测试技术第4章课件.ppt

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1、信号调理处理与分析,4.1 电桥,4.2 调制与解调,本章主要内容,4.3 滤波器,4.4 放大器,信4.1 电桥4.2 调制与解调 本章主要内容4.3,电桥,4.1 电桥,4.1.1 直流电桥,电桥用途：将电阻、电感、电容的变化转变为电压或电流输出,激励电压为直流电压E,电4.1 电桥4.1.1 直流电桥电桥用途：将电阻、电感,电桥,若要使Ubd=0，则要使R1R3=R2R4（直流电桥平衡条件）,一般令R1=R2=R3=R4=R,电若要使Ubd=0，则要使R1R3=R2R4（直流电桥平衡条,若电阻R1可变，变化量为R，则有：,电桥输出：,a. 半桥单臂,半桥单臂,电桥,当RR时，有,可看出U

2、y与R约成线性关系,若电阻R1可变，变化量为R，则有：电桥输出：a. 半桥单臂,若电阻R2也可变，变化量为 - R，则有：,电桥输出：,这种情况称为半桥双臂，灵敏度为半桥单臂的两倍,b. 半桥双臂,半桥双臂,电桥,若电阻R2也可变，变化量为 - R，则有：电桥输出：这种情,同理，若R3和R4也有变化，变化量分别为+ R和 R,电桥输出：,这种情况称为全桥，灵敏度为半桥双臂的两倍,c. 全桥,全桥,电桥,同理，若R3和R4也有变化，变化量分别为+ R和 R,半桥和 全桥的电阻阻值变化特点对角的两个桥臂的阻值变化相同；不同对角桥臂的阻值变化大小相等，方向相反,电桥,半桥和 全桥的电阻阻值变化特点电

3、,电桥,练习4.1：有一金属电阻应变片，其灵敏度S=2.5，R =120，设工作时其应变为1200e-6 ， 问R是多少？ 若组成半桥单臂电桥，激励电压为2V，问输出电压是多少？,电练习4.1：有一金属电阻应变片，其灵敏度S=2.5，R =,练习4.2 一个直流应变电桥图1a所示，已知R1=R2=R3=R4=R=100, E=4V。求：1）若R1为工作应变片，其余为外接电阻，且R1受力后变化R1/R=1/100时，则输出电压为多少？2）若要测量图1b所示悬臂梁的受力F, 四个臂全部为应变片，请在梁上标出R1、R2、R3、R4应变片粘贴的位置。,电桥,返回,图1a,图1b,练习4.2 一个直流应

4、变电桥图1a所示，已知R1=R2=R,4.1.2 交流电桥,激励电压为交流电压，桥臂采用电感或电容。,电桥,接电感时的阻抗：,接电容时的阻抗：,4.1.2 交流电桥激励电压为交流电压，桥臂采用电感或电容,原理：与直流电桥类似，若各桥臂无变化，则输出电压Uy=0的平衡关系式为：Z1Z3=Z2Z4,则平衡条件,Z01Z04为各阻抗的模,为阻抗角,电桥,原理：与直流电桥类似，若各桥臂无变化，则输出电压Uy=0的平,例：如图所示交流电桥的平衡式,阻抗：,R2、R3,若令实部和虚部分别相等，则有：,R1R3=R2R4,电桥,例：如图所示交流电桥的平衡式阻抗： R2、R3 若令实部和虚,问题：下图的输出,

5、电桥,正方向,eu0问题：下图的输出电正方向,调制与解调,4.2 调制与解调,a. 调制的目的：传感器得到的信号常是一些微弱且缓变的电信号，这种信号不便于远距离传输，通过调制，使信号变成较强的高频信号，以便传输。b. 调制：使信号的某些参数（如幅值）在另一信号的控制下发生变化的过程。调制有调幅（AM）、调频0（FM）和调相（PM）三种。c. 调制信号：控制另一信号（载波）参数变化的信号。调制信号是原信号。d. 载波：被控制的信号，一般是较高频率的交变信号。载波信号是外加信号。,调4.2 调制与解调 a. 调制的目的：传感器得到的信号,a) 幅值调制(AM),c) 相位调制(PM),b) 频率调

