第四章機械工程測試技術(shù)-信號的調(diào)理與記錄

1、機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)第一節(jié) 電橋第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)第三節(jié) 濾波器第四節(jié) 信號的指示和記錄裝置第四章 信號的調(diào)理與記錄機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 信號調(diào)理的作用信號調(diào)理的作用 對傳感器輸出的原始信號或系統(tǒng)中某一環(huán)節(jié)的輸出信號進行再對傳感器輸出的原始信號或系統(tǒng)中某一環(huán)節(jié)的輸出信號進行再加工，以滿足下一環(huán)節(jié)輸入要求的需要。加工，以滿足下一環(huán)節(jié)輸入要求的需要。 信號調(diào)理的原因信號調(diào)理的原因傳感器輸出的電信號非常微弱，需要放大和變換。傳感器輸出的電信號非常微弱，需要放大和變換。傳感器輸出的電參量需要轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芰?。傳感器輸出的電參量需要轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芰?。降噪，提高信噪比。降?/p>

2、，提高信噪比。分離有用分量。分離有用分量。模數(shù)轉(zhuǎn)換。模數(shù)轉(zhuǎn)換。返回章目錄第四章 信號的調(diào)理與記錄機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)信號調(diào)理的種類信號調(diào)理的種類1. 參量變換型：常用于參量型傳感器，將電參量變換成電壓和電流量。被測量參量型傳感器電橋、諧振電路R, L, CV, I2. 阻抗變換、幅度調(diào)節(jié) U, I被測量發(fā)電型傳感器放大、衰減、阻抗匹配、變換V, I3. 調(diào)制、解調(diào)被測量傳感器解調(diào)調(diào)制放大、傳送調(diào)制波輸出4. 品質(zhì)調(diào)節(jié)： 線性化處理擴大測量范圍，減少非線性失真； 濾 波保持有用信號，消除干擾； 倍頻、細分提高測量精度；5. A/D、D/A轉(zhuǎn)換：與計算機相聯(lián)系。第四章 信號的調(diào)

3、理與記錄機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 電橋是將電阻、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量電路。分類 ：按激勵電壓（1）直流電橋 （2）交流電橋 按輸出方式（1）不平衡橋式電路 （2）平衡橋式電路 按工作原理（1）偏值法 （2）歸零法U0abcdI1I2R1R2R3R4Uy圖4-1 直流電橋第一節(jié) 電橋機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 圖4-1是直流電橋的基本形式。以電阻R1，R2，R3，R4作為四個橋臂，a、c兩端接入直流電源U0，在b、d兩端為輸出電壓Uy。當電橋輸出端后接較大輸入電阻的儀表或放大器時，可視為開路，電流輸出為零，此時橋路電流為 2101RR

4、UI4302RRUIa, b之間與a, d之間電位差為 021111URRRRIUab043442URRRRIUad輸出電壓為 04321423104340211)(URRRRRRRRURRRURRRUUUadabybU0acdI1I2R1R2R3R4Uy圖4-1 直流電橋（4-4）第一節(jié) 電橋機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)由此可知，若使電橋平衡，輸出為零，應滿足 04231RRRR4231RRRR3421RRRR由式（4-4），如果適當選擇各橋臂電阻值，可使輸出電壓與被測量引起的電阻變化量有關(guān)。 R4R3R1R1dcbaR2UyU0a)R4R3R1R1dcbaR2 R2UyU0b)

5、R4 R4R3R3R1R1dcbaR2 R2U0c)圖4-2 直流電橋的連接方式a)半橋單臂 b)半橋雙臂 c)全橋第一節(jié) 電橋機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)在實際測試中，橋臂分為半橋式與全橋式聯(lián)接，見圖4-2，在圖a 中表示半橋聯(lián)接，工作中只有一個臂阻值隨被測的量而變化。設(shè)R1是電阻 R1 的電阻增量。根據(jù)式（4-3），此是輸出電壓為 043421111)(URRRRRRRRUy為了簡化橋路設(shè)計，令 R1= R2 = R3= R4= R0 ，則輸出電壓為 010124URRRUy因為R1 R0，所以 0014URRUy（4-5） 可見，電橋輸出 Uy 電壓與激勵電壓 U0 成正比，

6、并且在R10電容性阻抗時電流滯后電壓0 第一節(jié) 電橋機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)式（4-10）表明，交流電橋平衡必須滿足兩個條件： （1）相對兩橋臂阻抗之模的乘積應相等 （2）它們的阻抗角之和也必須相等 為了滿足上述平衡條件，交流電橋各臂可有不同的組合。常用的電容、電感電橋，其相鄰兩臂接入電阻（例如 Z02=R2, Z03=R3, 2=3 =0），而另外兩個橋臂接入相同性質(zhì)的阻抗，例如電容或電感，保持1=4 。 圖4-4是一種常用電容電橋，2、3兩相鄰為純電阻R2, R3，另外兩相鄰臂為電容C1,C4，可視為電容介質(zhì)損耗的等效電阻。根據(jù)平衡條件有： 244311)1()1(RCjR

