測試技術第四章 信號調(diào)理與記錄

第四章信號調(diào)理與記錄4.0變換及調(diào)理的目的4.1電橋

4.2信號的調(diào)制解調(diào)4.3信號的濾波器▼

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4.0變換與調(diào)理的目的便于信號的傳輸與處理。

1.傳感器輸出的電信號很微弱，大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需要進一步放大，有的還要進行阻抗變換。

2.有些傳感器輸出的電信號中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。3.某些場合，為便于信號的遠距離傳輸，需要對傳感器測量信進行調(diào)制解調(diào)處理。將電阻R(應變片)、電感L、電容C等電參數(shù)變?yōu)殡妷害或電流ΔI信號后輸出的一種測量電路。

a、c兩端接電源Ui，稱供橋端；b、d兩端接輸出電壓Uo，稱輸出端。4.1電橋電橋根據(jù)橋臂阻抗性質(zhì)的不同為:

電阻電橋電容電橋電感電橋根據(jù)供橋電源分為:直流電橋:采用直流電源——只用于測量電阻R的變化

交流電橋：采用交流電源——測量電阻R

、電容C、電感L的變化電橋1.電橋的分類直流電橋VR1R3R2R42.直流電橋采用直流電源的電橋稱為直流電橋四個橋臂由電阻R1、R2、R3和R4組成。電橋的輸出：平衡的條件：R1·R3=R2·R4VR1R3R2R4推導

溫敏電阻直流電橋平衡條件直流電橋R1＋R

Uo＋U

U

VR3R2R4平衡的條件：R1·R3=R2·R4電橋的輸出：這時，電橋平衡嗎？R1＋R半橋單臂連接。為了簡化設計，R2=R3=R4=R0，而R1=R0+R直流電橋電橋的靈敏度定義為R1＋R

Uo＋U

U

單片

單臂半橋R1R3R2R4

雙臂半橋R1R3R2R4

全橋R1R3R2R4

半橋、單臂輸出

全橋、四臂輸出

半橋、雙臂輸出

四片

兩片

單臂半橋R1R3R2R4

雙臂半橋R1R3R2R4

全橋R1R3R2R4

半橋、單臂輸出

全橋、四臂輸出

半橋、雙臂輸出

統(tǒng)一表示：推導

推導

電橋測量的和差特性溫度補償提高輸出全橋、四臂輸出：直流電橋常用調(diào)平衡平衡條件3.交流電橋交流電橋而其中，Z1、Z2、Z3、Z4為阻抗的模，而j1、j2、j3、j4為阻抗角，是各橋臂電流與電壓之間的相位差。(*)平衡條件電容電橋電容電橋平衡條件：電感電橋電感電橋平衡條件：~推導

推導▲

帶感應耦合臂的電橋?qū)⒏袘詈系膬蓚€繞組作為橋臂而組成的電橋。a）感應耦合繞組W1和W2與阻抗Z3和Z4組成電橋的4個臂，任一橋臂阻抗有變化時，電橋有輸出電壓。b）開始W1和W2磁通大小相等方向相反無輸出，當鐵心移動，電橋失衡，產(chǎn)生感應電動勢。聲音信號廣播電臺的發(fā)射塔接收調(diào)制Modulation解調(diào)Demodulation4.2調(diào)制與解調(diào)聲音信號廣播電臺的發(fā)射塔

利用緩變信號控制高頻信號的某個參數(shù)(幅值、頻率或相位)變化的過程。

調(diào)制Modulation已調(diào)波1）實現(xiàn)緩變信號的傳輸，特別是遠距離傳輸

2）提高信號傳輸中的抗干擾能力和信噪比

1.調(diào)制的目的→音頻信號2.調(diào)制的種類調(diào)制信號

載波信號a)幅值調(diào)制(簡稱調(diào)幅，AM，AmplitudeModulation)b)頻率調(diào)制(簡稱調(diào)頻，F(xiàn)M，F(xiàn)requencyModulation)c)相位調(diào)制(簡稱調(diào)相，PM，PhaseModulation)緩變信號x(t)高頻簡諧信號y(t)=A0cos(2pf0t+f0)3.幅值調(diào)制（調(diào)幅）及其解調(diào)

調(diào)幅是將一個高頻簡諧信號y(t)（載波信號）與緩變信號（調(diào)制信號）x(t)相乘，使載波信號y(t)的幅值隨緩變信號x(t)的幅值變化而變化過程。幅值調(diào)制后的信號稱為調(diào)幅波。調(diào)制信號載波信號調(diào)幅波(1).調(diào)幅的時域表達假設調(diào)制信號x(t)的最高頻率成分為fm，載波信號y(t)=cos2pf0t,f0>>fm

，則有調(diào)幅波：(2).調(diào)幅的頻域表達如果則調(diào)制信號載波信號調(diào)幅波?

