电桥在本质上也是一个在本质上也是一个乘法装置。乘法装置。0fmf0fPage: 24解解 调调 11）同步解调）同步解调把调幅波再次与原载波信号相乘，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则频域图形将再一次进行“搬搬移移”。若用一个低通滤波器滤去中心频若用一个低通滤波器滤去中心频率为率为 的高频成分，那么将可的高频成分，那么将可以复现原信号的频谱（幅值减小以复现原信号的频谱（幅值减小为一半），这一过程称为为一半），这一过程称为同步解同步解调调。 “同步

13、同步”指解调时所乘的信号指解调时所乘的信号与调制时的载波信号具有与调制时的载波信号具有相相同的频率和相位同的频率和相位。02 fPage: 25解解 调调 2（2）偏置解调）偏置解调把调制信号进行偏置，叠把调制信号进行偏置，叠加一个直流分量加一个直流分量A，使偏置，使偏置后的信号都具有正电压，后的信号都具有正电压，那么调幅波的包络线将具那么调幅波的包络线将具有原调制信号的形状。把有原调制信号的形状。把该调幅波简单地整流、滤该调幅波简单地整流、滤波就可恢复原调制信号。波就可恢复原调制信号。如果原调制信号中有直流如果原调制信号中有直流分量，则在整流后分量，则在整流后应准确应准确地减去所加的偏置电压

14、地减去所加的偏置电压。Page: 26解解 调调 3（2）偏置解调）偏置解调若所加的偏置电压未能若所加的偏置电压未能使信号电压都在零线的使信号电压都在零线的一侧，则对调幅波简单一侧，则对调幅波简单地整流不能恢复原调制地整流不能恢复原调制信号。信号。相敏检波技术相敏检波技术可解决此可解决此问题。问题。Page: 27相相 敏敏 检检 波波Page: 28相敏检波的工作原理相敏检波的工作原理 原信号、调幅波与载波之间的关系原信号、调幅波与载波之间的关系 当当 ，调幅波与载波同相位；，调幅波与载波同相位； 当当 ，调幅波与载波反相位，调幅波与载波反相位 工作原理工作原理 调幅波与载波调幅波与载波y(

15、t)同相同相 载波电压为正载波电压为正 均为正均为正 （ 原信号原信号x(t)为正）为正） 载波电压为负载波电压为负 调幅波与载波调幅波与载波y(t)异相异相 载波电压为正载波电压为正 均为负均为负 （原信号（原信号x(t)为负）为负） 载波电压为负载波电压为负 利用二极管的单向导通作用将电路输出机性换向利用二极管的单向导通作用将电路输出机性换向 0)(tx0)(txPage: 29动态电阻应变仪动态电阻应变仪 电桥调幅与相敏检波的典型应用电桥调幅与相敏检波的典型应用Page: 30二、调频及其解调二、调频及其解调 调频调频（频率调制）是利用信号电压的幅值控制一个（频率调制）是利用信号电压的幅

16、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。移量和信号电压成正比。当信号电压为零时，当信号电压为零时，调频波的频率等于调频波的频率等于中心频率；信号电中心频率；信号电压为正值时频率提压为正值时频率提高，负值时则降低。高，负值时则降低。Page: 31Page: 32（一）直接调频测量电路（一）直接调频测量电路 把被测量的变化直接转换为振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。量电路，其输出也是等幅波。举例：电容、涡流、电感传感器举例：电容、涡流、电感传

17、感器的一种测量电路的一种测量电路两种常用的调频方法及一种解调方案两种常用的调频方法及一种解调方案：Page: 33两种常用的调频方法及一种解调方案两种常用的调频方法及一种解调方案（二）压控振荡器（二）压控振荡器（ VCO ） 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。 有多种形式的芯片出售，振荡器的中心频有多种形式的芯片出售，振荡器的中心频率和频率范围由生产厂家预置，频率范围与率和频率范围由生产厂家预置，频率范围与控制电压相对应。控制电压相对应。Page: 34（三）鉴频器原理（三）鉴频器原理(调频波的解调又称为鉴频，是将频率变化恢复调频波的解调又称为鉴频，是将频率变化恢复成调制信

