第四章机械工程测试技术-信号的调理与记录

1、机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第一节 电桥第二节 调制与解调第三节 滤波器第四节 信号的指示和记录装置第四章 信号的调理与记录机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础 信号调理的作用信号调理的作用 对传感器输出的原始信号或系统中某一环节的输出信号进行再对传感器输出的原始信号或系统中某一环节的输出信号进行再加工，以满足下一环节输入要求的需要。加工，以满足下一环节输入要求的需要。 信号调理的原因信号调理的原因传感器输出的电信号非常微弱，需要放大和变换。传感器输出的电信号非常微弱，需要放大和变换。传感器输出的电参量需要转变为电能量。传感器输出的电参量需要转变为电能量。降噪，提高信噪比。降噪

2、，提高信噪比。分离有用分量。分离有用分量。模数转换。模数转换。返回章目录第四章 信号的调理与记录机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础信号调理的种类信号调理的种类1. 参量变换型：常用于参量型传感器，将电参量变换成电压和电流量。被测量参量型传感器电桥、谐振电路R, L, CV, I2. 阻抗变换、幅度调节 U, I被测量发电型传感器放大、衰减、阻抗匹配、变换V, I3. 调制、解调被测量传感器解调调制放大、传送调制波输出4. 品质调节： 线性化处理扩大测量范围，减少非线性失真； 滤 波保持有用信号，消除干扰； 倍频、细分提高测量精度；5. A/D、D/A转换：与计算机相联系。第四章 信号的调

3、理与记录机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础 电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。分类 ：按激励电压（1）直流电桥 （2）交流电桥 按输出方式（1）不平衡桥式电路 （2）平衡桥式电路 按工作原理（1）偏值法 （2）归零法U0abcdI1I2R1R2R3R4Uy图4-1 直流电桥第一节 电桥机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础 图4-1是直流电桥的基本形式。以电阻R1，R2，R3，R4作为四个桥臂，a、c两端接入直流电源U0，在b、d两端为输出电压Uy。当电桥输出端后接较大输入电阻的仪表或放大器时，可视为开路，电流输出为零，此时桥路电流为 2101RR

4、UI4302RRUIa, b之间与a, d之间电位差为 021111URRRRIUab043442URRRRIUad输出电压为 04321423104340211)(URRRRRRRRURRRURRRUUUadabybU0acdI1I2R1R2R3R4Uy图4-1 直流电桥（4-4）第一节 电桥机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础由此可知，若使电桥平衡，输出为零，应满足 04231RRRR4231RRRR3421RRRR由式（4-4），如果适当选择各桥臂电阻值，可使输出电压与被测量引起的电阻变化量有关。 R4R3R1R1dcbaR2UyU0a)R4R3R1R1dcbaR2 R2UyU0b)

5、R4 R4R3R3R1R1dcbaR2 R2U0c)图4-2 直流电桥的连接方式a)半桥单臂 b)半桥双臂 c)全桥第一节 电桥机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础在实际测试中，桥臂分为半桥式与全桥式联接，见图4-2，在图a 中表示半桥联接，工作中只有一个臂阻值随被测的量而变化。设R1是电阻 R1 的电阻增量。根据式（4-3），此是输出电压为 043421111)(URRRRRRRRUy为了简化桥路设计，令 R1= R2 = R3= R4= R0 ，则输出电压为 010124URRRUy因为R1 R0，所以 0014URRUy（4-5） 可见，电桥输出 Uy 电压与激励电压 U0 成正比，

6、并且在R10电容性阻抗时电流滞后电压0 第一节 电桥机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础式（4-10）表明，交流电桥平衡必须满足两个条件： （1）相对两桥臂阻抗之模的乘积应相等 （2）它们的阻抗角之和也必须相等 为了满足上述平衡条件，交流电桥各臂可有不同的组合。常用的电容、电感电桥，其相邻两臂接入电阻（例如 Z02=R2, Z03=R3, 2=3 =0），而另外两个桥臂接入相同性质的阻抗，例如电容或电感，保持1=4 。 图4-4是一种常用电容电桥，2、3两相邻为纯电阻R2, R3，另外两相邻臂为电容C1,C4，可视为电容介质损耗的等效电阻。根据平衡条件有： 244311)1()1(RCjR

