4.信号调理、处理和记录pp-修改稿1

4-8
19
l 例1.现有四个电路元件：电阻R , R 电感L和电容C，拟接
1 2
成四臂交流电桥，试画出能满足电桥平衡的正确接桥方法， 并写出该电桥的平衡条件。（设电桥激励为
出为
）
R1 R2 jL jC C
21
电阻交流电桥的分布电容
对于纯电阻交流电桥，既 使各桥臂均为电阻，但由于导 线之间存在分布电容，相当于 在各桥臂上并联了一个电容， 如图4-9所示。 l 为此，除了有电阻平衡外， 还需要有电容平衡。
38
3. 相敏检波
l 相敏检波技术可以解决这一问题。特点:可以鉴别调制信 号的极性，所以采用相敏检波时，对调制信号不必再加 直流偏置。相敏检波利用交变信号在过零位时正、负极
性发生突变，使调幅波的相位（与载波比较）也相应地
产生180°的相位跳变，这样便既能反映出原调制信号 的幅值，又能反映其极性。 l 相敏检波的原理如图4-17所示。
例如，广播电台把声频信号移频至各自分配的高频、超高
频频段上，既便于放大和传递，也可避免各电台之间的干
扰。
33
（4-22） 4-14
结果是使原信号的频谱图形平移到0和±2f0的频率处。
34
4-14
35
注意：同步解调要求有性能良好的线性乘法器件， 否则将引起信号失真。
36
2. 整流检波 l 同步解调需要性能 良好的线性乘法器 否则引起失真。 l 如果把调制信号 （测试信号）进行 偏置，叠加一个直 流分量 A ，使偏置 后的信号都具有正 电压，那么调幅波 的包络线将具有原 调制信号的形状， 如图4-15所示。
幅值调制时称为调幅波；
频率调制时称为调频波。
26
l 所谓调制，就是在调 制信号（测试信号） 的控制下，使载波信 号（工作信号）的某 些参数（如幅值、频 率、相位）发生变化 的过程。举例：如图 4-12所示。 l 所谓解调，就是从已 调制波中恢复出调制 信号的过程。
4-12
27
调制处理的分类
28
4.2.1 调幅及其解调
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.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。
25
调制解调中使用的信号名称
① 调制信号，就是测试信号，也叫原信号，一般为低频缓 变信号； ② 载波信号，也叫工作信号，一般为高频简谐信号； ③ 调制波，就是已调制的信号，
3
4.1 电桥
概述
电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化，转换 为电压或电流输出的一种测量电路，由于桥式测量电 路简单可靠，而且具有很高的精度和灵敏度，因此在 测量装置中被广泛采用 。 其输出，既可直接驱动指示仪表，也可送入放 大器放大。
电桥按其所采用的激励电源的类型可分为直流电 桥和交流电桥；按其工作原理可分为偏值法和归零法 两种，其中偏值法的应用更为广泛。
4-15
该调幅波 xm (t ) 经整流后，减去 所叠加的直流偏置电压，再滤波， 就可以恢复原调制信号。
37
补充
l
将一段时间长度的高频信号的峰值点连线，就可以得到上 方（正的）一条线和下方（负的）一条线，这两条线就叫包 络线。包络线就是反映高频信号幅度变化的曲线。对于等幅 高频信号，这两条包络线就是平行线。 l 当用一个低频信号对一个高频信号进行幅度调制（即调幅） 时，低频信号就成了高频信号的包络线。这样的信号称为调 幅信号。 l 从调幅信号中将低频信号解调出来的过程，就叫做包络检 波。 l 上述方法的关键是准确地加、减偏置电压。若所加的偏置 电压未能使信号电压都位于零位的同一侧，那么对调幅之后 的波形只进行简单的整流便不能恢复原调制信号，而会造成 很大的失真（见图4-16）。在这种情况下，采用相敏检波技 术可以解决这一问题。
4-9
22
