測試技術與信號處理(第五章 信號的變換和記錄) 合工大工程碩士課件

第五章

信號的變換和記錄第一節(jié)電

橋第二節(jié)濾波器第三節(jié)調制與解調第四節(jié)信號的記錄第一節(jié)電

橋

被測量經傳感器轉換成的電信號，通常需要進行某些變換（調理）和處理，以便提高信噪比，并把信號轉換成更便于處理、接收和顯示的形式，最終轉換為儀表示值，或被記錄，或輸入計算機、控制裝置，或供人觀察。

電橋是一種常用的轉換電路，通過它可以將電阻、電感或電容等參數的變化轉換為電壓的輸出。電橋有四個橋臂，可以由傳感器中的電阻、電容或電感元件與固定電阻(或其他電抗)組成。供橋電源電壓為直流電壓時，稱直流電橋；供橋電源電壓為交流電壓時，稱交流電橋。

電橋的工作方式有偏差工作方式和調零工作方式。動態(tài)測試大多使用偏差工作方式。電橋電路簡單可靠，且能達到高精度和高靈敏度，所以應用廣泛。一、直流電橋

普通的電橋線路是由環(huán)形的四個橋臂電阻所組成，如圖所示。電阻R1，R2，R3和R4稱為橋臂；四個橋臂的連接點稱為頂點；兩個相對頂點A，C上接直流電源Us，另兩個頂點B，D上引出導線作為電橋的輸出端Uo。

當直流電橋的一個臂或幾個橋臂由微變化電阻式傳感器構成時，直流電橋的輸出電壓與電阻傳感器的微電阻變化量ΔR有關，由此可以通過直流電橋的輸出電壓推知微電阻傳感器的應變信號。第一節(jié)電

橋1．平衡電橋

設直流電橋的電源電壓恒定；輸出端所接負載內阻極大，即可看成開路，其輸出電壓為：

由上式可見：若R1R3＝R2R4，則輸出電壓必為零，此時電橋處于平衡狀態(tài)，稱為平衡電橋。平衡條件為

R1R3＝R2R4

如果此時四個橋臂中有一個以上的橋臂電阻發(fā)生變化，那么此時的平衡狀態(tài)就被打破，輸出的電壓Uo就反映了橋臂電阻的變化情況。2．非平衡電橋(1)單臂工作電橋（半橋單臂）以橋臂電阻Rl作為工作臂，設R2=R3=R4=R0，Rl＝R0+ΔR，其中Ro為一常數，則輸出電壓為:若電橋用于微電阻變化測量，有ΔR遠小于R0，則第一節(jié)電

橋(2)雙臂工作電橋（半橋雙臂）

兩個鄰邊橋臂有相同的微電阻變化，如電阻Rl有變化Ro+ΔR，R2有變化Ro-ΔR，這樣的電橋也稱為差動電橋。同樣可導出公式：(3)四臂工作電橋（全橋四臂）

四個橋臂均有相同的微電阻變化，且電阻變化以差動方式增大或減小，滿足以下關系R1＝R2＝R3＝R4＝Ro，ΔRl＝ΔR3＝ΔR，ΔR2＝ΔR4＝-ΔR；其輸出電壓為：因此可見，測量臂的數量增加，使得輸出也會增加。3電橋靈敏度和非線性誤差1）電橋靈敏度：

在電橋電路中靈敏度定義為

它將ΔR／R0作為輸入，而不是僅把ΔR當作輸入。由此可以求得上述各種電橋的靈敏度分別為S1＝1／4Uo；S2＝1/2Uo；S4＝Uo

。2)非線性誤差

單測量臂的電橋由于在分母上有2ΔR項，使輸出電壓的變化與電阻的變化具有非線性誤差，在精密測量中要考慮這個非線性誤差的影響。

第一節(jié)電

橋4電橋調零工作方式（零位測量法）

上述電橋是在不平衡條件下工作的，它的缺點是當電源電壓不穩(wěn)定，或者環(huán)境溫度有變化時，都會引起電橋輸出的變化，從而產生測量誤差。為此，在某些情況下采用平衡電橋，如下圖。

設被測量等于零時，電橋處于平衡狀態(tài)，此時指示儀表G及可調電位器H指零。當某一橋臂隨被測量變化時，電橋失去平衡。調節(jié)電位器H，改變電阻R5觸點位置，可使電橋重新平衡，電表G指針回零。電位器H上的標度與橋臂電阻值的變化成比例，故H的指示值可以直接表達被測量的數值。這種測量法的特點是在讀數時電表G始終指零，因此為“零位測量法”。

