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1、1中北大學(xué)中北大學(xué)機(jī)電工程機(jī)電工程學(xué)院學(xué)院20082008年年3 3月月 機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)熊詩波、黃長(zhǎng)藝熊詩波、黃長(zhǎng)藝 主編主編2本章主要講述內(nèi)容本章主要講述內(nèi)容 4.1 4.1 電橋電橋 4.2 4.2 調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)4.3 4.3 濾波器濾波器機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ),第三版機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ),第三版第四章第四章 信號(hào)的調(diào)理與記錄信號(hào)的調(diào)理與記錄34.0 概述概述 便于信號(hào)的傳輸與處理。便于信號(hào)的傳輸與處理。 1.1.傳感器輸出的電信號(hào)很微弱,傳感器輸出的電信號(hào)很微弱,大多數(shù)不能直接輸送到顯示、大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去,需要進(jìn)記錄或分析儀器中

2、去,需要進(jìn)一步放大,有的還要進(jìn)行阻抗一步放大,有的還要進(jìn)行阻抗變換變換。 3.3.某些場(chǎng)合,為便于信號(hào)的遠(yuǎn)距某些場(chǎng)合,為便于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸,需要對(duì)傳感器測(cè)量信進(jìn)離傳輸,需要對(duì)傳感器測(cè)量信進(jìn)行調(diào)制解調(diào)處理。行調(diào)制解調(diào)處理。 2.2.有些傳感器輸出的是電信號(hào)中混雜有干擾噪聲,需要去掉有些傳感器輸出的是電信號(hào)中混雜有干擾噪聲,需要去掉噪聲,提高信噪比。噪聲,提高信噪比。44.1 電橋電橋概述概述 電橋是將電橋是將電阻、電感、電容等參量的變化,轉(zhuǎn)換電阻、電感、電容等參量的變化,轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出的一種測(cè)量電路,由于橋式測(cè)量電為電壓或電流輸出的一種測(cè)量電路,由于橋式測(cè)量電路簡(jiǎn)單可靠,而且具有很高的精

3、度和靈敏度,因此在路簡(jiǎn)單可靠,而且具有很高的精度和靈敏度,因此在測(cè)量裝置中被廣泛采用測(cè)量裝置中被廣泛采用 。 電橋按其所采用的激勵(lì)電源的類型可分為電橋按其所采用的激勵(lì)電源的類型可分為直流電直流電橋橋和和交流電橋交流電橋;按其工作原理可分為;按其工作原理可分為偏值法偏值法和和歸零法歸零法兩種,其中偏值法的應(yīng)用更為廣泛。兩種,其中偏值法的應(yīng)用更為廣泛。 其輸出,既可直接驅(qū)動(dòng)指示儀表,也可送入放其輸出,既可直接驅(qū)動(dòng)指示儀表,也可送入放大器放大。大器放大。 54.1.1 直流電橋直流電橋1. 1. 直流電橋的基本形式如圖直流電橋的基本形式如圖4-14-1所示。所示。 使用時(shí),電橋四個(gè)橋臂中的一個(gè)使用時(shí)

4、,電橋四個(gè)橋臂中的一個(gè)或多個(gè)是阻值隨被測(cè)量變化的電阻傳或多個(gè)是阻值隨被測(cè)量變化的電阻傳感器元件。如感器元件。如 電阻應(yīng)變片、電阻式電阻應(yīng)變片、電阻式溫度計(jì)、熱敏元件。溫度計(jì)、熱敏元件。610122034111012424034140123413240123411 ()()abadyabadIURRIURRRUI RURRRUI RURRRRUUUURRRRR RR RURRRR橋路電流:;橋路電壓:輸出電壓:(4-1)(4-2)(4-1)7 當(dāng)被測(cè)量為某一初始值并未發(fā)生變化時(shí)希望電橋當(dāng)被測(cè)量為某一初始值并未發(fā)生變化時(shí)希望電橋輸出為輸出為0,0,要使電橋平衡,輸出電壓為零,必須滿足要使電橋平衡,

5、輸出電壓為零,必須滿足 4231RRRR根據(jù)電橋平衡條件(根據(jù)電橋平衡條件(4-24-2),如果適當(dāng)選擇各橋),如果適當(dāng)選擇各橋臂電阻,可使輸出電壓只與被測(cè)量引起的電阻變臂電阻,可使輸出電壓只與被測(cè)量引起的電阻變化量有關(guān)?;坑嘘P(guān)。 (4-2)82.2. 電橋連接形式電橋連接形式 在測(cè)試技術(shù)中,一般根據(jù)工作中電阻值參與變化的橋臂數(shù)分在測(cè)試技術(shù)中,一般根據(jù)工作中電阻值參與變化的橋臂數(shù)分類。常見的電橋連接形式如圖類。常見的電橋連接形式如圖4-24-2所示。所示。 9根據(jù)式(根據(jù)式(4-14-1),此時(shí)輸出電壓為),此時(shí)輸出電壓為 可見,電橋的輸出與與供橋電源可見,電橋的輸出與與供橋電源 成正比,并

6、且在成正比,并且在 一一定的條件下,與工作橋臂的阻值變化量定的條件下,與工作橋臂的阻值變化量 成正比。成正比。 0U0U0RR10(4-1)11從公式(從公式(4-5)()(4-6)()(4-7)可以看出,電橋的輸出電壓)可以看出,電橋的輸出電壓與激勵(lì)電壓成正比,只是比例系數(shù)不同?,F(xiàn)在定義電橋的靈與激勵(lì)電壓成正比,只是比例系數(shù)不同?,F(xiàn)在定義電橋的靈敏度為敏度為00USRR(4-8)(4-1)12對(duì)于圖對(duì)于圖-c所示的電橋,當(dāng)所示的電橋,當(dāng)R1=R2=R3=R4=R,且且1401234141412341 ()2eeRRRRUURRRRRRRRRRURR 3220344112232331 ()2e

