信號(hào)調(diào)理、處理和記錄pp-修改稿1

中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院2008年3月

機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)熊詩(shī)波、黃長(zhǎng)藝主編1本章主要講述內(nèi)容4.1電橋4.2調(diào)制與解調(diào)4.3濾波器機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)，第三版第四章信號(hào)的調(diào)理與記錄24.0概述

便于信號(hào)的傳輸與處理。

1.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。

3.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)量信進(jìn)行調(diào)制解調(diào)處理。

2.有些傳感器輸出的是電信號(hào)中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。34.1電橋概述電橋是將電阻、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(cè)量電路，由于橋式測(cè)量電路簡(jiǎn)單可靠，而且具有很高的精度和靈敏度，因此在測(cè)量裝置中被廣泛采用。電橋按其所采用的激勵(lì)電源的類(lèi)型可分為直流電橋和交流電橋；按其工作原理可分為偏值法和歸零法兩種，其中偏值法的應(yīng)用更為廣泛。其輸出，既可直接驅(qū)動(dòng)指示儀表，也可送入放大器放大。

44.1.1直流電橋1.直流電橋的基本形式如圖4-1所示。

使用時(shí)，電橋四個(gè)橋臂中的一個(gè)或多個(gè)是阻值隨被測(cè)量變化的電阻傳感器元件。如

電阻應(yīng)變片、電阻式溫度計(jì)、熱敏元件。5（4-1）（4-2）（4-1）6當(dāng)被測(cè)量為某一初始值并未發(fā)生變化時(shí)希望電橋輸出為0,要使電橋平衡，輸出電壓為零，必須滿(mǎn)足

根據(jù)電橋平衡條件（4-2），如果適當(dāng)選擇各橋臂電阻，可使輸出電壓只與被測(cè)量引起的電阻變化量有關(guān)。

（4-2）72.

電橋連接形式在測(cè)試技術(shù)中，一般根據(jù)工作中電阻值參與變化的橋臂數(shù)分類(lèi)。常見(jiàn)的電橋連接形式如圖4-2所示。

8根據(jù)式（4-1），此時(shí)輸出電壓為

可見(jiàn)，電橋的輸出與與供橋電源成正比，并且在一定的條件下，與工作橋臂的阻值變化量成正比。

9（4-1）10從公式（4-5）（4-6）（4-7）可以看出，電橋的輸出電壓與激勵(lì)電壓成正比，只是比例系數(shù)不同?，F(xiàn)在定義電橋的靈敏度為（4-8）（4-1）11對(duì)于圖４-２c所示的電橋，當(dāng)R1=R2=R3=R4=R，且（4-9）（4-10）由式（４-１）得12綜合式（４-９）和式（４-１０），導(dǎo)出如下公式（４-１１）由式（４-１１）可以看出：１）若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?。a(chǎn)生的輸出電壓的變化將相互抵消；２）若相鄰兩橋臂電阻反向變化（即兩電阻一個(gè)增大或一個(gè)減?。a(chǎn)生的輸出電壓的變化將相互疊加；134.1.2交流電橋l