7、RCjR42241331CjRRRCjRRR圖4-4 電容電橋U0abcdR1R2R3R4UyC1C4第一節(jié) 電橋機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)令上式實部、虛部分別相等，則有下面兩個平衡條件 （4-11） 4213CRCR（4-12） 由此可知，要使電橋達到平衡，必須同時調(diào)節(jié)電阻與電容兩個參數(shù)，達到電阻和電容都平衡。圖4-5是一種電感電橋，兩相鄰橋臂為電感L1, L4與電阻，根據(jù)式（4-10）平衡條件 244311)()(RLjRRLjR13132442RRj LRR Rj L R實、虛部分別相等 4231RRRR（4-13） 2431RLRL（4-14） U0abcdR1R2R3R

8、4Uy圖4-5 電感電橋L1L44231RRRR第一節(jié) 電橋機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 對于純電阻交流電橋，即使各橋臂均為電阻，但由于導線間存在分布電容，相當于在各橋臂上并聯(lián)一個電容（見圖4-6），為此除了電阻平衡外，還需要電容平衡。注意（1）一般情況下交流供橋電壓具有良好的電壓波形與頻率穩(wěn)定度，如果電壓波形畸變，基波易達到平衡，將有高次諧波電壓輸出。 （2）一般采用音頻交流電源（510kHz）作為電源。外工頻干擾不易介入，放大電路簡單無零漂。 （3）采用交流電橋，必須注意一些影響測量誤差的因數(shù)。例如元件間互感影響；無感電阻的殘余阻抗；鄰近交流電路對電橋感應；泄漏電阻以及元件之間

9、、元件與地間的分布電容。 第一節(jié) 電橋機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 帶感應耦合臂的電橋是將感應耦合的兩個繞組作為橋臂而組成的電橋，一般有以下兩種形式：圖4-11 帶感應耦合臂的電橋第一節(jié) 電橋變壓器電橋變壓器電橋 繞組W1、W2與阻抗Z3、Z4構(gòu)成電橋的四個臂。繞組W1、W2相當于變壓器的二次邊繞組。平衡時，指零儀G指零。a)b)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)電橋平衡時，繞組W1、W2的激磁效應互相抵消，鐵心中無磁通，所以指零儀G指零。 以上兩種電橋中的感應耦合臂可代以差動式三繞組電感傳感器，通過它的敏感元件鐵心，將被測位移量轉(zhuǎn)換為繞組間互感變化，再通過電橋轉(zhuǎn)換為電壓或電

10、流的輸出。 優(yōu)點優(yōu)點：與一般電橋比較，具有較高的精確度、靈敏度和穩(wěn)定性。：與一般電橋比較，具有較高的精確度、靈敏度和穩(wěn)定性。 第一節(jié) 電橋機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)信號調(diào)制的作用：1、緩變電信號實現(xiàn)交流放大 ：消除放大器零漂的影響。（同頻信噪比）2、減小信號頻率的動態(tài)范圍 ：減少信號傳輸過程的失真。3、單通道傳輸多路信號： 簡化復雜系統(tǒng)的信號傳輸網(wǎng)絡(luò)。調(diào)制是一個信號的某些參數(shù)在另一個信號控制下而發(fā)生變化的過程。 前一信號稱為載波(較高頻率交變信號)，后一信號(控制信號)稱為 調(diào)制信號，最后輸出已調(diào)制波，載波上達載了調(diào)制信號的信息。解調(diào)從已調(diào)制波中恢復出調(diào)制信號的過程。 載波調(diào)制分

11、類：（1）調(diào)幅(AM) （2）調(diào)頻(FM) （3）調(diào)相（PM）它們的已調(diào)波分別被稱為 （1）調(diào)幅波 （2）調(diào)頻波 （3）調(diào)相波 圖4-13 表示了 載波、調(diào)制信號、調(diào)幅波和調(diào)頻波。第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)1. 幅值調(diào)制原理調(diào)幅高頻簡諧信號(載波)與測試信號(調(diào)制信號)相乘產(chǎn)生調(diào)幅信號。 y(t)=x(t)cos2f0 t 即高頻信號的幅值隨測試信號的變化而變化,如交流電橋。 0ty(t)=cos2f0 t0tx(t)0txm(t)a)0ff0- f0Y (f)1/21/20ff0- f0Y (f)0ff0- f0Xm (f)=X(f)*Y(f)2fmb)圖4-

12、13 調(diào)幅過程 a) 時域 b)頻域第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)載波為余弦信號，由函數(shù)的時移性質(zhì)可知，其頻譜是一對脈沖譜線 ：（4-21） 在頻域上，調(diào)幅過程就相當于把調(diào)制信號頻譜移至載波信號頻率中心處的“搬移過程” 。00011cos2()()22ftffff調(diào)幅波：)()(21)()(212cos)(000fffXfffXtftx2. 調(diào)幅信號的頻譜分析調(diào)幅信號的頻譜分析調(diào)幅條件：調(diào)幅條件：（1）載波頻率 f0 必須高于調(diào)制信號中最高頻率 fm，才能不產(chǎn)生混疊。 （2）信號頻寬 2 fm相對中心頻率（載波頻率）越小越有利于放大、濾波。 （3）須用濾波器濾除fm

