機械工程測試技術(shù)（第2版）課件：信號的調(diào)理與記錄

信號的調(diào)理與記錄機械工程測試技術(shù)（第2版）MechanicalEngineeringTestingTechnology學(xué)習導(dǎo)航4.1電橋(Bridge)4.2調(diào)制與解調(diào)(Modulationanddemodulation)4.3信號的放大與衰減(Dmplificationandattenuationforsignal)4.4濾波器(Filter)知識導(dǎo)圖信號調(diào)理的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，需要進一步放大，有的還要進行阻抗變換。

2.有些傳感器輸出的是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號進行調(diào)制解調(diào)處理。

信號調(diào)理環(huán)節(jié)有：電橋、放大器、濾波器、調(diào)制器與解調(diào)器。引言信號調(diào)理中常見的環(huán)節(jié)：電橋、信號放大、濾波、信號調(diào)制與解調(diào)。傳感器交流測量直流測量直接測量調(diào)制測量調(diào)幅電橋放大器解調(diào)器濾波器調(diào)頻器放大器鑒頻器濾波器顯示記錄裝置放大器直流電橋放大器濾波器圖6-1信號調(diào)理環(huán)節(jié)框圖引言4.1電橋（bridge）電橋是將電阻、電感、電容等參量的變化變?yōu)殡妷夯螂娏鬏敵龅囊环N測量電路。按照激勵電壓的性質(zhì)，分為直流和交流電橋；直流電橋——采用直流電源，橋臂為電阻交流電橋——采用交流電源，橋臂為電阻、電感、電容。按照傳輸條件：負載阻抗無窮大，電壓橋；輸出阻抗與內(nèi)電阻匹配，功率橋或電流橋電橋概念在A、C端(輸入端，電源端)接入直流電源在B、D端(輸出端，測量端)輸出電壓UBD。常用等臂電橋，即R1＝R2＝R3＝R4，或電源端對稱電橋，即R1＝R2，R3＝R4。4.1電橋（bridge）4.1.1直流電橋橋臂，輸入端，輸出端。

求UBD=?電橋的平衡條件

I1I24.1電橋（bridge）加減特性：相對加相鄰減4.1電橋（bridge）2.三種典型橋路輸出特性直流電橋的聯(lián)接方式

a)

單臂

b)

半橋雙臂

c)全橋

4.1電橋（bridge）3.應(yīng)變計串并聯(lián)組成橋臂橋臂串聯(lián)均等于4.1電橋（bridge）(2)橋臂并聯(lián)對兩邊求導(dǎo)數(shù)，用增量代替微分并代入應(yīng)變計阻值，有采用橋臂串、并聯(lián)方法并不能增加輸出，但是可以在一個橋臂得到加減特性。

4.1電橋（bridge）提高電橋輸出的措施利用加減特性。提高供橋電壓。受到應(yīng)變計額定功率的限制，實用中可選用串聯(lián)方法增加橋臂阻值以提高供橋電壓。在橋臂并聯(lián)情況下，并聯(lián)電阻愈多，供橋電源負擔愈重，使用中應(yīng)適可而止。使用不等臂電橋時，采用電源端對稱電橋。

4.1電橋（bridge）μ=0.3ε=200με4.電橋輸出的非線性半橋單臂，輸出電壓實際輸出電壓線性化表達式4.1電橋（bridge）雙臂工作若有采用半橋雙臂和全橋接法，不僅消除線性誤差，而且輸出靈敏度也成倍提高。4.1電橋（bridge）4.1.2交流電橋交流電橋——輸入電源為交流電源。平衡條件

