CH 5 信号调理_处理和记录

1、单击此处编辑母版标题样式 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级1第第5 5章章 信号调理和记录信号调理和记录Signal Condition, Process and Record5.1 电桥电桥(Bridge Circuit)5.3 调制与解调调制与解调(Modulation and Demodulation)5.4 滤波器滤波器(Wave Filter) 5.5 信号的指示和记录装置信号的指示和记录装置 (Indication and Record Equipments of Signal)5.2 信号的放大与隔离信号的放大与隔离5.1 5.1 电电 桥桥 (Bridg

2、e Circuit)将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压或将电阻、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。电流输出的一种测量电路。按照激励电压的性质，分为按照激励电压的性质，分为直流直流电桥电桥和和交流电桥交流电桥；按；按照输出方式，分为照输出方式，分为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。电桥电桥: :分类分类: :1. 1. 直流电桥直流电桥21i1RRuI43i2RRuI电电 桥桥(2/19)(2/19)R1R3R4R2uiuoI1I2abdci43214231i4342112211adabo)()(uRRRRRRRRuRRRRRRRIRIuuu4

3、231RRRR(2)(2)电桥的平衡条件电桥的平衡条件 (1) (1) 电桥输出电压电桥输出电压电电 桥桥(3/19)(3/19)直流电桥的连接方式直流电桥的连接方式 (a) (a) 半桥单臂半桥单臂 (b) (b) 半桥双臂半桥双臂 (c) (c) 全桥全桥 电电 桥桥(4/19)(4/19)R3R4R2uiuoI1I2abdcR3R4uiuoI1I2abdcuiuoI1I2abdc11RRD11RRD22RRDm11RRD22RRDm44RRDm33RRD342uu1234uu12u1211RRD11RRD22RRDm11RRD22RRDm44RRDm33RRD设设R1为应变片的阻值，工作

4、时为应变片的阻值，工作时R1有一增量有一增量R1，当为拉伸应，当为拉伸应变时，变时，R1为正；压缩应变时，为正；压缩应变时，R1为负。为负。(3) (3) 电桥的电桥的灵敏度灵敏度04321RRRRRi01o4uRRuDi4321142311o)()(uRRRRRRRRRRuDD实际使用中，为了简化桥路设计，同时也为了得到电桥的最实际使用中，为了简化桥路设计，同时也为了得到电桥的最大大灵敏度灵敏度，往往取桥臂电阻相等，即，往往取桥臂电阻相等，即 一般一般D DR很小，即很小，即D DR(C+Cf)时时, ,fyCqU5 5、电荷放大器、电荷放大器电荷放大器是一个高增益带电容反馈的运算放大器。电

5、荷放大器是一个高增益带电容反馈的运算放大器。 )(ffyCCKCKqUK=Uy/UiU Uy yU Ui i传感器电容传感器电容电缆电容电缆电容放大器输入电容放大器输入电容电荷放大器：电荷放大器：高增益带高增益带电容反馈的运算放大器电容反馈的运算放大器C即输出电压与传感器的电荷量成正比即输出电压与传感器的电荷量成正比6 6、隔离放大器、隔离放大器 在有强电或强电磁干扰的环境中，传感器的输出在有强电或强电磁干扰的环境中，传感器的输出信号中混杂着许多干扰和噪声。其原因是：信号中混杂着许多干扰和噪声。其原因是：地回路、地回路、静电耦合以及电磁耦合静电耦合以及电磁耦合。 为消除这些为消除这些干扰和噪声

6、，除了将模拟信号进行低干扰和噪声，除了将模拟信号进行低通滤波，虑掉部分高频干扰外，还必须通滤波，虑掉部分高频干扰外，还必须合理处理接地合理处理接地问题，将放大器实行静电和电磁屏蔽并浮置起来问题，将放大器实行静电和电磁屏蔽并浮置起来。这。这就是隔离放大器，其输入和输出电路之间没有直接的就是隔离放大器，其输入和输出电路之间没有直接的电路连接，只有磁路或光路的联系。电路连接，只有磁路或光路的联系。 隔离放大器的应用隔离放大器的应用：高噪声环境中的便携式仪器：高噪声环境中的便携式仪器和某些测试系统；医学测量领域，确保人体不受和某些测试系统；医学测量领域，确保人体不受1010A A以上的漏电流和高压危害

7、；防止因故障而使电网电压以上的漏电流和高压危害；防止因故障而使电网电压对低压电路造成损坏。对低压电路造成损坏。 隔离放大器由隔离放大器由输入放大器输入放大器、输出放大器输出放大器、隔离器隔离器以及以及隔离电源隔离电源等几部分组成。由于采用浮置式（浮等几部分组成。由于采用浮置式（浮置电源、浮置放大器输入端）设计，输入、输出端置电源、浮置放大器输入端）设计，输入、输出端相互隔离，不存在公共地线的干扰，因此具有极高相互隔离，不存在公共地线的干扰，因此具有极高的共模抑制能力，能对信号进行安全准确的放大，的共模抑制能力，能对信号进行安全准确的放大，有效防止高压信号对低压测试系统造成的破坏。有效防止高压信