由于平衡電橋最終的輸出為零，因此測量誤差取決于可調電位器的精確度，而與電橋電源電壓無關。一般靜態(tài)應變儀往體采用這種平衡電橋，并以手功實現(xiàn)平衡。在電子電位差計或x—Y記錄儀中，通常是以伺服電動機來調整電位器的位量，實現(xiàn)自動調平衡。第一節(jié)電

橋二、交流電橋1．交流電橋的平衡條件

如圖所示為交流電橋。它采用交流電壓供電，四個橋臂可以是電感L、電容C或者電阻R，均用阻抗符號Z表示。

根據對直流電橋的討論可以寫出：

當ZIZ3—Z2Z4＝0時，電橋輸出為零，達到平衡這時有：ZIZ3=Z2Z4Z是復數，可以寫成：電橋平衡應有：可以表示為

上式為交流電橋的平衡條件，相對橋臂模的乘積相等，相對橋臂幅角之和相等。為滿足上述平衡條件，交流電橋各臂可有不同的組合。常用的電容、電感電橋，其相鄰兩臂按入電阻(例如Z2=R2；Z3=R3；φ2=φ3=0)，而另外兩個橋臂接入相同性質的阻抗，例如都是電容或者都是電感，保持φ1=φ4。第一節(jié)電

橋

下圖是一種常用電容電橋，兩相鄰橋臂為純電阻R2、R3，另外相鄰兩臂為電容C1、C4。此時R1、R4可視為電容介質損耗的等效電阻。根據平衡條件，有：今上式的實數和虛數部分分別相等，則有下面兩個平衡條件，即由此可知，耍使電橋達到平衡，必須同時調節(jié)電阻與電容兩個參數，即調節(jié)電阻達到電阻平衡，調節(jié)電容達到電容平衡。下圖是一種常用電感電橋，兩相鄰橋臂為電感L1、L4與電阻R2、R3，根據電橋平衡條件應為2．交流電橋的平衡調節(jié)

交流電橋平衡調節(jié)比直流電橋的平衡調節(jié)要復雜好多，即使對于純電阻交流電橋，并非只是考慮電阻的平衡，由于導線間存在分布電容，相當于各個橋臂上并聯(lián)了一個電容，因此在調節(jié)平衡時，除了考慮阻抗的模的平衡條件，還要考慮阻抗角的平衡條件。對于交流電橋的平衡，常常需要反復調節(jié)多次，才能夠使電阻、電抗同時達到平衡。第一節(jié)電

橋三、應用實例

第一節(jié)電

橋應用實例第一節(jié)電

橋應用實例例3

供橋電壓為3v，并以阻值R＝120Ω，靈敏度S＝2的應變片和阻值為120Ω的固定電阻組成電橋。假定負載電阻為無窮大，當應變片的應變?yōu)?με和2000με時，分別求出單臂、雙臂電橋的輸出電壓，并比較兩種情況下的靈敏度。第五章第二節(jié)濾波器

濾波器是一種選頻裝置，其基本作用是選頻，即允許信號中某些頻率成分通過，其他的頻率成分受到抑制。測試信號大多已經轉化為電信號，因此濾波器應用較多的形式是各種電路。

對于濾波器，信號能夠通過它的頻率范圍稱之為頻率通帶；被它抑制或者極度衰減掉的信號頻率范圍稱之為頻率阻帶；通帶與阻帶的交界點稱之為截止頻率。一、濾波器的分類

濾波器按照能夠通過的頻率范圍可以分為四類。它們分別是低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。它們的幅頻特性見下圖。

圖中，低通濾波器允許信號低頻通過而抑制信號高頻部分；高通濾波器正好相反高頻信號通過，低頻信號被抑制；帶通濾波器允許信號中某段頻率成分通過而抑制其余頻率成分；與之相反，帶阻濾波器抑制信號中某段頻率成分而允許其余頻率成分通過。第二節(jié)濾波器