13、的高頻燥聲，避免高頻燥聲產(chǎn)生混疊。第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 若把調(diào)幅波再次與原載波信號相乘，則頻域圖形將再一次進行“搬移”，其結(jié)果如圖4-14所示。若用一個低通濾波器濾去中心頻率為 2f0 的高頻成分，那么將可以復現(xiàn)原信號的頻率（只是幅值減小一半，可以放大處理），這一過程叫做“同步解調(diào)”。“同步”是指解調(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。0ff0- f0Y (f)1/21/202f0 ffm fcfc - fmXm(f)*Y (f)0ff0- f0Xm (f)圖4-14 同步解調(diào)乘法器 低 通xm(f)調(diào)幅波載波y(t)x(t)-2f0低通3

14、. 調(diào)幅信號的解調(diào)方法調(diào)幅信號的解調(diào)方法 幅度調(diào)制的解調(diào)有多種方法，常用的有同步解調(diào)、包絡(luò)檢波和相敏檢波法。（1）同步解調(diào)第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)tftxtxtftxtftftx00004cos)(21)(21)4cos1 (21)(2cos2cos)(（4-22） 低通濾波器將頻率為 2f0 的高頻信號濾去，則得到 x(t)/2。調(diào)幅的目的是使緩變信號便于放大和傳輸。解調(diào)的目的是為了恢復原信號。例如：把廣播中聲音信號調(diào)制到某一頻率，便于傳輸和放大，又可避免干擾。在時域中可看到：第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 若把調(diào)制信號進行偏置，

15、疊加一個直流分量A，使偏置后信號都具有正電壓，那么調(diào)幅包絡(luò)線將具有原調(diào)制信號的形狀，如圖4-15a 所示。把該調(diào)幅波 xm(t) 簡單整流、濾波，就可恢復原信號。如果原調(diào)制信號中有直流分量，則在整流后應準確減去所加偏置電壓。若所加偏置電壓未能使信號電壓恒大于零，則對調(diào)幅波作簡單整流就不能恢復原信號，見圖4-15b，相敏技術(shù)就能解決這一問題。 0 x(t)t0 x(t)t0 xm(t)t0 xm(t)t 圖4-15 調(diào)制信號加偏置的調(diào)幅波a) 偏置電壓足夠大 b) 偏置電壓不夠大a)b)（2）包絡(luò)檢波第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 采用相敏檢波時，對原信號可不必再加偏

16、置。注意交變信號在其過零線時符號（+，-）發(fā)生突變，調(diào)幅波的相位（與載波相比）也相應發(fā)生1800的相應跳變。利用載波信號與之比相，既能反映出原信號的幅值，有能反映其極性。見圖4-17中，x (t)為原信號；y (t)為載波；xm(t)為調(diào)幅波。電路設(shè)計變壓器 B二次輸出電壓比 A二次輸出電壓大。 （3）相敏檢波因此，在負載 Rf 上所檢測的電壓 u f 就重現(xiàn) x (t) 的波形。 這種相敏檢波是利用二極管單向?qū)ㄗ饔脤㈦娐份敵鰳O性換向。這種電路相當于在 0a 段把 xm(t) 的零線以下的負部翻上去，而在 ab 段把正部翻下來，所檢測到的信號 u f 是經(jīng)過“翻轉(zhuǎn)”后信號的包絡(luò)。 第二節(jié) 調(diào)

17、制與解調(diào)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)圖4-17 相敏檢波1x (t)為正，xm(t)與 y (t) 同相，如圖 0-a 段所示。載波電壓為正時,A,B極性不變,VD1導通,電流流向是d-1-VD1-2-5-c-負載-地-d。載波電壓為負時,A,B極性同變,VD3導通,電流流向是d-3-VD3-4-5-c-負載-地-d。2x (t)為負,xm(t)與 y (t) 異相,如圖 a-b 段所示。y(t)為正時,B不變A與圖相反,VD2導通，電流流向是d-地-負載-c-5-2-VD2-3-d。y(t)為負時,B與圖相反A不變,VD4導通，電流流向是d-地-負載-c-5-4-VD4-1-d。

18、第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)利用電阻應變片作利用電阻應變片作為傳感元件來測量應為傳感元件來測量應變的專用電子儀器稱變的專用電子儀器稱為電阻應變儀。為電阻應變儀。Resistance Strain Meter第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)圖4-18 動態(tài)電阻應變儀方框圖試件電橋放大相敏檢波低通顯示記錄振蕩器t0t0t0t0t0第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào) 動態(tài)電阻應變儀 (見圖4-18)可作為電橋調(diào)幅與相敏檢波的典型實例。電橋由振蕩器供給等幅高頻振蕩電壓 (一般頻率為10kHz或15kHz)。被測量 (應變)通過電阻應變片調(diào)制電橋輸出，電橋輸出為調(diào)

