CH 5 信号的调理与记录 WL
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CH5 动态信号分析(2)-数字信号处理技术
-0.8 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 -0.4 -0.6
-0.8
-1
-1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
采样定理 频混计算：
正常
Fs
Fs
频混
Fs
Fs
工程处理： 混迭频率=Fs-信号频率
Fs/2
模数(A/D)和数模(D/A) 2、D/A转换过程和原理
D/A转换器是把数字信号转换为电压或电流信号的装置。
D/A转换器的技术指标
分辨率; 转换速度; 转换精度;
模数(A/D)和数模(D/A) A/D、D/A转换过程中的量化误差
模数(A/D)和数模(D/A) A/D、D/A转换过程中的量化误差
为便于数学处理，对截断信号做周期延拓，得到虚拟的无限长信号。
信号的截断、能量泄漏 周期延拓信号与真实信号是不同的：
能量泄漏误差
信号的截断、能量泄漏
周期延拓后的信号与真实信号是不同的， 从数学的角度来看这种处理带来的误差情况。 设有余弦信号x(t), 用矩形窗函数w(t)与其相乘，得到截断信 号: y(t) =x(t)w(t)
DFT与FFT
连续时间信号x(t)经过加窗截断后在区间[0,T]上经过A/D Δt=1/fs 转换离散化，采样间隔Δt按采样频率确定为： 在时间点｛0,Δt,2Δt,3Δt,....｝进行取样，得到长度 为N（N=T/Δt）的时间序列{x(n)}。 经加窗和周期延拓处理后的信号是一个周期信号，其傅立 叶积分式为： 对周期信号xT(t)采样得离散序列xT(n),将积分转为集合：
-0.8
-1
-1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
采样定理 频混计算：
正常
Fs
Fs
频混
Fs
Fs
工程处理： 混迭频率=Fs-信号频率
Fs/2
模数(A/D)和数模(D/A) 2、D/A转换过程和原理
D/A转换器是把数字信号转换为电压或电流信号的装置。
D/A转换器的技术指标
分辨率; 转换速度; 转换精度;
模数(A/D)和数模(D/A) A/D、D/A转换过程中的量化误差
模数(A/D)和数模(D/A) A/D、D/A转换过程中的量化误差
为便于数学处理，对截断信号做周期延拓，得到虚拟的无限长信号。
信号的截断、能量泄漏 周期延拓信号与真实信号是不同的：
能量泄漏误差
信号的截断、能量泄漏
周期延拓后的信号与真实信号是不同的， 从数学的角度来看这种处理带来的误差情况。 设有余弦信号x(t), 用矩形窗函数w(t)与其相乘，得到截断信 号: y(t) =x(t)w(t)
DFT与FFT
连续时间信号x(t)经过加窗截断后在区间[0,T]上经过A/D Δt=1/fs 转换离散化，采样间隔Δt按采样频率确定为： 在时间点｛0,Δt,2Δt,3Δt,....｝进行取样，得到长度 为N（N=T/Δt）的时间序列{x(n)}。 经加窗和周期延拓处理后的信号是一个周期信号，其傅立 叶积分式为： 对周期信号xT(t)采样得离散序列xT(n),将积分转为集合：
4第四章信号的调理与记录
频率与载波同，但相位上差 ，幅值
仍为载波的
1 4
S
g
倍。
工程测试技术与信息处理 第 4 章
3．动态简谐应变 nsint
电桥输出电压
Uy 1 4SgnsintEsint
1 8 S gn E s in [ ( ) t 2 ] 8 1 S gn E s in [ ( ) t 2 ]
电桥的和差特性
工程测试技术与信息处理 第 4 章
测量方式：
1、不平衡电桥（又称偏位法），上述电 桥是在不平衡条件下才有电压输出。
特 点：适宜于动态测量，但电源电压、环 境温度有变化时，会引起电桥输出产生误 差。动态应变仪用该法。
工程测试技术与信息处理 第 4 章
2、平衡电桥（零位法）
特点：适宜于静态测 量。若设有自动平衡 则可测低频动态。测 量误差与电源电压无 关。静态电阻应变仪 用该法 。
Z Z e Z Z e j13 01 03
j24
02 04
工程测试技术与信息处理 第 4 章
交流电桥平衡须同时满足
Z101Z033Z022Z044
即交流电桥平衡的条件为：相对两臂阻抗 之模的乘积应相等，并且它们的阻抗角之 和也必须相等。
工程测试技术与信息处理 第 4 章
工程测试技术与信息处理 第 4 章
2、有些传感器输出的是电信号中混杂有干 扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。
工程测试技术与信息处理 第 4 章
3、某些场合，为便于信号的远距离传输， 需要对传感器测量信号进行调制解调处理。
工程测试技术与信息处理 第 4 章
第一节
电桥
工程测试技术与信息处理 第 4 章
大和传输。最后的输出是已调制波。
ch5总线操作和时序
CLK（Clock） 时钟输入端 MN/MX（Minimum/Maximum Mode Control） 最小/最大方式控制信号输入端 GND，Vcc地和电源 GND为接地端。Vcc为电源端