7、eRRRRUURRRRRRRRRRURR(4-9)(4-10)11223344RRRRRRRR,由式(由式(-)得)得13綜合式(綜合式(- -)和式()和式(- -),導(dǎo)出如下公式),導(dǎo)出如下公式123401()4eRRRRUURRRR(-)由式(由式(-)可以看出:)可以看出:)若相鄰兩橋臂電阻同向變化(即兩電阻同時(shí)增大或同)若相鄰兩橋臂電阻同向變化(即兩電阻同時(shí)增大或同時(shí)減?。?,所產(chǎn)生的輸出電壓的變化將相互抵消;時(shí)減?。a(chǎn)生的輸出電壓的變化將相互抵消;)若相鄰兩橋臂電阻反向變化(即兩電阻一個(gè)增大或一)若相鄰兩橋臂電阻反向變化(即兩電阻一個(gè)增大或一個(gè)減?。?,所產(chǎn)生的輸出電壓的變化將相互

8、疊加;個(gè)減?。?,所產(chǎn)生的輸出電壓的變化將相互疊加;144.1.2 交流電橋交流電橋l l 交流電橋,采用交流激勵(lì)電源的電橋。交流電橋,采用交流激勵(lì)電源的電橋。電橋的四個(gè)臂,可以為電感、電容或電阻,統(tǒng)稱為阻抗。電橋的四個(gè)臂,可以為電感、電容或電阻,統(tǒng)稱為阻抗。l l 如果阻抗、電流及電壓都用復(fù)數(shù)表示,則關(guān)于直流電橋如果阻抗、電流及電壓都用復(fù)數(shù)表示,則關(guān)于直流電橋的平衡關(guān)系式,在交流電橋中也可適用。即,的平衡關(guān)系式,在交流電橋中也可適用。即, (4-12)(4-13)(4-14)15l在具有在具有電阻電阻、電感電感和和電容電容的的電路電路里,對(duì)里,對(duì)交交流電流電所起的阻礙作用叫做阻抗。阻抗常用所起

9、的阻礙作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示。阻抗由電阻、感抗和容抗三者組成,表示。阻抗由電阻、感抗和容抗三者組成,但不是三者簡(jiǎn)單相加。阻抗的單位是歐。但不是三者簡(jiǎn)單相加。阻抗的單位是歐。在直流電中,物體對(duì)電流阻礙的作用叫做在直流電中,物體對(duì)電流阻礙的作用叫做電阻,世界上所有的物質(zhì)都有電阻,只是電阻,世界上所有的物質(zhì)都有電阻,只是電阻值的大小差異而已。電阻值的大小差異而已。 16上式表明:交流電橋平衡,必須滿足兩個(gè)條件,即:上式表明:交流電橋平衡,必須滿足兩個(gè)條件,即: 相對(duì)兩臂阻抗之模的乘積相等;相對(duì)兩臂阻抗之模的乘積相等; 它們的阻抗角之和也必須相等。它們的阻抗角之和也必須相等。0102030412

10、340,0,0,ZZZZ,為各阻抗的模;, , ,為阻抗角, 是各橋臂電流電壓之間的相位差;純電阻性阻抗角 :電感性阻抗電容性阻抗17l一種常用的電容電橋,如圖一種常用的電容電橋,如圖4-7所示。所示。4-718 (4-15) (4-16) 可見,要使電橋達(dá)到可見,要使電橋達(dá)到平衡平衡,必須同時(shí),必須同時(shí)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)電阻電阻與電容兩個(gè)參數(shù)。即調(diào)節(jié)電阻達(dá)到與電容兩個(gè)參數(shù)。即調(diào)節(jié)電阻達(dá)到電阻平衡電阻平衡;調(diào);調(diào)節(jié)電容達(dá)到節(jié)電容達(dá)到電容平衡電容平衡。13421432134214132432144 1211RR RR RRRCCRRRj Cj CRRR RR Rj Cj C根據(jù)()的平衡條件,即:令上式的

11、實(shí)部和虛部分別相等,得如下兩個(gè)平衡條件,即:19l 一種常用的電感電橋,如圖4-8所示。 兩相鄰橋臂的電感與電阻分別為: R3R2,4, 1,LL132413244 12R RR R4 17L RR L根據(jù)式()的平衡條件,有:,()4-820l 例例1.現(xiàn)有四個(gè)電路元件:電阻現(xiàn)有四個(gè)電路元件:電阻 電感電感L和電容和電容C,擬接,擬接成四臂交流電橋,試畫出能滿足電橋平衡的正確接橋方法,成四臂交流電橋,試畫出能滿足電橋平衡的正確接橋方法,并寫出該電橋的平衡條件。(設(shè)電橋激勵(lì)為并寫出該電橋的平衡條件。(設(shè)電橋激勵(lì)為 ,電橋輸,電橋輸出為出為 )iuou12,R R21121LR Rj Lj CC

