第四章+信號處理

1、第四章第四章 信號的處理信號的處理第一節(jié)、電橋n電橋是將電阻、電容、電感等參量的變化變?yōu)殡妷夯螂娏鬏敵龅囊环N測量電路。其輸出既可以用指示儀表直接測量，也可以送入放大器進行放大。n電橋測量電路簡單，并具有較高的精確度和靈敏度，因此在測量電路中被廣泛應(yīng)用。電橋分類n按激勵電壓分：交流電橋，直流電橋；n按輸出方式分：直讀電橋，零讀電橋。一、直流電橋n激勵電壓是直流電壓。n以四個電阻組成四個橋臂，在a,c兩端輸入直流電壓，b,d兩端輸出電阻變化信號。n可用電流分析法對電橋橋臂電阻值與輸出之間的關(guān)系進行分析和。電橋輸出與四臂電阻值關(guān)系n利用電流分析法，可得到下式，并由下式可看出，如要電橋平衡，必須滿足：

2、 R1R3=R2R4電橋和差特性(單臂)n單臂變化，R1是傳感器，其余均為固定電阻。電橋和差特性(雙臂)n雙臂變化，R1、R2是傳感器，其余是固定電阻。n試分析R1、R3變化時的情況。電橋和差特性(全橋)n四臂均為傳感器。直流電橋總結(jié)n平衡時必須滿足： R1R3=R2R4。n靈敏度全橋是半橋的一倍，是單臂的四倍，即為電橋和差特性。n直流電橋的橋臂只能是電阻，不能是電容或電感。二、交流電橋n交流電橋的橋臂可以是電阻、電容或電感。n交流電橋的組成與直流電橋類似，也是由四個臂組成。n激勵電壓必須是交流電(工頻或高頻)。n平衡時，必須是四臂阻抗平衡，即電阻、電容、電感同時平衡。交流電橋平衡n四臂可為電

3、阻、電容或電感。因此除電阻外，還包括電抗。如果阻抗、電流及電壓都用復(fù)數(shù)表示，則電橋平衡必須達到：交流電橋平衡n交流電橋平衡條件：n四臂對角線阻抗模乘積相等；n四臂對角線阻抗相位差之和相等。電容橋平衡電感橋平衡具有電阻、電容平衡的交流橋帶感應(yīng)耦合臂的橋三、零讀電橋n當(dāng)電橋由于信號的輸入而失衡后，通過調(diào)整平衡電阻使電橋重新回到平衡位置，根據(jù)平衡電阻的值，讀出橋臂信號的大小。n這種電橋的精度只取決于電橋的平衡電阻精度、中間檢流計的靈敏度，精度高。n該類電橋因調(diào)整平衡時間較長，一般只用來測量靜態(tài)信號或?qū)x器進行校正。零讀電橋工作原理n當(dāng)四個橋臂有變化時，檢流計G指針偏移，通過調(diào)整R5的位置，可使G指針

4、回到原位。nH所指示的即為信號的示值。n讀數(shù)精度只取決于R5的精度及G的靈敏度。常用零讀電橋惠斯通電橋n惠斯登電橋就是電流平衡電橋，一般用惠斯登電橋就是電流平衡電橋，一般用來測量電阻。在電橋里，三個橋臂上的來測量電阻。在電橋里，三個橋臂上的電阻是已知和可變的，調(diào)整他們和被測電阻是已知和可變的，調(diào)整他們和被測電阻達到平衡，就可讀出該電阻的阻值。電阻達到平衡，就可讀出該電阻的阻值。 惠斯通電橋電橋的一般輸出輸入關(guān)系式0( 1234)4KUUy電橋的平衡n一、直流電橋的平衡電路一、直流電橋的平衡電路n二、交流電橋的平衡電路二、交流電橋的平衡電路電阻應(yīng)變式傳感器的計算n用一只用一只R=120R=120