8、号对低压测试系统造成的破坏。 输入级输入级输出级间的耦合输出级间的耦合变压器耦合变压器耦合采用载波调制采用载波调制- -解调技术，解调技术，具有较高的线性度和隔离性能，共模抑具有较高的线性度和隔离性能，共模抑制比高，技术较成熟，但通常带宽较窄，制比高，技术较成熟，但通常带宽较窄，约数约数KHzKHz以下以下( (高性能的变压器耦合隔离高性能的变压器耦合隔离放大器带宽可达放大器带宽可达20KHz20KHz左右左右) )，且体积大、，且体积大、工艺成本复杂。工艺成本复杂。电容耦合电容耦合采用数字调制技术采用数字调制技术( (电压电压- -频率频率变换或电压变换或电压- -脉冲占空比变换脉冲占空比变

9、换) )，将输入，将输入信号以数字量的形式由差分耦合电容耦信号以数字量的形式由差分耦合电容耦合到输出侧，可靠性好，带宽较宽，具合到输出侧，可靠性好，带宽较宽，具有良好的频率特性。有良好的频率特性。光电耦合光电耦合结构简单、成本低廉、器件重结构简单、成本低廉、器件重量轻、频带宽，但光耦合器是非线性器量轻、频带宽，但光耦合器是非线性器件，尤其在信号较大时，将出现较大的件，尤其在信号较大时，将出现较大的非线性误差。非线性误差。 线性误差：小于0.01%输入阻抗：1M 隔离度：2500V/50Hz/1min 工作温度：-10+60精密隔离放大器举例5.3 调制与解调调制与解调 (Modulation

10、and Demodulation)n传感器输出的电信号一般为较低频率分量（在直流至几传感器输出的电信号一般为较低频率分量（在直流至几十千赫兹之间），当被测信号比较弱时，为了实现信号的十千赫兹之间），当被测信号比较弱时，为了实现信号的传输尤其是远距离传输，可以采用直流放大或调制与解调。传输尤其是远距离传输，可以采用直流放大或调制与解调。n信号传输过程中容易受到工频及其他信号的干扰，若采信号传输过程中容易受到工频及其他信号的干扰，若采用直流放大则在传输过程中必须采用有限措施抑制干扰用直流放大则在传输过程中必须采用有限措施抑制干扰信号的影响。信号的影响。n实际中往往采用更有效的先调制而后交流放大，将

11、信号实际中往往采用更有效的先调制而后交流放大，将信号从低频区推移到高频区，也可以提高电路的抗干扰能力和从低频区推移到高频区，也可以提高电路的抗干扰能力和信号的信噪比。信号的信噪比。n调制就是使一个信号的某些参数在另一个信号的控制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。前一信号称为载波，后一信号下而发生变化的过程。前一信号称为载波，后一信号（控制信号）称为调制信号。（控制信号）称为调制信号。n对应于信号的三要素：幅值、频率和相位，根据载波对应于信号的三要素：幅值、频率和相位，根据载波的幅值、频率和相位随调制信号而变化的过程，调制可的幅值、频率和相位随调制信号而变化的过程

12、，调制可以分为调幅、调频和调相，其波形分别称为调幅波、调以分为调幅、调频和调相，其波形分别称为调幅波、调频波和调相波。频波和调相波。 调制与解调调制与解调(2/26)(2/26) 单击此处编辑母版文本样式 第二级 第三级 第四级 第五级载波、调制信号及调幅、调频波图载波、调制信号及调幅、调频波图(a) 载波信号载波信号 (b) 调制信号调制信号 (c) 调幅波形调幅波形 (d) 调频波形调频波形调制与解调调制与解调(3/26)(3/26)(a)(b)(c)(d)1.1.幅值调制与解调幅值调制与解调 设调制信号为设调制信号为 ，其最高频率成分为，其最高频率成分为 ，载波信号，载波信号为为 ， 。

13、则有调幅波：。则有调幅波： )(txmftf02cos m0ff e)(e)(212cos)(002j2j0tftftxtxtftx由傅里叶变换的卷积性质由傅里叶变换的卷积性质)(*)()()(fYfXtytx调幅是将一个高频简谐信号（载波信号）与测试信号调幅是将一个高频简谐信号（载波信号）与测试信号（调制信号）相乘，使载波信号的幅值随测试信号的变（调制信号）相乘，使载波信号的幅值随测试信号的变化而变化。化而变化。 (1)幅值调制的工作原理幅值调制的工作原理调制与解调调制与解调(4/26)(4/26)()(212cos000fffftf而而则则)(21)(21)(*)()(*)(212cos)

14、(00000ffXffXfffXfffXtftx调制与解调调制与解调(5/26)(5/26)调幅过程相当于调幅过程相当于“频谱频谱”搬移过程。搬移过程。 调幅的目的是为了便于缓变信号的放大和传送。调幅的目的是为了便于缓变信号的放大和传送。如在电话电缆、有线电视电缆中，由于不同的信号被调如在电话电缆、有线电视电缆中，由于不同的信号被调制到不同的频段，因此在一根导线中可以传输多路信号。制到不同的频段，因此在一根导线中可以传输多路信号。为了减小放大电路可能引起的失真，信号的频宽相对于为了减小放大电路可能引起的失真，信号的频宽相对于中心频率（载波频率）应越小越好，实际载波频率常至中心频率（载波频率）应

