第13章測試信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理

測試技術(shù)基礎(chǔ)測試技術(shù)基礎(chǔ)第十三章測試信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理信號的調(diào)制與解調(diào)信號的濾波本章內(nèi)容：測試技術(shù)基礎(chǔ)電橋§13.0電橋電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化量，測量電路將電阻的變化再轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號，最終實現(xiàn)被測量的測量。1、測量電橋應(yīng)變片電橋按其電源性質(zhì)的不同可以分為直流電橋和交流電橋。直流電橋只能測量電阻，而交流電橋可用于測量電阻、電感和電容的變化。

§13.0電橋直流電橋的工作原理

平衡條件：輸出定義電橋的靈敏度為：工作時，各橋臂阻值變化，則輸出電壓U0

0實際使用中，為了簡化橋路設(shè)計，同時也為了得到電橋的最大靈敏度，通常R1=R2=R3=R4=R0,即為等臂電橋.

§13.0電橋直流電橋的聯(lián)接方式:

a)半橋單臂b)半橋雙臂c)全橋

半橋單臂：電橋平衡時，鄰臂電阻之比相等，設(shè)其比值為n，即得所以半橋單臂電橋的靈敏度為：實際使用中，為了簡化橋路設(shè)計，同時也為了得到電橋的最大靈敏度，通常R1=R2=R3=R4=R0,即為等臂電橋.

§13.0電橋通常

輸出電壓為半橋雙臂:全橋接法:

電橋的工作特性:

1）不同的接橋方式具有不同的電橋靈敏度，盡量采用半橋雙臂或全橋方式。在R0<<R0條件下，電橋的輸出與

R0/R0成正比；全橋接法可以獲得最大的輸出，其靈敏度為半橋單臂接法的4倍?！?3.0電橋2）電橋的和差特性全橋接法：4橋臂均為工作應(yīng)變片相鄰橋臂：應(yīng)變極性相同時，電橋輸出電壓與兩應(yīng)變差有關(guān)；應(yīng)變極性相反時，電橋輸出電壓與兩應(yīng)變和有關(guān)。相對橋臂：輸出電壓與應(yīng)變的關(guān)系和相鄰橋臂正好相反?！?3.0電橋電橋的和差特性的實際應(yīng)用：①提高靈敏度——半橋雙臂或全橋聯(lián)接

相對橋臂：同極性相鄰橋臂：反極性②實現(xiàn)溫度補(bǔ)償——全橋自動補(bǔ)償半橋雙臂：鄰臂(同一溫度場)③消除非測量載荷的干擾影響

§13.0電橋測量用應(yīng)變片補(bǔ)償用應(yīng)變片測量P消除M的影響

§13.0電橋2、溫度誤差及補(bǔ)償溫度誤差——附加應(yīng)變

3)其他：基底材料、粘合劑等受溫度影響1)電阻溫度效應(yīng)2)敏感柵與被測試件材料線膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生的電阻變化§13.0電橋§13.0電橋

橋路補(bǔ)償法——電橋的和差特性全橋自動補(bǔ)償；半橋鄰臂3、應(yīng)變片的布置和接橋方式利用適當(dāng)?shù)牟计徒M橋方式消除溫度變化和復(fù)合載荷作用的影響，獲得最大的輸出靈敏度。1）應(yīng)變片應(yīng)布置在彈性元件產(chǎn)生應(yīng)變最大的位置，并沿主應(yīng)力方向貼片；貼片處的應(yīng)變盡量與外載荷呈線性關(guān)系（避開非線性區(qū)），同時應(yīng)注意使該處不受非待測載荷的干擾影響。2）根據(jù)電橋的和差特性，選擇適當(dāng)?shù)慕訕蚍绞?，可以使輸出的靈敏度最大，同時又能排除非待測載荷的影響并進(jìn)行溫度補(bǔ)償。§13.0電橋§13.0電橋應(yīng)變片應(yīng)變片的布置和接橋方式§13.0電橋交流電橋?qū)⒅绷麟姌虻碾娮鑂用阻抗Z代替，阻抗寫成復(fù)指數(shù)形式，則交流電橋平衡條件為：

交流電橋平衡必須滿足兩個條件：相對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，前者稱為交流電橋模的平衡條件，后者稱為相位平衡條件?！?3.0電橋交流電橋有不同的組合，常用的有電容、電感電橋，其相鄰兩臂接入電阻，而另外兩臂接入相同性質(zhì)的阻抗，例如都是電容或電感。a)電容電橋 b)電感電橋

