测试技术第4章ppt课件

1、信信号号调调理理处处理理与与分分析析4.1 电桥电桥4.2 调制与解调调制与解调 本章主要内容本章主要内容4.3 滤波器滤波器 4.4 放大器放大器 电电桥桥4.1 电桥电桥4.1.1 直流电桥直流电桥电桥用途：将电阻、电感、电容的变化转变为电电桥用途：将电阻、电感、电容的变化转变为电压或电流输出压或电流输出激励电压为直激励电压为直流电压流电压EERRRUba211ERRRUda434电电桥桥dababdUUUERRRRRR)(434211ERRRRRRRR)(43214231若要使若要使Ubd=0，则要使，则要使R1R3=R2R4直流直流电桥平衡条件）电桥平衡条件） 一般令一般令R1=R2=

2、R3=R4=R若电阻若电阻R1可变，变化量为可变，变化量为R，则有：，则有：ERRRRRRRR2*)()(2ERRRRRRRRUUbdy)(43214231电桥输出：电桥输出：ERRR)2(2a. 半桥单臂半桥单臂R+REUyABCDRRR半桥单臂半桥单臂电电桥桥当当RR时，有时，有 ERRUy4可看出可看出Uy与与R约成线性关系约成线性关系若电阻若电阻R2也可变，变化也可变，变化量为量为 - R，则有：，则有：ERRRRRRRRUUbdy)(43214231电桥输出：电桥输出：ERR2这种情况称为半桥双臂，灵敏度为半桥单臂的两倍这种情况称为半桥双臂，灵敏度为半桥单臂的两倍b. 半桥双臂半桥双

3、臂EUyABCDR + RR - RRR半桥双臂半桥双臂ERRRRRRRR2*2)()(电电桥桥同理，若同理，若R3和和R4也有变也有变化，变化量分别为化，变化量分别为+ R和和 RERRRRRRRRUUbdy)(43214231电桥输出：电桥输出：ERR这种情况称为全桥，灵敏度为半桥双臂的两这种情况称为全桥，灵敏度为半桥双臂的两倍倍c. 全桥全桥ERRRRRR2*2)()(22全桥全桥EUyABCDR + RR - RR + RR - R电电桥桥半桥和半桥和 全桥的电阻阻值变化特点全桥的电阻阻值变化特点对角的两个桥臂的阻值变化相同；对角的两个桥臂的阻值变化相同；不同对角桥臂的阻值变化大小相等

4、，方向不同对角桥臂的阻值变化大小相等，方向相反相反电电桥桥电电桥桥练习练习4.1：有一金属电阻应变片，其灵敏度：有一金属电阻应变片，其灵敏度S=2.5，R =120，设工作时其应变为，设工作时其应变为1200e-6 ， 问问R是多少？是多少？ 若组成半桥单臂电桥，激励电压为若组成半桥单臂电桥，激励电压为2V，问输出电压，问输出电压是多少？是多少？练习练习4.2 一个直流应变电桥图一个直流应变电桥图1a所示，已知所示，已知R1=R2=R3=R4=R=100, E=4V。求：。求：1若若R1为工作应变片，其余为外接电阻，且为工作应变片，其余为外接电阻，且R1受力受力后变化后变化R1/R=1/100

5、时，则输出电压为多少？时，则输出电压为多少？2若要测量图若要测量图1b所示悬臂梁的受力所示悬臂梁的受力F, 四个臂全部为应四个臂全部为应变片，请在梁上标出变片，请在梁上标出R1、R2、R3、R4应变片粘贴的应变片粘贴的位置。位置。电电桥桥前往图图1a图图1bR1R1R2R2R4R4R3R3E EU0U0F F4.1.2 交流电桥交流电桥激励电压为交流电压，桥臂采用电感或电容。激励电压为交流电压，桥臂采用电感或电容。 电电桥桥LrZLrcZcLjrZL接电感时的阻抗：接电感时的阻抗：cjrZc1接电容时的阻抗：接电容时的阻抗：LjLLeZZ| 22|LrZLcjcceZZ| rLarctgL22

6、1|crZccrarctgc1原理：与直流电桥类似，若各桥臂无变化，则输原理：与直流电桥类似，若各桥臂无变化，则输出电压出电压Uy=0的平衡关系式为：的平衡关系式为：Z1Z3=Z2Z4 1011jeZZ 2022jeZZ3033jeZZ 4044jeZZ则平衡条则平衡条件件04020301ZZZZ4231Z01Z04为各阻抗的模为各阻抗的模 41为阻抗角为阻抗角 电电桥桥例：如图所示交流电桥的平衡式例：如图所示交流电桥的平衡式阻抗：阻抗： 11LjRR2、R3 44LjR04020301ZZZZ)()(442311LjRRRLjR若令实部和虚部分别相等，则有：若令实部和虚部分别相等，则有： R