7、RCjR42241331CjRRRCjRRR图4-4 电容电桥U0abcdR1R2R3R4UyC1C4第一节 电桥机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础令上式实部、虚部分别相等，则有下面两个平衡条件 （4-11） 4213CRCR（4-12） 由此可知，要使电桥达到平衡，必须同时调节电阻与电容两个参数，达到电阻和电容都平衡。图4-5是一种电感电桥，两相邻桥臂为电感L1, L4与电阻，根据式（4-10）平衡条件 244311)()(RLjRRLjR13132442RRj LRR Rj L R实、虚部分别相等 4231RRRR（4-13） 2431RLRL（4-14） U0abcdR1R2R3R

8、4Uy图4-5 电感电桥L1L44231RRRR第一节 电桥机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础 对于纯电阻交流电桥，即使各桥臂均为电阻，但由于导线间存在分布电容，相当于在各桥臂上并联一个电容（见图4-6），为此除了电阻平衡外，还需要电容平衡。注意（1）一般情况下交流供桥电压具有良好的电压波形与频率稳定度，如果电压波形畸变，基波易达到平衡，将有高次谐波电压输出。 （2）一般采用音频交流电源（510kHz）作为电源。外工频干扰不易介入，放大电路简单无零漂。 （3）采用交流电桥，必须注意一些影响测量误差的因数。例如元件间互感影响；无感电阻的残余阻抗；邻近交流电路对电桥感应；泄漏电阻以及元件之间

9、、元件与地间的分布电容。 第一节 电桥机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础 带感应耦合臂的电桥是将感应耦合的两个绕组作为桥臂而组成的电桥，一般有以下两种形式：图4-11 带感应耦合臂的电桥第一节 电桥变压器电桥变压器电桥 绕组W1、W2与阻抗Z3、Z4构成电桥的四个臂。绕组W1、W2相当于变压器的二次边绕组。平衡时，指零仪G指零。a)b)机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础电桥平衡时，绕组W1、W2的激磁效应互相抵消，铁心中无磁通，所以指零仪G指零。 以上两种电桥中的感应耦合臂可代以差动式三绕组电感传感器，通过它的敏感元件铁心，将被测位移量转换为绕组间互感变化，再通过电桥转换为电压或电

10、流的输出。 优点优点：与一般电桥比较，具有较高的精确度、灵敏度和稳定性。：与一般电桥比较，具有较高的精确度、灵敏度和稳定性。 第一节 电桥机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础信号调制的作用：1、缓变电信号实现交流放大 ：消除放大器零漂的影响。（同频信噪比）2、减小信号频率的动态范围 ：减少信号传输过程的失真。3、单通道传输多路信号： 简化复杂系统的信号传输网络。调制是一个信号的某些参数在另一个信号控制下而发生变化的过程。 前一信号称为载波(较高频率交变信号)，后一信号(控制信号)称为 调制信号，最后输出已调制波，载波上达载了调制信号的信息。解调从已调制波中恢复出调制信号的过程。 载波调制分

11、类：（1）调幅(AM) （2）调频(FM) （3）调相（PM）它们的已调波分别被称为 （1）调幅波 （2）调频波 （3）调相波 图4-13 表示了 载波、调制信号、调幅波和调频波。第二节 调制与解调机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础1. 幅值调制原理调幅高频简谐信号(载波)与测试信号(调制信号)相乘产生调幅信号。 y(t)=x(t)cos2f0 t 即高频信号的幅值随测试信号的变化而变化,如交流电桥。 0ty(t)=cos2f0 t0tx(t)0txm(t)a)0ff0- f0Y (f)1/21/20ff0- f0Y (f)0ff0- f0Xm (f)=X(f)*Y(f)2fmb)图4-

12、13 调幅过程 a) 时域 b)频域第二节 调制与解调机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础载波为余弦信号，由函数的时移性质可知，其频谱是一对脉冲谱线 ：（4-21） 在频域上，调幅过程就相当于把调制信号频谱移至载波信号频率中心处的“搬移过程” 。00011cos2()()22ftffff调幅波：)()(21)()(212cos)(000fffXfffXtftx2. 调幅信号的频谱分析调幅信号的频谱分析调幅条件：调幅条件：（1）载波频率 f0 必须高于调制信号中最高频率 fm，才能不产生混叠。 （2）信号频宽 2 fm相对中心频率（载波频率）越小越有利于放大、滤波。 （3）须用滤波器滤除fm