最小模式
系统规模小 ： 只含有一个 8086/8088CPU ，不 含数字运算协处理器、 输入 / 输出协处理器； 系统的控制总线直接由 8086/8088CPU 的控制
QS1 0 0 1 1 QS0 0 1 0 1 队列状态 无操作，未从队列中取指令 从队列中取出当前指令的第一字节（操作码字节） 队列空，由于执行转移指令，队列重装填 从队列中取出指令的后续字节
四、指令周期
执行一条指令所需要的时间称为指令周期。
执行一条指令的时间: 是取指令、执行指令、取操作数、存放结果所需时间的总和。 用所需的时钟周期数表示。
例
MOV MUL
BX, AX BL
2个T周期 70~77个T周期
不同指令的执行时间(即指令周期)是不同的; 同一类型的指令，由于操作数不同，指令周期也不同 例 MOV MUL BX, AX BL 2个T周期 70~77个T周期 14个T周期
CLK
T2
T3
T4
A19~A0 ALE
D7~D0 MEMR
IBM PC/XT 总线上存储器读周期时序
5.2 8086/8088 CPU的引脚功能
8086/8088CPU具有40条引脚 采用双列直插式封装形式 分时复用的地址/数据总线 20位地址、16位数据 8088只能传输8位数据，只有8个地址引脚兼作数据引 脚 8086有16个地址/数据复用引脚图中引脚符号上面有 一横的表示低电平有效信号，没有一横的表示高电平 有效信号。
测试技术模拟题含答案
5 信号的调理和记录5.1单选题1、下列（）为不正确叙述。
(A)低通滤波器带宽越窄，表示它对阶跃响应的建立时间越短；(B) 截止频率为幅频特性值为A0/21/2所对应的频率；(C) 截止频率为对数幅频特性衰减-3dB所对应的频率；(D) 带通滤波器的带宽为上、下截止频率之间的频率范围。
2、调幅波（AM）是（）。
(A) 载波与调制信号（即被测信号）相加；(B) 载波幅值随调制信号幅值而变；(C) 载波频率随调制信号幅值而变；(D) 载波相位随调制信号幅值而变。
3、调幅信号经过解调后必须经过（）。
(A) 带通滤波器；(B)低通滤波器；(C) 高通滤波器；(D)相敏检波器。
4、用磁带记录对信号进行快录慢放，输出信号频谱的带宽（）。
(A) 变窄，幅值压低；(B)扩展，幅值增高；(C) 扩展，幅值压低；(D) 变窄，幅值增高。
5、除了（）以外的其他项目可能是信号调理包括的内容。
(A) 信号放大；(B) 信号衰减；(C) 滤波；(D) 调制6、在1/3倍频程分析中，带宽是（）。
(A)常数；与中心频率成正比的；(B)与中心频率成指数关系的；最高频率的三分之一7、如果比较同相放大器和反相放大器，下列说法中，（）是不符合实际的。
(A) 它们都具有低输出阻抗的特性，一般小于1 Ω(B) 它们的增益取决于反馈电阻与输入电阻的比值，而非实际电阻值(C) 它们的增益带宽积相同(D) 对于这两种放大器，相角与频率之间的关系相同8、为了减少测量噪声，除了（），应避免以下做法。
(A) 为了节省导线，使传感器外壳和测量仪器的外壳分别接地(B) 为了安装方便，把仪器的接地点连接到电源插头的地线(C) 为了减小电磁干扰，两电源线尽可能互相靠近并互相缠绕，两信号线也应如此(D) 为了减小耦合电容，使用屏蔽电缆并且使屏蔽层在传感器端和仪器端接地5.2填空题1、交流电桥4个桥臂的阻抗按时针顺序分别是Z1、Z2、Z3、Z4，其平衡条件是（）。
CH5振幅调制信号及混频
3
2019/11/14
湖北大学物电学院 余琼蓉
高频电子线路
1：振幅调制的基本概念
定义：让要传送的低频信号去控制高频载波信号的 振幅，使之按调制信号的规律变化而变化的过程。
设调制电压为： u (t) Um cos t
载 波 电 压 信 号 为 ：uc (t) Ucm cosct 满足ωc>>Ω。
7
高频电子线路
AM频谱与带宽
U
因调幅波不是一个简单 0 F
f
(a)
的正弦波形。在单一频
Uc
率的正弦信号的调制情
况下，调幅波如式用三
角公式展开
f
0
fc
(b)
uAM
(t)
UC
cosct
m 2 UC
cos(1c
)t
m 2 UC
cos(c
)t
m/2
m/2
0
fc－F fc fc＋F
f
信号的带宽为调制信 号最高频率的两倍。
（t）|max=1。若将调制信号分解为
f (t) Un cos(nt n )
n1
则调幅波表示式为
uAM (t) UC[1 Un cos(nt n )]cosct
n1
6
2019/11/14
湖北大学物电学院 余琼蓉
高频电子线路
(2) AM调幅波的波形频谱与带宽
180¡ã
0¡ã
(c)
图6―6 DSB信号波形
16
2019/11/14
湖北大学物电学院 余琼蓉
高频电子线路
DSB信号的特点
(1) DSB信号的包络正比于调制信号 U cos t
信号的调理与记录
LPF HPF
滤波器
二、滤波器性能分析
测试技术与信号处理
1.理想滤波器—是指能使通带内信号的幅值和相位都 不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。
以理想的低通滤波器为例，其特性为
H(f) A0e-j2ft0 0
-fcffc 其 他
|H( f )|