12、 22電阻交流電橋的電阻交流電橋的分布電容分布電容 對(duì)于純電阻交流電橋,既對(duì)于純電阻交流電橋,既使各橋臂均為電阻,但由于導(dǎo)使各橋臂均為電阻,但由于導(dǎo)線之間存在分布電容,相當(dāng)于線之間存在分布電容,相當(dāng)于在各橋臂上并聯(lián)了一個(gè)電容,在各橋臂上并聯(lián)了一個(gè)電容,如圖如圖4-9所示。所示。l為此,除了有為此,除了有電阻平衡電阻平衡外,外,還需要有還需要有電容平衡電容平衡。4-923l一種用于一種用于動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的電阻電容電橋,如的電阻電容電橋,如圖圖4-10所示。具有電所示。具有電阻、電容平衡調(diào)節(jié)環(huán)阻、電容平衡調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。(節(jié)。(P132)l調(diào)整調(diào)整差動(dòng)可變電容差動(dòng)可變電容,可實(shí)現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)分布電容分布

13、電容的的平平衡衡。4-1024l交流電橋的供橋電源交流電橋的供橋電源 交流電橋的供橋電源,必須具有良好的電壓波形與頻交流電橋的供橋電源,必須具有良好的電壓波形與頻率穩(wěn)定度。如果電源電壓發(fā)生奇變,即包含有高次諧波,率穩(wěn)定度。如果電源電壓發(fā)生奇變,即包含有高次諧波,對(duì)基波而言,電橋達(dá)到平衡;而對(duì)高次諧波,電橋未必能對(duì)基波而言,電橋達(dá)到平衡;而對(duì)高次諧波,電橋未必能平衡;因而,輸出電壓也將包含高次諧波。平衡;因而,輸出電壓也將包含高次諧波。 采用采用(510)kHz的音頻交流電源,作為供橋電源,電的音頻交流電源,作為供橋電源,電橋輸出將成為調(diào)制波。橋輸出將成為調(diào)制波。 優(yōu)點(diǎn):有利于抑制外界工頻干擾,

14、后接交流放大電路簡(jiǎn)單優(yōu)點(diǎn):有利于抑制外界工頻干擾,后接交流放大電路簡(jiǎn)單而無零漂。而無零漂。 工頻:指工業(yè)上用的交流電源的頻率,單位赫茲(工頻:指工業(yè)上用的交流電源的頻率,單位赫茲(HZ)l采用交流電橋時(shí),需要注意如下影響測(cè)量誤差的采用交流電橋時(shí),需要注意如下影響測(cè)量誤差的一些因素:一些因素: 電橋中元件之間的互感影響;電橋中元件之間的互感影響; 無感電阻的殘余電抗;無感電阻的殘余電抗; 鄰近交流電路對(duì)電橋的感應(yīng)作用;鄰近交流電路對(duì)電橋的感應(yīng)作用; 泄露電阻、分布電容等泄露電阻、分布電容等25 4.2 4.2 調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)l為什么要調(diào)制?為什么要調(diào)制?l信號(hào)調(diào)理的的目的是便于信號(hào)的傳輸與

15、處理。信號(hào)調(diào)理的的目的是便于信號(hào)的傳輸與處理。l1.傳感器輸出的微弱電信號(hào),需要放大或進(jìn)行阻抗變傳感器輸出的微弱電信號(hào),需要放大或進(jìn)行阻抗變換,才能輸送到顯示、記錄或分析儀器中去。換,才能輸送到顯示、記錄或分析儀器中去。 l2.有些傳感器輸出的是電信號(hào)中混雜有干擾噪聲,需有些傳感器輸出的是電信號(hào)中混雜有干擾噪聲,需要去掉噪聲,提高信噪比。要去掉噪聲,提高信噪比。 3.便于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸,需要對(duì)傳感器測(cè)量信號(hào)進(jìn)便于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸,需要對(duì)傳感器測(cè)量信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)處理。行調(diào)制解調(diào)處理。 26調(diào)制解調(diào)中使用的信號(hào)名稱調(diào)制解調(diào)中使用的信號(hào)名稱 調(diào)制信號(hào),就是測(cè)試信號(hào),也叫原信號(hào),一般為低頻緩調(diào)制信

16、號(hào),就是測(cè)試信號(hào),也叫原信號(hào),一般為低頻緩變信號(hào);變信號(hào); 載波信號(hào),也叫工作信號(hào),一般為高頻簡(jiǎn)諧信號(hào);載波信號(hào),也叫工作信號(hào),一般為高頻簡(jiǎn)諧信號(hào); 調(diào)制波,就是已調(diào)制的信號(hào),調(diào)制波,就是已調(diào)制的信號(hào), 幅值調(diào)制時(shí)稱為調(diào)幅波;幅值調(diào)制時(shí)稱為調(diào)幅波; 頻率調(diào)制時(shí)稱為調(diào)頻波。頻率調(diào)制時(shí)稱為調(diào)頻波。27l所謂所謂調(diào)制調(diào)制,就是在調(diào),就是在調(diào)制信號(hào)(測(cè)試信號(hào))制信號(hào)(測(cè)試信號(hào))的控制下,使載波信的控制下,使載波信號(hào)(工作信號(hào))的某號(hào)(工作信號(hào))的某些參數(shù)(如幅值、頻些參數(shù)(如幅值、頻率、相位)發(fā)生變化率、相位)發(fā)生變化的過程。舉例:如圖的過程。舉例:如圖4-12所示。所示。l所謂所謂解調(diào)解調(diào),就是從已