15、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频率。少数倍甚至数十倍于调制信号频率。调制与解调调制与解调(6/26)(6/26)重叠失真重叠失真：调幅波是由一对每边为：调幅波是由一对每边为f fm m的双边带信号组成。的双边带信号组成。当载波频率当载波频率f f0 0较低时，正频端的下边带将与负频端的上较低时，正频端的下边带将与负频端的上边带相重叠。要求边带相重叠。要求: : f f0 0f fm m -f-f0 0f f0 0振荡器放大器检波器滤波器电涡流传感器的分压式调幅电路框图(2)幅值调制信号的幅值调制信号的解调解调 1)1)同步解调同步解调 解调的目的是为了解调的目的是为了恢复

16、被调制的信号。恢复被调制的信号。调幅波调幅波载波载波调幅波与载波调幅波与载波时域乘积，频时域乘积，频域卷积域卷积调制与解调调制与解调(7/26)(7/26)调幅与同步解调过程（调幅与同步解调过程（波形分析波形分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)y(t)x m(t)乘法器乘法器滤波器滤波器y(t)x(t)同步解调原理同步解调原理tftxtxtftftx0004cos)(21)(212cos2cos)(从时域看：从时域看： 2)2)整流检波解调整流检波解调 对调制信号进行偏置，使其大于对调制信号进行偏置，使其大于零。将该调制波进行整流（半波零。将该调制波进行整流（半波或全波）、滤波并消除直流偏置

17、或全波）、滤波并消除直流偏置即可恢复原信号。即可恢复原信号。调制与解调调制与解调(8/26)(8/26) 整流检波解调整流检波解调(a)(b)(c)(d)(e)(f)调制与解调调制与解调(9/26)(9/26) 3）相敏检波原理：交变信号在其过零线时符号（，）发生突变，调幅波的相位与载波比较也相应地发生1800的跳变。利用载波信号与之比相，既能反映出原信号的幅值，也能反映其极性。二极管环行相敏检波 变压器A、B 4个平衡电阻 4个二极管顺向串联 电路设计使 uum电路工作原理：1)当x(t)0，um极性与u极性相同当u为正半周期，VD1和VD2导通。由电路对称性，ud=uf。检波器输出为中心抽

18、头e和f间的电位差，则输出uef=ued，因此时um也为正半周，所以输出为正极性。当u为负半周期，VD3和VD4导通。由电路对称性，ub=uf。检波器输出为uef=ueb，因此时um也为负半周，所以输出仍为正极性。2)当x(t)0，um极性与u极性相反+-+-当u为正半周期，输出为负极性。当u为负半周期，输出仍为负极性。低 通 滤波器4)调幅应用调幅应用动态电阻应变仪动态电阻应变仪 调制与解调调制与解调(16/26)(16/26)电桥电桥放大器放大器相敏检波相敏检波低通滤波低通滤波显示记录显示记录载波振荡器载波振荡器x(t)x(t)0t0ty(t)电阻应变片电阻应变片0txm(t)0tx(t)

19、0txm(t)2 2调频及其解调调频及其解调 (1)(1) 原理原理利用调制信号的幅值控制载波信号频率的过程。调频波是利用调制信号的幅值控制载波信号频率的过程。调频波是等幅波，但频率的变化量与调制信号幅值成正比。等幅波，但频率的变化量与调制信号幅值成正比。 调频波的瞬时频率可表示为调频波的瞬时频率可表示为 f = f0 + D Df = f0 + K x(t) f0 为载波频率，也称中心频率。为载波频率，也称中心频率。D Df 为频率偏移，与调制信号为频率偏移，与调制信号x(t)幅值成正比。幅值成正比。 调制与解调调制与解调(17/26)(17/26)调频波与调制信号幅值的关系图调频波与调制信

20、号幅值的关系图 调制与解调调制与解调(18/26)(18/26) 在测量系统中，常利用电抗元件组成调谐振荡器，以在测量系统中，常利用电抗元件组成调谐振荡器，以电抗元件（电感或电容）作为传感器参量，以它感受被测电抗元件（电感或电容）作为传感器参量，以它感受被测量的变化，作为调制信号的输入，振荡器原有的信号振荡量的变化，作为调制信号的输入，振荡器原有的信号振荡信号作为载波。当有调制信号输入时，振荡器输出即为被信号作为载波。当有调制信号输入时，振荡器输出即为被调制了的调频波。当电容调制了的调频波。当电容C C和电感和电感L L并联组成振荡器的谐振并联组成振荡器的谐振回路时，电路的谐振频率将为：回路时

21、，电路的谐振频率将为： 调制与解调调制与解调(20/26)(20/26)21 (22100000LLffffLLffLCfDDDDLLfLCLCfd2d2121d23 (2)调频波的解调调频波的解调调频波是以正弦波频率的变化来反映被测信号的幅值变化。调频波是以正弦波频率的变化来反映被测信号的幅值变化。调频波的解调是先将调频波变换成调频调幅波，然后进行调频波的解调是先将调频波变换成调频调幅波，然后进行幅值检波。幅值检波。调频波的解调由鉴频器完成。鉴频器通常由线性变换电调频波的解调由鉴频器完成。鉴频器通常由线性变换电路与幅值检波电路组成。路与幅值检波电路组成。调制与解调调制与解调(25/26(25

