信號調(diào)理、處理和記錄pp-修改稿1

中北大學機電工程學院2008年3月

機械工程測試技術基礎熊詩波、黃長藝主編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濾波器機械工程測試技術基礎，第三版第四章信號的調(diào)理與記錄24.0概述

便于信號的傳輸與處理。

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。

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進行調(diào)制解調(diào)處理。

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。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量電路，由于橋式測量電路簡單可靠，而且具有很高的精度和靈敏度，因此在測量裝置中被廣泛采用。電橋按其所采用的激勵電源的類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，其中偏值法的應用更為廣泛。其輸出，既可直接驅(qū)動指示儀表，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，電橋四個橋臂中的一個或多個是阻值隨被測量變化的電阻傳感器元件。如

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

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

（4-2）72.

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

8根據(jù)式（4-1），此時輸出電壓為

可見，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對于圖４-２c所示的電橋，當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（即兩電阻同時增大或同時減小），所產(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（即兩電阻一個增大或一個減?。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，采用交流激勵電源的電橋。電橋的四個臂，可以為電感、電容或電阻，統(tǒng)稱為阻抗。l

如果阻抗、電流及電壓都用復數(shù)表示，則關于直流電橋的平衡關系式，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，但不是三者簡單相加。阻抗的單位是歐。在直流電中，物體對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，必須滿足兩個條件，即：①相對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，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)。即調(diào)節(jié)電阻達到電阻平衡；調(diào)節(jié)電容達到電容平衡。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)有四個電路元件：電阻電感L和電容C，擬接成四臂交流電橋，試畫出能滿足電橋平衡的正確接橋方法，并寫出該電橋的平衡條件。（設電橋激勵為，電橋輸出為）2021電阻交流電橋的分布電容

對于純電阻交流電橋，既使各橋臂均為電阻，但由于導線之間存在分布電容，相當于在各橋臂上并聯(lián)了一個電容，如圖4-9所示。為此，除了有電阻平衡外，還需要有電容平衡。4-922一種用于動態(tài)應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)整差動可變電容，可實現(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，對基波而言，電橋達到平衡；而對高次諧波，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：有利于抑制外界工頻干擾，后接交流放大電路簡單而無零漂。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，需要注意如下影響測量誤差的一些因素：①電橋中元件之間的互感影響；②無感電阻的殘余電抗；③鄰近交流電路對電橋的感應作用；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？信號調(diào)理的的目的是便于信號的傳輸與處理。1.傳感器輸出的微弱電信號，需要放大或進行阻抗變換，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中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。