H(f) A00
-fc f fc 其他
调制与解调
测试技术与信号处理
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。
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。
调制与解调
调制与解调
相敏检波电路
+-
-
+-
+
测试技术与信号处理
- +- + +-
调制与解调
VD1 或VD3通
+ +
-L-L
H-H
-H
LL
测试技术与信号处理
+
①②
+
① 调幅信号x(t) > 0时
注意：y(t)的振幅大于xm(t)的振幅
若y(t) > 0，则VD1通：d→1→VD1 →2→5→R1→地→d
若y(t) < 0，则VD3通：d→3→VD3 →4→5→R1→地→d
滤波
滤波器
测试技术与信号处理
•滤波器分类（根据滤波器的选频作用分类）
低通
高通
滤波器
带通
测试技术与信号处理
带阻
滤波器
滤波器
二、滤波器性能分析
测试技术与信号处理
1.理想滤波器—是指能使通带内信号的幅值和相位都 不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。
以理想的低通滤波器为例，其特性为
H(f) A0e-j2ft0 0
-fcffc 其 他
|H( f )|
H(f) A00
-fc f fc 其他
调制与解调
测试技术与信号处理
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。
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。
调制与解调
调制与解调
相敏检波电路
+-
-
+-
+
测试技术与信号处理
- +- + +-
调制与解调
VD1 或VD3通
+ +
-L-L
H-H
-H
LL
测试技术与信号处理
+
①②
+
① 调幅信号x(t) > 0时
注意：y(t)的振幅大于xm(t)的振幅
若y(t) > 0，则VD1通：d→1→VD1 →2→5→R1→地→d
若y(t) < 0，则VD3通：d→3→VD3 →4→5→R1→地→d
滤波
滤波器
测试技术与信号处理
•滤波器分类（根据滤波器的选频作用分类）
低通
高通
滤波器
带通
测试技术与信号处理
带阻
滤波器
信号的调理和记录 共51页PPT资料
因此，我们把相对边称为同变输入端——工 作时接入同变信号；把相邻边称为差变输入端 ——工作时接入差变信号。这样电桥才有最大 输出。这就是电桥的和差特性。利用这一特性 ，通常电桥可用于合理布置应变片和连接电桥 等，使灵敏度得到提高。
6、和差特性的应用举例
悬臂梁受弯矩力和拉伸力同时作用时，现要求 分别测出弯矩力和拉伸力，应该如何布片，如 何接桥？ 分析：悬臂梁在受弯矩力作用时，上侧面为拉 应变，下侧面为压应变；在受到拉伸力时作用 时，上、下侧面均为拉应变。
调制：Modulation 调频（Frequency modulation-FM)
调相（Phase modulation--PM)
调幅：载波的幅值随调制信号而变化的过程 调频：载波的频率随调制信号而变化的过程 调相：载波的相位随调制信号而变化的过程
5.2.1 幅值调制与解调
一、原理 调幅是将一个高频简谐信号（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 的过程。
F R1
R2
利用电桥的和差特性，在测弯矩力时，将应变片贴于 悬臂梁的上、下侧面，同时在接桥时把应变片接在电 桥的相邻桥臂上，另外两个桥臂为固定电阻。 这样，在弯矩力F作用下，dR1=-dR2,同时dR3=dR4=0, 电桥输出为 e y 1 4 ( R R 1 R R 2 R R 3 R R 4 )e 0 1 2 R R e 0
U0
R1
R1 R1 R1 R2 R2
R4 R3 R4
Ue
R 2R0 Ue
灵敏度
SRU/0R12Ue
与半桥单臂相比，灵敏度提高了一倍，电桥的输出 与 R/ R0 成完全线性关系。
（3）全桥接法
6、和差特性的应用举例
悬臂梁受弯矩力和拉伸力同时作用时，现要求 分别测出弯矩力和拉伸力，应该如何布片，如 何接桥？ 分析：悬臂梁在受弯矩力作用时，上侧面为拉 应变，下侧面为压应变；在受到拉伸力时作用 时，上、下侧面均为拉应变。
调制：Modulation 调频（Frequency modulation-FM)
调相（Phase modulation--PM)
调幅：载波的幅值随调制信号而变化的过程 调频：载波的频率随调制信号而变化的过程 调相：载波的相位随调制信号而变化的过程
5.2.1 幅值调制与解调
一、原理 调幅是将一个高频简谐信号（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 的过程。
F R1
R2
利用电桥的和差特性，在测弯矩力时，将应变片贴于 悬臂梁的上、下侧面，同时在接桥时把应变片接在电 桥的相邻桥臂上，另外两个桥臂为固定电阻。 这样，在弯矩力F作用下，dR1=-dR2,同时dR3=dR4=0, 电桥输出为 e y 1 4 ( R R 1 R R 2 R R 3 R R 4 )e 0 1 2 R R e 0