4.1電橋（bridge）可見交流電橋除了要滿足電阻平衡條件，還必須滿足電容平衡的要求。這些平衡條件是針對供橋電源只有一個頻率的情況推出的。因此，交流電橋?qū)螂娫匆缶哂辛己玫碾妷翰ㄐ魏皖l率穩(wěn)定性。實測中，應(yīng)盡量減少分布電容，利用儀器上的電阻、電容平衡裝置調(diào)好初始平衡，并避免導(dǎo)線移動、溫度變化、吸潮等使橋臂電容變化，以減少零漂及相移。4.1電橋（bridge）4.2調(diào)制與解調(diào)由于傳感器輸出的電信號一般頻率較低，當被測量信號比較弱時，為了實現(xiàn)信號的傳輸尤其是遠距離傳輸，可以采用直流放大或調(diào)制與解調(diào)。由于信號傳輸過程中容易受到工頻及其他信號的干擾，若采用直流放大則在傳輸過程中必須采用有限措施抑制干擾信號的影響。在實際中，往往采用更有效的先調(diào)制而后交流放大，將信號從低頻區(qū)推移到高頻區(qū)，也可以提高電路的抗干擾能力和信號的信噪比。調(diào)制目的解決辦法1：將微弱的緩變信號加載到高頻交流信號中2：利用交流放大器進行放大3：從放大器的輸出信號中取出放大了的緩變信號將信號從低頻區(qū)推移到高頻區(qū)，可以提高電路的抗干擾能力和信號的信噪比。

4.2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)調(diào)制就是使一個信號的某些參數(shù)在另一個信號的控制下而發(fā)生變化的過程。前一信號稱為載波，后一信號（控制信號）稱為調(diào)制信號。信號的三要素：幅值、頻率和相位根據(jù)載波的幅值、頻率和相位隨調(diào)制信號而變化的過程，調(diào)制可以分為調(diào)幅（AM)、調(diào)頻(FM)和調(diào)相(PM)。其波形分別稱為調(diào)幅波、調(diào)頻波和調(diào)相波。4.2調(diào)制與解調(diào)圖載波、調(diào)制信號及調(diào)幅、調(diào)頻波a)載波信號b)調(diào)制信號c)調(diào)幅波形d)調(diào)頻波形圖例說明4.2調(diào)制與解調(diào)4.2.1幅值調(diào)制與解調(diào)幅值調(diào)制的工作原理設(shè)調(diào)制信號為，其最高頻率成分為，載波信號為，。則有調(diào)幅波：

調(diào)幅是將一個高頻簡諧信號（載波信號）與測試信號（調(diào)制信號）相乘，使載波信號的幅值隨測試信號的變化而變化。4.2調(diào)制與解調(diào)則而原信號頻譜圖形由原點平移至載波頻率處，其幅值減半，調(diào)幅過程就相當于頻率“搬移”過程．由傅里葉變換的卷積性質(zhì)幅值調(diào)制的工作原理4.2調(diào)制與解調(diào)調(diào)幅過程時頻域圖形4.2調(diào)制與解調(diào)為了減小放大電路可能引起的失真，信號的頻寬（2fm）相對于中心頻率（載波頻率）應(yīng)越小越好，實際載波頻率(f0)常大于調(diào)制信號頻率(fm)數(shù)倍甚至數(shù)十倍。調(diào)幅的目的是為了便于緩變信號的放大和傳送，而解調(diào)的目的是為了恢復(fù)被調(diào)制的信號。如在電話電纜、有線電視電纜中，由于不同的信號被調(diào)制到不同的頻段，因此，在一根導(dǎo)線中可以傳輸多路信號。幅值調(diào)制的說明4.2調(diào)制與解調(diào)幅值調(diào)制信號的解調(diào)將調(diào)幅波再次與原載波信號相乘，則頻域圖形將再一次進行“搬移”用一低通濾波器濾去頻率大于fm的成分

，則可恢復(fù)出原來的調(diào)制信號。與原頻譜的區(qū)別在于幅值為原來的一半。

4.2調(diào)制與解調(diào)從時域看：解調(diào):解調(diào)時所乘的信號與調(diào)制時的載波信號具有相同的頻率和相位。解調(diào)4.2調(diào)制與解調(diào)整流檢波解調(diào)a)b)c)d)e)f)整流檢波解調(diào)對調(diào)制信號進行偏置，使其大于零;對載波進行調(diào)制;將該調(diào)制波進行整流（半波或全波）濾波并消除直流偏置可恢復(fù)原信號。4.2調(diào)制與解調(diào)偏置電壓不足相敏檢波整流檢波同步解調(diào)4.2調(diào)制與解調(diào)相敏檢波解調(diào)電路4.2調(diào)制與解調(diào)

