测试信号的调理(调制与调节)

第6章测试信号的调理及其记录第一节概述第二节电桥第三节滤波器

第四节调制与解调第五节信号的显示、记录与存储1第一节概述·传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。

·有些传感器输出电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。

·某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量信号进行调制解调处理。

变换与调理的目的：便于信号的传输与处理。

2第二节电桥

电桥：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。

优点：电路简单可靠，具有很高的精度和灵敏度。按激励电源的类型可分为：直流电桥交流电桥{按输出方式分为：不平衡式电桥平衡式电桥{不平衡式电桥应用更为广泛。下面仅对不平衡式电桥加以介绍。3一、直流电桥

电桥的输出电压：

直流电桥的平衡条件：

4

电桥的连接形式：单臂电桥、半桥与全桥。

·单臂电桥：工作中只有一个桥臂电阻随被测量的变化而变化。取电桥的输出电压：灵敏度：激励电压Ue不变5·半桥：工作中有两个桥臂（一般为相邻桥臂）的阻值随被测量差动变化。电桥的输出电压：灵敏度：6·全桥：工作中四个桥臂阻值都随被测量而变化。电桥的输出电压：灵敏度：7电桥的和差特性：1）若相邻两桥臂电阻同向变化（即两电阻同时增大或同时减小），所产生的输出电压的变化将相互抵消；

2）若相邻两桥臂电阻反相变化（即两电阻一个增大一个减小），所产生的输出电压的变化将相互迭加。

用悬臂梁做敏感元件测力时，常在梁的上下表面各贴一个应变片，并将两个应变片接入电桥相邻的两个桥臂。8

用柱形梁做敏感元件测力时，常沿着圆周间隔90°纵向贴4个应变片R1、R2、R3、R4作为工作片，与纵向应变片相间，再横向贴4个应变片R5、R6、R7、R8用作温度补偿。9

例题：以阻值R=200Ω、灵敏度S=2的电阻丝应变片与阻值为200Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为5V，并假定负载电阻为无穷大，当应变片的应变为2με和200με时，分别求单臂、双臂电桥的输出电压，并比较两种情况下的电桥灵敏度。解：单臂电桥的输出电压1）当应变片的应变为2με双臂电桥的输出电压二、交流电桥

交流电桥采用交流电源激励，电桥的四个臂可为电感、电容或电阻。如果交流电桥的阻抗、电流及电压都用复数表示，则关于直流电桥的平衡关系式在交流电桥中也可适用，即交流电桥的平衡条件为

把各阻抗用指数式表示为

平衡条件：相对两臂阻抗之模的乘积应相等，并且它们的阻抗角之和也必须相等。11·电容电桥

平衡条件

要使电桥达到平衡，必须同时调节电阻与电容两个参数，即调节电阻达到电阻平衡，调节电容达到电容平衡。·交流电桥四个桥臂中有两个相邻桥臂采用纯电阻元件，则另外两个桥臂必须接入相同性质的阻抗，例如都是电容或者都是电感。

·交流电桥四个桥臂中有两个相对桥臂采用纯电阻元件，则另外两个桥臂必须接入不同性质的阻抗，例如一臂是电容，另一臂是电感。

12·电感电桥

平衡条件

要使电桥达到平衡，必须同时调节电阻与电感两个参数，即调节电阻达到电阻平衡，调节电感达到电感平衡。

13

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了一个电容。为此，除了有电阻平衡外，还须有电容平衡。

电阻交流电桥的分布电容

具有电阻电容平衡的交流电阻电桥14·单臂电桥输出电压：灵敏度：·半桥输出电压：灵敏度：·全桥输出电压：灵敏度：15第三节滤波器

什么是滤波?

在通过传感器获得的信号中，常常混淆有许多其他频率的干扰。由于这些干扰的存在，有时得不到正确的测量值，甚至有时有用的信号被淹没在干扰噪声中。为了突出有用信号，抑制噪声干扰，我们就要对传感器获得的信号进行滤波。

滤波的实质就是对信号进行频率选择，完成滤波功能的装置称为滤波器。当信号通过滤波器时，信号中某些频率成分得以通过，其他频率成分的信号受到衰减或抑制。信号通过滤波器的过程，就称为对信号进行滤波。16低通滤波器允许在其截止频率以下的频率成分通过而高于此频率的频率成分被衰减；高通滤波器只允许在其截止频率之上的频率成分通过；带通滤波器只允许在其中心频率附近一定范围内的频率分量通过；带阻滤波器可将选定频带上的频率成分衰减掉。a）低通滤波器b）高通滤波器c）带通滤波器d）带阻滤波器

17二、理想滤波器特性

理想滤波器在通带内的幅频特性应为常数，相频特性的斜率为常值；在通带外的幅频特性应为零。

理想滤波器在工程实际中是不可能实现的。

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理想滤波器的单位脉冲响应函数为：19

从理想滤波器的单位脉冲响应图形可以看出，在t=0时刻单位脉冲输入滤波器之前，即在t＜0时，滤波器就已经有响应了。故理想滤波器是物理不可实现。20给理想滤波器一个单位阶跃输入则理想滤波器的输出为sinc(λ)函数的积分不能用解析式表示，通常用表格或曲线的形式给出。21

输出响应从零值（a点）到稳定值A0（b点）需要一定的建立时间Te=tb-ta。计算积分式有：

滤波器的通频带越宽，即fc越大，则响应的建立时间Te越小，即图中图形越陡峭。22

这一结论对其它滤波器（高通、带通、带阻）也适用。

另一方面，滤波器的带宽表示着它的频率分辨力，通带越窄则分辨力越高。因此，滤波器的高分辨能力和测量时快速响应的要求是相互矛盾的。当采用滤波器从信号中选取某一频率成分时，就需要有足够的时间。如果建立时间不够，就会产生虚假的结果，而过长的测量时间也是没有必要的。一般采用BTe=5～10。23三、实际滤波器

