测试技术第4章

第四章信号调理信号调理处理与分析4.1电桥4.2调制与解调

本章主要内容4.3滤波器

4.4放大器

4.5信号的显示与记录

电桥4.1电桥4.1.1直流电桥电桥用途：将电阻、电感、电容的变化转变为电压或电流输出激励电压为直流电压E电桥若要使Ubd=0，则要使R1R3=R2R4（直流电桥平衡条件）一般令R1=R2=R3=R4=R若电阻R1可变，变化量为ΔR，则有：电桥输出：a.半桥单臂R+ΔREUyABCDRRR半桥单臂电桥当R>>ΔR时，有可看出Uy与ΔR约成线性关系若电阻R2也可变，变化量为-

ΔR，则有：电桥输出：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EUyABCDR+ΔRR-ΔRRR半桥双臂电桥同理，若R3和R4也有变化，变化量分别为+ΔR和–ΔR电桥输出：这种情况称为全桥，灵敏度为半桥双臂的两倍c.全桥全桥EUyABCDR+ΔRR-ΔRR+ΔRR-ΔR电桥电桥练习4.1：有一金属电阻应变片，其灵敏度S=2.5，R=120Ω，设工作时其应变为1200e-6，问ΔR是多少？若组成半桥单臂电桥，激励电压为2V，问输出电压是多少？练习4.2一个直流应变电桥图1a所示，已知R1=R2=R3=R4=R=100Ω,E=4V。求：1）若R1为工作应变片，其余为外接电阻，且R1受力后变化ΔR1/R=1/100时，则输出电压为多少？2）若要测量图1b所示悬臂梁的受力F,四个臂全部为应变片，请在梁上标出R1、R2、R3、R4应变片粘贴的位置。电桥返回图1a图1bR1R2R3R4EU0F4.1.2交流电桥激励电压为交流电压，桥臂采用电感或电容。电桥接电感时的阻抗：接电容时的阻抗：原理：与直流电桥类似，若各桥臂无变化，则输出电压Uy=0的平衡关系式为：Z1Z3=Z2Z4

则平衡条件Z01~Z04为各阻抗的模为阻抗角电桥例：如图所示交流电桥的平衡式阻抗：R2、R3若令实部和虚部分别相等，则有：R1R3=R2R4电桥euy问题：下图的输出电桥正方向调制与解调4.2调制与解调

a.调制的目的：传感器得到的信号常是一些缓变的电信号，为便于信号的远距离传输，调制就是要解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。b.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（AM）、调频（FM）和调相（PM）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。载波信号是外加信号。a)幅值调制(AM)c)相位调制(PM)b)频率调制(FM)调制与解调调制信号x(t)载波信号e.调幅信号、调频信号、调相信号：被调制后的信号。f.解调：从已调制波中恢复出调制信号的过程。调制与解调4.2.1调幅及解调1)调幅原理调制与解调乘法电路采用场效应管源漏极之间的沟道电阻rDS作为输入电阻的参量控制式乘法运算电路，可实现两个输入信号Ux和Uy的乘积。由于1／rDS与栅源极电压UGS(即UX)之间有着良好的线性关系，即UGS=UX=K／rDS，其中K为比例系数，则电路输出UO为:调制与解调除法电路若由傅立叶变换特性知：所以则调制与解调为函数左移f0和右移f0

函数的卷积特性得：由调制与解调注意：a.调制前的信号是低频信号，调制后的信号是高频信号b.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。如电桥就可做一个乘法器，激励电压作为载波信号。调制与解调调制与解调调幅电路举例：调制与解调该全波调幅电路由两个半波调幅电路组成。在载波信号Uc为高电平的半周期内，VF1导通，VF2截止，A点电位等于输入端电位，同时由于VF4导通，VF3截止，B点接地，则输出电压uo=uab=ui;在Uc的另半周期内，情况正好与上述相反，B点电位等于输入端电位，A点接地，于是uo=uab=-ui。上述调制过程所对应的信号波形如图b所示。a.同步解调调制与解调2)幅值解调方法调制与解调乘法器滤波器再用低通滤波器将中心频率为2f0的高频信号成分滤去，则得到幅值降为一半的原始信号。问题1：为什么叫同步解调？将信号x(t)直接与载波y(t)相乘得x(m)，解调时必须再乘于与x(m)相位相同的y(t)方能复原出原信号，故称同步解调．问题2：调制时重叠失真解决方法：f0>fmax其中fmax为调制信号所有子成分的最高频率通常f0>>fmax调制与解调b.整流检波：将调幅波进行整流，再滤波半波整流元件：二极管得到幅值为正的信号调制与解调再滤除高频成分2）采用相敏检波解决方法：1）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：偏置电压A足够大。特点：当x(t)<0时，调幅波与载波反相，即相位相差180°，载波为正（负）电压时，调幅波为负（正）电压。问题3：过调失真调制与解调b.相敏检波调制与解调辨相原理：调制与解调练习4.3EUyABCDR+ΔRRRR有一金属电阻应变片，其灵敏度S=2.5，组成半桥单臂电桥，设应变为1000cos10t（με），激励电压E=2cos100t（V），求输出电压uy的频谱？若激励电压为2cos5t（V），将产生什么问题？4.2.2调频及其解调调频：使载波频率与调制信号的幅值成线性变化。调制与解调1)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调制与解调被测物理量如LC谐振电路谐振频率调制与解调LC并联谐振电路谐振圆频率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：LC电路频率为调制与解调2)压控振荡器1.若u0输出正电压，则A2输出正电压，受稳压管Dz钳制为+u01，二极管D不导通，输入电压u1作为积分电路A1的输入，使u0逐渐变小；2.当u0小到负值的时候，A2的输出为负，受稳压管Dz钳制为-u01，二极管D导通，积分电路A1的输入为负值，输出u0逐渐增大；3.当u0增大到正值的时候，A2的输出为正，转1；4.因此，u0输出一方波，其振荡频率由输入电压u1决定。调制与解调A1：积分放大器A2：同相放大器3)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调制与解调鉴频器的电压－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亚谐振区调制与解调滤波器第三节滤波器1.滤波器的用途：滤波器为选频装置，只允许特定的频率成分通过（滤除干扰躁声）。2.滤波器分类低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器3.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，可得理想滤波器的频率响应函数：滤波器4.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有严格的界限，存在一个过渡带。

