第一節電橋第三節

濾波器第四節信號的放大第五節測試信號的顯示與記錄第二節調制與解調第四章信號的調理與記錄第一節電橋一、直流電橋電橋是將電阻、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，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。圖4-1是直流電橋的基本結構被測量經傳感器轉換成的或是微弱電信號或是微小的非電信號，這些信號中一般含有噪聲，通常需要進行某些調理和處理，以便提高信噪比，把信號轉換成更便于處理、接收和顯示的形式，最終轉換為儀表示值，或被記錄，或輸入計算機、控制裝置，或供人觀察。電橋按其所采用的激勵電源的類型可分為直流電橋與交流電橋；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。第一節電橋一、直流電橋在測試中常用的電橋連接形式有：單臂電橋連接、半橋連接與全橋連接。直流電橋的連接方式，如圖4-2所示。圖4-2直流電橋的聯接方式在使用電橋時必須使相鄰的兩個橋臂的電阻值變化量相反。第一節電橋一、直流電橋換在測試中常用的電橋連接形式有：單臂電橋連接、半橋連接與全橋連接。懸臂梁測力的電橋接法如圖4-3所示圖4-3第一節電橋一、直流電橋在測試中常用的電橋連接形式有：單臂電橋連接、半橋連接與全橋連接。柱形梁測力的電橋接法如圖4-4所示。圖4-4柱形梁測力的電橋法第一節電橋一、直流電橋在測試中常用的電橋連接形式有：單臂電橋連接、半橋連接與全橋連接。使用電橋電路時，還需要調節零位平衡，如圖4-5所示。圖4-5零位平衡調節差動串聯平衡差動并聯平衡交流電橋的電路結構與直流電橋完全一樣，如圖4-6所示。第一節電橋二、交流電橋圖4-6交流電橋圖4-7是一種常用電容電橋。

第一節電橋二、交流電橋換圖4-7電容電橋平衡條件：圖4-8是一種常用的電感電橋。第一節電橋二、交流電橋圖4-8電感電橋平衡條件：電阻交流電橋的分布電容如圖4-9所示。第一節電橋二、交流電橋換圖4-9電阻交流電橋的分布電容使用5~10kHz音頻交流電源作為交流電橋的電源。具有電阻電容平衡的交流電阻電橋如圖4-10所示。第一節電橋二、交流電橋圖4-10具有電阻電容平衡的交流電阻電橋用于電感比較儀中的電橋如圖4-11a所示。第一節電橋三、帶感應耦合臂的電橋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，一般有兩種形式。圖4-11帶電感偶合臂的電橋原邊繞組二次邊繞組兩原邊繞組單次邊繞組較高的精確度、靈敏度以及性能穩定。第一節電橋四、平衡電橋圖4-12平衡電橋上述電橋都是在失去平衡時才有電壓輸出，是在不平衡條件下工作的。它的缺點是當電源電壓不穩定以及環境溫度有變化時，都會引起電橋輸出的變化，從而會產生測量誤差。為此，在某些情況下，采用平衡電橋。當被測量等于零時，電橋處于平衡狀態，指示儀表G及可調電位器H指零。13第二節調制與解調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。當被控制的量是高頻振蕩信號的幅值時，稱為幅值調制或調幅；當被控制的量是高頻振蕩信號的頻率時，稱為頻率調制或調頻；當被控制的量是高頻振蕩信號的相位時，稱為相位調制或調相。（高頻振蕩信號為載波，控制高頻振蕩的低頻信號為調制信號，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。1.幅值調制第二節調制與解調一、幅值調制與解調幅值調制是將一個高頻載波信號（此處采用余弦波）與被測信號（調制信號）相乘，使高頻信號的幅值隨被測信號的變化而變化。圖4-12幅值調制如所示高頻載波信號已調制信號調制信號(被測信號)2.調幅信號的頻域分析第二節調制與解調一、幅值調制與解調一個函數與單位脈沖函數卷積的結果是：將這個函數的波形由坐標原點平移至該脈沖函數處。圖4-13調頻信號的頻譜為了保持調制信號的信息，要求載波信號的頻率f0必須至少是調制信號(即被測信號)最高頻率fm的10倍。3.調幅信號的解調方法第二節調制與解調一、幅值調制與解調（1）同步解調圖4-14同步解調若把調幅波再次與原載波信號相乘，則頻域的頻譜圖形將再一次進行“搬家”，其結果是使原信號的頻譜圖形平移到0和±2f0的頻率處。被測信號幅值/2被測信號幅值/2被測信號幅值/43.調幅信號的解調方法第二節調制與解調一、幅值調制與解調（2）包絡檢波圖4-15調制信號加足夠直流偏置的調幅波包絡檢波亦稱整流檢波，被測信號加足夠直流偏置，然后進行調幅，這時已調幅信號的波形如圖4-15所示，這時只要對這種已調制信號進行整流濾波再減去直流偏置就可以得到原來的被測試信號。3.調幅信號的解調方法第二節調制與解調一、幅值調制與解調（2）包絡檢波若所加的偏置電壓未能使信號電壓都位于零位的同一側：那么對調幅的波形只進行簡單的整流濾波便不能回復原調制信號，而會造成失真。圖4-16調制信號直流偏置不夠時3.調幅信號的解調方法第二節調制與解調一、幅值調制與解調（3）相敏檢波相敏檢波是利用二極管的單向導通作用將電路輸出極性互換。其特點是可以鑒別調制信號的極性，所以采用相敏檢波時，對調制信號不必再直流偏置。被測信號在過零位時正負極性發生改變，使已調制信號即調幅波信號的相位相對于載波信號產生180度的相位突變，相敏檢測電路利用這個突變就能反映原調制信號的幅值，又能反映其極性。3.調幅信號的解調方法第二節調制與解調一、幅值調制與解調如圖4-17為一種典型的二極管相敏檢波電路。圖中還示出了相敏檢波器解調的波形轉換過程。圖4-17相敏檢波（3）相敏檢波正調制信號(正電壓比較)：載波信號正：d-1-VD1-2-5-R1-地-d;

