第6章測試信號的調理及其記錄第一節概述第二節電橋第三節濾波器

第四節調制與解調第五節信號的顯示、記錄與存儲1第一節概述·傳感器輸出的電信號很微弱，大多數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。

·有些傳感器輸出電信號中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。

·某些場合，為便于信號的遠距離傳輸，需要對傳感器測量信號進行調制解調處理。

變換與調理的目的：便于信號的傳輸與處理。

2第二節電橋

電橋：將電阻、電感、電容等參量的變化轉換為電壓或電流輸出的一種測量電路。

優點：電路簡單可靠，具有很高的精度和靈敏度。按激勵電源的類型可分為：直流電橋交流電橋{按輸出方式分為：不平衡式電橋平衡式電橋{不平衡式電橋應用更為廣泛。下面僅對不平衡式電橋加以介紹。3一、直流電橋

電橋的輸出電壓：

直流電橋的平衡條件：

4

電橋的連接形式：單臂電橋、半橋與全橋。

·單臂電橋：工作中只有一個橋臂電阻隨被測量的變化而變化。取電橋的輸出電壓：靈敏度：激勵電壓Ue不變5·半橋：工作中有兩個橋臂（一般為相鄰橋臂）的阻值隨被測量差動變化。電橋的輸出電壓：靈敏度：6·全橋：工作中四個橋臂阻值都隨被測量而變化。電橋的輸出電壓：靈敏度：7電橋的和差特性：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），所產生的輸出電壓的變化將相互抵消；

2）若相鄰兩橋臂電阻反相變化（即兩電阻一個增大一個減小），所產生的輸出電壓的變化將相互迭加。

用懸臂梁做敏感元件測力時，常在梁的上下表面各貼一個應變片，并將兩個應變片接入電橋相鄰的兩個橋臂。8

用柱形梁做敏感元件測力時，常沿著圓周間隔90°縱向貼4個應變片R1、R2、R3、R4作為工作片，與縱向應變片相間，再橫向貼4個應變片R5、R6、R7、R8用作溫度補償。9

例題：以阻值R=200Ω、靈敏度S=2的電阻絲應變片與阻值為200Ω的固定電阻組成電橋，供橋電壓為5V，并假定負載電阻為無窮大，當應變片的應變為2με和200με時，分別求單臂、雙臂電橋的輸出電壓，并比較兩種情況下的電橋靈敏度。解：單臂電橋的輸出電壓1）當應變片的應變為2με雙臂電橋的輸出電壓二、交流電橋

交流電橋采用交流電源激勵，電橋的四個臂可為電感、電容或電阻。如果交流電橋的阻抗、電流及電壓都用復數表示，則關于直流電橋的平衡關系式在交流電橋中也可適用，即交流電橋的平衡條件為

把各阻抗用指數式表示為

平衡條件：相對兩臂阻抗之模的乘積應相等，并且它們的阻抗角之和也必須相等。11·電容電橋

平衡條件

要使電橋達到平衡，必須同時調節電阻與電容兩個參數，即調節電阻達到電阻平衡，調節電容達到電容平衡。·交流電橋四個橋臂中有兩個相鄰橋臂采用純電阻元件，則另外兩個橋臂必須接入相同性質的阻抗，例如都是電容或者都是電感。

·交流電橋四個橋臂中有兩個相對橋臂采用純電阻元件，則另外兩個橋臂必須接入不同性質的阻抗，例如一臂是電容，另一臂是電感。

12·電感電橋

平衡條件

要使電橋達到平衡，必須同時調節電阻與電感兩個參數，即調節電阻達到電阻平衡，調節電感達到電感平衡。

13

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了一個電容。為此，除了有電阻平衡外，還須有電容平衡。

電阻交流電橋的分布電容

具有電阻電容平衡的交流電阻電橋14·單臂電橋輸出電壓：靈敏度：·半橋輸出電壓：靈敏度：·全橋輸出電壓：靈敏度：15第三節濾波器

什么是濾波?