7、1R3=R2R44213LRLR电电桥桥eu0问题：下图的输出问题：下图的输出电电桥桥正方向正方向调调制制与与解解调调4.2 调制与解调调制与解调 a. 调制的目的：传感器得到的信号常是一些微弱且缓调制的目的：传感器得到的信号常是一些微弱且缓变的电信号，这种信号不便于远距离传输，通过调变的电信号，这种信号不便于远距离传输，通过调制，使信号变成较强的高频信号，以便传输。制，使信号变成较强的高频信号，以便传输。b. 调制：使信号的某些参数如幅值在另一信号的调制：使信号的某些参数如幅值在另一信号的控制下发生变化的过程。调制有调幅控制下发生变化的过程。调制有调幅AM）、调）、调频频0FM和调相和调相P

8、M三种。三种。c. 调制信号：控制另一信号载波参数变化的信号。调制信号：控制另一信号载波参数变化的信号。调制信号是原信号。调制信号是原信号。d. 载波：被控制的信号，一般是较高频率的交变信号。载波：被控制的信号，一般是较高频率的交变信号。载波信号是外加信号。载波信号是外加信号。a) a) 幅值调制幅值调制(AM)(AM)2cos()()(fttxAtxmc) c) 相位调制相位调制(PM)(PM)(2cos()(txftAtxmb) b) 频率调制频率调制(FM)(FM)(2cos()(ttxfAtxm调调制制与与解解调调调制信号调制信号x(t)x(t)载波信号载波信号)2cos()(ftAt

9、ye. 调幅信号、调频信号、调相信号：已调制的信号。调幅信号、调频信号、调相信号：已调制的信号。f. 解调：从已调制信号中恢复出调制信号的过程。解调：从已调制信号中恢复出调制信号的过程。调调制制与与解解调调4.2.1 调幅及解调调幅及解调1) 调幅原理)(*)()()(fYfXtytx tx txtf02cos txm tx tx tx调调制制与与解解调调参量控制式乘参量控制式乘法运算电路法运算电路 参量控制式乘法运算电路：采用场效应管源漏极之参量控制式乘法运算电路：采用场效应管源漏极之间的沟道电阻间的沟道电阻rDSrDS作为输入电阻，可实现两个输入作为输入电阻，可实现两个输入信号信号UxUx

10、和和UyUy的乘积。由于的乘积。由于1 1rDSrDS与栅源极电压与栅源极电压UGS(UGS(即即UX)UX)之间有着良好的线性关系，即之间有着良好的线性关系，即UGS=UX=KUGS=UX=KrDSrDS，其中，其中K K为比例系数，则电路输出为比例系数，则电路输出UOUO为为: :乘法器举例乘法器举例1：调调制制与与解解调调乘法器举例乘法器举例2：调调制制与与解解调调该全波调幅电路由两个半波调幅电路组成。在载波信该全波调幅电路由两个半波调幅电路组成。在载波信号号Uc为高电平的半周期内，为高电平的半周期内，VF1导通，导通，VF2截止，截止，A点点电位等于输入端电位，同时由于电位等于输入端电

11、位，同时由于VF4导通，导通，VF3截止，截止，B点接地，则输出电压点接地，则输出电压uo=uab=ui;在在Uc的另半周期内，的另半周期内，情况正好与上述相反，情况正好与上述相反，B点电位等于输入端电位，点电位等于输入端电位，A点点接地，于是接地，于是uo=uab=-ui。上述调制过程所对应的信号波。上述调制过程所对应的信号波形如图形如图b所示。所示。调调制制与与解解调调除法运算电路除法运算电路)(020ffetfj)(020ffetfjtfty02cos)()(210022tfjtfjee假设假设由傅立叶变换特性知：由傅立叶变换特性知：)()(212cos000fffftf所以所以)()(

12、21*)(2cos)(000fffffXtftx那么：那么：调调制制与与解解调调调幅信号的频谱：调幅信号的频谱：)()(21*)(00fffffX为为)(21fX函数左移函数左移函数的卷积特性得：函数的卷积特性得：由由调调制制与与解解调调留意：留意：a. 调制前的信号是低频信号，调制后的信号是高频调制前的信号是低频信号，调制后的信号是高频信号信号b. 调幅时，调制信号和载波信号是相乘，不是叠加。调幅时，调制信号和载波信号是相乘，不是叠加。采用乘法器实现相乘。采用乘法器实现相乘。f0和右移和右移f0t ftxtxm02cos 0cos2y tf t x t调调制制与与解解调调方法一：方法一： 同