19、幅波，經(jīng)過放大，再經(jīng)相敏檢波與低通濾波即可取出所測信號。 機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)a)b)圖4-19 調(diào)頻波與調(diào)制嬉鬧幅值的關(guān)系 a) 鋸齒波信號 b) 正弦信號 調(diào)頻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波，但其振蕩頻率偏移量和信號電壓成比例。當信號電壓為零時，調(diào)頻波頻率等于中心頻率，信號電壓為正值時頻率提高，負值時則降低。所以調(diào)頻波是隨信號而變化的疏密不等的等幅波，如圖4-15所示。調(diào)頻波的瞬時頻率可表示為 。如圖此時調(diào)頻信號可表示）變化，有（）隨調(diào)制信號（頻率為常數(shù)，讓載波瞬時角若保持振幅設(shè)載波194)(cos)(cos)(00000dttxktAtxtk

20、xttxtAtAtyf1. 頻率調(diào)制的基本概念第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)LCf21（4-25） 若電容C0的變化量為 ，則式（4-25）變?yōu)槭街?02 CCff（4-27） 因此，回路的振蕩頻率和調(diào)諧參數(shù)的變化呈線性關(guān)系（小范圍內(nèi)），這種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，其輸出是等幅波。 000011)1 (21CCfCCLCf2. 頻率調(diào)制方法 頻率調(diào)制電路常用振蕩電路，如LC振蕩電路、壓控振蕩器。 LC振蕩電路：應用于電容、渦流或電感等傳感器的測量電路。如果把電容（或電感）作為自激振蕩器的諧振回路中的一個調(diào)諧參數(shù)，那么電路振蕩頻率

21、為 C上式按泰勒級數(shù)展開并忽略高階項得ffCCff000)21 (第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)壓控振蕩器：利用壓控振蕩器是一個常用的調(diào)頻方案。壓控振蕩器的輸出瞬時頻率與輸入的控制電壓成線性關(guān)系，從而達到頻率調(diào)制的目的。壓控振蕩電路有多種形式，現(xiàn)在已有集成化的壓控振蕩器芯片出售。 3. 調(diào)頻信號的解調(diào) 調(diào)頻波的解調(diào)又稱為鑒頻，是將頻率變化恢復成調(diào)制信號電壓幅值變化的過程。一般采用鑒頻器和鎖相環(huán)解調(diào)器。前者結(jié)構(gòu)簡單，在測試技術(shù)中常被使用，而后者解調(diào)性能優(yōu)良，但結(jié)構(gòu)復雜，一般用于要求較高的場合。第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 鑒頻器實際上是由

22、一個高通濾波器（R1、C1）及一個包絡(luò)檢波器（VD、C2）構(gòu)成。 從高通濾波器幅頻特性的過渡帶可以看到，隨輸入信號頻率的不同，輸出信號的幅值便不同。通常在幅頻特性的過渡帶上選擇一段線性好的區(qū)域來實現(xiàn)頻率-電壓的轉(zhuǎn)換，并使調(diào)頻信號的載頻f0位于這段線性區(qū)的中點。由于調(diào)頻信號的瞬時頻率正比于調(diào)制信號x(t)，它經(jīng)過高通濾波器后，使原來等幅的調(diào)頻信號的幅值變?yōu)殡S調(diào)制信號x(t)變化的“調(diào)幅”信號，即包絡(luò)形狀正比于調(diào)制信號x(t)，但頻率仍與調(diào)頻信號保持一致。 該信號經(jīng)后續(xù)包絡(luò)檢波器檢出包絡(luò)，即可恢復出反映被測量變化的調(diào)制信號 。 圖4-21 鑒頻器原理第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測

23、試技術(shù)基礎(chǔ) 信號分析：信號分析：被測信號一般由多個頻率分量組成，被測信號一般由多個頻率分量組成，檢測中得到的信號除包含有效信息外，還含有噪檢測中得到的信號除包含有效信息外，還含有噪聲和不希望的成分，會導致真實信號的畸變和失聲和不希望的成分，會導致真實信號的畸變和失真。真。 濾波：濾波：讓被測信號中的有效成分通過，而將其中讓被測信號中的有效成分通過，而將其中不需要的成分抑制或衰減掉。而抑制或衰減掉其不需要的成分抑制或衰減掉。而抑制或衰減掉其它不需要的頻率成分。它不需要的頻率成分。 濾波器：濾波器：能實施濾波功能的裝置。能實施濾波功能的裝置。第三節(jié) 濾波器機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)濾

24、波器分類（1）根據(jù)其選頻作用，可分為四類： 低通濾波器； 高通濾波器； 帶通濾波器； 帶阻濾波器。 圖4-22 四類濾波器的幅頻特性（a）低通 （b）高通 （c）帶通 （d）帶阻（2）根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式可分為兩類： 有源濾波器：使用運算放大器結(jié)構(gòu)； 無源濾波器：由RLC組合配置而成。第三節(jié) 濾波器機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)1、理想濾波器 特性理想化的濾波器。 理想低通濾波器：具有矩形幅頻特性和線性相頻特性。 其他0020ctfjffeAfH理想低通濾波器的幅、相頻特性理想低通濾波器的幅、相頻特性 第三節(jié) 濾波器機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)2、實際濾波器的基本參數(shù)l 理想濾