3.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。25調(diào)制解調(diào)中使用的信號名稱①調(diào)制信號，就是測試信號，也叫原信號，一般為低頻緩變信號；②載波信號，也叫工作信號，一般為高頻簡諧信號；③調(diào)制波，就是已調(diào)制的信號，幅值調(diào)制時稱為調(diào)幅波；頻率調(diào)制時稱為調(diào)頻波。26所謂調(diào)制，就是在調(diào)制信號（測試信號）的控制下，使載波信號（工作信號）的某些參數(shù)（如幅值、頻率、相位）發(fā)生變化的過程。舉例：如圖4-12所示。所謂解調(diào)，就是從已調(diào)制波中恢復出調(diào)制信號的過程。4-1227調(diào)制處理的分類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，使緩慢變化的測試信號便于放大和傳輸。解調(diào)的目的，恢復原來的測試信號。調(diào)幅是將一個高頻簡諧信號（載波信號）與被測信號（調(diào)制信號）相乘，使載波信號的幅值隨被測信號的變化而變化。29（4-18）（4-19）（4-20）（4-21）30調(diào)幅過程如圖4-13所示。4-133132從圖4-13可以看出，載波頻率f0必須高于信號中的最高頻率fmax，這樣才能使已調(diào)幅信號保持原信號的頻譜圖形而不產(chǎn)生混疊現(xiàn)象。在實際應用中載波頻率常常至少在調(diào)制信號上限頻率的十倍以上。幅值調(diào)制的頻移功能在工程技術上具有重要的使用價值。例如，廣播電臺把聲頻信號移頻至各自分配的高頻、超高頻頻段上，既便于放大和傳遞，也可避免各電臺之間的干擾。334-14結(jié)果是使原信號的頻譜圖形平移到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（測試信號）進行偏置，疊加一個直流分量，使偏置后的信號都具有正電壓，那么調(diào)幅波的包絡線將具有原調(diào)制信號的形狀，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，就可以恢復原調(diào)制信號。4-1537補充將一段時間長度的高頻信號的峰值點連線，就可以得到上方（正的）一條線和下方（負的）一條線，這兩條線就叫包絡線。包絡線就是反映高頻信號幅度變化的曲線。對于等幅高頻信號，這兩條包絡線就是平行線。當用一個低頻信號對一個高頻信號進行幅度調(diào)制（即調(diào)幅）時，低頻信號就成了高頻信號的包絡線。這樣的信號稱為調(diào)幅信號。從調(diào)幅信號中將低頻信號解調(diào)出來的過程，就叫做包絡檢波。上述方法的關鍵是準確地加、減偏置電壓。若所加的偏置電壓未能使信號電壓都位于零位的同一側(cè)，那么對調(diào)幅之后的波形只進行簡單的整流便不能恢復原調(diào)制信號，而會造成很大的失真（見圖4-16）。在這種情況下，采用相敏檢波技術可以解決這一問題。383.相敏檢波相敏檢波技術可以解決這一問題。特點:可以鑒別調(diào)制信號的極性，所以采用相敏檢波時，對調(diào)制信號不必再加直流偏置。相敏檢波利用交變信號在過零位時正、負極性發(fā)生突變，使調(diào)幅波的相位（與載波比較）也相應地產(chǎn)生180°的相位跳變，這樣便既能反映出原調(diào)制信號的幅值，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系圖。它由四個特性相同的二極管VD1～VD4沿同一方向串聯(lián)成一個橋式回路，橋臂上有附加電阻，用于橋路平衡。四個端點分別接在變壓器T1和T2的次級線圈上，變壓器T1的輸入為調(diào)幅波xm(t)，T2的輸入信號為參考信號，該參考信號應與載波y(t)的相位和頻率相同，用作極性識別的標準，u0（t）為輸出。二極管的導通與截止完全由T2的次級的輸出決定，因此要求T2的次級的輸出大于T1的次級輸出。404-1741

二極管相敏檢波電路的工作原理分析如下：

（1）當調(diào)制信號x(t)為正時，調(diào)幅波xm(t)與載波y(t)同相。當載波電壓為正時，VD1導通，電流的流向是d-1-VD1-2-5-R1-地-d；當載波電壓為負時，變壓器T1和T2的極性同時改變，VD3導通，電流的流向是d-3-VD3-4-5-R1-地-d?？梢娫?～t1區(qū)間，流經(jīng)負載R1的電流方向始終為由上到下，輸出電壓u0（t）為正值。

（2）當調(diào)制信號x(t)為負時，調(diào)幅波xm(t)與載波y(t)的極性相差180°。當載波電壓為正時，VD2導通，電流的流向是5-2-VD2-3-d-地-R1-5；當載波電壓為負時，VD4導通，電流的流向是5-4-VD4-1-d-地-R1-5?？梢娫趖1～t2區(qū)間，流經(jīng)負載R1的電流方向始終為由下到上，輸出電壓u0（t）為負值。

