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1、测量技术与信号处理,机械学院机械系,第五章 中间变换器,第一节 电桥 第二节 调制与解调 第三节 滤波器 第四节 模拟、数字转换器,第一节 电桥,电桥是一种将电阻、电感、电容等参数变化为电压或电流变化的测量电路。 一、直流电桥 二、交流电桥,一、直流电桥,一、直流电桥,平衡条件,一、直流电桥,一、直流电桥,半桥双臂,一、直流电桥,全桥,应变片在悬臂梁上的粘贴位置？,一、直流电桥,ei,直流电桥在不平衡条件下工作时，激励电压不稳定、环境温度变化都会引起电桥输出变化，从而产生误差。因此，常采用平衡电桥。,二、交流电桥,交流电桥的激励电压为交流电压。 桥臂元件可以是电阻、电感或电容。,问题,交流电桥
2、和直流电桥在电路结构上有何异同?它们分别有什么实际应用? 交流电桥的平衡条件是什么?与直流电桥的平衡条件有何区别? 电阻、电容及电感的复阻抗分别如何表示? 要使交流电桥最终能调平衡,应如何配置四个桥臂上的阻抗元件?,二、交流电桥,二、交流电桥,交流电桥桥臂可有如下的组合方式： 1、如果相邻两臂接入电阻，另两臂应接入性质相同的阻抗。 2、如果相对两臂接入电阻，另两臂应接入性质不同的阻抗。 3、各桥臂均接入电阻性元件。,几种常用的交流电桥：,测电容的电桥,测电感的电桥,麦克斯韦电桥 适合测量低Q值的电感,海氏电桥 适合测量高Q值的电感,二、交流电桥,二、交流电桥,二、交流电桥,导线分布电容的影响不
3、能忽视！,二、交流电桥,二、交流电桥,与普通交流电桥相比，其灵敏度高，精度高，性能稳定。,第二节 调制与解调,为什么要对信号进行调制和解调？ 何谓载波、调制信号和已调波？ 何谓调频、调幅和调相？,第二节 调制与解调,为什么要对信号进行调制和解调？,解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。,先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。,第二节 调制与解调,什么叫调制？ 由被测的缓变信号控制、调节高频振荡的某个参数（幅值、频率或相位），使其按被测的缓变信号的规律变化。,第二节 调制与解调,调幅AM（Amplitude Mo
4、dulation）：,调频FM（Frequency Modulation ）：,调相PM（Phase Modulation）：,第二节 调制与解调,何谓载波、调制信号和已调波？,调制信号,载波信号,一、调幅及其解调,1、调幅原理： 调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化,一、调幅及其解调,交流电桥就是一种简单的调幅装置，其输出为调幅波。,2、调幅波的频谱：,2、调幅波的频谱：,同步解调,按照这个思路，若将调幅波与原载波信号再次相乘，即再次进行频谱“搬移”，其结果如图5-12所示。,同步解调,由以上分析可知，载波频率f0必须高于调制信号频带的最高
5、频率fm ，可使频谱不产生混叠，减小时域波形失真。但载波频率受电路截止频率等因素约束，不可过高。通常取载波频率十倍或数十倍于调制信号频带的最高频率。,3、整流检波与相敏检波：,3、整流检波与相敏检波：,d-1-D1-2-5-c-Rf-d0,d-3-D3-4-5-c-Rf-d0,5- 2- D2- 3-d- Rf- c- 5,5- 4- D4- 1-d- Rf- c- 5,d0,调制信号,调幅波,载波,二、调频及其解调,1、调频原理： 是用调制信号的幅值变化控制和调节载波的频率。或者说，调频波是一种随信号x(t)的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波. 通常是由一个振荡频率可控的振荡器来完成。,二
6、、调频及其解调,调频波的频偏与调制信号的幅值成比例。,二、调频及其解调,如图5-17所示，电容（电感）的变化将使调频振荡器的振荡频率发生相应的变化。谐振频率为,二、调频及其解调,优点：抗干扰能力强。 因为调频信号所携带的信息包含在频率变化之中，并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主要表现在振幅之中,二、调频及其解调,缺点：占频带宽度大，复杂 调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的20倍；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率调制是一种非线性调制。,二、调频及其解调,调频波的解调又称为鉴频。,调频波,ea,调频-调幅波,第四节 滤波器,滤波器的作用是使信号中的特定频率成分通过，而抑制或极大地
7、衰减其他频率成分。 滤波器是频谱分析和滤除干扰噪声的频率选择装置，广泛用于各种自动检测、自动控制装置中。 本节重点介绍滤波器原理及应用。,第三节 滤波器,根据选频特性，滤波器分为 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器,低通,高通,带通,带阻,滤波器的串/并联,低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。,一、滤波器的特性及描述,1、实际滤波器的基本参数 2、RC滤波器的基本特性 3、RC有源滤波器,1、实际滤波器的基本参数,如图5-20所示，对于理想滤波器，只需规定截止频率就可以得知其性能。实际滤波器则复杂得多。 重点介绍带通滤波器的
