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1、第四章 信 号 的 调 理,本章主要解决信号的传输、放大、滤波、等问题。 测量中常遇到以下问题： 传感器输出的电量信号不易传输； 传感器输出的电量信号为缓变的微弱信号，无法直接推动仪表指示； 传感器输出的信号含有大量的干扰和噪声；,（电桥）,（调制）,（滤波）,4-1 电桥,第一节 电桥 电桥是将电阻R、电感L、电容C 等电参数变为电压u 或电流i信号后输出的一种测量电路。 按激励电压分:供桥电源电压是直流电压时，称直流电桥；供桥电源电压为交流电压时，称交流电桥。 一、直流电桥 (惠斯登电桥),R1，R2，R3，R4应变片或固定电阻 AC 供桥电压端 BD 输出端(U0) （一般视为开路） R
2、H负载电阻,（二）、电桥的输出 1、半桥单臂 以桥臂电阻R1作为工作臂，如图4-1。 设R2=R3=R4=R，R1=R+R，其中R为一常数，则输出电压,+R,等臂电桥：R1=R2=R3=R4=R,若R2有微小增量R，则输出为？,Ui,2、半桥双臂 两个邻边桥臂有相同的微电阻变化，如电阻R1有变化R+R，R2有变化R-R，可导出公式： 3、全桥 四个桥臂均有相同的微电阻变化，且电阻变化以差动方式增大或减小，满足以下关系： R1=R2=R3=R4=R R1=R2=R3=R4=R 其输出电压为,全等臂电桥的输出,若桥臂R1、R2、R3、R4，分别有电阻增量R1、R2、R3、R4,若电桥初始是平衡的，
3、即R1R3=R2R4，略去R/R的平方项，则,当采用相同的应变片，灵敏度系数均为K(R/R=k),则上式可写成：,若采用等臂电桥，即R1R2R3R4R,则上式可写成：,讨论:电桥的和差特性,当电桥初始是平衡的，即R1R3=R2R4，略去R/R的平方项，则,若采用等臂电桥，即R1R2R3R4R,则上式可写成：,可见 ，两对臂电阻的变化对整个电桥输出电压的影响，是“求和”关系。两邻臂电阻的变化对整个电桥输出电压的影响，是“求差”关系。这就是电桥的和差特性。,邻臂相减，对臂相加。,Ui,电桥的和差特性可具体的描述为： 1)相减特性：相邻两桥臂上应变片阻值的变化大小相等、符号一致时，或者相对两桥臂上应
4、变片阻值的变化大小相等、符号相反时，对桥路的输出电压没影响。 2)相加特性：相邻两桥臂上应变片阻值的变化大小相等、符号相反时，或者相对两桥臂上应变片阻值的变化大小相等、符号相同时，桥路的输出电压是半桥单臂的二倍，电桥的灵敏度是半桥单臂的二倍。 3)倍增特性：相邻两桥臂上应变片阻值的变化大小相等、符号相反时，同时相对两桥臂上应变片阻值的变化大小相等、符号相同时，桥路的输出电压是半桥单臂的四倍，电桥的灵敏度是半桥单臂的四倍。,电桥的和差特性在实际应用中例子：,接入电桥的相邻两臂，可以提高灵敏度，抑制温度漂移。,题解： （1）贴片：如图 (R1：F R2：-F) （2）接桥:邻臂 （3）输出：,R1
5、,R2,Ui,根据测量电桥的特性，在进行测量时需注意： 1)全桥四臂或半桥双臂上应变片的初始阻值应相等，灵敏系数应一致。 2)应变仪的灵敏系数与应变片的灵敏系数保持一致(通过调节应变仪上的灵敏系数旋纽来保证)。 3)测量桥路所有应变片的引线长度应相等，引线直径应相同。 4)测量中，应设法采用电桥相邻臂两应变片有差动变化的接桥方案，这时灵敏度高、线性好，且具有温度补偿作用。 同理，当四臂工作时，四臂间有差动变化时电桥线性好且灵敏度高。,二、交流电桥 交流电桥的平衡条件 交流电桥采用交流电压供电，四个桥臂可以是电感L、电容C或者电阻R，均用阻抗符号Z表示。 根据对直流电桥的讨论可以写出,当Z1Z3