載波信號負：d-3-VD3-4-5-R1-地-d;負調制信號(負電壓比較)：載波信號正：5-2-VD2-3-d-地-R1-5;

載波信號負：5-4-VD4-1-d-地-R1-5;3.調幅信號的解調方法第二節調制與解調一、幅值調制與解調動態電阻應變儀可作為電橋調幅與相敏檢波的典型實例，如圖4-18所示。圖4-18動態電阻應變儀框圖1.頻率調制的基本概念第二節調制與解調二、頻率調制與解調調頻(頻率調制)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正比。當信號電壓為零時，調頻波的頻率就等于中心頻率；信號電壓為正值時頻率提高，負值時則降低。所以調頻波是隨信號而變化的琉密不等的等幅波，如圖4-19所示。圖4-19調制信號為三角波時的調頻信號波形。2.頻率調制方法第二節調制與解調二、頻率調制與解調圖4-20LC振蕩電路直接頻率調制法2.頻率調制方法第二節調制與解調二、頻率調制與解調壓控振蕩器模擬乘法器滯回歸比較器模擬積分器目前已有大量單片壓控振蕩器芯片，例如MAX2622~MAX2624。這些芯片的中心頻率有生產廠家預置，頻率變化量由輸入電壓控制。253.調頻信號的解調第二節調制與解調二、頻率調制與解調調頻信號的解調亦稱鑒頻，一般采用鑒頻器和鎖相環解調器。圖4-21調頻器工作原理工作于高通濾波器的過渡帶第三節濾波器一、概述濾波是指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的一種過程。濾波器可以是機械的也可以是電子的，本節介紹電子濾波器。圖4-22四種濾波器的幅頻特性可從不同角度對濾波器進行分類，從其功能角度可以把濾波器分為低通、高通、帶通和帶阻等四種濾波器；從其構成角度可把其分為有源和無源。第三節濾波器二、濾波器性能分析理想低通濾波器單位脈沖響應圖4-23理想低通濾波器特性所謂理想濾波器：就是將濾波器的一些特性理想化而定義的濾波器。理想低通濾波器的幅頻和相頻特性如圖4-23所示。截止頻率fc第三節濾波器二、濾波器性能分析理想低通濾波器單位階躍響應理想低通濾波器的單位階躍響應，如圖所示。圖4-20理想低通濾波器對單位階躍輸入的響應

