信号调理处理和记录专家讲座

机械工程测试技术基础信号调理处理和记录第1页传感器输出电信号，大多数不能直接输送到显示、统计或分析仪器中去。其主要原因是大多数传感器输出电信号很微弱，需要深入放大，有还要进行阻抗变换；有些传感器输出是电参量，要转换为电能量；输出信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提升信噪比；若测试工作仅对部分频段信号感兴趣，则有必要从输出信号中分离出所需频率成份；所以，传感器输出信号要经过适当调理，使之与后续测试步骤相适应。惯用信号调理步骤有：电桥、放大器、滤波器、调制器与解调器等。

信号调理处理和记录第2页第四章信号调理与统计第一节电桥第二节调制与解调第三节滤波器第四节信号放大信号调理处理和记录第3页前序1、被测量经传感器之后输出信号普通含有以下特点：信号比较微弱；为非电压信号；携带噪声信号等。2、所以，还需深入调理、放大、滤波等加工处理。3、本章主要讨论信号调理和转换中惯用步骤：电桥；调制与解调；滤波；放大。信号调理处理和记录第4页第一节电桥定义：电桥是将电阻、电容、电感等参数改变转换为电压或电流输出一个测量电路。特点：桥式电路简单可靠，精度和灵敏度很高，应用广泛。分类：依据其所采取激励电源类型：直流电桥交流电桥信号调理处理和记录第5页一、直流电桥

基本结构：电阻R1,R2,R3,R4作为四个桥臂，在a、c两端接入直流电源ue，在b、d两端输出电压uo。

工作原理：利用四个桥臂中一个或数个阻值改变而引发电桥输出电压改变。信号调理处理和记录第6页ueuo信号调理处理和记录第7页电路分析：ueueueue信号调理处理和记录第8页ueueu0讨论：式4－2为直流电桥平衡条件。若电桥中任一个或数个电阻发生改变，电桥输出电压改变。测量电桥就是基于上述原理工作。（4－1）（4－2）信号调理处理和记录第9页

直流电桥连接形式：半桥单臂半桥双臂全桥ueuoueuoueuo信号调理处理和记录第10页（1）半桥单臂连接形式：工作时仅有一个桥臂电阻值随被测量而改变，设该电阻为R1，改变量为ΔR，则由式（4-1）可得： 设相邻桥臂阻值相等，亦即：R1=R2=R0,R3=R4=R0‘,又若R0=R0’,则

若ΔR<<R0,则（4－3）（4－4）（4－5）信号调理处理和记录第11页（2）半桥双臂连接形式：工作时有两个桥臂电阻值随被测量而改变，即：R1＋ΔR1，R2＋ΔR2，则由式（4-1）可证实，当R1=R2=R0，ΔR1＝－ΔR2＝ΔR，

R3=R4=R0，则电桥输出

（4－6）信号调理处理和记录第12页（3）全桥连接法：四个桥臂阻值均随被测量而改变，即：

当R1=R2=R3=R4=R0,且ΔR1=－ΔR2=ΔR3=－ΔR4=ΔR， 输出为：结论：式（4－5）、（4－6）、（4－7）表明，电桥输出电压与激励电压成正比，但百分比系数不一样。（4－7）信号调理处理和记录第13页信号调理处理和记录第14页

直流电桥和差特征：信号调理处理和记录第15页和差特征内容：相邻两桥臂电阻同向改变，产生得输出电压得改变将相互抵消；相邻两桥臂电阻同向改变，产生得输出电压得改变将相互抵消；和差特征应用实例：

悬臂梁作敏感元件测力：为提升灵敏度，常在梁上，下表面各贴一片应变片，并将上述两应变片接入电桥相邻两桥臂。柱形梁作敏感元件测力：四个纵向应变片俩俩串联，接入相对桥臂;横向应变片主要起温度赔偿作用。信号调理处理和记录第16页

