大學(xué)機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)經(jīng)典課件s4信號調(diào)理

1、第四章 信號調(diào)理、處理和記錄,§1 電橋 §2 調(diào)制與解調(diào) §3 濾波器,§4 信號的指示和記錄裝置,一、直流電橋,二、交流電橋,§1 電 橋,目 錄,一、調(diào)幅及其解調(diào),二、調(diào)頻及其解調(diào),§2 調(diào)制與解調(diào),目 錄,一、濾波器分類,二、

2、理想濾波器,三、實際RC調(diào)諧式濾波器,四、恒帶寬比濾波器和恒帶寬濾波器,§3 濾波器,目 錄,§1 電 橋電橋是將電阻、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。分類： 按激勵電壓的性質(zhì) 直流電橋 交流電橋 按輸出方式 不平衡橋式電路

3、 平衡橋式電路,目 錄,一、直流電橋1、電路形式 2、平衡條件 為直流電源要使電橋平衡，輸出為零，應(yīng)滿足 為輸出電壓,上 頁,目 錄,3

4、、輸出特性（1）半橋單臂接法 輸出電壓為了簡化設(shè)計，取相鄰兩橋臂電阻相等，即若 ，則輸出電壓因 ，所以,上 頁,目 錄,可見，電橋的輸出 與激勵電壓 成正比，且在 條件下，與 成正比。靈敏度,上 頁,目 錄,（2）半橋雙臂接法輸出靈

5、敏度與半橋單臂相比，靈敏度提高了一倍，電橋的輸出與 成完全線性關(guān)系。,上 頁,目 錄,（3）全橋接法輸出 靈敏度上述電橋是在不平衡條件下工作的，它的缺點是當(dāng)電源電壓不穩(wěn)定，或環(huán)境溫度變化時，會引起電橋輸出的變化，從而產(chǎn)生測量誤差。因此，在某些情況下采用平衡電橋。,上

6、 頁,目 錄,平衡電橋設(shè)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(diào)電位器H指零。當(dāng)某一橋臂隨被測量變化時，電橋失去平衡，調(diào)節(jié)電位器H，改變電阻R5觸電位置，可使電橋重新平衡，電表G指針回零。電位器H上的標(biāo)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(dá)被測量的數(shù)值。,上 頁,目 錄,二、交流電橋交流電橋采用交流激勵電壓。電橋的四個臂可為電感、電容或電阻。電橋平衡條件把各阻抗用指數(shù)式

7、表示代入上式,上 頁,目 錄,阻抗角是各橋臂電流與電壓之間的相位差。純電阻時電流與電壓同相位，φ=0；電感性阻抗，φ>0；電容性阻抗，φ<0。,上 頁,目 錄,電橋平衡必須滿足兩個條件其中， 為各阻抗的模； 為阻抗角。,電容傳感器 電感傳感器

8、 電阻傳感器,上 頁,目 錄,第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)調(diào)制：使一個信號的某些參數(shù)在另一信號的控制下發(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。最后的輸出是已調(diào)制波。解調(diào)：最終從已調(diào)制波中恢復(fù)出調(diào)制信號的過程。根據(jù)載波受調(diào)制的參數(shù)不同，調(diào)制可分為 調(diào)幅（AM）

9、 調(diào)頻（FM） 調(diào)相（PM）,上 頁,目 錄,一、調(diào)幅及其解調(diào)調(diào)幅：將一個高頻簡諧信號（載波）與測試信號（調(diào)制信號）相乘，使高頻信號的幅值隨測試信號的變化而變化。1、調(diào)幅原理由傅立葉變換的性質(zhì)知：在時域中兩個信號相乘，則對應(yīng)在頻域

10、中這兩個信號進(jìn)行卷積，即余弦函數(shù)的頻域圖形是一對脈沖譜線一個函數(shù)與單位脈沖函數(shù)卷積的結(jié)果，就是將其圖形由坐標(biāo)原點平移至該脈沖函數(shù)處。,上 頁,目 錄,若以高頻余弦信號作載波，把信號x(t)和載波信號相乘，其結(jié)果就相當(dāng)于把原信號的頻譜圖形由原點平移至載波頻率 處，幅值減半。即，,上 頁,目 錄,,,,,,調(diào)制器,,,上 頁,目 錄,x(t),y(t),從調(diào)幅原理看，載波頻率

11、 必須高于原信號中的最高頻率 才能使已調(diào)波仍保持原信號的頻譜圖形，不致重疊。為了減小放大電路可能引起的失真，信號的頻寬 相對中心頻率（載波頻率 ）應(yīng)越小越好。實際載波頻率常至少數(shù)倍甚至數(shù)十倍于調(diào)制信號。,上 頁,目 錄,,,,,,,,,乘法器,低通,,,2、解調(diào)（1）同步解調(diào)把調(diào)幅波再次與原載波信號相乘，則頻域圖形將再一次進(jìn)行“偏移”。若用一個低通濾波器濾去中心頻