濾波器還有其它不同分類方法，例如，

根據構成濾波器的元件類型，可分為RC、LC或晶體諧振濾波器；

根據構成濾波器的電路性質，可分為有源濾波器和無源濾波器；

也可根據濾波器所處理的信號性質，分為模擬濾波器與數字濾波器等等。二、理想濾波器

理想濾波器在通帶頻段內應滿足不失真條件，即幅頻特性為常數，相頻特性是頻率的線性函數。在阻帶頻段幅頻特性應該等于零。系統(tǒng)頻響函數可以描述為：其幅頻、相頻特性分別為：它對單位脈沖信號輸入的響應：其圖形如圖所示。第二節(jié)濾波器

各種理想濾波器在截止頻率點上的幅頻特性轉折非常尖銳、陡峭，描述它的指標有截止頻率fc和帶寬B，B＝fc2-fc1。

把—個單位階躍信號U(t)，如圖

(a)所示，輸入到一個理想濾波器，根據第三章的分析可知，其輸出在時域就是理想濾波器的單位脈沖響應h(t)如圖

(b)與單位階躍信號U(t)的卷積，如圖

(c)。

在圖(c)中，如果定義由最小到最大值所需的時間為上升時間τd，則表示為

此處的fc是這一低通濾波器的上截止頻率，它的大小代表了這一低通濾波器的工作頻帶的寬度B。所以可以得到一個結論：濾波器的上升時間與截止頻率(帶寬)成反比。這一結論對其他類型的濾波器也適用。第二節(jié)濾波器三、實際濾波器的描述

實際濾波器不可能同時得到理想的不變幅度和理想的相位特性，但可以做到對理想濾波器的足夠逼近，以滿足實際測量的需要。1實際濾波器的基本參數1）紋波幅度d

濾波器頂部幅值的波動量，稱為紋波幅度，幅頻特性平均值為A0。d／A0越小越好，至少應小于-3dB，即：2）截止頻率

幅頻特性值A0

下降到0.707A0時，所對應的頻率為截止頻率fc，也稱“負三分貝頻率(-3dB)”。圖中fc1，fc2分別為上下截止頻率。3）帶寬和品質因素

上下截止頻率之間的頻率范圍稱為濾波器帶寬，因為所以fc2—fc1也稱“負三分貝帶寬”，標以B-3dB。把中心頻率fn和帶寬B之比稱為帶通濾波器的品質因素，以Q表示式中，fn為中心頻率，4）倍頻程選擇性

倍頻程選擇性是描述對帶寬外頻率成份衰減的能力，是以2fc2或者1/2fc1的分貝數來表征。其絕對值越大衰減越快，濾波器選擇性越好。第二節(jié)濾波器2實際濾波器的基本特性1)一階RC低通濾波器

RC低通濾波器的典型電路如圖所示。

設濾波器的輸入信號電壓ux，輸出信號電壓為uy，電路的微分力程式為：

令τ=Rc，稱時間常數。對上式進行拉氏變換，可得傳遞函數：濾波器的頻率響應函數為：它的幅頻特性和相頻特性分別為：幅頻、相頻特性如圖所示。第二節(jié)濾波器2)一階RC高通濾波器下圖表示RC高通濾波器。

設輸入信號電壓為ux，輸出信號電壓為uy，則微分方程式為同理，令τ=Rc，稱時間常數。則傳遞函數為頻率響應、幅頻特性和相頻特性分別為幅頻、相頻特性如圖所示。第二節(jié)濾波器3）RC帶通濾波器

帶通濾波器可以看成是低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)組成。幅頻特性和相頻特性分別為：

串聯(lián)所得的帶通濾波器以原高通的截止頻率為下截止頻率，即相應地其上截止頻率為原低通的截止頻率，即第二節(jié)濾波器四

應用實例第五章

第三節(jié)調制與解調

在信號的測試過程中，被測信號多為緩變信號。直接放大處理這樣的信號會遇到放大器的漂移和外界低頻的干擾。因此，在實際測量中，往往先將緩變信號等價的變成具有較高頻率的交變信號，然后進行放大處理，再從高頻交變信號中將緩變信號提取出來。

緩變信號變成高頻交變信號的過程稱為調制，調制也可以稱用被測緩變信號對一個標準高頻振蕩進行控制的過程；被測信號稱為調制信號；標準高頻振蕩稱為載波；經過被測信號調制后的載波稱為已調制波。調制信號控制高頻振蕩幅值的調制稱幅值調制；調制信號控制高頻振蕩頻率的調制稱頻率調制；調制信號控制高頻振蕩相位的調制稱相位調制。這里主要介紹常用的幅值調制和頻率調制。