22、/26)鉴频有多种方式，常用谐振回路鉴频法。鉴频有多种方式，常用谐振回路鉴频法。(a) 鉴频器鉴频器 (b) 频率频率-电压特性曲线电压特性曲线 调制与解调调制与解调(26/26)(26/26)ufC1L1L2C2CRu0ua频率电压线性变换部分频率电压线性变换部分幅值检波幅值检波ua0 n0ttua0uat05.4 5.4 滤波器滤波器 (Wave Filter)滤波器是一种选频装置，它只允许一定频带范围的信号滤波器是一种选频装置，它只允许一定频带范围的信号通过，同时极大地衰减其他频率成分。通过，同时极大地衰减其他频率成分。滤波器的这种筛选功能在测试技术中可以起到消除噪声、滤波器的这种筛选功

23、能在测试技术中可以起到消除噪声、干扰信号等作用，在自动检测、自动控制、信号处理等干扰信号等作用，在自动检测、自动控制、信号处理等领域得到广泛的应用。领域得到广泛的应用。1. 1. 滤波器的分类滤波器的分类低通滤波器：低通滤波器：通频带通频带 0f2。高通滤波器：通频带高通滤波器：通频带 f1 带通滤波器：通频带带通滤波器：通频带 f1f2带阻滤波器：通频带带阻滤波器：通频带 0f1 与与 f2 （阻带：（阻带：f1f2）(1) (1) 根据滤波器的选频特性分类根据滤波器的选频特性分类高通滤波器幅频特性高通滤波器幅频特性=1-低通滤波器幅频特性低通滤波器幅频特性 带阻滤波器是高通和低通的组合带阻

24、滤波器是高通和低通的组合滤波器滤波器(2/23)(2/23)低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本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形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。的滤波器。低通截止频低通截止频率大于高通率大于高通截止频率截止频率低通截止频低通截止频率小于高通率小于高通截止频率截止频率(2)(2)根据滤波器的元件类型分类根据滤波器的元件类型分类RC、LC、晶体谐振及开关电容滤波器、晶体谐振及开关电容滤波器。(3)(3)根据滤波器的电路性质分类根据滤波器的电路性质分类有源、无源滤波器。有源、无源滤波器。(4)(4)根据滤波

25、器的信号性质分类根据滤波器的信号性质分类模拟、数字滤波器。模拟、数字滤波器。滤波器滤波器(3/23)2.2.理想滤波器理想滤波器 (1)(1)理想滤波器模型及脉冲响应理想滤波器模型及脉冲响应 无过渡带且在通频带内满足不失真测试条件的滤波器称为无过渡带且在通频带内满足不失真测试条件的滤波器称为理想滤波器。理想滤波器的频率响应函数为理想滤波器。理想滤波器的频率响应函数为 )(0)(e)(c2j00其他ffAfHft理想滤波器的脉冲响应函数为理想滤波器的脉冲响应函数为sinc函数，若无相角滞后函数，若无相角滞后（t0=0）：）： tffAthcc02sinc2)(滤波器滤波器(4/23)(4/23)

26、任何现实系统都不任何现实系统都不可能具有这种预知可能具有这种预知未来的能力未来的能力在输入在输入 (t)到来以前到来以前,滤波器有与输入相滤波器有与输入相对应的输出对应的输出理想低通滤波器是理想低通滤波器是不存在的不存在的.理想高通、带通、理想高通、带通、带阻滤波器也是不带阻滤波器也是不存在的存在的滤波器滤波器(5/23)(5/23)ffc0-fc (f)2 t0A00ffc-fc|H(f)|(a)理想低通滤波器频率特性理想低通滤波器频率特性t01/2fc1/fc-1/2fc-1/fc2A0fch(t)tt00h(t)(b)理想低通滤波器脉冲响应函数理想低通滤波器脉冲响应函数 (2) (2)理

27、想滤波器的阶跃响应理想滤波器的阶跃响应)0(0)0(1)(tttu1)1)单位阶跃输入单位阶跃输入 2)2)滤波器的阶跃响应滤波器的阶跃响应： 滤波器滤波器(6/23)(6/23)d)-()()()()(-tuhtuthty若不考虑前、后皱波，输出从若不考虑前、后皱波，输出从0(a点点)到应有的稳定值到应有的稳定值A0(b点点)之间的所需建立时间为：之间的所需建立时间为： c61. 0fttab上截止频率上截止频率3)3)阶跃响应波形图阶跃响应波形图 4)4)响应时间响应时间滤波器滤波器(7/23)(7/23)理想低通滤波器对单位阶跃输入的响应理想低通滤波器对单位阶跃输入的响应0ttbtaay

