测试技术第4章.ppt

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1、信信号号调调理理处处理理与与分分析析4.1 电桥电桥4.2 调制与解调调制与解调 本章主要内容本章主要内容4.3 滤波器滤波器 4.4 放大器放大器 电电桥桥4.1 电桥电桥4.1.1 直流电桥直流电桥电桥用途：将电阻、电感、电容的变化转变为电电桥用途：将电阻、电感、电容的变化转变为电压或电流输出压或电流输出激励电压为直激励电压为直流电压流电压E电电桥桥若要使若要使Ubd=0，则要使，则要使R1R3=R2R4（直流电直流电桥平衡条件桥平衡条件）一般令一般令R1=R2=R3=R4=R若电阻若电阻R1可变，变化量为可变，变化量为R，则有：，则有：电桥输出：电桥输出：a.半桥单臂半桥单臂R+REUy

2、ABCDRRR半桥单臂半桥单臂电电桥桥当当RR时，有时，有 可看出可看出Uy与与R约成线性关系约成线性关系若电阻若电阻R2也可变，变化也可变，变化量为量为-RR，则有：，则有：电桥输出：电桥输出：这种情况称为这种情况称为半桥双臂半桥双臂，灵敏度为半桥单臂的两倍，灵敏度为半桥单臂的两倍b.半桥双臂半桥双臂EUyABCDR+RR-RRR半桥双臂半桥双臂电电桥桥同理，若同理，若R3和和R4也有变化，也有变化，变化量分别为变化量分别为变化量分别为变化量分别为+R+R和和和和 RR电桥输出：电桥输出：这种情况称为这种情况称为全桥全桥，灵敏度为半桥双臂的两倍，灵敏度为半桥双臂的两倍c.全桥全桥全桥全桥EU

3、yABCDR+RR-RR+RR-R电电桥桥半桥和半桥和 全桥的电阻阻值变化特点全桥的电阻阻值变化特点1.对角的两个桥臂的阻值变化相同；对角的两个桥臂的阻值变化相同；2.不同对角桥臂的阻值变化大小相等，不同对角桥臂的阻值变化大小相等，方向相反方向相反电电桥桥电电桥桥练习练习4.1：有一金属：有一金属电电阻阻应变应变片，其灵敏度片，其灵敏度S=2.5，R=120，设设工作工作时时其其应变为应变为1200e-6，问问R是多少？是多少？若组成半桥单臂电桥，激励电压为若组成半桥单臂电桥，激励电压为2V，问输出电压是，问输出电压是多少？多少？练习练习4.2 一个直流应变电桥图一个直流应变电桥图1a所示，已

4、知所示，已知R1=R2=R3=R4=R=100,E=4V。求：。求：1）若）若R1为工作应变片，其余为外接电阻，且为工作应变片，其余为外接电阻，且R1受力后受力后变化变化R1/R=1/100时，则输出电压为多少？时，则输出电压为多少？2）若要测量图）若要测量图1b所示悬臂梁的受力所示悬臂梁的受力F,四个臂全部为应四个臂全部为应变片，请在梁上标出变片，请在梁上标出R1、R2、R3、R4应变片粘贴的位应变片粘贴的位置。置。电电桥桥返回图图1a图图1bR1R1R2R2R4R4R3R3E EU U0 0F F4.1.2 交流电桥交流电桥激励电压为交流电压，桥臂采用电感或电容。激励电压为交流电压，桥臂采

5、用电感或电容。电电桥桥接电感时的阻抗：接电感时的阻抗：接电容时的阻抗：接电容时的阻抗：原理：与直流电桥类似，若各桥臂无变化，则输原理：与直流电桥类似，若各桥臂无变化，则输出电压出电压Uy=0的平衡关系式为：的平衡关系式为：Z1Z3=Z2Z4 则平衡条件则平衡条件Z01Z04为各阻抗的模为各阻抗的模 为阻抗角为阻抗角 电电桥桥例例：如图所示交流电桥的平衡式：如图所示交流电桥的平衡式阻抗：阻抗：R2、R3 若令实部和虚部分别相等，则有：若令实部和虚部分别相等，则有：R1R3=R2R4电电桥桥eu0问题：下图的输出问题：下图的输出电电桥桥正方向正方向调调制制与与解解调调4.2 调制与解调调制与解调

