測試技術(shù)第4章課件

1、信號調(diào)理處理與分析4.1 電橋4.2 調(diào)制與解調(diào) 本章主要內(nèi)容4.3 濾波器 4.4 放大器 信4.1 電橋4.2 調(diào)制與解調(diào) 本章主要內(nèi)容4.3 電橋4.1 電橋4.1.1 直流電橋電橋用途：將電阻、電感、電容的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷夯螂娏鬏敵黾铍妷簽橹绷麟妷篍電4.1 電橋4.1.1 直流電橋電橋用途：將電阻、電感電橋若要使Ubd=0，則要使R1R3=R2R4（直流電橋平衡條件） 一般令R1=R2=R3=R4=R電若要使Ubd=0，則要使R1R3=R2R4（直流電橋平衡條若電阻R1可變，變化量為R，則有：電橋輸出：a. 半橋單臂R+REUyABCDRRR半橋單臂電橋當(dāng)RR時，有 可看出Uy與R約

2、成線性關(guān)系若電阻R1可變，變化量為R，則有：電橋輸出：a. 半橋單臂若電阻R2也可變，變化量為 - R，則有：電橋輸出：這種情況稱為半橋雙臂，靈敏度為半橋單臂的兩倍b. 半橋雙臂EUyABCDR + RR - RRR半橋雙臂電橋若電阻R2也可變，變化量為 - R，則有：電橋輸出：這種情同理，若R3和R4也有變化，變化量分別為+ R和 R電橋輸出：這種情況稱為全橋，靈敏度為半橋雙臂的兩倍c. 全橋全橋EUyABCDR + RR - RR + RR - R電橋同理，若R3和R4也有變化，變化量分別為+ R和 R半橋和 全橋的電阻阻值變化特點對角的兩個橋臂的阻值變化相同；不同對角橋臂的阻值變化大小相

3、等，方向相反電橋半橋和 全橋的電阻阻值變化特點電電橋練習(xí)4.1：有一金屬電阻應(yīng)變片，其靈敏度S=2.5，R =120，設(shè)工作時其應(yīng)變?yōu)?200e-6 ， 問R是多少？ 若組成半橋單臂電橋，激勵電壓為2V，問輸出電壓是多少？電練習(xí)4.1：有一金屬電阻應(yīng)變片，其靈敏度S=2.5，R =練習(xí)4.2 一個直流應(yīng)變電橋圖1a所示，已知R1=R2=R3=R4=R=100, E=4V。求：1）若R1為工作應(yīng)變片，其余為外接電阻，且R1受力后變化R1/R=1/100時，則輸出電壓為多少？2）若要測量圖1b所示懸臂梁的受力F, 四個臂全部為應(yīng)變片，請在梁上標(biāo)出R1、R2、R3、R4應(yīng)變片粘貼的位置。電橋返回圖1

4、a圖1bR1R2R4R3EU0F練習(xí)4.2 一個直流應(yīng)變電橋圖1a所示，已知R1=R2=R4.1.2 交流電橋激勵電壓為交流電壓，橋臂采用電感或電容。 電橋接電感時的阻抗：接電容時的阻抗：4.1.2 交流電橋激勵電壓為交流電壓，橋臂采用電感或電容原理：與直流電橋類似，若各橋臂無變化，則輸出電壓Uy=0的平衡關(guān)系式為：Z1Z3=Z2Z4 則平衡條件Z01Z04為各阻抗的模 為阻抗角 電橋原理：與直流電橋類似，若各橋臂無變化，則輸出電壓Uy=0的平例：如圖所示交流電橋的平衡式阻抗： R2、R3 若令實部和虛部分別相等，則有： R1R3=R2R4電橋例：如圖所示交流電橋的平衡式阻抗： R2、R3 若