17、,就是從已調(diào)制波中調(diào)制波中恢復(fù)恢復(fù)出調(diào)制出調(diào)制信號(hào)的過程。信號(hào)的過程。4-1228調(diào)制處理的分類調(diào)制處理的分類294.2.1 調(diào)幅及其解調(diào)調(diào)幅及其解調(diào)1. 調(diào)幅與同步解調(diào)調(diào)幅與同步解調(diào)l調(diào)幅調(diào)幅的目的,使緩慢變化的測(cè)試信號(hào)便于放大的目的,使緩慢變化的測(cè)試信號(hào)便于放大和傳輸。和傳輸。l解調(diào)解調(diào)的目的,恢復(fù)原來的測(cè)試信號(hào)。的目的,恢復(fù)原來的測(cè)試信號(hào)。l調(diào)幅是將一個(gè)高頻簡(jiǎn)諧信號(hào)(調(diào)幅是將一個(gè)高頻簡(jiǎn)諧信號(hào)(載波信號(hào)載波信號(hào))與被)與被測(cè)信號(hào)(測(cè)信號(hào)(調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào))相乘相乘,使載波信號(hào)的幅值,使載波信號(hào)的幅值隨被測(cè)信號(hào)的變化而變化。隨被測(cè)信號(hào)的變化而變化。30)()(21)()(212cos)()(

18、21)(212cos)()()()(000000fffXfffXtftxfffftffYfXtytx頻域時(shí)域(4-18)(4-19)(4-20)(4-21)31調(diào)幅過程如圖4-13所示。4-133233l 從圖從圖4-13可以看出,載波頻率可以看出,載波頻率f0必須高于信號(hào)中的最高頻必須高于信號(hào)中的最高頻率率fmax,這樣才能使已調(diào)幅信號(hào)保持原信號(hào)的頻譜圖形而,這樣才能使已調(diào)幅信號(hào)保持原信號(hào)的頻譜圖形而不產(chǎn)生混疊現(xiàn)象。在實(shí)際應(yīng)用中載波頻率常常至少在調(diào)制不產(chǎn)生混疊現(xiàn)象。在實(shí)際應(yīng)用中載波頻率常常至少在調(diào)制信號(hào)上限頻率的十倍以上。信號(hào)上限頻率的十倍以上。l 幅值調(diào)制的頻移功能在工程技術(shù)上具有重要的使

19、用價(jià)值。幅值調(diào)制的頻移功能在工程技術(shù)上具有重要的使用價(jià)值。例如,廣播電臺(tái)把聲頻信號(hào)移頻至各自分配的高頻、超高例如,廣播電臺(tái)把聲頻信號(hào)移頻至各自分配的高頻、超高頻頻段上,既便于放大和傳遞,也可避免各電臺(tái)之間的干頻頻段上,既便于放大和傳遞,也可避免各電臺(tái)之間的干擾。擾。344-14結(jié)果是使原信號(hào)的頻譜圖形平移到結(jié)果是使原信號(hào)的頻譜圖形平移到0和和2f0的頻率處。的頻率處。(4-22)354-1436注意:同步解調(diào)要求有性能良好的線性乘法器件,注意:同步解調(diào)要求有性能良好的線性乘法器件,否則將引起信號(hào)失真。否則將引起信號(hào)失真。372. 整流檢波整流檢波l同步解調(diào)需要性能同步解調(diào)需要性能良好的線性乘法

20、器良好的線性乘法器否則引起失真。否則引起失真。l如果把調(diào)制信號(hào)如果把調(diào)制信號(hào)(測(cè)試信號(hào))進(jìn)行(測(cè)試信號(hào))進(jìn)行偏置,疊加一個(gè)直偏置,疊加一個(gè)直流分量流分量 ,使偏置,使偏置后的信號(hào)都具有正后的信號(hào)都具有正電壓,那么調(diào)幅波電壓,那么調(diào)幅波的包絡(luò)線將具有原的包絡(luò)線將具有原調(diào)制信號(hào)的形狀,調(diào)制信號(hào)的形狀, 如圖如圖4-15所示。所示。)(txm 該調(diào)幅波該調(diào)幅波 經(jīng)整流后,減去經(jīng)整流后,減去所疊加的直流偏置電壓,再濾波,所疊加的直流偏置電壓,再濾波,就可以恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)。就可以恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)。A4-1538補(bǔ)充補(bǔ)充l 將一段時(shí)間長(zhǎng)度的高頻信號(hào)的峰值點(diǎn)連線,就可以得到上將一段時(shí)間長(zhǎng)度的高頻信號(hào)的峰值點(diǎn)連

21、線,就可以得到上方(正的)一條線和下方(負(fù)的)一條線,這兩條線就叫包方(正的)一條線和下方(負(fù)的)一條線,這兩條線就叫包絡(luò)線。包絡(luò)線就是反映高頻信號(hào)幅度變化的曲線。對(duì)于等幅絡(luò)線。包絡(luò)線就是反映高頻信號(hào)幅度變化的曲線。對(duì)于等幅高頻信號(hào),這兩條包絡(luò)線就是平行線。高頻信號(hào),這兩條包絡(luò)線就是平行線。l 當(dāng)用一個(gè)低頻信號(hào)對(duì)一個(gè)高頻信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制(即調(diào)幅)當(dāng)用一個(gè)低頻信號(hào)對(duì)一個(gè)高頻信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制(即調(diào)幅)時(shí),低頻信號(hào)就成了高頻信號(hào)的包絡(luò)線。這樣的信號(hào)稱為調(diào)時(shí),低頻信號(hào)就成了高頻信號(hào)的包絡(luò)線。這樣的信號(hào)稱為調(diào)幅信號(hào)。幅信號(hào)。l 從調(diào)幅信號(hào)中將低頻信號(hào)解調(diào)出來的過程,就叫做包絡(luò)檢從調(diào)幅信號(hào)中將低頻信號(hào)解調(diào)