時域頻域音頻信號廣播電臺的發(fā)射塔調(diào)幅AM調(diào)幅波載波信號廣播電臺的發(fā)射塔

對已調(diào)波進行鑒別以恢復緩變信號的過程。

調(diào)幅波恢復所需要的緩變信號(3).幅值解調(diào)的目的接收解調(diào)Demodulation(4).同步解調(diào)

??2fm2fm??2fm2fm1/42fm1/42fm2fm1/41/22fm??2fm2fm同步解調(diào)(a)調(diào)幅波頻譜(b)載波信號頻譜(c)同步解調(diào)后頻譜Xm(f)0?-f0f0Xm(f)*Y(f)0?f0-f0低通-fcfc-fmfm2fm1/4解調(diào)音頻信號(5).包絡檢波目的：為了是的調(diào)制信號不失真。方法的關鍵是要準確的加減偏置電壓。x(t)>0時(0~t1)，xm(t)與y(t)同相，檢波器輸出uf(t)>0x(t)<0時(t1~t2)，xm(t)與y(t)反相，檢波器輸出uf(t)<01122(6).相敏檢波解調(diào)推導相敏檢波器33t1t1132213t1t2

t2

t2

當調(diào)制信號x(t)>0時(0~t1時間內(nèi))，調(diào)幅波xm(t)與載波y(t)在每一時刻都同相1）xm(t)>0，y(t)>02）xm(t)<0，y(t)<01234二極管的導通與截止完全由B的次級的輸出決定,要求B的次級輸出遠大于A的次級輸出＋

－

1）xm(t)>0，y(t)>0二極管D3、D4導通,在負載上形成兩個電流回路:回路1：3-c-D3-d-2-e-g-f回路2：f-g-e-2-d-D4-a-4總輸出為：＋

－

＋

＋

＋

＋

＋

－

－

－

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＋

－

＋

＋

＋

＋

＋

－

－

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－

2）xm(t)<0，y(t)<0二極管D1、D2導通，在負載上形成兩個電流回路：回路1：4-a-D1-b-1-e-g-f回路2：f-g-e-1-b-D2-c-3總輸出為：返回(7).電阻交流電橋的幅值調(diào)制不同接法的電橋可表示為當R/R0=R(t)，Ui=E0cos2pf0t時Uo=KR(t)E0cos2pf0t

交流電橋的輸出電壓Uo隨R(t)的變化而變化，即Uo的幅值受R(t)的控制，其頻率為輸入電壓信號Ui的頻率，即2pf0

x(t)cos2p?ot?[X(?)*d(?-?o)+X(?)*d(?+?o)]/2

=[X(?-?o)+X(?+?o)]/2

全橋、四臂輸出

R(t)E0cos2pf0t

當R/R0=R(t)，Ui=E0cos2pf0t時Uo=KR(t)E0cos2pf0t

Ui=E0cos2pf0t實際上載波信號

R(t)，即電橋的輸入R/R0，實際上是調(diào)制信號

R(t)對載波信號E0cos2pf0t進行了幅值調(diào)制Uo實際上是調(diào)幅信號

交流電橋是一個調(diào)幅器。調(diào)幅器實際上是一個乘法器.x(t)cos2p?ot?[X(?)*d(?-?o)+X(?)*d

(?+?o)]/2=[X(?-?o)+X(?+?o)]/2例4-1：

動態(tài)應變儀4.頻率調(diào)制與解調(diào)調(diào)頻是利用信號x(t)的幅值調(diào)制載波的頻率，或者說，調(diào)頻波是一種隨信號x(t)的電壓幅值而變化的疏密度不同的等幅波.x(t)Acos(2pf0t+f)

調(diào)頻原理調(diào)制信號x(t)最高頻率分量為?m

載波信號y(t)=Y0cos(2p?0t+j0),?0>>?m

?(t)=?0+Δf=?0+kFM

x(t)調(diào)頻時Y0和j0不變

?0→?(t)kFM為比例常數(shù),kFM>0低頻信號電壓為正值時調(diào)頻波的頻率升高，負值時則降低。低頻信號電壓為零時，調(diào)頻波的頻率就等于高頻信號的頻率。諧振電路