交流電橋，采用交流激勵(lì)電源的電橋。電橋的四個(gè)臂，可以為電感、電容或電阻，統(tǒng)稱(chēng)為阻抗。l

如果阻抗、電流及電壓都用復(fù)數(shù)表示，則關(guān)于直流電橋的平衡關(guān)系式，在交流電橋中也可適用。即，

(4-12)(4-13)(4-14)14在具有電阻、電感和電容的電路里，對(duì)交流電所起的阻礙作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示。阻抗由電阻、感抗和容抗三者組成，但不是三者簡(jiǎn)單相加。阻抗的單位是歐。在直流電中，物體對(duì)電流阻礙的作用叫做電阻，世界上所有的物質(zhì)都有電阻，只是電阻值的大小差異而已。15上式表明：交流電橋平衡，必須滿(mǎn)足兩個(gè)條件，即：①相對(duì)兩臂阻抗之模的乘積相等；②它們的阻抗角之和也必須相等。16一種常用的電容電橋，如圖4-7所示。4-717②（4-15）（4-16）③可見(jiàn)，要使電橋達(dá)到平衡，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)電阻達(dá)到電阻平衡；調(diào)節(jié)電容達(dá)到電容平衡。18一種常用的電感電橋，如圖4-8所示。兩相鄰橋臂的電感與電阻分別為：②4-819例1.現(xiàn)有四個(gè)電路元件：電阻電感L和電容C，擬接成四臂交流電橋，試畫(huà)出能滿(mǎn)足電橋平衡的正確接橋方法，并寫(xiě)出該電橋的平衡條件。（設(shè)電橋激勵(lì)為，電橋輸出為）2021電阻交流電橋的分布電容

對(duì)于純電阻交流電橋，既使各橋臂均為電阻，但由于導(dǎo)線之間存在分布電容，相當(dāng)于在各橋臂上并聯(lián)了一個(gè)電容，如圖4-9所示。為此，除了有電阻平衡外，還需要有電容平衡。4-922一種用于動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的電阻電容電橋，如圖4-10所示。具有電阻、電容平衡調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)。（P132）調(diào)整差動(dòng)可變電容，可實(shí)現(xiàn)分布電容的平衡。4-1023交流電橋的供橋電源交流電橋的供橋電源，必須具有良好的電壓波形與頻率穩(wěn)定度。如果電源電壓發(fā)生奇變，即包含有高次諧波，對(duì)基波而言，電橋達(dá)到平衡；而對(duì)高次諧波，電橋未必能平衡；因而，輸出電壓也將包含高次諧波。采用(5～10)kHz的音頻交流電源，作為供橋電源，電橋輸出將成為調(diào)制波。優(yōu)點(diǎn)：有利于抑制外界工頻干擾，后接交流放大電路簡(jiǎn)單而無(wú)零漂。工頻：指工業(yè)上用的交流電源的頻率，單位赫茲（HZ）采用交流電橋時(shí)，需要注意如下影響測(cè)量誤差的一些因素：①電橋中元件之間的互感影響；②無(wú)感電阻的殘余電抗；③鄰近交流電路對(duì)電橋的感應(yīng)作用；④泄露電阻、分布電容等24

4.2調(diào)制與解調(diào)為什么要調(diào)制？信號(hào)調(diào)理的的目的是便于信號(hào)的傳輸與處理。1.傳感器輸出的微弱電信號(hào)，需要放大或進(jìn)行阻抗變換，才能輸送到顯示、記錄或分析儀器中去。2.有些傳感器輸出的是電信號(hào)中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。