原理利用調(diào)制信號的幅值控制載波信號頻率的過程。調(diào)頻波是等幅波，但頻率的變化量與調(diào)制信號幅值成正比。調(diào)頻波的瞬時頻率可表示為：

f=f0+

f=f0+Kx(t)f0為載波頻率，也稱中心頻率。

f為頻率偏移，與調(diào)制信號x(t)幅值成正比。4.2.2頻率調(diào)制與解調(diào)定義:用調(diào)制信號去控制載波信號的頻率或相位，使其隨調(diào)制信號的變化而變化，這一過程稱為頻率調(diào)制或相位調(diào)制，簡稱調(diào)頻或調(diào)相4.2調(diào)制與解調(diào)調(diào)頻波與調(diào)制信號幅值的關(guān)系圖4.2調(diào)制與解調(diào)①電參數(shù)調(diào)頻法用被測參數(shù)的變化控制振蕩回路的參數(shù)L、C或R，使振蕩頻率得到調(diào)制。

振蕩器的原振蕩信號作為載波。調(diào)制信號輸入時，振蕩器的輸出即被調(diào)制的調(diào)頻波。4.2調(diào)制與解調(diào)當電容C和電感L并聯(lián)組成諧振回路時，電路的諧振頻率：若以電容為調(diào)諧參數(shù)，對上式進行微分，有：所以，在f0

附近有頻率偏移4.2調(diào)制與解調(diào)②電壓調(diào)頻法壓控振蕩器是受電壓控制的振蕩器。圖中，uc為零時的角頻率ω0稱為自由振蕩角頻率；曲線在ω0處的斜率K0稱為調(diào)制靈敏度。用信號的電壓控制振蕩回路的參數(shù)L、C或R，從而控制振蕩頻率。信號電壓為正值時，調(diào)頻波的頻率升高；負值時則降低；信號電壓為零時，調(diào)頻波的頻率等于中心頻率。壓控振蕩器的特性曲線4.2調(diào)制與解調(diào)(2)鑒頻器調(diào)頻波的解調(diào)器稱為鑒頻器。調(diào)頻波的解調(diào)是先把調(diào)頻波變換成調(diào)頻調(diào)幅波，然后進行幅值檢波。鑒頻器的工作原理4.2調(diào)制與解調(diào)失諧回路鑒頻器的頻率-電壓特性曲線雙失諧回路鑒頻器為了改善失諧回路鑒頻器的線性4.2調(diào)制與解調(diào)傳感器輸出的微弱電壓、電流或電荷信號，其幅值或功率不足以進行后續(xù)的轉(zhuǎn)換處理，或驅(qū)動指示器、記錄器以及各種控制機構(gòu)，因此需對其進行放大處理。集成運算放大器4.3信號的放大與衰減4.3.1信號放大器的主要特性放大倍數(shù)即增益表示靈敏度：對數(shù)分度增益接近于常數(shù)的頻率范圍被稱為帶寬。帶寬的高端頻率和低端頻率被稱為拐角頻率即截止頻率。截止頻率定義為增益減少3dB時的頻率。

4.3信號的放大與衰減方波由于高頻衰減而產(chǎn)生的頻率失真頻率失真的影響相位移動對純正弦波形沒有影響；對于比較復(fù)雜的周期性的波形，可能會出現(xiàn)有影響；如果相角隨頻率線性變化，相位將不會失真。相位失真的影響