解調是從已調制波中不失真地恢復原來緩變信號的過程。一、幅值調制

幅值調制是使載波信號的幅值隨調制信號的變化而線性變化，其調制信號、載波及已調制波如圖所示。

幅值調制是高頻交變載波信號與被測調制信號在時域上進行乘法運算。交流電橋是常用的幅值調制器。第三節(jié)調制與解調

交流電橋的幅值調制如圖所示。

若其四個橋臂均為純電阻，經過適當調整阻值后電橋達到平衡。此時，如果其中某—橋臂阻值發(fā)生變化使電橋失去平衡而形成的電壓輸出為：電源電壓為高頻正弦波，即：如果輸入信號引起的電阻變化也是一個正弦變化，有：則電橋輸出電壓信號為：

其波形變化規(guī)律可以看出已調制波的幅值是由調制信號對高頻載波施加控制的結果。由于載波的幅值恒定，所以已調波的幅值與調制信號的幅值成正比；己調波的相位與調制信號的符號相關，在調制信號為正值時，己調制波與載波同相位，調制信號為負值時，已調制波與載波的相位相反。己調制波中包含有調制信號的方向信息。第三節(jié)調制與解調二、幅值調制的解調

幅值調制的解調過程是將已調制波恢復為原低頻調制信號的過程。實現(xiàn)這一過程有如下幾種方法。1．整流檢波解調

這種方法在時域上信號流程如圖所示。

被測信號即調制信號，在進行幅值調制前先加上一直流偏置，使調制信號不再具有雙向極性，然后與載波信號相乘得到已調制波。在解調時只需要對已調制波作整流和檢波，最后去掉施加的直流偏置，即可得到原調制信號了。

這種方法雖然可以恢復原來低頻信號，但在調制解調過程中有一個加、減直流的過程，因為在實際工作中要使某一直流本身穩(wěn)定，并且使兩個直流完全相同很難實現(xiàn)。這樣就會導致原來的波形與解調后的波形在幅值上可能成比例，但是在分界正負極性的零點上產生漂移，從而在分辨原來的信號正負極性上存在誤差。第三節(jié)調制與解調2．相敏解調

相敏檢波解調器能夠將已調制波在幅值和極性上完全恢復調制信號。環(huán)形相敏解調器是幅值解調中最常用的一種。其電路原理如圖所示。

橋式電路由四個特性完全一致的二極管組成、橋路的兩個對角線端口通過兩個耦合變壓器分別輸入已調制波ey和具有與載波信號相同參數的電壓μ，并且u≥ey

。由上述可知，當調制信號ΔR處于正半周時，已調制波與載波同相，而當調制波ΔR處于負半周時，已調制波與載波相位相反。相敏檢波就是利用已調制波與載波這種同相與反相關系來鑒別調制波ΔR的正負極性的。

已調制波從變壓器Bl參考電壓由變壓器B2分別輸入到相敏檢波器、使u≥ey，O1、O2為變壓器B1，B2的中心抽頭，RL為負載，比如為指針式儀表。根據晶體管的工作原理分析，晶體二極管兩端所施加的電壓如果負端低于正端0.7v，該二極管導通；不滿足此條件，該二極管就截止。第三節(jié)調制與解調

若已調制波與載波同相，見圖(a)所示。

當同為正半周時，四個二極管只有Dl、D4正偏導通，電路中的電流由兩個回路流通，—是沿c—D4一a—OI—RL一O2回路流動的電流i4，在該回路中起作用的電勢為(u/2-ey/2)；另一回路O2一RL一Ol一a—D1—d流動的電流形成該電流的電勢為(u/2+ey/2)。i1和i4在RL上的方向相反，在RL上流過的電流為iL=i1-i4，流動方向為從右到左，起作用的電勢為

同理，當調制信號和載波同為負半周時，二極管D3，D2處于導通狀態(tài)，同樣可以分析出負載RL上的總電流iL與上述情況完全相同，電流的方向也是從右到左的，見圖(b)所示。

