測(cè)試技術(shù)第4章

第四章信號(hào)調(diào)理信號(hào)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

4.5信號(hào)的顯示與記錄

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?lì)電壓為直流電壓E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若電阻R1可變，變化量為ΔR，則有：電橋輸出：a.半橋單臂R+ΔREUyABCDRRR半橋單臂電橋當(dāng)R>>ΔR時(shí)，有可看出Uy與ΔR約成線性關(guān)系若電阻R2也可變，變化量為-

ΔR，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+ΔRR-ΔRRR半橋雙臂電橋同理，若R3和R4也有變化，變化量分別為+ΔR和–ΔR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+ΔRR-ΔRR+ΔRR-ΔR電橋電橋練習(xí)4.1：有一金屬電阻應(yīng)變片，其靈敏度S=2.5，R=120Ω，設(shè)工作時(shí)其應(yīng)變?yōu)?200e-6，問ΔR是多少？若組成半橋單臂電橋，激勵(lì)電壓為2V，問輸出電壓是多少？練習(xí)4.2一個(gè)直流應(yīng)變電橋圖1a所示，已知R1=R2=R3=R4=R=100Ω,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ΔR1/R=1/100時(shí)，則輸出電壓為多少？2）若要測(cè)量圖1b所示懸臂梁的受力F,四個(gè)臂全部為應(yīng)變片，請(qǐng)?jiān)诹荷蠘?biāo)出R1、R2、R3、R4應(yīng)變片粘貼的位置。電橋返回圖1a圖1bR1R2R3R4EU0F4.1.2交流電橋激勵(lì)電壓為交流電壓，橋臂采用電感或電容。電橋接電感時(shí)的阻抗：接電容時(shí)的阻抗：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Z01~Z04為各阻抗的模為阻抗角電橋例：如圖所示交流電橋的平衡式阻抗：R2、R3若令實(shí)部和虛部分別相等，則有：R1R3=R2R4電橋euy問題：下圖的輸出電橋正方向調(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(hào)常是一些緩變的電信號(hào)，為便于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，調(diào)制就是要解決微弱緩變信號(hào)的放大以及信號(hào)的傳輸問題。b.調(diào)制：使信號(hào)的某些參數(shù)（如幅值）在另一信號(hào)的控制下發(fā)生變化的過程。調(diào)制有調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）和調(diào)相（PM）三種。c.調(diào)制信號(hào)：控制另一信號(hào)（載波）參數(shù)變化的信號(hào)。調(diào)制信號(hào)是原信號(hào)。d.載波：被控制的信號(hào)，一般是較高頻率的交變信號(hào)。載波信號(hào)是外加信號(hào)。a)幅值調(diào)制(AM)c)相位調(diào)制(PM)b)頻率調(diào)制(FM)調(diào)制與解調(diào)調(diào)制信號(hào)x(t)載波信號(hào)e.調(diào)幅信號(hào)、調(diào)頻信號(hào)、調(diào)相信號(hào)：被調(diào)制后的信號(hào)。f.解調(diào)：從已調(diào)制波中恢復(fù)出調(diào)制信號(hào)的過程。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)制與解調(diào)乘法電路采用場(chǎng)效應(yīng)管源漏極之間的溝道電阻rDS作為輸入電阻的參量控制式乘法運(yùn)算電路，可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)輸入信號(hào)Ux和Uy的乘積。由于1／rDS與柵源極電壓UGS(即UX)之間有著良好的線性關(guān)系，即UGS=UX=K／rDS，其中K為比例系數(shù)，則電路輸出UO為:調(diào)制與解調(diào)除法電路若由傅立葉變換特性知：所以則調(diào)制與解調(diào)為函數(shù)左移f0和右移f0

