测试技术(第六章)

（三）调制与解调
调制：用缓变信号控制高频振荡信号的某个参数——幅值、 频率、相位，使其随缓变信号做有规律的变化。 缓变信号称为调制信号，高频信号称为载波（被调制信号）， 经过调制的高频信号称为已调信号。 调幅信号，调频信号，调相信号
解调：是利用检波、滤波或其他技术从已调波中恢复出缓变 信号的过程，相当于调制的反过程 。 采用调制解调技术的原因：1、提高信号抗干扰能力，以便 信号的放大和远距离传输；2、多路信号的单信道传输；3、在测 试技术中某些传感器的工作原理就是调制的过程，当然也需要解 调才能得到被测信号；等。 1、调幅及其解调 （1）调幅实为缓变信号与高频信号的相乘运算，设缓变信号 x(t ) 的频谱为 X ( f ) ，取高频载波信号为 y (t ) = cos 2πf 0t ，其频谱为
在 R1 = R2 = R3 = R4 = R0时，称为等臂电桥。实际桥臂 电阻的变化量 ∆R

R0 。
∆R e0 4 R0
对于半桥单臂电桥，电阻传感器 R1 发生阻值变化 ∆R时， 输出电压为：ey ≈
对于半桥双臂电桥，电阻传感器 R1、R2发生等值（但反向） 阻值变化 时，输出电压为： ∆R
对于全桥电路，四个电阻传感器发生等值阻值变化 ∆R 时， 输出电压为：
左侧为频率—电压线性变换部分； 右侧部分为幅值检波部分
输出的调幅信号的幅值随输 入频率的变化而变化,其频率 入频率的变化而变化 其频率 也总与输入信号频率相同， 也总与输入信号频率相同， 也处于变化之中
（四）滤波器
滤波器是一种选频装置，有“筛选频率”的作用——对信号 中的某些频率成分有极大的衰减，而对其它频率衰减小或有放大 作用（称为“通过”）。在信号处理、测试技术中应用非常广泛。 模拟式滤波器 数字式滤波器 按选频作用分：低通、高通、带通、带阻 无源滤波器 有源滤波器 截止频率，带宽（通带、阻带） 理想低通滤波器在带宽内满足不失真条件。 理想滤波器的物理不可实现。
“电压跟随器”为其特 况
R3 当 = =K时，U 0 = K (U i + − U i − ) R1 R2
Rf
2、测量放大器 在传感器工作环境恶劣，输入信号微弱，输出阻抗较大时， 可用测量放大器（仪表放大器），它有更好的性能。
在R1 = R2 , R3 = R4 = R5 = R6时 U 0 = U dif (1 + 2 R1 / R3 )
载波频率f0应 大于缓变信号 的最大频率fm， 一般应大于几 倍甚至数十倍。
调幅装置实为一乘法器
（2）调幅波解调 ①同步解调 把已调制波与原载波信号再相乘，可得到原缓变 信号和倍频信号的迭加，后者可再由一低通滤波器除去。
需要良好的线性 乘法器件
②包络检波（又叫整流检波） 过程：加直流信号偏置，整流，滤波，减去偏置信号。 若所加的偏置信号不能使信号电压在零线一侧，简单地整流就不 能恢复原信号。
2、交流电桥 交流电桥以交流电压激励，四个桥臂可为电阻、电容和 电感。用阻抗来描述，交流电桥的平衡关系式可表示为：
z1 = Z 01e jφ1 , z 2 = Z 02 e jφ2 , z3 = Z 03e jφ3 , z 4 = Z 04 e jφ4
则有:
z1 ⋅ z3 = z 2 ⋅ z 4
③相敏检波 x(t )为原测试信号，y (t )为载波信号，xm (t )为已调波
设计要求y (t )大于xm (t ) 载波信号与已调波进行 相位比较。
这种检波方法利用了二极管的单向导通作用将电路的输出 极性换向。负载电阻Rf上的电压信号仍为高频信号，其包络线 就是原缓变信号，需要低通滤波才能恢复为原测量信号。 动态应变仪就是交流电桥调制和相敏检波的典型实例。
恒带宽比滤波器
恒带宽滤波器
通带宽大小对系统响应的影响 滤波器的分辨率与测量快速性要求相矛盾
理想带通与实际带通滤波器的幅频特性
理想滤波器直角转折，没有过渡带。实际滤波器的频率特性 不可能出现直角锐变，在阻带内的频率成分只能极大衰减，不可能 完全截止。通带和阻带内的值也存在一定的波动。 实际滤波器的技术指标： 1、滤波器的（上、下）截止频率fp 2、带通滤波器的带宽，中心频率、品质因数Q 带宽B，中心频率fn，品质因数Q，表示通带的窄宽，频率的 选择性； 3、波纹幅度d应远小于3dB 4、倍频程选择性; 5、滤波器因数（或称矩形系数）
2、调频与鉴频 频率调制是用缓变信号控制高频信号的频率，输出的调制信号 是频率随调制信号变化的疏密不等的等幅波，其频率偏移量（相对 于中心频率）和调制信号电压成正比。 调频信号的频谱结构很复杂，但 信号抗干扰能力很强，便于 信号的传输和数字处理。
