《測(cè)試技術(shù)》課件：第五章

1、第五章第五章 信號(hào)的調(diào)理與記錄信號(hào)的調(diào)理與記錄 1、掌握電橋的作用、原理。2、掌握調(diào)制的概念、分類和目的；解調(diào)的目的； 掌握幅值調(diào)制與解調(diào)的原理。3、掌握濾波器的作用、分類； 了解實(shí)際濾波器的基本參數(shù)。 本章學(xué)習(xí)要求：本章學(xué)習(xí)要求：測(cè)試系統(tǒng)的組成傳感器被測(cè)對(duì)象信號(hào)調(diào)理顯示紀(jì)錄信號(hào)處理5.1 5.1 電橋電橋 電橋1 1、作用：、作用：將電阻 、電感 、電容 等電參數(shù)變?yōu)殡妷?或電流 信號(hào)后輸出。RLCUIa、c兩端接電源 ，稱供橋端；iUb、d兩端接輸出電壓 ，稱輸出端。oU根據(jù)橋臂阻抗性質(zhì)橋臂阻抗性質(zhì)的不同電阻電橋 電容電橋電感電橋根據(jù)供橋電源供橋電源直流電橋：只用于測(cè)量電阻R的變化交流電橋

2、：測(cè)量電阻R、電容C、電感 L的變化2 2、電橋的分類、電橋的分類 電橋電橋直流電橋 一、直流電橋一、直流電橋 采用直流電源的電橋稱為直流電橋。 四個(gè)橋臂由電阻R1、R2、R3和R4組成。 在a、c兩端接入直流電源，在b、d兩端輸出電壓。1 1、平衡條件、平衡條件 電橋的輸出：電橋的輸出： R1R3=R2R4 直流電橋 平衡的條件：平衡的條件： 2 2、聯(lián)接方式、聯(lián)接方式 在測(cè)試過(guò)程中，根據(jù)工作中的電阻值變化的橋臂情況，電橋可以分為半橋單臂、半橋雙臂和全橋式聯(lián)接方式。 (1)(1) 半橋單臂半橋單臂為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，令R2=R3=R4=R0，而R1=R0+R則電橋的靈敏度：電橋的靈敏度： 半橋單臂

3、聯(lián)接方式的半橋單臂聯(lián)接方式的缺點(diǎn)缺點(diǎn)：(2)(2) 半橋雙臂半橋雙臂a、供橋電壓不穩(wěn)定會(huì)造成靈敏度的漂移。b、溫度的變化引起漂移。半橋雙臂c、存在非線性誤差。 初始狀態(tài)下，R1=R2=R3=R4=R0，且R=R1=R2，則當(dāng)R1 R1R1，R2 R2R2 時(shí)， 電橋的靈敏度：電橋的靈敏度： 11401122342iiRRRUURRRRRRRUR2iUS 與半橋單臂相比，半橋雙臂聯(lián)接方式的好處好處：a、靈敏度提高了1倍。b、可以實(shí)現(xiàn)溫度誤差的自動(dòng)補(bǔ)償。c、消除了非線性誤差。(3)(3) 全橋全橋全橋 設(shè)初始狀態(tài)下，R1=R2=R3=R4=R0，且R=R1=R2=R3=R4，則當(dāng)R1 R0+R，R

4、2 R0R，R3 R0+R，R4 R0R時(shí)，電橋的靈敏度：電橋的靈敏度： iiURRRRRRRRRRRRRRRRRRURRRRRRRRU000000000432142310)()()()(全橋聯(lián)接方式的好處：a、靈敏度又提高了1倍。b、可以實(shí)現(xiàn)溫度誤差的自動(dòng)補(bǔ)償。c、消除了非線性誤差。3 3、輸出變化曲線、輸出變化曲線 半橋單臂半橋雙臂全橋RR0U0梁應(yīng)變片電橋二、交流電橋二、交流電橋 采用交流電源的電橋稱為交流電橋。 交流電橋的橋臂可以是純電阻，也可以是包含 有電容、電感的阻抗。 在a、c兩端接入交流電源ui，在b、d兩端輸出電壓uo 。交流電橋 1 1、平衡條件、平衡條件 交流電橋 平衡條