5、令實部和虛eu0問題：下圖的輸出電橋正方向eu0問題：下圖的輸出電正方向調(diào)制與解調(diào)4.2 調(diào)制與解調(diào) a. 調(diào)制的目的：傳感器得到的信號常是一些微弱且緩變的電信號，這種信號不便于遠距離傳輸，通過調(diào)制，使信號變成較強的高頻信號，以便傳輸。b. 調(diào)制：使信號的某些參數(shù)（如幅值）在另一信號的控制下發(fā)生變化的過程。調(diào)制有調(diào)幅（AM）、調(diào)頻0（FM）和調(diào)相（PM）三種。c. 調(diào)制信號：控制另一信號（載波）參數(shù)變化的信號。調(diào)制信號是原信號。d. 載波：被控制的信號，一般是較高頻率的交變信號。載波信號是外加信號。調(diào)4.2 調(diào)制與解調(diào) a. 調(diào)制的目的：傳感器得到的信號a) 幅值調(diào)制(AM)c) 相位調(diào)制(P

6、M)b) 頻率調(diào)制(FM)調(diào)制與解調(diào)調(diào)制信號x(t)載波信號e. 調(diào)幅信號、調(diào)頻信號、調(diào)相信號：已調(diào)制的信號。f. 解調(diào)：從已調(diào)制信號中恢復(fù)出調(diào)制信號的過程。a) 幅值調(diào)制(AM)c) 相位調(diào)制(PM)b) 頻率調(diào)制(調(diào)制與解調(diào)4.2.1 調(diào)幅及解調(diào)1) 調(diào)幅原理調(diào)4.2.1 調(diào)幅及解調(diào)1) 調(diào)幅原理調(diào)制與解調(diào)參量控制式乘法運算電路參量控制式乘法運算電路：采用場效應(yīng)管源漏極之間的溝道電阻rDS作為輸入電阻，可實現(xiàn)兩個輸入信號Ux和Uy的乘積。由于1rDS與柵源極電壓UGS(即UX)之間有著良好的線性關(guān)系，即UGS=UX=KrDS，其中K為比例系數(shù)，則電路輸出UO為:乘法器舉例1：調(diào)參量控制式乘

7、法運算電路參量控制式乘法運算電路：采用場效應(yīng)管調(diào)制與解調(diào)乘法器舉例2：調(diào)乘法器舉例2：調(diào)制與解調(diào)該全波調(diào)幅電路由兩個半波調(diào)幅電路組成。在載波信號Uc為高電平的半周期內(nèi)，VF1導(dǎo)通，VF2截止，A點電位等于輸入端電位，同時由于VF4導(dǎo)通，VF3截止，B點接地，則輸出電壓uo=uab=ui;在Uc的另半周期內(nèi)，情況正好與上述相反，B點電位等于輸入端電位，A點接地，于是uo=uab=-ui。上述調(diào)制過程所對應(yīng)的信號波形如圖b所示。調(diào)該全波調(diào)幅電路由兩個半波調(diào)幅電路組成。在載波信號Uc為高電調(diào)制與解調(diào)除法運算電路調(diào)除法運算電路若由傅立葉變換特性知：所以則：調(diào)制與解調(diào)調(diào)幅信號的頻譜：若由傅立葉變換特性知

8、：所以則：調(diào)調(diào)幅信號的頻譜：為函數(shù)左移函數(shù)的卷積特性得：由調(diào)制與解調(diào)注意：a. 調(diào)制前的信號是低頻信號，調(diào)制后的信號是高頻信號b. 調(diào)幅時，調(diào)制信號和載波信號是相乘，不是疊加。采用乘法器實現(xiàn)相乘。f0和右移f0為函數(shù)左移函數(shù)的卷積特性得：由調(diào)注意：f0和右移f0調(diào)制與解調(diào)調(diào)方法一： 同步解調(diào)調(diào)制與解調(diào)2) 幅值解調(diào)方法方法一： 同步解調(diào)調(diào)2) 幅值解調(diào)方法調(diào)制與解調(diào)調(diào)調(diào)制與解調(diào)乘法器濾波器再用低通濾波器將中心頻率為2f0的高頻信號成分濾去，則得到幅值降為一半的原始信號。調(diào)乘法器濾波器再用低通濾波器將中心頻率為2f0的高頻信號成分問題1：為什么叫同步解調(diào)？將信號x(t)直接與載波y(t)相乘得x

