測(cè)試信號(hào)的調(diào)理(調(diào)制與調(diào)節(jié))

第6章測(cè)試信號(hào)的調(diào)理及其記錄第一節(jié)概述第二節(jié)電橋第三節(jié)濾波器

第四節(jié)調(diào)制與解調(diào)第五節(jié)信號(hào)的顯示、記錄與存儲(chǔ)1第一節(jié)概述·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、記錄或分析儀器中去，需要進(jìn)一步放大，有的還要進(jìn)行阻抗變換。

·有些傳感器輸出電信號(hào)中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。

·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)量信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)處理。

變換與調(diào)理的目的：便于信號(hào)的傳輸與處理。

2第二節(jié)電橋

電橋：將電阻、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。

優(yōu)點(diǎn)：電路簡(jiǎn)單可靠，具有很高的精度和靈敏度。按激勵(lì)電源的類(lèi)型可分為：直流電橋交流電橋{按輸出方式分為：不平衡式電橋平衡式電橋{不平衡式電橋應(yīng)用更為廣泛。下面僅對(duì)不平衡式電橋加以介紹。3一、直流電橋

電橋的輸出電壓：

直流電橋的平衡條件：

4

電橋的連接形式：?jiǎn)伪垭姌颉霕蚺c全橋。

·單臂電橋：工作中只有一個(gè)橋臂電阻隨被測(cè)量的變化而變化。取電橋的輸出電壓：靈敏度：激勵(lì)電壓Ue不變5·半橋：工作中有兩個(gè)橋臂（一般為相鄰橋臂）的阻值隨被測(cè)量差動(dòng)變化。電橋的輸出電壓：靈敏度：6·全橋：工作中四個(gè)橋臂阻值都隨被測(cè)量而變化。電橋的輸出電壓：靈敏度：7電橋的和差特性：1）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)減小），所產(chǎn)生的輸出電壓的變化將相互抵消；

2）若相鄰兩橋臂電阻反相變化（即兩電阻一個(gè)增大一個(gè)減?。a(chǎn)生的輸出電壓的變化將相互迭加。

用懸臂梁做敏感元件測(cè)力時(shí)，常在梁的上下表面各貼一個(gè)應(yīng)變片，并將兩個(gè)應(yīng)變片接入電橋相鄰的兩個(gè)橋臂。8

用柱形梁做敏感元件測(cè)力時(shí)，常沿著圓周間隔90°縱向貼4個(gè)應(yīng)變片R1、R2、R3、R4作為工作片，與縱向應(yīng)變片相間，再橫向貼4個(gè)應(yīng)變片R5、R6、R7、R8用作溫度補(bǔ)償。9

例題：以阻值R=200Ω、靈敏度S=2的電阻絲應(yīng)變片與阻值為200Ω的固定電阻組成電橋，供橋電壓為5V，并假定負(fù)載電阻為無(wú)窮大，當(dāng)應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)?με和200με時(shí)，分別求單臂、雙臂電橋的輸出電壓，并比較兩種情況下的電橋靈敏度。解：?jiǎn)伪垭姌虻妮敵鲭妷?）當(dāng)應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)?με雙臂電橋的輸出電壓二、交流電橋

交流電橋采用交流電源激勵(lì)，電橋的四個(gè)臂可為電感、電容或電阻。如果交流電橋的阻抗、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，即交流電橋的平衡條件為

把各阻抗用指數(shù)式表示為

平衡條件：相對(duì)兩臂阻抗之模的乘積應(yīng)相等，并且它們的阻抗角之和也必須相等。11·電容電橋

平衡條件

要使電橋達(dá)到平衡，必須同時(shí)調(diào)節(jié)電阻與電容兩個(gè)參數(shù)，即調(diào)節(jié)電阻達(dá)到電阻平衡，調(diào)節(jié)電容達(dá)到電容平衡?！そ涣麟姌蛩膫€(gè)橋臂中有兩個(gè)相鄰橋臂采用純電阻元件，則另外兩個(gè)橋臂必須接入相同性質(zhì)的阻抗，例如都是電容或者都是電感。

