1、測(cè)量技術(shù)與信號(hào)處理機(jī)械學(xué)院機(jī)械系第五章 中間變換器第一節(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) 模擬、數(shù)字轉(zhuǎn)換器第一節(jié) 電橋電橋是一種將電阻、電感、電容等參數(shù)變化為電壓或電流變化的測(cè)量電路。一、直流電橋二、交流電橋dV一、直流電橋eieo一、直流電橋eieo平衡條件一、直流電橋半橋單臂eieo一、直流電橋eieo半橋雙臂一、直流電橋eieo全橋應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼位置？一、直流電橋ei直流電橋在不平衡條件下工作時(shí)，激勵(lì)電壓不穩(wěn)定、環(huán)境溫度變化都會(huì)引起電橋輸出變化，從而產(chǎn)生誤差。因此，常采用平衡電橋。二、交流電橋交流電橋的激勵(lì)電壓為交流電壓。橋臂元件可以是電阻、電感或電容。問(wèn)題交流電橋和

2、直流電橋在電路結(jié)構(gòu)上有何異同?它們分別有什么實(shí)際應(yīng)用?交流電橋的平衡條件是什么?與直流電橋的平衡條件有何區(qū)別?電阻、電容及電感的復(fù)阻抗分別如何表示?要使交流電橋最終能調(diào)平衡,應(yīng)如何配置四個(gè)橋臂上的阻抗元件?二、交流電橋二、交流電橋交流電橋橋臂可有如下的組合方式：1、如果相鄰兩臂接入電阻，另兩臂應(yīng)接入性質(zhì)相同的阻抗。2、如果相對(duì)兩臂接入電阻，另兩臂應(yīng)接入性質(zhì)不同的阻抗。3、各橋臂均接入電阻性元件。幾種常用的交流電橋：測(cè)電容的電橋串聯(lián)比較電容電橋 適合測(cè)量損耗小的電容 并聯(lián)比較電容電橋 適合測(cè)量損耗大的電容 ADCBmVADCBmV測(cè)電感的電橋麥克斯韋電橋適合測(cè)量低Q值的電感海氏電橋適合測(cè)量高Q值

3、的電感mVABCDABCDmV二、交流電橋eieo二、交流電橋eieo二、交流電橋eieo導(dǎo)線分布電容的影響不能忽視！二、交流電橋eieo二、交流電橋eiei與普通交流電橋相比，其靈敏度高，精度高，性能穩(wěn)定。第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)為什么要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)？何謂載波、調(diào)制信號(hào)和已調(diào)波？何謂調(diào)頻、調(diào)幅和調(diào)相？第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)為什么要對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)制和解調(diào)？解決微弱緩變信號(hào)的放大以及信號(hào)的傳輸問(wèn)題。 先將微弱的緩變信號(hào)加載到高頻交流信號(hào)中去，然后利用交流放大器進(jìn)行放大，最后再?gòu)姆糯笃鞯妮敵鲂盘?hào)中取出放大了的緩變信號(hào)。 第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)什么叫調(diào)制？由被測(cè)的緩變信號(hào)控制、調(diào)節(jié)高頻振蕩的某個(gè)參數(shù)（幅值、

4、頻率或相位），使其按被測(cè)的緩變信號(hào)的規(guī)律變化。第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)調(diào)幅AM（Amplitude Modulation）：調(diào)頻FM（Frequency Modulation ）：調(diào)相PM（Phase Modulation）：第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)何謂載波、調(diào)制信號(hào)和已調(diào)波？調(diào)制信號(hào)載波信號(hào)一、調(diào)幅及其解調(diào)1、調(diào)幅原理： 調(diào)幅是將一個(gè)高頻正弦信號(hào)（或稱載波）與測(cè)試信號(hào)相乘，使載波信號(hào)幅值隨測(cè)試信號(hào)的變化而變化一、調(diào)幅及其解調(diào)交流電橋就是一種簡(jiǎn)單的調(diào)幅裝置，其輸出為調(diào)幅波。2、調(diào)幅波的頻譜：2、調(diào)幅波的頻譜：y(t)Y(f)-f0f0-f0f0同步解調(diào)按照這個(gè)思路，若將調(diào)幅波與原載波信號(hào)再次相乘，即再次進(jìn)

5、行頻譜“搬移”，其結(jié)果如圖5-12所示。同步解調(diào)y(t)Y(f)Xm(f)*Y(f)由以上分析可知，載波頻率f0必須高于調(diào)制信號(hào)頻帶的最高頻率fm ，可使頻譜不產(chǎn)生混疊，減小時(shí)域波形失真。但載波頻率受電路截止頻率等因素約束，不可過(guò)高。通常取載波頻率十倍或數(shù)十倍于調(diào)制信號(hào)頻帶的最高頻率。3、整流檢波與相敏檢波：3、整流檢波與相敏檢波：d-1-D1-2-5-c-Rf-d0d-3-D3-4-5-c-Rf-d05- 2- D2- 3-d- Rf- c- 55- 4- D4- 1-d- Rf- c- 5d0調(diào)制信號(hào)調(diào)幅波載波二、調(diào)頻及其解調(diào)1、調(diào)頻原理：是用調(diào)制信號(hào)的幅值變化控制和調(diào)節(jié)載波的頻率。或者說(shuō)