9、(m)，解調(diào)時必須再乘于與x(m)相位相同的y (t) 方能復(fù)原出原信號，故稱同步解調(diào)調(diào)制與解調(diào)同步解調(diào)方法存在的問題：問題1：為什么叫同步解調(diào)？調(diào)同步解調(diào)方法存在的問題：問題2：調(diào)制時重疊失真解決方法：f0fmax 其中：fmax為調(diào)制信號所有子成分中最高的頻率通常f0fmax調(diào)制與解調(diào)問題2：調(diào)制時重疊失真解決方法：f0fmax 通常f0方法二：整流檢波 a.將調(diào)幅信號整流；b.對整流后的信號低通濾波半波整流元件：二極管得到幅值為正的信號調(diào)制與解調(diào)再濾除高頻成分方法二：整流檢波半波整流元件：二極管得到幅值為正的信號調(diào)再濾特點：當(dāng)x(t)0時，調(diào)幅波與載波反相，即相位相差180，載波為正（負(fù)

10、）電壓時，調(diào)幅波為負(fù)（正）電壓。問題1：過調(diào)失真調(diào)制與解調(diào)整流檢波方法存在的問題：特點：當(dāng)x(t)0時，調(diào)幅波與載波反相，即相位相差180解決方法：1）調(diào)制前對調(diào)制信號進行偏置，即疊加一個直流分量，使偏置后的信號都為正電壓。要求：偏置電壓A足夠大。2）采用相敏檢波調(diào)制與解調(diào)解決方法：調(diào)方法三：相敏檢波調(diào)制與解調(diào)辨相原理：方法三：相敏檢波調(diào)辨相原理：調(diào)制與解調(diào)EUyABCDR+RRRR練習(xí)4.3 有一金屬電阻應(yīng)變片，其靈敏度S=2.5，組成半橋單臂電橋，設(shè)應(yīng)變?yōu)?0-3(cos2t+cos10t) ，激勵電壓E=2cos100t（V），求輸出電壓uy的頻譜？若激勵電壓為2cos5t（V），將產(chǎn)生

11、什么問題？調(diào)EUyABCDR+RRRR練習(xí)4.3 有一金屬電阻應(yīng)變4.2.2 調(diào)頻及其解調(diào)調(diào)頻：使載波頻率與調(diào)制信號的幅值成線性變化。調(diào)制與解調(diào)4.2.2 調(diào)頻及其解調(diào)調(diào)頻：使載波頻率與調(diào)制信號的幅1) 直接調(diào)頻測量電路把被測物理量的變化直接轉(zhuǎn)換為諧振頻率的變化調(diào)制與解調(diào)被測物理量如 LC并聯(lián)諧振電路1) 直接調(diào)頻測量電路調(diào)被測物理量如 LC并聯(lián)諧振電路諧振頻率： 調(diào)制與解調(diào)諧振圓頻率：靈敏度： 諧振頻率： 調(diào)諧振圓頻率：靈敏度： 則對于某一個電容值C0，LC電路頻率的變化與電容變化關(guān)系為： LC電路頻率為 調(diào)制與解調(diào)則對于某一個電容值C0，LC電路頻率的變化與電容變化關(guān)系為：2) 壓控振蕩器

12、 1. 若u0輸出正電壓，則A2輸出正電壓，受穩(wěn)壓管Dz鉗制為+u01，二極管D不 導(dǎo)通，輸入電壓u1作為積分電路A1的輸入，使u0逐漸變小；2. 當(dāng)u0小到負(fù)值的時候，A2的輸出為負(fù)，受穩(wěn)壓管Dz鉗制為-u01，二極管D導(dǎo)通，積分電路A1的輸入為負(fù)值，輸出u0逐漸增大；3. 當(dāng)u0增大到正值的時候，A2的輸出為正，轉(zhuǎn)1；4. 因此，u0輸出一方波，其振蕩頻率由輸入電壓u1決定。調(diào)制與解調(diào)A1：積分放大器A2：同相放大器2) 壓控振蕩器 1. 若u0輸出正電壓，則A2輸出正電壓，3) 鑒頻器（用于調(diào)頻信號的解調(diào)）變壓器耦合的諧振回路鑒頻法調(diào)制與解調(diào)3) 鑒頻器（用于調(diào)頻信號的解調(diào)）變壓器耦合的

