机械测试技术讲解第四章

1、测试测试技术技术第四章第四章 信号变换及调理信号变换及调理主要研究内容主要研究内容：1.1.电桥电路原理电桥电路原理 2.2.信号调制解调原理信号调制解调原理 3.3.信号滤波器工作原理信号滤波器工作原理测测试试技技术术基基础础 测试测试技术技术信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。 信号调理的目的信号调理的目的 1.1.传感器输出的微弱电信号，需要放大或进行阻抗变换，传感器输出的微弱电信号，需要放大或进行阻抗变换，才能输送到显示、记录或分析仪器中去才能输送到显示、记录或分析仪器中去。 2.2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需有些传感器输出

2、的是电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。要去掉噪声，提高信噪比。3.3.便于信号的远距离传输，需要对传感器测量信进行便于信号的远距离传输，需要对传感器测量信进行调制解调处理。调制解调处理。 第第四四章章信信号号变变换换及及调调理理测试测试技术技术1 1）直流电桥）直流电桥平衡条件平衡条件4231RRRR4.1 4.1 电电 桥桥 第第四四章章信信号号变变换换及及调调理理测试测试技术技术132401234()()yR RR ReeRRRR电电 桥桥 测试测试技术技术令：令：1RRR 4RRRR 2RR 30()()()yR RRRReeRR RRR 0()4eRRRR电电 桥桥 测

3、试测试技术技术电桥的接法：电桥的接法：单臂单臂 半桥半桥全桥全桥电电 桥桥 014Se012Se0Se测试测试技术技术常用调平衡常用调平衡电电 桥桥 测试测试技术技术2 2）交流电桥）交流电桥 平衡条件平衡条件4231ZZZZ4231电电 桥桥 测试测试技术技术 电容传感器电容传感器 电感传感器电感传感器 电阻传感器电阻传感器cjrZc1LjrZLcjRZR1/rcZcLrZLRCZR电电 桥桥 测试测试技术技术4.24.2调制与解调调制与解调1 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，先将微弱的

4、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。出信号中取出放大了的缓变信号。 第第四四章章信信号号变变换换及及调调理理测试测试技术技术2 2 种类种类调制信号调制信号x(t)x(t)载波信号载波信号)2cos()(ftAtza) a) 幅度调制幅度调制(AM)(AM)2cos()(*)(0fttxAtyb) b) 频率调制频率调制(FM)(FM)*)(2cos()(0ttxfAtyc) c) 相位调制相位调制(PM(PM)(2cos()(0txftAty调调制制与与解解调调测试测试技术技

5、术3 3调幅及解调调幅及解调 调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号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相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化)2cos()(*)(0fttxAty调调制制与与解解调调测试测试技术技术 tftxtxm02cos 000*21*212cosfffXfffXtftx调幅原理调幅原理 0cos2y tf t x t调调制制与与解解调调乘法器测试测试技术技术解调原理解调原理 0cos2y tf t tftxtxm02cos x t20011022( ) cos(2)( )cos 2( )( )cos(4)m

6、xtf tx tf tx tx tf t乘法器滤波器测试测试技术技术调调制制与与解解调调同步解调同步解调测试测试技术技术调调制制与与解解调调包络检波包络检波测试测试技术技术 相敏检波相敏检波 相敏检波区别于整流检波的唯一特征是其能够在不相敏检波区别于整流检波的唯一特征是其能够在不加直流偏置的条件下鉴别被测信号的极性。即相敏检加直流偏置的条件下鉴别被测信号的极性。即相敏检波器的输出不仅能反映被测信号波器的输出不仅能反映被测信号x(t)的大小，而且能反的大小，而且能反映被测信号映被测信号x(t)的变化方向。的变化方向。为了使相敏检波器正常工为了使相敏检波器正常工作，其参考电压作，其参考电压ur与测

7、量信号电压与测量信号电压ux应满足下列三个条应满足下列三个条件件: 1)频率条件：频率必须严格相同；频率条件：频率必须严格相同； 2)幅值条件：幅值条件： ur ux，至少五倍以上，也就是说二极管至少五倍以上，也就是说二极管的导通与截止由参考电压的导通与截止由参考电压ur决定；决定； 3)相位条件：最好是同相或反相。这一点若不能遵守，相位条件：最好是同相或反相。这一点若不能遵守，相敏检波器仍能工作，但将导致灵敏度下降。相敏检波器仍能工作，但将导致灵敏度下降。调调制制与与解解调调测试测试技术技术相敏检波解调相敏检波解调调调制制与与解解调调工作原理：工作原理：调幅波与载波调幅波与载波y(t)同相同