a)無相角滯后時移t0=0b)有相角滯后，時移t0!=0輸入的階躍信號：理想低通濾波器的時間響應：系統輸出的穩定時間：此式表明，如果濾波器的通頻帶越寬，即fc越大，則h(t)的圖形將越陡峭，響應的建立時間(tb-ta)也將越小。如果按理論響應值的0.1~0.9作為計算建立時間的標準，則29第三節濾波器二、濾波器性能分析理想低通濾波器輸出穩定時間(過渡時間)從以上分析可知，理想低通濾波器對階躍信號的響應需要一定的建立時間可以這樣解釋：輸人信號如果有突變，必然含有豐富的高頻分量。低通濾波器阻衰了高頻分量，其結果是把輸出波形“圓滑”了。通帶越寬，阻衰的高頻分量越少，使信號能量更多、更快地通過，所以建立時間就短；反之，則長。故低通濾波器對階躍響應的建立時間Te和帶寬B成反比，或者說帶寬和建立時間的乘積是常數，即實際濾波器的特征參數圖4-24實際帶通濾波器的幅頻特性截止頻率fc幅頻特性值等于時所對應的頻率點，如以信號功率表示，則為半功率點處的頻率。帶寬B上下兩截止頻率之間的頻率范圍稱為濾波器帶寬，或-3dB帶寬，單位為Hz。帶寬決定著濾波器分離信號中相鄰頻率成分的能力-頻率分辨力。濾波器響應速度和分辨能力是矛盾的30第三節濾波器二、濾波器性能分析實際濾波器的特征參數波紋幅度d品質因子(Q)通帶中幅頻特性值的起伏變化值，波紋幅度越小越好。圖4-24實際帶通濾波器的幅頻特性在帶通濾波器中，品質因子定義為中心頻率f0與帶寬B之比，品質因子越大，則相對帶寬越小，濾波器的選擇性就越好。倍頻程選擇性濾波器因數(矩形系數)l從阻帶到通帶或從通帶到阻帶，實際濾波器都有一個過渡帶，過渡帶的曲線傾斜度代表幅頻特性衰減的快慢程度，通常用倍頻程選擇性來表征。倍頻程選擇性是指上截止頻率fc2與2fc2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。顯然，衰減越快，選擇性越好。對理想濾波器有l=1。對于普通使用的濾波器，l一般為1~5。31第三節濾波器最簡單的低通和高通濾波器可由一個電阻和一個電容組成，圖4-25所示。圖4-25簡單低通和高通濾波器三、實際濾波電路第三節濾波器三、實際濾波電路一階RC濾波器在過渡帶內的衰減速率非常慢，每個倍頻只有6dB，如圖4-27所示。圖4-27RC高低通濾波器的幅頻特性第三節濾波器三、實際濾波電路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電路產生較為陡峭的濾波器邊緣，如圖4-28所示。這是因為多個中心頻率相同的濾波器級聯后，其總幅頻特性為各級幅頻特性相乘。這樣使用雖然可以是過渡帶陡峭，但是會帶來負載效應和相位滯后，為此可以把濾波網絡與運算放大器結合起來使用，這就形成了有源濾波。已有現成有源濾波器芯片，可以查閱有關資料。圖4-28LC濾波器構成方法第三節濾波器三、實際濾波電路通過采用多個RC環節或LC環節級聯方式，可以使濾波器的性能有顯著的提高，如圖4-29所示。圖4-29高階濾波器第三節濾波器三、實際濾波電路將濾波器網絡與遠算放大器結合時構造有源濾波器電路的基本方法。如圖4-30所示。圖4-30有源濾波器的基本結構第三節濾波器四、帶通濾波器在信號頻率分析中的應用1.多路濾波器的并聯形式多路帶通濾波器并聯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互相銜接。圖4-32帶通濾波器并聯的頻帶分配第三節濾波器四、帶通濾波器在信號頻率分析中的應用1.多路濾波器的并聯形式（1）恒帶寬比濾波器恒帶寬比濾波器是指濾波器的相對帶寬是常數，即圖4-33恒帶寬比與恒帶寬濾波器的特性恒帶寬比濾波器的上、下截止頻率滿足如下關系式中n-倍頻程數。如n=1，稱為倍頻程濾波器；n=1/3，則稱為1/3倍頻程濾波器。不同恒帶寬比的濾波器的n系數不一樣。濾波器的中心頻率與上、下截止頻率滿足：恒帶寬比的濾波器的相鄰兩個濾波器的中心頻率滿足如下關系第三節濾波器四、帶通濾波器在信號頻率分析中的應用1.多路濾波器的并聯形式(2)恒帶寬濾波器恒帶寬濾波器是指濾波器的絕對帶寬為常數。這種濾波器不使用多個中心頻率和帶寬都固定的濾波器的并聯方式實現，而是使用一個中心頻率可調的掃描式帶通濾波器來實現。第三節濾波器四、帶通濾波器在信號頻率分析中的應用2.中心頻率可調試掃描式頻率分析儀采用一個中心頻率可調的帶通濾波器。通過改變中心頻率使該濾波器的通帶隨所要分析的信號頻率范圍要求來變化。調節方式可以是手調或者外信號調節。由于掃描頻率不能很快，這種濾波器也由恒寬帶比的帶通濾波器構成。但是每一個帶通濾波器使用一個恒帶寬掃描帶通濾波器實現。圖4-35掃描式頻率分析儀框圖第四節信號的放大一、基本放大電路圖4-36示出了反相放大器、同相放大器和差分放大器三種基本放大電路。圖4-36基本放大電路通常情況下，傳感器輸出的信號都很微弱，必須用放大電路放大后才便于后續處理。為了保證測量精度的要求，放大電路應有如下性能：足夠大的放大倍數；高輸入阻抗，低輸出阻抗；高共模抑制能力；低溫漂、低噪聲、低失調電壓和電流；第四節信號的放大一、基本放大電路一種常用來提高輸入阻抗的辦法是在基本放大電路之前串接一級射極跟隨器，如圖4-37所示。圖4-3