6、-Z2Z4=0 时，达到平衡，这时有Z1Z3=Z2Z4 ；Z是复数，可以写成 Z=|Z|ej 交流电桥的平衡条件： |Z1|Z3|e j（1+3）=|Z2|Z4|e j（2+4） 可以表示为 |Z1|Z3|=|Z2|Z4| 幅值平衡条件 1+3 = 2 +4 相位平衡条件 电桥平衡,2、讨论： （1）若电桥中有一对相邻桥臂为电阻，根据平衡条件，其余二桥臂一定为同类的阻抗，同是容抗或者同是感抗。 （2）若电桥中有二对边桥臂为电阻，根据平衡条件，其余二桥臂一定具有异类的阻抗，如果这边是容抗，其对边应为感抗。 （3）如果四个桥臂均为电阻时，1=3 = 2 =4=0，如果忽略其它因素影响，交流电桥的平
7、衡条件与直流电桥是完全一样的。,交流电桥与直流电桥的异同,、它们的电路结构形式相同。 、两者都具有和差特性。 、交流电桥供桥电源为高频交流电源，而直流电桥为直流源。 、交流电桥的桥臂可以是纯电阻 ，但 也可以是含有电容、电感的交流阻抗；而直流电桥的桥臂是纯电阻。,第二节 电荷放大器,电荷放大器是供压电式传感器专用的一种前置放大器。 是一个具有电容深度负反馈的高增益运算放大器。 压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为： （1）把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗； （2）放大传感器输出的微弱信号。,等效电路,当（1+K）CfCa+Cc
8、+Ci时， 电荷放大器的输出电压只取决于输入电荷与反馈电容，与电缆电容无关，且与q成正比，因此通常与压电传感器配合使用。,第三节 调制与解调,在测试技术中，许多情况下需要对信号进行调制。 例如，被测物理量，如温度、位移、力等参数，经过传感器变换以后，多为低频缓变的微弱信号，当采用交流放大时，需要予以调幅； 电容、电感等传感器采用了调频电路，这时是将被测物理量转换为频率的变化； 在信号分析中，信号的截断、窗函数加权等亦是一种振幅调制；,常用术语 调制：用低频缓变信号控制或改变高频振荡信号的某个参数(幅值、相位或频率)的过程。 调制信号控制或改变高频振荡信号的低频缓变信号称之为调制信号。 载波载送
9、低频缓变信号的高频振荡波称为载波 已调波(调制波) 经过调制的高频振荡波即为已调波。 解调则是对已调波进行处理，以恢复原低频缓变信号的大小和极性。,根据载波受调制的参数的 不同，调制可分为调幅(AM)、 调频(FM)和调相(PM)。使载 波的幅值、频率或相位随调制 信号而变化的过程分别称为调 幅、调频或调相。它们的已调 波也就分别称为调幅波、调频 波或调相波。图表示了载波、 调制信号、调幅波和调频波。,一、调幅及其解调,定义：调幅是将一个高频振荡信号(载波)与测试信号(调制信号)相乘，使高频信号的幅值随测试信号的变化而变化。,（一）电桥调幅,电桥输出为：ux=A x(t) u(t) 式中A是与
10、组桥方式有关的系数。半桥双臂 时A=1/4；半桥双臂时A=1/2；全桥时A=1。 x(t)是随时间而变化的被测量， (x(t)=R/R)。当被测量变化引起应变的变化 时，即引起电阻的相对变化。 u(t)供桥电源电压，它相当于载波。 假设供桥电源为一正弦交流电压 u(t)=usint 则：ux(t)=A x(t)usint,假如调制信号x(t)也是一个正弦变化量， (t)=0sin0t，则 ux(t)=Ax0usin0tsint,调幅波的特点： 1)当x(t)0时，ux(t)与u(t)极性相同。即调幅波与载波同颇同相；而调幅波幅值的大小与x(t)的大小有关。 2)当x(t)0时，ux(t)与u(
11、t)极性相反。即调幅波与载波同频反相；而据幅波幅值的大小仍与x(t)的大小有关。 3)调幅波是一高频信号、但其包络线和调制信号相似、其幅值受x(t)变化的影响。载波的频率越高。即波形越密，则近似程度越好。,调幅电路相当于乘法器,(二)整流检波和相敏检波 1、整流检波 若把调制信号进行偏置，叠加一个直流分量A，使偏置后的信号都具有正电压，那么调幅波的包络线将具有原调制信号的形状。把该调幅波xm(t)简单地整流(半波或全波整流)、滤波就可以恢复原调制信号。如果原调制信号中有直流分量，则在整流以后应准确地减去所加的偏置电压。,若所加的偏置电压未能使信号电压都在零线的一侧，则对调幅波只是简单地整流就不