5、，靈敏度，靈敏度=2=2的應(yīng)變片和的應(yīng)變片和120120標(biāo)準(zhǔn)電阻組成電橋，供橋電壓為標(biāo)準(zhǔn)電阻組成電橋，供橋電壓為3V3V，并假定負(fù)載電阻為無窮大。問當(dāng)輸入應(yīng)并假定負(fù)載電阻為無窮大。問當(dāng)輸入應(yīng)變分別為變分別為2 2，2000 2000 時，分別求時，分別求出單，雙臂時輸出電壓，并比較兩種情出單，雙臂時輸出電壓，并比較兩種情況下的靈敏度。況下的靈敏度。課堂討論n有人在使用電阻應(yīng)變儀時發(fā)現(xiàn)靈敏度不有人在使用電阻應(yīng)變儀時發(fā)現(xiàn)靈敏度不夠，就試圖在開花和電橋上增加應(yīng)變片夠，就試圖在開花和電橋上增加應(yīng)變片數(shù)以提高靈敏度，問在下列情況下是否數(shù)以提高靈敏度，問在下列情況下是否能夠提高靈敏度，為什么？能夠提高靈敏

6、度，為什么？n1 半橋雙臂各串聯(lián)一片；半橋雙臂各串聯(lián)一片；n2 半橋雙臂各并聯(lián)一片。半橋雙臂各并聯(lián)一片。第二節(jié)調(diào)制與解調(diào)n在工程測量中一些被測量所產(chǎn)生的信號在工程測量中一些被測量所產(chǎn)生的信號常常是緩變電信號。對于這類信號除采常常是緩變電信號。對于這類信號除采用直流放大外，還可將其先變?yōu)榻涣餍庞弥绷鞣糯笸?，還可將其先變?yōu)榻涣餍盘柡笤儆媒涣鞣糯笃鬟M行放大處理。這號后再用交流放大器進行放大處理。這個過程稱之為調(diào)制。個過程稱之為調(diào)制。n而將信號還原成原信號的過程稱之為解而將信號還原成原信號的過程稱之為解調(diào)。調(diào)。 信號調(diào)制n用一個緩變信號去改變一個高頻信號的幅值、用一個緩變信號去改變一個高頻信號的幅值、

7、頻率或相位的過程稱之為調(diào)制。頻率或相位的過程稱之為調(diào)制。n緩變信號稱為：調(diào)制信號。緩變信號稱為：調(diào)制信號。n高頻信號稱為：載波信號。高頻信號稱為：載波信號。n調(diào)制信號改變載波信號的幅值稱為：調(diào)幅。調(diào)制信號改變載波信號的幅值稱為：調(diào)幅。n調(diào)制信號改變載波信號的頻率稱為：調(diào)頻。調(diào)制信號改變載波信號的頻率稱為：調(diào)頻。n調(diào)制信號改變載波信號的相位稱為：調(diào)相。調(diào)制信號改變載波信號的相位稱為：調(diào)相。n工程測量中大多采用調(diào)幅或調(diào)頻。工程測量中大多采用調(diào)幅或調(diào)頻。 調(diào)幅的特點 n載波信號的幅值原是等幅，等頻。n經(jīng)調(diào)制信號調(diào)制后，其頻率未變，但幅值隨調(diào)制信號的幅值而變。n調(diào)幅信號的包絡(luò)線近似調(diào)制信號 調(diào)頻的特點

8、n載波信號的幅載波信號的幅值原是等幅，值原是等幅，等頻。等頻。n經(jīng)調(diào)制信號調(diào)經(jīng)調(diào)制信號調(diào)制后，其幅值制后，其幅值未變，但頻率未變，但頻率隨調(diào)制信號的隨調(diào)制信號的幅值而變。幅值而變。n調(diào)頻信號的頻調(diào)頻信號的頻率隨調(diào)制信號率隨調(diào)制信號的強弱連續(xù)變的強弱連續(xù)變化?；Ｒ?、調(diào)幅與解調(diào)n調(diào)幅：將一個調(diào)頻簡諧信號調(diào)幅：將一個調(diào)頻簡諧信號( (載波信號載波信號) )與一個測試信號與一個測試信號( (調(diào)制信號調(diào)制信號) )相乘，使高相乘，使高頻信號的幅值隨測試信號的變化而變化。頻信號的幅值隨測試信號的變化而變化。n在時域中兩個信號的乘積等于頻域中兩在時域中兩個信號的乘積等于頻域中兩個信號的卷積。個信號的卷積。