電抗到電壓的轉(zhuǎn)化

諧振電路把電容、電感等電參量的變化轉(zhuǎn)為電壓變化的電路高頻振蕩器

諧振電路的頻率：諧振電路作調(diào)頻器

調(diào)頻及解調(diào)電路鑒頻器調(diào)頻波－>調(diào)頻調(diào)幅波－>幅值檢波鑒頻器電壓－頻率特性曲線亞諧振區(qū)等幅調(diào)頻波的頻率等于回路諧振頻率，線圈中的耦合電流最大▲

(a)低通濾波器(Lowpassfilter)(b)高通濾波器(Highpassfilter)(c)帶通濾波器(bandpassfilter)

(d)帶阻濾波器(bandstopfilter)

6.3濾波器

濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分．

1.濾波器分類(根據(jù)濾波器的選頻作用分)

?2稱為低通濾波器的上截止頻率

?1、?2分別稱為帶通濾波器的下、上截止頻率

通帶通帶通帶通帶通帶阻帶阻帶阻帶阻帶阻帶理想濾波器?1稱為高通濾波器的下截止頻率

(c)帶通濾波器(bandpassfilter)

(d)帶阻濾波器(bandstopfilter)

通帶通帶阻帶通帶阻帶阻帶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。2.理想濾波器H(2p?)=A(2p?)ejj(2p?)A(2p?)=A0=constj(2p?)=-2p?t0

物理不可實現(xiàn)

理想濾波器在時域內(nèi)的脈沖響應函數(shù)h(t)為sinc函數(shù)。脈沖響應的波形沿橫坐標左、右無限延伸。給理想濾波器一個脈沖激勵，從圖中可以看出，在t=0時刻單位脈沖輸入濾波器之前，即在t＜0時，濾波器就已經(jīng)有響應了。h(t)d(t)在實際濾波器的幅頻特性圖中通帶和阻帶間應沒有嚴格的界限，存在一個過渡帶。3.實際濾波器

1)截止頻率:幅頻特性值等于所對應的頻率2)帶寬B：上下兩截頻間的頻率范圍稱為帶寬

3)紋波幅度d：波動幅度d與幅頻特性平均值A0相比應小于-3dB。

濾波器帶寬B=fc2-fc1-3dB5)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、下截止頻率fc1與fc1/2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。4)中心頻率f0:7)濾波器因素l:濾波器選擇性，l=B-60dB/B-3dB4.RC無源濾波器

在測試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因為這一領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，并且選用標準阻容元件。1)一階RC低通濾波器

令t=RC，稱為時間常數(shù)傅立葉變換，頻響函數(shù)：當?<<1/2pRC時，j(?)-?相頻特性近似于一條通過原點的直線當?=1/2pRC時，?c2=1/2pRC上截止頻率:|H(jw)|=A(?)≈1，A(?)=1/當?>>1/2pRC時，起積分器作用令RC=t代入，作傅立葉變換，得頻響函數(shù)當?=1/2pt,即

?=1/2pRC時，

當?>>1/2pRC時，A(?)≈1，j(?)=0下截止頻率：?c1=1/2pRC

A(?)=1/2)一階RC高通濾波器當?<<1/2pRC時，起微分器作用3)一階RC帶通濾波器

可以看成是低通和高通兩個濾波器串聯(lián)而成。高通低通頻響函數(shù)幅頻特性和相頻特性?c2=1/2pt2=1/(2pR2C2)上截止頻率:下截止頻率：?c1=1/2pt1=1/(2pR1C1)一階RC帶通濾波器.5.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f0與帶寬B之間的數(shù)值關系，可以分為兩種。2)恒寬比帶通濾波器

1)恒帶寬帶通濾波器

品質(zhì)因素Q

相同Q值（恒寬比），中心頻率?n越大，帶寬B越大恒寬比帶通濾波器

n為倍頻程數(shù)若n=1為倍頻程濾波器；推導?c2=2n

?c1

?n2=2n

?n1

帶寬越窄，分辨力越高。低頻分辨力較高，高頻分辨力較低.信號通帶越寬，需要的恒帶寬濾波器越多。恒帶寬濾波器：帶寬為20Hz例6-2：

設有一信號是由幅值相同而頻率分別為?=940Hz和?=1060Hz的兩正弦信號合成，其頻譜如圖所示

(c)用1/10倍頻程濾波器分析結果(d)用恒帶寬濾波器分析結果案例：機床軸心軌跡的濾波處理

6.濾波器的應用案例：機床軸心軌跡的濾波處理濾除信號中的高頻噪聲，以便于觀察軸心運動規(guī)律鋼管無損探傷實驗濾除信號中的零漂和低頻晃動，便于門限報警▲

直流電橋當電橋輸出端接入儀表或放大器