測試技術基礎第四章信號調理、處理和記錄

1、Page: 1第四章第四章 信號調理、處理和記錄信號調理、處理和記錄Page: 2主要內容主要內容 電橋 調制與解調 濾波器濾波器 信號的放大、顯示與記錄信號的放大、顯示與記錄Page: 3第一節(jié)第一節(jié) 電電 橋橋 定義：將電阻、電感、電容等參量的變化變?yōu)殡妷夯蚨x：將電阻、電感、電容等參量的變化變?yōu)殡妷夯螂娏鬏敵龅碾娏鬏敵龅囊环N測量電路一種測量電路。 輸出既可用指示儀表直接測量，也可送入放大器進行輸出既可用指示儀表直接測量，也可送入放大器進行放大。放大。 特點：電路簡單、有較高的精確度和靈敏度特點：電路簡單、有較高的精確度和靈敏度 分類分類: 按激勵電壓的性質：按激勵電壓的性質：直流電橋直流

2、電橋和和交流電橋交流電橋 按照輸出方式：按照輸出方式：不平衡橋式電路不平衡橋式電路和和平衡橋式電路平衡橋式電路Page: 4直流電橋直流電橋基本形式基本形式 平衡條件平衡條件04321423104340211URRRRRRRRURRRURRRUUUadaby4231RRRR要使電橋平衡，輸出為零，應要使電橋平衡，輸出為零，應滿足滿足直流電源直流電源輸出電壓輸出電壓Page: 5直流電橋輸出特性直流電橋輸出特性 半橋單臂法 輸出電壓為了簡化設計若 ，則輸出電壓 因 ，所以0434211URRRRRRRRUy043021RRRRRR，00RR 0024URRRUy0RR 004URRUyPage:

3、 6 電橋的輸出電橋的輸出 與激勵電壓與激勵電壓 成正比，且成正比，且在在 條件下，與條件下，與 成正比。成正比。 靈敏度靈敏度yU0U0RR 0/ RR041/URRUSy半橋單臂聯(lián)接方式半橋單臂聯(lián)接方式Page: 7直流電橋輸出特性 半橋雙臂法 輸出電壓輸出電壓 靈敏度靈敏度 與半橋單臂相比，靈敏度提高了一倍，電橋的輸與半橋單臂相比，靈敏度提高了一倍，電橋的輸出與出與 成完全線性關系成完全線性關系0004342211112URRURRRRRRRRRUy021/URRUSy0/ RRPage: 8直流電橋輸出特性 全橋法 輸出電壓 靈敏度 電橋接法不同，輸出電壓也不同，全橋接法可獲得最大輸出

4、00URRUy0/URRUSyPage: 9不平衡橋式電路不平衡橋式電路 上述電橋是在不平衡條件下工作的，它的缺點是電壓上述電橋是在不平衡條件下工作的，它的缺點是電壓不穩(wěn)定，或環(huán)境溫度變化時，會引起電橋輸出的變化，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。從而產(chǎn)生測量誤差。 因此，在某些情況下采用因此，在某些情況下采用平衡電橋平衡電橋平衡電橋平衡電橋平衡電橋平衡電橋。Page: 10平衡橋式電路平衡橋式電路設被測量等于零時，電橋設被測量等于零時，電橋處于平衡狀態(tài)，此時指示處于平衡狀態(tài)，此時指示儀表儀表G及可調電位器及可調電位器H指零。指零。當某一橋臂隨被測量變化當某一橋

5、臂隨被測量變化時，電橋失去平衡，調節(jié)時，電橋失去平衡，調節(jié)電位器電位器H，改變電阻，改變電阻R5觸電觸電位置，可使電橋重新平衡，位置，可使電橋重新平衡，電表電表G指針回零。指針回零。電位器電位器H上的標度與橋臂電上的標度與橋臂電阻值的變化成比例，故阻值的變化成比例，故H的的指示值可以直接表達被測指示值可以直接表達被測量的數(shù)值量的數(shù)值。Page: 11 特點特點 讀數(shù)時電表指針讀數(shù)時電表指針G始終指零，始終指零，“零點測量零點測量法法” 應用應用 靜態(tài)電阻應變儀：手動實現(xiàn)平衡靜態(tài)電阻應變儀：手動實現(xiàn)平衡 電子電位差計、電子電位差計、X-Y記錄儀：自動調平衡記錄儀：自動調平衡平衡橋式電路的特點及應