悬臂梁应变仪结构

信号调理处理和记录第17页

直流电桥零位平衡调整差动串联平衡调整：适于较大范围电阻调整；差动并联平衡调整：适于微小电阻调整。信号调理处理和记录第18页信号调理处理和记录第19页二、交流电桥与直流电桥不一样点：激励电源为交流电源；桥臂能够是电阻、电感或电容；电桥平衡分析：

式中，zi－各桥臂复数阻抗，zi=Z0iejφi，代入上式得交流电桥平衡条件：信号调理处理和记录第20页阻抗角表示桥臂电流与电压之间相位差：当桥臂为纯电阻时，φ＝0；若为电感性阻抗时，φ>0；若为电容性阻抗时，φ<0。桥臂结构可采取不一样组合方式，以满足相对桥臂阻抗角之和相等这一条件。如电容电桥和电感电桥。信号调理处理和记录第21页电容电桥ueuo信号调理处理和记录第22页信号调理处理和记录第23页电感电桥ueuo信号调理处理和记录第24页交流电阻电桥ueuoueuo信号调理处理和记录第25页影响交流电桥测量精度原因：电桥各元件之间互感耦合；泄漏电阻以及元件间、元件对地之间分布电容；邻近交流电路对电桥感应影响。交流电桥激励电源要求其电压波形和频率必须含有很好稳定性。信号调理处理和记录第26页三、带感应耦合臂电桥带感应耦合臂电桥是将感应耦合两个绕组作为桥臂而组成电桥，普通有以下两种形式：信号调理处理和记录第27页电容传感器作为电桥一部分，电容改变转换为电桥电压输出。图示为电感、电容组成交流电桥。电桥输出为一调幅波，经放大、相敏解调、滤波后输出。实例分析：信号调理处理和记录第28页直流和交流放大电路（补充内容）1直流放大电路

电压增益:1)反相放大器

反馈电阻RF值不能太大，不然会产生较大噪声及漂移，普通为几十千欧至几百千欧。R1取值应远大于信号源Ui内阻。信号调理处理和记录第29页2)同相放大器

同相放大器含有输入阻抗非常高，输出阻抗很低特点，广泛用于前置放大级。

同相放大器也是最基本电路，其闭环电压增益Av为:信号调理处理和记录第30页2交流放大电路

若只需要放大交流信号，可采取图示集成运放交流电压同相放大器。其中电容C1、C2及C3为隔直电容。

信号调理处理和记录第31页第二节调制与解调调制：是指利用某种低频信号来控制或改变某一高频信号某个参数（幅值、频率或相位）过程。

解释：高频振荡信号称为载波；控制高频振荡低频信号为调制信号；调制后高频振荡信号为已调制信号。调制分类：当被控制量是高频振荡信号幅值时，称为调幅(AM)；已调制信号为调幅波；当被控制量为高频振荡信号频率时，称为调频(FM)；已调制信号为调频波；当被控制量为高频振荡信号相位时，称为调相(PM)；已调制信号为调相波；信号调理处理和记录第32页解调：则是从已调制波信号中恢复出原有低频调制信号过程。调制与解调应用：应用分析：传感器输出低频微弱信号需要放大。直流放大，存在零漂和级间耦合，轻易失真；交流放大，抗零漂，故普通先将低频信号调制为高频信号，再交流放大，最终解调。

应用实例：差动变压器式位移传感器；交流电桥等。信号调理处理和记录第33页信号调理处理和记录第34页一、幅值调制与解调1、幅值调制：

幅值调制是将一个高频简谐信号（载波）与测试信号（调制信号）相乘，使高频信号幅值随测试信号改变而改变。

实例分析：设x(t)为被测信号，y(t)为高频载波信号，若选择余弦信号：y(t)=cos2πf0t，则已调制信号xm(t)为x(t)与y(t)乘积：xm(t)=x(t)cos2πf0t。信号调理处理和记录第35页信号调理处理和记录第36页则有2、调幅信号频域分析信号调理处理和记录第37页图4－10调幅过程（a）时域（b）频域信号调理处理和记录第38页小结：调幅过程在频域上就相当于一个移频过程。载波频率f0必须高于信号中最高频率fmax，才不会出现混叠现象。实际应用中，载波频率最少在调制信号上限频率十倍以上。注意：调幅波是否能够看作是载波与调制信号迭加？不能够。因为调幅波是载波幅值随调制信号大小成正比改变，只有相乘才能实现。