13、步解调同步解调调调制制与与解解调调2) 幅值解调方法幅值解调方法 tftxtftxm0202cos2cos tftxtx04cos2121 0cos2y tf t tftxtxm02cos调调制制与与解解调调调调制制与与解解调调乘法器乘法器滤波器滤波器 tx21tf02cos mx再用低通滤波器将中心频率为再用低通滤波器将中心频率为2f0的高频信号成分滤的高频信号成分滤去，则得到幅值降为一半的原始信号。去，则得到幅值降为一半的原始信号。问题问题1 1：为什么叫同步解调？：为什么叫同步解调？将信号将信号x(t)x(t)直接与载波直接与载波y(t)y(t)相乘得相乘得x(m)x(m)，解调时，解调

14、时必须再乘于与必须再乘于与x(m)x(m)相位相同的相位相同的y (t) y (t) 方能复原出方能复原出原信号，故称同步解调原信号，故称同步解调调调制制与与解解调调同步解调方法存在的问题：同步解调方法存在的问题：问题问题2 2：调制时重叠失真：调制时重叠失真解决方法：解决方法：f0fmax f0fmax 其中：其中：fmaxfmax为调制信号所有子成分中最高的频率为调制信号所有子成分中最高的频率通常通常f0fmax调调制制与与解解调调方法二：整流检波方法二：整流检波 a.a.将调幅信号整流；将调幅信号整流；b.b.对整流后的信号低通滤波对整流后的信号低通滤波 半波整流元件：二极管半波整流元件

15、：二极管得到幅值为正的信号得到幅值为正的信号调调制制与与解解调调再滤除高频成分再滤除高频成分特点：当特点：当x(t)0 x(t)0时，时，调幅波与载波反相，调幅波与载波反相，即相位相差即相位相差180180，载，载波为正负电压时，波为正负电压时，调幅波为负正电调幅波为负正电压。压。问题问题1 1：过调失真：过调失真调调制制与与解解调调整流检波方法存在的问题：整流检波方法存在的问题：解决方法：解决方法：1 1调制前对调制信号进行偏置，即叠加一个调制前对调制信号进行偏置，即叠加一个直流分量，使偏置后的信号都为正电压。要求：直流分量，使偏置后的信号都为正电压。要求：偏置电压偏置电压A A足够大。足够

16、大。2 2采用相敏检波采用相敏检波调调制制与与解解调调方法三：相敏检波方法三：相敏检波调调制制与与解解调调辨相原理：辨相原理：调调制制与与解解调调E EUyUyA AB BC CD DR+RR+RR RR RR R练习练习4.3 4.3 有一金属电阻应变片，其灵敏度有一金属电阻应变片，其灵敏度S=2.5S=2.5，组，组成半桥单臂电桥，设应变为成半桥单臂电桥，设应变为10-3(cos2t+cos10t) 10-3(cos2t+cos10t) ，激励电压激励电压E=2cos100tE=2cos100tV V），求输出电压），求输出电压uyuy的频谱？的频谱？若激励电压为若激励电压为2cos5t2

17、cos5tV V），将产生什么问题？），将产生什么问题？4.2.2 调频及其解调调频及其解调)(0tkxffy调频：使载波频率与调制信号的幅值成线性变化。调频：使载波频率与调制信号的幅值成线性变化。)*)(2cos()(0ttkxfAty调调制制与与解解调调1) 直接调频测量电路直接调频测量电路把被测物理量的变化直接转换为谐振频率的变化把被测物理量的变化直接转换为谐振频率的变化调调制制与与解解调调LC.+.IRUIC.IL.CjRLjZ1/)(CjRLjCjRLj11)()1(CLjRCL被测物理量被测物理量如如 LC并并联谐振电联谐振电路路谐振频率：谐振频率： LCf21321*21LCCf

18、Cf2调调制制与与解解调调22)1(/|CLRCLZ谐振圆频率：谐振圆频率：LC10灵敏度：灵敏度： 则对于某一个电容值则对于某一个电容值C0，LC电路频率的变化与电容变化关系为：电路频率的变化与电容变化关系为： 002 CCffLC电路频率为电路频率为 CCffCCffff0000002)21 (调调制制与与解解调调2) 压控振荡器压控振荡器 1. 若若u0输出正电压，则输出正电压，则A2输出正电压，受稳压管输出正电压，受稳压管Dz钳制为钳制为+u01，二极管，二极管D不不 导通，输入电压导通，输入电压u1作为积作为积分电路分电路A1的输入，使的输入，使u0逐逐渐变小；渐变小；2. 当当u0