如果調制信號與載波信號相位相反，則無論是正半周，還是負半周，由上述可以分析出，所得結果與上述分析相同時的結果完全相反。負載RL上流過的電流方向總是從左到右的。

第三節(jié)調制與解調

如果在負載RL兩端取電壓輸出，其波形為相敏解調波形，如圖所示。

因此相敏解調后的時域波形外包絡線就是原調制信號；即還需要經過低通濾波器使其中高頻信號濾除，才真正得到原來測量信號。4．應用電路

幅值調制與解調技術在工程上的應用有很多，動態(tài)電阻應變儀就是利用交流電橋作調幅、利用相敏檢波解調的測試電路。如圖所示為Y6D—2動態(tài)應變儀的工作原理框圖。

交流電橋由振蕩器供給高頻等幅正弦激勵電壓作為載波信號。被測對象其變形用應變片來獲取。應變片將變形量轉換成電阻的變化，即構成交流電橋一個橋臂的變化。當無應變時，交流電橋呈現(xiàn)平衡狀態(tài)；當有應變時，應變片構成的橋臂電阻發(fā)生變化，使電橋失去平衡，從而造成電壓輸出，即輸出電壓為已調制波，再經過放大器放大，相敏檢波解調和濾波，最終由記錄儀器顯示原調制信號，這樣被測對象的應變情況包括應變的幅值和正負極性都能準確無誤地展現(xiàn)出來。第三節(jié)調制與解調三、頻率調制與解調

頻率調制是用低頻調制信號控制高頻載波信號頻率的過程。調頻過程中載波的幅值保持不變，僅僅載波頻率隨調制信號的幅值成正比地改變。所以調頻波就是一個隨調制信號變化的疏密不等的等幅波。如圖所示。

當調制信號幅值增加時，調頻波的頻率隨著增加；當調制信號幅值下降時，調頻波的頻率也隨著下降。

雖然調頻的作用也是實現(xiàn)頻移，但是調頻較之調幅主要的優(yōu)越性是它的抗干擾能力較強。因為噪聲干擾會直接影響信號的幅值，這樣調頻波對于施加振幅變化影響的噪聲就不是那么敏感了，所以調頻系統(tǒng)的信噪比要比調幅系統(tǒng)大為改善，同時便于遠距離傳輸，容易采用數字技術與后續(xù)設備相銜接，與調幅相比有更多的優(yōu)點。1頻率調制器及工作原理

頻率調制最普通的方法是將傳感器輸出的電壓信號輸入到—個電壓/頻率變換器，變換器的輸出就是一個進行了頻率調制的已調制波。第三節(jié)調制與解調

下圖是利用電抗元件(電容或者電感)組成的調諧振蕩器。

將電抗元件作為傳感器，將傳感器獲取的被測信號作為調制信號，將振蕩器原有的振蕩信號作為載波。當調制信號輸入時，振蕩器的輸出就是被頻率調制的己調制波。圖為一個LC振蕩器，該回路中LC兩端如果沒有衰減的話，應按Asinω0t作簡諧振蕩變化的，其振蕩頻率為:

此信號為調頻器的載波信號。若C0為一個電容傳感器，當測試被測物理量時，傳感器的電容值產生一個隨被測物理量變化的附加電容變化量ΔC，此時諧振回路的電容變?yōu)镃0+ΔC，其振蕩頻率變?yōu)?/p>

可見，當被測物理量變化引起振蕩回路中電容變化時，振蕩回路的圓頻率也隨著有一個變化Δω0；所以振蕩器的圓頻率受被測物理量的控制，這就是調頻過程。如下圖，是一個調頻過程中的時域波形。調制信號就是電容量的變化為一簡諧信號，以ω0為圓頻率的高頻振蕩信號為載波信號。已調制波的圓頻率隨著輸入信號的變化而增加或者減少Δω，形成疏密變化的己調制波。第三節(jié)調制與解調2．調頻波的解調

頻率調制后的解調電路常常稱為鑒頻器，其作用是將已調制波的頻率變化轉換成電壓的變化，即恢復出被測信號的波形。

通常鑒頻器由線形變換電路和幅值檢波器構成，如下圖所示。其工作原理基于諧振回路的頻率特性，已調頻波ef經過LI、L2耦合，加于由L2、C2組成的諧振回路上，在回路的諧振頻率ωn處，線圈L1、L2中的耦合電流最大，副邊輸出電壓也最大。通常利用諧振回路曲線近似直線的一段來工作，將調頻時的載波頻率設置在直線工作段的中點，在有頻率偏差Δω時，就在ω0附近工作，如圖所示Δω是一個正弦波，則叫ω0±Δω所對應的線形變換輸出為一頻率為ω0±Δω、幅值為隨這些頻率變化對應的諧振曲線上的各值，所以e0就是—個既有頻率變化，又有幅值變化的調頻調幅波。由于在特性曲線的直線段工作，所以e0的幅值變化與Δω變化成線形關系。