6、a.调制的目的：传感器得到的信号常是一些微弱且缓调制的目的：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。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（控制下发生变化的过程。调制有调幅（AM）、调）、调频频0（FM）和调相（）和调相（PM）三种。）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：控制另一信号（载波）参数变化的信号。调制信号是原信号

7、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：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载波信号是外加信号。a)a)幅值调制幅值调制(AM)(AM)c)c)相位调制相位调制(PM)(PM)b)b)频率调制频率调制(FM)(FM)调调制制与与解解调调调制信号调制信号x(t)x(t)载波信号载波信号e.调幅信号、调频信号、调相信号：已调制的信号。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。解调：从已调制信号中恢复出调制信号的过程。调调制制与与解解调调4.2.1 调幅及解调调幅及解调1)调幅原理调幅原理调调制制

8、与与解解调调参量控制式乘参量控制式乘法运算电路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间的沟道电阻r rDSDS作为输入电阻，可实现两个输入信作为输入电阻，可实现两个输入信号号U Ux x和和U Uy y的乘积。由于的乘积。由于1 1r rDSDS与栅源极电压与栅源极电压U UGSGS(即即U UX X)之间有着良好的线性关系，即之间有着良好的线性关系，即U UGSGS=U=UX X=K=Kr rDSDS，其，其中中K K为比例系数，则电路输出为比例系数，则电路输出U UO O为为:乘法器举例乘法器举例1：调调制制与与解解调

9、调乘法器举例乘法器举例2：调调制制与与解解调调该全波调幅电路由两个半波调幅电路组成。在载波信号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，为高电平的半周期内，VF1导通，导通，VF2截止，截止，A点电点电位等于输入端电位，同时由于位等于输入端电位，同时由于VF4导通，导通，VF3截止，截止，B点接地，则输出电压点接地，则输出电压uo=uab=ui;在在Uc的另半周期内，情的另半周期内，情况正好与上述相反，况正好与上述相反，B点电位等于输入端电位，点电位等于输入端电位，A点接点接地，于是地，于是uo=uab=-ui。上述调制过程所对应的信号波形。上述调制过程所对应的信

10、号波形如图如图b所示。所示。调调制制与与解解调调除法运算电路除法运算电路若若由傅立叶变换特性知：由傅立叶变换特性知：所以所以则：则：调调制制与与解解调调调幅信号的频谱：调幅信号的频谱：为为函数左移函数左移函数的卷积特性得：函数的卷积特性得：由由调调制制与与解解调调注意：注意：a.调制前的信号是低频信号，调制后的信号是高频调制前的信号是低频信号，调制后的信号是高频信号信号b.调幅时，调制信号和载波信号是相乘，不是叠加调幅时，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。采用乘法器实现相乘。f0和右移和右移f0调调制制与与解解调调方法一：方法一：同步解调同步解调调调制制与与解解调调2)幅

11、值解调方法幅值解调方法调调制制与与解解调调调调制制与与解解调调乘法器乘法器滤波器滤波器再用低通滤波器将中心频率为再用低通滤波器将中心频率为2f0的高频信号成分滤的高频信号成分滤去，则得到幅值降为一半的原始信号。去，则得到幅值降为一半的原始信号。问题问题1 1：为什么叫同步解调？：为什么叫同步解调？将信号将信号x(tx(t)直接与载波直接与载波y(ty(t)相乘得相乘得x(mx(m)，解调时，解调时必须再乘于与必须再乘于与x(mx(m)相位相同的相位相同的y(t)y(t)方能复原出方能复原出原信号，故称同步解调原信号，故称同步解调调调制制与与解解调调同步解调方法存在的问题：同步解调方法存在的问题