19、小到负值的时候，小到负值的时候，A2的输出为负，受稳压管的输出为负，受稳压管Dz钳制为钳制为-u01，二极管，二极管D导通，积分电路导通，积分电路A1的输入的输入为负值，输出为负值，输出u0逐渐增大；逐渐增大；3. 当当u0增大到正值的时候，增大到正值的时候，A2的输出为正，转的输出为正，转1；4. 因此，因此，u0输出一方波，输出一方波，其振荡频率由输入电压其振荡频率由输入电压u1决定。决定。调调制制与与解解调调A1：积分放大器：积分放大器A2：同相放大器：同相放大器3) 鉴频器用于调频信号的解调）鉴频器用于调频信号的解调）变压器耦合的谐振回路鉴频法变压器耦合的谐振回路鉴频法调调制制与与解解

20、调调鉴频器的电压频率特性曲线鉴频器的电压频率特性曲线利用特性曲线中亚谐振区近似直线的一段，从而使幅值与频率保持线性关系利用特性曲线中亚谐振区近似直线的一段，从而使幅值与频率保持线性关系亚谐振亚谐振区区调调制制与与解解调调滤滤波波器器第三节第三节 滤波器滤波器1. 滤波器的用途：滤波器为选频装置，只允滤波器的用途：滤波器为选频装置，只允许特定的频率成分许特定的频率成分 经过滤除干扰躁声）。经过滤除干扰躁声）。2. 滤波器分类滤波器分类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3. 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理想滤波器是指

21、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。失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。又根据不失真测试的条件，可得又根据不失真测试的条件，可得理想滤波器的频率响应函数：理想滤波器的频率响应函数：滤滤波波器器4. 实际滤波器实际滤波器 在实际滤波器的幅频特性图中通带和阻带间应没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限，存在一个过渡带。有严格的界限，存在一个过渡带。 滤滤波波器器分贝计算式：分贝计算式：10lgX1)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相相比应小于比应小于-3dB-3dB。参数参数x

22、 x的分贝表示：的分贝表示：2)2)截止频率截止频率fc :fc :幅频特性值等于幅频特性值等于0.707A00.707A0（-3dB-3dB所对应的频率。上截止频率所对应的频率。上截止频率fc2fc2，下截止频率，下截止频率fc1.fc1.3)3)带宽带宽B B：上下两截止频率之差称为带宽：上下两截止频率之差称为带宽 恒带宽滤波器恒带宽滤波器 B=fc2-fc1B=fc2-fc1 恒带宽比滤波器恒带宽比滤波器 B=(2n-B=(2n-1)fc11)fc1滤滤波波器器)(log2010 x5)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

23、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之之间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。衰减量。7)7)滤波器因素滤波器因素: -60dB: -60dB带宽与带宽与-3dB-3dB带宽的比值带宽的比值衰减量分别为衰减量分别为-60dB-60dB和和-3dB-3dB）。与倍频程选择性）。与倍频程选择性类似类似滤滤波波器器4)4)中心频率中心频率f0f01200122ccccffffff定义一：定义一：定义二：定义二：5 5 无源无源RCRC滤波器滤波器 在测试系统中，常用在测试系统中，常用R

24、CRC滤波器。因为这一领域滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而中信号频率相对来说不高。而RCRC滤波器电路简滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且可选单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且可选用标准阻容元件用标准阻容元件 。 1) 1) 一阶一阶RCRC低通滤波器低通滤波器 滤滤波波器器xxyEjRCECjRCjE1111为一阶系统，时间常数为一阶系统，时间常数RC2)(11)(RCA)()(RCarctg滤滤波波器器滤滤波波器器练习练习4.4有一金属电阻应变片，其灵敏度有一金属电阻应变片，其灵敏度S=2.5，组成半，组成半桥单臂电桥，设应变为桥单臂电桥，设应变为0.2cos