圖a電容電橋的平衡條件

圖b所示的電感電橋，其平衡條件

§13.0電橋§13.0電橋直流電橋采用直流電源作激勵電源，穩(wěn)定性好；電橋的平衡電路簡單，其輸出為直流量，可用直流儀表測量，精度高；電橋的連接導(dǎo)線不會形成分布電容，因此對連接導(dǎo)線的方式要求低；缺點：易引入工頻干擾；作直流放大時，由于直流放大器一般比較復(fù)雜，且易受零漂和接地電位的影響。直流電橋適合于靜態(tài)量的測量。交流電橋輸出為交流信號（調(diào)幅波），外界工頻干擾不易被引入電路；但要求供橋電源穩(wěn)定性好。交流放大電路簡單，且沒有零漂的影響。直流電橋交流電橋信號調(diào)理的目的是便于信號的傳輸與處理。信號調(diào)理的目的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(jìn)一步放大，有的還要進(jìn)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(yuǎn)距離傳輸，需要對傳感器測量信號進(jìn)行調(diào)制解調(diào)處理。§13.1調(diào)制與解調(diào)§13.1調(diào)制與解調(diào)1目的解決微弱緩變信號放大以及信號傳輸問題。-101-101-101-101-101

先將微弱的緩變信號加載到高頻交流信號中去，然后利用交流放大器進(jìn)行放大，最后再從放大器的輸出信號中提取出放大后的緩變信號。例：交流電橋Vin~R1R4R2R3V§13.1調(diào)制與解調(diào)

調(diào)制：利用某種信號來控制或改變另一信號(高頻的正、余弦或方波)的某個參數(shù)(幅值、頻率或相位)的過程。可分為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。調(diào)制波：調(diào)制中的控制信號(低頻信號)

載波：載送低頻信號的高頻信號(正、余弦或方波)

已調(diào)制波：經(jīng)調(diào)制所得的高頻信號(調(diào)幅波、調(diào)頻波和調(diào)相波)

解調(diào)：從已調(diào)制波中恢復(fù)出原有低頻調(diào)制信號的過程2基本概念§13.1調(diào)制與解調(diào)3種類調(diào)制信號x(t)0t載波信號z(t)0t§13.1調(diào)制與解調(diào)根據(jù)載波受調(diào)制參數(shù)不同，可分為三類。a)幅度調(diào)制(AM)b)頻率調(diào)制(FM)c)相位調(diào)制(PM)§13.1調(diào)制與解調(diào)

調(diào)幅是將一個高頻正弦信號(或稱載波)與測試信號相乘，使載波信號幅值隨測試信號的變化而變化。緩變信號調(diào)制高頻信號放大放大高頻信號解調(diào)放大緩變信號4幅值調(diào)制幅度調(diào)制與解調(diào)過程(波形分析)乘法器放大器x(t)z(t)y(t)乘法器濾波器z(t)x(t)-101-101-101-101-101-1014幅值調(diào)制幅度調(diào)制與解調(diào)過程(頻譜分析)乘法器放大器x(t)z(t)y(t)乘法器濾波器z(t)x(t)4幅值調(diào)制幅度調(diào)制與解調(diào)過程（數(shù)學(xué)分析）乘法器放大器x(t)z(t)y(t)乘法器濾波器z(t)x(t)4幅值調(diào)制解調(diào)方法之一：同步解調(diào)

解調(diào)時，所乘信號必須保證其頻率和相位與原載波信號相同，故稱同步解調(diào)。

-505-101-505-101-505-101-505-101-505-1015幅值解調(diào)解調(diào)方法之二：整流檢波

若對信號x(t)進(jìn)行偏置，疊加一個直流分量D，使偏置后的信號都具有正電壓。

調(diào)幅之前5幅值解調(diào)解調(diào)二極管檢波低通濾波調(diào)幅5幅值解調(diào)

相敏檢波是利用交變信號在過零位時正、負(fù)極性發(fā)生突變，使調(diào)幅波相位（與載波信號比較）也相應(yīng)地產(chǎn)生180°相位跳變，從而既反映原信號的幅值又反映其相位。

特點:

(1)可以鑒別調(diào)制信號的極性；

(2)不必對調(diào)制信號加直流偏置。解調(diào)方法之三：相敏檢波5幅值解調(diào)解調(diào)：相敏檢波(e)濾波后波形(d)相敏檢波后波形(b)載波(c)放大后調(diào)幅波(a)調(diào)制信號exR(t)e0e01e02=KR(t)5幅值解調(diào)典型相敏檢波電路(a)過調(diào)失真：對于非抑制調(diào)幅，要求其直流偏置必須足夠大，否則x(t)的相位將發(fā)生180o變化。y(t)t0x(t)t06幅值調(diào)制的失真(b)重疊失真：當(dāng)載波頻率f0