12、：问题问题2 2：调制时重叠失真：调制时重叠失真解决方法：解决方法：f f0 0 f fmaxmax 其中：其中：f fmaxmax为调制信号所有子成分中最高的频率为调制信号所有子成分中最高的频率通常通常f0fmax调调制制与与解解调调方法二：整流检波方法二：整流检波 a.a.将调幅信号整流；将调幅信号整流；b.b.对整流后的信号低通滤波对整流后的信号低通滤波半波整流元件：二极管半波整流元件：二极管得到幅值为正的信号得到幅值为正的信号调调制制与与解解调调再滤除高频成分再滤除高频成分特点：当特点：当x(tx(t)0)0时，时，调幅波与载波反相，调幅波与载波反相，即相位相差即相位相差180180，

13、载，载波为正（负）电压时，波为正（负）电压时，调幅波为负（正）电调幅波为负（正）电压。压。问题问题1 1：过调失真：过调失真调调制制与与解解调调整流检波方法存在的问题：整流检波方法存在的问题：解决方法：解决方法：1 1）调制前对调制信号进行偏置，即叠加一个）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：直流分量，使偏置后的信号都为正电压。要求：偏置电压偏置电压A A足够大足够大。2 2）采用相敏检波）采用相敏检波调调制制与与解解调调方法三：相敏检波方法三：相敏检波调调制制与与解解调调辨相原理：辨相原理：调调制制与与解解调调E EU Uy yA AB BC CD

14、DR+RR+RR RR RR R练习练习4.34.3 有一金属电阻应变片，其灵敏度有一金属电阻应变片，其灵敏度S=2.5S=2.5，组，组成半桥单臂电桥，设应变为成半桥单臂电桥，设应变为1010-3-3(cos2t+cos10t)(cos2t+cos10t)，激，激励电压励电压E=2cos100tE=2cos100t（V V），求输出电压），求输出电压u uy y的频谱？若激的频谱？若激励电压为励电压为2cos5t2cos5t（V V），将产生什么问题？），将产生什么问题？4.2.2 调频及其解调调频及其解调调频：使载波频率与调制信号的幅值成线性变化。调频：使载波频率与调制信号的幅值成线性变化

15、。调调制制与与解解调调1)直接调频测量电路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把被测物理量的变化直接转换为谐振频率的变化调调制制与与解解调调被测物理量被测物理量如如 LC并并联谐振电联谐振电路路谐振频率：谐振频率：调调制制与与解解调调谐振圆频率：谐振圆频率：灵敏度：灵敏度：则对于某一个电容值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：电路频率的变化与电容变化关系为：LC电路频率为电路频率为 调调制制与与解解调调2)压控振荡器压控振荡器 1.若若u0输出正电压，则输出正电压，则A2输出正电压，受稳压管输出正电压，受稳压管Dz钳制为钳制为+u01，二极管，二极

16、管D不不 导导通，输入电压通，输入电压u1作为积分作为积分电路电路A1的输入，使的输入，使u0逐渐逐渐变小；变小；2.当当u0小到负值的时候，小到负值的时候，A2的输出为负，受稳压管的输出为负，受稳压管Dz钳制为钳制为-u01，二极管，二极管D导导通，积分电路通，积分电路A1的输入为的输入为负值，输出负值，输出u0逐渐增大；逐渐增大；3.当当u0增大到正值的时候，增大到正值的时候，A2的输出为正，转的输出为正，转1；4.因此，因此，u0输出一方波，输出一方波，其振荡频率由输入电压其振荡频率由输入电压u1决定。决定。调调制制与与解解调调A1：积分放大器：积分放大器A2：同相放大器：同相放大器3)

17、鉴频器（用于调频信号的解调）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变压器耦合的谐振回路鉴频法调调制制与与解解调调鉴频器的电压频率特性曲线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亚谐振区区调调制制与与解解调调滤滤波波器器第三节第三节 滤波器滤波器1.滤波器的用途：滤波器为选频装置，只允许滤波器的用途：滤波器为选频装置，只允许特定的频率成分特定的频率成分 通过（滤除干扰躁声）。通过（滤除干扰躁声）。2.滤波器分类滤波器分类低通滤波器低通滤波器高通滤波器高通滤波器