18、号电压幅值变化的过程。成调制信号电压幅值变化的过程。Page: 35第三节第三节 滤波器滤波器 定义：是一种选频装置。定义：是一种选频装置。 作用：选频作用（进行频谱分析、滤除作用：选频作用（进行频谱分析、滤除干扰噪声）干扰噪声） 分类：分类： 按选频作用分按选频作用分低通滤波器低通滤波器高通滤波器高通滤波器 带通滤波器带通滤波器 带阻滤波器带阻滤波器Page: 36滤波器的分类滤波器的分类1Page: 37滤波器的分类滤波器的分类2 按构成元件类型分按构成元件类型分 RC谐振滤波器谐振滤波器 LC谐振滤波器谐振滤波器 晶体谐振滤波器晶体谐振滤波器 按构成电路性质分按构成电路性质分 有源滤波器

19、有源滤波器 无源滤波器无源滤波器 按所处理的信号分按所处理的信号分 模拟滤波器模拟滤波器 数字滤波器数字滤波器Page: 38滤波器性能分析滤波器性能分析-理想滤波器理想滤波器 定义：定义：若滤波器的频率若滤波器的频率响应响应H( f )满足如下条件满足如下条件: 其它0020cftjffeAfH特别提醒特别提醒: : 理想低通滤理想低通滤波器是不能实现的波器是不能实现的! !Page: 39Page: 40特别提醒特别提醒 理想的高通、带通、带阻理想的高通、带通、带阻滤波器都是不存在的。滤波器都是不存在的。Page: 41滤波器性能分析滤波器性能分析- 实际滤波器的特征参数实际滤波器的特征参

20、数截止频率截止频率带宽带宽B波纹幅度波纹幅度品质因子品质因子(Q值值)倍频程选择性倍频程选择性滤波器因数滤波器因数（矩形系数）（矩形系数）Page: 42 带宽带宽B： 上下两截止频率之间的频率范围上下两截止频率之间的频率范围,又称又称-3dB带宽。带宽。带滤波器的带宽表示着它的频率分辨力，通带越窄则分辨力越高。 品质因子（品质因子（Q值）：值）：对带通滤波器而言，定义对带通滤波器而言，定义为中心频率为中心频率f0与带宽与带宽B的比值，即的比值，即Q = f0 / B。 倍频程选择性倍频程选择性: 频率变化一个倍频程的幅频特频率变化一个倍频程的幅频特性的衰减量，以性的衰减量，以dB表示。表示。

21、衰减越快，选择性越好。 滤波器因数（矩形系数）滤波器因数（矩形系数）：dBdBBB360实际滤波器的特征参数实际滤波器的特征参数Page: 43实际滤波电路实际滤波电路微分方程微分方程传递函数传递函数Page: 44一阶一阶RC低通滤波器频率特性低通滤波器频率特性RC决定着上截止频率RC低通滤波器起着积分器的作用Page: 45RC高通滤波器频率特性高通滤波器频率特性Page: 461、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。21f 21fARC

22、fc21121f 1fA 0f21fPage: 47RC带通滤波器带通滤波器的基本特性 可看成是低通滤波器和高通滤波器串联组成。Page: 48RC带通滤波器带通滤波器的基本特性串联所得的带通滤波器以原高通滤波器的截止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，其上截止频率为原低通的频率为下截止频率，其上截止频率为原低通的截止频率，即截止频率，即分别调节高、低通环节的时间常数，就可得到不同的上、下截止频率和带宽的带通滤波器。Page: 49电感和电容一起使用可以改善滤波器边缘Page: 50提高滤波器性能的方法提高滤波器性能的方法Page: 51提醒注意提醒注意 多个简单滤波器的级联能改善滤波器的过渡带性能 带来的问题：负载效应、相移增大 如何解决此问题？Page: 52有源滤波器的基本构造有源滤波器的基本构造Page: 53一阶有源滤波器一阶有源滤波器Page: 54带通滤波器在信号频率分析中的应用带通滤波器在信号频率分析中的应用 多路滤波器的并联形式多路滤波器的并联