測(cè)試信號(hào)的調(diào)理及其記錄

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)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。

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。按鼓勵(lì)電源的類型可分為：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。一、直流電橋

電橋的輸出電壓：

直流電橋的平衡條件：

電橋的連接形式：?jiǎn)伪垭姌?、半橋與全橋。

·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：鼓勵(lì)電壓Ue不變·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：·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：電橋的和差特性：1〕假設(shè)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〕假設(shè)相鄰兩橋臂電阻反相變化〔即兩電阻一個(gè)增大一個(gè)減小〕，所產(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)，常在梁的上下外表各貼一個(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。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。使用電橋電路時(shí)，還需要調(diào)節(jié)零位平衡，即當(dāng)工作臂電阻變化為零時(shí)，使電橋的輸出為零。a〕差動(dòng)串聯(lián)平衡b〕差動(dòng)并聯(lián)平衡二、交流電橋

交流電橋采用交流電源鼓勵(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，那么關(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?！る娙蓦姌?/p>

平衡條件要使電橋到達(dá)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)電阻到達(dá)電阻平衡，調(diào)節(jié)電容到達(dá)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，那么另外兩個(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?！そ涣麟姌蛩膫€(gè)橋臂中有兩個(gè)相對(duì)橋臂采用純電阻元件，那么另外兩個(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?！る姼须姌?/p>

平衡條件要使電橋到達(dá)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)電阻到達(dá)電阻平衡，調(diào)節(jié)電感到達(dá)電感平衡。

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·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：變壓器電橋以上兩種電橋中的感應(yīng)耦合臂可代以差動(dòng)式三繞組電感傳感器，通過它的敏感元件——鐵心，將被測(cè)位移量轉(zhuǎn)換為繞組間互感變化，再通過電橋轉(zhuǎn)換為電壓或電流的輸出。第三節(jié)濾波器

什么是濾波?

在通過傳感器獲得的信號(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為濾波器。當(dāng)信號(hào)通過濾波器時(shí)，信號(hào)中某些頻率成分得以通過，其他頻率成分的信號(hào)受到衰減或抑制。信號(hào)通過濾波器的過程，就稱為對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波。按濾波器的選頻方式分：低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器{按濾波器電路的構(gòu)成形式分

有源濾波器無源濾波器{按所處理的信號(hào)信號(hào)分模擬濾波器數(shù)字濾波器{一、濾波器的分類低通濾波器允許在其截止頻率以下的頻率成分通過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；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；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。

理想濾波器的單位脈沖響應(yīng)函數(shù)為：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)。給理想濾波器一個(gè)單位階躍輸入那么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。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，那么響應(yīng)的建立時(shí)間Te越小，即圖中圖形越陡峭。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，通帶越窄那么分辨力越高。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，而過長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間也是沒有必要的。一般采用BTe=5～10。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）〔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，說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為帶寬〔-3dB帶寬〕。帶寬表示濾波器的分辨能力，即濾波器別離信號(hào)中相鄰頻率成分的能力。（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)過渡帶，這個(gè)過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值越小〕，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〕?；颉?〕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。

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?！?〕RC低通濾波器2.RC調(diào)諧式濾波器

幅頻特性和相頻特性▲當(dāng)時(shí)，，近似于一條通過原點(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：〔2〕RC高通濾波器電路的微分方程式令τ=RC，稱時(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▲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：〔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▲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。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)的傳輸問題。

調(diào)制是指利用某種低頻信號(hào)來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〕的過程。在這里，高頻振蕩信號(hào)被稱為載波，控制高頻振蕩的低頻信號(hào)被稱為調(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)的過程。調(diào)制與解調(diào)是一對(duì)相反的信號(hào)變換過程，在工程上經(jīng)常結(jié)合在一起使用。調(diào)制的種類：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)載波調(diào)制信號(hào)調(diào)幅波調(diào)頻波調(diào)幅是將一個(gè)高頻正弦信號(hào)〔或稱載波〕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)幅過程就相當(dāng)于頻率“搬移〞過程?！ふ{(diào)幅·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，那么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〕，這一過程稱為“同步解調(diào)〞。與原頻譜的區(qū)別在于幅值為原來的一半，這可以通過放大來補(bǔ)償。解調(diào)方法：整流檢波和相敏檢波。整流檢波：假設(shè)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)。這種方法又稱作包絡(luò)分析。