18、带通滤波器带通滤波器带阻滤波器带阻滤波器3.理想滤波器理想滤波器理理想想滤滤波波器器是是指指能能使使通通带带内内信信号号的的幅幅值值和和相相位位都都不不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。又根据不失真测试的条件，可得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：理想滤波器的频率响应函数：滤滤波波器器4.实际滤波器实际滤波器 在在实实际际滤滤波波器器的的幅幅频频特特性性图图中中通通带带和和阻阻带带间间应应没没有严格的界限，存在一个过渡带。有严格的界限，存在一个过渡带。滤滤波波器器分贝计算式：分贝计算式：10lgX1)1)纹纹波波幅幅度度d

19、d：波波动动幅幅度度d d与与幅幅频频特特性性平平均均值值A A0 0相相比比应小于应小于-3dB-3dB。参数参数x的分贝表示：的分贝表示：2)截截止止频频率率fc:幅幅频频特特性性值值等等于于0.707A0（-3dB）所所对应的频率。上截止频率对应的频率。上截止频率fc2，下截止频率，下截止频率fc1.3)带宽带宽B：上下两截止频率之差称为带宽：上下两截止频率之差称为带宽 恒带宽滤波器恒带宽滤波器 B=fc2-fc1 恒带宽比滤波器恒带宽比滤波器 B=(2n-1)fc1滤滤波波器器5)5)品质因数品质因数Q Q：中心频率和带宽之比称为品质因数：中心频率和带宽之比称为品质因数 6)倍频程选择

20、性倍频程选择性W：指在上截止频率：指在上截止频率fc2与与 2fc2之间幅之间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。量。7)滤波器因素滤波器因素:-60dB带宽与带宽与-3dB带宽的比值（衰带宽的比值（衰减量分别为减量分别为-60dB和和-3dB）。与倍频程选择性类似）。与倍频程选择性类似滤滤波波器器4)4)中心频率中心频率f f0 0定义一：定义一：定义二：定义二：5 5 无源无源RCRC滤波器滤波器 在在测测试试系系统统中中，常常用用RCRC滤滤波波器器。因因为为这这一一领领域域中中信信号号频频率率相相对对来来说说不不高高。而而RCR

21、C滤滤波波器器电电路路简简单单，抗抗干干扰扰强强，有有较较好好的的低低频频性性能能，并并且且可可选选用标准阻容元件用标准阻容元件 。1)1)一阶一阶RCRC低通滤波器低通滤波器 滤滤波波器器为一阶系统，时间常数为一阶系统，时间常数滤滤波波器器滤滤波波器器练习练习4.4有一金属电阻应变片，其灵敏度有一金属电阻应变片，其灵敏度S=2.5，组成半，组成半桥单臂电桥，设应变为桥单臂电桥，设应变为0.2cos10t（），激励，激励电压电压E=5cos100t（V）。若采用整流检波和无源）。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低通滤波，问滤波电路的电阻电容值的限制条件？条件？滤滤

22、波波器器2)2)一阶一阶RCRC高通滤波器高通滤波器 滤滤波波器器上截止频率幅值：上截止频率幅值：滤滤波波器器3)RC3)RC带通滤波器带通滤波器 可以简单看作为低可以简单看作为低通滤波器和高通滤通滤波器和高通滤波器的串联波器的串联滤滤波波器器无源无源RC滤波器存在问题：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方式可加速衰减，但又引起负载效应和相位增大的问题。问题。滤滤波波器器4.有源滤波器有源滤波器1)有源低通滤波器有源低通滤波器滤波器滤波器1：滤滤波波器器上截止频率上截止频率滤滤波波

23、器器滤波器滤波器2：滤滤波波器器二阶有源高通滤波器二阶有源高通滤波器2)有源高通滤波器有源高通滤波器一阶有源高通滤波器一阶有源高通滤波器滤滤波波器器3)有源带通滤波器有源带通滤波器滤滤波波器器4 4 恒带宽、恒带宽比滤波器恒带宽、恒带宽比滤波器 实实际际滤滤波波器器频频率率通通带带通通常常是是可可调调的的，根根据据实实际际滤滤波波器中心频率与带宽之问的数值关系，可以分为两种。器中心频率与带宽之问的数值关系，可以分为两种。1)1)恒带宽带通滤波器恒带宽带通滤波器 滤滤波波器器2)2)恒带宽比带通滤波器恒带宽比带通滤波器（倍频程滤波器）（倍频程滤波器）n：倍频程数：倍频程数 （称为（称为n倍频程滤