8、主要参数。,1、纹波幅度d,纹波幅度为幅频特性的最大波动值。,2、截止频率,幅频特性值等于 所对应的频率为截止频率，记作fc。 截止频率对应的点正好是半功率点。 截止频率又称为-3dB频率。,3、带宽B和中心频率f0,带通滤波器上、下两截止频率之间的频率范围称为其通频带带宽，或-3dB带宽，记作B=fc2-fc1(Hz)。 带宽决定滤波器分离信号中相邻频率成分的能力频率分辨力。,4、选择性,选择性是一个特别重要的性能指标。 过渡带的幅频特性曲线的斜率表明其幅频特性衰减的快慢，它决定着滤波器对通频带以外频率成分的衰减能力。 倍频程选择性 滤波器因数,倍频程选择性,频率变化一个倍频程时，过渡带幅频
9、特性的衰减量称为滤波器的倍频程选择性，以dB表示。 衰减越快，选择性越好。,滤波器因数（矩形系数）,滤波器幅频特性的-60dB带宽与-3dB带宽之比称为滤波器因数，记作，即,理想滤波器=1，常用滤波器=（15）,5、品质因数Q值,带通滤波器中心频率f0与带宽B之比称为滤波器的品质因数，有时称作Q值，即,Q值越高，选择性越好。,5、品质因数Q值,若中心频率f01=f02=500Hz, Q1=50，Q2=25，哪个滤波器的选择性好？,Q值越高，选择性越好。,举例,2、RC滤波器的基本特性,RC低通滤波器 RC高通滤波器 RC带通滤波器,RC低通滤波器,RC高通滤波器,注意：截止频率的计算,RC带通
10、滤波器,3、RC有源滤波器,低阶无源滤波器的选择性主要取决于滤波器的阶次。为什么？ 无源RC滤波器串联虽然可以提高阶次，但受级间耦合影响，其效果是递减的，信号的幅值将逐级衰减。 有源滤波器由RC网络和有源器件组成。目前以运算放大器作有源器件构成的有源滤波器应用广泛。 运算放大器可以消除级间耦合对特性的影响，又可以起到放大信号的作用。,3、RC有源滤波器,3、RC有源滤波器,二、实际滤波器的应用,滤波器的应用主要有两种形式： 1、单个滤波器接入自动检测、自动控制装置的电路中； 2、多个滤波器的滤波器组件。（本节讨论该种情况）,倍频程滤波装置,二、实际滤波器的应用,1、倍频程滤波器 2、恒带宽滤波
11、器 3、各种滤波器的比较,1、倍频程滤波器,带通滤波器上下截止频率可表示为fc2=2nfc1，n为倍频程数，常取为1，1/3，1/5，1/10。 滤波器的中心频率f0则为,当n一定时，Q值为常数，所以倍频程滤波器都是恒带宽比带通滤波器。,邻接式倍频程滤波器中，两个邻接的滤波器的中心频率关系为f02=2nf01,2、恒带宽滤波器,2) 恒带宽比带通滤波器,1) 恒带宽带通滤波器,2、恒带宽滤波器,恒带宽比式滤波器的带宽随中心频率的增大而增大，致使带宽过大、频率分辨力过差，无法分离频率值接近的成分。 为使滤波器在各个频率段都具有相同的频率分辨力，需要采用恒带宽滤波器。,2、恒带宽滤波器,常用的恒带
12、宽滤波器有两种： 1、跟踪滤波器 2、相关滤波器 中心频率都由参考信号控制连续调节。,跟踪滤波器,是一种连续式恒带宽滤波器。工作原理如图5-28所示。,跟踪滤波器原理图,1,2,3,4,5,吉布斯现象（Gibbs）,建立时间Te与带宽的关系,滤波器的频率分辨率与快速响应特性互相矛盾,3、各种滤波器的比较,1/3倍频程滤波器,1/10倍频程滤波器 倍频程选择性为45dB,跟踪滤波器 带宽为3Hz 滤波器因数=4,信号的滤波,由案例提炼的典型实验：钢管无损探伤,滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警,实验,案例：机床轴心轨迹的滤波处理,信号的滤波,案例：机床轴心轨迹的滤波处理,滤除信号中的高频噪
13、声，以便于观察轴心运动规律,实验,第四节 模拟、数字转换器,1、什么是模拟信号？ 经过传感器变换后，代表被测量的电压或电流信号的幅值在连续时间内取连续值，称为模拟信号。 模拟信号可以直接记录、显示或存储。 随着计算机技术在测试领域的应用，需要进行模-数转换，也需要进行数-模转换以推动控制系统执行元件或作模拟记录或显示。,第四节 模拟、数字转换器,2、把模拟信号转换为数字信号的装置，称为模-数转换，A/D。 把数字信号转换为模拟信号的装置，称为数-模转换,D/A。,第四节 模拟、数字转换器,一、数-模转换器（D/A转换器） 二、模-数转换器（A/D转换器）,一、数-模转换器（D/A转换器）,数-
14、模转换器是把数字量转换为电压、电流等模拟量的装置。,一、数-模转换器（D/A转换器）,T形电阻解码网络,详细讲解,一、数-模转换器（D/A转换器）,D/A转换器的输出电压e0是采样时刻的瞬时值，在时间域内仍然是离散的。若要恢复连续波形，还需进行波形复原处理，一般采用保持电路来实现。,二、模-数转换器（A/D转换器）,1、模-数转换 2、模-数转换器,1、模-数转换,采样、量化、编码,2、模-数转换器,（1）双积分式A/D转换器 （2）逐次比较式A/D转换器,双积分式A/D转换器,双积分式A/D转换器是属于V-T(电压-时间)变换型，它将被测电压用积分器变换成时间宽度，在这个时间内用一定频率的脉冲数来表示被测电压值。,（1）双积分式A/D转换器,eo,eo,ei,（2）逐次比较式A/D转换器,