假設(shè)所加的偏置電壓未能使信號(hào)電壓都為正，那么用簡(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。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判別調(diào)制信號(hào)極性的解調(diào)器，它適合對(duì)各種類型的調(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＋

－

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：＋

－

＋

＋

＋

＋

＋

－

－

－

－

－

總結(jié)：在x(t)>0時(shí)，無論調(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。＋

－

＋

＋

＋

＋

＋

－

－

－

－

－

2〕xm(t)<0，y(t)<0，二極管D1、D4導(dǎo)通，在負(fù)載上形成兩個(gè)電流回路：回路1：f-g-e-2-d-D4-a-4-f〔藍(lán)色〕回路2：3-c-D3-d-2-e-g-f-3〔紅色〕總輸出為：總結(jié)：在x(t)<0時(shí)，無論調(diào)制波xm(t)的極性如何，相敏檢波器的輸出波形均為負(fù)，即在t1～t2時(shí)間內(nèi)對(duì)xm(t)進(jìn)行全波整流后反相，故解調(diào)后的頻率比原調(diào)制波的頻率高一倍。結(jié)論：調(diào)幅波經(jīng)相敏檢波后，得到一隨原調(diào)制信號(hào)的幅值與相位變化而變化的高頻波，再經(jīng)過電容C將高頻濾掉，即可獲得與原調(diào)制信號(hào)一致的信號(hào)。二、調(diào)頻及其解調(diào)調(diào)頻是利用信號(hào)電壓的幅值去控制一個(gè)振蕩器，振蕩器的輸出是一個(gè)等幅波，但其振蕩頻率的變化與信號(hào)幅值成比例。信號(hào)電壓為零時(shí)，調(diào)頻波的頻率等于中心頻率f0，信號(hào)電壓為正時(shí)頻率增加，為負(fù)值時(shí)，那么降低，所以調(diào)頻波是隨信號(hào)x(t)的電壓幅值而變化的疏密不等的等幅波。1.利用壓控振蕩器調(diào)頻電路工作原理：圖中A1為一個(gè)正反響放大器，其輸出電壓受穩(wěn)壓管VW鉗制，其值為+uW或-uW，二者必取其一。M為乘法器，A2為積分器，uX是正值常電壓。假設(shè)開始時(shí)A1輸出為+uW，乘法器輸出為uZ是正電壓，A2的輸出電壓將線性下降〔電容C放電〕，當(dāng)其下降至-uW時(shí)，此時(shí)其輸出變?yōu)?uW，同時(shí)乘法器的輸出uZ也變?yōu)樨?fù)電壓，從而導(dǎo)致A2的輸出線性上升〔電容C充電〕，當(dāng)其上升至+uW，A1又將翻轉(zhuǎn)，輸出變?yōu)?uW。這個(gè)來回翻轉(zhuǎn)的頻率與uX成正比，從而通過改變uX來到達(dá)控制振蕩頻率的目的。LC振蕩電路常被用于電容、渦流、電感等傳感器的測(cè)量電路，將電容〔或電感〕作為自激振蕩器的諧振回路的一調(diào)諧參數(shù)，那么電路的諧振頻率為2.直接調(diào)頻及解調(diào)電容傳感器中心頻率按泰勒級(jí)數(shù)展開并忽略高階項(xiàng)電感傳感器中心頻率按泰勒級(jí)數(shù)展開并忽略高階項(xiàng)LC振蕩電路的振蕩頻率f與調(diào)諧參數(shù)〔C或L〕的變化近似成線性關(guān)系，亦即振蕩頻率受控于被測(cè)物理量。2．調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)