滤波器分贝计算式：10lgX1)纹波幅度d：波动幅度d与幅频特性平均值A0相比应小于-3dB。2)截止频率fc:幅频特性值等于0.707A0（-3dB）所对应的频率．

3)带宽B：上下两截频间的频率范围称为带宽恒带宽滤波器B=fc2-fc1

恒带宽比滤波器B=fc1（2n-1)滤波器4)中心频率f0：

5)品质因数Q：中心频率和带宽之比称为品质因数6)倍频程选择性W：指在上截止频率fc2与2fc2之间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。7)滤波器因素λ:-60dB带宽与-3dB带宽的比值（衰减量分别为-60dB和-3dB）。与倍频程选择性类似滤波器5无源RC滤波器

在测试系统中，常用RC滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且可选用标准阻容元件。1)一阶RC低通滤波器

滤波器为一阶系统，时间常数滤波器滤波器练习4.4有一金属电阻应变片，其灵敏度S=2.5，组成半桥单臂电桥，设应变为0.2cos10t（με），激励电压E=5cos100t（V）。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条件？滤波器2)一阶RC高通滤波器

滤波器上截止频率幅值：滤波器3)RC带通滤波器可以简单看作为低通滤波器和高通滤波器的串联滤波器无源RC滤波器存在问题：倍频程选择特性差（即衰减慢），采用多级串联的方式可加速衰减，但又引起负载效应和相位增大的问题。滤波器4.有源滤波器1)有源低通滤波器a)滤波器上截止频率滤波器2)有源高通滤波器一阶有源高通滤波器滤波器二阶有源高通滤波器滤波器3)有源带通滤波器滤波器4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，根据实际滤波器中心频率与带宽之问的数值关系，可以分为两种。1)恒带宽带通滤波器

滤波器2)恒带宽比带通滤波器

（倍频程滤波器）n：倍频程数（称为n倍频程滤波器，若n=1/3，则称为1/3倍频程滤波器）滤波器1倍频程滤波器滤波器5滤波器的应用案例：机床轴心轨迹的滤波处理滤波器滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律返回放大器第四节放大器

放大器的作用传感器的输出信号微弱，需要用放大电路放大2.对放大器的要求1）足够的放大倍数2）高输入阻抗因为传感器的输出微弱，放大器的输入阻抗高，则输入的电压较大3）低输出阻抗使输出的电压大放大器4）高共模抑制能力（共模信号：大小相等，相位相同的信号）5）低温漂、低噪声等。3.放大倍数的确定

使电压幅值尽量充满A/D转换器的整个量程。如12位的A/D转换器，参考电压-5~+5V，共有212=4096个数字编码，能分辨的最小电压为10/4096≈2.5mV，则进行电压幅值调理，使全部电压值处于-5~5V之间，并在此基础上尽量提高电压值，以提高分辨力。放大器3.运算放大器-+R1R2uiu0Rf1）反相放大器u1-+R1R2uiu0Rfii1输入阻抗低放大器放大倍数，通常Rf较大，R1较小u1-+R1R2uiu0Rfi2i1i2）同相放大器输入阻抗高放大器放大倍数3）差分放大器u1-+R1R2ui2u0Rfi2i1R3ui1-+R1ui1u01Rf=+放大器u1-+R1R2ui2u02RfR3放大器当R2=R1，R3=Rf时，差模增益为：当只有共模信号输入时，即ui2=ui1，u0=0共模增益为0共模抑制比（差模增益与共模增益之比）为无穷大共模抑制性好放大器1）差模增益可调的差动放大器u1-+R1ui2u0RfRfu