第4章 信号调理与记录.ppt

1、机械工程测试技术基础,机械工程学院仪器系 李云雷 Tel:2786982 办公室：机械交通实验楼427,第四章 信号的调理与记录,4.1 电桥 4.2 调制与解调 4.3 信号的放大与衰减 4.4 滤波器 4.5 信号的显示与记录,前序 1、被测量经传感器之后的输出信号一般具有以下特点： 信号比较微弱； 为非电压信号； 携带噪声信号等。 2、因此，还需进一步调理、放大、滤波等加工处理。 3、本章主要讨论信号调理和转换中的常用环节： 电桥； 调制与解调； 放大； 滤波。,4.1 电桥,定义：电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。 特点：桥式电路简单可靠，精度和灵

2、敏度很高，应用广泛。 分类： 根据其所采用的激励电源类型： 直流电桥和交流电桥 按其工作原理又可分为 平衡电桥和不平衡电桥 按桥臂接入的阻抗元件不同， 电阻电桥、电容电桥和电感电桥,4.1.1 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u0，在b、d两端输出电压uy。 工作原理：利用四个桥臂中的一个或数个阻值变化而引起电桥输出电压的变化 。 电路分析：当输入端后接输入阻抗较大的仪表或放大电路时，可视为开路，其输出电流为零，此时有,电桥输出电压：,电桥平衡条件：,说明：4个电阻中的任何一个或数个发生变化而使电桥的平衡不成立时，均可引起电桥输出电压的变化，

3、因此适当选取各桥臂的电阻值，可使输出电压仅与被测量引起的电阻值的变化有关。,直流电桥的连接形式： 半桥单臂 半桥双臂 全桥,（1）半桥单臂：工作时仅有一个桥臂电阻值随被测量而变化，设该电阻为R1，变化量为R，则由式（4-4）可得： 设相邻桥臂的阻值相等，亦即：R1=R2=R0,R3=R4=R0,又若R0=R0,则 若RR0,则,（46）,（47）,（48）,（2）半桥双臂：工作时有两个桥臂电阻值随被测量而变化，即： R1R1， R2 -R2，则由式（4-1）可证明，当R1=R2=R0 ，R1R2R， R3=R4=R0 ，则电桥输出,（49）,（3）全桥：四个桥臂的阻值均随被测量而变化，即： 当

4、R1=R2=R3=R4=R0,且R1=R2=R3=R4=R， 输出为：,结论：式（48）、（49）、（410）表明，电桥的输出电压与激励电压成正比，但比例系数不同。,（410）,直流电桥的和差特性：,和差特性内容： 相邻两桥臂电阻的变化所产生的输出电压为该两桥臂各阻值变化产生的输出电压之差； 相对两桥臂（如图42中的和）电阻的变化所产生的输出电压为该两桥臂各阻值变化产生的输出电压之和。 和差特性应用实例： 悬臂梁作敏感元件测力：为提高灵敏度，常在梁的上，下表面各贴一片应变片，并将上述两应变片接入电桥的相邻两桥臂。,悬臂梁应变仪结构,直流电桥的灵敏度：,平衡电桥 不平衡电桥的缺点是当电源电压不稳

5、定，或者环境温度有变化时，都会引起电桥输出的变化，从而产生测量误差。为此，在某些情况下采用平衡电桥(图43)。 平衡电桥采用“零位测量法”。 平衡电桥最终的输出为零，因此测量误差取决于可调电位器的精确度，而与电桥电源电压无关，直流电桥适合于静态量的测量。,4.1.2 交流电桥 与直流电桥的不同点： 激励电源为交流电源； 桥臂可以是电阻、电感或电容； 电桥平衡分析： 式中，zi各桥臂的复数阻抗，zi=Z0ieji ，代入上式得 交流电桥平衡条件：,阻抗角表示桥臂电流与电压之间的相位差： 当桥臂为纯电阻时，0； 若为电感性阻抗时，0 ； 若为电容性阻抗时，0 。 桥臂结构可采取不同的组合方式，以满