12、能恢复原调制信号。相敏检波技术就是为了解决这一问题。,2、相敏检波 相敏检波区别于整流检波的唯一特征是其能够在不加直流偏置的条件下鉴别被测信号的极性。即相敏检波器的输出不仅能反映被测信号x(t)的大小，而且能反映被测信号x(t)的变化方向。为了使相敏检波器正常工作，其参考电压ur与测量信号电压ux应满足下列三个条件: 1)频率条件：频率必须严格相同； 2)幅值条件： ur ux，至少五倍以上，也就是说二极管的导通与截止由参考电压ur决定； 3)相位条件：最好是同相或反相。这一点若不能遵守，相敏检波器仍能工作，但将导致灵敏度下降。,（1）全波相敏检波器 图中x(t)为原信号；ur(t)为参考电压
13、(载波)，ux (t)为调幅波。图中T1、T2是1:1的变压器，5和d分别是T1、T2 的次级绕组的中间抽头；VD1、 VD2、 VD3 、 VD4 为特性一致的二极管；各桥臂上的平衡电阻R1、 R2 、 R3 、 R4 阻值相同，Rf为负载电阻。 ur5 ux,1)当ur0，ux0时，电流回路3-R3-VD3 -4 -5 -Rf -d -3； d - Rf -5 -4 - R4 -VD4 -1 - d。从图b可看出：i4i3, uf0,2)当urR1-VD1 -2 -5 -Rf -d -1； d - Rf -5 -2 - R2 -VD2 -3 - d。从图c可看出：i2i1, uf0,3)当
14、ur0，uxR3-VD3 -4 -5 -Rf -d -3； d - Rf -5 -4 - R4 -VD4 -1 - d。4为“-”, 5为“+”从图b可看出：i3i4, uf0,4)当ur0时，电流回路1-R1-VD1 -2 -5 -Rf -d -1； d - Rf -5 -2 - R2 -VD2 -3 - d。 2为“-”, 5为“+”,从图c可看出：i1i2 , uf0,5)当ux=0时，无论ur 0，还是ur 0，在负载Rf上的两路电流大小相等，方向相反，两者相互抵消，uf0,由上面分析可看出，当ur和ux同相时（都不为零)，相敏检波 器的输出电压uf0；当ur和ux反相时（都不为零)，
15、相敏检波 器的输出电压uf0。相敏检波器的输出电压波形为：,动态电阻应变仪可作为电桥调幅与相敏检波的典型实例。电桥由振荡器供给等幅高频振荡电压(一般频率为10kHz或15kHz)。被测量(应变)通过电阻应变片调制电桥输出。电桥输出为调幅波，经过放大，最后经相敏检波与低通滤波取出所测信号。,调频(频率调制)是利用信号电压的幅值控制一个振荡器，振荡器输出的是等幅波，但其振荡频率偏移量和信号电压成正比。当信号电压为零时，调频波的频率就等于中心频率；信号电压为正值时频率提高，负值时则降低。所以调频波是随信号而变化的疏密不等的等幅波。,第三节 滤波器,滤波器是一种选频装置，可使信号中特定的频率成分通过，
16、而极大地衰减其它频率成分。在测试中利用滤波器的这种选频作用，可滤除干扰噪声或进行频谱分析。 近年来，数字滤波技术已得到广泛应用，但模拟滤波在自动检测、自动控制以及电子测量仪器中仍然广泛应用。本节主要讨论模拟滤波。,一、滤波器分类及定义,根据滤波器的选频作用，一般分为低通、高通、带通、带阻滤波器。 1、低通滤波器 低通滤波器从0一f2频率之间为其通频带，幅频特性平直。它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大地衰减。,低通,2、高通滤波器 高通滤波器与低通滤波器相反，从频率f1一为其通频带，其幅频特性平直。它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于fl的频率成分将受到极大地衰减。,高通,3、带通滤波器 带通滤波器它的通频带在f1f2之间。它使信号中高于f1并 低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而其它成分受到极大地衰减。,带通,4、带阻滤波器 带