12、率為 的高頻成分，那么將可以復(fù)現(xiàn)原信號的頻譜（幅值減小為一半），這一過程稱為同步解調(diào)?！巴健敝附庹{(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。,上 頁,目 錄,載波y(t),調(diào)幅波,x(t),（2）偏置解調(diào)把調(diào)制信號進(jìn)行偏置，疊加一個直流分量A，使偏置后的信號都具有正電壓，那么調(diào)幅波的包絡(luò)線將具有原調(diào)制信號的形狀。把該調(diào)幅波簡單地整流、濾波就可恢復(fù)原調(diào)制信號。如果原調(diào)制信號中有直流分量

13、，則在整流后應(yīng)準(zhǔn)確地減去所加的偏置電壓。若所加的偏置電壓未能使信號電壓都在零線的一側(cè)，則對調(diào)幅波簡單地整流不能恢復(fù)原調(diào)制信號。相敏檢波技術(shù)可解決此問題。,上 頁,目 錄,,3、相敏檢波,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,A,5,4,1,2,3,B,C,d,.,.,.,.,上 頁,目 錄,工作原理：調(diào)幅波與載波

14、y(t)同相 載波電壓為正 均為正 （ 原信號x(t)為正） 載波電壓為負(fù) 調(diào)幅波與載波y(t)異相 載波電壓為正 均為負(fù) （原信號x(t)為負(fù)） 載波電壓為負(fù),上 頁,目 錄,4、動態(tài)電阻應(yīng)變儀,上 頁,目 錄,二、調(diào)頻及其解調(diào)調(diào)頻（頻率調(diào)制）是利用信號電壓的幅值控制一個振蕩器，振蕩器輸出的是等幅

15、波，但其振蕩頻率偏移量和信號電壓成正比。當(dāng)信號電壓為零時，調(diào)頻波的頻率等于中心頻率；信號電壓為正值時頻率提高，負(fù)值時則降低。,上 頁,目 錄,兩種常用的調(diào)頻方法及一種解調(diào)方案：（一）直接調(diào)頻測量電路把被測量的變化直接轉(zhuǎn)換為振蕩頻率的變化稱為直接調(diào)頻式測量電路，其輸出也是等幅波。（二）壓控振蕩器壓控振蕩器的輸出瞬時頻率與輸入的控制電壓值成線性關(guān)系。,上 頁,目 錄,（三）變壓器耦合的諧振回路

16、鑒頻法調(diào)頻波的解調(diào)又稱為鑒頻，是將頻率變化恢復(fù)成調(diào)制信號電壓幅值變化的過程。隨著測量參數(shù)的變化，幅值 隨調(diào)頻波頻率近似線性變化，調(diào)頻波 的頻率和測量參數(shù)保持近似線性關(guān)系。因此，把 進(jìn)行幅值檢波就能獲得測量參量變化的信息，且保持近似線性關(guān)系。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,頻率-電壓線性,變換部分,幅值檢波部分,目 錄,上 頁

17、,,第三節(jié) 濾波器一、概述1、作用：選頻作用 ①進(jìn)行頻譜分析 ②濾除干擾噪聲2、分類 ①低通濾波器按選頻作用分 ②高通濾波器

18、 ③帶通濾波器 ④帶阻濾波器,上 頁,目 錄,,①RC諧振濾波器按構(gòu)成元件類型分 ②LC諧振濾波器 ③晶體諧振濾波器按構(gòu)成電路性質(zhì)分 ①有源濾波器 ②無源濾波器按

19、所處理的信號信號分 ①模擬濾波器 ②數(shù)字濾波器,上 頁,目 錄,二、理想濾波器若濾波器的頻率響應(yīng)H(f)滿足條件則稱為理想濾波器。,上 頁,目 錄,,,,,,f,0,脈沖響應(yīng)函數(shù)在頻域為矩形窗函數(shù)的“理想”低通濾波器的時域脈沖響應(yīng)函數(shù)是sinc函數(shù)。如無相角滯后，即

20、，則h(t)具有對稱的圖形。,上 頁,目 錄,理想濾波器是不能實現(xiàn)的。因為h(t)是濾波器在δ(t)作用下的輸出，其圖形卻表明，在輸入δ(t)到來之前，即t<0, 濾波器就有了與輸入相對應(yīng)的輸出。顯然，這違背了因果關(guān)系，任何現(xiàn)實的濾波器不可能有這種預(yù)知未來的能力，所以理想低通濾波器是不可能存在的?？梢酝普?，理想的高通、帶通、帶阻濾波器都是不存在的。,上 頁,目 錄,階躍響應(yīng)給濾波器以單位