13、的高频燥声，避免高频燥声产生混叠。第二节 调制与解调机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础 若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“搬移”，其结果如图4-14所示。若用一个低通滤波器滤去中心频率为 2f0 的高频成分，那么将可以复现原信号的频率（只是幅值减小一半，可以放大处理），这一过程叫做“同步解调”。“同步”是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。0ff0- f0Y (f)1/21/202f0 ffm fcfc - fmXm(f)*Y (f)0ff0- f0Xm (f)图4-14 同步解调乘法器 低 通xm(f)调幅波载波y(t)x(t)-2f0低通3

14、. 调幅信号的解调方法调幅信号的解调方法 幅度调制的解调有多种方法，常用的有同步解调、包络检波和相敏检波法。（1）同步解调第二节 调制与解调机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础tftxtxtftxtftftx00004cos)(21)(21)4cos1 (21)(2cos2cos)(（4-22） 低通滤波器将频率为 2f0 的高频信号滤去，则得到 x(t)/2。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。例如：把广播中声音信号调制到某一频率，便于传输和放大，又可避免干扰。在时域中可看到：第二节 调制与解调机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础 若把调制信号进行偏置，

15、叠加一个直流分量A，使偏置后信号都具有正电压，那么调幅包络线将具有原调制信号的形状，如图4-15a 所示。把该调幅波 xm(t) 简单整流、滤波，就可恢复原信号。如果原调制信号中有直流分量，则在整流后应准确减去所加偏置电压。若所加偏置电压未能使信号电压恒大于零，则对调幅波作简单整流就不能恢复原信号，见图4-15b，相敏技术就能解决这一问题。 0 x(t)t0 x(t)t0 xm(t)t0 xm(t)t 图4-15 调制信号加偏置的调幅波a) 偏置电压足够大 b) 偏置电压不够大a)b)（2）包络检波第二节 调制与解调机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础 采用相敏检波时，对原信号可不必再加偏

16、置。注意交变信号在其过零线时符号（+，-）发生突变，调幅波的相位（与载波相比）也相应发生1800的相应跳变。利用载波信号与之比相，既能反映出原信号的幅值，有能反映其极性。见图4-17中，x (t)为原信号；y (t)为载波；xm(t)为调幅波。电路设计变压器 B二次输出电压比 A二次输出电压大。 （3）相敏检波因此，在负载 Rf 上所检测的电压 u f 就重现 x (t) 的波形。 这种相敏检波是利用二极管单向导通作用将电路输出极性换向。这种电路相当于在 0a 段把 xm(t) 的零线以下的负部翻上去，而在 ab 段把正部翻下来，所检测到的信号 u f 是经过“翻转”后信号的包络。 第二节 调

17、制与解调机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础图4-17 相敏检波1x (t)为正，xm(t)与 y (t) 同相，如图 0-a 段所示。载波电压为正时,A,B极性不变,VD1导通,电流流向是d-1-VD1-2-5-c-负载-地-d。载波电压为负时,A,B极性同变,VD3导通,电流流向是d-3-VD3-4-5-c-负载-地-d。2x (t)为负,xm(t)与 y (t) 异相,如图 a-b 段所示。y(t)为正时,B不变A与图相反,VD2导通，电流流向是d-地-负载-c-5-2-VD2-3-d。y(t)为负时,B与图相反A不变,VD4导通，电流流向是d-地-负载-c-5-4-VD4-1-d。

18、第二节 调制与解调机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础利用电阻应变片作利用电阻应变片作为传感元件来测量应为传感元件来测量应变的专用电子仪器称变的专用电子仪器称为电阻应变仪。为电阻应变仪。Resistance Strain Meter第二节 调制与解调机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础图4-18 动态电阻应变仪方框图试件电桥放大相敏检波低通显示记录振荡器t0t0t0t0t0第二节 调制与解调 动态电阻应变仪 (见图4-18)可作为电桥调幅与相敏检波的典型实例。电桥由振荡器供给等幅高频振荡电压 (一般频率为10kHz或15kHz)。被测量 (应变)通过电阻应变片调制电桥输出，电桥输出为调

