测试技术第四章 信号调理与记录

第四章信号调理与记录4.0变换及调理的目的4.1电桥

4.2信号的调制解调4.3信号的滤波器▼

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4.0变换与调理的目的便于信号的传输与处理。

1.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。

2.有些传感器输出的电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。3.某些场合，为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。将电阻R(应变片)、电感L、电容C等电参数变为电压ΔU或电流ΔI信号后输出的一种测量电路。

a、c两端接电源Ui，称供桥端；b、d两端接输出电压Uo，称输出端。4.1电桥电桥根据桥臂阻抗性质的不同为:

电阻电桥电容电桥电感电桥根据供桥电源分为:直流电桥:采用直流电源——只用于测量电阻R的变化

交流电桥：采用交流电源——测量电阻R

、电容C、电感L的变化电桥1.电桥的分类直流电桥VR1R3R2R42.直流电桥采用直流电源的电桥称为直流电桥四个桥臂由电阻R1、R2、R3和R4组成。电桥的输出：平衡的条件：R1·R3=R2·R4VR1R3R2R4推导

温敏电阻直流电桥平衡条件直流电桥R1＋R

Uo＋U

U

VR3R2R4平衡的条件：R1·R3=R2·R4电桥的输出：这时，电桥平衡吗？R1＋R半桥单臂连接。为了简化设计，R2=R3=R4=R0，而R1=R0+R直流电桥电桥的灵敏度定义为R1＋R

Uo＋U

U

单片

单臂半桥R1R3R2R4

双臂半桥R1R3R2R4

全桥R1R3R2R4

半桥、单臂输出

全桥、四臂输出

半桥、双臂输出

四片

两片

单臂半桥R1R3R2R4

双臂半桥R1R3R2R4

全桥R1R3R2R4

半桥、单臂输出

全桥、四臂输出

半桥、双臂输出

统一表示：推导

推导

电桥测量的和差特性温度补偿提高输出全桥、四臂输出：直流电桥常用调平衡平衡条件3.交流电桥交流电桥而其中，Z1、Z2、Z3、Z4为阻抗的模，而j1、j2、j3、j4为阻抗角，是各桥臂电流与电压之间的相位差。(*)平衡条件电容电桥电容电桥平衡条件：电感电桥电感电桥平衡条件：~推导

推导▲

带感应耦合臂的电桥将感应耦合的两个绕组作为桥臂而组成的电桥。a）感应耦合绕组W1和W2与阻抗Z3和Z4组成电桥的4个臂，任一桥臂阻抗有变化时，电桥有输出电压。b）开始W1和W2磁通大小相等方向相反无输出，当铁心移动，电桥失衡，产生感应电动势。声音信号广播电台的发射塔接收调制Modulation解调Demodulation4.2调制与解调声音信号广播电台的发射塔

利用缓变信号控制高频信号的某个参数(幅值、频率或相位)变化的过程。

调制Modulation已调波1）实现缓变信号的传输，特别是远距离传输

2）提高信号传输中的抗干扰能力和信噪比

1.调制的目的→音频信号2.调制的种类调制信号

载波信号a)幅值调制(简称调幅，AM，AmplitudeModulation)b)频率调制(简称调频，FM，FrequencyModulation)c)相位调制(简称调相，PM，PhaseModulation)缓变信号x(t)高频简谐信号y(t)=A0cos(2pf0t+f0)3.幅值调制（调幅）及其解调

调幅是将一个高频简谐信号y(t)（载波信号）与缓变信号（调制信号）x(t)相乘，使载波信号y(t)的幅值随缓变信号x(t)的幅值变化而变化过程。幅值调制后的信号称为调幅波。调制信号载波信号调幅波(1).调幅的时域表达假设调制信号x(t)的最高频率成分为fm，载波信号y(t)=cos2pf0t,f0>>fm

，则有调幅波：(2).调幅的频域表达如果则调制信号载波信号调幅波ƒ

时域频域音频信号广播电台的发射塔调幅AM调幅波载波信号广播电台的发射塔

对已调波进行鉴别以恢复缓变信号的过程。

调幅波恢复所需要的缓变信号(3).幅值解调的目的接收解调Demodulation(4).同步解调

½½2fm2fm½½2fm2fm1/42fm1/42fm2fm1/41/22fm½½2fm2fm同步解调(a)调幅波频谱(b)载波信号频谱(c)同步解调后频谱Xm(f)0ƒ-f0f0Xm(f)*Y(f)0ƒf0-f0低通-fcfc-fmfm2fm1/4解调音频信号(5).包络检波目的：为了是的调制信号不失真。方法的关键是要准确的加减偏置电压。x(t)>0时(0~t1)，xm(t)与y(t)同相，检波器输出uf(t)>0x(t)<0时(t1~t2)，xm(t)与y(t)反相，检波器输出uf(t)<01122(6).相敏检波解调推导相敏检波器33t1t1132213t1t2

t2

t2

当调制信号x(t)>0时(0~t1时间内)，调幅波xm(t)与载波y(t)在每一时刻都同相1）xm(t)>0，y(t)>02）xm(t)<0，y(t)<01234二极管的导通与截止完全由B的次级的输出决定,要求B的次级输出远大于A的次级输出＋

－

1）xm(t)>0，y(t)>0二极管D3、D4导通,在负载上形成两个电流回路:回路1：3-c-D3-d-2-e-g-f回路2：f-g-e-2-d-D4-a-4总输出为：＋

－

＋

＋

＋

＋

＋

－

－

－

－

－

＋

－

＋

＋

＋

＋

＋

－

－

－

－

－

2）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1：4-a-D1-b-1-e-g-f回路2：f-g-e-1-b-D2-c-3总输出为：返回(7).电阻交流电桥的幅值调制不同接法的电桥可表示为当R/R0=R(t)，Ui=E0cos2pf0t时Uo=KR(t)E0cos2pf0t