28、(t)A00.5A0b(a)无相角滞后，时移无相角滞后，时移t0=00ty(t)tbt0taaA00.5A0b(b)有相角滞后，时移有相角滞后，时移t00如果按稳态响应值的如果按稳态响应值的0.10.9作为计算建立时间的标准，则作为计算建立时间的标准，则c45. 0fttab滤波器通频带越宽（滤波器通频带越宽（fc越高），建立时间越短，响应速度越越高），建立时间越短，响应速度越快。其物理意义是：快。其物理意义是：n输入信号突变处（间断点）必然含有丰富的高频分量。输入信号突变处（间断点）必然含有丰富的高频分量。n低通滤波器阻衰了高频分量，结果将输出波形低通滤波器阻衰了高频分量，结果将输出波形“圆

29、滑圆滑”。n通带越宽，阻衰的高频分量越少，使信号能量更多更快地通带越宽，阻衰的高频分量越少，使信号能量更多更快地通过，故建立时间短，反之建立时间长。通过，故建立时间短，反之建立时间长。滤波器滤波器(8/23)(8/23)低通滤波器对阶跃响应的建立时间低通滤波器对阶跃响应的建立时间Te与带宽与带宽B成反比，即：成反比，即：BTe = 常数常数该结论对高通、带通及带阻滤波器均成立。该结论对高通、带通及带阻滤波器均成立。滤波器带宽表示其频率分辨力，通带越窄，分辨力越高，显滤波器带宽表示其频率分辨力，通带越窄，分辨力越高，显然，高分辨力与响应速度是互相矛盾的。如果要用滤波的方然，高分辨力与响应速度是互

30、相矛盾的。如果要用滤波的方法从信号中提取某一很窄的频率成分（如作谱分析），必须法从信号中提取某一很窄的频率成分（如作谱分析），必须有足够的时间。有足够的时间。 5)高分辨力与响应速度的关系高分辨力与响应速度的关系:滤波器滤波器(9/23)(9/23)3. 3. 实际滤波器实际滤波器 (1)(1)实际滤波器的基本参数实际滤波器的基本参数 理想带通滤波器（虚线）与实际带通滤波器（实线）的幅频特性图理想带通滤波器（虚线）与实际带通滤波器（实线）的幅频特性图滤波器滤波器(10/23)(10/23)上、下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽或上、下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽或- -3dB带

31、宽。带宽带宽。带宽B 决定频率分辨力。决定频率分辨力。将中心频率将中心频率f0（ ，几何平均）与带宽，几何平均）与带宽B之比称为之比称为滤波器的品质因素。滤波器的品质因素。f0确定，品质因素确定，品质因素Q越大，滤波器分辨越大，滤波器分辨力越高。力越高。 2c1c0fff )()2(log202c2cfAfAW)()2(log201c1cfAfAW或或 指在上截止频率指在上截止频率fc2与与2fc2之间，或者在下截止频率之间，或者在下截止频率fc1与与fc1/2之间之间幅频特性的衰减量，即频率变化一个倍频程的衰减量。幅频特性的衰减量，即频率变化一个倍频程的衰减量。带宽带宽B和品质因素和品质因素

32、Q倍频程选择性倍频程选择性W滤波器滤波器(11/23)(11/23)截止频率：截止频率：幅频特性值等于幅频特性值等于0.707A0.707A0 0所对应的频率。所对应的频率。倍频程选择性用倍频程选择性用dB/oct表示，有时也采用表示，有时也采用10倍频程选择性用倍频程选择性用dB/dec表示。倍频程选择性表明滤波器过渡带内幅频曲线的表示。倍频程选择性表明滤波器过渡带内幅频曲线的倾斜程度，它决定了滤波器对带宽外频率成分衰减的能力。倾斜程度，它决定了滤波器对带宽外频率成分衰减的能力。显然显然W越大，滤波器选择性越好。越大，滤波器选择性越好。滤波器滤波器(12/23)(12/23)滤波器幅频特性呈

33、纹波变化的波动幅度滤波器幅频特性呈纹波变化的波动幅度d d。与。与A A0 0相比，一般应相比，一般应远小于远小于3dB3dB，即，即20A纹波幅度纹波幅度d(2)RC调谐式滤波器的基本参数调谐式滤波器的基本参数 1)一阶一阶RC低通滤波器低通滤波器 1111)(ssRCsHRCf21c滤波器滤波器(13/23)(13/23)CRuyuxf1/2 1A(f)2/10f-450-9000(f)1/2 RC低通滤波器低通滤波器优点：电路简单、抗干扰强、有较好的低频性能、成本低。缺点：信号的能量会被电阻所损耗，而且选择性差，多级串联时输入输出阻抗不容易匹配。2)一阶一阶RC高通滤波器高通滤波器 11

34、)(sssRCsRCsHRCf21c低频段近于微分器。高频低频段近于微分器。高频段近于不失真传输。段近于不失真传输。 滤波器滤波器(14/23)(14/23)uyuxRC高通滤波器高通滤波器电路微分方程为电路微分方程为xyyUdtURCU1(3)(3)RC带通滤波器带通滤波器 带通滤波器可由低通和高通滤波带通滤波器可由低通和高通滤波器串联组成。器串联组成。111)(211ssssH22c11c21,21ff为了消除串联时负载效应的影响，为了消除串联时负载效应的影响，通常用输出跟随器或运算放大器实通常用输出跟随器或运算放大器实现隔离。现隔离。因此，实际带通滤波器通常是有因此，实际带通滤波器通常是