3.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。25調(diào)制解調(diào)中使用的信號(hào)名稱(chēng)①調(diào)制信號(hào)，就是測(cè)試信號(hào)，也叫原信號(hào)，一般為低頻緩變信號(hào)；②載波信號(hào)，也叫工作信號(hào)，一般為高頻簡(jiǎn)諧信號(hào)；③調(diào)制波，就是已調(diào)制的信號(hào)，幅值調(diào)制時(shí)稱(chēng)為調(diào)幅波；頻率調(diào)制時(shí)稱(chēng)為調(diào)頻波。26所謂調(diào)制，就是在調(diào)制信號(hào)（測(cè)試信號(hào)）的控制下，使載波信號(hào)（工作信號(hào)）的某些參數(shù)（如幅值、頻率、相位）發(fā)生變化的過(guò)程。舉例：如圖4-12所示。所謂解調(diào)，就是從已調(diào)制波中恢復(fù)出調(diào)制信號(hào)的過(guò)程。4-1227調(diào)制處理的分類(lèi)284.2.1調(diào)幅及其解調(diào)1.調(diào)幅與同步解調(diào)調(diào)幅的目的，使緩慢變化的測(cè)試信號(hào)便于放大和傳輸。解調(diào)的目的，恢復(fù)原來(lái)的測(cè)試信號(hào)。調(diào)幅是將一個(gè)高頻簡(jiǎn)諧信號(hào)（載波信號(hào)）與被測(cè)信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）相乘，使載波信號(hào)的幅值隨被測(cè)信號(hào)的變化而變化。29（4-18）（4-19）（4-20）（4-21）30調(diào)幅過(guò)程如圖4-13所示。4-133132從圖4-13可以看出，載波頻率f0必須高于信號(hào)中的最高頻率fmax，這樣才能使已調(diào)幅信號(hào)保持原信號(hào)的頻譜圖形而不產(chǎn)生混疊現(xiàn)象。在實(shí)際應(yīng)用中載波頻率常常至少在調(diào)制信號(hào)上限頻率的十倍以上。幅值調(diào)制的頻移功能在工程技術(shù)上具有重要的使用價(jià)值。例如，廣播電臺(tái)把聲頻信號(hào)移頻至各自分配的高頻、超高頻頻段上，既便于放大和傳遞，也可避免各電臺(tái)之間的干擾。334-14結(jié)果是使原信號(hào)的頻譜圖形平移到0和±2f0的頻率處。（4-22）344-1435注意：同步解調(diào)要求有性能良好的線性乘法器件，否則將引起信號(hào)失真。362.整流檢波同步解調(diào)需要性能良好的線性乘法器否則引起失真。如果把調(diào)制信號(hào)（測(cè)試信號(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，如圖4-15所示。該調(diào)幅波經(jīng)整流后，減去所疊加的直流偏置電壓，再濾波，就可以恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)。4-1537補(bǔ)充將一段時(shí)間長(zhǎng)度的高頻信號(hào)的峰值點(diǎn)連線，就可以得到上方（正的）一條線和下方（負(fù)的）一條線，這兩條線就叫包絡(luò)線。包絡(luò)線就是反映高頻信號(hào)幅度變化的曲線。對(duì)于等幅高頻信號(hào)，這兩條包絡(luò)線就是平行線。當(dāng)用一個(gè)低頻信號(hào)對(duì)一個(gè)高頻信號(hào)進(jìn)行幅度調(diào)制（即調(diào)幅）時(shí)，低頻信號(hào)就成了高頻信號(hào)的包絡(luò)線。這樣的信號(hào)稱(chēng)為調(diào)幅信號(hào)。從調(diào)幅信號(hào)中將低頻信號(hào)解調(diào)出來(lái)的過(guò)程，就叫做包絡(luò)檢波。上述方法的關(guān)鍵是準(zhǔn)確地加、減偏置電壓。若所加的偏置電壓未能使信號(hào)電壓都位于零位的同一側(cè)，那么對(duì)調(diào)幅之后的波形只進(jìn)行簡(jiǎn)單的整流便不能恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)，而會(huì)造成很大的失真（見(jiàn)圖4-16）。在這種情況下，采用相敏檢波技術(shù)可以解決這一問(wèn)題。383.相敏檢波相敏檢波技術(shù)可以解決這一問(wèn)題。特點(diǎn):可以鑒別調(diào)制信號(hào)的極性，所以采用相敏檢波時(shí)，對(duì)調(diào)制信號(hào)不必再加直流偏置。相敏檢波利用交變信號(hào)在過(guò)零位時(shí)正、負(fù)極性發(fā)生突變，使調(diào)幅波的相位（與載波比較）也相應(yīng)地產(chǎn)生180°的相位跳變，這樣便既能反映出原調(diào)制信號(hào)的幅值，又能反映其極性。相敏檢波的原理如圖4-17所示。39下面給出典型的二極管相敏檢波電路及其輸入輸出關(guān)系圖。它由四個(gè)特性相同的二極管VD1～VD4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T1和T2的次級(jí)線圈上，變壓器T1的輸入為調(diào)幅波xm(t)，T2的輸入信號(hào)為參考信號(hào)，該參考信號(hào)應(yīng)與載波y(t)的相位和頻率相同，用作極性識(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)，u0（t）為輸出。二極管的導(dǎo)通與截止完全由T2的次級(jí)的輸出決定，因此要求T2的次級(jí)的輸出大于T1的次級(jí)輸出。404-1741