6、用平衡橋式電路的特點及應用Page: 12交流電橋交流電橋采用交流電橋采用交流激勵電壓交流激勵電壓。電橋的四個臂可為。電橋的四個臂可為電感、電容或電阻電感、電容或電阻。電橋平衡條件電橋平衡條件把各阻抗用指數(shù)式表示把各阻抗用指數(shù)式表示代入上式代入上式ZZZZ1234UU0y4231ZZZZ1011jeZZ 2022jeZZ 3033jeZZ 4044jeZZ 423104020301jjeZZeZZPage: 13交流電橋平衡條件交流電橋平衡條件交流電橋平衡必須滿足兩個條件：交流電橋平衡必須滿足兩個條件：其中，其中， 為各阻抗的模；為各阻抗的模； 為阻抗角。為阻抗角。阻抗角是各橋臂電流與電壓之間

7、的相位差。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，純電阻時電流與電壓同相位，=0；電感性阻抗，；電感性阻抗，0；電容性阻抗，電容性阻抗，0。423104020301ZZZZ04030201ZZZZ、4321、Page: 14 電容傳感器 電感傳感器 電阻傳感器cjrZc1LjrZLcjRZR1/rcZcLrZLRCZRPage: 15電容電橋平衡條件電容電橋平衡條件 平衡條件平衡條件 要使電橋達到平衡，必須同時調節(jié)電阻與電容兩個參數(shù)，即調節(jié)電阻達到平衡，調節(jié)電容達到平衡Page: 16電感電橋平衡條件電感電橋平衡條件 平衡條件平衡條件Page: 17純電阻電橋應注意的問

8、題純電阻電橋應注意的問題 由于導線間存在分布電容。因此，除了有電由于導線間存在分布電容。因此，除了有電阻平衡外，還須有電容平衡阻平衡外，還須有電容平衡 動態(tài)電阻應變儀中的具有電阻和電容平衡的動態(tài)電阻應變儀中的具有電阻和電容平衡的純電阻電橋純電阻電橋Page: 18第二節(jié)第二節(jié) 調制與解調調制與解調 目的目的：放大信號、便于傳輸放大信號、便于傳輸 調制調制：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：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。前一信號稱為過程。前一信號稱為載波載波，后一信號（控制信號）稱為，后一信號（控制信號）稱為調制信號調制信號。最后的輸出是最后的輸出是已調制

9、波已調制波。 解調解調：最終從已調制波中恢復出調制信號的過程。：最終從已調制波中恢復出調制信號的過程。 許多傳感器的輸出就是一種已調制信號！許多傳感器的輸出就是一種已調制信號！根據(jù)載波受調制的參數(shù)不同，調制可分為根據(jù)載波受調制的參數(shù)不同，調制可分為 調幅（調幅（AM）-調幅波調幅波 調頻（調頻（FM）-調頻波調頻波 調相（調相（PM）-調相波調相波Page: 19Page: 20一、調幅及其解調一、調幅及其解調 定義定義：調幅是將一個高頻簡諧信號（載波）與測試信號（調制調幅是將一個高頻簡諧信號（載波）與測試信號（調制信號）相乘，使高頻信號的幅值隨測試信號的變化而變化。信號）相乘，使高頻信號的幅

10、值隨測試信號的變化而變化。 調幅原理調幅原理 由傅立葉變換的性質知：在時域中兩個信號相乘，則對應在頻由傅立葉變換的性質知：在時域中兩個信號相乘，則對應在頻 域中這兩個信號進行卷積，即域中這兩個信號進行卷積，即 余弦函數(shù)的頻域圖形是一對脈沖譜線余弦函數(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)卷積的結果，就是將其圖形由坐標原點平移至該脈沖函數(shù)處。 fYfXtytx*00021212cosfffftfPage: 21若以高頻余弦信號作載波，把信號若以高頻余弦信號作載波，把信號x(t)和載波和載波信號相乘，其結果就相當于把原信號的頻譜圖信號相乘，其結果就相當于把原信號的頻譜圖形由原點平移至載波

11、頻率形由原點平移至載波頻率 處，幅值減半。處，幅值減半。即，即， 調幅過程相當于頻譜“搬移”過程0f 000*21*212cosfffXfffXtftxPage: 22調幅過程調幅過程Page: 23須注意的問題須注意的問題從調幅原理看，載波頻率從調幅原理看，載波頻率 必須高于原信號中的最高必須高于原信號中的最高頻率頻率 才能使已調波仍保持原信號的頻譜圖形，不致才能使已調波仍保持原信號的頻譜圖形，不致重疊。重疊。為了減小放大電路可能引起的失真，信號的頻寬相對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（載波頻率中心頻率（載波頻率 ）應越小越好。）應越小越好。實際載波頻率常至少數(shù)倍甚至