42調(diào)制與解調(diào)過程（波形轉(zhuǎn)換）載波調(diào)制信號放大后的調(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饔茫瑢㈦娐份敵鰳O性換向。簡單地說，這種電路相當于在0～t1段把的負部翻上去，而在t1～t2段把的正部翻下來。若將經(jīng)低通濾波器濾波，則所得到的信號就是經(jīng)過“翻轉(zhuǎn)”后的包絡。由以上分析可知，通過相敏檢波可得到一個幅值與極性均隨調(diào)制信號的幅值與極性變化的信號，從而使被測信號得到重現(xiàn)。換言之，對于具有極性或方向性的被測量，經(jīng)調(diào)制以后要想正確地恢復原有的信號波形，必須采用相敏檢波的方法。44舉例：動態(tài)電阻應變儀，其方框圖如圖4-18所示。4-18454.2.2調(diào)頻及其解調(diào)1.測試信號的頻率調(diào)制調(diào)頻，也稱為頻率調(diào)制，是利用調(diào)制信號的幅值控制高頻載波信號的頻率變化的過程。在調(diào)頻中載波幅值不變，其頻率隨調(diào)制信號的幅值成比例變化。設載波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)，讓載波瞬時角頻率w（t）隨調(diào)制信號x(t)作線性變化，則K—比例因子（4-23）46于是調(diào)頻信號的總相角表達式為為積分常數(shù)，表示一個初始相角。上式表示調(diào)頻信號的總相角與調(diào)制信號的積分成正比，而信號相位的任何變化均會引起信號頻率的變化，這就是頻率調(diào)制的原理。此時調(diào)頻信號可以表示為

P138圖4-19是調(diào)制信號為三角波時的調(diào)頻信號波形。

（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，可以使信號中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其它頻率成分。濾波是信號處理的重要內(nèi)容。濾波器在自動檢測、自動控制及電子測試儀器中被廣泛應用。

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，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理想化的模型，在物理上是不能實現(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的所有信號予以傳送而無任何失真，將頻率高于fc的信號全部衰減，稱為fc截止頻率。該濾波器的頻率響應函數(shù)：

（４-２８）圖４-２３理想低通濾波器532.實際濾波器的特征參數(shù)理想帶通濾波器與實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：對于理想濾波器來說，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。對于實際濾波器，其特性曲線無明顯轉(zhuǎn)折點，通帶中幅頻特性也并非常數(shù)，因此要用更多的參數(shù)來對它進行描述。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)是一個純計數(shù)單位，本意是表示兩個量的比值大小，沒有單位。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的意義其實再簡單不過了，就是把一個很大（后面跟一長串0的）或者很?。ㄇ懊嬗幸婚L串0的）的數(shù)比較簡短地表示出來。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實際ＲＣ濾波器性能分析RC濾波器，電路簡單、抗干擾性強、低頻特性較好，并且選用標準元件也容易實現(xiàn),在測試系統(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說明①分別調(diào)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；

注意：消除前后兩級間的耦合影響、負載效應；必要時，可采用射極輸出器或運算放大器隔離；②實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帶通濾波器在信號頻率分析中的應用多路帶通濾波器并聯(lián)常用于信號的頻譜分析和信號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，通常是使前一個濾波器的-３dB上截止頻率高端等于后一個濾波器的-３dB下截止頻率低端。濾波器組必須具有相同的放大倍數(shù)。兩類常見的帶通濾波器組：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照，

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

68例.試設計一個鄰接式的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帶寬為常數(shù)。B=fc2i-fc1i=C（4-38）70

4.4測試信號的指示和記錄通過指示器提供的示值，或者記錄器提供的數(shù)據(jù)，我們可以了解、分析和研究測量結(jié)果；將被測信號記錄存儲，我們可以事后重放，做進一步的分析和處理；指示和記錄裝置，是測試系統(tǒng)的最后環(huán)節(jié)，也是測試系統(tǒng)的重要組成部分。714.4.1動圈式磁電指示機構動圈式磁電指示機構，也叫達松瓦爾機構，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第四章信號調(diào)理、處理和記錄

4.4信號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。說明：在光線示波器中，

達松瓦爾機構的轉(zhuǎn)動部件已經(jīng)變成振子；以張絲的的彈性扭轉(zhuǎn)變形，代替原來到轉(zhuǎn)軸和游絲的作用；③用固定在張絲上、并隨之轉(zhuǎn)動的反射鏡