5、件平衡條件 4231ZZZZ其中，Zi阻抗的模， 為阻抗角。 i因此， )(42)(314231jjeZZeZZijiieZZ42314231ZZZZ2 2、常用電橋、常用電橋 （1 1）電容電橋）電容電橋 平衡條件：平衡條件： l兩相鄰橋臂為純電阻R2、R3，另相鄰兩臂為電容C1、C4 lR1、R4視為電容介質(zhì)損耗的等效電阻 根據(jù)平衡條件 電容電橋 （2 2）電感電橋）電感電橋 平衡條件：平衡條件： l兩相鄰橋臂為純電阻R2、R3，另相鄰兩臂為電感L1、L4 根據(jù)平衡條件 電感電橋 （3 3）純電阻交流電橋）純電阻交流電橋 C2UiR2R4R1R3 C1C3C4純電阻交流電橋 由于導(dǎo)線間存在

6、分布電容，因此在調(diào)節(jié)平衡時(shí)既要調(diào)電阻平衡，也要調(diào)電容平衡。3 3、交流電橋的輸出、交流電橋的輸出5.3 5.3 調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)的過(guò)程高頻信號(hào)-載波；被測(cè)緩變信號(hào)-調(diào)制信號(hào)；輸出信號(hào)-已調(diào)制波。1 1、調(diào)制的概念：、調(diào)制的概念：使高頻信號(hào)的某些參數(shù)在被測(cè)緩變信號(hào)的控制下發(fā)生變化的過(guò)程。一、調(diào)制和解調(diào)的概念一、調(diào)制和解調(diào)的概念 2 2、調(diào)制的目的、調(diào)制的目的 1）實(shí)現(xiàn)緩變信號(hào)的傳輸，特別是遠(yuǎn)距離傳輸 2）提高信號(hào)傳輸中的抗干擾能力和信噪比 3 3、調(diào)制的種類、調(diào)制的種類a) 幅值調(diào)制(簡(jiǎn)稱調(diào)幅，AM) b) 頻率調(diào)制(簡(jiǎn)稱調(diào)頻，F(xiàn)M) c) 相位調(diào)制(簡(jiǎn)稱調(diào)相，PM) 根據(jù)參數(shù)的不

7、同，調(diào)制可以分為：5 5、解調(diào)的目的、解調(diào)的目的 從已調(diào)制波中不失真地恢復(fù)原來(lái)的緩變信號(hào)的過(guò)程。 4 4、解調(diào)、解調(diào)為了不失真地恢復(fù)被調(diào)制的信號(hào)。 載波、調(diào)制信號(hào)及調(diào)幅、調(diào)頻波圖載波、調(diào)制信號(hào)及調(diào)幅、調(diào)頻波圖(a) (a) 載波信號(hào)載波信號(hào) (b) (b) 調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào) (c) (c) 調(diào)幅波形調(diào)幅波形 (d) (d) 調(diào)頻波形調(diào)頻波形二、幅值調(diào)制（調(diào)幅）二、幅值調(diào)制（調(diào)幅）調(diào)幅調(diào)幅使載波信號(hào)y(t)的幅值隨緩變信號(hào)x(t) 幅值的變化而變化的過(guò)程。幅值調(diào)制后的信號(hào)稱為調(diào)幅波。 調(diào)幅的目的是為了便于緩變信號(hào)的放大和傳送。(1) (1) 調(diào)幅的時(shí)域表達(dá)調(diào)幅的時(shí)域表達(dá) )(txtfty02co

8、s)(tftxtym02cos)()(2) (2) 調(diào)幅的頻域表達(dá)調(diào)幅的頻域表達(dá) 設(shè)調(diào)制信號(hào)為設(shè)調(diào)制信號(hào)為 ，其最高頻率成分為，其最高頻率成分為 ，載波信號(hào)，載波信號(hào)為為)(txmftf02cos e)(e)(212cos)(002j2j0tftftxtxtftx由傅里葉變換的卷積性質(zhì)由傅里葉變換的卷積性質(zhì))(*)()()(fYfXtytx則有調(diào)幅波：則有調(diào)幅波：)(*)()(*)(212cos)(000fffXfffXtftx則則時(shí)域時(shí)域 頻域頻域 載波信號(hào)載波信號(hào) 調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào) 調(diào)幅波調(diào)幅波 音頻信號(hào)音頻信號(hào) 調(diào)幅調(diào)幅(AM)(AM)載波信號(hào)載波信號(hào) 調(diào)幅波調(diào)幅波 廣播電臺(tái)的發(fā)射塔廣播

