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1、测量技术与信号处理,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,交流电桥和直流电桥在电路
2、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能忽视!,二、交
3、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 Modulation
4、):,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频率fm ,可使
5、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、调频及其解调,
6、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,而抑制或极大地衰减其他频率成分
7、。 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主要参数。,1、
8、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,过渡带幅频特性的衰减量称为
9、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带通滤波器,3、RC
10、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、恒带宽滤波器 3、各种滤波
11、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,常用的恒带宽滤波器有两种:
12、 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声,以便于观察轴
13、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-模转换器是把数字
14、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
15、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,1、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。20.8.2720.8.27Thursday, August 27, 2020 2、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。14:19:2314:19:2314:198/27/2020 2:19:23 PM 3、越是没有本领的就越加自命不凡。20.8.2714:19:2314:19Aug-2027-Aug-20 4、越是无能的人,越喜欢挑剔别人的错儿。14:19:2314:19:2314:19Thursday, August 27, 2020 5、知人者智,自知者明。胜人
16、者有力,自胜者强。20.8.2720.8.2714:19:2314:19:23August 27, 2020 6、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。2020年8月27日星期四下午2时19分23秒14:19:2320.8.27 7、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。2020年8月下午2时19分20.8.2714:19August 27, 2020 8、业余生活要有意义,不要越轨。2020年8月27日星期四2时19分23秒14:19:2327 August 2020 9、一个人即使已登上顶峰,也仍要自强不息。下午2时19分23秒下午2时19分14:19:2320.8.27 10、你要做多大的事情,就该承