19、幅波，经过放大，再经相敏检波与低通滤波即可取出所测信号。 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础a)b)图4-19 调频波与调制嬉闹幅值的关系 a) 锯齿波信号 b) 正弦信号 调频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比例。当信号电压为零时，调频波频率等于中心频率，信号电压为正值时频率提高，负值时则降低。所以调频波是随信号而变化的疏密不等的等幅波，如图4-15所示。调频波的瞬时频率可表示为 。如图此时调频信号可表示）变化，有（）随调制信号（频率为常数，让载波瞬时角若保持振幅设载波194)(cos)(cos)(00000dttxktAtxtk

20、xttxtAtAtyf1. 频率调制的基本概念第二节 调制与解调机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础LCf21（4-25） 若电容C0的变化量为 ，则式（4-25）变为式中002 CCff（4-27） 因此，回路的振荡频率和调谐参数的变化呈线性关系（小范围内），这种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，其输出是等幅波。 000011)1 (21CCfCCLCf2. 频率调制方法 频率调制电路常用振荡电路，如LC振荡电路、压控振荡器。 LC振荡电路：应用于电容、涡流或电感等传感器的测量电路。如果把电容（或电感）作为自激振荡器的谐振回路中的一个调谐参数，那么电路振荡频率

21、为 C上式按泰勒级数展开并忽略高阶项得ffCCff000)21 (第二节 调制与解调机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础压控振荡器：利用压控振荡器是一个常用的调频方案。压控振荡器的输出瞬时频率与输入的控制电压成线性关系，从而达到频率调制的目的。压控振荡电路有多种形式，现在已有集成化的压控振荡器芯片出售。 3. 调频信号的解调 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。一般采用鉴频器和锁相环解调器。前者结构简单，在测试技术中常被使用，而后者解调性能优良，但结构复杂，一般用于要求较高的场合。第二节 调制与解调机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础 鉴频器实际上是由

22、一个高通滤波器（R1、C1）及一个包络检波器（VD、C2）构成。 从高通滤波器幅频特性的过渡带可以看到，随输入信号频率的不同，输出信号的幅值便不同。通常在幅频特性的过渡带上选择一段线性好的区域来实现频率-电压的转换，并使调频信号的载频f0位于这段线性区的中点。由于调频信号的瞬时频率正比于调制信号x(t)，它经过高通滤波器后，使原来等幅的调频信号的幅值变为随调制信号x(t)变化的“调幅”信号，即包络形状正比于调制信号x(t)，但频率仍与调频信号保持一致。 该信号经后续包络检波器检出包络，即可恢复出反映被测量变化的调制信号 。 图4-21 鉴频器原理第二节 调制与解调机械工程测试技术基础机械工程测

23、试技术基础 信号分析：信号分析：被测信号一般由多个频率分量组成，被测信号一般由多个频率分量组成，检测中得到的信号除包含有效信息外，还含有噪检测中得到的信号除包含有效信息外，还含有噪声和不希望的成分，会导致真实信号的畸变和失声和不希望的成分，会导致真实信号的畸变和失真。真。 滤波：滤波：让被测信号中的有效成分通过，而将其中让被测信号中的有效成分通过，而将其中不需要的成分抑制或衰减掉。而抑制或衰减掉其不需要的成分抑制或衰减掉。而抑制或衰减掉其它不需要的频率成分。它不需要的频率成分。 滤波器：滤波器：能实施滤波功能的装置。能实施滤波功能的装置。第三节 滤波器机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础滤

24、波器分类（1）根据其选频作用，可分为四类： 低通滤波器； 高通滤波器； 带通滤波器； 带阻滤波器。 图4-22 四类滤波器的幅频特性（a）低通 （b）高通 （c）带通 （d）带阻（2）根据其结构形式可分为两类： 有源滤波器：使用运算放大器结构； 无源滤波器：由RLC组合配置而成。第三节 滤波器机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础1、理想滤波器 特性理想化的滤波器。 理想低通滤波器：具有矩形幅频特性和线性相频特性。 其他0020ctfjffeAfH理想低通滤波器的幅、相频特性理想低通滤波器的幅、相频特性 第三节 滤波器机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础2、实际滤波器的基本参数l 理想滤