·交流電橋四個(gè)橋臂中有兩個(gè)相對(duì)橋臂采用純電阻元件，則另外兩個(gè)橋臂必須接入不同性質(zhì)的阻抗，例如一臂是電容，另一臂是電感。

12·電感電橋

平衡條件

要使電橋達(dá)到平衡，必須同時(shí)調(diào)節(jié)電阻與電感兩個(gè)參數(shù)，即調(diào)節(jié)電阻達(dá)到電阻平衡，調(diào)節(jié)電感達(dá)到電感平衡。

13

對(duì)于純電阻交流電橋，即使各橋臂均為電阻，但由于導(dǎo)線間存在分布電容，相當(dāng)于在各橋臂上并聯(lián)了一個(gè)電容。為此，除了有電阻平衡外，還須有電容平衡。

電阻交流電橋的分布電容

具有電阻電容平衡的交流電阻電橋14·單臂電橋輸出電壓：靈敏度：·半橋輸出電壓：靈敏度：·全橋輸出電壓：靈敏度：15第三節(jié)濾波器

什么是濾波?

在通過(guò)傳感器獲得的信號(hào)中，常?；煜性S多其他頻率的干擾。由于這些干擾的存在，有時(shí)得不到正確的測(cè)量值，甚至有時(shí)有用的信號(hào)被淹沒(méi)在干擾噪聲中。為了突出有用信號(hào)，抑制噪聲干擾，我們就要對(duì)傳感器獲得的信號(hào)進(jìn)行濾波。

濾波的實(shí)質(zhì)就是對(duì)信號(hào)進(jìn)行頻率選擇，完成濾波功能的裝置稱(chēng)為濾波器。當(dāng)信號(hào)通過(guò)濾波器時(shí)，信號(hào)中某些頻率成分得以通過(guò)，其他頻率成分的信號(hào)受到衰減或抑制。信號(hào)通過(guò)濾波器的過(guò)程，就稱(chēng)為對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。16低通濾波器允許在其截止頻率以下的頻率成分通過(guò)而高于此頻率的頻率成分被衰減；高通濾波器只允許在其截止頻率之上的頻率成分通過(guò)；帶通濾波器只允許在其中心頻率附近一定范圍內(nèi)的頻率分量通過(guò)；帶阻濾波器可將選定頻帶上的頻率成分衰減掉。a）低通濾波器b）高通濾波器c）帶通濾波器d）帶阻濾波器

17二、理想濾波器特性

理想濾波器在通帶內(nèi)的幅頻特性應(yīng)為常數(shù)，相頻特性的斜率為常值；在通帶外的幅頻特性應(yīng)為零。

理想濾波器在工程實(shí)際中是不可能實(shí)現(xiàn)的。

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理想濾波器的單位脈沖響應(yīng)函數(shù)為：19

從理想濾波器的單位脈沖響應(yīng)圖形可以看出，在t=0時(shí)刻單位脈沖輸入濾波器之前，即在t＜0時(shí)，濾波器就已經(jīng)有響應(yīng)了。故理想濾波器是物理不可實(shí)現(xiàn)。20給理想濾波器一個(gè)單位階躍輸入則理想濾波器的輸出為sinc(λ)函數(shù)的積分不能用解析式表示，通常用表格或曲線的形式給出。21

輸出響應(yīng)從零值（a點(diǎn)）到穩(wěn)定值A(chǔ)0（b點(diǎn)）需要一定的建立時(shí)間Te=tb-ta。計(jì)算積分式有：