12、數(shù)十倍于調制信號。實際載波頻率常至少數(shù)倍甚至數(shù)十倍于調制信號。幅值調制裝置幅值調制裝置實質上是一個實質上是一個乘法器。乘法器。電橋電橋在本質上也是一個在本質上也是一個乘法裝置。乘法裝置。0fmf0fPage: 24解解 調調 11）同步解調）同步解調把調幅波再次與原載波信號相乘，把調幅波再次與原載波信號相乘，則頻域圖形將再一次進行則頻域圖形將再一次進行“搬搬移移”。若用一個低通濾波器濾去中心頻若用一個低通濾波器濾去中心頻率為率為 的高頻成分，那么將可的高頻成分，那么將可以復現(xiàn)原信號的頻譜（幅值減小以復現(xiàn)原信號的頻譜（幅值減小為一半），這一過程稱為為一半），這一過程稱為同步解同步解調調。 “同步

13、同步”指解調時所乘的信號指解調時所乘的信號與調制時的載波信號具有與調制時的載波信號具有相相同的頻率和相位同的頻率和相位。02 fPage: 25解解 調調 2（2）偏置解調）偏置解調把調制信號進行偏置，疊把調制信號進行偏置，疊加一個直流分量加一個直流分量A，使偏置，使偏置后的信號都具有正電壓，后的信號都具有正電壓，那么調幅波的包絡線將具那么調幅波的包絡線將具有原調制信號的形狀。把有原調制信號的形狀。把該調幅波簡單地整流、濾該調幅波簡單地整流、濾波就可恢復原調制信號。波就可恢復原調制信號。如果原調制信號中有直流如果原調制信號中有直流分量，則在整流后分量，則在整流后應準確應準確地減去所加的偏置電壓

14、地減去所加的偏置電壓。Page: 26解解 調調 3（2）偏置解調）偏置解調若所加的偏置電壓未能若所加的偏置電壓未能使信號電壓都在零線的使信號電壓都在零線的一側，則對調幅波簡單一側，則對調幅波簡單地整流不能恢復原調制地整流不能恢復原調制信號。信號。相敏檢波技術相敏檢波技術可解決此可解決此問題。問題。Page: 27相相 敏敏 檢檢 波波Page: 28相敏檢波的工作原理相敏檢波的工作原理 原信號、調幅波與載波之間的關系原信號、調幅波與載波之間的關系 當當 ，調幅波與載波同相位；，調幅波與載波同相位； 當當 ，調幅波與載波反相位，調幅波與載波反相位 工作原理工作原理 調幅波與載波調幅波與載波y(

15、t)同相同相 載波電壓為正載波電壓為正 均為正均為正 （ 原信號原信號x(t)為正）為正） 載波電壓為負載波電壓為負 調幅波與載波調幅波與載波y(t)異相異相 載波電壓為正載波電壓為正 均為負均為負 （原信號（原信號x(t)為負）為負） 載波電壓為負載波電壓為負 利用二極管的單向導通作用將電路輸出機性換向利用二極管的單向導通作用將電路輸出機性換向 0)(tx0)(txPage: 29動態(tài)電阻應變儀動態(tài)電阻應變儀 電橋調幅與相敏檢波的典型應用電橋調幅與相敏檢波的典型應用Page: 30二、調頻及其解調二、調頻及其解調 調頻調頻（頻率調制）是利用信號電壓的幅值控制一個（頻率調制）是利用信號電壓的幅

16、值控制一個振蕩器，振蕩器輸出的是等幅波，但其振蕩頻率偏振蕩器，振蕩器輸出的是等幅波，但其振蕩頻率偏移量和信號電壓成正比。移量和信號電壓成正比。當信號電壓為零時，當信號電壓為零時，調頻波的頻率等于調頻波的頻率等于中心頻率；信號電中心頻率；信號電壓為正值時頻率提壓為正值時頻率提高，負值時則降低。高，負值時則降低。Page: 31Page: 32（一）直接調頻測量電路（一）直接調頻測量電路 把被測量的變化直接轉換為振把被測量的變化直接轉換為振蕩頻率的變化稱為直接調頻式測蕩頻率的變化稱為直接調頻式測量電路，其輸出也是等幅波。量電路，其輸出也是等幅波。舉例：電容、渦流、電感傳感器舉例：電容、渦流、電感傳

17、感器的一種測量電路的一種測量電路兩種常用的調頻方法及一種解調方案兩種常用的調頻方法及一種解調方案：Page: 33兩種常用的調頻方法及一種解調方案兩種常用的調頻方法及一種解調方案（二）壓控振蕩器（二）壓控振蕩器（ VCO ） 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系。 有多種形式的芯片出售，振蕩器的中心頻有多種形式的芯片出售，振蕩器的中心頻率和頻率范圍由生產(chǎn)廠家預置，頻率范圍與率和頻率范圍由生產(chǎn)廠家預置，頻率范圍與控制電壓相對應?？刂齐妷合鄬?。Page: 34（三）鑒頻器原理（三）鑒頻器原理(調頻波的解調又稱為鑒頻，是將頻率變化恢復調頻波的解調又稱為鑒頻，是將頻率變化恢復成調制信

