1、第四章 信号调理、处理和记录,测试技术,第四章 信号调理、处理和记录,内容：电桥，调制，解调，滤波器，记录仪；,第一节 电桥,电桥：将 R L C 等的变化电压或电流,特点：精度较高，灵敏度较高,、直流电桥,当输出端后接输入电阻较大时，,电流输出可视为零；,当,测量时，使输出电压与被测量引起的电阻变化量有关；,直流电桥的连接方式：,时，,且,半桥单臂,半桥双臂,全臂,电桥的灵敏度：,上述电桥是在不平衡的条件下工作的；,缺点：当 不稳定或环境温度有变化时，,变 ,从而引起测量误差,平衡电桥：零位测量法,二、交流电桥,交流激励电压，四臂可为L R C,平衡：,：阻抗角，各桥臂电流与电压的相位差 纯
2、电阻：感性阻抗： 容性阻抗,电容电桥：,平衡时：,要达到平衡，必须同时调节电阻和电容两个参数；,电感电桥：,注意：纯电阻交流电桥，除电阻平衡外，还须有电容平衡；（导线间分布电容的存在）,三、带感应耦合臂的电桥,例1悬臂梁受力 F 和 的作用，要求应变片测出引起梁弯曲的力 F，试画出应变片的粘贴位置与电桥的连接方式图。,解:,若要进一步提高电桥的灵敏度，可采用：,例2使用电阻应变仪时，以下措施能否提高电桥灵敏度,半桥双臂各串联一片,2.半桥双臂各并联一片,解：,（1）当半桥双臂各串联一片应变片时：,串联后电桥灵敏度：,串联前电桥灵敏度：,所以此法不能提高电桥的灵敏度。,2.半桥双臂各并联一片,解
3、：,（1）当半桥双臂各并联一片应变片时：,并联后电桥灵敏度：,并联前电桥灵敏度：,所以此法不能提高电桥的灵敏度。,第四章 信号的调理与记录 （测试技术）,经传感器后的信号需经过： 调理、放大、滤波等一系列的加工处理,目的：将微弱电压信号放大将非电信号转换为电压信号抑制干扰噪声，提高信噪比便于传输及后续环节的处理,第二节 调制与解调,第二节 调制与解调,调制：使一个信号的某些参数在另一个信号的控制下而发生变化的过程；,载波： 一般为较高频率的交变信号,调制信号：,已调制波：,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。,先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器
4、进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。,解调：从已调制波中恢复出调制信号,一 调幅及其解调,（一）原理,调幅：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的变化而变化。,幅度调制与解调过程（数学描述）,解调：把调幅波再次与原载波信号相乘,同步解调：解调时所乘的信号与调制时的载波信号具有相同的频率和相位；,注意：1载波频率,与原信号中的最高频率,一般要求：,数倍或几十倍于,2调幅器实际上是一个乘法器；,例：电桥就是一个调制器,全桥:,载波：,调制信号：,调幅波：,(二) 整流检波和相敏检波,解调：,电桥调幅与相敏检波的典型实例：动态电阻应变
5、仪,相敏检波：既能鉴别调制信号的幅值又能反映其极性。,二、调频及其解调,调频：利用信号电压的幅值控制一个振荡器，振荡器输出的是等幅波，但其振荡频率的偏移量与信号电压成正比。当信号电压为零时，调频波的频率就等于中心频率；信号电压为正时频率提高，负值时则降低。,调频波：,（一）直接调频测量电路,如：变极距型电容传感器：,小范围：,将电容作为自激振荡回路中的一个调谐参数，,则：电路的振荡频率：,在 附近,直接调频电路：被测量的变化 - 振荡频率的变化,转变为,调频的特点：,优点：抗干扰能力强。因为调频信号所携带的信息包含在频率变化之中，并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主要表现在振幅之中,缺点：占频
6、带宽度大，复杂调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的20倍；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率调制是一种非线性调制。,已知:调幅波,求:1),所包含的各分量的频率及幅值,2) 绘制调制信号和调幅波的频谱,解:,-1.5 -1.0 0 1.0 1.5,频率(KHz) 8.5 9.5 10 10.5 11.5 幅值: 10 15 100 15 10,频率(KHZ) 8.5 9.5 10 10.5 11.5 幅值: 10 15 100 15 10,（二）变压器耦合的谐振回路鉴频法,鉴频：调频波的解调,将频率变化 - 调制信号电压幅值的变化,转变为,：等幅的调频波,：二次边输出电压,的频率与
