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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l第一节 电桥l第二节 调制与解调l第三节 滤波器l第四节 模拟、数字转换器第一节 电桥l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。l一、直流电桥l二、交流电桥d V一、直流电桥eieo一、直流电桥eieo平衡条件一、直流电桥半桥单臂eieo一、直流电桥eieo半桥双臂一、直流电桥eieo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l交流电桥的激励电压为交流电压。l桥臂元件
2、可以是电阻、电感或电容。问题 交流电桥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l交流电桥桥臂可有如下的组合方式：l1、如果相邻两臂接入电阻，另两臂应接 入性质相同的阻抗。l2、如果相对两臂接入电阻，另两臂应接 入性质不同的阻抗。l3、各桥臂均接入电阻性元件。 几种常用的交流电桥：测电容的电桥串联比较电容电桥适合测量损耗小的电容 并联比较电容电桥适合测量损耗大的电容 ADCBmVADCBmV测
3、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mVABCD ABCDmV二、交流电桥eieo二、交流电桥eieo二、交流电桥eieo导线分布电容 的影响不能忽 视！二、交流电桥eieo二、交流电桥eiei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l为什么要对信号进行调制和解调？l何谓载波、调制信号和已调波？l何谓调频、调幅和调相？第二节 调制与解调l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
4、变信号。 第二节 调制与解调l什么叫调制？l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l调幅AM（Amplitude Modulation）：l调频FM（Frequency Modulation ）：l调相PM（Phase Modulation）：第二节 调制与解调l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l1、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l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
5、：l2、调幅波的频谱： y(t)Y(f)-f0f0-f0f0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。l同步解调y(t)Y(f )Xm(f)*Y(f )l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。l3、整流检波与相敏检波：l3、整流检波与相敏 检波：d-1-D1-2-5-c-Rf-d0d-3-D3-4-5-c-Rf-d05- 2- D2- 3-d- Rf- c-
6、55- 4- D4- 1-d- Rf- c- 5d0调制信号调幅波载波二、调频及其解调l1、调频原理：l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. l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l调频波的频偏与调制信号的幅值成比例。二、调频及其解调l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
7、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l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l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 。l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。l本节重点介绍滤波器原理及应用。第三节 滤波器l根据选频特性，滤波器分为l低通滤波器l高通滤波器l带通滤波器l带阻滤波器fc2fc2fc2fc1fc1fc1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
8、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l1、实际滤波器的基本参数l2、RC滤波器的基本特性l3、RC有源滤波器1、实际滤波器的基本参数l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。l重点介绍带通滤波 器的主要参数。1、纹波幅度dl纹波幅度为幅频特性的最大波动值。2、截止频率l幅频特性值等于 所对应的频率为 截止频率，记作fc。l截止频率对应的点正好是半功率点。l截止频率又称为-3dB频率。3、带宽B和中心频率f0l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
9、宽，记 作B=fc2-fc1(Hz)。l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l选择性是一个特别重要 的性能指标。l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。l倍频程选择性l滤波器因数倍频程选择性l频率变化一个倍频程 时，过渡带幅频特性 的衰减量称为滤波器 的倍频程选择性，以 dB表示。l衰减越快，选择性越 好。滤波器因数（矩形系数）l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l带通滤波器中心频率f0与 带宽B
10、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l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lRC低通滤波器lRC高通滤波器lRC带通滤波器RC低通滤波器1eoeiRC高通滤波器eoei注意：截止频率的计算RC带通滤波器eoei3、RC有源滤波器l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？l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。l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
11、构成的有源滤波器应用广泛 。l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l滤波器的应用主要有两种形式：l1、单个滤波器接入自动检测、自动控制 装置的电路中；l2、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l1、倍频程滤波器l2、恒带宽滤波器l3、各种滤波器的比较1、倍频程滤波器l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。l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。
12、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=2nf012、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l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。l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l常用的恒带宽滤波器有两种：l1、跟踪滤波器l2、相关滤波器l中心频率都由参考信号控制连续调 节。跟踪滤波器l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12345吉布斯现象（Gibbs）建立时间Te与带宽的关系滤波器的
13、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，以便于观察轴心运动规律实验第四节 模拟、数字转换器l1、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。l模拟信号可以直接记录、显示或存储。l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-
14、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l2、把模拟信号转换为数字信号的装置， 称为模-数转换，A/D。l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l一、数-模转换器（D/A转换器）l二、模-数转换器（A/D转换器）一、数-模转换器（D/A转换器）l数-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）lD/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）l1、模-数转换l2、模-数转换器1、模-数转换l采样、量化、编码2、模-数转换器l（1）双积分式A/D转换器l（2）逐次比较式A/D转换器双积分式A/D转换器l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 eoei（2）逐次比较式A/D转换器