频率调制的方法很多，现简单介绍直接调频测量电路。 在被测量小范围变化时，以电容、电感作为自激振荡器的谐波 回路的一个调谐参数，则电路的谐振频率为 1 f0 df f = =− 2π LC dC 2C 设 C = C0 时，频率为 f 0 ，电容值变化时，振荡频率值也会 发生线性变化： f 0 ∆C ∆f = − 2C0 ∆C ) 则 f = f 0 + ∆f = f 0 (1 − 2C0 调频波的解调又叫鉴频，方法很多，现简单介绍谐振式鉴频 器原理（又叫变压器耦合的谐振回路鉴频）。 如下图所示，鉴频电路原线圈输入调频信号 U f ，次级线圈输 出为调幅波，其幅值受控于输入频率，再进行解调即可。 常利用亚谐振区曲线的近似直线部分（线性关系）。
滤波器的设计
实际滤波器种类： 1、无源滤波器 由无源三元件构成 RC滤波器的基本特征
2、有源滤波器 由放大器和电容、电阻等外围元件构成。性能优于无源滤波 器。
运放起 级间隔 离作用
3、集成滤波器 其关键技术是采用了开关电容来取代电路中的电阻。开关电 容等效为一个电阻，其阻值可由开关频率控制。
恒带宽比滤波器和恒带宽滤波器： 恒带宽比滤波器和恒带宽滤波器：
工程测试技术
——郭世伟
第六章 信号变换与调理
一、信号变换与调理的概念
1、信号变换与调理的原因 2、信号调理与变换的内容
放大 电桥对电参数的变换 调制解调 滤波
二、传感器常用的测量电路
（一）放大器 对微弱的电信号进行放大。放大器电路有分立元器件构成的 和集成电路。 1、集成运算放大器 集成运算放大器是具有高放大 倍数，带深度负反馈的直接耦合放 大器。其输入网络和反馈网络由线 性或非线性元件组成，可对输入信 号进行多种数学运算和处理。 实际应用中有线性工作区和饱 和（非线性）工作区。 “虚短” “虚断”
1 1 cos 2πf 0t ⇔ δ ( f − f 0 ) + δ ( f + f 0 ) 2 2 1 1 x(t ) ⋅ cos 2πf 0t ⇔ X ( f ) ∗ δ ( f − f 0 ) + X ( f ) ∗ δ ( f + f 0 ) 2 2 1 1 = X ( f − f0 ) + X ( f + f0 ) 2 2
Z 01 ⋅ Z 03 = Z 02 ⋅ Z 04 φ1 + φ3 = φ2 + φ4
此即交流电桥平衡需满足的两个条件。在电桥调平衡时 需要调节几个参数。 利用交流电桥可把电容式、电感式等传感器的电参数变 化转换成为电压的变化。 对于纯电阻交流电桥，因交流电源使导线之间存在分 布电容，相当于并联于各桥臂，也不是纯电阻电桥，除了电 阻平衡，还需要电容平衡。
在动态应变仪中的纯电阻交流电桥，桥臂并联有可调电容 C2和可变电阻R3，分别实现电容平衡和电阻平衡。
交流电桥的供桥电源必须有良好的电压波形(频率单一性) 和频率稳定性。一般用音频交流电源（5～10kHz） 采用交流电桥时，影响测量误差的因素较多，如分布电容、 感应作用等等。
下图为变压器式电感交流电桥（也叫带感应耦合臂的电 桥），左侧相当于变压器的二次边绕组，右侧接入的是差动 式电感传感器，把电感量的变化转换成电压量的输出。 与一般电桥相比，它具有较高的精确度、灵敏度和稳定性。
ey
R2 R4 − R1 R3 ey = e0 ( R1 + R2 )( R3 + R4 )
在满足关系R1 R3 = R2 R4时，e y = 0 此时称为“电桥平衡”
把一个桥臂电阻换成为电阻传感器，当被测物理量的变化引 起桥臂电阻的变化时，会引起输出电压的变化。变化前电桥平衡 时，输出电压为零，变化后电桥失衡，输出电压的大小、正负与 被测物理量的变化有确定的对应关系。此即不平衡式直流电桥的 测量原理（偏位测量法）。 根据测量中电阻值参与变化的桥臂数，一般有如下三种连接 方式。
调节R 值可方便地调节电路的增益。 调节 3值可方便地调节电路的增益。
（二）电桥电路 电桥是一种可将电阻、电容、电感等参数的变化转换为电 压或电流输出的测量电路。电桥测量电路简单，灵敏度和测量 精度高，广泛应用于测量装置中。 1、直流电桥 四个电阻组成四个桥臂，a、 c为输入端，b、d为输出端。 电桥后接大输入阻抗的放大 器或仪表时，电桥输出端可认为 是开路，其输出电压为：
∆R ey ≈ e0 2 R0
e0 ∆R1 ∆R2 ∆R3 ∆R4 因为： e y ≈ ( − + − ) 4 R0 R0 R0 R0
∆R ey ≈ e0 R0
注意各电阻值的变化方向：相邻两桥臂阻值变化极性要相反， 相对两桥臂阻值变化应相同。 利用这一电桥和差特性，可提高电桥的测量灵敏度和进行温 度补偿。 上述电桥是在不平衡条件下工作的，为不平衡桥式电路。这 种方式的输出电压受电源电压的稳定性、环境温度变化影响较大， 有较大的测量误差。 为此可采用平衡电桥（见下图）：调节电位器H，改变电阻 R5触点位置，总使电桥平衡。根据触点位置的变化标示桥臂阻值 的变化，电位器H上的标度与桥臂电阻值的变化成比例。读数时 电表G始终指零，故又称为“零位测量法”。该方法的测量误差 取决于可调电位器的精确度，与电源电压无关。 一般静态应变仪常采用该平衡电桥，有手动调平衡方式，自 动调平衡方式（以伺服电机自动调整电位器的位置）。 直流电桥的特点：电路简单；对连接导线要求低；直流电桥 只能测电阻值的变化；所需的直流放大器比较复杂且易受零漂和 接地电位的影响。