濾波器的通頻帶越寬，即fc越大，則響應(yīng)的建立時(shí)間Te越小，即圖中圖形越陡峭。22

這一結(jié)論對(duì)其它濾波器（高通、帶通、帶阻）也適用。

另一方面，濾波器的帶寬表示著它的頻率分辨力，通帶越窄則分辨力越高。因此，濾波器的高分辨能力和測(cè)量時(shí)快速響應(yīng)的要求是相互矛盾的。當(dāng)采用濾波器從信號(hào)中選取某一頻率成分時(shí)，就需要有足夠的時(shí)間。如果建立時(shí)間不夠，就會(huì)產(chǎn)生虛假的結(jié)果，而過(guò)長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間也是沒(méi)有必要的。一般采用BTe=5～10。23三、實(shí)際濾波器

理想濾波器的特性只需用截止頻率描述，而實(shí)際濾波器的特性曲線無(wú)明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，兩截止頻率之間的幅頻特性也非常數(shù)，故需用更多參數(shù)來(lái)描述。實(shí)際濾波器的主要特性參數(shù)：（1）截止頻率fc:幅頻特性值等于所對(duì)應(yīng)的頻率。（-3dB截止頻率）24

（2）紋波幅度d：實(shí)際濾波器在通頻帶內(nèi)可能出現(xiàn)紋波變化。其波動(dòng)幅度d與幅頻特性的穩(wěn)定值A(chǔ)0相比，越小越好，一般應(yīng)遠(yuǎn)小于-3dB。即

（4）品質(zhì)因數(shù)Q:中心頻率fn和帶寬B之比為帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q。Q值越大，表明濾波器頻率分辨力越高。帶通濾波器的中心頻率定義為

（3）帶寬B：上下兩截頻間的頻率范圍稱(chēng)為帶寬（-3dB帶寬）。帶寬表示濾波器的分辨能力，即濾波器分離信號(hào)中相鄰頻率成分的能力。25

（5）倍頻程選擇性W:在兩截止頻率外側(cè)，實(shí)際濾波器有一個(gè)過(guò)渡帶，這個(gè)過(guò)渡帶的幅頻曲線傾斜程度表明了幅頻特性衰減的快慢，它決定著濾波器對(duì)帶寬外頻率成分衰阻的能力。通常用倍頻程選擇性來(lái)表征。所謂倍頻程選擇性，是指在上截止頻率與之間，或者在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。

倍頻程衰減量以dB/oct表示（octave，倍頻程）。顯然，衰減越快（即W值越?。?，濾波器的選擇性越好。對(duì)于遠(yuǎn)離截止頻率的衰減率也可用10倍頻程衰減數(shù)表示之。即（dB／10oct）。或26

（6）矩形系數(shù)λ：濾波器選擇性的另一種方法，是用濾波器幅頻特性值為-60dB處的帶寬B-60dB與-3dB處的帶寬B-3dB的比值表示，即

對(duì)理想濾波器有λ=1。對(duì)普通使用的濾波器，一般為1～5。27

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(lái)說(shuō)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。（1）RC低通濾波器

2.RC調(diào)諧式濾波器

28幅頻特性和相頻特性29▲當(dāng)時(shí)，，近似于一條通過(guò)原點(diǎn)的直線。此時(shí)，RC低通濾波器是一個(gè)不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)?！?dāng)時(shí)，，即RC低通濾波器的截止頻率為▲當(dāng)，，輸出uy與輸入ux的積分成正比，即：30（2）RC高通濾波器

電路的微分方程式令τ=RC，稱(chēng)時(shí)間常數(shù)。傳遞函數(shù)和頻率響應(yīng)函數(shù)幅頻特性和相頻特性31▲當(dāng)時(shí)，，，RC低通濾波器是一個(gè)不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)?！?dāng)時(shí)，，即RC高通濾波器的截止頻率為▲當(dāng)，，輸出uy與輸入ux的積分成正比，即：32（3）RC帶通濾波器帶通濾波器可以看作低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián)。傳遞函數(shù)和頻率響應(yīng)函數(shù)幅頻特性和相頻特性33▲當(dāng)時(shí)，，RC低通濾波器是一個(gè)不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)?！?dāng)時(shí)，，即RC帶通濾波器的下、上截止頻率為▲當(dāng)，，信號(hào)完全被阻擋，不能通過(guò)。34第四節(jié)調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)目的：解決微弱緩變信號(hào)的放大以及信號(hào)的傳輸問(wèn)題。