22、出來的過程,就叫做包絡(luò)檢波。波。l 上述方法的關(guān)鍵是準(zhǔn)確地加、減偏置電壓。若所加的偏置上述方法的關(guān)鍵是準(zhǔn)確地加、減偏置電壓。若所加的偏置電壓未能使信號(hào)電壓都位于零位的同一側(cè),那么對(duì)調(diào)幅之后電壓未能使信號(hào)電壓都位于零位的同一側(cè),那么對(duì)調(diào)幅之后的波形只進(jìn)行簡(jiǎn)單的整流便不能恢復(fù)原調(diào)制信號(hào),而會(huì)造成的波形只進(jìn)行簡(jiǎn)單的整流便不能恢復(fù)原調(diào)制信號(hào),而會(huì)造成很大的失真(見圖很大的失真(見圖4-16)。在這種情況下,采用相敏檢波技)。在這種情況下,采用相敏檢波技術(shù)可以解決這一問題。術(shù)可以解決這一問題。393. 相敏檢波相敏檢波l相敏檢波技術(shù)可以解決這一問題。特點(diǎn)相敏檢波技術(shù)可以解決這一問題。特點(diǎn):可以鑒別調(diào)制信

23、可以鑒別調(diào)制信號(hào)的極性,所以采用相敏檢波時(shí),對(duì)調(diào)制信號(hào)不必再加號(hào)的極性,所以采用相敏檢波時(shí),對(duì)調(diào)制信號(hào)不必再加直流偏置。相敏檢波利用交變信號(hào)在過零位時(shí)正、負(fù)極直流偏置。相敏檢波利用交變信號(hào)在過零位時(shí)正、負(fù)極性發(fā)生突變,使調(diào)幅波的相位(與載波比較)也相應(yīng)地性發(fā)生突變,使調(diào)幅波的相位(與載波比較)也相應(yīng)地產(chǎn)生產(chǎn)生180的相位跳變,這樣便既能反映出原調(diào)制信號(hào)的相位跳變,這樣便既能反映出原調(diào)制信號(hào)的幅值,又能反映其極性。的幅值,又能反映其極性。l相敏檢波的原理如圖相敏檢波的原理如圖4-17所示。所示。40 下面給出典型的二極管相敏檢波電路及其輸入下面給出典型的二極管相敏檢波電路及其輸入輸出關(guān)系圖。它由

24、四個(gè)特性相同的二極管輸出關(guān)系圖。它由四個(gè)特性相同的二極管VD1VD4沿同一方向串聯(lián)成一個(gè)橋式回路,橋臂上有附沿同一方向串聯(lián)成一個(gè)橋式回路,橋臂上有附加電阻,用于橋路平衡。四個(gè)端點(diǎn)分別接在變壓器加電阻,用于橋路平衡。四個(gè)端點(diǎn)分別接在變壓器T1和和T2的次級(jí)線圈上,變壓器的次級(jí)線圈上,變壓器T1的輸入為調(diào)幅波的輸入為調(diào)幅波xm(t),T2的輸入信號(hào)為參考信號(hào),該參考信號(hào)應(yīng)與的輸入信號(hào)為參考信號(hào),該參考信號(hào)應(yīng)與載波載波y(t)的相位和頻率相同,用作極性識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn),的相位和頻率相同,用作極性識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn),u0(t)為輸出。二極管的導(dǎo)通與截止完全由)為輸出。二極管的導(dǎo)通與截止完全由T2的次的次級(jí)的輸出決定

25、,因此要求級(jí)的輸出決定,因此要求T2的次級(jí)的輸出大于的次級(jí)的輸出大于T1的的次級(jí)輸出。次級(jí)輸出。414-174-1742二極管相敏檢波電路的工作原理分析如下:二極管相敏檢波電路的工作原理分析如下:(1)當(dāng)調(diào)制信號(hào))當(dāng)調(diào)制信號(hào)x(t)為正時(shí),調(diào)幅波為正時(shí),調(diào)幅波xm(t)與載波與載波y(t)同相。同相。 當(dāng)載波電壓為正時(shí),當(dāng)載波電壓為正時(shí),VD1導(dǎo)通,電流的流向是導(dǎo)通,電流的流向是d-1-VD1-2-5-R1-地地-d;當(dāng)載波電壓為負(fù)時(shí),變壓器;當(dāng)載波電壓為負(fù)時(shí),變壓器T1和和T2的極性同時(shí)改變,的極性同時(shí)改變,VD3導(dǎo)通,電流的流向是導(dǎo)通,電流的流向是d-3-VD3-4-5-R1-地地-d???/p>

26、見在。可見在0t1區(qū)間,區(qū)間,流經(jīng)負(fù)載流經(jīng)負(fù)載R1的電流方向始終為由上到下,輸出電壓的電流方向始終為由上到下,輸出電壓u0(t)為正)為正值值 。 (2)當(dāng)調(diào)制信號(hào))當(dāng)調(diào)制信號(hào)x(t)為負(fù)時(shí),調(diào)幅波為負(fù)時(shí),調(diào)幅波xm(t)與載波與載波y(t)的極的極性相差性相差180。 當(dāng)載波電壓為正時(shí),當(dāng)載波電壓為正時(shí),VD2導(dǎo)通,電流的流向是導(dǎo)通,電流的流向是5-2-VD2-3-d-地地-R1-5;當(dāng)載波電壓為負(fù)時(shí),;當(dāng)載波電壓為負(fù)時(shí),VD4導(dǎo)通,電流的流向是導(dǎo)通,電流的流向是5-4-VD4-1-d-地地-R1-5??梢娫???梢娫趖1t2區(qū)間,流經(jīng)負(fù)載區(qū)間,流經(jīng)負(fù)載R1的電流方向的電流方向始終為由下到上,