35、有源的。源的。不考虑负载效应时，带通滤波器不考虑负载效应时，带通滤波器传递函数为传递函数为滤波器滤波器(15/23)(15/23)C1R2C2R1uyuxH1(s)H2(s)X(s)Y(s)RC带通滤波器带通滤波器4. 4. 恒带宽比与恒带宽滤波器恒带宽比与恒带宽滤波器 对信号做频谱分析或摘取信号中某些频率成分时，可以通过对信号做频谱分析或摘取信号中某些频率成分时，可以通过多个中心频率不同的带通滤波器实现，各个滤波器的输出反多个中心频率不同的带通滤波器实现，各个滤波器的输出反映了信号在该通频带内的量值。映了信号在该通频带内的量值。带通滤波器实现谱分析可有两种方式：一是由一中心频率可带通滤波器实

36、现谱分析可有两种方式：一是由一中心频率可调的带通滤波器独立构成；二是使用各自中心频率固定，但调的带通滤波器独立构成；二是使用各自中心频率固定，但又按一定规律相隔的滤波器组。显然后者可以实现又按一定规律相隔的滤波器组。显然后者可以实现“实时实时”谱分析。谱分析。对滤波器组，各滤波器的通带应相互邻接，覆盖整个感兴趣对滤波器组，各滤波器的通带应相互邻接，覆盖整个感兴趣的频带。即前一滤波器的的频带。即前一滤波器的3dB上截止频率为后一相邻滤波上截止频率为后一相邻滤波器的器的3dB下截止频率。滤波器组具有相同的增益（对各中下截止频率。滤波器组具有相同的增益（对各中心频率而言）。心频率而言）。滤波器滤波器

37、(16/23)(16/23) 在作信号频谱分析时，要用一组中心频率逐级可在作信号频谱分析时，要用一组中心频率逐级可变的带通滤波器，当中心频率变化时，各滤波器带宽变的带通滤波器，当中心频率变化时，各滤波器带宽遵循一定的规则取值，通常用两种方法构成两种不同遵循一定的规则取值，通常用两种方法构成两种不同的带通滤波器的带通滤波器：恒带宽比恒带宽比滤波器和滤波器和恒带宽恒带宽滤波器。滤波器。1 1）恒带宽比恒带宽比滤波器滤波器%100%1000120ffffBb常数常数2 2）恒带宽恒带宽滤波器滤波器12ffb常数常数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

38、通滤波器 恒带宽比恒带宽比滤波器的滤波性能在低频段较好，但在高频段由于滤波器的滤波性能在低频段较好，但在高频段由于其带宽增大而变坏，使频率分辨力下降。因此，为使滤波器在其带宽增大而变坏，使频率分辨力下降。因此，为使滤波器在所有频率段均具有良好的频率分辨特性，可使用所有频率段均具有良好的频率分辨特性，可使用恒带宽恒带宽滤波器。滤波器。为提高分辨力，滤波器的带宽可做的窄些，但由此在整个频率为提高分辨力，滤波器的带宽可做的窄些，但由此在整个频率分析范围内所使用的滤波器数量便增加。分析范围内所使用的滤波器数量便增加。倍频程滤波器倍频程滤波器倍频程频谱分析装置倍频程频谱分析装置恒带宽比滤波器（恒定百分比

39、带通滤波器）恒带宽比滤波器（恒定百分比带通滤波器）1c2c2 ffnconstant10QfB特点：特点： ，即品质因数恒定。，即品质因数恒定。显然，中心频率显然，中心频率f0 越高，带宽越大。越高，带宽越大。恒带宽比滤波器的低端截止频率恒带宽比滤波器的低端截止频率fc1与高端截止频率与高端截止频率fc2之间常满之间常满足如下关系：足如下关系：n称为倍频程数。称为倍频程数。n=1称为倍频程称为倍频程滤波器；滤波器； n=1/3称为称为1/3倍频程滤倍频程滤波器。波器。滤波器滤波器(18/23)(18/23)由于：由于：从而有：从而有：22221nnQn=1时，时， Q=1.41；n=1/3时，

40、时，Q=4.38；n=1/5时，时，Q=7.2。对邻接的滤波器组，易得：对邻接的滤波器组，易得： 。 01022ffn只要选定只要选定n值，即可设计覆盖给定频率范围的邻接式滤波值，即可设计覆盖给定频率范围的邻接式滤波器。器。 2c1c0fff QfffB01c2c1c2c2 ffn显然，倍频程数越显然，倍频程数越小，小，Q值越大，滤波器值越大，滤波器分辨力越高。分辨力越高。滤波器滤波器(19/23)(19/23)中心频率/Hz1631.563125250带宽/Hz11.3122.2744.5588.39176.78中心频率/Hz12.516202531.5405063带宽/Hz2.93.74.