理想滤波器的特性只需用截止频率描述，而实际滤波器的特性曲线无明显的转折点，两截止频率之间的幅频特性也非常数，故需用更多参数来描述。实际滤波器的主要特性参数：（1）截止频率fc:幅频特性值等于所对应的频率。（-3dB截止频率）24

（2）纹波幅度d：实际滤波器在通频带内可能出现纹波变化。其波动幅度d与幅频特性的稳定值A0相比，越小越好，一般应远小于-3dB。即

（4）品质因数Q:中心频率fn和带宽B之比为带通滤波器的品质因数Q。Q值越大，表明滤波器频率分辨力越高。带通滤波器的中心频率定义为

（3）带宽B：上下两截频间的频率范围称为带宽（-3dB带宽）。带宽表示滤波器的分辨能力，即滤波器分离信号中相邻频率成分的能力。25

（5）倍频程选择性W:在两截止频率外侧，实际滤波器有一个过渡带，这个过渡带的幅频曲线倾斜程度表明了幅频特性衰减的快慢，它决定着滤波器对带宽外频率成分衰阻的能力。通常用倍频程选择性来表征。所谓倍频程选择性，是指在上截止频率与之间，或者在下截止频率与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。

倍频程衰减量以dB/oct表示（octave，倍频程）。显然，衰减越快（即W值越小），滤波器的选择性越好。对于远离截止频率的衰减率也可用10倍频程衰减数表示之。即（dB／10oct）。或26

（6）矩形系数λ：滤波器选择性的另一种方法，是用滤波器幅频特性值为-60dB处的带宽B-60dB与-3dB处的带宽B-3dB的比值表示，即

对理想滤波器有λ=1。对普通使用的滤波器，一般为1～5。27

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。（1）RC低通滤波器

2.RC调谐式滤波器

28幅频特性和相频特性29▲当时，，近似于一条通过原点的直线。此时，RC低通滤波器是一个不失真传输系统。▲当时，，即RC低通滤波器的截止频率为▲当，，输出uy与输入ux的积分成正比，即：30（2）RC高通滤波器

电路的微分方程式令τ=RC，称时间常数。传递函数和频率响应函数幅频特性和相频特性31▲当时，，，RC低通滤波器是一个不失真传输系统。▲当时，，即RC高通滤波器的截止频率为▲当，，输出uy与输入ux的积分成正比，即：32（3）RC带通滤波器带通滤波器可以看作低通滤波器和高通滤波器的串联。传递函数和频率响应函数幅频特性和相频特性33▲当时，，RC低通滤波器是一个不失真传输系统。▲当时，，即RC带通滤波器的下、上截止频率为▲当，，信号完全被阻挡，不能通过。34第四节调制与解调调制与解调目的：解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。

调制是指利用某种低频信号来控制或改变一高频振荡信号的某个参数（幅值、频率或相位）的过程。在这里，高频振荡信号被称为载波，控制高频振荡的低频信号被称为调制信号，调制后的高频振荡信号为已调制信号。

解调是指从已调制信号中恢复出原低频调制信号的过程。调制与解调是一对相反的信号变换过程，在工程上经常结合在一起使用。35调制的种类：调制信号x(t)载波信号a)幅度调制(AM)b)频率调制(FM)c)相位调制(PM)36

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。一、幅度调制与解调

调幅过程就相当于频率“搬移”过程。·调幅37·解调

解调就是把调幅波xm(t)

再次与载波y(t)信号相乘，则频域图形将再一次进行“搬移”

用低通滤波器滤除高频成分，将可以复现原信号的频谱（只是幅值减半），这一过程称为“同步解调”。与原频谱的区别在于幅值为原来的一半，这可以通过放大来补偿。3839

解调方法：整流检波和相敏检波。整流检波：若把调制信号进行偏置，叠加一个直流分量，使偏置后的信号都具有正电压，那么调幅波的包络线将具有原调制信号的形状。把该调幅波进行简单的半波或全波整流、滤波，并减去所加的偏置电压就可以恢复原调制信号。这种方法又称作包络分析。

若所加的偏置电压未能使信号电压都为正，则用简单的整流方法就不能恢复原调制信号，这时需要采用相敏检波的方法。40相敏检波器由四个特性相同的二极管D1～D4沿同一方向串联成一个桥式回路，桥臂上有附加电阻，用于桥路平衡。四个端点分别接在变压器A和B的次级线圈上，变压器A的输入信号为调幅波xm(t)，B的输入信号为载波y(t)，uf(t)为输出。相敏检波器是一种能根据调幅波和载波的相位差来判别调制信号极性的解调器，它适合对各种类型的调幅波进行解调。设计相敏检波器时要求变压器B的二次边输出远大于变压器A的二次边输出，即y(t)>>xm(t)。这时，二极管的导通与截止全由参考电压y(t)决定。相敏检波41＋

－

1）xm(t)>0，y(t)>0，二极管D1、D2导通,在负载上形成两个电流回路：

回路1：f-g-e-1-b-D2-c-3-f（蓝色）回路2：4-a-D1-b-1-e-g-f-4（红色）总输出为：＋

－

＋

＋

＋

＋

＋

－

－

－

－

－

42

总结：在x(t)>0时，无论调制波xm(t)的极性是否为正，相敏检波器的输出波形均为正，即在0～t1时间内对xm(t)进行全波整流，故解调后的频率比原调制波的频率高一倍