后續(xù)的幅值檢波電路是最常見的整流濾波部分，它將調頻調幅波變換成只剩下它的包絡線的電壓變化波形，它與原始的頻率偏差信號Δω即被測量對應的ΔC信號在幅值變化上是完全一致的，即恢復了原來的信號。

第五章

第四節(jié)信號的記錄

記錄儀器是測試系統(tǒng)的輸出設備。從使用觀察的角度出發(fā)，常用的記錄儀器可分為顯式記錄僅和隱式記錄儀。顯示記錄僅能夠提供可見的信號圖形，但不便于分析和長期保存；隱式記錄儀所記錄的信號。有利于長期保存，特別是能夠與計算機相結合，對信號進行重現(xiàn)和分析是十分方便和快捷的，但缺點是不能提供可見的信號圖形，如果觀察信號需借助其他電子設備再現(xiàn)。一、記錄儀器的作用和分類

記錄儀器用于記錄反映被測信號變化過程的輸出設備。它是測試系統(tǒng)中不可缺少的環(huán)節(jié)，它所起的作用可歸納為兩個主要方面：

(1)測試系統(tǒng)所獲取的信號，并使之變成人們能夠直接觀察的圖形；(2)保存測試系統(tǒng)所獲取的信號，并使之能夠借助其他儀器進行分析和重放。

記錄儀器的性能指標在測試系統(tǒng)中具有重要意義。例如，當記錄儀器的工作頻率范圍比較窄時，測試系統(tǒng)其他各部分的頻率范圍再寬也發(fā)揮不出應有的作用。再如，當記錄儀器的精度比較低時，選用高精度的傳感器和測試系統(tǒng)也只能是一個浪費。

用于測試系統(tǒng)的輸出設備有顯示儀器和記錄儀器兩類，這里僅介紹記錄儀器。常用的記錄儀器有兩種，即顯式記錄儀和隱式記錄儀。第四節(jié)信號的記錄

（1）顯式記錄儀器包括有各種直寫式記錄儀、光線示波器等。它們還可分為電位計式(以電壓信號形式進行記錄)和檢流計式(以電流信號形式進行記錄)。顯式記錄儀的輸出結果，能夠立即或者經適當后續(xù)處理，在記錄介質(如紙帶、感光紙等)上觀察到所測信號的變化情況。（2）隱式記錄儀所記錄的信號不能在記錄介質上直接觀察到，需要通過其他儀器設備才能顯示出來，如磁帶記錄儀。隱式記錄儀器所記錄的信號可以方便地進行變換和頻譜分析等，還可以方便地通過計算機對信號進行再處理，從而獲得所測信號攜帶的多種信息。

特別是近代控制技術和計算機技術的飛速發(fā)展，為實現(xiàn)對各種機械設備的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷，要求記錄介質容量十分大，顯式記錄儀器所用的記錄介質(如紙帶、感光紙等)不能滿足這種要求。而以磁帶或磁盤等作為記錄介質的隱式記錄儀器正適應了機電技術的發(fā)展要求，因此，在最近幾年來得到了迅速發(fā)展。

另外根據所提供信號的取值情況可分為模擬信號記錄儀器和數字信號記錄儀器；根據輸入信號的數量可以有單參數記錄儀器、雙參數函數關系記錄儀器(如X—y函數記錄儀)和多維函數關系記錄儀器(如瀑布圖、坎貝爾圖的繪制等)，不過，多維函數記錄在記錄儀器結構實現(xiàn)上仍是兩維參數的記錄與繪制。第四節(jié)信號的記錄二、記錄儀器的基本組成

記錄儀器的最基本組成部分是記錄頭和記錄介質。記錄頭的作用是將被記錄信號幅值通過機械的，光學的，磁的或其他形式的運動作用于記錄介質上，記錄介質與記錄頭的作用配合，在記錄介質上留下印跡，以便觀測或重放。記錄介質可以是紙，感光帶，磁帶等。