信号调理处理和记录第39页信号调理处理和记录第40页3、调幅信号解调方法（1）同时解调基本原理：将调幅波再经一乘法器与原载波信号相乘，则调幅波频谱在频域上将再次被进行移频。因为载波信号频率仍为f0，所以，再次移频结果是使原信号频谱图形出现在0和2f0频率处。因为在解调过程中所乘信号与调制时载波信号含有相同频率与相位，所以这一解调方法称为同时解调。时域分析上有：

信号调理处理和记录第41页低通滤波器将频率为2f0高频信号滤去，得到信号调理处理和记录第42页（2）包络检波（整流检波）

基本原理：对调制信号偏置一个直流分量A，使偏置后信号含有正电压值。对该信号作调幅后得到已调制波xm(t)包络线将含有原信号形状。对该调幅波xm(t)作简单整流（全波或半波整流）和滤波便可恢复原调制信号。

出现问题：假如所加偏置电压未能使信号电压都位于零位同侧，会造成失真，此时应采取相敏检波技术。信号调理处理和记录第43页信号调理处理和记录第44页（3）相敏检波

基本原理：相敏检波能用来判别调制信号极性，利用交变信号在过零位时其正、负极性发生突变，使调幅波相位与载波信号相比较也对应地产生180°相位跳变，从而既能反应原信号幅值又能反应其相位。

注意事项：相敏检波电路设计时，变压器T2二次边输出电压大于T1二次边输出电压。信号调理处理和记录第45页信号调理处理和记录第46页信号调理处理和记录第47页信号调理处理和记录第48页二、频率调制与解调1、频率调制基本概念频率调制是指利用调制信号控制高频载波信号频率改变过程。在频率调制过程中载波幅值保持不变，仅载波频率随调制信号幅值成百分比关系。信号调理处理和记录第49页调频波与调制信号幅值关系

信号调理处理和记录第50页2、频率调制方法频率调制电路惯用振荡电路，如LC振荡电路、压控振荡器。LC振荡电路：应用于电容、涡流或电感等传感器测量电路。信号调理处理和记录第51页结论：LC振荡回路以振荡频率f与调谐参数改变成线性关系，即振荡频率受控于被测物理量。这种将被测参数改变直接转换为振荡频率改变过程称为直接调频式测量。信号调理处理和记录第52页3、调频信号解调

调频波解调又称为鉴频，是将频率改变恢复成调制信号电压幅值改变过程。图示为变压器耦合谐振回路鉴频方法。信号调理处理和记录第53页电路分析：图中调频波uf经过变压器耦合，加于L2,C2组成谐振回路上，在L2,C2并联谐振回路两端取得如图5－17b所表示频率－电压特征曲线。当等幅调频波uf频率等于回路谐振频率fn时，线圈L1,L2中耦合电流最大，二次边输出电压ua也最大。uf频率离开fn，ua也随之下降。通常利用特征曲线亚谐振区近似直线一段实现频率-电压变换。将ua经过二极管进行半波整流，再经过RC组成滤波器滤波，滤波器输出电压u0与调制信号成正比，复现了被测量信号。信号调理处理和记录第54页第三节滤波器一、概述信号分析：被测信号普通由多个频率分量组成，检测中得到信号除包含有效信息外，还含有噪声和不希望成份，会造成真实信号畸变和失真。滤波：让被测信号中有效成份经过，而将其中不需要成份抑制或衰减掉。而抑制或衰减掉其它不需要频率成份。滤波器：能实施滤波功效装置。信号调理处理和记录第55页滤波器分类（1）依据其选频作用，可分为四类：低通滤波器；高通滤波器；带通滤波器；带阻滤波器。

