測試信號的調(diào)理及其記錄

第6章測試信號的調(diào)理及其記錄第一節(jié)概述第二節(jié)電橋第三節(jié)濾波器

第四節(jié)調(diào)制與解調(diào)第五節(jié)信號的顯示、記錄與存儲第一節(jié)概述·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。

·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?！つ承﹫龊希瑸楸阌谛盘柕倪h距離傳輸，需要對傳感器測量信號進行調(diào)制解調(diào)處理。

變換與調(diào)理的目的：便于信號的傳輸與處理。

第二節(jié)電橋電橋：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。

優(yōu)點：電路簡單可靠，具有很高的精度和靈敏度。按鼓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。一、直流電橋

電橋的輸出電壓：

直流電橋的平衡條件：

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：鼓勵電壓Ue不變·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：·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：電橋的和差特性：1〕假設(shè)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〕假設(shè)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(chǎn)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，常在梁的上下外表各貼一個應變片，并將兩個應變片接入電橋相鄰的兩個橋臂。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。使用電橋電路時，還需要調(diào)節(jié)零位平衡，即當工作臂電阻變化為零時，使電橋的輸出為零。a〕差動串聯(lián)平衡b〕差動并聯(lián)平衡二、交流電橋

交流電橋采用交流電源鼓勵，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(shù)表示，那么關(guān)于直流電橋的平衡關(guān)系式在交流電橋中也可適用，即交流電橋的平衡條件為把各阻抗用指數(shù)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?！る娙蓦姌?/p>

平衡條件要使電橋到達平衡，必須同時調(diào)節(jié)電阻與電容兩個參數(shù)，即調(diào)節(jié)電阻到達電阻平衡，調(diào)節(jié)電容到達電容平衡?！そ涣麟姌蛩膫€橋臂中有兩個相鄰橋臂采用純電阻元件，那么另外兩個橋臂必須接入相同性質(zhì)的阻抗，例如都是電容或者都是電感?！そ涣麟姌蛩膫€橋臂中有兩個相對橋臂采用純電阻元件，那么另外兩個橋臂必須接入不同性質(zhì)的阻抗，例如一臂是電容，另一臂是電感?！る姼须姌?/p>

平衡條件要使電橋到達平衡，必須同時調(diào)節(jié)電阻與電感兩個參數(shù)，即調(diào)節(jié)電阻到達電阻平衡，調(diào)節(jié)電感到達電感平衡。

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(lián)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·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：變壓器電橋以上兩種電橋中的感應耦合臂可代以差動式三繞組電感傳感器，通過它的敏感元件——鐵心，將被測位移量轉(zhuǎn)換為繞組間互感變化，再通過電橋轉(zhuǎn)換為電壓或電流的輸出。第三節(jié)濾波器

什么是濾波?

在通過傳感器獲得的信號中，常?；煜性S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(zhì)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。按濾波器的選頻方式分：低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器{按濾波器電路的構(gòu)成形式分

有源濾波器無源濾波器{按所處理的信號信號分模擬濾波器數(shù)字濾波器{一、濾波器的分類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(nèi)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〕帶阻濾波器二、理想濾波器特性

理想濾波器在通帶內(nèi)的幅頻特性應為常數(shù)，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(xiàn)的。

理想濾波器的單位脈沖響應函數(shù)為：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(jīng)有響應了。故理想濾波器是物理不可實現(xiàn)。給理想濾波器一個單位階躍輸入那么理想濾波器的輸出為sinc(λ)函數(shù)的積分不能用解析式表示，通常用表格或曲線的形式給出。輸出響應從零值〔a點〕到穩(wěn)定值A(chǔ)0〔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，那么響應的建立時間Te越小，即圖中圖形越陡峭。這一結(jié)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，通帶越窄那么分辨力越高。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(chǎn)生虛假的結(jié)果，而過長的測量時間也是沒有必要的。一般采用BTe=5～10。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(zhuǎn)折點，兩截止頻率之間的幅頻特性也非常數(shù)，故需用更多參數(shù)來描述。實際濾波器的主要特性參數(shù)：（1）截止頻率fc:幅頻特性值等于所對應的頻率。（-3dB截止頻率）〔2〕紋波幅度d：實際濾波器在通頻帶內(nèi)可能出現(xiàn)紋波變化。其波動幅度d與幅頻特性的穩(wěn)定值A(chǔ)0相比，越小越好，一般應遠小于-3dB。即〔4〕品質(zhì)因數(shù)Q:中心頻率fn和帶寬B之比為帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q。Q值越大，說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，即濾波器別離信號中相鄰頻率成分的能力。（5）倍頻程選擇性W:在兩截止頻率外側(cè)，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(shù)表示之。即〔dB／10oct〕?；颉?〕矩形系數(shù)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。