在通過傳感器獲得的信號中，常常混淆有許多其他頻率的干擾。由于這些干擾的存在，有時得不到正確的測量值，甚至有時有用的信號被淹沒在干擾噪聲中。為了突出有用信號，抑制噪聲干擾，我們就要對傳感器獲得的信號進行濾波。

濾波的實質就是對信號進行頻率選擇，完成濾波功能的裝置稱為濾波器。當信號通過濾波器時，信號中某些頻率成分得以通過，其他頻率成分的信號受到衰減或抑制。信號通過濾波器的過程，就稱為對信號進行濾波。16低通濾波器允許在其截止頻率以下的頻率成分通過而高于此頻率的頻率成分被衰減；高通濾波器只允許在其截止頻率之上的頻率成分通過；帶通濾波器只允許在其中心頻率附近一定范圍內的頻率分量通過；帶阻濾波器可將選定頻帶上的頻率成分衰減掉。a）低通濾波器b）高通濾波器c）帶通濾波器d）帶阻濾波器

17二、理想濾波器特性

理想濾波器在通帶內的幅頻特性應為常數，相頻特性的斜率為常值；在通帶外的幅頻特性應為零。

理想濾波器在工程實際中是不可能實現的。

18

理想濾波器的單位脈沖響應函數為：19

從理想濾波器的單位脈沖響應圖形可以看出，在t=0時刻單位脈沖輸入濾波器之前，即在t＜0時，濾波器就已經有響應了。故理想濾波器是物理不可實現。20給理想濾波器一個單位階躍輸入則理想濾波器的輸出為sinc(λ)函數的積分不能用解析式表示，通常用表格或曲線的形式給出。21

輸出響應從零值（a點）到穩定值A0（b點）需要一定的建立時間Te=tb-ta。計算積分式有：

濾波器的通頻帶越寬，即fc越大，則響應的建立時間Te越小，即圖中圖形越陡峭。22

這一結論對其它濾波器（高通、帶通、帶阻）也適用。

另一方面，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。因此，濾波器的高分辨能力和測量時快速響應的要求是相互矛盾的。當采用濾波器從信號中選取某一頻率成分時，就需要有足夠的時間。如果建立時間不夠，就會產生虛假的結果，而過長的測量時間也是沒有必要的。一般采用BTe=5～10。23三、實際濾波器

理想濾波器的特性只需用截止頻率描述，而實際濾波器的特性曲線無明顯的轉折點，兩截止頻率之間的幅頻特性也非常數，故需用更多參數來描述。實際濾波器的主要特性參數：（1）截止頻率fc:幅頻特性值等于所對應的頻率。（-3dB截止頻率）24

（2）紋波幅度d：實際濾波器在通頻帶內可能出現紋波變化。其波動幅度d與幅頻特性的穩定值A0相比，越小越好，一般應遠小于-3dB。即

（4）品質因數Q:中心頻率fn和帶寬B之比為帶通濾波器的品質因數Q。Q值越大，表明濾波器頻率分辨力越高。帶通濾波器的中心頻率定義為

（3）帶寬B：上下兩截頻間的頻率范圍稱為帶寬（-3dB帶寬）。帶寬表示濾波器的分辨能力，即濾波器分離信號中相鄰頻率成分的能力。25

（5）倍頻程選擇性W:在兩截止頻率外側，實際濾波器有一個過渡帶，這個過渡帶的幅頻曲線傾斜程度表明了幅頻特性衰減的快慢，它決定著濾波器對帶寬外頻率成分衰阻的能力。通常用倍頻程選擇性來表征。所謂倍頻程選擇性，是指在上截止頻率與之間，或者在下截止頻率與之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個倍頻程時的衰減量。

倍頻程衰減量以dB/oct表示（octave，倍頻程）。顯然，衰減越快（即W值越小），濾波器的選擇性越好。對于遠離截止頻率的衰減率也可用10倍頻程衰減數表示之。即（dB／10oct）。或26