25、波器只需规定截止频率即可说明其特性，而实际滤波器的特性曲线无明显转折点，通带中幅频特性也非常数，需更多参数描述其性能。l 主要参数包括：纹波幅度、截止频率、带宽、品质因数、倍频程选择性、滤波器因数。 图4-24 理想和实际的带通滤波器的幅频特性理想滤波器实际滤波器A(f)A0A02dd0 fc1 fc2 f第三节 滤波器机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础截止频率：幅频特性值等于 所对应的频率点；纹波幅度：通带中幅频特性值的起伏变化值；带宽B：上下两截止频率之间的频率范围B=fc2-fc1，又称-3dB带宽；品质因子（Q值）：对于一个带通滤波器，其品质因子Q则定义为中心频率f0与带宽B之比

26、，即Q=f0/B。)3(20dBA第三节 滤波器机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础倍频程选择性：上截止频率fc2与2fc2之间或下截止频率fc1与fc1/2间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程的衰减量，以dB表示。倍频程选择性表征过渡带的幅频曲线倾斜的程度，即幅频特性衰减的快慢。滤波器因数（矩形系数）：滤波器幅频特性的-60dB带宽与-3dB带宽的比，即 对理想滤波器有=1。对普通使用的滤波器，一般为（15）。dBdBBB360第三节 滤波器机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础 RC滤波器电路简单，抗干扰性强，有较好的低频性能，并且选用标准的阻容元件，所以在工程测试的领域中最经常

27、用到的滤波器是RC滤波器。1一阶RC低通滤波器i00uudtduRC11)()()(ssUsUsHi0令令=RC，称时间常数。，称时间常数。传递函数和频率响应函数传递函数和频率响应函数电路的微分方程式电路的微分方程式11)()()(fj2fUfUfHi0第三节 滤波器机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础幅频特性和相频特性幅频特性和相频特性 2)(11)()(f2fHfA)arctan()(f2fRuxuyCA(f)11/221/2f01/20(f)-450-900fRC低通滤波器 及其幅、相频率特性第三节 滤波器机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础RCfc212当当 时，时， ， 近似

28、于一条通过原点的近似于一条通过原点的直线。此时，直线。此时，RC低通滤波器是一个不失真传输系统。低通滤波器是一个不失真传输系统。21f1)(fAff )(当当 时，时， ，即，即RC低通滤波器的截止频率为低通滤波器的截止频率为21f21A(f)当当 ， ，信号完全被阻挡，不能通过。，信号完全被阻挡，不能通过。21f0fA)(第三节 滤波器机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础2一阶RC高通滤波器i0uudtuRC101)(fj2fj2fH电路的微分方程式电路的微分方程式令令=RC，称时间常数。，称时间常数。传递函数和频率响应函数传递函数和频率响应函数幅频特性和相频特性幅频特性和相频特性2)(

29、11)()(f2fHfAf2f1arctan)(1)(sssHRuxuyCA(f)11/221/2f01/20(f)450900fRC高通滤波器及其幅、相频率特性第三节 滤波器机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础RCfc211当当 时，时， ， ，RC低通滤波器是一个低通滤波器是一个不失真传输系统。不失真传输系统。21f1)(fA0)(f当当 时，时， ，即，即RC高通滤波器的截止频率为高通滤波器的截止频率为21f21)(fA当当 ， ，信号完全被阻挡，不能通过。，信号完全被阻挡，不能通过。21f0fA)(第三节 滤波器机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础2RC带通滤波器带通滤波器可以

30、看作为低通带通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联。滤波器和高通滤波器的串联。111)(211fj2fj2fj2fH传递函数和频率响应函数传递函数和频率响应函数幅频特性和相频特性幅频特性和相频特性22211)(11)(1)(f2f2f2fA)arctan(1arctan)(21f2f2f111)()()(21121ssssHsHsH11121CRfc22221CRfc222111CRCR第三节 滤波器机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础11121CRfc当当 时，时， ，RCRC低通滤波器是一个不失低通滤波器是一个不失真传输系统。真传输系统。212121 f1)(fA当当 时，时，

31、 ，即，即RC带通滤波器的下、带通滤波器的下、上截止频率为上截止频率为2121或21f21)(fA当当 ， ，信号完全被阻挡，不，信号完全被阻挡，不能通过。能通过。2121或21ff0fA)(22221CRfc第三节 滤波器机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础 一阶RC滤波器在过渡带内的衰减速率非常慢，每个倍频程只有6dB(见图4-27)，通带和阻带之间没有陡峭的界限，故这种滤波器的性能较差，因此常常要使用更复杂的滤波器。 电感和电容一起使用可以使滤波器的谐振特性相对于一阶RC电路产生较为陡峭的滤波器边缘。 图4-28中给出了一些LC滤波器的构成方法。第三节 滤波器图4-27 RC高低通滤