41、65.87.39.311.614.6倍频程滤波器倍频程滤波器 1/3倍频程滤波器倍频程滤波器高频段分辨率低高频段分辨率低滤波器滤波器(20/23)(20/23)5 有源滤波器有源滤波器p 定义：定义：由运算放大器等有源器件组成的调谐网络由运算放大器等有源器件组成的调谐网络 运算放大器既可作为级间隔离作用，又可起信号幅值的放大作用运算放大器既可作为级间隔离作用，又可起信号幅值的放大作用 p 一阶低通滤波网络一阶低通滤波网络RC低通输入低通输入+运放：隔离负载影响、提高增益和提高带负载能力运放：隔离负载影响、提高增益和提高带负载能力截止频率：截止频率：fc1=1/(2)放大倍数：放大倍数：k=1+

42、Rf/R1 R R1 RF C ex RC一阶低通滤波网络一阶低通滤波网络 RC高通反馈高通反馈+运放：隔离负载影响、提高增益和提高带负运放：隔离负载影响、提高增益和提高带负载能力载能力 截止频率：截止频率：fc1=1/(2) 放大倍数：放大倍数：k=Rf/R1 ex ey C RF R1 CRf多路负反馈型滤波器图 多路负反馈二阶低通滤波器 有限电压放大型滤波器有限电压放大型滤波器 有限电压放大二阶低通滤波器有限电压放大二阶低通滤波器 二阶有源低通滤波器二阶有源低通滤波器R1压控电压源低通滤波电路压控电压源低通滤波电路C1C2R1R21fF/1RRAV 200220s)(sQAsHVF212

43、101RRCC112221122211)1 (1RCRCRCRCRCRCAQVF二阶二阶低通低通滤波器的幅频特性滤波器的幅频特性有源高通滤波器有源高通滤波器 将有源将有源低通低通滤波器电滤波器电路中的路中的电容和电阻对换电容和电阻对换，便成为高通电路。其传递便成为高通电路。其传递函数为：函数为：212111221222VF1)111()(CCRRsCRACRCRssAsHVF令令212101RRCC221121121122)1 (1RCRCRCRCRCRCAQVF22200( )sVFA sH ssQ截止角频率截止角频率等效品质等效品质因数因数 Q211222111RCRCRCRCQ1VFA二

44、阶二阶高通高通滤波器的幅频特性滤波器的幅频特性3、有源带通滤波器、有源带通滤波器带通带通滤波器滤波器低通低通滤波器和滤波器和高通高通滤波器的滤波器的串联串联。 改善过渡带曲线陡度的方法：改善过渡带曲线陡度的方法： 将多个将多个RC环节级联；环节级联； 采用电感元件替代电阻元件的方式。采用电感元件替代电阻元件的方式。 在实际应用中必须考虑各级联环节之间的负载在实际应用中必须考虑各级联环节之间的负载效应。解决负载效应的最好办法是采用运放来效应。解决负载效应的最好办法是采用运放来构造有源滤波器。构造有源滤波器。 巴特沃斯滤波器 切比雪夫滤波器 滤波器应用：滤波器应用： 超门限报警超门限报警 案例：案

45、例：旅游索道钢缆检测旅游索道钢缆检测由案例提炼的典型实验：由案例提炼的典型实验：钢管无损探伤钢管无损探伤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：机床轴心轨迹的滤波处理案例：机床轴心轨迹的滤波处理 滤除信号滤除信号中的高频中的高频噪声，以噪声，以便于观察便于观察轴心运动轴心运动规律规律5.5 5.5 信号的指示和记录装置信号的指示和记录装置 (Indication and Record Equipments of Signal)信号指示与记录装置是测试系统的最后一个环节，也是进信号指示与记录装置是测试系统的最后一个环节，也是进一步了解、分析和研究测量

46、结果的重要环节。一步了解、分析和研究测量结果的重要环节。选择指示与记录装置，首先关心的是其响应能力，即能否选择指示与记录装置，首先关心的是其响应能力，即能否正确地跟踪测量信号的变化，并把它如实的记录下来（随正确地跟踪测量信号的变化，并把它如实的记录下来（随动系统）。动系统）。通常把记录装置对正弦信号的响应能力称为记录装置的频率通常把记录装置对正弦信号的响应能力称为记录装置的频率响应特性，它决定了记录装置的工作频率范围。响应特性，它决定了记录装置的工作频率范围。显示和指示类输出显示和指示类输出 模拟指示：机械表头、电流表头模拟指示：机械表头、电流表头 数码显示：发光二极管数码显示：发光二极管LE

47、DLED、液晶显示器、液晶显示器LCDLCD 图视显示：阴极射线管图视显示：阴极射线管CRTCRT（波形显示、图象显示）（波形显示、图象显示） 液晶液晶LCDLCD图视显示图视显示 可视化软件技术可视化软件技术 信号成像技术信号成像技术目前常用的显示器有：目前常用的显示器有：模拟显示、数字显示、图象显示模拟显示、数字显示、图象显示 模拟显示的模拟显示的特点：直观特点：直观模拟指示模拟指示 早期的测试检测仪器的信号输出多为模拟输出，通过机械表头或电流表表头进行指示。 模拟电信号输出常采用安培计和伏特计进行指示(图5.1)。 图5.1 电流计工作原理 光柱也属于模拟显示光柱也属于模拟显示光柱显示的