除了基本部分外，記錄儀器還需配以許多必要的輔助部分，如記錄介質的驅動部分、光路系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等，以使記錄儀器能相互協(xié)調地工作。三、顯式記錄儀器它是將被記錄信號繪制成人眼可見圖形的記錄儀器。主要有電位計式記錄儀和檢流計式記錄儀兩種，它們記錄的是已轉化成電壓或電流幅值變化的波形。1、電位計式記錄儀器

它用來記錄己轉化成電壓的信號。最常用的電位計式記錄儀器有電子電位差記錄儀、自動平衡電橋記錄儀和兩維記錄的X—Y函數記錄儀等。它們基本上都是采用閉環(huán)零位平衡系統(tǒng)的伺服記錄儀。一維電位計式記錄儀的原理結構如圖所示。第四節(jié)信號的記錄X-y函數記錄儀是一維電位計式記錄儀的擴展，如圖所示。

無論是一維電位計式記錄儀，還是x-Y函數記錄儀，它們都是記錄模擬電壓信號的記錄儀。2、檢流計式記錄儀

檢流計式記錄儀是用來記錄已轉換成電流的信號的。實際測試中使用的檢流計式記錄儀有筆式記錄儀和光線示波器等。這種記錄儀的測量部分相當于一個磁電式檢流計，用放在磁場中的線圈上的載流導線受的力來驅動記錄頭。記錄頭的劃寫部分有筆式、光束式、噴射式等，以及新發(fā)屁起來的熱筆式等類型；與之相配合的記錄介質有記錄紙、感光紙或膠卷、感熱生色記錄紙等類型。1）筆式記錄儀

下圖是筆式記錄儀記錄部分的原理結構圖。有一線圈置于磁場中間，當線圈通過被記錄的電流信號后，因受到電磁力矩的作用而使線圈產生偏轉，記錄筆移動一定距離。游絲1產生與轉角成正比的彈性恢復力矩，與作為主動力矩的電磁力矩相平衡，所以記錄筆移動的距離與出入的電流大小成正比。記錄紙作均勻走紙運動時，記錄筆在記錄紙上就繪出轉換成電流的信號的波形。第四節(jié)信號的記錄2）光線示波器

光線示波器是利用被記錄的電流信號控制光束偏移在感光紙上記錄信號的。根據其記錄部分的結構形式．可分為動團式和動磁式兩種；根據其記錄介質類型可分為顯、定影記錄式和直接記錄式兩種。前者的記錄帶是感光膠片，必須經過顯影、定影后才能顯示出記錄曲線；后者是使用特殊的記錄紙帶，這種紙帶僅對紫外線敏感而對其他波長的光線不敏感，紫外線光束在其上劃寫出波形后，還須經陽光或熒光燈作二次曝光后才能顯示出所記錄的波形。目前應用較廣是動圈式的紫外線光源直接記錄儀。

第四節(jié)信號的記錄四、磁帶記錄儀

各種顯式記錄儀雖然能夠直觀地記錄信號，提供各種記錄圖像，但它們有一個共同的缺點，就是無法再用其他的電子儀器進行分析和再現(xiàn)。磁帶記錄儀為克服這一缺點提供了有效途徑。

磁帶記錄儀是一種隱式記錄儀器，它是通過對鐵磁性材料的磁化進行記錄的儀器。由子它的一系列優(yōu)點，使其發(fā)展極為迅速，而且日益廣泛地在各種領域被利用?，F(xiàn)在已成為近代測試和信號分析中所必不可少的儀器。

磁帶記錄儀的特點有如下幾個方面：

(1)磁帶記錄儀可將被記錄信號長期保存，多次重放，以電信號輸出，便于顯式記錄儀重現(xiàn)，便于與計算機或其他信號分析儀器聯(lián)機使用。便于后續(xù)信號的分析和處理。

(2)能變換信號的時基，實現(xiàn)信號的時間壓縮或擴展。它可以實現(xiàn)重放和記錄時的速度不同，將信號頻率進行變換，有利于對信號(如瞬態(tài)或緩變過程)的分析研究。

(3)存儲信息密度大，還可作多通道同時記錄，可保證信號間的時間和相位關系。(4)工作頗帶很寬，可從直流到幾兆赫范圍。

(5)動態(tài)范圍較大，可達70dB以上。(6)存儲信息的穩(wěn)定性高，對環(huán)境(如溫度、溫度變化)不敏感，而且抗干擾能力強。