9、電臺(tái)的發(fā)射塔 幅值解調(diào)的目的幅值解調(diào)的目的 恢復(fù)所需要的緩變信號(hào) 廣播電臺(tái)的廣播電臺(tái)的發(fā)射塔發(fā)射塔 調(diào)幅波調(diào)幅波 接接收收解調(diào)解調(diào)DemodulationDemodulation對(duì)調(diào)幅波進(jìn)行鑒別以恢復(fù)緩對(duì)調(diào)幅波進(jìn)行鑒別以恢復(fù)緩變信號(hào)的過(guò)程。變信號(hào)的過(guò)程。 三、調(diào)幅波的解調(diào)三、調(diào)幅波的解調(diào)(1) (1) 同步解調(diào)同步解調(diào) 同步解調(diào)后信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式：同步解調(diào)后信號(hào)的時(shí)域表達(dá)式：tf02cos)2()2(41)(212cos)(000ffXffXfXtftym)2()2(214cos)(000ffXffXtftx所以，同步解調(diào)后信號(hào)的頻譜：同步解調(diào)后信號(hào)的頻譜： 同步解調(diào)后信號(hào)的頻域表達(dá)式：同步解

10、調(diào)后信號(hào)的頻域表達(dá)式：(a)調(diào)幅波頻譜 (b)載波信號(hào)頻譜 (c)同步解調(diào)、低通濾波后頻譜 (2) (2) 整流檢波整流檢波 把調(diào)制信號(hào)進(jìn)行偏置，疊加一個(gè)直流分量，使偏置后的信號(hào)都具有正電壓，那么調(diào)幅波的包絡(luò)線將具有原調(diào)制信號(hào)的形狀。 把該調(diào)幅波進(jìn)行簡(jiǎn)單的半波或全波整流、濾波，并減去所加的偏置電壓就可以恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)。 (3) (3) 相敏檢波相敏檢波 相敏檢波電路原理圖電路結(jié)構(gòu)：電路結(jié)構(gòu)： x(t)0時(shí)(0t1)，ym(t)與y(t)同相，檢波器輸出uf(t)0；x(t)0時(shí)(t1t2)，ym(t)與y(t)反相，檢波器輸出uf(t)0 x(t)0時(shí)，無(wú)論調(diào)制波是否為正，相敏檢波器的時(shí)，無(wú)論

11、調(diào)制波是否為正，相敏檢波器的輸出波形均為正，即保持與調(diào)制信號(hào)極性相同。輸出波形均為正，即保持與調(diào)制信號(hào)極性相同。三、應(yīng)用電路三、應(yīng)用電路動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀的工作原理電橋電橋放大器放大器相敏檢波相敏檢波低通濾波低通濾波顯示記錄顯示記錄載波振蕩器載波振蕩器x(t)電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片1 1）動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀的組成部分：）動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀的組成部分：2）動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀各部分的作用如下： 電橋、放大器、相敏檢波器、濾波器、振蕩器、電源。電橋：電橋：將應(yīng)變片電阻的變化轉(zhuǎn)換為電流或電壓信號(hào)。振蕩器振蕩器：供給正弦波交流電壓作為電橋的工作電壓，并通過(guò)信號(hào)電壓對(duì)它進(jìn)行調(diào)幅，輸出調(diào)幅電壓信號(hào)送入放大器，同

12、時(shí)它也為相敏檢波器提供參考電壓。放大器：放大器：由于電橋輸出的信號(hào)非常微弱，必須經(jīng)過(guò)放大器將電橋送來(lái)的調(diào)幅電壓進(jìn)行不失真放大。低通濾波器：低通濾波器：由于通過(guò)相敏檢波后，波形中還包含著載波及其高次諧波，因此需要通過(guò)低通濾波器濾掉被測(cè)應(yīng)變信號(hào)以外的高頻成分，得到信號(hào)的原形。相敏檢波器相敏檢波器：它既具有檢波器的作用，又能完成辨別被測(cè)信號(hào)相位（如應(yīng)變信號(hào)的拉伸或壓縮性質(zhì)）的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)解調(diào)。動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀就是利用交流電橋進(jìn)行調(diào)幅，利用相敏檢波動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀就是利用交流電橋進(jìn)行調(diào)幅，利用相敏檢波進(jìn)行解調(diào)的。進(jìn)行解調(diào)的。5.4 5.4 濾波器濾波器濾波器濾波器是一種選頻裝置，它只允許一定頻帶范圍內(nèi)的信號(hào)