二極管相敏檢波電路的工作原理分析如下：

（1）當(dāng)調(diào)制信號(hào)x(t)為正時(shí)，調(diào)幅波xm(t)與載波y(t)同相。當(dāng)載波電壓為正時(shí)，VD1導(dǎo)通，電流的流向是d-1-VD1-2-5-R1-地-d；當(dāng)載波電壓為負(fù)時(shí)，變壓器T1和T2的極性同時(shí)改變，VD3導(dǎo)通，電流的流向是d-3-VD3-4-5-R1-地-d?？梢?jiàn)在0～t1區(qū)間，流經(jīng)負(fù)載R1的電流方向始終為由上到下，輸出電壓u0（t）為正值。

（2）當(dāng)調(diào)制信號(hào)x(t)為負(fù)時(shí)，調(diào)幅波xm(t)與載波y(t)的極性相差180°。當(dāng)載波電壓為正時(shí)，VD2導(dǎo)通，電流的流向是5-2-VD2-3-d-地-R1-5；當(dāng)載波電壓為負(fù)時(shí)，VD4導(dǎo)通，電流的流向是5-4-VD4-1-d-地-R1-5。可見(jiàn)在t1～t2區(qū)間，流經(jīng)負(fù)載R1的電流方向始終為由下到上，輸出電壓u0（t）為負(fù)值。

42調(diào)制與解調(diào)過(guò)程（波形轉(zhuǎn)換）載波調(diào)制信號(hào)放大后的調(diào)幅波相敏檢波后的波形濾波后的波形43綜上所述，相敏檢波是利用二極管的單向?qū)ㄗ饔?，將電路輸出極性換向。簡(jiǎn)單地說(shuō)，這種電路相當(dāng)于在0～t1段把的負(fù)部翻上去，而在t1～t2段把的正部翻下來(lái)。若將經(jīng)低通濾波器濾波，則所得到的信號(hào)就是經(jīng)過(guò)“翻轉(zhuǎn)”后的包絡(luò)。由以上分析可知，通過(guò)相敏檢波可得到一個(gè)幅值與極性均隨調(diào)制信號(hào)的幅值與極性變化的信號(hào)，從而使被測(cè)信號(hào)得到重現(xiàn)。換言之，對(duì)于具有極性或方向性的被測(cè)量，經(jīng)調(diào)制以后要想正確地恢復(fù)原有的信號(hào)波形，必須采用相敏檢波的方法。44舉例：動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀，其方框圖如圖4-18所示。4-18454.2.2調(diào)頻及其解調(diào)1.測(cè)試信號(hào)的頻率調(diào)制調(diào)頻，也稱(chēng)為頻率調(diào)制，是利用調(diào)制信號(hào)的幅值控制高頻載波信號(hào)的頻率變化的過(guò)程。在調(diào)頻中載波幅值不變，其頻率隨調(diào)制信號(hào)的幅值成比例變化。設(shè)載波y(t)=Acos(w0t)，這里角頻率w0為一常量。如果保持振幅A為常數(shù)，讓載波瞬時(shí)角頻率w（t）隨調(diào)制信號(hào)x(t)作線性變化，則K—比例因子（4-23）46于是調(diào)頻信號(hào)的總相角表達(dá)式為為積分常數(shù)，表示一個(gè)初始相角。上式表示調(diào)頻信號(hào)的總相角與調(diào)制信號(hào)的積分成正比，而信號(hào)相位的任何變化均會(huì)引起信號(hào)頻率的變化，這就是頻率調(diào)制的原理。此時(shí)調(diào)頻信號(hào)可以表示為