6、制(FM),调制与解调,调制信号x(t),载波信号,e. 调幅信号、调频信号、调相信号：已调制的信号。f. 解调：从已调制信号中恢复出调制信号的过程。,a) 幅值调制(AM)c) 相位调制(PM)b) 频率调制(,调制与解调,4.2.1 调幅及解调,1) 调幅原理,调4.2.1 调幅及解调1) 调幅原理,调制与解调,参量控制式乘法运算电路,参量控制式乘法运算电路：采用场效应管源漏极之间的沟道电阻rDS作为输入电阻，可实现两个输入信号Ux和Uy的乘积。由于1rDS与栅源极电压UGS(即UX)之间有着良好的线性关系，即UGS=UX=KrDS，其中K为比例系数，则电路输出UO为:,乘法器举例1：,调

7、参量控制式乘法运算电路参量控制式乘法运算电路：采用场效应管,调制与解调,乘法器举例2：,调乘法器举例2：,调制与解调,该全波调幅电路由两个半波调幅电路组成。在载波信号Uc为高电平的半周期内，VF1导通，VF2截止，A点电位等于输入端电位，同时由于VF4导通，VF3截止，B点接地，则输出电压uo=uab=ui;在Uc的另半周期内，情况正好与上述相反，B点电位等于输入端电位，A点接地，于是uo=uab=-ui。上述调制过程所对应的信号波形如图b所示。,调该全波调幅电路由两个半波调幅电路组成。在载波信号Uc为高电,调制与解调,除法运算电路,调除法运算电路,若,由傅立叶变换特性知：,所以,则：,调制与

8、解调,调幅信号的频谱：,若由傅立叶变换特性知：所以则：调调幅信号的频谱：,为,函数左移,函数的卷积特性得：,由,调制与解调,注意：a. 调制前的信号是低频信号，调制后的信号是高频信号b. 调幅时，调制信号和载波信号是相乘，不是叠加。采用乘法器实现相乘。,f0和右移f0,为函数左移函数的卷积特性得：由调注意：f0和右移f0,调制与解调,调,方法一： 同步解调,调制与解调,2) 幅值解调方法,方法一： 同步解调调2) 幅值解调方法,调制与解调,调,调制与解调,再用低通滤波器将中心频率为2f0的高频信号成分滤去，则得到幅值降为一半的原始信号。,调乘法器滤波器再用低通滤波器将中心频率为2f0的高频信号

9、成分,问题1：为什么叫同步解调？将信号x(t)直接与载波y(t)相乘得x(m)，解调时必须再乘于与x(m)相位相同的y (t) 方能复原出原信号，故称同步解调,调制与解调,同步解调方法存在的问题：,问题1：为什么叫同步解调？调同步解调方法存在的问题：,问题2：调制时重叠失真,解决方法：f0fmax 其中：fmax为调制信号所有子成分中最高的频率,通常f0fmax,调制与解调,问题2：调制时重叠失真解决方法：f0fmax 通常f0,方法二：整流检波 a.将调幅信号整流；b.对整流后的信号低通滤波,半波整流元件：二极管,得到幅值为正的信号,调制与解调,再滤除高频成分,方法二：整流检波半波整流元件：

10、二极管得到幅值为正的信号调再滤,特点：当x(t)0时，调幅波与载波反相，即相位相差180，载波为正（负）电压时，调幅波为负（正）电压。,问题1：过调失真,调制与解调,整流检波方法存在的问题：,特点：当x(t)0时，调幅波与载波反相，即相位相差180,解决方法：1）调制前对调制信号进行偏置，即叠加一个直流分量，使偏置后的信号都为正电压。要求：偏置电压A足够大。2）采用相敏检波,调制与解调,解决方法：调,方法三：相敏检波,调制与解调,辨相原理：,方法三：相敏检波调辨相原理：,调制与解调,练习4.3 有一金属电阻应变片，其灵敏度S=2.5，组成半桥单臂电桥，设应变为10-3(cos2t+cos10t

11、) ，激励电压E=2cos100t（V），求输出电压uy的频谱？若激励电压为2cos5t（V），将产生什么问题？,调EUyABCDR+RRRR练习4.3 有一金属电阻应变,4.2.2 调频及其解调,调频：使载波频率与调制信号的幅值成线性变化。,调制与解调,4.2.2 调频及其解调调频：使载波频率与调制信号的幅,1) 直接调频测量电路把被测物理量的变化直接转换为谐振频率的变化,调制与解调,被测物理量,如 LC并联谐振电路,1) 直接调频测量电路调被测物理量如 LC并联谐振电路,谐振频率：,调制与解调,谐振圆频率：,灵敏度：,谐振频率： 调谐振圆频率：灵敏度：,则对于某一个电容值C0，LC电路频率