調(diào)制是指利用某種低頻信號(hào)來(lái)控制或改變一高頻振蕩信號(hào)的某個(gè)參數(shù)（幅值、頻率或相位）的過(guò)程。在這里，高頻振蕩信號(hào)被稱(chēng)為載波，控制高頻振蕩的低頻信號(hào)被稱(chēng)為調(diào)制信號(hào)，調(diào)制后的高頻振蕩信號(hào)為已調(diào)制信號(hào)。

解調(diào)是指從已調(diào)制信號(hào)中恢復(fù)出原低頻調(diào)制信號(hào)的過(guò)程。調(diào)制與解調(diào)是一對(duì)相反的信號(hào)變換過(guò)程，在工程上經(jīng)常結(jié)合在一起使用。35調(diào)制的種類(lèi)：調(diào)制信號(hào)x(t)載波信號(hào)a)幅度調(diào)制(AM)b)頻率調(diào)制(FM)c)相位調(diào)制(PM)36

調(diào)幅是將一個(gè)高頻正弦信號(hào)（或稱(chēng)載波）與測(cè)試信號(hào)相乘，使載波信號(hào)幅值隨測(cè)試信號(hào)的變化而變化。一、幅度調(diào)制與解調(diào)

調(diào)幅過(guò)程就相當(dāng)于頻率“搬移”過(guò)程。·調(diào)幅37·解調(diào)

解調(diào)就是把調(diào)幅波xm(t)

再次與載波y(t)信號(hào)相乘，則頻域圖形將再一次進(jìn)行“搬移”

用低通濾波器濾除高頻成分，將可以復(fù)現(xiàn)原信號(hào)的頻譜（只是幅值減半），這一過(guò)程稱(chēng)為“同步解調(diào)”。與原頻譜的區(qū)別在于幅值為原來(lái)的一半，這可以通過(guò)放大來(lái)補(bǔ)償。3839

解調(diào)方法：整流檢波和相敏檢波。整流檢波：若把調(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)。這種方法又稱(chēng)作包絡(luò)分析。

若所加的偏置電壓未能使信號(hào)電壓都為正，則用簡(jiǎn)單的整流方法就不能恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)，這時(shí)需要采用相敏檢波的方法。40相敏檢波器由四個(gè)特性相同的二極管D1～D4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A和B的次級(jí)線圈上，變壓器A的輸入信號(hào)為調(diào)幅波xm(t)，B的輸入信號(hào)為載波y(t)，uf(t)為輸出。相敏檢波器是一種能根據(jù)調(diào)幅波和載波的相位差來(lái)判別調(diào)制信號(hào)極性的解調(diào)器，它適合對(duì)各種類(lèi)型的調(diào)幅波進(jìn)行解調(diào)。設(shè)計(jì)相敏檢波器時(shí)要求變壓器B的二次邊輸出遠(yuǎn)大于變壓器A的二次邊輸出，即y(t)>>xm(t)。這時(shí)，二極管的導(dǎo)通與截止全由參考電壓y(t)決定。相敏檢波41＋

－

1）xm(t)>0，y(t)>0，二極管D1、D2導(dǎo)通,在負(fù)載上形成兩個(gè)電流回路：

回路1：f-g-e-1-b-D2-c-3-f（藍(lán)色）回路2：4-a-D1-b-1-e-g-f-4（紅色）總輸出為：＋

－

＋

＋

＋

＋

＋

－

－

－

－

－

42

總結(jié)：在x(t)>0時(shí)，無(wú)論調(diào)制波xm(t)的極性是否為正，相敏檢波器的輸出波形均為正，即在0～t1時(shí)間內(nèi)對(duì)xm(t)進(jìn)行全波整流，故解調(diào)后的頻率比原調(diào)制波的頻率高一倍