9、n常用的載波信號是高頻正弦或余弦信號。常用的載波信號是高頻正弦或余弦信號。卷積的定義n設(shè)函數(shù)f1(t)與f2(t)都滿足條件，t xm(t)，D1-D4的導(dǎo)通與否只取決于ym(t)的極性及相位。n當(dāng)信號過零時，A、B變壓器的極性同時改變。分析P102情況，等效D1、D2導(dǎo)通 二、調(diào)頻與解調(diào)n調(diào)頻：用調(diào)制信號來控制載波信號的頻率，使高頻載波信號的頻率隨測試信號的變化而變化。n常用的載波信號是高頻正弦或余弦信號，也可以用方波信號。n常用調(diào)頻電路有LC振蕩器及壓控振蕩器，目前在工程測試技術(shù)中常用的多是壓控振蕩器。壓控振蕩器n壓控振蕩器是常用的一種調(diào)頻方法，利壓控振蕩器是常用的一種調(diào)頻方法，利用信號電

10、壓來控制振蕩器的頻率輸出。用信號電壓來控制振蕩器的頻率輸出。n當(dāng)信號電壓變化時，振蕩器輸出的電壓當(dāng)信號電壓變化時，振蕩器輸出的電壓也隨之而變化。也隨之而變化。n因為壓控振蕩器的輸出是頻率，其幅值因為壓控振蕩器的輸出是頻率，其幅值的變化對輸出頻率無影響，固此種調(diào)制的變化對輸出頻率無影響，固此種調(diào)制方法的抗干擾性比調(diào)幅式強。方法的抗干擾性比調(diào)幅式強。壓控振蕩器工作原理 第三節(jié) 濾波器n濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定的頻率通過，而極大地衰減其它頻特定的頻率通過，而極大地衰減其它頻率成份。率成份。n在測試裝置中，利用濾波器的篩選作用，在測試裝置中，利用濾波器的

11、篩選作用，可以濾除信號中的干擾或進行頻譜分析?？梢詾V除信號中的干擾或進行頻譜分析。n本節(jié)中所介紹的濾波器與電子技術(shù)中所本節(jié)中所介紹的濾波器與電子技術(shù)中所介紹的濾波器屬于同類。本課程只介紹介紹的濾波器屬于同類。本課程只介紹其在測試中的典型使用。其在測試中的典型使用。一、濾波器的分類n根據(jù)濾波器的選頻作用，可分為：低通、高通、帶通、帶阻四種。n從原理上可分為：理想濾波器、實際濾波器，本課程著重介紹實際濾波器。n從濾波器的結(jié)構(gòu)上可分為：無源濾波器、有源濾波器。本課程介紹的是無源濾波器。1. 低通濾波器n從0f2頻率之間為其通頻帶，幅頻特性平直。它可以使信號中低于f2的頻率幾乎不受衰減地通過，而高于f

12、2的頻率成分受到極大地衰減。2.高通濾波器n從頻率f1-無窮為其通頻帶，其幅頻特性平直。它使信號中高于f1的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而低于f1頻率成分將受到極大地衰減。3.帶通濾波器n它的通頻帶在f1-f2之間。它使信號中高于f1并低于f2的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而其它成分受到極大地衰減。4. 帶阻濾波器n它的阻帶在頻率f1-f2之間。它使信號中高于f1并低于f2的頻率受到極大地衰減，而其它頻率成分幾乎不受衰減地通過。二、理想與實際濾波器1.紋波幅度d 1nf1/ 2RC n此時的信號幾乎不受衰減地通過濾波器此時的信號幾乎不受衰減地通過濾波器n截止頻率：截止頻率： f = 1/ 2R

13、C n幅頻函數(shù)幅頻函數(shù)：1( )2A低通濾波器的積分特性11 2yxfuu dtRCRC時，2 高通濾波器的特性高通濾波器的特性( (一階一階) )nUx 輸入信號；nUy 輸出信號nR：熱阻，電阻，彈性系數(shù)；nC：熱容，電容，阻尼。高通濾波器的特性分析高通濾波器的特性分析1 uH(s)=1H( )=1yyxu dtuRCssjj微分方程：傳遞函數(shù)：頻率響應(yīng)函數(shù)：高通濾波器的幅相特性高通濾波器的幅相特性222( ) ( )1 ()1 (2)11( ) ( )=arctg2fAA ffarctgff 或或高通濾波器的幅相特性分析高通濾波器的幅相特性分析11 A( )1, ( )022111 22