32、波器的幅频特性机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础图4-28 LC滤波器构成方法a）低通滤波器 b）高通滤波器 c）带通滤波器 第三节 滤波器机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第三节 滤波器图4-28 LC滤波器构成方法a）低通滤波器 b）高通滤波器 c）带通滤波器 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础采用多个RC环节或LC环节级联的方式(见图4-29) ，可以使滤波器的性能有显著的提高，使过渡带曲线的陡峭度得到改善。因为多个中心频率相同的滤波器级联后，其总幅频特性为各滤波器幅频特性的乘积，因此通带外的频率成分将会有更大的衰减。 图4-29高阶滤波器a）RC高阶低通滤波器 b）L

33、C高阶低通滤波器 第三节 滤波器机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础 必须注意到，虽然多个简单滤波器的级联能改善滤波器的必须注意到，虽然多个简单滤波器的级联能改善滤波器的过渡带性能，却又不可避免地带来了明显的负载效应和相移过渡带性能，却又不可避免地带来了明显的负载效应和相移增大等问题。为避免这些问题，最常用的方法就是采用有源增大等问题。为避免这些问题，最常用的方法就是采用有源滤波器。滤波器。 将滤波网络与运算放大器结合是构造有源滤波器电路的将滤波网络与运算放大器结合是构造有源滤波器电路的基本基本方法方法(见图见图4-29) 。第三节 滤波器图4-30 有源滤波器的基本结构机械工程测试技术基

34、础机械工程测试技术基础 图图4-31示出一些典型的一阶有源滤波器。通常的有源滤波示出一些典型的一阶有源滤波器。通常的有源滤波器具有器具有80dB倍频程的下降带，以及在阻带中有高于倍频程的下降带，以及在阻带中有高于60dB的的衰减。衰减。图4-31 一阶有源滤波器a）低通滤波器 b）高通滤波器 c）带通滤波器 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础l RC滤波器：过渡带衰减速度慢（-6dB/倍频程），通带与阻带间无陡峭界限，性能较差。如图427所示。l LC滤波器过渡带曲线的陡峭度优于RC滤波器，如图4-28所示。l 多个RC或LC环节级联：极大地改善了过渡带曲线的陡峭度，但具有明显的负载效应

35、和相移增大的问题。如图4-29所示。l 有源滤波器：无源滤波网络与运算放大器组合而成，性能更加优良。如图4-30、4-31所示。第三节 滤波器机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础 主要应用：主要应用： 信号的频谱分析和信号中特定频率成分提取。信号的频谱分析和信号中特定频率成分提取。 具体要求：具体要求：l为保证带通滤波器的带宽覆盖整个分析的频带，它们的中心频率能使相邻的带宽恰好互相衔接(见图4-32)，即前一个滤波器的3dB上截止频率等于后一个滤波器的3dB下截止频率；l滤波器组具有相同的放大倍数。第三节 滤波器机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础图4-32 带通滤波器并联的频带分配

36、在作信号频谱分析时，这组并联的、增益相同而中心频率不同的带通滤波器的带宽遵循一定的规则取值，通常用两种方法构成两类常见的带通滤波器组：恒带宽比滤波器和恒带宽滤波器。机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础两类常用的带通滤波器组：两类常用的带通滤波器组：l 恒带宽比滤波器（恒带宽比滤波器（a图）图）l 恒带宽滤波器（恒带宽滤波器（b图）图）第三节 滤波器图4-33 恒带宽比和恒带宽滤波器的特性a）恒带宽比滤波器特性 b）恒带宽滤波器特性机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础（1）恒带宽比滤波器）恒带宽比滤波器 恒带宽滤波器是指滤波器的相对带宽是常数，即 假若一个带通滤波器的低端截止频率为fc1