12、的变化与电容变化关系为：,LC电路频率为,调制与解调,则对于某一个电容值C0，LC电路频率的变化与电容变化关系为：,2) 压控振荡器,1. 若u0输出正电压，则A2输出正电压，受稳压管Dz钳制为+u01，二极管D不 导通，输入电压u1作为积分电路A1的输入，使u0逐渐变小；2. 当u0小到负值的时候，A2的输出为负，受稳压管Dz钳制为-u01，二极管D导通，积分电路A1的输入为负值，输出u0逐渐增大；3. 当u0增大到正值的时候，A2的输出为正，转1；4. 因此，u0输出一方波，其振荡频率由输入电压u1决定。,调制与解调,A1：积分放大器A2：同相放大器,2) 压控振荡器 1. 若u0输出正电

13、压，则A2输出正电压，,3) 鉴频器（用于调频信号的解调）,变压器耦合的谐振回路鉴频法,调制与解调,3) 鉴频器（用于调频信号的解调）变压器耦合的谐振回路鉴频法,鉴频器的电压频率特性曲线,利用特性曲线中亚谐振区近似直线的一段，从而使幅值与频率保持线性关系,亚谐振区,调制与解调,鉴频器的电压频率特性曲线利用特性曲线中亚谐振区近似直线的一,滤波器,第三节 滤波器,1. 滤波器的用途：滤波器为选频装置，只允许特定的频率成分 通过（滤除干扰躁声）。,2. 滤波器分类,滤第三节 滤波器1. 滤波器的用途：滤波器为选频装置，,3. 理想滤波器,理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内的频率

14、成分都衰减为零的滤波器。,又根据不失真测试的条件，可得理想滤波器的频率响应函数：,滤波器,3. 理想滤波器理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不,4. 实际滤波器,在实际滤波器的幅频特性图中通带和阻带间应没有严格的界限，存在一个过渡带。,滤波器,分贝计算式：10lgX,4. 实际滤波器 在实际滤波器的幅频特性图中通带和阻带间应没,1)纹波幅度d ：波动幅度d与幅频特性平均值A0相比应小于-3dB。参数x的分贝表示：2)截止频率fc :幅频特性值等于0.707A0（-3dB）所对应的频率。上截止频率fc2，下截止频率fc1.3)带宽B：上下两截止频率之差称为带宽 恒带宽滤波器 B=fc2-

15、fc1 恒带宽比滤波器 B=(2n-1)fc1,滤波器,1)纹波幅度d ：波动幅度d与幅频特性平均值A0相比应小于-,5)品质因数Q：中心频率和带宽之比称为品质因数 6)倍频程选择性W：指在上截止频率fc2与 2fc2之间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。7)滤波器因素: -60dB带宽与-3dB带宽的比值（衰减量分别为-60dB和-3dB）。与倍频程选择性类似,滤波器,4)中心频率f0,定义一：,定义二：,5)品质因数Q：中心频率和带宽之比称为品质因数 滤4)中心频,5 无源RC滤波器,在测试系统中，常用RC滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗

16、干扰强，有较好的低频性能，并且可选用标准阻容元件 。,1) 一阶RC低通滤波器,滤波器,5 无源RC滤波器 在测试系统中，常用RC滤波器。因为这,为一阶系统，时间常数,滤波器,为一阶系统，时间常数滤,滤波器,练习4.4,有一金属电阻应变片，其灵敏度S=2.5，组成半桥单臂电桥，设应变为0.2cos10t（） ，激励电压E=5cos100t（V）。若采用整流检波和无源RC低通滤波，问滤波电路的电阻电容值的限制条件？,滤练习4.4有一金属电阻应变片，其灵敏度S=2.5，组成半桥,滤波器,2) 一阶RC高通滤波器,滤2) 一阶RC高通滤波器,滤波器,上截止频率幅值：,滤上截止频率幅值：,滤波器,3)