6、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。 对于常用的电容、电感电桥，若其相邻两臂接入电阻（例如Z02=R2，Z03=R3， ），为满足平衡条件，则需另外两个桥臂接入相同性质的阻抗，例如都是电容或者都是电感，保持。,电容电桥,电容电桥平衡条件：,结论：为达到电桥平衡，必须同时调节电容与电阻两个参数，使之分别取得电阻和电容的平衡。,电感电桥,电感电桥平衡条件：,结论：为达到电桥平衡，分别调节电阻和电感两个参数使之各自达到平衡。,交流电桥的平衡调节： 例如纯电阻交流电桥，要考虑电桥导线之间形成的分布电容。调节时，电阻、电容都需要调平衡。,影响交流电桥测量精度的因素： 电桥各元件之间的

7、互感耦合； 泄漏电阻以及元件间、元件对地之间的分布电容； 邻近交流电路对电桥的感应影响。 交流电桥的激励电源要求其电压波形和频率必须具有很好的稳定性。一般采用音频交流电源（510kHz）作为电桥电源。,实验安排,实验一：应变片粘贴 实验二：电桥电路及静态应变测试 联系人：王辉林 电话：2782767,4.2 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的某个参数（幅值、频率或相位）的过程。 解释：高频振荡信号称为载波；控制高频振荡的低频信号为调制信号；调制后的高频振荡信号为已调制信号。 解调：则是从已调制波信号中恢复出原有低频调制信号的过程。,调制分类： 当被控制的量是高频振

8、荡信号的幅值时，称为调幅(AM)；已调制信号为调幅波； 当被控制的量为高频振荡信号的频率时，称为调频(FM)；已调制信号为调频波； 当被控制的量为高频振荡信号的相位时，称为调相(PM)；已调制信号为调相波；,调制与解调的应用： 应用分析：传感器输出的低频微弱信号需要放大。直流放大，存在零漂和级间耦合，容易失真；交流放大，抗零漂，故一般先将低频信号调制为高频信号，再交流放大，最后解调。 应用实例：差动变压器式位移传感器；交流电桥等。,4.2.1 调幅及其解调 1、调幅原理： 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，使高频信号的幅值随测试信号的变化而变化。 时域分析：设x(

9、t)为被测信号，y(t)为高频载波信号，若选择余弦信号：y(t)=cos2f0t，则已调制信号xm(t)为x(t)与y(t)的乘积：xm(t)=x(t)cos2f0t。,则有,频域分析：,图49 调幅过程 （a）时域 （b）频域,小结： 调幅的过程在频域上就相当于一个移频的过程。 载波频率f0必须高于信号中的最高频率fmax，才不会出现混叠现象。实际应用中，载波频率至少在调制信号上限频率的十倍以上。,2、调幅信号的解调方法,（1）同步解调 基本原理：将调幅波再经一乘法器与原载波信号相乘，则调幅波的频谱在频域上将再次被进行移频。由于载波信号的频率仍为f0，因此，再次移频的结果是使原信号的频谱图形

10、出现在0和的2f0频率处。由于在解调过程中所乘的信号与调制时的载波信号具有相同的频率与相位，因此这一解调的方法称为同步解调。时域分析上有：,低通滤波器将频率为2f0的高频信号滤去，得到,（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，使偏置后的信号具有正电压值。对该信号作调幅后得到的已调制波xm(t)的包络线将具有原信号形状。对该调幅波xm(t)作简单的整流（全波或半波整流）和滤波便可恢复原调制信号。 出现问题：如果所加的偏置电压未能使信号电压都位于零位同侧，会造成失真，此时应采用相敏检波技术。,图410 调制信号加偏置的调幅波 a）偏置电压足够大 b）偏置电压不够大,（

11、3）相敏检波 基本原理：相敏检波能用来鉴别调制信号的极性，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相应地产生180相位跳变，从而既能反映原信号的幅值又能反映其相位。 注意事项： 相敏检波电路设计时，变压器B二次边输出电压大于A二次边输出电压。 输出信号能反映调制信号的波形，经适当放大倍数的反相放大器，能够完全复现调制信号。,4.2.2 调频及其解调 1、调频 频率调制是指利用调制信号控制高频载波信号频率变化的过程。在频率调制过程中载波的幅值保持不变，仅载波的频率随调制信号的幅值成比例关系。,图4-13 调制信号为三角波时的调频信号波形,调频方法： （1）直接调