在測試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因為這一領(lǐng)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?！?〕RC低通濾波器2.RC調(diào)諧式濾波器

幅頻特性和相頻特性▲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?zhèn)鬏斚到y(tǒng)?！敃r，，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：〔2〕RC高通濾波器電路的微分方程式令τ=RC，稱時間常數(shù)。傳遞函數(shù)和頻率響應函數(shù)幅頻特性和相頻特性▲當時，，，RC低通濾波器是一個不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。▲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：〔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(lián)。傳遞函數(shù)和頻率響應函數(shù)幅頻特性和相頻特性▲當時，，RC低通濾波器是一個不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。▲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。第四節(jié)調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)目的：解決微弱緩變信號的放大以及信號的傳輸問題。

調(diào)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(shù)〔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(diào)制信號，調(diào)制后的高頻振蕩信號為已調(diào)制信號。

解調(diào)是指從已調(diào)制信號中恢復出原低頻調(diào)制信號的過程。調(diào)制與解調(diào)是一對相反的信號變換過程，在工程上經(jīng)常結(jié)合在一起使用。調(diào)制的種類：調(diào)制信號x(t)載波信號a)幅度調(diào)制(AM)b)頻率調(diào)制(FM)c)相位調(diào)制(PM)載波調(diào)制信號調(diào)幅波調(diào)頻波調(diào)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(diào)制與解調(diào)調(diào)幅過程就相當于頻率“搬移〞過程?！ふ{(diào)幅·解調(diào)解調(diào)就是把調(diào)幅波xm(t)再次與載波y(t)信號相乘，那么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(xiàn)原信號的頻譜〔只是幅值減半〕，這一過程稱為“同步解調(diào)〞。與原頻譜的區(qū)別在于幅值為原來的一半，這可以通過放大來補償。解調(diào)方法：整流檢波和相敏檢波。整流檢波：假設(shè)把調(diào)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(diào)幅波的包絡線將具有原調(diào)制信號的形狀。把該調(diào)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(diào)制信號。這種方法又稱作包絡分析。

假設(shè)所加的偏置電壓未能使信號電壓都為正，那么用簡單的整流方法就不能恢復原調(diào)制信號，這時需要采用相敏檢波的方法。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(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A和B的次級線圈上，變壓器A的輸入信號為調(diào)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(jù)調(diào)幅波和載波的相位差來判別調(diào)制信號極性的解調(diào)器，它適合對各種類型的調(diào)幅波進行解調(diào)。設(shè)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＋

－

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：＋

－

＋

＋

＋

＋

＋

－

－

－

－

－

總結(jié)：在x(t)>0時，無論調(diào)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(nèi)對xm(t)進行全波整流，故解調(diào)后的頻率比原調(diào)制波的頻率高一倍。＋

－

＋

＋

＋

＋

＋

－

－

－

－

－

2〕xm(t)<0，y(t)<0，二極管D1、D4導通，在負載上形成兩個電流回路：回路1：f-g-e-2-d-D4-a-4-f〔藍色〕回路2：3-c-D3-d-2-e-g-f-3〔紅色〕總輸出為：總結(jié)：在x(t)<0時，無論調(diào)制波xm(t)的極性如何，相敏檢波器的輸出波形均為負，即在t1～t2時間內(nèi)對xm(t)進行全波整流后反相，故解調(diào)后的頻率比原調(diào)制波的頻率高一倍。結(jié)論：調(diào)幅波經(jīng)相敏檢波后，得到一隨原調(diào)制信號的幅值與相位變化而變化的高頻波，再經(jīng)過電容C將高頻濾掉，即可獲得與原調(diào)制信號一致的信號。二、調(diào)頻及其解調(diào)調(diào)頻是利用信號電壓的幅值去控制一個振蕩器，振蕩器的輸出是一個等幅波，但其振蕩頻率的變化與信號幅值成比例。信號電壓為零時，調(diào)頻波的頻率等于中心頻率f0，信號電壓為正時頻率增加，為負值時，那么降低，所以調(diào)頻波是隨信號x(t)的電壓幅值而變化的疏密不等的等幅波。1.利用壓控振蕩器調(diào)頻電路工作原理：圖中A1為一個正反響放大器，其輸出電壓受穩(wěn)壓管VW鉗制，其值為+uW或-uW，二者必取其一。M為乘法器，A2為積分器，uX是正值常電壓。假設(shè)開始時A1輸出為+uW，乘法器輸出為uZ是正電壓，A2的輸出電壓將線性下降〔電容C放電〕，當其下降至-uW時，此時其輸出變?yōu)?uW，同時乘法器的輸出uZ也變?yōu)樨撾妷?，從而導致A2的輸出線性上升〔電容C充電〕，當其上升至+uW，A1又將翻轉(zhuǎn)，輸出變?yōu)?uW。這個來回翻轉(zhuǎn)的頻率與uX成正比，從而通過改變uX來到達控制振蕩頻率的目的。LC振蕩電路常被用于電容、渦流、電感等傳感器的測量電路，將電容〔或電感〕作為自激振蕩器的諧振回路的一調(diào)諧參數(shù)，那么電路的諧振頻率為2.直接調(diào)頻及解調(diào)電容傳感器中心頻率按泰勒級數(shù)展開并忽略高階項電感傳感器中心頻率按泰勒級數(shù)展開并忽略高階項LC振蕩電路的振蕩頻率f與調(diào)諧參數(shù)〔C或L〕的變化近似成線性關(guān)系，亦即振蕩頻率受控于被測物理量。2．調(diào)頻信號的解調(diào)