17、 RC带通滤波器,可以简单看作为低通滤波器和高通滤波器的串联,滤3) RC带通滤波器 可以简单看作为低通滤波器和高通滤波器,滤波器,无源RC滤波器存在问题：倍频程选择特性差（即衰减慢），采用多级串联的方式可加速衰减，但又引起负载效应和相位增大的问题。,滤无源RC滤波器存在问题：,滤波器,4. 有源滤波器,1) 有源低通滤波器,滤波器1：,滤4. 有源滤波器1) 有源低通滤波器滤波器1：,滤波器,上截止频率,滤上截止频率,滤波器,滤波器2：,滤滤波器2：,滤波器,二阶有源高通滤波器,2) 有源高通滤波器,一阶有源高通滤波器,滤二阶有源高通滤波器2) 有源高通滤波器一阶有源高通滤波器,滤波器,3)

18、 有源带通滤波器,滤3) 有源带通滤波器,滤波器,4 恒带宽、恒带宽比滤波器,实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实际滤波器中心频率与带宽之问的数值关系，可以分为两种。,1) 恒带宽带通滤波器,滤4 恒带宽、恒带宽比滤波器 实际滤波器频率通带通常是可,滤波器,2) 恒带宽比带通滤波器,（倍频程滤波器）,n：倍频程数 （称为n倍频程滤波器，若n=1/3，则称为1/3倍频程滤波器）,滤2) 恒带宽比带通滤波器 （倍频程滤波器） n：倍频程数,滤波器,1倍频程滤波器,滤1倍频程滤波器,滤波器,滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律,返回,滤滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律返回,放大

19、器,第四节 放大器,放大器的作用 传感器的输出信号微弱，需要用放大电路放大2. 对放大器的要求1）足够的放大倍数2）高输入阻抗 因为放大器的输入阻抗是测量电路的负载，放大器的输入阻抗高，则测量电路的输出电压较大。,放第四节 放大器 放大器的作用,放大器,3）低输出阻抗 因为放大器的输出阻抗是负载电路的内阻，输出阻抗小，则负载的输出电压大。4）高共模抑制能力 Ad：差模增益；Ac：共模增益； 共模抑制比(common-mode rejection ratio, CMRR )： k=Ad/Ac 5）低温漂、低噪声等。,放3）低输出阻抗,放大器,3. 放大倍数的确定 使电压幅值尽量充满A/D转换器的

20、整个量程。 如12位的A/D转换器，参考电压 - 5 + 5V，共有212=4096个数字编码，能分辨的最小电压为10/40962.5mV。设计放大器的放大倍数时，应使量程电压值处于-55V之间，尽量使测量上下限电压为-5V和+5V。以提高分辨力。,放3. 放大倍数的确定,放大器,3. 运算放大器,1）反相放大器,反相放大器的输入阻抗为R1，输出阻抗为0,放3. 运算放大器-+R1R2uiu0Rf1）反相放大器反相,放大器,放大倍数,，通常Rf较大，R1较小,放放大倍数，通常Rf较大，R1较小u1-+R1R2uiu0R,放大器,2）同相放大器,输入阻抗，输出阻抗0,放大倍数,放u1-+R1R2

21、uiu0Rfi2i1i2）同相放大器输入阻,放大器,3）差分放大器,=,+,放3）差分放大器u1-+R1R2ui2u0Rfi2i1R3u,放大器,放,放大器,当R2=R1，R3=Rf时，,差模增益为：,共模增益约为0,共模抑制比（差模增益与共模增益之比）为无穷大,共模抑制性好,放当R2=R1，R3=Rf时，差模增益为：共模增益约为0共模,放大器,差分放大器适用于平衡电路，例如电桥电路；同相放大器和反相放大器应用于单端输入的情况。同相放大器的输入阻抗非常高，所以应用于高阻抗电路，但它的缺点是共模抑制比较差，容易在电路中引入噪声，或者使电路变得不稳定；反相放大器由于输入端虚地，干扰较小，电路也比较稳定，所以除了平衡电路和高阻抗电路一般应用更多。,放差分放大器适用于平衡电路，例如电桥电路；同相放大器和反相放,放大器,1）,差模增益可调的差动放大器,=,+,放1）差模增益可调的差动放大器u1-+R1ui2u0RfRf,放大器,2）同相输入并串联差动放大器 （常用作测量电路）,=,放2）同相输入并串联差动放大器=RwRf-+ui1Rf+-u,放大器,+,放+-+R1u0RfR1Rfui10ui20,信号的指示与记录装置,第五节 信号的指示和记录装置,4）保护电路,信第五节 信号的指示和记录装置 4）保护电路,