37、i ，高端截止频率为fc2i ，二者的关系： 式中n称为倍频程数。若n=1 ，则称为倍频程滤波器；若n=1/3 ，则称为1/3倍频程滤波器。CffffBiicicii0120icnicff122第三节 滤波器机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础 一个滤波器组中后一个滤波器的中心频率f0i与前一个滤波器的中心频率f0(i-1)间满足： 而且，滤波器的中心频率与上下截止频率间的关系为 )1(002inifficicifff210第三节 滤波器图4-34为B&K公司的1616型频率分析仪的结构框图，其带宽为1/3倍频程，分析频率为从20Hz40k Hz，共设置34个带通滤波器。 图4-3

38、4 滤波器作倍频程分析的并联结构机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础n=1的倍频程滤波器（如下图），有：(1)中心频率（Hz）16,31.5,63,125,250,(2)带宽（Hz ）11.31,22.27,44.55,88.39,176.78, n=1/3倍频程滤波器组，有：(1)中心频率（Hz） 12.5,16,20,25,31.5,40,50,63,(2)带宽（Hz） 2.9,3.7,4.6,5.8,7.3,9.3,11.6,14.6,第三节 滤波器机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础（2 2）恒带宽滤波器）恒带宽滤波器l 恒带宽比的滤波器的不足之处：恒带宽比的滤波器的不足之处：

39、 其通频带在低频段内甚窄，而在高频段内则较宽。因此，滤波器组的频率分辨率在低频段内较好，在高频段内甚差。l 为了使滤波器组的分辨率在所有频段都具有同样良好的频率分辨率，可以采用恒带宽的滤波器恒带宽的滤波器。l 恒带宽滤波器是指滤波器的绝对带宽为常数：CffBicic12第三节 滤波器机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础l 图4-33示出了恒带宽滤波器的特性，为了提高滤波器的分辨率，其带宽应窄一些。但这样为覆盖整个频率范围所需要的滤波器数量就很大。因此，恒带宽滤波器不应做成中恒带宽滤波器不应做成中心频率为固定的。心频率为固定的。l 实际中一般利用一个定带宽的定中心频率的滤波器加上可可变参考频

40、率的差频变换来适应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各种不同中心频率的定带宽滤波器滤波器的需要。l 参考信号的扫描速度应能够满足建立时间的要求，尤其是滤波器带宽很窄的情况，参考频率变化不能过快。常用的恒带宽滤波器有相关滤波和变频跟踪滤波相关滤波和变频跟踪滤波两种。 第三节 滤波器机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础 扫描式频率分析仪扫描式频率分析仪采用一个中心频率可调的带通滤波器，通过改变中心频率使该滤波器的通带跟随所要分析的信号频率范围要求来变化。 中心频率的调节方式可以是手动调节或外信号调节。 调节中心频率的信号可由一个锯齿波发生器来产生，用一个线性升高的电压来控制中心

41、频率的连续变化。 第三节 滤波器机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础由于滤波器的建立需要一定的时间，尤其是在滤波器带宽很窄的情况，建立时间愈长，所以扫频速度不能过快。这种形式的分析仪也采用这种形式的分析仪也采用恒带宽比的带通滤波器恒带宽比的带通滤波器。如。如B&K公司的公司的1621型频谱分析仪型频谱分析仪，将总分析频率范围从，将总分析频率范围从02Hz20kHz分成五段：分成五段： 0.22Hz； 220Hz； 20200Hz； 200Hz2kHz； 220kHz。每一段中的中心频率可调。每一段中的中心频率可调。在信号频谱分析中常用的中心频率可变的滤波方法还有在信号频谱分析中常用

42、的中心频率可变的滤波方法还有相关滤波相关滤波和和跟踪滤波跟踪滤波，其工作原理与典型应用请参阅相关书籍。，其工作原理与典型应用请参阅相关书籍。 采用中心频率可调的带通滤波器时，由于在调节中心频率过程中总希望不改变或不影响滤波器的增益及Q因数等参数，因此这种滤波器中心频率的调节范围是有限的。第三节 滤波器机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础l为保证测量精度，要求放大电路具有如下：为保证测量精度，要求放大电路具有如下：l足够的放大倍数；足够的放大倍数；l高输入阻抗，低输出阻抗；高输入阻抗，低输出阻抗；l高共模抑制能力；高共模抑制能力；l低温漂、低噪声、低失调电压和电流。低温漂、低噪声、低失调电压

