第四章_信号调理与显示记录装置

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1、Signal Conditioning, Display, Recording Apparatus机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置学习目标学习重点与难点电桥、幅值调制、RC滤波器的工作原理和特性。重点难点 信号的调制原理。 学习测量电桥、信号放大电路、调制解调电路、滤波器等信号调理电路的工作原理、基本特性，了解各种显示 记录装置工作原理及适用场合。学完本章后，应对各种信 号调理电路的功能特点有较清楚的了解，能正确选用各种 显示记录装置以实现信号的不失真记录。 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置 第一节 测量电桥 第二节 信号放大电路 第三节 调制与解调 第四节 滤波器 第

2、五节 显示记录装置学习内容机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置第一节 测量电桥测量电桥是将电阻、电感、电容等参数的变化转换成输出电压或电流变化的一种电子装置。 测量装置中最 常用的是惠斯登电桥。 惠斯登电桥电桥的输出为电桥的输出为机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置 电桥的分类 按电桥供电电源的性质分直流电桥采用直流电源供电 交流电桥采用高频稳幅交流电源供电 按电桥输出的测量方式分平衡电桥使电桥处于平衡状态后读数 不平衡电桥读数时电桥一般处于不平衡状态 按桥臂元件的阻抗性质分纯电阻电桥 纯电容电桥、容性电桥 纯电感电桥、感性电桥机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置一、

3、直流电桥采用直流电源供电，四个桥臂元件均为纯电阻 。电桥输出直流电桥的平衡条件：为简化设计和分析，一般将四臂电阻设计成相等，即机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置将传感器（如电阻应变片）接入电桥的某些桥臂上，则电桥的输出就与被测量的变化有一一对应关系。 传感器可以三种形式接入电桥。1. 半桥单臂连接当 时， 电桥的输出电压为机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置2. 半桥双臂连接 工作桥臂相邻连接时，两电阻变化的极性应相反； 工作桥臂相对连接时，两电阻变化的极性应相同。 电桥的输出电压为机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置3. 全桥连接 相对桥臂的电阻按相同极性变化； 相

4、邻桥臂的电阻按相反极性变化。 电桥的输出电压为机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置 半桥双臂接法的灵敏度比半桥单臂接法高一倍； 全桥接法的灵敏度又比半桥双臂接法高一倍。 半桥双臂接法和全桥接法也称为电桥的差动连接。差动连接的优点： 提高了电桥的灵敏度； 极大地改善了电桥固有的非线性； 可对由温度等因素变化所造成的同极性影响进行补偿（抵消）。 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置差动连接应变片的贴法 所需的高稳定度直流电源容易获得； 输出可用直流仪表直接测量显示； 易于实现电桥的平衡调节； 输出需接直流放大器，易受零漂和接地电位的影响。 直流电桥的特点：机械工程测试技术 之 信号

5、调理与显示记录装置二、 交流电桥采用高频稳幅交流电源供电，四个桥臂元件可以是 电阻、电容、电感或它们的 复合 。电桥的输出为机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置各桥臂元件的电抗用复数表示：或或阻抗的模阻抗角各种元件的复数阻抗为：电阻 R R电容 C 电感 L 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置交流电桥的平衡条件：即模平衡条件相位平衡条件 输出为高频调幅波，不易受外界工频干扰； 转换精度较高； 后接的交流放大器结构简单、零漂小； 易于实现不失真测试 ； 输出调幅波需经相敏检波器进行解调； 供桥电源要具有较高的幅值、频率稳定性和良好的波形。交流电桥的特点：机械工程测试技术 之 信

6、号调理与显示记录装置三、 带感应耦合臂的电桥 电桥的两个桥臂由传感器或变压器的两个感应耦合线圈所构成，另两个桥臂则是固定的电抗元件或差动传 感器的电感、电容。 差动电感传感器电桥 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置差动变压器电桥 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置差动电容传感器电桥 带感应耦合臂电桥的特点： 克服了寄生参数（寄生电容、电感等）的影响； 使用变压器可隔离直流干扰； 频率范围较宽，性能稳定、灵敏度及转换精度较高。 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置第二节 信号放大电路 信号放大电路的基本特点 通用放大电路、测量放大器、运算放大电路、功率放大电路、隔离放

7、大电路、增益调整电路、线性化 电路等。 信号放大电路的种类 广泛使用各种集成放大器，其中以集成运算放大器和专用测量放大器应用最多； 广泛采用各种负反馈技术来改善放大电路的性能。机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置一、通用集成运算放大电路1. 理想运算放大器与实际运算放大器 开环放大倍数A 失调电压 偏流 输入阻抗 输出阻抗 特 性理想运放实际运放或更高 0 0 0 1mV（25） 或更高 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置2. 使用运算放大器的基本放大电路 反相比例运算电路 反相比例运算电路 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置反相比例加法器 机械工程测试技术 之 信