l 一种用于动态应变仪 的电阻电容电桥，如 图4-10所示。具有电 阻、电容平衡调节环 节。（P132） l 调整差动可变电容， 可实现分布电容的平 衡。
4-10
23
l 交流电桥的供桥电源
交流电桥的供桥电源，必须具有良好的电压波形与频 率稳定度。如果电源电压发生奇变，即包含有高次谐波， 对基波而言，电桥达到平衡；而对高次谐波，电桥未必能 平衡；因而，输出电压也将包含高次谐波。 采用(5～10)kHz的音频交流电源，作为供桥电源，电 桥输出将成为调制波。 优点：有利于抑制外界工频干扰，后接交流放大电路简单 而无零漂。 工频：指工业上用的交流电源的频率，单位赫兹（HZ）
（4-15）
（4-16）
③ 可见，要使电桥达到平衡，必须同时调节电阻 与电容两个参数。即调节电阻达到电阻平衡；调 节电容达到电容平衡。
18
l 一种常用的电感电桥， 如图4-8所示。 ① 两相邻桥臂的电感 与电阻分别为： L1, L4， R2, R3 ② 根据式（4 12）的平衡条件，
R 1R 3 R 2 R 4 有： ， L1R 3 R 2 L 4 （4 17）
15
上式表明：交流电桥平衡，必须满足两个条件，即： ① 相对两臂阻抗之模的乘积相等； ② 它们的阻抗角之和也必须相等。
Z 01，Z 02，Z03，Z04 ， 为各阻抗的模；
1，2，3，4 ， 为阻抗角， 是各桥臂电流电压之间的相位差；
0, 纯电阻性 阻抗角 ： 0, 电感性阻抗 0, 电容性阻抗
第四章
信号的调理与记录
本章主要讲述内容 4.1 电桥 4.2 调制与解调 4.3 滤波器
2
4.0 概述
便于信号的传输与处理。 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。
39
下面给出典型的二极管相敏检波电路及其输入 输出关系图。它由四个特性相同的二极管VD1～ VD4沿同一方向串联成一个桥式回路，桥臂上有附 加电阻，用于桥路平衡。四个端点分别接在变压器 T1和T2的次级线圈上，变压器T1的输入为调幅波 xm(t)，T2的输入信号为参考信号，该参考信号应与 载波y(t)的相位和频率相同，用作极性识别的标准， u0（t）为输出。二极管的导通与截止完全由T2的次 级的输出决定，因此要求T2的次级的输出大于T1的 次级输出。
16
l 一种常用的电容电桥，如图4-7所示。
4-7
17
② 根据（4 12）的平衡条件，
1 1 R R R 1 3 4 R2 jC1 jC4 即： R R R3 R R R2 1 3 4 2 j C jC4 1 令上式的实部和虚部分别相等，得如下两个平衡条件， R 1R 3 R 2 R 4 即： R 3 R 2 C C 1 4
1. 调幅与同步解调
l 调幅的目的，使缓慢变化的测试信号便于放大 和传输。 l 解调的目的，恢复原来的测试信号。 l 调幅是将一个高频简谐信号（载波信号）与被 测信号（调制信号）相乘，使载波信号的幅值 随被测信号的变化而变化。
29
（4-18）
时域 x(t ) y (t ) 频域 X ( f ) Y ( f ) （4-19） 1 1 cos 2f 0 t ( f f 0 ) ( f f 0 ) （4-20） 2 2 1 1 x(t ) cos 2f 0 t X ( f ) ( f f 0 ) X ( f ) ( f f 0 ) （4-21） 2 2
8
根据式（4-1），此时输出电压为
可见，电桥的输出与与供桥电源 U 0 成正比，并且在 U 0 一 定的条件下，与工作桥臂的阻值变化量 R R 成正比。
0
9
（4-1）
10
（4-1）
从公式（4-5）（4-6）（4-7）可以看出，电桥的输出电压 与激励电压成正比，只是比例系数不同。现在定义电桥的灵 敏度为 U0 S （4-8）
由式（４-１１）可以看出：
（４-１１）
１）若相邻两桥臂电阻同向变化（即两电阻同时增大或同 时减小），所产生的输出电压的变化将相互抵消； ２）若相邻两桥臂电阻反向变化（即两电阻一个增大或一 个减小），所产生的输出电压的变化将相互叠加；