25、波器只需規(guī)定截止頻率即可說明其特性，而實際濾波器的特性曲線無明顯轉(zhuǎn)折點，通帶中幅頻特性也非常數(shù)，需更多參數(shù)描述其性能。l 主要參數(shù)包括：紋波幅度、截止頻率、帶寬、品質(zhì)因數(shù)、倍頻程選擇性、濾波器因數(shù)。 圖4-24 理想和實際的帶通濾波器的幅頻特性理想濾波器實際濾波器A(f)A0A02dd0 fc1 fc2 f第三節(jié) 濾波器機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)截止頻率：幅頻特性值等于 所對應的頻率點；紋波幅度：通帶中幅頻特性值的起伏變化值；帶寬B：上下兩截止頻率之間的頻率范圍B=fc2-fc1，又稱-3dB帶寬；品質(zhì)因子（Q值）：對于一個帶通濾波器，其品質(zhì)因子Q則定義為中心頻率f0與帶寬B之比

26、，即Q=f0/B。)3(20dBA第三節(jié) 濾波器機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)倍頻程選擇性：上截止頻率fc2與2fc2之間或下截止頻率fc1與fc1/2間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個倍頻程的衰減量，以dB表示。倍頻程選擇性表征過渡帶的幅頻曲線傾斜的程度，即幅頻特性衰減的快慢。濾波器因數(shù)（矩形系數(shù)）：濾波器幅頻特性的-60dB帶寬與-3dB帶寬的比，即 對理想濾波器有=1。對普通使用的濾波器，一般為（15）。dBdBBB360第三節(jié) 濾波器機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) RC濾波器電路簡單，抗干擾性強，有較好的低頻性能，并且選用標準的阻容元件，所以在工程測試的領(lǐng)域中最經(jīng)常

27、用到的濾波器是RC濾波器。1一階RC低通濾波器i00uudtduRC11)()()(ssUsUsHi0令令=RC，稱時間常數(shù)。，稱時間常數(shù)。傳遞函數(shù)和頻率響應函數(shù)傳遞函數(shù)和頻率響應函數(shù)電路的微分方程式電路的微分方程式11)()()(fj2fUfUfHi0第三節(jié) 濾波器機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)幅頻特性和相頻特性幅頻特性和相頻特性 2)(11)()(f2fHfA)arctan()(f2fRuxuyCA(f)11/221/2f01/20(f)-450-900fRC低通濾波器 及其幅、相頻率特性第三節(jié) 濾波器機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)RCfc212當當 時，時， ， 近似

28、于一條通過原點的近似于一條通過原點的直線。此時，直線。此時，RC低通濾波器是一個不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。低通濾波器是一個不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。21f1)(fAff )(當當 時，時， ，即，即RC低通濾波器的截止頻率為低通濾波器的截止頻率為21f21A(f)當當 ， ，信號完全被阻擋，不能通過。，信號完全被阻擋，不能通過。21f0fA)(第三節(jié) 濾波器機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)2一階RC高通濾波器i0uudtuRC101)(fj2fj2fH電路的微分方程式電路的微分方程式令令=RC，稱時間常數(shù)。，稱時間常數(shù)。傳遞函數(shù)和頻率響應函數(shù)傳遞函數(shù)和頻率響應函數(shù)幅頻特性和相頻特性幅頻特性和相頻特性2)(

29、11)()(f2fHfAf2f1arctan)(1)(sssHRuxuyCA(f)11/221/2f01/20(f)450900fRC高通濾波器及其幅、相頻率特性第三節(jié) 濾波器機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)RCfc211當當 時，時， ， ，RC低通濾波器是一個低通濾波器是一個不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。21f1)(fA0)(f當當 時，時， ，即，即RC高通濾波器的截止頻率為高通濾波器的截止頻率為21f21)(fA當當 ， ，信號完全被阻擋，不能通過。，信號完全被阻擋，不能通過。21f0fA)(第三節(jié) 濾波器機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)2RC帶通濾波器帶通濾波器可以

30、看作為低通帶通濾波器可以看作為低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián)。濾波器和高通濾波器的串聯(lián)。111)(211fj2fj2fj2fH傳遞函數(shù)和頻率響應函數(shù)傳遞函數(shù)和頻率響應函數(shù)幅頻特性和相頻特性幅頻特性和相頻特性22211)(11)(1)(f2f2f2fA)arctan(1arctan)(21f2f2f111)()()(21121ssssHsHsH11121CRfc22221CRfc222111CRCR第三節(jié) 濾波器機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)11121CRfc當當 時，時， ，RCRC低通濾波器是一個不失低通濾波器是一個不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。212121 f1)(fA當當 時，時，

31、 ，即，即RC帶通濾波器的下、帶通濾波器的下、上截止頻率為上截止頻率為2121或21f21)(fA當當 ， ，信號完全被阻擋，不，信號完全被阻擋，不能通過。能通過。2121或21ff0fA)(22221CRfc第三節(jié) 濾波器機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 一階RC濾波器在過渡帶內(nèi)的衰減速率非常慢，每個倍頻程只有6dB(見圖4-27)，通帶和阻帶之間沒有陡峭的界限，故這種濾波器的性能較差，因此常常要使用更復雜的濾波器。 電感和電容一起使用可以使濾波器的諧振特性相對于一階RC電路產(chǎn)生較為陡峭的濾波器邊緣。 圖4-28中給出了一些LC濾波器的構(gòu)成方法。第三節(jié) 濾波器圖4-27 RC高低通濾