12、频法 被测参数的变化直接 引起传感器输出信号的变化。如振弦式传感器。,（2）参数调频法 LC振荡电路：应用于电容、涡流或电感等传感器的测量电路。,（3）电压调频法 压控振荡器：其输出的瞬时频率与输入的控制电压值成线性关系。,2、鉴频电路 调频波的解调又称为鉴频，是将频率变化恢复成调制信号电压幅值变化的过程。 图示为变压器耦合的失谐回路鉴频方法。,电路分析： 图中调频波uf经过变压器耦合，加于L2,C2组成的谐振回路上，在L2,C2并联谐振回路两端获得如图415b所示的频率电压特性曲线。 当等幅调频波uf的频率等于回路的谐振频率fn时，线圈L1,L2中的耦合电流最大，二次边输出电压ua也最大。u

13、f的频率离开fn，ua也随之下降。通常利用特性曲线的亚谐振区近似直线的一段实现频率 -电压变换。 将ua经过二极管进行半波整流，再经过RC组成的滤波器滤波，滤波器的输出电压uc与调制信号成正比，复现了被测量信号 。,4.3 信号的放大,为保证测量精度，要求放大电路具有如下： 足够的放大倍数； 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。,4.3.1 基本放大器 反相放大器：输入阻抗低、易对传感器形成负载效应；,同相放大器：输入阻抗高、易引入共模干扰；,差分放大器：不能提供足够的输入阻抗和共模抑制比；,二、仪器放大器 典型的仪

14、器放大电路由三个集成运放构成的，如图所示。 两个输入端分别是两个集成运放A1、A2的同相输入端，因此输入电阻很高。 A3构成差分放大电路，两边电阻对称，可以消除上述远距离测量时的共模干扰。同时当A1、A2输出端上产生的漂移电压对称时，在A3输出中也被消除。因此该电路有很高的共模抑制能力和较低的输出漂移电压。,若取RlR2=R4R6=R5R7=10K，RG=100即可以构成一个Af=201倍的高输入阻抗、高共模抑制比的放大器。,集成仪器放大器产品 美国AD公司的AD612和AD614,集成仪器放大器产品 美国BB公司的INA114,4.3.3 可编程增益放大器（PGA） 多回路检测系统，输入信号

15、变化范围不同，要提供多量程放大器。利用计算机编程改变增益的放大器为可编程增益放大器。 可编程增益放大器为可编程增益的反相放大器。包括：电阻网络、电子开关、译码器和运算放大器。 也可不用译码器，由计算机I/O口控制y1、y2、y3、y4，得到24个不同增益。,y1,Uo,A,80k,40k,10k,20k,S4,S3,S2,S1,Ui,y3,y4,y2,x1,x2,Rf,译码器,4.4 滤波器,信号分析：被测信号一般由多个频率分量组成，检测中得到的信号除包含有效信息外，还含有噪声和不希望的成分，会导致真实信号的畸变和失真。 滤波：让被测信号中的有效成分通过，而将其中不需要的成分抑制或衰减掉。 滤

16、波器：能实施滤波功能的装置。,滤波器分类 （1）根据其选频作用，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4-23 四类理想滤波器的幅频特性 （a）低通 （b）高通 （c）带通 （d）带阻,滤波器中的通带、阻带和过渡带。实际滤波器中不可避免的存在过渡带。 （2）根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； 无源滤波器：由RLC组合配置而成。,4.4.1 滤波器性能分析 1、模型 理想滤波器：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，其通带和阻带之间有明显的分界线。 理想低通滤波器：具有矩形幅频特性和线性相频特性。,理想低通

17、滤波器的幅、相频特性,实际低通滤波器的幅频特性,2、滤波器参数 设计实际滤波器，要尽可能通过各种方法使其逼近理想滤波器。 实际滤波器的主要参数包括：截止频率、带宽、纹波幅度、品质因子数、倍频程选择性、滤波器因数。,图4-27 实际带通滤波器的幅频特性,截止频率：幅频特性值等于 所对应的频率点； 带宽B：上下两截止频率之间的频率范围B=c2-c1，又称-3dB带宽，表示滤波器的分辨能力； 纹波幅度：通带中幅频特性值的起伏变化值d； 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= 0/B，也用于表示滤波器的分辨能力。,倍频程选择性和滤波器因数 两个参数描述过渡带曲线倾斜的程度； 倍频程选择性：上截止频率c2与2c2之间或下截止频率c1与c1/2间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程的衰减量，以dB表示。 滤波器