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(hào)是低頻信號(hào)，調(diào)制后的信號(hào)是高頻信號(hào)b.調(diào)幅時(shí)，調(diào)制信號(hào)和載波信號(hào)是相乘，不是疊加。采用乘法器實(shí)現(xiàn)相乘。如電橋就可做一個(gè)乘法器，激勵(lì)電壓作為載波信號(hào)。調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)調(diào)幅電路舉例：調(diào)制與解調(diào)該全波調(diào)幅電路由兩個(gè)半波調(diào)幅電路組成。在載波信號(hào)Uc為高電平的半周期內(nèi)，VF1導(dǎo)通，VF2截止，A點(diǎn)電位等于輸入端電位，同時(shí)由于VF4導(dǎo)通，VF3截止，B點(diǎn)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(diǎn)電位等于輸入端電位，A點(diǎn)接地，于是uo=uab=-ui。上述調(diào)制過程所對(duì)應(yīng)的信號(hào)波形如圖b所示。a.同步解調(diào)調(diào)制與解調(diào)2)幅值解調(diào)方法調(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(hào)成分濾去，則得到幅值降為一半的原始信號(hào)。問題1：為什么叫同步解調(diào)？將信號(hào)x(t)直接與載波y(t)相乘得x(m)，解調(diào)時(shí)必須再乘于與x(m)相位相同的y(t)方能復(fù)原出原信號(hào)，故稱同步解調(diào)．問題2：調(diào)制時(shí)重疊失真解決方法：f0>fmax其中fmax為調(diào)制信號(hào)所有子成分的最高頻率通常f0>>fmax調(diào)制與解調(diào)b.整流檢波：將調(diào)幅波進(jìn)行整流，再濾波半波整流元件：二極管得到幅值為正的信號(hào)調(diào)制與解調(diào)再濾除高頻成分2）采用相敏檢波解決方法：1）調(diào)制前對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行偏置，即疊加一個(gè)直流分量，使偏置后的信號(hào)都為正電壓。要求：偏置電壓A足夠大。特點(diǎn)：當(dāng)x(t)<0時(shí)，調(diào)幅波與載波反相，即相位相差180°，載波為正（負(fù)）電壓時(shí)，調(diào)幅波為負(fù)（正）電壓。問題3：過調(diào)失真調(diào)制與解調(diào)b.相敏檢波調(diào)制與解調(diào)辨相原理：調(diào)制與解調(diào)練習(xí)4.3EUyABCDR+ΔRRRR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)?000cos10t（με），激勵(lì)電壓E=2cos100t（V），求輸出電壓uy的頻譜？若激勵(lì)電壓為2cos5t（V），將產(chǎn)生什么問題？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(hào)的幅值成線性變化。調(diào)制與解調(diào)1)直接調(diào)頻測(cè)量電路把被測(cè)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(cè)物理量如LC諧振電路諧振頻率調(diào)制與解調(diào)LC并聯(lián)諧振電路諧振圓頻率則對(duì)于某一個(gè)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)2)壓控振蕩器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?。?.當(dāng)u0小到負(fù)值的時(shí)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(shí)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3)鑒頻器（用于調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)）變壓器耦合的諧振回路鑒頻法調(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)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3.理想濾波器理想濾波器是指能使通帶內(nèi)信號(hào)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(cè)試的條件，可得理想濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)：濾波器4.實(shí)際濾波器在實(shí)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(gè)過渡帶。

濾波器分貝計(jì)算式：10lgX1)紋波幅度d：波動(dòng)幅度d與幅頻特性平均值A(chǔ)0相比應(yīng)小于-3dB。2)截止頻率fc:幅頻特性值等于0.707A0（-3dB）所對(duì)應(yīng)的頻率．

3)帶寬B：上下兩截頻間的頻率范圍稱為帶寬恒帶寬濾波器B=fc2-fc1

恒帶寬比濾波器B=fc1（2n-1)濾波器4)中心頻率f0：

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)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(gè)倍頻程時(shí)的衰減量。7)濾波器因素λ:-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5無源RC濾波器

在測(cè)試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因?yàn)檫@一領(lǐng)域中信號(hào)頻率相對(duì)來說不高。而RC濾波器電路簡(jiǎn)單，抗干擾強(qiáng)，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

濾波器為一階系統(tǒng)，時(shí)間常數(shù)濾波器濾波器練習(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（με），激勵(lì)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？濾波器2)一階RC高通濾波器

濾波器上截止頻率幅值：濾波器3)RC帶通濾波器可以簡(jiǎn)單看作為低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián)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(jí)串聯(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。濾波器4.有源濾波器1)有源低通濾波器a)濾波器上截止頻率濾波器2)有源高通濾波器一階有源高通濾波器濾波器二階有源高通濾波器濾波器3)有源帶通濾波器濾波器4恒帶寬、恒帶寬比濾波器

實(shí)際濾波器頻率通帶通常是可調(diào)的，根據(jù)實(shí)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）濾波器1倍頻程濾波器濾波器5濾波器的應(yīng)用案例：機(jī)床軸心軌跡的濾波處理濾波器濾除信號(hào)中的高頻噪聲，以便于觀察軸心運(yùn)動(dòng)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(hào)微弱，需要用放大電路放大2.對(duì)放大器的要求1）足夠的放大倍數(shù)2）高輸入阻抗因?yàn)閭鞲衅鞯妮敵鑫⑷?，放大器的輸入阻抗高，則輸入的電壓較大3）低輸出阻抗使輸出的電壓大放大器4）高共模抑制能力（共模信號(hào)：大小相等，相位相同的信號(hào)）5）低溫漂、低噪聲等。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(gè)量程。如12位的A/D轉(zhuǎn)換器，參考電壓-5~+5V，共有212=4096個(gè)數(shù)字編碼，能分辨的最小電壓為10/4096≈2.5mV，則進(jìn)行電壓幅值調(diào)理，使全部電壓值處于-5~5V之間，并在此基礎(chǔ)上盡量提高電壓值，以提高分辨力。放大器3.運(yùn)算放大器-+R1R2uiu0Rf1）反相放大器u1-+R1R2uiu0Rfii1輸入阻抗低放大器放大倍數(shù)，通常Rf較大，R1較小u1-+R1R2uiu0Rfi2i1i2）同相放大器輸入阻抗高放大器放大倍數(shù)3）差分放大器u1-+R1R2ui2u0Rfi2i1R3ui1-+R1ui1u01Rf=+放大器u1-+R1R2ui2u02RfR3放大器當(dāng)R2=R1，R3=Rf時(shí)，差模增益為：當(dāng)只有共模信號(hào)輸入時(shí)，即ui2=ui1，u0=0共模增益為0共模抑制比（差模增益與共模增益之比）為無窮大共模抑制性好放大器1）差模增益可調(diào)的差動(dòng)放大器u1-+R1ui2u0RfRfu