32、波器的幅頻特性機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)圖4-28 LC濾波器構(gòu)成方法a）低通濾波器 b）高通濾波器 c）帶通濾波器 第三節(jié) 濾波器機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)第三節(jié) 濾波器圖4-28 LC濾波器構(gòu)成方法a）低通濾波器 b）高通濾波器 c）帶通濾波器 機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)采用多個RC環(huán)節(jié)或LC環(huán)節(jié)級聯(lián)的方式(見圖4-29) ，可以使濾波器的性能有顯著的提高，使過渡帶曲線的陡峭度得到改善。因為多個中心頻率相同的濾波器級聯(lián)后，其總幅頻特性為各濾波器幅頻特性的乘積，因此通帶外的頻率成分將會有更大的衰減。 圖4-29高階濾波器a）RC高階低通濾波器 b）L

33、C高階低通濾波器 第三節(jié) 濾波器機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 必須注意到，雖然多個簡單濾波器的級聯(lián)能改善濾波器的必須注意到，雖然多個簡單濾波器的級聯(lián)能改善濾波器的過渡帶性能，卻又不可避免地帶來了明顯的負載效應和相移過渡帶性能，卻又不可避免地帶來了明顯的負載效應和相移增大等問題。為避免這些問題，最常用的方法就是采用有源增大等問題。為避免這些問題，最常用的方法就是采用有源濾波器。濾波器。 將濾波網(wǎng)絡(luò)與運算放大器結(jié)合是構(gòu)造有源濾波器電路的將濾波網(wǎng)絡(luò)與運算放大器結(jié)合是構(gòu)造有源濾波器電路的基本基本方法方法(見圖見圖4-29) 。第三節(jié) 濾波器圖4-30 有源濾波器的基本結(jié)構(gòu)機械工程測試技術(shù)基

34、礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 圖圖4-31示出一些典型的一階有源濾波器。通常的有源濾波示出一些典型的一階有源濾波器。通常的有源濾波器具有器具有80dB倍頻程的下降帶，以及在阻帶中有高于倍頻程的下降帶，以及在阻帶中有高于60dB的的衰減。衰減。圖4-31 一階有源濾波器a）低通濾波器 b）高通濾波器 c）帶通濾波器 機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)l RC濾波器：過渡帶衰減速度慢（-6dB/倍頻程），通帶與阻帶間無陡峭界限，性能較差。如圖427所示。l LC濾波器過渡帶曲線的陡峭度優(yōu)于RC濾波器，如圖4-28所示。l 多個RC或LC環(huán)節(jié)級聯(lián)：極大地改善了過渡帶曲線的陡峭度，但具有明顯的負載效應

35、和相移增大的問題。如圖4-29所示。l 有源濾波器：無源濾波網(wǎng)絡(luò)與運算放大器組合而成，性能更加優(yōu)良。如圖4-30、4-31所示。第三節(jié) 濾波器機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 主要應用：主要應用： 信號的頻譜分析和信號中特定頻率成分提取。信號的頻譜分析和信號中特定頻率成分提取。 具體要求：具體要求：l為保證帶通濾波器的帶寬覆蓋整個分析的頻帶，它們的中心頻率能使相鄰的帶寬恰好互相銜接(見圖4-32)，即前一個濾波器的3dB上截止頻率等于后一個濾波器的3dB下截止頻率；l濾波器組具有相同的放大倍數(shù)。第三節(jié) 濾波器機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)圖4-32 帶通濾波器并聯(lián)的頻帶分配

36、在作信號頻譜分析時，這組并聯(lián)的、增益相同而中心頻率不同的帶通濾波器的帶寬遵循一定的規(guī)則取值，通常用兩種方法構(gòu)成兩類常見的帶通濾波器組：恒帶寬比濾波器和恒帶寬濾波器。機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)兩類常用的帶通濾波器組：兩類常用的帶通濾波器組：l 恒帶寬比濾波器（恒帶寬比濾波器（a圖）圖）l 恒帶寬濾波器（恒帶寬濾波器（b圖）圖）第三節(jié) 濾波器圖4-33 恒帶寬比和恒帶寬濾波器的特性a）恒帶寬比濾波器特性 b）恒帶寬濾波器特性機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（1）恒帶寬比濾波器）恒帶寬比濾波器 恒帶寬濾波器是指濾波器的相對帶寬是常數(shù)，即 假若一個帶通濾波器的低端截止頻率為fc1