P138圖4-19是調(diào)制信號(hào)為三角波時(shí)的調(diào)頻信號(hào)波形。

（4-24）47舉例：鋸齒波和正弦波的頻率調(diào)制如圖4-15所示。484.3.1概述濾波器是一種選頻裝置，可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過(guò)，而極大地衰減其它頻率成分。濾波是信號(hào)處理的重要內(nèi)容。濾波器在自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制及電子測(cè)試儀器中被廣泛應(yīng)用。

4.3濾波器49根據(jù)濾波器的選頻方式，一般將濾波器分為四類(lèi)，即，低通、高通、帶通、帶阻濾波器。四種濾波器的幅頻特性如圖4-22所示。4-225051四種濾波器的特性之間是互相有聯(lián)系的①是低通濾波器的特性，而高通濾波器的幅頻特性可以看作是，所以，可以用低通濾波器作負(fù)反饋回路而獲得高通濾波器；②帶阻濾波器，是低通和高通的組合；③帶通濾波器，可以用帶阻濾波器作負(fù)反饋獲得。524.3.2濾波器性能分析1.理想濾波器理想濾波器是一個(gè)理想化的模型，在物理上是不能實(shí)現(xiàn)的。以最常用的低通濾波器為例。理想低通濾波器特性如圖4-23所示，它具有矩形幅頻特性和線性相頻特性。這種濾波器將低于某一頻率fc的所有信號(hào)予以傳送而無(wú)任何失真，將頻率高于fc的信號(hào)全部衰減，稱(chēng)為fc截止頻率。該濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)：

（４-２８）圖４-２３理想低通濾波器532.實(shí)際濾波器的特征參數(shù)理想帶通濾波器與實(shí)際帶通濾波器的幅頻特性如圖4-24所示。理想帶通濾波器，如圖4-24虛線所示：

４-２４54從中可看出兩者的差別：對(duì)于理想濾波器來(lái)說(shuō)，在兩截止頻率和之間的幅頻特性為常數(shù)A0，截止頻率之外的幅頻特性均為０。對(duì)于實(shí)際濾波器，其特性曲線無(wú)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，通帶中幅頻特性也并非常數(shù)，因此要用更多的參數(shù)來(lái)對(duì)它進(jìn)行描述。如，截止頻率、帶寬、紋波幅度、品質(zhì)因子以及倍頻程選擇性等。55

4.3濾波器４-２４56dB(Decibel分貝)是一個(gè)純計(jì)數(shù)單位，本意是表示兩個(gè)量的比值大小，沒(méi)有單位。dB=20*lg(A/B)。此處A，B代表參與比較的功率值或者電流、電壓值等。dB的意義其實(shí)再簡(jiǎn)單不過(guò)了，就是把一個(gè)很大（后面跟一長(zhǎng)串0的）或者很?。ㄇ懊嬗幸婚L(zhǎng)串0的）的數(shù)比較簡(jiǎn)短地表示出來(lái)。如（此處以功率為例）：X=100000=10^5X(dB)=10*lg(X)dB=10*lg(10^5)dB=50dBX=0.000000000000001=10^-15X(dB)=10*log(X)dB=10*log(10^-15)dB=-150dB

57584.3.3實(shí)際ＲＣ濾波器性能分析RC濾波器，電路簡(jiǎn)單、抗干擾性強(qiáng)、低頻特性較好，并且選用標(biāo)準(zhǔn)元件也容易實(shí)現(xiàn),在測(cè)試系統(tǒng)中，經(jīng)常使用。一階RC低通濾波器的典型電路及其幅頻、相頻特性如圖4-25所示。４-２５59