U0
R1
R1 R1 R1 R2 R2
R4 R3 R4
Ue
R 2R0 Ue
灵敏度
SRU/0R12Ue
与半桥单臂相比，灵敏度提高了一倍，电桥的输出 与 R/ R0 成完全线性关系。
（3）全桥接法
第五章_信号的调理与记录
当被测量转换为电路或磁路参数的变化后，电桥 可以把这种参数变化转变为电桥输出电压的变化。
电桥按其电源性质的不同可以分为直流电桥和交流 电桥。直流电桥只能用于测量电阻的变化，而交流电 桥可以用于测量电阻、电感和电容的变化。
5.1.1 直流电桥
采用直流电源的电桥称为直流电桥，直流电桥其 桥臂只能为电阻，如图5.1所示。电阻R1、R2、R3、 R4作为四个桥，在a、c两端接入直流电源Ui，在b、d 两端输出电压Uo。
x(t) cos 2
f0t
1 2
X
f
f
f0
X(
f
)
f
f0
调幅使被测信号 x(t) 的频谱移至 f 幅值降低了一半。 o 调幅是为了便于缓变信号的放大和传送，而解调的
目的是为了恢复被调制的信号。如在电话电缆、有线 电视电缆中，由于不同的信号被调制到不同的频段， 因此，在一根导线中可以传输多路信号。为了减小放 大电路可能引起的失真，信号的频宽相对于中心频率 (载波频率 )应越小越好，实际载波频率常至少数倍甚 至数十倍于调制信号频率。
5.1.2 交流电桥
当输入电源为交流电源时，上述等式仍旧成立。这
时的电桥称为交流电桥，而当四个桥臂为电容或电感
时，则必须采用交流电桥。
把电容、电感写成矢量形式时，电桥平衡条件式
（5.2）可改写成为
Z1Z3 Z2Z4
写成复指数形式时有
Z1 Z1e j1
Z3 Z3e j3
2．电桥测量的误差及其补偿
误差主要是非线性误差和温度误差。由式(5.3) 知，当采用半桥单臂接法时， 输出电压近似正比 于 R0 R0 ，产生了非线性。减少非线性误差的办法是 采用半桥双臂和全桥接法，这时，不仅消除了非线 性误差，而且输出灵敏度也成倍提高。
电桥按其电源性质的不同可以分为直流电桥和交流 电桥。直流电桥只能用于测量电阻的变化，而交流电 桥可以用于测量电阻、电感和电容的变化。
5.1.1 直流电桥
采用直流电源的电桥称为直流电桥，直流电桥其 桥臂只能为电阻，如图5.1所示。电阻R1、R2、R3、 R4作为四个桥，在a、c两端接入直流电源Ui，在b、d 两端输出电压Uo。
x(t) cos 2
f0t
1 2
X
f
f
f0
X(
f
)
f
f0
调幅使被测信号 x(t) 的频谱移至 f 幅值降低了一半。 o 调幅是为了便于缓变信号的放大和传送，而解调的
目的是为了恢复被调制的信号。如在电话电缆、有线 电视电缆中，由于不同的信号被调制到不同的频段， 因此，在一根导线中可以传输多路信号。为了减小放 大电路可能引起的失真，信号的频宽相对于中心频率 (载波频率 )应越小越好，实际载波频率常至少数倍甚 至数十倍于调制信号频率。
5.1.2 交流电桥
当输入电源为交流电源时，上述等式仍旧成立。这
时的电桥称为交流电桥，而当四个桥臂为电容或电感
时，则必须采用交流电桥。
把电容、电感写成矢量形式时，电桥平衡条件式
（5.2）可改写成为
Z1Z3 Z2Z4
写成复指数形式时有
Z1 Z1e j1
Z3 Z3e j3
2．电桥测量的误差及其补偿
误差主要是非线性误差和温度误差。由式(5.3) 知，当采用半桥单臂接法时， 输出电压近似正比 于 R0 R0 ，产生了非线性。减少非线性误差的办法是 采用半桥双臂和全桥接法，这时，不仅消除了非线 性误差，而且输出灵敏度也成倍提高。
CH5信号调理处理和记录
一般DR很小，即DR<<R，又由于电桥开始时平衡，即
R1R3 R2R4
所以
u o (R 1 R 1 R R 2 2 )2(D R R 1 1 D R R 2 2 D R R 3 3 D R R 4 4)u i
电 桥(6/19)
实际使用中，为了简化桥路设计，同时也为了得到电桥的最 大灵敏度，往往取桥臂电阻相等，即
2019/9/17
调制与解调(3/26)
(a)
• 单击此处编辑母版文本样式 (b) – 第二级
• 第三级
– 第四级
» 第五级
(c)
(d)
载波、调制信号及调幅、调频波图 2019/9/17 (a) 载波信号 (b) 调制信号 (c) 调幅波形 (d) 调频波形
调制与解调(4/26)
1.幅值调制与解调
2019/9/17
电 桥(16/19)
b
b
a
c uo
a
c uo
d
ui
(a) 电容电桥
交流电桥图
1)电容电桥的平衡条件
1
1
(R1jC1)R3(R4jC2)R2
2019/9/17
d
ui
(b) 电感电桥
R
1
R
3
R2R4
R3 C 1
R2 C2
2)电感电桥的平衡条件
(R 1 j L 1 )R 3 (R 4 j L 2 )R 2
当供桥电源有多个频率成分时，得不到平衡条件，也即电 桥是不平衡的。 因此，交流电桥对供桥电源要求具有良好的电压波形和频 率稳定性。
采用交流电桥时，还要注意影响测量误差的一些参数，如： 电桥中元件之间的互感影响； 无感电阻的残余电抗； 邻近交流电路对电桥的感应作用； 泄漏电阻以及元件之间、元件与地之间的分布电容等。
R1R3 R2R4
所以