37、i ，高端截止頻率為fc2i ，二者的關(guān)系： 式中n稱為倍頻程數(shù)。若n=1 ，則稱為倍頻程濾波器；若n=1/3 ，則稱為1/3倍頻程濾波器。CffffBiicicii0120icnicff122第三節(jié) 濾波器機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 一個濾波器組中后一個濾波器的中心頻率f0i與前一個濾波器的中心頻率f0(i-1)間滿足： 而且，濾波器的中心頻率與上下截止頻率間的關(guān)系為 )1(002inifficicifff210第三節(jié) 濾波器圖4-34為B&K公司的1616型頻率分析儀的結(jié)構(gòu)框圖，其帶寬為1/3倍頻程，分析頻率為從20Hz40k Hz，共設(shè)置34個帶通濾波器。 圖4-3

38、4 濾波器作倍頻程分析的并聯(lián)結(jié)構(gòu)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)n=1的倍頻程濾波器（如下圖），有：(1)中心頻率（Hz）16,31.5,63,125,250,(2)帶寬（Hz ）11.31,22.27,44.55,88.39,176.78, n=1/3倍頻程濾波器組，有：(1)中心頻率（Hz） 12.5,16,20,25,31.5,40,50,63,(2)帶寬（Hz） 2.9,3.7,4.6,5.8,7.3,9.3,11.6,14.6,第三節(jié) 濾波器機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)（2 2）恒帶寬濾波器）恒帶寬濾波器l 恒帶寬比的濾波器的不足之處：恒帶寬比的濾波器的不足之處：

39、 其通頻帶在低頻段內(nèi)甚窄，而在高頻段內(nèi)則較寬。因此，濾波器組的頻率分辨率在低頻段內(nèi)較好，在高頻段內(nèi)甚差。l 為了使濾波器組的分辨率在所有頻段都具有同樣良好的頻率分辨率，可以采用恒帶寬的濾波器恒帶寬的濾波器。l 恒帶寬濾波器是指濾波器的絕對帶寬為常數(shù)：CffBicic12第三節(jié) 濾波器機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)l 圖4-33示出了恒帶寬濾波器的特性，為了提高濾波器的分辨率，其帶寬應窄一些。但這樣為覆蓋整個頻率范圍所需要的濾波器數(shù)量就很大。因此，恒帶寬濾波器不應做成中恒帶寬濾波器不應做成中心頻率為固定的。心頻率為固定的。l 實際中一般利用一個定帶寬的定中心頻率的濾波器加上可可變參考頻

40、率的差頻變換來適應變參考頻率的差頻變換來適應各種不同中心頻率的定帶寬各種不同中心頻率的定帶寬濾波器濾波器的需要。l 參考信號的掃描速度應能夠滿足建立時間的要求，尤其是濾波器帶寬很窄的情況，參考頻率變化不能過快。常用的恒帶寬濾波器有相關(guān)濾波和變頻跟蹤濾波相關(guān)濾波和變頻跟蹤濾波兩種。 第三節(jié) 濾波器機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 掃描式頻率分析儀掃描式頻率分析儀采用一個中心頻率可調(diào)的帶通濾波器，通過改變中心頻率使該濾波器的通帶跟隨所要分析的信號頻率范圍要求來變化。 中心頻率的調(diào)節(jié)方式可以是手動調(diào)節(jié)或外信號調(diào)節(jié)。 調(diào)節(jié)中心頻率的信號可由一個鋸齒波發(fā)生器來產(chǎn)生，用一個線性升高的電壓來控制中心

41、頻率的連續(xù)變化。 第三節(jié) 濾波器機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)由于濾波器的建立需要一定的時間，尤其是在濾波器帶寬很窄的情況，建立時間愈長，所以掃頻速度不能過快。這種形式的分析儀也采用這種形式的分析儀也采用恒帶寬比的帶通濾波器恒帶寬比的帶通濾波器。如。如B&K公司的公司的1621型頻譜分析儀型頻譜分析儀，將總分析頻率范圍從，將總分析頻率范圍從02Hz20kHz分成五段：分成五段： 0.22Hz； 220Hz； 20200Hz； 200Hz2kHz； 220kHz。每一段中的中心頻率可調(diào)。每一段中的中心頻率可調(diào)。在信號頻譜分析中常用的中心頻率可變的濾波方法還有在信號頻譜分析中常用

42、的中心頻率可變的濾波方法還有相關(guān)濾波相關(guān)濾波和和跟蹤濾波跟蹤濾波，其工作原理與典型應用請參閱相關(guān)書籍。，其工作原理與典型應用請參閱相關(guān)書籍。 采用中心頻率可調(diào)的帶通濾波器時，由于在調(diào)節(jié)中心頻率過程中總希望不改變或不影響濾波器的增益及Q因數(shù)等參數(shù)，因此這種濾波器中心頻率的調(diào)節(jié)范圍是有限的。第三節(jié) 濾波器機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)l為保證測量精度，要求放大電路具有如下：為保證測量精度，要求放大電路具有如下：l足夠的放大倍數(shù)；足夠的放大倍數(shù)；l高輸入阻抗，低輸出阻抗；高輸入阻抗，低輸出阻抗；l高共模抑制能力；高共模抑制能力；l低溫漂、低噪聲、低失調(diào)電壓和電流。低溫漂、低噪聲、低失調(diào)電壓