頻波的解調(diào)又稱為鑒頻，是將調(diào)頻波的頻率變化恢復(fù)成調(diào)制信號(hào)電壓幅值變化的過程。實(shí)現(xiàn)鑒頻過程的方案很多，以下圖是一種采用變壓器耦合的諧振回路鑒頻方法。圖中L1、L2是變壓器耦合的一次、二次邊線圈，與C1、C2組成并聯(lián)諧振回路。鑒頻器的工作原理：利用諧振回路的頻率特性。等幅調(diào)頻波uf經(jīng)過并聯(lián)諧振回路，當(dāng)uf的頻率等于回路諧振頻率fn時(shí)，線圈L1、L2中的耦合電流最大，二次邊上的輸出電壓ua也是最大；當(dāng)uf的頻率偏離fn，ua也隨之下降。ua的頻率始終與uf保持一致，但其幅值隨uf的頻率變化而變化。諧振回路的頻率特性曲線并聯(lián)諧振回路

通常利用諧振曲線中亞諧振區(qū)近似直線的一段來實(shí)現(xiàn)頻率-電壓轉(zhuǎn)換。設(shè)被測(cè)量為零時(shí)，選擇調(diào)諧回路的振蕩頻率與調(diào)頻時(shí)的載波頻率f0一致，并將該點(diǎn)設(shè)置在直線工作段的中點(diǎn)附近。亞諧振區(qū)ua是一個(gè)即有頻率變化也有幅值變化的調(diào)頻調(diào)幅波ua通過幅值檢波電路，將調(diào)頻調(diào)幅波轉(zhuǎn)換成只剩下它的包絡(luò)線的電壓變化波形uo，從而獲得被測(cè)量參數(shù)變化的信息。第五節(jié)信號(hào)的顯示、記錄與存儲(chǔ)顯示和記錄儀器一般包括指示和顯示儀表、記錄儀器。從記錄信號(hào)的性質(zhì)來分，顯示和記錄儀又可分為模擬型和數(shù)字型兩大類。

一、光線示波器

是一種常用的模擬式記錄器，主要用于模擬量的數(shù)據(jù)記錄，它將信號(hào)調(diào)整儀輸入的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)并記錄在感光紙或膠片上，從而得到試驗(yàn)變量與時(shí)間的關(guān)系曲線。

1、光線示波器定義(1)高的靈敏度；(2)記錄信號(hào)的頻率可達(dá)數(shù)千赫[茲]；(3)實(shí)現(xiàn)交叉記錄，能最大限度地利用記錄紙；(4)能夠得到曲線形式的資料，并且直觀性好。(1)工作頻率還不夠?qū)挘?2)記錄曲線不能利用數(shù)字分析儀器或計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理；(3)感光記錄紙價(jià)格較貴，且不能重復(fù)使用。2、光線示波器的特點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)：缺乏之處：工作原理振動(dòng)子系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、記錄紙傳動(dòng)系統(tǒng)以及電氣系統(tǒng)

振動(dòng)子系統(tǒng)包括：

振動(dòng)子

磁系統(tǒng)

恒溫裝置

3、光線示波器的工作原理和結(jié)構(gòu)組成

是將一個(gè)或多個(gè)變量隨時(shí)間或另一變量變化的過程轉(zhuǎn)換為可識(shí)別和讀取的信號(hào)儀器。它能保存所記錄的信號(hào)變化以便分析處理。記錄儀的最大特點(diǎn)是能自動(dòng)記錄周期性或非周期性多路信號(hào)的慢變化過程和瞬態(tài)電平變化過程。1、記錄儀的定義工作頻率輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍記錄線性度分辨度失真度響應(yīng)時(shí)間走紙準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度

2、記錄儀的主要技術(shù)指標(biāo)二、記錄儀1〕檢流計(jì)式筆錄儀

3、筆式記錄儀2〕函數(shù)記錄儀4、磁帶記錄儀磁帶記錄儀是利用鐵磁