24、波倍频程滤波器，若器，若n=1/3，则称为，则称为1/3倍频程滤倍频程滤波器）波器）滤滤波波器器1 1倍频程滤波器倍频程滤波器滤滤波波器器滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律返回放放大大器器第四节第四节 放大器放大器 1.放大器的作用放大器的作用2.传感器的输出信号微弱，需要用放大电路放大传感器的输出信号微弱，需要用放大电路放大2.对放大器的要求对放大器的要求1）足够的放大倍数）足够的放大倍数2）高输入阻抗）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

25、。器的输入阻抗高，则测量电路的输出电压较大。放放大大器器3）低输出阻抗）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。抗小，则负载的输出电压大。4）高共模抑制能力）高共模抑制能力 Ad：差模增益；：差模增益；Ac：共模增益；：共模增益；共模抑制比共模抑制比(common-mode rejection ratio,CMRR)：k=Ad/Ac 5）低温漂、低噪声等。）低温漂、低噪声等。放放大大器器3.放大倍数的确定放大倍数的确定 使电压幅值尽量充满使电压幅值尽量充满A/D转换器的整个量程转换器的整个量程。如如12位的位

26、的A/D转换器，参考电压转换器，参考电压-5+5V，共有，共有212=4096个数字编码，能分辨的最小电压为个数字编码，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。设计放大器的放大倍数时，应使量程电压值处于电压值处于-55V之间，尽量使测量上下限电压为之间，尽量使测量上下限电压为-5V和和+5V。以提高分辨力。以提高分辨力。放放大大器器3.运算放大器运算放大器-+R1R2uiu0Rf1）反相放大器）反相放大器反相放大器的输入阻抗为反相放大器的输入阻抗为R1，输出阻抗为，输出阻抗为0放放大大器器放大倍数放大倍数，通常，通常Rf较大，较大，R1较小较小u1-+R1

27、R2uiu0Rfii1放放大大器器u1-+R1R2uiu0Rfi2i1i2）同相放大器）同相放大器输入阻抗输入阻抗，输出阻抗，输出阻抗0 0放大倍数放大倍数放放大大器器3）差分放大器）差分放大器u1-+R1R2ui2u0Rfi2i1R3ui1-+R1ui1u01Rf=+u1-+R1R2ui2u02RfR3放放大大器器放放大大器器当当R2=R1，R3=Rf时，时，差模增益为：差模增益为：共模增益约为共模增益约为0共模抑制比（差模增益与共模增益之比）为无穷大共模抑制比（差模增益与共模增益之比）为无穷大共模抑制性好共模抑制性好放放大大器器差分放大器差分放大器适用于平衡电路，例如电桥电路；同相放适用于

28、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。大器和反相放大器应用于单端输入的情况。同相放大器同相放大器的输入阻抗非常高，所以应用于高阻抗电的输入阻抗非常高，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；入噪声，或者使电路变得不稳定；反相放大器反相放大器由于输入端虚地，干扰较小，电路也比较由于输入端虚地，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。稳定，所以除了平衡电路和高阻抗电路一般应用更多。放放大大器器1）差模增益可调的差动放大器差模增益可调的差动放大器u1-+R1ui2u0RfRfui1RwRfRf=+u0RwRfRfuRw放放大大器器2）同相输入并串联差动放大器）同相输入并串联差动放大器 （常用作测量电路）（常用作测量电路）=RwRf-+ui1Rf+-ui2-+R1u0RfR1Rf-+RwRfui1Rf+-ui2ui10ui20ui1ui2i放放大大器器+-+R1u0RfR1Rfui10ui20信信号号的的指指示示与与记记录录装装置置第五节第五节 信号的指示和记录装置信号的指示和记录装置 4）保护电路）保护电路