8、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 测试测试技术技术（1）全波相敏检波器）全波相敏检波器 图中图中x(t)x(t)为原信号；为原信号；u ur r(t)(t)为参考电压为参考电压( (载波载波) )，u ux x (t)(t)为调幅波。为调幅波。图中图中T T1 1、T T2 2是是1:11:1的变压器，的变压器，5 5和和d d分别是分别是T T1 1、T T2 2 的次级绕组

9、的中间抽的次级绕组的中间抽头；头；VDVD1 1、 VDVD2 2、 VDVD3 3 、 VDVD4 4 为特性一致的二极管；各桥臂上的平为特性一致的二极管；各桥臂上的平衡电阻衡电阻R R1 1、 R R2 2 、 R R3 3 、 R R4 4 阻值相同，阻值相同，R Rf f为负载电阻。为负载电阻。 u ur r5 u ux x 调调制制与与解解调调测试测试技术技术1)1)当当u ur r00，u ux x00时，电流回路时，电流回路3-R3-R3 3- -VDVD3 3 -4 -5 -4 -5 -R-Rf f - -d -3d -3； d - Rf -5 -4 - R4 -VD4 -1

10、- d。从图从图b b可可看出：看出：i i4 4ii3 3, u, uf f00测试测试技术技术2)2)当当u ur r00，u ux x0R1-1-R1-VD1 -2 -5VD1 -2 -5 -Rf -Rf -d -1-d -1； d - Rf -5 -2 - R2 -VD2 -3 - d。从图从图c c可看出：可看出：i i2 2ii1 1, u, uf f00测试测试技术技术3)3)当当u ur r00，u ux x0R3-3-R3-VD3 -4 -5VD3 -4 -5 -Rf -Rf -d -3-d -3； d - Rf -5 -4 - R4 -VD4 -1 - d。4 4为为“-

11、-”, 5”, 5为为“+”+”从图从图b b可看出：可看出：i i3 3ii4 4, u, uf f00测试测试技术技术4)4)当当u ur r000时，电流回路时，电流回路1-R1-1-R1-VD1 -2 -5VD1 -2 -5 - -Rf -d -1Rf -d -1； d - Rf -5 -2 - R2 -VD2 -3 - d。 2 2为为“-”, 5-”, 5为为“+”,+”,从图从图c c可看出：可看出：i i1 1ii2 2 , u, uf f0 0 0，还是，还是u ur r 00；当ur和ux反相时（都不为零)，相敏检波器的输出电压uf调频调幅波调频调幅波幅值检波幅值检波调调制

12、制与与解解调调普通鉴频器的工作原理是：首先将已限幅的调频波转换成包络也按原调制信号规律而变化调频波，然后经过包络检波器来检出调制信号。调频波的解调电路称为频率检波器或鉴频器（FD）,调相波的解调电路称为相位检波器或鉴相器（PD）。测试测试技术技术变换器fuofBuomaxuofcfAf(a)(b)图926 鉴频器及鉴频特性 调调制制与与解解调调测试测试技术技术振幅鉴频法 调频波振幅恒定,故无法直接用包络检波器解调。鉴于二极管峰值包络检波器线路简单、性能好,能否把包络检波器用于调频解调器中呢？显然,若能将等幅的调频信号变换成振幅也随瞬时频率变化、既调频又调幅的FMAM波,就可以通过包络检波器解调

13、此调频信号。用此原理构成的鉴频器称为振幅鉴频器。其工作原理如下图所示。 调调制制与与解解调调测试测试技术技术调调制制与与解解调调uFM变换电路包络检波uuo(b)0uc(a)(a)振幅鉴频器框图；(b)变换电路特性 图927 振幅鉴频器原理 测试测试技术技术直接时域微分法 设调制信号为u=f(t),调频波为00( )cos( )( )( )sin( )tFMcftFMcfcfutUt kfdutuUk f tt kfddt 对此式直接微分可得 调调制制与与解解调调uFM包络检波uuoddt微分鉴频原理测试测试技术技术ui(t)EcCuc(t)ii(t)RCcEcRoCouo微分鉴频电路 调调制