27、輸出電壓始終為由下到上,輸出電壓u0(t)為負(fù)值)為負(fù)值 。43調(diào)調(diào)制制與與解解調(diào)調(diào)過過程程(波波形形轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換)換)載波載波調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)放大后的調(diào)幅波放大后的調(diào)幅波相敏檢波后的波形相敏檢波后的波形濾波后的波形濾波后的波形44l綜上所述,相敏檢波是利用二極管的單向?qū)ㄗ饔?,綜上所述,相敏檢波是利用二極管的單向?qū)ㄗ饔?,將電路輸出極性換向。將電路輸出極性換向。l簡(jiǎn)單地說,這種電路相當(dāng)于在簡(jiǎn)單地說,這種電路相當(dāng)于在0t1段把段把 的負(fù)部翻的負(fù)部翻上去,而在上去,而在t1t2段把段把 的正部翻下來。若將的正部翻下來。若將 經(jīng)低通濾波器濾波,則所得到的信號(hào)就是經(jīng)低通濾波器濾波,則所得到的信號(hào)就是 經(jīng)過

28、經(jīng)過“翻轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)”后的包絡(luò)。后的包絡(luò)。l 由以上分析可知,通過相敏檢波可得到一個(gè)幅值與由以上分析可知,通過相敏檢波可得到一個(gè)幅值與極性均隨調(diào)制信號(hào)的幅值與極性變化的信號(hào),從而使極性均隨調(diào)制信號(hào)的幅值與極性變化的信號(hào),從而使被測(cè)信號(hào)得到重現(xiàn)。換言之,對(duì)于具有極性或方向性被測(cè)信號(hào)得到重現(xiàn)。換言之,對(duì)于具有極性或方向性的被測(cè)量,經(jīng)調(diào)制以后要想正確地恢復(fù)原有的信號(hào)波的被測(cè)量,經(jīng)調(diào)制以后要想正確地恢復(fù)原有的信號(hào)波形,必須采用相敏檢波的方法。形,必須采用相敏檢波的方法。( )mxt( )mxt0( )u t( )mxt45舉例:動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀,其方框圖如圖舉例:動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀,其方框圖如圖4-18所示。所示

29、。4-18464.2.2 調(diào)頻及其解調(diào)調(diào)頻及其解調(diào)1. 測(cè)試信號(hào)的頻率調(diào)制測(cè)試信號(hào)的頻率調(diào)制l調(diào)頻,也稱為頻率調(diào)制,是利用調(diào)制信號(hào)的幅值控調(diào)頻,也稱為頻率調(diào)制,是利用調(diào)制信號(hào)的幅值控制高頻載波信號(hào)的頻率變化的過程。在調(diào)頻中載波制高頻載波信號(hào)的頻率變化的過程。在調(diào)頻中載波幅值不變,其頻率隨調(diào)制信號(hào)的幅值成比例變化。幅值不變,其頻率隨調(diào)制信號(hào)的幅值成比例變化。l設(shè)載波設(shè)載波y(t)=Acos(w0t),這里角頻率,這里角頻率w0為一常量。為一常量。如果保持振幅如果保持振幅A為常數(shù),讓載波瞬時(shí)角頻率為常數(shù),讓載波瞬時(shí)角頻率w(t)隨調(diào)制信號(hào)隨調(diào)制信號(hào)x(t)作線性變化,則作線性變化,則0d (t )

30、w(t )wkx(t )dtK比例因子(比例因子(4-23)47l于是調(diào)頻信號(hào)的總相角表達(dá)式為于是調(diào)頻信號(hào)的總相角表達(dá)式為 為積分常數(shù),表示一個(gè)初始相角。為積分常數(shù),表示一個(gè)初始相角。上式表示調(diào)頻信號(hào)的總相角與調(diào)制信號(hào)上式表示調(diào)頻信號(hào)的總相角與調(diào)制信號(hào)的積分成正比,而信號(hào)相位的任何變化均會(huì)引起的積分成正比,而信號(hào)相位的任何變化均會(huì)引起信號(hào)頻率的變化,這就是頻率調(diào)制的原理。信號(hào)頻率的變化,這就是頻率調(diào)制的原理。 此時(shí)調(diào)頻信號(hào)可以表示為此時(shí)調(diào)頻信號(hào)可以表示為 P138圖圖4-19是調(diào)制信號(hào)為三角波時(shí)的調(diào)頻信號(hào)是調(diào)制信號(hào)為三角波時(shí)的調(diào)頻信號(hào)波形。波形。 000(t )w(t )dtw tk x(t