6、，調(diào)頻波是一種隨信號(hào)x(t)的電壓幅值而變化的疏密度不同的等幅波. 通常是由一個(gè)振蕩頻率可控的振蕩器來(lái)完成。二、調(diào)頻及其解調(diào)調(diào)頻波的頻偏與調(diào)制信號(hào)的幅值成比例。二、調(diào)頻及其解調(diào)如圖5-17所示，電容（電感）的變化將使調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率發(fā)生相應(yīng)的變化。諧振頻率為二、調(diào)頻及其解調(diào)優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)。因?yàn)檎{(diào)頻信號(hào)所攜帶的信息包含在頻率變化之中，并非振幅之中，而干擾波的干擾作用則主要表現(xiàn)在振幅之中 二、調(diào)頻及其解調(diào)缺點(diǎn)：占頻帶寬度大，復(fù)雜調(diào)頻波通常要求很寬的頻帶，甚至為調(diào)幅所要求帶寬的20倍；調(diào)頻系統(tǒng)較之調(diào)幅系統(tǒng)復(fù)雜，因?yàn)轭l率調(diào)制是一種非線性調(diào)制。二、調(diào)頻及其解調(diào)調(diào)頻波的解調(diào)又稱為鑒頻。調(diào)頻波ea調(diào)

7、頻-調(diào)幅波第四節(jié) 濾波器濾波器的作用是使信號(hào)中的特定頻率成分通過(guò)，而抑制或極大地衰減其他頻率成分。濾波器是頻譜分析和濾除干擾噪聲的頻率選擇裝置，廣泛用于各種自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制裝置中。本節(jié)重點(diǎn)介紹濾波器原理及應(yīng)用。第三節(jié) 濾波器根據(jù)選頻特性，濾波器分為低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器fc2fc2fc2fc1fc1fc1低通高通帶通帶阻濾波器的串/并聯(lián) 低通濾波器和高通濾波器是濾波器的兩種最基本的形式，其它的濾波器都可以分解為這兩種類型的濾波器。一、濾波器的特性及描述1、實(shí)際濾波器的基本參數(shù)2、RC濾波器的基本特性3、RC有源濾波器1、實(shí)際濾波器的基本參數(shù)如圖5-20所示，對(duì)于理想濾波器，

8、只需規(guī)定截止頻率就可以得知其性能。實(shí)際濾波器則復(fù)雜得多。重點(diǎn)介紹帶通濾波器的主要參數(shù)。1、紋波幅度d紋波幅度為幅頻特性的最大波動(dòng)值。2、截止頻率幅頻特性值等于 所對(duì)應(yīng)的頻率為截止頻率，記作fc。截止頻率對(duì)應(yīng)的點(diǎn)正好是半功率點(diǎn)。截止頻率又稱為-3dB頻率。3、帶寬B和中心頻率f0帶通濾波器上、下兩截止頻率之間的頻率范圍稱為其通頻帶帶寬，或-3dB帶寬，記作B=fc2-fc1(Hz)。帶寬決定濾波器分離信號(hào)中相鄰頻率成分的能力頻率分辨力。4、選擇性選擇性是一個(gè)特別重要的性能指標(biāo)。過(guò)渡帶的幅頻特性曲線的斜率表明其幅頻特性衰減的快慢，它決定著濾波器對(duì)通頻帶以外頻率成分的衰減能力。倍頻程選擇性濾波器因數(shù)

9、倍頻程選擇性頻率變化一個(gè)倍頻程時(shí)，過(guò)渡帶幅頻特性的衰減量稱為濾波器的倍頻程選擇性，以dB表示。衰減越快，選擇性越好。濾波器因數(shù)（矩形系數(shù)）濾波器幅頻特性的-60dB帶寬與-3dB帶寬之比稱為濾波器因數(shù)，記作，即理想濾波器=1，常用濾波器=（15）5、品質(zhì)因數(shù)Q值帶通濾波器中心頻率f0與帶寬B之比稱為濾波器的品質(zhì)因數(shù)，有時(shí)稱作Q值，即Q值越高，選擇性越好。5、品質(zhì)因數(shù)Q值若中心頻率f01=f02=500Hz, Q1=50，Q2=25，哪個(gè)濾波器的選擇性好？Q值越高，選擇性越好。舉例2、RC濾波器的基本特性RC低通濾波器RC高通濾波器RC帶通濾波器RC低通濾波器1eoeiRC高通濾波器eoei注意