14、制与与解解调调测试测试技术技术斜率鉴频法 双离谐鉴频器的输出是取两个带通响应之差,即该鉴频器的传输特性或鉴频特性,如图中的实线所示。其中虚线为两回路的谐振曲线。从图看出,它可获得较好的线性响应,失真较小,灵敏度也高于单回路鉴频器。uFMuiUouFMtuit0Uot00(a )Ui0工作区(线性区)fcf0fUit f (t ) fmt(b )0调调制制与与解解调调测试测试技术技术鉴频器鉴频器 电压频率特性曲线电压频率特性曲线亚谐振亚谐振区区等幅调频波的频率等于回路谐振频等幅调频波的频率等于回路谐振频率，线圈中的耦合电流最大率，线圈中的耦合电流最大调调制制与与解解调调测试测试技术技术4.3 4

15、.3 滤波器滤波器 滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定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频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分分1 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） 低通滤波器（低通滤波器（Low pass filter)高通滤波器高通滤波器(High pass filter)第第四四章章信信号号变变换换及及调调理理测试测试技术技术滤波器的分类滤波器的分类a. 根据处理的信号不同分为根据处理的信号不同分为 b. 根据使用的滤波元件不同分为根据使用的滤波元件不同分为数字滤波器数字滤波器模拟滤波器模拟滤波器RC

16、型型LC型型RLC型型滤滤波波器器 测试测试技术技术滤滤波波器器 c. 根据滤波器的阶数分根据滤波器的阶数分 一阶滤波器一阶滤波器二阶滤波器二阶滤波器高阶滤波器高阶滤波器d. 根据采用的元器件不同分根据采用的元器件不同分无源滤波器无源滤波器有源滤波器有源滤波器滤波器的阶数越高，性能越好。滤波器的阶数越高，性能越好。测试测试技术技术滤滤波波器器 e. 根据工作频率不同分为根据工作频率不同分为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全通滤波器全通滤波器测试测试技术技术带阻滤波器带阻滤波器(band stop filter) 带通滤波器带通滤波器(band p

17、ass filter) 滤滤波波器器 测试测试技术技术2 2 滤波器的性能参数滤波器的性能参数 理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，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。阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。滤滤波波器器 测试测试技术技术在实际滤波器的幅频特在实际滤波器的幅频特性图中通带和阻带间应性图中通带和阻带间应没有严格的界限没有严格的界限, ,，存在，存在一个过渡带。一个过渡带。 1)1)纹波幅度纹波幅度d d ：波动幅度：波动幅度d d与幅频特性平均值与幅频特性平均值A0A0相比应小于相比应小于-3dB-3dB。 2)2)截止

18、频率截止频率fc :fc :幅频特性值等于幅频特性值等于0.707A00.707A0所对应的频率所对应的频率 3)3)带宽带宽B B：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 恒带宽滤波器恒带宽滤波器 B=fB=fc2c2-f -fc1c1 恒带宽比滤波器恒带宽比滤波器 B=fB=fc1c1（2 2n n-1)-1) 滤滤波波器器 测试测试技术技术5) 5) 品质因数品质因数Q: Q: 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 6)6)倍频程选择性倍频程选择性W:W:指在上截止频率指在上截止频率fc2fc2与与 2fc22fc2之间幅频特性的衰之间幅频

19、特性的衰 减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。 4)4)中心频率中心频率f0:f0: 1200122ccccffffff7)7)滤波器因素滤波器因素:滤波器选择性滤波器选择性滤滤波波器器 测试测试技术技术3 RC3 RC无源滤波器无源滤波器 在测试系统中，常用在测试系统中，常用RCRC滤波器。因为这一领域中信号频滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而率相对来说不高。而RCRC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) 1) 一阶一阶RCRC低通滤波器低

20、通滤波器 滤滤波波器器 测试测试技术技术2) 2) 一阶一阶RCRC高通滤波器高通滤波器 3) 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 滤滤波波器器 测试测试技术技术1. 一阶低通有源滤波器一阶低通有源滤波器(1) 电路组成电路组成 (2) 电路分析电路分析 a. 电路的传递函数电路的传递函数)()()(iosUsUsA +_+IuOu1R2RCA+滤滤波波器器 4 有源滤波器有源滤波器测试测试技术技术)()(12sZsZ CsRRsCRsZ222211/)( 11)(RsZ 21211)(sCRRRsA )()()(i