21、階躍輸入u(t)，濾波器的輸出y(t)將是該輸入和脈沖響應(yīng)函數(shù)h(t)的卷積：不考慮前、后皺波，輸出從零值（a點）到應(yīng)有穩(wěn)定值 （b點）需要一定的建立時間 。,上 頁,目 錄,,,,,,,,,0,t,y(t),時移 只影響輸出曲線y(t)的右移，不影響 值。,濾波器的通頻帶越寬，即 越大，則h(t)的圖形越陡峭，響應(yīng)的建立時間

22、 也將越小。,上 頁,目 錄,低通濾波器對階躍響應(yīng)的建立時間 和帶寬B成反比，或者說帶寬和建立時間的乘積是常數(shù)，即,上 頁,目 錄,需要一定建立時間的解釋：輸入信號如有突變處必然含有豐富的高頻分量。低通濾波器阻衰了高頻分量，其結(jié)果是把輸出波形“圓滑”了。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，所以建立時間就短；反之，則長。,三、實際RC調(diào)諧式濾波器（一）基本參數(shù)

23、1、紋波幅度d 2、截止頻率 幅頻特性值 等于 所對應(yīng)的頻率。3、帶寬B和品質(zhì)因數(shù)Q值上下兩截止頻率之間的頻率范圍稱為濾波器帶寬。中心頻率 和帶寬B之比稱為濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q。4、倍頻程選擇性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量。5、濾波器因數(shù)λ,,,,

24、,,,,,,,,,,,,,,A(f),f,f,f,0,c1,c2,.,d,d,上 頁,目 錄,（二）RC調(diào)諧式濾波器的基本特性1、一階RC低通濾波器電路的微分方程式：令τ=RC，稱時間常數(shù)。傳遞函數(shù),上 頁,目 錄,1º、當(dāng) 時，A(f)=1,φ(f)-f 近似于一條通過原點的直線。 此時，RC低通濾波器是一個不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。2º、

25、當(dāng) 時， ，即 表明，RC值決定著上截止頻率。3º、當(dāng) 時，輸出 與輸入 的積分成正比，即 此時，RC低通濾波器起著積分器的作用。,上 頁,目 錄,2、RC高通濾波器微分方程式令RC=τ，則傳遞函數(shù),上 頁,目 錄,1º、當(dāng)

26、 時， 濾波器的-3dB截止頻率為2º、當(dāng) 時， ； RC高通濾波器可視為不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。3º、當(dāng) 時，輸出與輸入的微分成正比， RC高通濾波器起著微分器的作用。,上 頁,目 錄,3、RC帶通濾波器帶通濾波器可看成是低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)組成。串聯(lián)所得的帶通濾波器

27、以原高通濾波器的截止頻率為下截止頻率，即其上截止頻率為原低通的截止頻率，即分別調(diào)節(jié)高、低通環(huán)節(jié)的時間常數(shù)（ 及 ），就可得到不同的上、下截止頻率和帶寬的帶通濾波器。,上 頁,目 錄,四、恒帶寬比濾波器和恒帶寬濾波器 ①使帶通濾波器的中心頻率可調(diào)，通過改變RC 調(diào)諧 參數(shù)而使其中心頻率跟隨所需量測的信

28、 號頻段。 ②使用一組各自中心頻率固定的、但又按一定規(guī) 律 相隔的濾波器組。,多個濾波器,上 頁,目 錄,（一）恒帶寬比濾波器帶寬比 濾波器的中心頻率越高，其帶寬越大。若一個帶通濾波器的低端截止頻率為 ，高端截止頻率為

29、 ，則其關(guān)系為： n稱為倍頻程數(shù)濾波器中心頻率恒帶寬比濾波器的頻率分辨力在低頻段較好，在高頻段則甚差。,上 頁,目 錄,上 頁,目 錄,（二）恒帶寬濾波器恒帶寬濾波器在所有頻段都具有同樣良好的頻率分辨力。恒帶寬濾波器不宜做成固定中心頻率的。一般利用一個定帶寬的定中心頻率的濾波器加上可變參考頻率的差頻變換來適應(yīng)各種不同中心頻率的定帶

30、寬濾波的需要。,上 頁,目 錄,第四節(jié) 信號的指示和記錄裝置 動圈式磁電指示機(jī)構(gòu) 光線示波器 伺服式記錄儀 采用陰極射線管的信號顯示和記錄裝置 數(shù)字式波形存儲記錄儀 磁記錄器 磁帶記錄器