10、：截止頻率的計(jì)算RC帶通濾波器eoei3、RC有源濾波器低階無(wú)源濾波器的選擇性主要取決于濾波器的階次。為什么？無(wú)源RC濾波器串聯(lián)雖然可以提高階次，但受級(jí)間耦合影響，其效果是遞減的，信號(hào)的幅值將逐級(jí)衰減。有源濾波器由RC網(wǎng)絡(luò)和有源器件組成。目前以運(yùn)算放大器作有源器件構(gòu)成的有源濾波器應(yīng)用廣泛。運(yùn)算放大器可以消除級(jí)間耦合對(duì)特性的影響，又可以起到放大信號(hào)的作用。3、RC有源濾波器3、RC有源濾波器二、實(shí)際濾波器的應(yīng)用濾波器的應(yīng)用主要有兩種形式：1、單個(gè)濾波器接入自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制裝置的電路中；2、多個(gè)濾波器的濾波器組件。（本節(jié)討論該種情況）倍頻程濾波裝置二、實(shí)際濾波器的應(yīng)用1、倍頻程濾波器2、恒帶寬濾

11、波器3、各種濾波器的比較1、倍頻程濾波器帶通濾波器上下截止頻率可表示為fc2=2nfc1，n為倍頻程數(shù)，常取為1，1/3，1/5，1/10。濾波器的中心頻率f0則為當(dāng)n一定時(shí)，Q值為常數(shù)，所以倍頻程濾波器都是恒帶寬比帶通濾波器。鄰接式倍頻程濾波器中，兩個(gè)鄰接的濾波器的中心頻率關(guān)系為f02=2nf012、恒帶寬濾波器2) 恒帶寬比帶通濾波器 1) 恒帶寬帶通濾波器 2、恒帶寬濾波器恒帶寬比式濾波器的帶寬隨中心頻率的增大而增大，致使帶寬過(guò)大、頻率分辨力過(guò)差，無(wú)法分離頻率值接近的成分。為使濾波器在各個(gè)頻率段都具有相同的頻率分辨力，需要采用恒帶寬濾波器。2、恒帶寬濾波器常用的恒帶寬濾波器有兩種：1、跟

12、蹤濾波器2、相關(guān)濾波器中心頻率都由參考信號(hào)控制連續(xù)調(diào)節(jié)。跟蹤濾波器是一種連續(xù)式恒帶寬濾波器。工作原理如圖5-28所示。跟蹤濾波器原理圖12345吉布斯現(xiàn)象（Gibbs）建立時(shí)間Te與帶寬的關(guān)系濾波器的頻率分辨率與快速響應(yīng)特性互相矛盾3、各種濾波器的比較1/3倍頻程濾波器1/10倍頻程濾波器倍頻程選擇性為45dB跟蹤濾波器帶寬為3Hz濾波器因數(shù)=4信號(hào)的濾波 由案例提煉的典型實(shí)驗(yàn)：鋼管無(wú)損探傷濾除信號(hào)中的零漂和低頻晃動(dòng)，便于門(mén)限報(bào)警實(shí)驗(yàn)案例：機(jī)床軸心軌跡的濾波處理 信號(hào)的濾波 案例：機(jī)床軸心軌跡的濾波處理 濾除信號(hào)中的高頻噪聲，以便于觀察軸心運(yùn)動(dòng)規(guī)律實(shí)驗(yàn)第四節(jié) 模擬、數(shù)字轉(zhuǎn)換器1、什么是模擬信號(hào)

13、？ 經(jīng)過(guò)傳感器變換后，代表被測(cè)量的電壓或電流信號(hào)的幅值在連續(xù)時(shí)間內(nèi)取連續(xù)值，稱為模擬信號(hào)。模擬信號(hào)可以直接記錄、顯示或存儲(chǔ)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用，需要進(jìn)行模-數(shù)轉(zhuǎn)換，也需要進(jìn)行數(shù)-模轉(zhuǎn)換以推動(dòng)控制系統(tǒng)執(zhí)行元件或作模擬記錄或顯示。第四節(jié) 模擬、數(shù)字轉(zhuǎn)換器2、把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的裝置，稱為模-數(shù)轉(zhuǎn)換，A/D。把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的裝置，稱為數(shù)-模轉(zhuǎn)換,D/A。第四節(jié) 模擬、數(shù)字轉(zhuǎn)換器一、數(shù)-模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器）二、模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（A/D轉(zhuǎn)換器）一、數(shù)-模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器）數(shù)-模轉(zhuǎn)換器是把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為電壓、電流等模擬量的裝置。一、數(shù)-模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器）T形電阻解碼網(wǎng)絡(luò)詳細(xì)講解一、數(shù)-模轉(zhuǎn)換器（D/A轉(zhuǎn)換器）D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電壓e0是采樣時(shí)刻的瞬時(shí)值，在時(shí)間域內(nèi)仍然是離散的。若要恢復(fù)連續(xù)波形，還需進(jìn)行波形復(fù)