21、osUsUsA Z1(s)Z2(s)故故+_+IuOu1R2RCA+滤滤波波器器 测试测试技术技术cc0j)j ( AAc0j11 Ac0j11ffA 令令 s=j ，得，得滤波器的频率特性滤波器的频率特性c0j11)j(ffAA CRf2cc212 式中式中即即因电路的频率特性与因电路的频率特性与f 的一次的一次方有关方有关故称之为一阶故称之为一阶RC有源滤波器有源滤波器滤滤波波器器 2c0)(1jffAA 测试测试技术技术5 5 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，根据实际滤波器中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

22、值关系，可以分为两种。心频率与带宽之问的数值关系，可以分为两种。2) 2) 恒宽比带通滤波器恒宽比带通滤波器 1) 1) 恒带宽带通滤波器恒带宽带通滤波器 滤滤波波器器 1200122ccccffffff1200122ccccffffff测试测试技术技术1 1倍频程滤波器倍频程滤波器滤滤波波器器 测试测试技术技术案例：机床轴心轨迹的滤波处理案例：机床轴心轨迹的滤波处理 滤滤波波器器 6 6 滤波器的应用滤波器的应用测试测试技术技术案例：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 滤滤波波器器 测试

23、测试技术技术钢管无损探伤钢管无损探伤实验：实验：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，便于门限报警滤滤波波器器 测试测试技术技术第第四四章章信信号号变变换换及及调调理理4.4 4.4 信号的放大信号的放大 1、放大电路应具有的性质、放大电路应具有的性质1）、足够的放大倍数）、足够的放大倍数2）、高输入阻抗，低输出阻抗）、高输入阻抗，低输出阻抗3）、高共模抑制能力）、高共模抑制能力4）、低温漂、低噪音、低失调电压和电流）、低温漂、低噪音、低失调电压和电流测试测试技术技术第第四四章章信信号号变变换换及及调调理理2 2、 常用的运算放大电路常用的运算放大电路 测试测试技

24、术技术2.1.2.1.反相比例运算电路反相比例运算电路其输入输出关系为其输入输出关系为: : u uo o=-(=-(R Rf f/ /R R1 1) )u ui i反相比例运算电路设计要求 u uo o=-10=-10u ui i反馈电阻Rf为100千欧画出相应电路图,标注元件参数第第四四章章信信号号变变换换及及调调理理测试测试技术技术第第四四章章信信号号变变换换及及调调理理2.2.2.2.同相比例运算电路同相比例运算电路同相比例运算电路设计要求 u uo o=11=11u ui i 反馈电阻Rf为100千欧其输入输出关系为其输入输出关系为: : uo=(1+Rf/R1)ui 画出相应电路图

25、,标注元件参数测试测试技术技术第第四四章章信信号号变变换换及及调调理理2.3.2.3.反相加法运算电路反相加法运算电路反相加法运算电路设计要求 u uo o=-(2=-(2u ui1i1+5+5u ui2 ) )反馈电阻Rf为100千欧其输入输出关系为其输入输出关系为: :uo=(ui1Rf/R1+ui2Rf/R2)ui 画出相应电路图,标注元件参数测试测试技术技术第第四四章章信信号号变变换换及及调调理理2.4.2.4.差分运算电路差分运算电路( (减法器减法器) )其输入输出关系为其输入输出关系为: :uo=(Rf/R1)(ui2-ui1) 差分运算电路设计要求 u uo o=10(=10(

26、u ui2i2- -u ui1 ) )反馈电阻Rf为100千欧画出相应电路图,标注元件参数测试测试技术技术第第四四章章信信号号变变换换及及调调理理2.5负反馈对放大电路的影响负反馈对放大电路的影响1)1)、提高放大倍数的稳定性、提高放大倍数的稳定性00011AdAFAAdAff2)2)、减少非线性失真、减少非线性失真测试测试技术技术第第四四章章信信号号变变换换及及调调理理3)3)、扩展通频带、扩展通频带4)4)、对输入电阻和输出电阻的影响、对输入电阻和输出电阻的影响 串联负反馈使输入电阻增加；并联负反馈使输入串联负反馈使输入电阻增加；并联负反馈使输入电阻减小。对于电压负反馈，由于反馈信号正比于