13、諧振回路鑒頻法鑒頻器的電壓頻率特性曲線利用特性曲線中亞諧振區(qū)近似直線的一段，從而使幅值與頻率保持線性關(guān)系亞諧振區(qū)調(diào)制與解調(diào)鑒頻器的電壓頻率特性曲線利用特性曲線中亞諧振區(qū)近似直線的一濾波器第三節(jié) 濾波器1. 濾波器的用途：濾波器為選頻裝置，只允許特定的頻率成分 通過（濾除干擾躁聲）。2. 濾波器分類低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器濾第三節(jié) 濾波器1. 濾波器的用途：濾波器為選頻裝置，3. 理想濾波器理想濾波器是指能使通帶內(nèi)信號的幅值和相位都不失真，阻帶內(nèi)的頻率成分都衰減為零的濾波器。又根據(jù)不失真測試的條件，可得理想濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)：濾波器3. 理想濾波器理想濾波器是指能使通帶內(nèi)信號的

14、幅值和相位都不4. 實際濾波器 在實際濾波器的幅頻特性圖中通帶和阻帶間應(yīng)沒有嚴(yán)格的界限，存在一個過渡帶。 濾波器分貝計算式：10lgX4. 實際濾波器 在實際濾波器的幅頻特性圖中通帶和阻帶間應(yīng)沒1)紋波幅度d ：波動幅度d與幅頻特性平均值A(chǔ)0相比應(yīng)小于-3dB。參數(shù)x的分貝表示：2)截止頻率fc :幅頻特性值等于0.707A0（-3dB）所對應(yīng)的頻率。上截止頻率fc2，下截止頻率fc1.3)帶寬B：上下兩截止頻率之差稱為帶寬 恒帶寬濾波器 B=fc2-fc1 恒帶寬比濾波器 B=(2n-1)fc1濾波器1)紋波幅度d ：波動幅度d與幅頻特性平均值A(chǔ)0相比應(yīng)小于-5)品質(zhì)因數(shù)Q：中心頻率和帶寬之

15、比稱為品質(zhì)因數(shù) 6)倍頻程選擇性W：指在上截止頻率fc2與 2fc2之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個倍頻程時的衰減量。7)濾波器因素: -60dB帶寬與-3dB帶寬的比值（衰減量分別為-60dB和-3dB）。與倍頻程選擇性類似濾波器4)中心頻率f0定義一：定義二：5)品質(zhì)因數(shù)Q：中心頻率和帶寬之比稱為品質(zhì)因數(shù) 濾4)中心頻5 無源RC濾波器 在測試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因為這一領(lǐng)域中信號頻率相對來說不高。而RC濾波器電路簡單，抗干擾強，有較好的低頻性能，并且可選用標(biāo)準(zhǔn)阻容元件 。 1) 一階RC低通濾波器 濾波器5 無源RC濾波器 在測試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因為這為一階系統(tǒng)，時間常數(shù)

16、濾波器為一階系統(tǒng)，時間常數(shù)濾濾波器練習(xí)4.4有一金屬電阻應(yīng)變片，其靈敏度S=2.5，組成半橋單臂電橋，設(shè)應(yīng)變?yōu)?.2cos10t（） ，激勵電壓E=5cos100t（V）。若采用整流檢波和無源RC低通濾波，問濾波電路的電阻電容值的限制條件？濾練習(xí)4.4有一金屬電阻應(yīng)變片，其靈敏度S=2.5，組成半橋濾波器2) 一階RC高通濾波器 濾2) 一階RC高通濾波器 濾波器上截止頻率幅值：濾上截止頻率幅值：濾波器3) RC帶通濾波器 可以簡單看作為低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián)濾3) RC帶通濾波器 可以簡單看作為低通濾波器和高通濾波器濾波器無源RC濾波器存在問題：倍頻程選擇特性差（即衰減慢），采用多級串