u o (R 1 R 1 R R 2 2 )2(D R R 1 1 D R R 2 2 D R R 3 3 D R R 4 4)u i
电 桥(6/19)
实际使用中，为了简化桥路设计，同时也为了得到电桥的最 大灵敏度，往往取桥臂电阻相等，即
2019/9/17
调制与解调(3/26)
(a)
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– 第四级
» 第五级
(c)
(d)
载波、调制信号及调幅、调频波图 2019/9/17 (a) 载波信号 (b) 调制信号 (c) 调幅波形 (d) 调频波形
调制与解调(4/26)
1.幅值调制与解调
2019/9/17
电 桥(16/19)
b
b
a
c uo
a
c uo
d
ui
(a) 电容电桥
交流电桥图
1)电容电桥的平衡条件
1
1
(R1jC1)R3(R4jC2)R2
2019/9/17
d
ui
(b) 电感电桥
R
1
R
3
R2R4
R3 C 1
R2 C2
2)电感电桥的平衡条件
(R 1 j L 1 )R 3 (R 4 j L 2 )R 2
当供桥电源有多个频率成分时，得不到平衡条件，也即电 桥是不平衡的。 因此，交流电桥对供桥电源要求具有良好的电压波形和频 率稳定性。
采用交流电桥时，还要注意影响测量误差的一些参数，如： 电桥中元件之间的互感影响； 无感电阻的残余电抗； 邻近交流电路对电桥的感应作用； 泄漏电阻以及元件之间、元件与地之间的分布电容等。
信号的调理与显示记录PPT课件
到显示、记录或分析仪器中去。其主要原因是大 多数传感器输出的电信号很微弱，需要进一步放 大，有的还要进行阻抗变换；有些传感器输出的 是电参量，要转换为电能量；输出信号中混杂有 干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比；若测试 工作仅对部分频段的信号感兴趣，则有必要从输 出信号中分离出所需的频率成分；因此，传感器 的输出信号要经过适当的调理，使之与后续测试 环节相适应。常用的信号调理环节有：电桥、放 大器、滤波器、调制器与解调器等。
R1,R2,R3,R4作为四个 桥臂，在a、c两端接入 直流电源ue，在b、d两
端输出电压uo。
工作原理：利用四个 桥臂中的一个或数个的 阻值变化而引起电桥输 出电压的变化 。
1. 直流电桥平衡条件：
I1
u0 R1 R2
;
I2
u0 R3 R4
U ab
I1R1
R1 R1 R2
u0
U ad
I 2 R4
2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰 噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。或者提取 感兴趣的频率成分。
3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要 对传感器测量信进行调制解调处理。
被测量经传感器之后的输出信号一般具有以下特点：
信号比较微弱； 为非电压信号； 携带噪声信号等。
因此，还需进一步调理、放大、滤波等加工处理。
U0
(2R
R(R1 R2 R3 R1 R2 )(2R
R4 ) R3 R4 )
当
时可以得到：
组桥时，应变片的灵敏系数K必须一致，上式又可写成
结论：
➢ 电桥输出电压和各桥臂电阻变化量的代数和成正比，所以电桥 输出电压可以反映被测量引起的电阻值的变化量。如果桥臂电 阻变化由电阻应变片阻值的变化产生，则电桥的输出电压和应 变成线性关系：
R1,R2,R3,R4作为四个 桥臂，在a、c两端接入 直流电源ue，在b、d两
端输出电压uo。
工作原理：利用四个 桥臂中的一个或数个的 阻值变化而引起电桥输 出电压的变化 。
1. 直流电桥平衡条件：
I1
u0 R1 R2
;
I2
u0 R3 R4
U ab
I1R1
R1 R1 R2
u0
U ad
I 2 R4
2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰 噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。或者提取 感兴趣的频率成分。
3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要 对传感器测量信进行调制解调处理。
被测量经传感器之后的输出信号一般具有以下特点：
信号比较微弱； 为非电压信号； 携带噪声信号等。
因此，还需进一步调理、放大、滤波等加工处理。
U0
(2R
R(R1 R2 R3 R1 R2 )(2R
R4 ) R3 R4 )
当
时可以得到：
组桥时，应变片的灵敏系数K必须一致，上式又可写成
结论：
➢ 电桥输出电压和各桥臂电阻变化量的代数和成正比，所以电桥 输出电压可以反映被测量引起的电阻值的变化量。如果桥臂电 阻变化由电阻应变片阻值的变化产生，则电桥的输出电压和应 变成线性关系：
5 信号的调理与记录2_2
(1) 恒带宽比滤波器
品质因素Q=fn/B。采用相同Q值的调谐滤波器 构成邻接式滤波器。中心频率越大，带宽B越大， 频率分辨率越低。 若带通滤波器的低端截止频率为 fc1 ，高端截 止频率为fc2，有