13
4.1.2 交流电桥
l 交流电桥，采用交流激励电源的电桥。
电桥的四个臂，可以为电感、电容或电阻，统称为阻抗。
l 采用交流电桥时，需要注意如下影响测量误差的 一些因素：
① ② ③ ④ 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； 泄露电阻、分布电容等
24
4.2 调制与解调
l 为什么要调制？
l 信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。
l
l
1.传感器输出的微弱电信号，需要放大或进行阻抗变 换，才能输送到显示、记录或分析仪器中去。
72441动圈式磁电指示机构动圈式磁电指示机构也叫达松瓦尔机构被用于许多指示和记录装置中其工作原理如图431所73第四章信号调理处理和记录74442光线示波器在光线示波器中达松瓦尔机构的转动部件已经变成振子
熊诗波、黄长艺 主编
机械工程测试技术基础
中北大学机电工程学院
2008年3月
1
机械工程测试技术基础，第三版
（4-1）
6
当被测量为某一初始值并未发生变化时希望电桥 输出为0,要使电桥平衡，输出电压为零，必须满足
R1 R3 R2 R4
（4-2）
根据电桥平衡条件（ 4-2 ），如果适当选择各桥 臂电阻，可使输出电压只与被测量引起的电阻变 化量有关。
7
2. 电桥连接形式 在测试技术中，一般根据工作中电阻值参与变化的桥臂数分 类。常见的电桥连接形式如图4-2所示。
30
如 ③ 图 调 幅 所 过 程 示 。
4-13
4-13
31
32
l 从图4-13可以看出，载波频率f0必须高于信号中的最高频
率fmax，这样才能使已调幅信号保持原信号的频谱图形而
不产生混叠现象。在实际应用中载波频率常常至少在调制 信号上限频率的十倍以上。
l 幅值调制的频移功能在工程技术上具有重要的使用价值。
R3 R 3 R 2 R 2 U0 U e R3 R 3 R 4 R 4 R1 R1 R 2 R 2 1 R 3 R 2 （4-10） ( )U e 2 R R
12
综合式（４-９）和式（４-１０），导出如下公式
1 R1 R 2 R 3 R 4 U0 ( )U e 4 R R R R
R
R0
11
对于图４-２c所示的电桥，当R1=R2=R3=R4=R，且
R1
R1，R 2
R 2，R 3
R 3，R 4
R4
由式（４-１）得
R1 R1 R4 R 4 U0 U e R1 R1 R2 R 2 R3 R 3 R4 R 4 1 R1 R 4 ( )U e （4-9） 2 R R
l 如果阻抗、电流及电压都用复数表示，则关于直流电 桥的平衡关系式，在交流电桥中也可适用。即，
(4-12)
(4-13)
(4-14)
14
l 在具有电阻、电感和电容的电路里，对交 流电所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗常用Z 表示。阻抗由电阻、感抗和容抗三者组成， 但不是三者简单相加。阻抗的单位是欧。 在直流电中，物体对电流阻碍的作用叫做 电阻，世界上所有的物质都有电阻，只是 电阻值的大小差异而已。
4
4.1.1 直流电桥
1. 直流电桥的基本形式如图4-1所示。
使用时，电桥四个桥臂中的一个 或多个是阻值随被测量变化的电阻传 感器元件。如 电阻应变片、电阻式 温度计、热敏元件。
5
1 I 1 R R U0 1 2 桥路电流： ； I 1 U 2 0 R R 3 4 （4-1） R1 U ab I1 R1 R R U 0 1 2 桥路电压： U I R R4 U ad 2 4 0 R R （4-2） 3 4 R1 R4 输出电压： U y U ab U ad U 0 R1 R2 R3 R4 R1 R3 R2 R4 U0 ( R1 R2 )( R3 R4 )