波形落后于輸入波形放大器影響信號：頻率失真,相位失真,共模干擾,電源負載

4.3信號的放大與衰減共模抑制比的影響當大小相等極性不同的電壓加到兩個輸入端時，該電壓被稱為差模電壓；當相同的電壓（對地電壓）供給兩個輸入端時，該電壓被稱為共模電壓；理想的儀器放大器將對差模電壓產(chǎn)生輸出，對于共模電壓則沒有輸出。信號通常產(chǎn)生差模輸入，噪聲一般產(chǎn)生共模輸入，所以CMRR()。

共模抑制比越大越好4.3信號的放大與衰減輸入輸出阻抗的影響電源裝置模擬成一個與電阻Rs串連的電壓發(fā)生器Vs

放大器的輸入模擬成輸入電阻Ri輸出模擬成為與輸出電阻Ro串連的電壓發(fā)生器GVi

電源放大器4.3信號的放大與衰減理想情況VL=GVs

RL>>Ro并且Ri>>Rs

理想的放大器(或信號調(diào)理器)的輸入阻抗為無限大，輸出阻抗為零

4.3信號的放大與衰減4.3.2使用運算放大器的放大器μA741C的輸入阻抗rd約為2MΩ，輸出阻抗ro約為75Ω，增益g可達200000，CMRR約為75dB或更高。運算放大器的符號和簡化模型運放開環(huán)接線的輸出為4.3信號的放大與衰減(1)同相放大器輸出電壓相對地線的符號與輸入電壓的相同。同相放大器電路輸出飽和增益帶寬積（GBP）放大器串聯(lián)4.3信號的放大與衰減如果Vi足夠大以至于Vo（=GVi）接近電源電壓,那么再增加Vi也不會增加輸出。這種現(xiàn)象被稱為輸出飽和。對于μA741C而言，若輸出電壓少于電源電壓2V，就會產(chǎn)生飽和。增益在高頻率時的下降是運放的固有特性。對于大多數(shù)基于運放的運算放大器，低頻增益和帶寬的乘積，即增益帶寬積（GBP）為常數(shù)。因為帶寬的下限是零，所以高端截止頻率4.3信號的放大與衰減兩個放大器串聯(lián)串聯(lián)兩個放大器，即把一個放大器的輸出作為另一個放大器的輸入。兩級總增益提高而帶寬不變。盡管在整個帶寬的增益是常數(shù)，但輸入和輸出之間的相角φ隨頻率變化。對于上面的同相放大器，相角4.3信號的放大與衰減(2)反相放大器輸入電阻近似為R1，輸出電阻趨于0。與傳感器配合使用時，注意阻抗匹配的問題。輸入信號和反饋信號均加在運放的反相輸入端。電壓增益：反相放大器電路4.3信號的放大與衰減反相放大器與同相放大器的不同特點：同相放大器的輸入阻抗達幾百兆歐姆，而反相放大器的輸入阻抗約等于R1，通常不大于100kΩ。這可能對一些輸入裝置帶來負載問題；同樣有低輸出阻抗的特性,一般小于1Ω；增益帶寬積不同：4.3信號的放大與衰減(3)儀器（測量）放大器儀器（測量）放大器有兩個不接地的信號源（平衡差動輸入），在輸入線中產(chǎn)生同樣幅值和相位的噪聲，這是共模信號。共模抑制比（CMRR）很大。差動儀器放大器電路4.3信號的放大與衰減4.3.3信號衰減若輸出電壓的幅值高于下一級元件輸入電壓的范圍，必須進行衰減。最簡單的方法是使用分壓網(wǎng)絡(luò)。從分壓網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的輸出電壓是4.3信號的放大與衰減4.4濾波器濾波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。l.根據(jù)濾波器的選頻特性低通濾波器：通頻帶0~f2。高通濾波器：通頻帶f1~