交流电桥的输出电压Uo随R(t)的变化而变化，即Uo的幅值受R(t)的控制，其频率为输入电压信号Ui的频率，即2pf0

x(t)cos2pƒot↔[X(ƒ)*d(ƒ-ƒo)+X(ƒ)*d(ƒ+ƒo)]/2

=[X(ƒ-ƒo)+X(ƒ+ƒo)]/2

全桥、四臂输出

R(t)E0cos2pf0t

当R/R0=R(t)，Ui=E0cos2pf0t时Uo=KR(t)E0cos2pf0t

Ui=E0cos2pf0t实际上载波信号

R(t)，即电桥的输入R/R0，实际上是调制信号

R(t)对载波信号E0cos2pf0t进行了幅值调制Uo实际上是调幅信号

交流电桥是一个调幅器。调幅器实际上是一个乘法器.x(t)cos2pƒot↔[X(ƒ)*d(ƒ-ƒo)+X(ƒ)*d

(ƒ+ƒo)]/2=[X(ƒ-ƒo)+X(ƒ+ƒo)]/2例4-1：

动态应变仪4.频率调制与解调调频是利用信号x(t)的幅值调制载波的频率，或者说，调频波是一种随信号x(t)的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波.x(t)Acos(2pf0t+f)

调频原理调制信号x(t)最高频率分量为ƒm

载波信号y(t)=Y0cos(2pƒ0t+j0),ƒ0>>ƒm

ƒ(t)=ƒ0+Δf=ƒ0+kFM

x(t)调频时Y0和j0不变

ƒ0→ƒ(t)kFM为比例常数,kFM>0低频信号电压为正值时调频波的频率升高，负值时则降低。低频信号电压为零时，调频波的频率就等于高频信号的频率。谐振电路

电抗到电压的转化

谐振电路把电容、电感等电参量的变化转为电压变化的电路高频振荡器

谐振电路的频率：谐振电路作调频器

调频及解调电路鉴频器调频波－>调频调幅波－>幅值检波鉴频器电压－频率特性曲线亚谐振区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▲

(a)低通滤波器(Lowpassfilter)(b)高通滤波器(Highpassfilter)(c)带通滤波器(bandpassfilter)

(d)带阻滤波器(bandstopfilter)

6.3滤波器

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分．

1.滤波器分类(根据滤波器的选频作用分)

ƒ2称为低通滤波器的上截止频率

ƒ1、ƒ2分别称为带通滤波器的下、上截止频率

通带通带通带通带通带阻带阻带阻带阻带阻带理想滤波器ƒ1称为高通滤波器的下截止频率

(c)带通滤波器(bandpassfilter)

(d)带阻滤波器(bandstopfilter)

通带通带阻带通带阻带阻带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。2.理想滤波器H(2pƒ)=A(2pƒ)ejj(2pƒ)A(2pƒ)=A0=constj(2pƒ)=-2pƒt0

物理不可实现

理想滤波器在时域内的脉冲响应函数h(t)为sinc函数。脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸。给理想滤波器一个脉冲激励，从图中可以看出，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。h(t)d(t)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。3.实际滤波器

1)截止频率:幅频特性值等于所对应的频率2)带宽B：上下两截频间的频率范围称为带宽

3)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。

滤波器带宽B=fc2-fc1-3dB5)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、下截止频率fc1与fc1/2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。4)中心频率f0:7)滤波器因素l:滤波器选择性，l=B-60dB/B-3dB4.RC无源滤波器

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，并且选用标准阻容元件。1)一阶RC低通滤波器

令t=RC，称为时间常数傅立叶变换，频响函数：当ƒ<<1/2pRC时，j(ƒ)-ƒ相频特性近似于一条通过原点的直线当ƒ=1/2pRC时，ƒc2=1/2pRC上截止频率:|H(jw)|=A(ƒ)≈1，A(ƒ)=1/当ƒ>>1/2pRC时，起积分器作用令RC=t代入，作傅立叶变换，得频响函数当ƒ=1/2pt,即

ƒ=1/2pRC时，

当ƒ>>1/2pRC时，A(ƒ)≈1，j(ƒ)=0下截止频率：ƒc1=1/2pRC

A(ƒ)=1/2)一阶RC高通滤波器当ƒ<<1/2pRC时，起微分器作用3)一阶RC带通滤波器

可以看成是低通和高通两个滤波器串联而成。高通低通频响函数幅频特性和相频特性ƒc2=1/2pt2=1/(2pR2C2)上截止频率:下截止频率：ƒc1=1/2pt1=1/(2pR1C1)一阶RC带通滤波器.5.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f0与带宽B之间的数值关系，可以分为两种。2)恒宽比带通滤波器

1)恒带宽带通滤波器

品质因素Q

相同Q值（恒宽比），中心频率ƒn越大，带宽B越大恒宽比带通滤波器

n为倍频程数若n=1为倍频程滤波器；推导ƒc2=2n

ƒc1

ƒn2=2n

ƒn1

带宽越窄，分辨力越高。低频分辨力较高，高频分辨力较低.信号通带越宽，需要的恒带宽滤波器越多。恒带宽滤波器：带宽为20Hz例6-2：

设有一信号是由幅值相同而频率分别为ƒ=940Hz和ƒ=1060Hz的两正弦信号合成，其频谱如图所示

(c)用1/10倍频程滤波器分析结果(d)用恒带宽滤波器分析结果案例：机床轴心轨迹的滤波处理

6.滤波器的应用案例：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钢管无损探伤实验滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警▲

直流电桥当电桥输出端接入仪表或放大器