18、號電壓幅值變化的過程。成調制信號電壓幅值變化的過程。Page: 35第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器 定義：是一種選頻裝置。定義：是一種選頻裝置。 作用：選頻作用（進行頻譜分析、濾除作用：選頻作用（進行頻譜分析、濾除干擾噪聲）干擾噪聲） 分類：分類： 按選頻作用分按選頻作用分低通濾波器低通濾波器高通濾波器高通濾波器 帶通濾波器帶通濾波器 帶阻濾波器帶阻濾波器Page: 36濾波器的分類濾波器的分類1Page: 37濾波器的分類濾波器的分類2 按構成元件類型分按構成元件類型分 RC諧振濾波器諧振濾波器 LC諧振濾波器諧振濾波器 晶體諧振濾波器晶體諧振濾波器 按構成電路性質分按構成電路性質分 有源濾波器

19、有源濾波器 無源濾波器無源濾波器 按所處理的信號分按所處理的信號分 模擬濾波器模擬濾波器 數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器Page: 38濾波器性能分析濾波器性能分析-理想濾波器理想濾波器 定義：定義：若濾波器的頻率若濾波器的頻率響應響應H( f )滿足如下條件滿足如下條件: 其它0020cftjffeAfH特別提醒特別提醒: : 理想低通濾理想低通濾波器是不能實現(xiàn)的波器是不能實現(xiàn)的! !Page: 39Page: 40特別提醒特別提醒 理想的高通、帶通、帶阻理想的高通、帶通、帶阻濾波器都是不存在的。濾波器都是不存在的。Page: 41濾波器性能分析濾波器性能分析- 實際濾波器的特征參數(shù)實際濾波器的特征參

20、數(shù)截止頻率截止頻率帶寬帶寬B波紋幅度波紋幅度品質因子品質因子(Q值值)倍頻程選擇性倍頻程選擇性濾波器因數(shù)濾波器因數(shù)（矩形系數(shù)）（矩形系數(shù)）Page: 42 帶寬帶寬B： 上下兩截止頻率之間的頻率范圍上下兩截止頻率之間的頻率范圍,又稱又稱-3dB帶寬。帶寬。帶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。 品質因子（品質因子（Q值）：值）：對帶通濾波器而言，定義對帶通濾波器而言，定義為中心頻率為中心頻率f0與帶寬與帶寬B的比值，即的比值，即Q = f0 / B。 倍頻程選擇性倍頻程選擇性: 頻率變化一個倍頻程的幅頻特頻率變化一個倍頻程的幅頻特性的衰減量，以性的衰減量，以dB表示。表示。

21、衰減越快，選擇性越好。 濾波器因數(shù)（矩形系數(shù)）濾波器因數(shù)（矩形系數(shù)）：dBdBBB360實際濾波器的特征參數(shù)實際濾波器的特征參數(shù)Page: 43實際濾波電路實際濾波電路微分方程微分方程傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)Page: 44一階一階RC低通濾波器頻率特性低通濾波器頻率特性RC決定著上截止頻率RC低通濾波器起著積分器的作用Page: 45RC高通濾波器頻率特性高通濾波器頻率特性Page: 461、當 時， 濾波器的-3dB截止頻率為2、當 時， ； RC高通濾波器可視為不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)高通濾波器可視為不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。3、當 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。21f 21fARC

22、fc21121f 1fA 0f21fPage: 47RC帶通濾波器帶通濾波器的基本特性 可看成是低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)組成。Page: 48RC帶通濾波器帶通濾波器的基本特性串聯(lián)所得的帶通濾波器以原高通濾波器的截止串聯(lián)所得的帶通濾波器以原高通濾波器的截止頻率為下截止頻率，其上截止頻率為原低通的頻率為下截止頻率，其上截止頻率為原低通的截止頻率，即截止頻率，即分別調節(jié)高、低通環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，就可得到不同的上、下截止頻率和帶寬的帶通濾波器。Page: 49電感和電容一起使用可以改善濾波器邊緣Page: 50提高濾波器性能的方法提高濾波器性能的方法Page: 51提醒注意提醒注意 多個簡單濾波器的級聯(lián)能改善濾波器的過渡帶性能 帶來的問題：負載效應、相移增大 如何解決此問題？Page: 52有源濾波器的基本構造有源濾波器的基本構造Page: 53一階有源濾波器一階有源濾波器Page: 54帶通濾波器在信號頻率分析中的應用帶通濾波器在信號頻率分析中的應用 多路濾波器的并聯(lián)形式多路濾波器的并聯(lián)