帶通濾波器：通頻帶f1~f2帶阻濾波器：通頻帶0~f1與f2~

（阻帶：f1~f2）4.4.1濾波器的分類低通高通帶通帶阻4.4濾波器（1）無源濾波器又稱LC濾波器，濾波電路僅由無源元件(電阻、電容、電感)組成。（2）有源濾波器該裝置需要提供電源，濾波電路不僅有無源元件（一般為R、C），還有有源元件(如集成運算放大器)。2.根據(jù)濾波器的組成電路性質(zhì)3.根據(jù)濾波器所處理信號的性質(zhì)分類（1）模擬濾波器主要是由無源濾波器或有源濾波器構(gòu)成，通過電子元件實現(xiàn)高次諧波干擾信號的去除，主要處理電流或電壓這類連續(xù)的信號。（2）數(shù)字濾波器主要由數(shù)字乘法器、加法器和延時單元組成。理想濾波器模型及脈沖響應(yīng)

無過渡帶且在通頻帶內(nèi)滿足不失真測試條件的濾波器稱為理想濾波器。理想濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)為：理想濾波器的脈沖響應(yīng)函數(shù)為sinc函數(shù)，若無相角滯后（t0=0）：

4.4.2理想濾波器與實際濾波器4.4濾波器理想濾波器的特性與響應(yīng)t<0時，濾波器即有了與輸入相對應(yīng)的輸出在有限頻率上完全截止理想濾波器實現(xiàn)的不可能性4.4濾波器由h(t)圖形可見，在輸入

(t)到來以前，即t<0時，濾波器即有了與輸入相對應(yīng)的輸出，顯然，這違背了因果關(guān)系，任何現(xiàn)實系統(tǒng)都不可能具有這種預(yù)知未來的能力。同樣，理想高通、帶通、帶阻濾波器也是不存在的。實際濾波器的頻域圖形不可能出現(xiàn)直角銳變，也不會在有限頻率上完全截止。理論上，實際濾波器的頻域圖形將延伸至|f|

。即濾波器只能對通帶以外的頻率成分極大地衰減而不能完全阻止其通過。理想濾波器實現(xiàn)的不可能性4.4濾波器

理想濾波器的階躍響應(yīng)單位階躍輸入

濾波器的階躍響應(yīng)：

低通濾波器在階躍信號下的響應(yīng)4.4濾波器階躍響應(yīng)波形圖

0.1A00.9A05~104.4濾波器式中,為低通濾波器的截止頻率，也稱為濾波器的通頻帶。可見，濾波器的通頻帶越寬，即越大，則響應(yīng)的建立時間越小。如果按穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值的0.1~0.9作為計算建立時間的標準，則：若不考慮前、后皺波，輸出從0(a點)到應(yīng)有的穩(wěn)定值A(chǔ)0(b點)之間的所需建立時間為：穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時間4.4濾波器低通濾波器帶寬B因此，低通濾波器對階躍響應(yīng)的建立時間和帶寬B（通頻帶的寬度）成反比，即這一結(jié)論對其它濾波器（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量時快速響應(yīng)的要求是相互矛盾的。當采用濾波器從信號中選取某一頻率成分時，就需要有足夠的時間。如果建立時間不夠，就會產(chǎn)生虛假的結(jié)果，而過長的測量時間也是沒有必要的。一般采用～10。4.4濾波器濾波器通頻帶越寬（fc越高），建立時間越短，響應(yīng)速度越快。其物理意義是：通帶越寬，阻衰的高頻分量越少，使信號能量更多更快地通過，故建立時間短，反之建立時間長。低通濾波器對階躍響應(yīng)的建立時間Te與帶寬B成反比，即：BTe=常數(shù)該結(jié)論對高通、帶通及帶阻濾波器均成立。濾波器帶寬表示其頻率分辨力，通帶越窄，分辨力越高，顯然，高分辨力與響應(yīng)速度是互相矛盾的。如果要用濾波的方法從信號中提取某一很窄的頻率成分（如作譜分析），必須有足夠的時間。BTe＝5～

10。低通濾波器的特點歸納4.4濾波器截止頻率fc

:幅頻特性等于所對應(yīng)的頻率。帶寬B:上下兩截止頻率之間的頻率范圍實際濾波器參數(shù)（1）圖為理想帶通濾波器（虛線）與實際帶通濾波器（實線）的幅頻特性。4.4濾波器品質(zhì)因素Q