48、特点：光柱显示的特点：一目了然一目了然数字式仪表数字式仪表数字式仪表的特数字式仪表的特点：点： 准确，准确，但最后一位经常但最后一位经常跳动不止。跳动不止。LEDLED亮度高、耐振动；亮度高、耐振动；LCDLCD耗电省、集成度高，但不利于夜间观察。耗电省、集成度高，但不利于夜间观察。 LEDLED、LCDLCD的特点：的特点：带背光板的带背光板的LCDLCD可以在夜间观看可以在夜间观看数码显示数码显示 数码显示常用的显示器：数码显示常用的显示器： 发光二极管显示器，简称发光二极管显示器，简称 LEDLED（Light Emitting Light Emitting DiodeDiode）；）；

49、 液晶显示器，简称液晶显示器，简称LCDLCD（Liquid Crystal Liquid Crystal DisplayDisplay）；荧光管显示器。）；荧光管显示器。 测试仪器信号以不同的形式输出，首先需要用不同测试仪器信号以不同的形式输出，首先需要用不同的转换电路来转换成数字信号，然后通过译码、锁的转换电路来转换成数字信号，然后通过译码、锁存、驱动电路，被数码显示器显示出来。存、驱动电路，被数码显示器显示出来。 不同的数码显示器需要不同的驱动技术。不同的数码显示器需要不同的驱动技术。 CRT显示技术的分类：显示技术的分类：CRT波形显示器技术；波形显示器技术；1. CRT图象显示器技术

50、。图象显示器技术。 CRT波形显示器工作原理波形显示器工作原理图视显示图视显示 CRT示波器波形显示原理示波器波形显示原理仅仅能显示信号的波形，而很难显示字符文字和仅仅能显示信号的波形，而很难显示字符文字和图象等信息。图象等信息。CRT图象显示器：图象显示器： 如台式计算机的显示器、数字示波器、数字电如台式计算机的显示器、数字示波器、数字电视机等。视机等。 图象显示器和波形显示器区别：图象显示器和波形显示器区别：波形显示器的电子束偏转是靠偏转电极形成的波形显示器的电子束偏转是靠偏转电极形成的电场对带电粒子形成的库伦力来完成的；而图电场对带电粒子形成的库伦力来完成的；而图象显示器的电子束偏转是靠

51、偏转线圈形成的磁象显示器的电子束偏转是靠偏转线圈形成的磁场对电子束形成的洛伦兹力来完成的。场对电子束形成的洛伦兹力来完成的。对于波形显示器，被显示的信号电压一般加对于波形显示器，被显示的信号电压一般加在纵向偏转电极上，同时在横行电极上施加在纵向偏转电极上，同时在横行电极上施加扫描锯齿波电压；对于图象显示器，纵向和扫描锯齿波电压；对于图象显示器，纵向和横行偏转线圈中均通以特定波形的扫描电流横行偏转线圈中均通以特定波形的扫描电流（即：场扫描和行扫描信号），而被显示信（即：场扫描和行扫描信号），而被显示信息的电压信号加在灰度控制栅极上。息的电压信号加在灰度控制栅极上。 波形显示器一般只有一个电子枪，

52、因此显示波形显示器一般只有一个电子枪，因此显示的波形是单色的；而图象显示器可以由一个的波形是单色的；而图象显示器可以由一个电子枪（单色）或三个电子枪构成，可以显电子枪（单色）或三个电子枪构成，可以显示单色或真彩色图象信息。示单色或真彩色图象信息。 波形显示器只能显示信号波形，而图象显示波形显示器只能显示信号波形，而图象显示器可以显示包括信号波形在内的任何复杂的器可以显示包括信号波形在内的任何复杂的图象和文字信息。图象和文字信息。 CRT图象显示工作原理示意图图象显示工作原理示意图 图像显示图像显示 特点特点能显示复杂的图形能显示复杂的图形和曲线，和曲线，但价格昂贵。但价格昂贵。可视化软件技术可

53、视化软件技术 图像显示（续）图像显示（续）记录类信号输出记录类信号输出 一、硬拷贝记录一、硬拷贝记录 XY模拟信号波形记录仪、数字波形记录仪、模拟信号波形记录仪、数字波形记录仪、 打印、绘图记录打印、绘图记录 、笔试记录仪、光线示波器、笔试记录仪、光线示波器二、模拟记录二、模拟记录 磁带记录器磁带记录器三、数字记录三、数字记录 专用数字记录设备（数字存储示波器）专用数字记录设备（数字存储示波器）、 通用数字记录设备通用数字记录设备 （计算机及其外设数字存储体：磁带、磁盘、（计算机及其外设数字存储体：磁带、磁盘、 光盘、固态半导体存储盘）光盘、固态半导体存储盘）记录仪记录仪主要用来记录主要用来记录被检测对象的被检测对象的动态变化过程。动态变化过程。1-1-磁带磁带 2-2-记录磁头记录磁头 3-3-重放磁头重放磁头 1-1-塑料带基塑料带基 2-2-磁性涂层磁性涂层 3-3-工作间隙工作间隙 磁带记录器的基本组成磁带记录器的基本组成 磁带和磁头磁带和磁头磁带记录器的特点：磁带记录器的特点：（1 1）输入、输出均为电信号，便于与数据处理设备及计算）输入、输出均为电信号，便于与数据处理设备及计算机连接；机连接；