27、输电阻减小。对于电压负反馈，由于反馈信号正比于输出电压，在一定的输入情况下，当输出电压由于某种出电压，在一定的输入情况下，当输出电压由于某种原因增大原因增大( (或减小或减小) )时，反馈信号也增大时，反馈信号也增大( (或减小或减小) )，导，导致净输入信号减小致净输入信号减小( (或增大或增大) )，从而使输出电压减小，从而使输出电压减小( (或或增大增大) )。因此电压负反馈具有稳定输出电压的作用，即。因此电压负反馈具有稳定输出电压的作用，即使输出电压趋向于恒定，故使输出电阻减小。对于电使输出电压趋向于恒定，故使输出电阻减小。对于电流负反馈，反馈信号正比于输出电流，具有稳定输出流负反馈，

28、反馈信号正比于输出电流，具有稳定输出电流的作用，即使输出电流趋向于恒定，故使输出电电流的作用，即使输出电流趋向于恒定，故使输出电阻增大。阻增大。测试测试技术技术4).1、对输入电阻的影响、对输入电阻的影响串联负反馈使输入电阻增大串联负反馈使输入电阻增大iididifidiiifiAFuuiuuiuR )1(i ifRAFR 深度负反馈：深度负反馈： ifRii A FuiuidufRiAFuid第第四四章章信信号号变变换换及及调调理理测试测试技术技术并联负反馈使输入电阻减小并联负反馈使输入电阻减小idididf ididiiifAFiiuiiuiuR AFRR 1i if深度负反馈：深度负反馈

29、：0ifRifiidii A FuiRiAFiid第第四四章章信信号号变变换换及及调调理理测试测试技术技术4).2、对输出电阻的影响、对输出电阻的影响电压负反馈电压负反馈 F 与与 A 并联，使输出电阻减小。并联，使输出电阻减小。AFRoRofFARR 1o ofA 为负载开路时的源电压放大倍数。为负载开路时的源电压放大倍数。深度负反馈：深度负反馈：0ofR电流负反馈电流负反馈 F 与与 A 串联，使输出电阻增大串联，使输出电阻增大AFRoRof )1(o ofRFAR A 为负载短路时的源电压放大倍数。为负载短路时的源电压放大倍数。深度负反馈：深度负反馈： ofR第第四四章章信信号号变变换换

30、及及调调理理测试测试技术技术第第四四章章信信号号变变换换及及调调理理测试测试技术技术第第四四章章信信号号变变换换及及调调理理测试测试技术技术第第四四章章信信号号变变换换及及调调理理测试测试技术技术4.5 4.5 信号的显示与记录信号的显示与记录信信号号的的显显示示与与记记录录记录、显示装置是测量系统的重要环节记录、显示装置是测量系统的重要环节。 测试信号的显示和记录是测试系统不可缺少的组成部分。信测试信号的显示和记录是测试系统不可缺少的组成部分。信号显示与记录的目的在于：号显示与记录的目的在于：(1)(1)测试人员通过显示仪器观察各路信号的大小或实时波形；测试人员通过显示仪器观察各路信号的大小

31、或实时波形；(2)(2)及时掌握测试系统的动态信息，必要时对测试系统的参数做及时掌握测试系统的动态信息，必要时对测试系统的参数做相应调整，如输出的信号过小或过大时，可及时调节系统增益；相应调整，如输出的信号过小或过大时，可及时调节系统增益；信号中含噪声干扰时可通过滤波器降噪等等；信号中含噪声干扰时可通过滤波器降噪等等；(3)(3)记录信号的重现；记录信号的重现；(4)(4)对信号进行后续的分析和处理。对信号进行后续的分析和处理。传统的显示和信号记录装置包括万用表、阴极射线管示波器、传统的显示和信号记录装置包括万用表、阴极射线管示波器、XYXY记录仪、模拟磁带记录仪等。近年来，随着计算机技术的飞

32、速发记录仪、模拟磁带记录仪等。近年来，随着计算机技术的飞速发展，记录与显示仪器从根本上发生了变化，数字式设备已成为显展，记录与显示仪器从根本上发生了变化，数字式设备已成为显示与记录装置的主流，数字式设备的广泛应用给信号的显示与记示与记录装置的主流，数字式设备的广泛应用给信号的显示与记录方式赋予了新的内容。录方式赋予了新的内容。测试测试技术技术信号的显示信号的显示信信号号的的显显示示测试测试技术技术信号的显示信号的显示信信号号的的显显示示测试测试技术技术信号的显示信号的显示信信号号的的显显示示测试测试技术技术信信号号的的记记录录记录信号的性质分：记录信号的性质分： 模拟型模拟型 数字型数字型动圈式磁电指示机构动圈式磁电指示机构光线示波器光线示波器伺服式记录仪伺服式记录仪采