將中心頻率fn與帶寬B之比稱為濾波器的品質(zhì)因素。

fn由下式確定：思考：品質(zhì)因素Q越大，濾波器分辨力越高實際濾波器參數(shù)（2）4.4濾波器

紋波幅度d：實際濾波器的通頻帶內(nèi)幅頻特性可能呈波紋變化，最大變化量稱為紋波幅度。一般應(yīng)遠小于-3dB。實際濾波器參數(shù)（3）4.4濾波器倍頻程選擇性W指在上截止頻率fc2與2fc2之間，或者在下截止頻率fc1與fc1/2之間幅頻特性的衰減量，即頻率變化一個倍頻程的衰減量。或

倍頻程選擇性表明濾波器過渡帶內(nèi)幅頻曲線的傾斜程度，它決定了濾波器對帶寬外頻率成分衰減能力。思考：W越大，衰減（），濾波器選擇性（）。越好越快實際濾波器參數(shù)（4）4.4濾波器濾波器因數(shù)（矩形系數(shù)）

濾波器選擇性的另一種表示法。用濾波器幅頻特性的-60dB帶寬與-3dB帶寬的比值表示。理想濾波器

=1，通常

～15。有些濾波器因器件影響（如電容漏阻），阻帶衰減達不到-60dB，可用-40dB或-30dB帶寬與-3dB帶寬的比值表示。實際濾波器參數(shù)（5）4.4濾波器(3)濾波器的逼近方式理想濾波器的性能只能用實際濾波器逼近，四種逼近方式的濾波器得到最廣泛的應(yīng)用：巴特沃斯、切比雪夫、橢圓和貝塞爾濾波器。低通巴特沃斯濾波器的增益4.4濾波器巴特沃斯，通帶增益穩(wěn)定；切比雪夫，過渡帶變化大，通帶增益波紋；橢圓，過渡帶變化大，通帶、阻帶波紋；貝塞爾，衰減速度較低，相角變化線性較好。四種濾波器的比較購買濾波器必須指定種類(例如，低通)、逼近方式(例如，巴特沃斯)、階數(shù)(例如，8)和截止頻率。對于切比雪夫和橢圓濾波器，必須指明通帶和阻帶的波紋。4.4濾波器常用RC調(diào)諧式濾波器優(yōu)點：RC濾波器電路簡單，抗干擾強，有較好的低頻特性，易于實現(xiàn)。一階RC低通濾波器低頻段近于不失真?zhèn)鬏?。高頻段近于積分器。高頻衰減率-20dB/dec。RC決定截止頻率。4.4濾波器4.4.3實際濾波器電路

當時，其幅頻特性。信號不受衰減通過；當時，，也即幅值比穩(wěn)定幅值降了-3dB。RC值決定著上截止頻率。改變RC值就可以改變?yōu)V波器的截止頻率；當時，輸出與輸入的積分成正比，即：

對高頻成分的衰減率為-20dB/10倍頻程。如果要加大濾波器的衰減率，可提高濾波器階數(shù)實現(xiàn)。低通濾波器的幅頻特性討論4.4濾波器低頻段近于微分器。高頻段近于不失真?zhèn)鬏?。RC決定截止頻率。一階RC

高通濾波器4.4濾波器當時，輸出與輸入的微分成正比，起著微分器的作用；當時，，也即幅值比穩(wěn)定幅值降了-3dB。RC值決定著上截止頻率。改變RC值就可以改變?yōu)V波器的截止頻率；當時，其幅頻特性。信號不受衰減通過。

高通濾波器的幅頻特性討論4.4濾波器帶通濾波器可由低通和高通濾波器串聯(lián)組成。為了消除串聯(lián)時負載效應(yīng)的影響，通常用輸出跟隨器或運算放大器實現(xiàn)隔離。因此，實際帶通濾波器通常是有源的。RC帶通濾波器思考：串聯(lián)所得的帶通濾波器以原高通的截止頻率為（