31、)dt(4-24)00fx(t) Acos (t) Acoswt k x(t)dt(t )x(t )48舉例舉例:鋸齒波和正弦波的頻率調(diào)制如圖:鋸齒波和正弦波的頻率調(diào)制如圖4-15所示。所示。49l 4.3.1 概述概述l濾波器濾波器是一種是一種選頻裝置選頻裝置,可以使信號(hào)中特定的頻率,可以使信號(hào)中特定的頻率成分成分通過通過,而極大地,而極大地衰減衰減其它頻率成分。其它頻率成分。l濾波是信號(hào)處理的重要內(nèi)容。濾波是信號(hào)處理的重要內(nèi)容。l濾波器在自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制及電子測(cè)試儀器中被濾波器在自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制及電子測(cè)試儀器中被廣泛應(yīng)用。廣泛應(yīng)用。 4.3 濾波器濾波器50l根據(jù)根據(jù)濾波器濾波器的選頻

32、方式,一般將濾波器分為四類,的選頻方式,一般將濾波器分為四類,即,即,低通、高通、帶通、帶阻濾波器低通、高通、帶通、帶阻濾波器。l四種濾波器的四種濾波器的幅頻特性幅頻特性如圖如圖4-22所示。所示。4-225152l四種濾波器的特性之間是互相有四種濾波器的特性之間是互相有聯(lián)系聯(lián)系的的 是低通濾波器的特性,而高通濾波器的幅頻特是低通濾波器的特性,而高通濾波器的幅頻特性可以看作是性可以看作是 ,所以,可以用低通濾,所以,可以用低通濾波器作負(fù)反饋回路而獲得高通濾波器;波器作負(fù)反饋回路而獲得高通濾波器; 帶阻濾波器,是低通和高通的組合;帶阻濾波器,是低通和高通的組合; 帶通濾波器,可以用帶阻濾波器作負(fù)

33、反饋獲得。帶通濾波器,可以用帶阻濾波器作負(fù)反饋獲得。)(1fA)(1 )(12fAfA534.3.2 濾波器性能分析濾波器性能分析1. 理想濾波器理想濾波器理想濾波器是一個(gè)理想化的模型,在物理上理想濾波器是一個(gè)理想化的模型,在物理上是不能實(shí)現(xiàn)的。以最常用的低通濾波器為例。是不能實(shí)現(xiàn)的。以最常用的低通濾波器為例。理想低通濾波器特性如圖理想低通濾波器特性如圖4-23所示,它具有所示,它具有矩形幅頻特性和線性相頻特性。這種濾波器矩形幅頻特性和線性相頻特性。這種濾波器將低于某一頻率將低于某一頻率fc的所有信號(hào)予以傳送而無的所有信號(hào)予以傳送而無任何失真,將頻率高于任何失真,將頻率高于fc的信號(hào)全部衰減,

34、的信號(hào)全部衰減,稱為稱為fc截止頻率。該濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù):截止頻率。該濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù): 020( )0ccjf tfffA eH f 其它(-)圖圖-理想低通濾波器理想低通濾波器542.實(shí)際濾波器的特征參數(shù)實(shí)際濾波器的特征參數(shù) 理想帶通濾波器與實(shí)際理想帶通濾波器與實(shí)際帶通濾波器的幅頻特性帶通濾波器的幅頻特性如圖如圖4-24所示。理想帶所示。理想帶通濾波器,如圖通濾波器,如圖4-24虛虛線所示:線所示: 012( )( )0ccA fAfffA f其它-55l 從中可看出兩者的差別:對(duì)于理想濾波器來說,在兩從中可看出兩者的差別:對(duì)于理想濾波器來說,在兩截止頻率截止頻率 和和 之間的幅頻

35、特性為常數(shù)之間的幅頻特性為常數(shù)A0,截,截止頻率之外的幅頻特性均為。對(duì)于實(shí)際濾波器,其止頻率之外的幅頻特性均為。對(duì)于實(shí)際濾波器,其特性曲線無明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn),通帶中幅頻特性也并非常數(shù),特性曲線無明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn),通帶中幅頻特性也并非常數(shù),因此要用更多的參數(shù)來對(duì)它進(jìn)行描述。因此要用更多的參數(shù)來對(duì)它進(jìn)行描述。l 如,截止頻率、帶寬、紋波幅度、品質(zhì)因子以及倍頻如,截止頻率、帶寬、紋波幅度、品質(zhì)因子以及倍頻程選擇性等。程選擇性等。1cf2cf56 4.3 4.3 濾波器濾波器-57l dB(Decibel分貝分貝) 是一個(gè)純計(jì)數(shù)單位,本意是表示是一個(gè)純計(jì)數(shù)單位,本意是表示兩個(gè)量的比值大小,沒有單位。兩個(gè)量的比值大

36、小,沒有單位。dB = 20*lg(A/B)。此處此處A,B代表參與比較的功率值或者電流、電壓代表參與比較的功率值或者電流、電壓值等。值等。dB的意義其實(shí)再簡(jiǎn)單不過了,就是把一個(gè)的意義其實(shí)再簡(jiǎn)單不過了,就是把一個(gè)很大(后面跟一長(zhǎng)串很大(后面跟一長(zhǎng)串0的)或者很?。ㄇ懊嬗幸婚L(zhǎng)的)或者很?。ㄇ懊嬗幸婚L(zhǎng)串串0的)的數(shù)比較簡(jiǎn)短地表示出來。如(此處以功的)的數(shù)比較簡(jiǎn)短地表示出來。如(此處以功率為例):率為例): X = 100000 = 105 l X(dB) = 10*lg(X) dB= 10*lg(105) dB= 50 dB l X = 0.000000000000001 = 10-15 l X(