图4-22四类滤波器幅频特征（a）低通（b）高通（c）带通（d）带阻信号调理处理和记录第56页（2）依据其结构形式可分为两类：有源滤波器：使用运算放大器结构；无缘滤波器：由RLC组合配置而成。信号调理处理和记录第57页二、滤波器性能分析1、理想滤波器

特征理想化滤波器。理想低通滤波器：含有矩形幅频特征和线性相频特征。

信号调理处理和记录第58页理想低通滤波器幅、相频特征

信号调理处理和记录第59页2、实际滤波器基本参数理想滤波器只需要求截止频率即可说明其特征，而实际滤波器特征曲线无显著转折点，通带中幅频特征也非常数，需更多参数描述其性能。主要参数包含：纹波幅度、截止频率、带宽、品质因数、倍频程选择性、滤波器因数。

信号调理处理和记录第60页图4-24理想和实际带通滤波器幅频特征信号调理处理和记录第61页截止频率：幅频特征值等于所对应频率点；纹波幅度δ：通带中幅频特征值起伏改变值；带宽B：上下两截止频率之间频率范围B=fc2-fc1，又称-3dB带宽；品质因子（Q值）：对于一个带通滤波器，其品质因子Q则定义为中心频率f0与带宽B之比，即Q=f0/B。信号调理处理和记录第62页倍频程选择性：上截止频率fc2与2fc2之间或下截止频率fc1与fc1/2间幅频特征衰减值，即频率改变一个倍频程衰减量，以dB表示。倍频程选择性表征过渡带幅频曲线倾斜程度，即幅频特征衰减快慢。滤波器因数（矩形系数）λ：滤波器幅频特征-60dB带宽与-3dB带宽比，即

对理想滤波器有λ=1。对普通使用滤波器，λ普通为（1～5）。信号调理处理和记录第63页三、实际滤波电路一阶RC低通滤波器低通滤波器经典电路如图所表示。其频率响应特征为：

信号调理处理和记录第64页RC低通滤波器及其幅频特征曲线

uiu0H信号调理处理和记录第65页RC高通滤波器RC高通滤波器经典电路如图所表示。

RC高通滤波器及其幅频特征曲线

uiu0H信号调理处理和记录第66页其频率响应特征为3、带通滤波器低通滤波器和高通滤波器组合。图4－26。信号调理处理和记录第67页

各种滤波器性能比较：RC滤波器：过渡带衰减速度慢（－6dB/倍频程），通带与阻带间无陡峭界限，性能较差。如图4－27所表示。LC滤波器过渡带曲线陡峭度优于RC滤波器，如图4－28所表示。多个RC或LC步骤级联：极大地改进了过渡带曲线陡峭度，但含有显著负载效应和相移增大问题。如图4－29所表示。有源滤波器：无源滤波网络与运算放大器组合而成，性能愈加优良。如图4－30、4－31所表示。信号调理处理和记录第68页（1）有源低通滤波器uiuoRFuCCR++

–

R1+–++––信号调理处理和记录第69页若频率

为变量，则电路传递函数其模为幅频特征

0|Auf0||H(j

)|

O信号调理处理和记录第70页当

>

0时，|H(j

)|衰减很快显然，电路能使低于

0信号顺利经过，衰减很小，而使高于

0信号不易经过，衰减很大，称一阶有源低通滤波器。为了改进滤波效果，使

>

0时信号衰减得更加快些，常将两节RC滤波步骤串接起来，组成二阶有源低通滤波器。uoRFCR++

–

R1+–ui+–RC一阶二阶幅频特征

0|Auf0||H(j

)|

O信号调理处理和记录第71页（2）有源高通滤波器uiuoRFCR++

–

R1+–+–信号调理处理和记录第72页

可见，电路使频率大于

0信号经过，而小于

0信号被阻止，称为有源高通滤波器。若频率

为变量，则电路传递函数其模为幅频特征

0|Auf0||H(j

)|

O信号调理处理和记录第73页四、带通滤波器在信号频率分析中应用1、多路带通滤波器并联形式主要应用：信号频谱分析和信号中特定频率成份提取。详细要求：为确保带通滤波器带宽覆盖整个分析频带，它们中心频率能使相邻带宽恰好相互衔接，即前一个滤波器－3dB上截止频率等于后一个滤波器－3dB下截止频率；滤波器组含有相同放大倍数。信号调理处理和记录第74页两类惯用带通滤波器组：恒带宽比滤波器（a图）恒带宽滤波器（b图）信号调理处理和记录第75页（1）恒带宽比滤波器