43、和電流。說明：說明：集成運算放大器集成運算放大器具備上述特點。具備上述特點。第四節(jié) 信號的放大機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)l 反相放大器：反相放大器：輸入阻抗低、易對傳感器形成負載效應；輸入阻抗低、易對傳感器形成負載效應；第四節(jié) 信號的放大機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)l 同相放大器：同相放大器：輸入阻抗高、易引入共模干擾；輸入阻抗高、易引入共模干擾；第四節(jié) 信號的放大機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)l 差分放大器：差分放大器：不能提供足夠的輸入阻抗和共模抑制比；不能提供足夠的輸入阻抗和共模抑制比；第四節(jié) 信號的放大機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)第四節(jié)

44、信號的放大 儀器放大器電路由3個運算放大器組成，其中A1、A2接成射極跟隨器形式，組成輸入阻抗極高的差動輸入級，在兩個射隨器之間的附加電阻RG具有提高共模抑制比的作用，A3為雙端輸入、單端輸出的輸出級，以適應接地負載的需要，放大器的增益由電阻RG設(shè)定，典型儀器放大器的增益設(shè)置范圍從1到1000。 機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)該電路輸出電壓與差動輸入電壓之間的關(guān)系 )()1 (1234210iiGuuRRRRRu 若選取R1=R2=R3=R4=R5=R6=10k，RG=100，即可構(gòu)成一個放大倍數(shù)為G=201倍的高輸入阻抗、高共模抑制比的放大器。 典型儀器放大器的共模抑制比可以達到1

45、30dB以上，輸入阻抗可以達到109以上，電路增益可以達到1000。 美國BB公司推出的 INA114是個低成本的普通儀用放大器，在一般應用時，只需外接一只普通電阻就可得到任意增益，可廣泛用于電橋放大器、熱電偶測量放大器及數(shù)據(jù)采集放大器等場合。 INA114的電路結(jié)構(gòu)與基本接法如圖4-39所示。第四節(jié) 信號的放大機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)圖4-39 INA114的電路結(jié)構(gòu)與基本接法a) 電路結(jié)構(gòu) b)基本接法a)b)第四節(jié) 信號的放大機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)拾音傳感器輸入放大器：R1與R2一般取47k。若傳感器M內(nèi)阻過高時，R1與R2可取100k左右。增益的選擇不

46、宜太高，一般設(shè)計在100倍以內(nèi)為宜。 圖4-40 儀器放大器的應用a)第四節(jié) 信號的放大機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)熱電偶信號的放大電路：對于測量點T過遠時，應增加輸入低通濾波電路，以免因噪聲電壓損壞器件。增益的確定要根據(jù)具體所選熱電偶的類型而定。 圖4-40 儀器放大器的應用b)第四節(jié) 信號的放大機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)美國AD公司推出的AD522 是精密集成放大器，非線性失真小、共模抑制比高、低漂移和低噪聲，非常適合對微弱信號進行放大。 圖4-41 由儀器放大器AD522構(gòu)成的電橋放大電路 第四節(jié) 信號的放大機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 通過計算機編

47、程來改變增益的放大器稱為可編程增益放大器。 可編程增益放大器基本原理 用一組電子開關(guān)和一個電阻網(wǎng)絡(luò)相配合來改變放大器的外接電阻值，以此達到改變放大器增益的目的。用戶可用運算放大器、模擬開關(guān)、電阻網(wǎng)絡(luò)和譯碼器組成形式不同、性能各異的可編程增益放大器。 如果使用片內(nèi)帶有電阻網(wǎng)絡(luò)的單片集成放大器，則可省去外加的電阻網(wǎng)絡(luò)，直接與合適的模擬開關(guān)、譯碼器配合構(gòu)成實用的可編程增益放大器。將運算放大器、電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)以及譯碼器等電路集成到一塊芯片上，則構(gòu)成集成可編程增益放大器，如美國國家半導體公司生產(chǎn)的LH0084就是其中的一種。 第四節(jié) 信號的放大機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)電子開關(guān)通過一個

48、2-4譯碼器控制，當來自計算機IO口的x1、x2為00、01、10、11時，S1、S2、S3、S4分別閉合，電阻網(wǎng)絡(luò)的R1、R2、R3、R4分別接入到反相放大器的輸入回路，得到4種不同的增益值。也可不用譯碼器，直接由計算機的IO口來控制y1、y2、y3、y4，得到24個不同的增益值。 圖4-42 可編程增益放大器原理 第四節(jié) 信號的放大機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 測試信號的顯示和記錄是不可缺少的組成部分，其目的在于： 1）測試人員通過顯示儀器觀察各路信號的大小和實時波形 2）及時掌握測試系統(tǒng)的動態(tài)信息，必要時對參數(shù)調(diào)整。 3）記錄信號的重現(xiàn)。 4）對信號進行后續(xù)的分析和處理。第五節(jié) 測試信號的顯示與記錄機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ) 圖4-43 陰極射線管示波器原理框圖 模擬示波器是以傳統(tǒng)的陰極射線管示波器為代表，圖4-43是一個典型通用的陰極射線管示波器的框圖。 示波器是測試