14、xyfffRCdufRCRC dt時時 u四、帶通濾波器的應(yīng)用n為了對信號做頻譜分析，或希望獲取信為了對信號做頻譜分析，或希望獲取信號中某些特殊頻率成分，可將信號通過號中某些特殊頻率成分，可將信號通過放大倍數(shù)相同而中心頻率各個不同的帶放大倍數(shù)相同而中心頻率各個不同的帶通濾波器，各個濾波器的輸出主要反映通濾波器，各個濾波器的輸出主要反映信號中在該通帶頻率范圍內(nèi)的量值。信號中在該通帶頻率范圍內(nèi)的量值。濾波器組的應(yīng)用恒帶寬比與恒帶寬濾波器n對用于頻譜分析的濾波器組，各濾波器對用于頻譜分析的濾波器組，各濾波器的通帶應(yīng)該相互連接，覆蓋整個需進行的通帶應(yīng)該相互連接，覆蓋整個需進行分析的頻率段，而不能夠分析

15、的頻率段，而不能夠“丟失丟失”頻率。頻率。n各個濾波器的增益系數(shù)必須一致。各個濾波器的增益系數(shù)必須一致。n可使用中心頻率可調(diào)，如掃頻儀；也可可使用中心頻率可調(diào)，如掃頻儀；也可使用中心固定的分析儀器，包括恒帶寬使用中心固定的分析儀器，包括恒帶寬比及恒帶寬。比及恒帶寬。1. 恒帶寬比濾波器n這是一種工程測試中常用的濾波器。這是一種工程測試中常用的濾波器。n采用同樣的采用同樣的Q Q值調(diào)諧濾波器做成鄰接式濾波值調(diào)諧濾波器做成鄰接式濾波器組，各個濾波器在器組，各個濾波器在-3dB-3dB處鄰接。處鄰接。n該種濾波器帶寬該種濾波器帶寬B B，中心頻率，中心頻率f fn n與增益系數(shù)與增益系數(shù)Q Q之間關(guān)

16、系為：之間關(guān)系為：B=B=f fn/Qn/Q。中心頻率越高，帶。中心頻率越高，帶寬越大。可以用有限個濾波器組成一個能寬越大?？梢杂糜邢迋€濾波器組成一個能夠覆蓋整個所需分析的頻率范圍的濾波器夠覆蓋整個所需分析的頻率范圍的濾波器組。組。恒帶寬濾波器示意圖2. 恒帶寬濾波器n為使濾波器在每個頻段均有同樣良好的分辨率可采用恒帶寬濾波器。該種濾波器帶寬一定，不隨中心頻率的提高而改變。3. 兩種濾波器組數(shù)比較4. 兩種濾波器效果比較第四節(jié) 信號的指示和記錄裝置n指示和記錄是測試裝置的最后和重要環(huán)節(jié)。n所有測量結(jié)果必須通過不同的指示方式記錄下來。n指示和記錄的目的是：了解測量的結(jié)果，并對其進行分析、研究、事

17、后信號重現(xiàn)。n有些記錄儀器本身具有控制功能，在記錄的同時，還對系統(tǒng)進行自動控制。一、測試裝置的分類n從數(shù)據(jù)記錄的形式上分：數(shù)字式、 模擬式。n從讀數(shù)的形式上分：顯式記錄儀、 隱式記錄儀。1. 記錄形式的特點n模擬式：能夠反映被測物理量變化的趨勢。2. 讀數(shù)形式的特點n顯式：可直接獲取信號n隱式：不可直接獲取信號，需借助專門儀器。n128通道記錄儀，DC40KHz頻率響應(yīng)。二、動圈式磁電指示機構(gòu)n工作原理：可轉(zhuǎn)動的線圈處于均勻強磁場中，當(dāng)信號電流通過線圈時，所產(chǎn)生的電磁力矩與強磁場相互作用，使線圈產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。在線圈上設(shè)有阻尼裝置及彈簧，線圈的偏轉(zhuǎn)角度所產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)力與彈簧力平衡時為止。此時轉(zhuǎn)角與輸入信號電流成正比。n結(jié)構(gòu)：達松瓦爾機構(gòu)。機構(gòu)示意圖n萬用表n光線示波器振子萬用表工作原理1.線圈；2.永久磁鐵；3.轉(zhuǎn)軸；4.彈簧；5.指針；6.轉(zhuǎn)子。光線示波器工作原理1.光源