頻波的解調(diào)又稱為鑒頻，是將調(diào)頻波的頻率變化恢復成調(diào)制信號電壓幅值變化的過程。實現(xiàn)鑒頻過程的方案很多，以下圖是一種采用變壓器耦合的諧振回路鑒頻方法。圖中L1、L2是變壓器耦合的一次、二次邊線圈，與C1、C2組成并聯(lián)諧振回路。鑒頻器的工作原理：利用諧振回路的頻率特性。等幅調(diào)頻波uf經(jīng)過并聯(lián)諧振回路，當uf的頻率等于回路諧振頻率fn時，線圈L1、L2中的耦合電流最大，二次邊上的輸出電壓ua也是最大；當uf的頻率偏離fn，ua也隨之下降。ua的頻率始終與uf保持一致，但其幅值隨uf的頻率變化而變化。諧振回路的頻率特性曲線并聯(lián)諧振回路

通常利用諧振曲線中亞諧振區(qū)近似直線的一段來實現(xiàn)頻率-電壓轉(zhuǎn)換。設(shè)被測量為零時，選擇調(diào)諧回路的振蕩頻率與調(diào)頻時的載波頻率f0一致，并將該點設(shè)置在直線工作段的中點附近。亞諧振區(qū)ua是一個即有頻率變化也有幅值變化的調(diào)頻調(diào)幅波ua通過幅值檢波電路，將調(diào)頻調(diào)幅波轉(zhuǎn)換成只剩下它的包絡線的電壓變化波形uo，從而獲得被測量參數(shù)變化的信息。第五節(jié)信號的顯示、記錄與存儲顯示和記錄儀器一般包括指示和顯示儀表、記錄儀器。從記錄信號的性質(zhì)來分，顯示和記錄儀又可分為模擬型和數(shù)字型兩大類。

一、光線示波器

是一種常用的模擬式記錄器，主要用于模擬量的數(shù)據(jù)記錄，它將信號調(diào)整儀輸入的電信號轉(zhuǎn)換為光信號并記錄在感光紙或膠片上，從而得到試驗變量與時間的關(guān)系曲線。

1、光線示波器定義(1)高的靈敏度；(2)記錄信號的頻率可達數(shù)千赫[茲]；(3)實現(xiàn)交叉記錄，能最大限度地利用記錄紙；(4)能夠得到曲線形式的資料，并且直觀性好。(1)工作頻率還不夠?qū)挘?2)記錄曲線不能利用數(shù)字分析儀器或計算機進行處理；(3)感光記錄紙價格較貴，且不能重復使用。2、光線示波器的特點：

優(yōu)點：缺乏之處：工作原理振動子系統(tǒng)、光學系統(tǒng)、記錄紙傳動系統(tǒng)以及電氣系統(tǒng)

振動子系統(tǒng)包括：

振動子

磁系統(tǒng)

恒溫裝置

3、光線示波器的工作原理和結(jié)構(gòu)組成

是將一個或多個變量隨時間或另一變量變化的過程轉(zhuǎn)換為可識別和讀取的信號儀器。它能保存所記錄的信號變化以便分析處理。記錄儀的最大特點是能自動記錄周期性或非周期性多路信號的慢變化過程和瞬態(tài)電平變化過程。1、記錄儀的定義工作頻率輸入信號動態(tài)范圍記錄線性度分辨度失真度響應時間走紙準確度和穩(wěn)定度

2、記錄儀的主要技術(shù)指標二、記錄儀1〕檢流計式筆錄儀

3、筆式記錄儀2〕函數(shù)記錄儀4、磁帶記錄儀磁帶記錄儀是利用鐵磁