13、通過(guò)， 同時(shí)極大地衰減其它頻率成分。 濾波器作用：作用： 濾除干擾噪聲，去除無(wú)用信號(hào)；分離不同頻率的有用信號(hào)；對(duì)測(cè)量?jī)x器或控制系統(tǒng)的頻率特性進(jìn)行補(bǔ)償。一、濾波器的分類：一、濾波器的分類： 濾波器濾波器按構(gòu)成濾波器的元件類型RC濾波器RL濾波器按電路性質(zhì)有源濾波器無(wú)源濾波器按處理信號(hào)的性質(zhì)數(shù)字濾波器模擬濾波器按濾波器通頻帶范圍低通濾波器帶阻濾波器高通濾波器帶通濾波器1.1.通頻帶通頻帶允許信號(hào)通過(guò)的頻率范圍稱為濾波器的通頻帶。2.2.阻帶阻帶被濾波器阻擋或極大地衰減的頻率范圍稱為濾波器的阻帶。3.3.截止頻率截止頻率通頻帶與阻帶的交界頻率稱為截止頻率。三個(gè)概念：四種理想濾波器的幅頻特性 二、理想

14、濾波器與實(shí)際濾波器二、理想濾波器與實(shí)際濾波器 1 1、理想濾波器、理想濾波器理想帶通濾波器 濾波器)(tx)(ty輸入（激勵(lì)）輸出（響應(yīng)）ftf02)(通頻帶內(nèi)0)(AfA阻帶內(nèi)0)(fA濾波器)(tx)(ty輸入（激勵(lì)）輸出（響應(yīng)）t01( ) t2 2、實(shí)際濾波器、實(shí)際濾波器2) 2) 帶寬帶寬B B上下截止頻率間的頻率范圍。帶寬反映了濾波器的頻率分辨力（分離信號(hào)中相鄰頻率成分的能力）。1)1)截止頻率截止頻率幅頻特性值等于 所對(duì)應(yīng)的頻率。012AB越窄，濾波器的分辨力越高。atbtt)(tyabettt稱為是濾波器的建立時(shí)間。帶寬、分辨力、建立時(shí)間三者的關(guān)系：帶寬越小，分辨力越高，但建立

15、時(shí)間越長(zhǎng)，濾波器的響應(yīng)速度越慢。3)3)紋波幅度紋波幅度d d 幅頻特性在頂部的波動(dòng)幅度。5) 5) 倍頻程選擇性倍頻程選擇性 上截止頻率 與 之間或下截止頻率 與 之間幅頻特性的衰減值，即頻率 變化一個(gè)倍頻程時(shí)的衰減量。 1cf112cf22cf2cf603dBdBBB6)6)濾波器因素濾波器因素 濾波器幅頻特性值為的-60dB處的帶寬與-3dB 帶寬的比值。4) 4) 品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)Q Q中心頻率和帶寬之比。即Q = fQ = f0 0 / / B B 其中，中心頻率210ccfff 3 3、RCRC無(wú)源濾波器無(wú)源濾波器 RC濾波器電路簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，有較好的低頻性能。 （a）RC低通濾波器（b）RC高通濾波器1)1)一階一階RCRC低通濾波器低通濾波器 RC低通濾波器幅頻特性 相頻特性 yyxduRCuudt1( )1Hj21()1()A( )arctan() 一階微分方程頻率響應(yīng)函數(shù)可以求得濾波器的上截止頻率為：RCfc21212當(dāng) f f fff fc2c2 時(shí)，輸出 與輸入 的積分成正比，即： 濾波器相當(dāng)于積分環(huán)節(jié)。1yxuu dtRCxuyu2)2)一階一階RCRC高通濾波器高通濾波器 幅頻特性 相頻特性 1yyxu dtuuRC2()1()A( )arctan(1/) 一階微分方程頻率響應(yīng)函數(shù)RC高