f c 2 2 f c1
n
式中 n为倍频程数。 若 n=1 ，则称为倍频程滤波器；若 n=1/3 ， 则称为1/3倍频程滤波器。
理想低通滤波器的单位阶跃响应函数
y (t ) h(t ) * x(t ) u( ) h(t ) d
建立时间 —— 阶跃响应从零值 (a) 到稳定值 (b) 的 时间。
理想低通滤波器的单位阶跃响应函数
建立时间
0.61 Te tb ta fc 式中 fc——截止频率，通频带。 低通滤波器对阶跃响应的建立时间与带宽 B成反 比，即
笔式记录仪
d BnAi k I 2 dt
2
电磁力矩 其中
弹簧力矩 惯性力矩 d ei nAB ei eb dt i Ri RL Ri RL
2 2
于是，有：
I d (nAB) d nAB ei 2 k dt k ( Ri RL ) dt k ( Ri RL )
fn Q B
纹波幅度d 实际滤波器在通频带的纹波变化。与 幅频特性的稳定值A0相比越小越好，一般应远小 于3dB。
倍频程选择性 频率变化一个倍频程的衰减量。 滤波器因数λ －60dB带宽与－3dB带宽之比，即
B60dB B3dB 理想滤波器，λ=1，一般要求1<λ<5。
如果带阻衰减量达不到 60dB ，则以标明增益的 带宽（例如 B－ 40dB ）与－3dB带宽之比表示选择 性。
虽然无源滤波器可由阻抗、电容和电感构成， 但是，用于仪器时，有源滤波器有明显的优点。 常见的有源滤波器以运算放大器为基础。 产生一阶巴特沃斯响应的滤波器电路是反向放 大器的改进。 电路的频率响应特性是从低频到截止频率 fc 的
《汽车测试基础》5信号调理、处理与记录显示
或者说带宽和建立时间的乘积是常数，即
BTe 常数
上页 目录
三、实际RC调谐式滤波器
（一）基本参数
A(f)
d
1、纹波幅度d d A0 / 2
A0
.
d
2、截止频率
A0 2
幅频特性值 等于A0 / 2 所对应的频率。
3、带宽B和品质因数Q值
0
fc1
fc2 f
上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽。
态，此时指示仪表G及可调电位器H
H
指零。
R1
R5
R2
当某一桥臂随被测量变化时，电桥失
G
去平衡，调节电位器H，改变电阻R5
触电位置，可使电桥重新平衡，电表 R4
R3
G指针回零。
电位器H上的标度与桥臂电阻值的变
U0
化成比例，故H的指示值可以直接表
达被测量的数值。
上页 目录
二、交流电桥
交流电桥采用交流激励电压。电桥的四个臂可为电感、电容或 电阻。
ZL
ZR
L
C
R
r
上页 目录
第二节 调制与解调
调制：使一个信号的某些参数在另一信号的控制下发生变化
的过程。前一信号称为载波，后一信号（控制信号）称为调 制信号。最后的输出是已调制波。
解调：最终从已调制波中恢复出调制信号的过程。
根据载波受调制的参数不同，调制可分为 调幅（AM）
调频（FM）
调相（PM）
C1
uf L1
C2 L2
ua C
R uc
频率-电压线性 变换部分
幅值检波部分
随着测量参数的变化，幅值 ua 随调频波频率近似线性变化，
调频波 u f 的频率和测量参数保持近似线性关系。
BTe 常数
上页 目录
三、实际RC调谐式滤波器
（一）基本参数
A(f)
d
1、纹波幅度d d A0 / 2
A0
.
d
2、截止频率
A0 2
幅频特性值 等于A0 / 2 所对应的频率。
3、带宽B和品质因数Q值
0
fc1
fc2 f
上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽。
态，此时指示仪表G及可调电位器H
H
指零。
R1
R5
R2
当某一桥臂随被测量变化时，电桥失
G
去平衡，调节电位器H，改变电阻R5
触电位置，可使电桥重新平衡，电表 R4
R3
G指针回零。
电位器H上的标度与桥臂电阻值的变
U0
化成比例，故H的指示值可以直接表
达被测量的数值。
上页 目录
二、交流电桥
交流电桥采用交流激励电压。电桥的四个臂可为电感、电容或 电阻。
ZL
ZR
L
C
R
r
上页 目录
第二节 调制与解调
调制：使一个信号的某些参数在另一信号的控制下发生变化
的过程。前一信号称为载波，后一信号（控制信号）称为调 制信号。最后的输出是已调制波。
解调：最终从已调制波中恢复出调制信号的过程。
根据载波受调制的参数不同，调制可分为 调幅（AM）
调频（FM）
调相（PM）
C1
uf L1
C2 L2
ua C
R uc
频率-电压线性 变换部分
幅值检波部分
随着测量参数的变化，幅值 ua 随调频波频率近似线性变化，
调频波 u f 的频率和测量参数保持近似线性关系。
第5章 信号的调理与记录
第5章信号的调理与记录学习目标学习难点内容概述相关链接信号调理的目的：1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。
2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。
3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量信进行调制解调处理。