4.3濾波器（４-３０）（４-３１）調(diào)節(jié)ＲＣ可方便地改變截止頻率，從而改變?yōu)V波器的帶寬。60RC高通濾波器的典型電路及其幅頻、相頻特性如圖4-25所示。4-2561（４-３２）（４-３３）調(diào)節(jié)ＲＣ可方便地改變截止頻率，從而改變?yōu)V波器的帶寬。62RC帶通濾波器的數(shù)學(xué)模型帶通濾波器，可以看作是低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)組成的。（4-34，35，36，37）63說(shuō)明①分別調(diào)節(jié)高、低通環(huán)節(jié)的時(shí)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；

注意：消除前后兩級(jí)間的耦合影響、負(fù)載效應(yīng)；必要時(shí)，可采用射極輸出器或運(yùn)算放大器隔離；②實(shí)際的帶通濾波器常常是有源的，有市售的集成電路可供選用。644.3.4帶通濾波器在信號(hào)頻率分析中的應(yīng)用多路帶通濾波器并聯(lián)常用于信號(hào)的頻譜分析和信號(hào)中特定頻率成分的提取。為使各帶通濾波器的帶寬覆蓋整個(gè)分析的頻帶，它們的中心頻率能使相鄰的帶寬恰好相互銜接，通常是使前一個(gè)濾波器的-３dB上截止頻率高端等于后一個(gè)濾波器的-３dB下截止頻率低端。濾波器組必須具有相同的放大倍數(shù)。兩類(lèi)常見(jiàn)的帶通濾波器組：恒帶寬比濾波器和恒帶寬濾波器。651.恒帶寬比濾波器采用相同值的調(diào)諧濾波器做成的濾波器組，稱(chēng)為恒帶寬比濾波器。中心頻率越高，帶寬越大。（4-34，35，36，37）66圖4-33是兩種濾波器的特性對(duì)照，

4-3367例.有一個(gè)1/3倍頻程帶通濾波器，其中心頻率，求上、下截止頻率。

68例.試設(shè)計(jì)一個(gè)鄰接式的1/3倍頻程譜分析裝置，其頻率覆蓋范圍為（11Hz～35Hz）求出其中心頻率和帶寬。

692.恒帶寬濾波器對(duì)于一組恒帶寬比濾波器，其通頻帶在低頻段內(nèi)甚窄，頻率分辨力較好；在高頻段內(nèi)較寬，頻率分辨力甚差。采用恒帶寬的濾波器，則在所有的頻段內(nèi)，都具有同樣良好的頻率分辨力。恒帶寬濾波器是指濾波器的絕對(duì)帶寬為常數(shù)。B=fc2i-fc1i=C（4-38）70

4.4測(cè)試信號(hào)的指示和記錄通過(guò)指示器提供的示值，或者記錄器提供的數(shù)據(jù)，我們可以了解、分析和研究測(cè)量結(jié)果；將被測(cè)信號(hào)記錄存儲(chǔ)，我們可以事后重放，做進(jìn)一步的分析和處理；指示和記錄裝置，是測(cè)試系統(tǒng)的最后環(huán)節(jié)，也是測(cè)試系統(tǒng)的重要組成部分。714.4.1動(dòng)圈式磁電指示機(jī)構(gòu)動(dòng)圈式磁電指示機(jī)構(gòu)，也叫達(dá)松瓦爾機(jī)構(gòu)，被用于許多指示和記錄裝置中，其工作原理如圖4-31所示。72第四章信號(hào)調(diào)理、處理和記錄

4.4信號(hào)的指示和記錄裝置濾波器734.4.2光線示波器工作原理如圖4-32所示。說(shuō)明：在光線示波器中，

達(dá)松瓦爾機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)部件已經(jīng)變成振子；以張絲的的彈性扭轉(zhuǎn)變形，代替原來(lái)到轉(zhuǎn)軸和游絲的作用；③用固定在張絲上、并隨之轉(zhuǎn)動(dòng)的反射鏡