（6）矩形系數λ：濾波器選擇性的另一種方法，是用濾波器幅頻特性值為-60dB處的帶寬B-60dB與-3dB處的帶寬B-3dB的比值表示，即

對理想濾波器有λ=1。對普通使用的濾波器，一般為1～5。27

在測試系統中，常用RC濾波器。因為這一領域中信號頻率相對來說不高。而RC濾波器電路簡單，抗干擾強，有較好的低頻性能。（1）RC低通濾波器

2.RC調諧式濾波器

28幅頻特性和相頻特性29▲當時，，近似于一條通過原點的直線。此時，RC低通濾波器是一個不失真傳輸系統。▲當時，，即RC低通濾波器的截止頻率為▲當，，輸出uy與輸入ux的積分成正比，即：30（2）RC高通濾波器

電路的微分方程式令τ=RC，稱時間常數。傳遞函數和頻率響應函數幅頻特性和相頻特性31▲當時，，，RC低通濾波器是一個不失真傳輸系統。▲當時，，即RC高通濾波器的截止頻率為▲當，，輸出uy與輸入ux的積分成正比，即：32（3）RC帶通濾波器帶通濾波器可以看作低通濾波器和高通濾波器的串聯。傳遞函數和頻率響應函數幅頻特性和相頻特性33▲當時，，RC低通濾波器是一個不失真傳輸系統。▲當時，，即RC帶通濾波器的下、上截止頻率為▲當，，信號完全被阻擋，不能通過。34第四節調制與解調調制與解調目的：解決微弱緩變信號的放大以及信號的傳輸問題。

調制是指利用某種低頻信號來控制或改變一高頻振蕩信號的某個參數（幅值、頻率或相位）的過程。在這里，高頻振蕩信號被稱為載波，控制高頻振蕩的低頻信號被稱為調制信號，調制后的高頻振蕩信號為已調制信號。

解調是指從已調制信號中恢復出原低頻調制信號的過程。調制與解調是一對相反的信號變換過程，在工程上經常結合在一起使用。35調制的種類：調制信號x(t)載波信號a)幅度調制(AM)b)頻率調制(FM)c)相位調制(PM)36

調幅是將一個高頻正弦信號（或稱載波）與測試信號相乘，使載波信號幅值隨測試信號的變化而變化。一、幅度調制與解調

調幅過程就相當于頻率“搬移”過程。·調幅37·解調

解調就是把調幅波xm(t)

再次與載波y(t)信號相乘，則頻域圖形將再一次進行“搬移”

用低通濾波器濾除高頻成分，將可以復現原信號的頻譜（只是幅值減半），這一過程稱為“同步解調”。與原頻譜的區別在于幅值為原來的一半，這可以通過放大來補償。3839

解調方法：整流檢波和相敏檢波。整流檢波：若把調制信號進行偏置，疊加一個直流分量，使偏置后的信號都具有正電壓，那么調幅波的包絡線將具有原調制信號的形狀。把該調幅波進行簡單的半波或全波整流、濾波，并減去所加的偏置電壓就可以恢復原調制信號。這種方法又稱作包絡分析。

若所加的偏置電壓未能使信號電壓都為正，則用簡單的整流方法就不能恢復原調制信號，這時需要采用相敏檢波的方法。40相敏檢波器由四個特性相同的二極管D1～D4沿同一方向串聯成一個橋式回路，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A和B的次級線圈上，變壓器A的輸入信號為調幅波xm(t)，B的輸入信號為載波y(t)，uf(t)為輸出。相敏檢波器是一種能根據調幅波和載波的相位差來判別調制信號極性的解調器，它適合對各種類型的調幅波進行解調。設計相敏檢波器時要求變壓器B的二次邊輸出遠大于變壓器A的二次邊輸出，即y(t)>>xm(t)。這時，二極管的導通與截止全由參考電壓y(t)決定。相敏檢波41＋

－

1）xm(t)>0，y(t)>0，二極管D1、D2導通,在負載上形成兩個電流回路：

回路1：f-g-e-1-b-D2-c-3-f（藍色）回路2：4-a-D1-b-1-e-g-f-4（紅色）總輸出為：＋

－

＋

＋

＋

＋

＋

－

－

－

－

－

42

總結：在x(t)>0時，無論調制波xm(t)的極性是否為正，相敏檢波器的輸出波形均為正，即在0～t1時間內對xm(t)進行全波整流，故解調后的頻率比原調制波的頻率高一倍