模拟信号的变换与处理是直接对连续时间信号进行分析处理的过程，是利用一定的数学模型所组成的运算网络来实现的。
从广义讲，它包括了调制、滤波、放大、微积分、乘方、开方、除法运算等。
模拟信号分析的目的是便于信号的传输与处理，例如，信号调制后的放大与远距离传输；利用信号滤波实现剔除噪声与频率分析；对信号的运算估值，以获取特征参数等。
尽管数字信号分析技术已经获得了很大发展，但模拟信号分析仍然是不可少的，即使在数字信号分析系统中，也要加入模拟分析设备。
例如，对连续时间信号进行数字分析之前的抗频混滤波，信号处理以后的模拟显示记录等。
传感器输出的电信号，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去。
其主要原因是大多数传感器输出的电信号很微弱，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换；有些传感器输出的是电参量，要转换为电能量；输出信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比；若测试工作仅对部分频段的信号感兴趣，则有必要从输出信号中分离出所需的频率成分；当采用数字式仪器、仪表和计算机时，模拟输出信号还要转换为数字信号等。
因此，传感器的输出信号要经过适当的调理，使之与后续测试环节相适应。
常用的信号调理环节有：电桥、放大器、滤波器、调制器与解调器等。
尽管各类放大器的知识在有关电子电路课程中已有详细介绍，但由于信号放大是信号调理的最基本内容，因此在本章中仍对放大电路作一个简要的回顾。
本章主要介绍放大、滤波、调制与解调等常用模拟信号调理方法的基本知识。
5.1 电桥量转换为电路或磁路参数的变化后，如图5.1所示。
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d + f + B +
电压: 从负正, 为(+)正; 负载从上 下为(+) 正
uf (t ) uf 1 (t ) uf 2 (t ) xm (t )
y(t) 回路i1起点 (a) xm(t)>0， y(t) >0 回路i2起点 0~t1时间内, x(t)>0，xm(t)与y(t)同相
而 Z3 R3 , Z4 R4
Ui
由交流电桥平衡条件 Z1Z 4 Z 2 Z 3得 1 jC1 R1 R4 ＝ 1 jC2 R2 R3
R3 R4 jC1R3＝ jC2 R4 R1 R2
令实部和虚部分别相等，得平衡条件为： R1 R4 R2 R3 , C1R3＝C2 R4
周边交流电路对电桥的感应作用；
泄漏电阻以及元件之间、元件与地之间的分布电容等。
5.2 信号的放大与隔离
分立元件放大电路
集成运算放大器
反相放大器
同相放大器
测量放大器（仪表放大器）
• 单片集成测量放大器 • 通常只需外接RG用于设定增益，外接原件少，使用灵活， 能够处理几微伏到几伏的电压信号
fm fc
2 f0
截止频率
同步解调
2) 整流检波法/包络分析法
把调制信号进行偏臵，叠加一个 直流分量，使其大于零。
调幅波的包络线具有调制信号 的形状。 将调制波进行整流（半波或全 波）、滤波，并减去直流偏臵即 可恢复原调制信号。
(a)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
x(t)
x(t)
A 0 xm(t) A 0 t xm(t) t
对应于信号的幅值、频率、相位三个要素，调制
可以分为调幅 (AM) 、调频 (FM) 、调相 (PM) ，其
波形分别称为调幅波、调频波、调相波。
载波信号
(a)
调制信号
(b)
调幅波形
(c)
调频波形
(d)
1.调幅及其解调 (1)调幅的工作原理 将载波信号与调制信号相乘，使载波信号的幅值随测试 信号的变化而变化。 设调制信号为 x(t ) ，其最高频率成分为 f m ，载波信号 为 cos 2f 0t， f 0 f m ，则调幅波为：
导纳
电导 感纳 电纳 容纳
b
b
a
c
uo
a
c
uo
d
ui
d
ui
(a) 电容电桥
(b) 电感电桥
电容电桥的平衡条件
1 1 ( R1 ) R3 ( R4 ) R2 j C1 j C2
R1 R3 R2 R4 R2 R3 C C 2 1
电感电桥的平衡条件
( R1 j L1 ) R3 ( R4 j L2 ) R2
信号传输过程中容易受到工频及其它信号的干扰，若 采用放大则在传输过程中必须采用一定措施抑制干扰
信号的影响。
实际中往往采用更有效的先调制后交流放大，将信号从 低频区推移到高频区，可以提高电路的抗干扰能力和信 号的信噪比。
高频简谐信号
测试信号
调制就是使载波信号的某些参数在控制信号(调制 信号)的控制下发生变化的过程。
0
t
0
t
(a) 偏置电压足够大
(b) 偏置电压不足
调制信号加偏置的调幅波
3) 相敏检波法
A D2 xm( t) e c D3 xm( t) 0 x( t) 0 t1 t2 t t y( t) 0 f
b
g D1 D4 a C Rf
uf
d B
y( t) u f ( t) t 0 t
二极管相敏检波电路
变压器B的二次线圈的输出大于A的二次线圈的输出。
A + xm(t) 回路i1： e+ + D2 c D3