8、号调理与显示记录装置 同相比例运算电路 同相比例运算电路 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置电压跟随器 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置 求差运算电路 差动放大电路 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置 微分运算电路 微分运算电路 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置 积分运算电路 积分运算电路 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置 对数运算电路 对数运算电路 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置3. 运算放大器构成的其他电路 电压比较电路 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置 精密整流电

9、路 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置当满足 时,电路就能够输出非常精确的 全波整流波形。 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置二、 测量放大器1. 高输入阻抗放大器 用电压跟随器做前置输 入缓冲级; 使用高阻型集成运算放 大器; 采用由通用运算放大器组成的自举式高输入阻 抗放大电路。 自举式同相交流放大电路 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置自举式交流电压跟随器 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置自举组合电路 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置2. 高共模抑制比放大器 三运放高共模抑制比放大电路 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置3.

10、 电桥放大器 单端输入电桥放大电路单端(反相)输入电桥放大电路 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置单端(同相)输入电桥放大电路 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置 差动输入电桥放大电路 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置 线性电桥放大电路 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置4. 单片集成测量放大器 共模抑制比高，一般可达100120dB； 输入阻抗高，一般高于109； 平衡的差动输入，单端输出，输入端可承受较高的输入电压，有较强的过载能力； 增益可由用户按需要通过选择不同的增益电阻来确定； 动态特性好，工作频带宽； 低失调，低漂移。特点：机械工程测试技术

11、 之 信号调理与显示记录装置AD612的内部结构 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置AD612与测量电桥的连接 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置第三节 调制与解调 调制 解调 信号的调制方法用原始缓变信号控制高频信号的某个特征参数（幅值、频率或相位），使这些参数随被测量的变化而变化。 调制信号用来控制高频信号的缓变信号。 载波被控的高频信号。 已调波经过调制后所得到的高频信号。从已调波中恢复原始缓变信号。 幅值调制（调幅，AM） 频率调制（调频，FM） 相位调制（调相，PM）机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置一、 调幅及其解调 1. 调幅原理 机械工程测试技术

12、之 信号调理与显示记录装置 调幅就是用调制信号与高频载波信号相乘，所得到的高频已调波（称为调幅波或调幅信号）的幅值随调制信号 的变化而变化。 在频域内，调幅过程是一个“频谱搬移”过程。 调幅过程中的载波不仅要保证幅值的高度稳定，其频 率也要足够高。一般要保证 。 调幅波的频谱分布在相对变化很窄的一个范围内，有利于信号的交流放大、有用信号与无用信号的鉴别，易于 保证不失真测试条件的实现。 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置2. 调幅装置 交流电桥调幅 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置3. 调幅的解调（鉴幅） 同步解调 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置 包络检波

13、包络检波适用于调制信号为单边（单极性）变化的调幅信号的解调。 包络检波通过整流、滤波两个环节，将调幅波中的包络线（与原信号波形一致）还原出来，即得到了原信 号的波形。 整流将双边变化的调幅信号整理成单边变化的调幅信号； 滤波滤除单边变化调幅信号中的高频成分。常用的包络检波电路有：二极管环形检波电路、精 密整流电路+滤波电路等。机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置 相敏检波 二极管环型相敏检波电路 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置4. 调幅的应用 动态电阻应变仪 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置差动变压器式电感测微仪 机

14、械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置JDC智能化精密电容测微测振仪 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置二、 调频及其解调1. 调频原理 调频是将调制信号的变化转换成调频波频 率的变化。具体地讲， 就是用调制信号控制一 振荡器，使振荡器的振 荡频率随调制信号的变 化而变化。 调制信号为零时，振荡器输出的调频波的频率称为中心频率（即载波频率）。 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置2. 调频装置 直接调频电路 设则机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置 压控振荡器 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置3. 调频的解调（鉴频 ） 实现鉴频的装置称为鉴频器。 谐振

15、式振幅鉴频器 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置谐振式振幅鉴频器的谐振特性 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置第四节 滤波器使信号中某些特定的频率成分通过，极大地衰减其他频率成分。 滤波器的作用：一、 滤波器的基本知识1. 滤波器的分类（按选频范围分） 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器 机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置四类滤波器的幅频特性上截止频率下截止频率机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置2. 理想滤波器 理想滤波器在其通频带内应满足不失真测试条件，即幅频特性为常数，相频特性与频率保持线性关 系，阻带内的幅频特性应等于零。其频率响应函数 应为 （通带内， 为常数）（阻带内）机械工程测试技术 之 信号调理与显示记录装置 理想滤波器是非因果系统，在物理上是不可能实现的。 理想滤波器的建立时间 与滤波器的带宽B成反比，它们的乘积为常数。即 建立时间 建立时间