小于被測信號最高頻率fm

時，調(diào)幅波頻譜將出現(xiàn)頻率重疊．要求：

f0＞fm

Y(f)-f0f006幅值調(diào)制的失真動態(tài)電阻應(yīng)變儀

電橋由振蕩器提供等幅高頻振蕩電壓（相當(dāng)于載波）。被測量(力、應(yīng)變等，相當(dāng)于調(diào)制波)通過電阻應(yīng)變片控制電橋輸出。電橋輸出為調(diào)幅波，放大后，經(jīng)相敏檢波與低通濾波，提取出被測信號。7幅值調(diào)制與解調(diào)的應(yīng)用8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。因此，調(diào)頻波是一種等幅波，但其疏密度（即頻率）隨信號x(t)的幅值變化而變化?！?3.1調(diào)制與解調(diào)其中鋸齒波調(diào)頻正弦波調(diào)頻8頻率調(diào)制與解調(diào)§13.1調(diào)制與解調(diào)鑒頻：變壓器耦合的諧振回路鑒頻第一步：先將等幅調(diào)頻波轉(zhuǎn)換為幅值隨頻率變化的調(diào)頻調(diào)幅波;調(diào)頻波的解調(diào)稱為鑒頻或頻率檢波第二步：檢測幅值的變化，得到原調(diào)制信號。8頻率調(diào)制與解調(diào)鑒頻：8頻率調(diào)制與解調(diào)回路輸入為等幅調(diào)頻波，當(dāng)頻率偏離諧振頻率時，輸出幅值隨之下降。通常在諧振回路特性曲線的亞諧振接近直線段進(jìn)行頻率電壓變換。頻率與相同，幅度受頻率變化而變化。優(yōu)點：抗干擾能力強(qiáng)。

調(diào)頻波通常要求很寬的頻帶，甚至為調(diào)幅所要求帶寬的20倍；頻率調(diào)制是一種非線性調(diào)制，調(diào)頻系統(tǒng)較之調(diào)幅系統(tǒng)更為復(fù)雜。

調(diào)頻信號所攜帶的信息包含在頻率變化之中，并非振幅之中，而外界干擾主要影響信號的幅值。

缺點：占頻帶寬度大，復(fù)雜8頻率調(diào)制與解調(diào)濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定頻率成分通過，而極大地衰減其它頻率成分?！?3.2濾波Krohn-Hite?濾波器1濾波器分類（根據(jù)濾波器選頻作用）

低通高通§13.2濾波帶通帶阻1濾波器分類（根據(jù)濾波器選頻作用）

§13.2濾波2濾波器的串/并聯(lián)低通濾波器和高通濾波器是兩種最基本的濾波器形式，其它濾波器可看做為這兩種濾波器的組合。低通濾波器與高通濾波器的并聯(lián)為帶阻濾波器低通濾波器與高通濾波器的串聯(lián)為帶通濾波器§13.2濾波3理想濾波器

理想濾波器指能使通帶內(nèi)信號的幅值和相位都不失真，阻帶內(nèi)頻率成分都衰減為零的濾波器。§13.2濾波理想濾波器的物理不可實現(xiàn)

理想濾波器在時域內(nèi)的脈沖響應(yīng)函數(shù)為函數(shù)。脈沖響應(yīng)的波形沿橫坐標(biāo)向左、右無限延伸。3理想濾波器

給理想濾波器一個脈沖激勵，在時刻單位脈沖輸入濾波器之前，濾波器就已有響應(yīng)了。故物理不可實現(xiàn)。

理想濾波器的單位階躍響應(yīng)

濾波器階躍響應(yīng)的建立時間和帶寬成反比。通帶越寬，衰減的高頻分量越少，信號能量更多、更快地通過，因此建立時間越短。濾波器的帶寬表示它的頻率分辯能力。通帶窄，則分辨力高——濾波器的高分辯能力與測量時的快速響應(yīng)要求相矛盾。3理想濾波器4實際濾波器

理想濾波器是不存在的，實際濾波器幅頻特性中通帶和阻帶間沒有嚴(yán)格界限，存在過渡帶。

0fA§13.2濾波1)截止頻率

：所對應(yīng)的頻率。2)紋波幅度：繞幅頻特性均值波動值3)帶寬和品質(zhì)因數(shù)：上下兩截止頻率間的范圍稱為帶寬。中心頻率和帶寬之比稱為品質(zhì)因數(shù)。4實際濾波器4)倍頻程選擇性W

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。

倍頻程衰減量以dB/oct表示(Octave，倍頻程)。衰減越快(即W值越大)，濾波器的選擇性越好。4實際濾波器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與帶寬之間的關(guān)系，可分為兩種。§13.2濾波1)恒帶寬帶通濾波器中心頻率為上下截止頻率的算術(shù)平均值。5恒帶寬、恒帶寬比濾波器2)恒帶寬比帶通濾波器中心頻率為上下截止頻率的幾何平均值。帶寬與中心頻率的比值稱相對寬度。5恒帶寬、恒帶寬比濾波器倍頻程濾波器5恒帶寬、恒帶寬比濾波器6濾波電路(1)無源濾波器

由無源器件（R、L、C）構(gòu)成的濾波