b
D1 D4 a
g C
uf Rf
+
+
i2 i1
y (t ) xm (t ) uf 1 (t ) 2 2
f2
回路i2： u
(t )
Hale Waihona Puke y (t ) xm (t ) 2 2
一般R很小（R<<R），又由于电桥开始时平衡，即
R1R3 R2 R4
R1R2 R1 R2 R3 R4 ( )ui 所以 uo 2 ( R1 R2 ) R1 R2 R3 R4
实际使用中，为了简化桥路设计，同时也为了得到电桥的最 大灵敏度，往往取桥臂电阻相等（等臂电桥），即
由傅里叶变换的卷积性质
而 则
cos 2f 0t
1 x(t ) cos 2f 0t [ x(t )e j2 f 0t x(t )e j2f 0t ] 2
x(t ) y(t ) X ( f ) * Y ( f )
1 [( f f 0 ) ( f f 0 )] 2 1 x(t ) cos 2f 0t [ X ( f ) * ( f f 0 ) X ( f ) * ( f f 0 )] 2
• 有些传感器输出的电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声， 提高信噪比。 • 某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量信 号进行调制解调处理。
5.1 电 桥
将传感器输出的电阻、电感、电容等电参量的变化转换为 电压或电流的一种测量电路。
只能测量电阻的变化
分类:
按照激励电源的性质，分为直流电桥和交流电桥。 可以测量电阻、电感 和电容的变化
R1 R3 R2 R4 L1 R3 L2 R2
Z C1
1 j jC1 C1
C1
C2
R1 R3
R2 R4
Uo
R1 j Z C1 R1 1 C1 Z1 j 1 Z C1 R1 R1 jC1 C1 R1 同理 Z 2 1 1 jC2 R2
uf 1 (t )
b e+ + D2 c D3 d
D1 D4 a
g C
uf Rf
i2
i1
y (t ) xm (t ) 2 2
y (t ) xm (t ) 2 2
+
f + B +
uf 2 (t )
R1 R2 R3 R4 R0
若 R1 R2 R3 R4 R0
半桥单臂接法:
R0 uo ui 4 R0
R0 R0
半桥双臂接法:
R0 uo ui 2 R0
R0 uo ui R0
R1 R1 R1 , R2 R2 R2
f
调幅的目的是为了便于缓变信号的放大和传送。 在电话电缆、有线电视电缆中，由于不同的信号被调 制到不同的频段，因此在一根导线中可以传输多路信 号。〔频分复用〕
为了减小放大电路可能引起的失真，载波中心频率f0应 远大于调制信号的频宽2fm，实际载波中心频率要至少 数倍甚至数十倍于调制信号频率。
(2)调幅信号的解调
交流电桥需要两只平衡旋钮，一只调整阻抗模，一只调整
交流电桥有不同的组合，常用的有电容电桥、电感电桥， 其相邻两臂接入电阻，而另外两臂接入相同性质的阻抗 （都是电容或都是电感）。
阻抗
电阻 感抗 电抗 容抗 取倒数
阻抗 Z R jX 电抗 X X L X C 感抗 X L = L 1 容抗 X C C Z R jX j R j L C 1 R j L jC
目的是为了恢复被调制的信号。
1）同步解调
xm(t) 调幅波
乘法器 载波y(t) Xm(f) 1/2
低通滤波
x (t )
1/2
f
1/2
0
0 Y(f)
f0 1/2 f0 1/2 低通 1/4
f
调幅波
f
0
0
f
载波
Xm(f) Y(f) 1/4
调幅波与载波 时域乘积，频 域卷积
2 f 0
f c f m 0
j i
Z1Z3e
j(1 3 )
Z 2 Z 4e
j( 2 4 )
Z1Z3e j(1 3 ) Z2 Z4e j(2 4 )
交流电桥平衡条件为
Z 1 Z 3 Z 2 Z 4 1 3 2 4
阻抗角。
相对两臂阻抗模乘积相等， 阻抗角之和相等。
(3) 电桥的灵敏度
uo SB R0 R0
桥臂电阻单位相对变化量引起 的输出电压变化量。
电桥开始处于平衡状态，当各桥臂电阻发生微小变化时电桥失 去平衡，其输出为
( R1 R1 )(R3 R3 ) ( R2 R2 )(R4 R4 ) uo ui ( R1 R1 R2 R2 )(R3 R3 R4 R4 )
隔离放大器：输入、输出、电源电路之间没有直接的电路耦合， 即信号在传输过程中没有公共的接地端。
三端隔离放大器AD210
5.3 调制与解调
传感器输出的电信号一般为较低频率分量 ( 在直流至几
十 kHz 之间 ) ，当被测信号比较弱时，为了实现信号的
传输尤其是远距离传输，可以采用放大或调制与解调。
全桥接法：
R1 R1 R1 , R2 R2 R2， R3 R3 R3 , R4 R4 R4
电桥灵敏度： 半桥单臂接法:
uo SB R0 R0
ui SB 4 ui SB 2
半桥双臂接法: 全桥接法：
SB ui
则三种接法的灵敏度比为 1∶2∶4
(2)交流电桥的特点
交流电桥的电源应严格为单一频率正弦波
交流电桥的平衡条件针对电源只有一个频率的情况下推出的。 当电源有多个频率成分时，得不到平衡条件。 交流电桥要求电源具有良好的电压波形和频率稳定性。