25、10t） ，激励，激励电压电压E=5cos100tV）。若采用整流检波和无源）。若采用整流检波和无源RC低通滤波，问滤波电路的电阻电容值的限制低通滤波，问滤波电路的电阻电容值的限制条件？条件？滤滤波波器器2) 2) 一阶一阶RCRC高通滤波器高通滤波器 xxyEjRCRCECjRRE12)(1)(RCRCA)1()(RCarctg滤滤波波器器RCc1221)(1)(2222cccRCRCA上截止频率幅值：上截止频率幅值：RCfc212滤滤波波器器3) RC3) RC带通滤波器带通滤波器 可以简单看作为低可以简单看作为低通滤波器和高通滤通滤波器和高通滤波器的串联波器的串联jCRCRCjRHHH2

26、222112111)()()(滤滤波波器器无源无源RC滤波器存在问题：滤波器存在问题：倍频程选择特性差即衰减慢），采用多级串联的倍频程选择特性差即衰减慢），采用多级串联的方式可加速衰减，但又引起负载效应和相位增大的方式可加速衰减，但又引起负载效应和相位增大的问题。问题。滤滤波波器器4. 有源滤波器有源滤波器1) 有源低通滤波器有源低通滤波器RCjUUcjRcjUUiic111滤波器滤波器1：滤滤波波器器URRUfo)1 (1RCjRRUUFio111RC21)(11)1 ()(RCRRAfRC1上截止频率上截止频率滤滤波波器器)(jT0ufA021ufA0滤波器滤波器2：滤滤波波器器二阶有源高

27、通滤波器二阶有源高通滤波器2) 有源高通滤波器有源高通滤波器一阶有源高通滤波器一阶有源高通滤波器滤滤波波器器3) 有源带通滤波器有源带通滤波器滤滤波波器器4 4 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。1) 1) 恒带宽带通滤波器恒带宽带通滤波器 )(21210ccfff滤滤波波器器2) 2) 恒带宽比带通滤波器恒带宽比带通滤波器 122cncff12/2021cnccffff（倍频程滤波器）（倍频程滤波器）

28、n：倍频程数：倍频程数 （称为（称为n倍频程滤波倍频程滤波器，若器，若n=1/3，则称为，则称为1/3倍频程滤倍频程滤波器）波器）滤滤波波器器1 1倍频程滤波器倍频程滤波器滤滤波波器器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前往放放大大器器第四节第四节 放大器放大器 放大器的作用放大器的作用 传感器的输出信号微弱，需要用放大电路放传感器的输出信号微弱，需要用放大电路放大大2. 对放大器的要求对放大器的要求1足够的放大倍数足够的放大倍数2高输入阻抗高输入阻抗 因为放大器的输入阻抗是测量电路的负载，因为放大器的输入阻抗是测量电路的负载，放大器的输入阻

29、抗高，则测量电路的输出电压较放大器的输入阻抗高，则测量电路的输出电压较大。大。放放大大器器3低输出阻抗低输出阻抗 因为放大器的输出阻抗是负载电路的内阻，输出因为放大器的输出阻抗是负载电路的内阻，输出阻抗小，则负载的输出电压大。阻抗小，则负载的输出电压大。4高共模抑制能力高共模抑制能力 Ad：差模增益；：差模增益；Ac：共模增益；：共模增益； 共模抑制比共模抑制比(common-mode rejection ratio, CMRR )： k=Ad/Ac 5低温漂、低噪声等。低温漂、低噪声等。)(21)(0uuAuuAucd放放大大器器3. 放大倍数的确定放大倍数的确定 使电压幅值尽量充满使电压幅

30、值尽量充满A/D转换器的整个量程。转换器的整个量程。 如如12位的位的A/D转换器，参考电压转换器，参考电压 - 5 + 5V，共有，共有212=4096个数字编码，能分辨的最小电压为个数字编码，能分辨的最小电压为10/40962.5mV。设计放大器的放大倍数时，应使量程。设计放大器的放大倍数时，应使量程电压值处于电压值处于-55V之间，尽量使测量上下限电压为之间，尽量使测量上下限电压为-5V和和+5V。以提高分辨力。以提高分辨力。放放大大器器3. 运算放大器运算放大器- -+ +R1R2uiu0Rf1反相放大器反相放大器反相放大器的输入阻抗为反相放大器的输入阻抗为R1，输出阻抗为，输出阻抗为0放放大大器器放大倍数放大倍数1RRf，通常，通常Rf较大，较大，R1较小较小ifuRRu10u1- -+ +R1R2uiu0Rfii11ii 10RuRuiffiRuuRuu011101u又放放大大器器u1- -+ +R1R2uiu0Rfi2i1i12ii fiiRuuRu01fRuuRu01110iuu 1又2同相放大器同相放大器输入阻抗输入阻抗，输出阻抗，输出阻抗0ifuRRu)1 (10放大倍数放大倍数11