37、dB) = 10*log(X) dB= 10*log(10-15) dB= -150 dB 58594.3.3 實(shí)際濾波器性能分析實(shí)際濾波器性能分析lRC濾波器,電路簡(jiǎn)單、抗干濾波器,電路簡(jiǎn)單、抗干擾性強(qiáng)、低頻特性較好,并擾性強(qiáng)、低頻特性較好,并且選用標(biāo)準(zhǔn)元件也容易實(shí)現(xiàn)且選用標(biāo)準(zhǔn)元件也容易實(shí)現(xiàn),在測(cè)試系統(tǒng)中,經(jīng)常使用。在測(cè)試系統(tǒng)中,經(jīng)常使用。l一階一階RC低通濾波器的典型電低通濾波器的典型電路及其幅頻、相頻特性如圖路及其幅頻、相頻特性如圖4-25所示。所示。-60 4.3 4.3 濾波器濾波器211()1(/)()tan()12cccHfffffffRC (-)(-)調(diào)節(jié)可方便地改變截止頻率,

38、調(diào)節(jié)可方便地改變截止頻率,從而改變?yōu)V波器的帶寬。從而改變?yōu)V波器的帶寬。61lRC高通濾波器的典型電路及高通濾波器的典型電路及其幅頻、相頻特性如圖其幅頻、相頻特性如圖4-25所示。所示。4-256221(/)()1(/)()90tan()12ccccffHfffffffRC (-)(-)調(diào)節(jié)可方便地改變截止頻率,調(diào)節(jié)可方便地改變截止頻率,從而改變?yōu)V波器的帶寬。從而改變?yōu)V波器的帶寬。63RC帶通濾波器的數(shù)帶通濾波器的數(shù)學(xué)模型學(xué)模型帶通濾波器,可以看帶通濾波器,可以看作是低通濾波器和高作是低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)組成通濾波器串聯(lián)組成的。的。(4-34,35,36,37)21112121212112

39、2( )11( )1( )( )( )( )( )( )( )( )( )1212ccsH ssH ssH sH s HsA fA f Affffff高通濾波器:低通濾波器:帶通濾波器:幅頻特性:相頻特性:下截止頻率:上截止頻率:64說明說明 分別分別調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)高、低通環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)高、低通環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù) ,就可得到,就可得到不同的上、下截止頻率和帶寬的帶通濾波器;不同的上、下截止頻率和帶寬的帶通濾波器; 注意注意:消除前后兩級(jí)間的耦合影響、負(fù)載效應(yīng);必:消除前后兩級(jí)間的耦合影響、負(fù)載效應(yīng);必要時(shí),可采用射極輸出器或運(yùn)算放大器隔離;要時(shí),可采用射極輸出器或運(yùn)算放大器隔離; 實(shí)際的帶通濾波器常常是

40、實(shí)際的帶通濾波器常常是有源的有源的,有市售的集成電,有市售的集成電路可供選用。路可供選用。21,654.3.4 帶通濾波器在信號(hào)頻率分析中的應(yīng)用帶通濾波器在信號(hào)頻率分析中的應(yīng)用多路帶通濾波器并聯(lián)常用于信號(hào)的頻譜分析和信多路帶通濾波器并聯(lián)常用于信號(hào)的頻譜分析和信號(hào)中特定頻率成分的提取。為使各帶通濾波器的帶號(hào)中特定頻率成分的提取。為使各帶通濾波器的帶寬覆蓋整個(gè)分析的頻帶,它們的中心頻率能使相鄰寬覆蓋整個(gè)分析的頻帶,它們的中心頻率能使相鄰的帶寬恰好相互銜接,通常是使前一個(gè)濾波器的的帶寬恰好相互銜接,通常是使前一個(gè)濾波器的-dB上截止頻率高端等于后一個(gè)濾波器的上截止頻率高端等于后一個(gè)濾波器的-dB下下

41、截止頻率低端。濾波器組必須具有相同的放大倍數(shù)。截止頻率低端。濾波器組必須具有相同的放大倍數(shù)。兩類常見的帶通濾波器組:恒帶寬比濾波器和恒兩類常見的帶通濾波器組:恒帶寬比濾波器和恒帶寬濾波器。帶寬濾波器。661. 恒帶寬比濾波器恒帶寬比濾波器l采用相同采用相同 值的調(diào)諧濾波器做成的濾波器組,稱為恒值的調(diào)諧濾波器做成的濾波器組,稱為恒帶寬比濾波器。帶寬比濾波器。 中心頻率越高,帶寬越大。中心頻率越高,帶寬越大。 (4-34,35,36,37) Q20102100( 1)012(3 34)2(3 35)2,(3 3637)ic iic iinc ic iniiic ic iffBCffffffff f、67l圖圖4-33是兩種濾波器的特性對(duì)照,是兩種濾波器的特性對(duì)照, 4-3368例例.有一個(gè)有一個(gè)1/3倍頻程帶通濾波器,其中心頻率倍頻程帶通濾波器,其中心頻率 ,求上、下截止頻率。求上、下截止頻率。80nfHz69例例.試設(shè)計(jì)一個(gè)鄰接式的試設(shè)計(jì)一個(gè)鄰接式的1/3倍頻程譜分析裝置,其倍頻程譜分析裝置,其頻率覆蓋范圍為(頻率覆蓋范圍為(11Hz35Hz)求出其中心頻率)求出其中心頻率和帶寬。和帶寬。 702. 恒帶寬濾波器恒帶寬濾波器l對(duì)于一組恒帶寬比濾波器,其通頻帶在低頻段內(nèi)甚窄,對(duì)于一組恒帶寬比濾波器,其通頻帶在低頻段內(nèi)甚窄

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