恒带宽滤波器是指滤波器相对带宽是常数，即

假若一个带通滤波器低端截止频率为fc1i，高端截止频率为fc2i，二者关系：

式中n称为倍频程数。若n=1，则称为倍频程滤波器；若n=1/3，则称为1/3倍频程滤波器。信号调理处理和记录第76页一个滤波器组中后一个滤波器中心频率f0i与前一个滤波器中心频率f0(i-1)间满足：而且，滤波器中心频率与上下截止频率间关系为

信号调理处理和记录第77页n=1倍频程滤波器（以下列图），有：(1)中心频率（Hz）16,31.5,63,125,250,……,(2)带宽（Hz

）11.31,22.27,44.55,88.39,176.78,……,n=1/3倍频程滤波器组，有：(1)中心频率（Hz）

12.5,16,20,25,31.5,40,50,63,……,(2)带宽（Hz）

2.9,3.7,4.6,5.8,7.3,9.3,11.6,14.6……,信号调理处理和记录第78页倍频程谱分析装置

信号调理处理和记录第79页（2）恒带宽滤波器恒带宽比滤波器不足之处：其通频带在低频段内甚窄，而在高频段内则较宽。所以，滤波器组频率分辨率在低频段内很好，在高频段内甚差。为了使滤波器组分辨率在全部频段都含有一样良好频率分辨率，能够采取恒带宽滤波器。恒带宽滤波器是指滤波器绝对带宽为常数：信号调理处理和记录第80页为了提升滤波器分辨率，其带宽应窄一些。但这么为覆盖整个频率范围所需要滤波器数量就很大。所以，恒带宽滤波器不应做成中心频率为固定。实际中普通利用一个定带宽定中心频率滤波器加上可变参考频率差频变换来适应各种不一样中心频率定带宽滤波器需要。参考信号扫描速度应能够满足建立时间要求，尤其是滤波器带宽很窄情况，参考频率改变不能过快。惯用恒带宽滤波器有相关滤波和变频跟踪滤波两种。信号调理处理和记录第81页信号调理处理和记录第82页信号调理处理和记录第83页例题：已知某RC低通滤波器，R=1k

，C=1

F， 1）确定各函数式H(s)；H(

)；A(

)；

(

)。 2）当输入信号ui=10sin1000t时，求输出信号uo，并比较其幅值及相位关系。解：信号调理处理和记录第84页信号调理处理和记录第85页第四节信号放大为确保测量精度，要求放大电路含有以下：足够放大倍数；高输入阻抗，低输出阻抗；高共模抑制能力；低温漂、低噪声、低失调电压和电流。说明：集成运算放大器具备上述特点。信号调理处理和记录第86页一、基本放大电路反相放大器：输入阻抗低、易对传感器形成负载效应；信号调理处理和记录第87页同相放大器：输入阻抗高、易引入共模干扰；信号调理处理和记录第88页差分放大器：不能提供足够输入阻抗和共模抑制比；信号调理处理和记录第89页二、仪器放大器经典仪器放大电路由三个集成运放组成，如图所表示。两个输入端分别是两个集成运放Ａ１、Ａ２同相输入端，所以输入电阻很高。Ａ３组成差分放大电路，两边电阻对称，能够消除上述远距离测量时共模干扰。同时当Ａ１、Ａ２输出端上产生漂移电压对称时，在Ａ３输出ｕｏ中也被消除。所以该电路有很高共模抑制能力和较低输出漂移电压。信号调理处理和记录