7、,保持一致,回路的谐振频率,小范围内：,例 1 用电阻应变片接成全桥，测量某一构件的应变，已知其变化规律为：,如果电桥激励电压：,求此电桥的输出信号的频谱,解： 全桥：,应变片：,=常数 K,第三节 滤波器,（选频）,1. 滤除干扰噪声 作用 2. 频谱分析,一. 滤波器的分类,按选频 :低通、 高通、带通、带阻,下截止频率,上截止频率,1) 低通滤波器 从0f2频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大地衰减。,2) 高通滤波器 与低通滤波相反，从频率f1，其幅频特性平直。它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于f1
8、的频率成分将受到极大地衰减。,3) 带通滤波器 它的通频带在f1f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成分受到衰减。,4) 带阻滤波器 与带通滤波相反，阻带在频率f1f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。,低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器， 例如：低通滤波器与高通滤波器的串联为带通滤波器，,图4.4-6 低通滤波器与高通滤波器的串联,图4.4-7 低通滤波器与高通滤波器的并联,低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器。,注意：1. 过渡带：不
9、希望有，但不可避免,2滤波器特性的相互关联：,3任何装置均可看成是一个滤波器，例：隔振台（低通）,二、理想滤波器,物理上不可实现,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，其通带和阻带之间有明显的分界线。也就是说，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。,线性系统的不失真条件：,若滤波器的频率响应,为：,h(t):脉冲响应函数,理想滤波器其幅频及相频特性曲线如图:,讨论：滤波器的通频带宽 B和建立较稳定的输出所需要的时间 之间的关系；,分辨力极其影响因素：,建立时间：,按理论响应值（0.1- 0.9）：,
10、即,的图形愈,陡峭,有：,=常数,物理意义：输入信号如有突变处必然含有丰富的高频分量，低通滤波器阻衰了高频分量，其结果是把输出波形“圆滑”了。通带愈宽，阻衰的高频分量愈少，使信号能量更多、更快地通过，建立时间就短；反之，则长。,分辨力,高分辨力与快速响应的要求相互矛盾,一般采用：,三实际RC 调谐式滤波器,理想滤波器是不存在的，因此，在设计实际滤波器时，总是通过各种方法使其尽量逼近理想滤波器。,主要参数有纹波幅度、截止频率、带宽、品质因数、倍频程选择性等,三实际RC 调谐式滤波器,(一) 实际滤波器的基本参数,纹波幅度 d,幅频特性的平均值,一般要求：,2. 截止频率,幅频特性等于,所对应的频
11、率:,：-3dB点,半功率点：,3带宽B,，品质因数Q,4. 频程选择性,滤波器对带宽外频率成分衰阻的能力,即：频率变化一个倍频程时的衰减量,5、滤波器因数,理想:,(二) 调谐式滤波器的基本特性,特点：简单，抗干扰性强，较好 的低频性能，易实现,1一阶RC 低通滤波器,(1),(2),(3),为提高衰减，可将几个低通滤波器串联使用,2. RC高通滤波器,(1).,(2),(3),3. 带通滤波器,低通与高通串联,前提：后一级不能从前一级吸收能量,为消除两级间耦合时的相互影响，两级间常用射极输出器或者运算放大器阻隔,4. 滤波器的连接,中心频率相同的滤波器串接加强滤波效果,四. 恒带宽比滤波器和恒带宽滤波器,“实时”的谱分析,(一) 恒带宽比滤波器,滤波器的中心频率：,可证明：对一组相邻接的滤波器,：后一个滤波器的中心频率,(二) 恒带宽滤波器,B恒定,参考信号,信号的扫描时间，扫描速度,第四节 信号的指示和记录装置,一. 动圈式磁电指示机构,二 光线示波器,L：反射镜与记录纸之间的距离；,：线圈无偏转时的反射角。,例：输入信号 为周期T=1ms,幅值为1的方波， 如图1，低通滤波器幅频特性如图2，相频特性,试求,：y(t),解：,由滤波器的幅频特性:对高于6KHZ的成分完全衰减,由已知:,