17、聯(lián)的方式可加速衰減，但又引起負(fù)載效應(yīng)和相位增大的問題。濾無源RC濾波器存在問題：濾波器4. 有源濾波器1) 有源低通濾波器濾波器1：濾4. 有源濾波器1) 有源低通濾波器濾波器1：濾波器上截止頻率濾上截止頻率濾波器濾波器2：濾濾波器2：濾波器二階有源高通濾波器2) 有源高通濾波器一階有源高通濾波器濾二階有源高通濾波器2) 有源高通濾波器一階有源高通濾波器濾波器3) 有源帶通濾波器濾3) 有源帶通濾波器濾波器4 恒帶寬、恒帶寬比濾波器 實際濾波器頻率通帶通常是可調(diào)的，根據(jù)實際濾波器中心頻率與帶寬之問的數(shù)值關(guān)系，可以分為兩種。1) 恒帶寬帶通濾波器 濾4 恒帶寬、恒帶寬比濾波器 實際濾波器頻率通帶

18、通常是可濾波器2) 恒帶寬比帶通濾波器 （倍頻程濾波器） n：倍頻程數(shù) （稱為n倍頻程濾波器，若n=1/3，則稱為1/3倍頻程濾波器）濾2) 恒帶寬比帶通濾波器 （倍頻程濾波器） n：倍頻程數(shù) 濾波器1倍頻程濾波器濾1倍頻程濾波器濾波器濾除信號中的高頻噪聲，以便于觀察軸心運動規(guī)律返回濾濾除信號中的高頻噪聲，以便于觀察軸心運動規(guī)律返回放大器第四節(jié) 放大器 放大器的作用 傳感器的輸出信號微弱，需要用放大電路放大2. 對放大器的要求1）足夠的放大倍數(shù)2）高輸入阻抗 因為放大器的輸入阻抗是測量電路的負(fù)載，放大器的輸入阻抗高，則測量電路的輸出電壓較大。放第四節(jié) 放大器 放大器的作用放大器3）低輸出阻抗

19、因為放大器的輸出阻抗是負(fù)載電路的內(nèi)阻，輸出阻抗小，則負(fù)載的輸出電壓大。4）高共模抑制能力 Ad：差模增益；Ac：共模增益； 共模抑制比(common-mode rejection ratio, CMRR )： k=Ad/Ac 5）低溫漂、低噪聲等。放3）低輸出阻抗放大器3. 放大倍數(shù)的確定 使電壓幅值盡量充滿A/D轉(zhuǎn)換器的整個量程。 如12位的A/D轉(zhuǎn)換器，參考電壓 - 5 + 5V，共有212=4096個數(shù)字編碼，能分辨的最小電壓為10/40962.5mV。設(shè)計放大器的放大倍數(shù)時，應(yīng)使量程電壓值處于-55V之間，盡量使測量上下限電壓為-5V和+5V。以提高分辨力。放3. 放大倍數(shù)的確定放大器3. 運算放大器-+R1R2uiu0Rf1）反相放大器反相放大器的輸入阻抗為R1，輸出阻抗為0放3. 運算放大器-+R1R2uiu0Rf1）反相放大器反相放大器放大倍數(shù)，通常Rf較大，R1較小u1-+R1R2uiu0Rfii1放放大倍數(shù)，通常Rf較大，R1較小u1-+R1R2uiu0R放大器u1-+R1R2uiu0Rfi2i1i2）同相放大器輸入阻抗，輸出阻抗0放大倍數(shù)放u1-+R1R2uiu0Rfi2i1i2）同相放大器輸入阻放大器3）差分放大器u1-