43、和电流。说明：说明：集成运算放大器集成运算放大器具备上述特点。具备上述特点。第四节 信号的放大机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础l 反相放大器：反相放大器：输入阻抗低、易对传感器形成负载效应；输入阻抗低、易对传感器形成负载效应；第四节 信号的放大机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础l 同相放大器：同相放大器：输入阻抗高、易引入共模干扰；输入阻抗高、易引入共模干扰；第四节 信号的放大机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础l 差分放大器：差分放大器：不能提供足够的输入阻抗和共模抑制比；不能提供足够的输入阻抗和共模抑制比；第四节 信号的放大机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础第四节

44、信号的放大 仪器放大器电路由3个运算放大器组成，其中A1、A2接成射极跟随器形式，组成输入阻抗极高的差动输入级，在两个射随器之间的附加电阻RG具有提高共模抑制比的作用，A3为双端输入、单端输出的输出级，以适应接地负载的需要，放大器的增益由电阻RG设定，典型仪器放大器的增益设置范围从1到1000。 机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础该电路输出电压与差动输入电压之间的关系 )()1 (1234210iiGuuRRRRRu 若选取R1=R2=R3=R4=R5=R6=10k，RG=100，即可构成一个放大倍数为G=201倍的高输入阻抗、高共模抑制比的放大器。 典型仪器放大器的共模抑制比可以达到1

45、30dB以上，输入阻抗可以达到109以上，电路增益可以达到1000。 美国BB公司推出的 INA114是个低成本的普通仪用放大器，在一般应用时，只需外接一只普通电阻就可得到任意增益，可广泛用于电桥放大器、热电偶测量放大器及数据采集放大器等场合。 INA114的电路结构与基本接法如图4-39所示。第四节 信号的放大机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础图4-39 INA114的电路结构与基本接法a) 电路结构 b)基本接法a)b)第四节 信号的放大机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础拾音传感器输入放大器：R1与R2一般取47k。若传感器M内阻过高时，R1与R2可取100k左右。增益的选择不

46、宜太高，一般设计在100倍以内为宜。 图4-40 仪器放大器的应用a)第四节 信号的放大机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础热电偶信号的放大电路：对于测量点T过远时，应增加输入低通滤波电路，以免因噪声电压损坏器件。增益的确定要根据具体所选热电偶的类型而定。 图4-40 仪器放大器的应用b)第四节 信号的放大机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础美国AD公司推出的AD522 是精密集成放大器，非线性失真小、共模抑制比高、低漂移和低噪声，非常适合对微弱信号进行放大。 图4-41 由仪器放大器AD522构成的电桥放大电路 第四节 信号的放大机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础 通过计算机编

47、程来改变增益的放大器称为可编程增益放大器。 可编程增益放大器基本原理 用一组电子开关和一个电阻网络相配合来改变放大器的外接电阻值，以此达到改变放大器增益的目的。用户可用运算放大器、模拟开关、电阻网络和译码器组成形式不同、性能各异的可编程增益放大器。 如果使用片内带有电阻网络的单片集成放大器，则可省去外加的电阻网络，直接与合适的模拟开关、译码器配合构成实用的可编程增益放大器。将运算放大器、电阻网络、模拟开关以及译码器等电路集成到一块芯片上，则构成集成可编程增益放大器，如美国国家半导体公司生产的LH0084就是其中的一种。 第四节 信号的放大机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础电子开关通过一个

48、2-4译码器控制，当来自计算机IO口的x1、x2为00、01、10、11时，S1、S2、S3、S4分别闭合，电阻网络的R1、R2、R3、R4分别接入到反相放大器的输入回路，得到4种不同的增益值。也可不用译码器，直接由计算机的IO口来控制y1、y2、y3、y4，得到24个不同的增益值。 图4-42 可编程增益放大器原理 第四节 信号的放大机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础 测试信号的显示和记录是不可缺少的组成部分，其目的在于： 1）测试人员通过显示仪器观察各路信号的大小和实时波形 2）及时掌握测试系统的动态信息，必要时对参数调整。 3）记录信号的重现。 4）对信号进行后续的分析和处理。第五节 测试信号的显示与记录机械工程测试技术基础机械工程测试技术基础 图4-43 阴极射线管示波器原理框图 模拟示波器是以传统的阴极射线管示波器为代表，图4-43是一个典型通用的阴极射线管示波器的框图。 示波器是测试