第五讲 信号的调理与记录
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信号的调理与记录
第四章电桥信号的调理与记录调制与解调 滤波器 信号的放大 测试信号的显示与记录信号调节器一.信号调节器的功能 对传感器输出的原始信号或系统中某一 环节的输出信号进行再加工，以满足下一 环节输入要求的需要。
信号调理原理信号调理的的目的是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。
信号调节器二. 信号调节器的种类1. 参量变换型：常用于参量型传感器，将电参量变换成电压和电流量。
被测量 参量型传感器 ΔR, ΔL, ΔC 电桥、谐振电路 ΔV, ΔI2. 阻抗变换、幅度调节被测量 发电型传感器 ΔU, ΔI 放大、衰减、阻抗匹配、变换 V, I3. 调制、解调被测量 传感器 调制 调制波 解调 放大、传送 输出信号调节器4. 品质调节：线性化处理—扩大测量范围，减少非线性失真； 滤 波—保持有用信号，消除干扰；倍频、细分—提高测量精度； 5. A/D、D/A转换：与计算机相联系。
4.1应变仪电桥的工作原理当传感器把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 源种类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。
当电桥输出端接入的仪表或放大器的输入阻抗足够大 时，可认为其负载阻抗为无穷大。
这时把电桥称为电压 桥； 当其输入阻抗与内电阻匹配时，满足最大功率传输条 件，这时电桥被称为功率桥或电流桥。
• 电阻传感器常用的测量电路为电桥电路. • 根据电源分为直流桥和交流桥. • 按输出信号分电压桥 和功率桥。
直流电桥的桥臂只能为电阻，如图 8.3-1直流电桥所示。
电阻R1、R2、 R3、R4作为四个桥臂，在A、C端 (称为输入端，电源端)接入直流电源 U0，在B、D端(称为输出端，测量端) 输出电压UBD。
信号的调理与记录
u0
VZ
该电路的精度和稳定性都很高，可作为基准电压。K=1， u0=6V
5.3 信号放大电路
练习2
u0
直接用三的公式得
- + +
RF
u-
u+
||
CF
R1
R2
ui
第五章、测试信号调理技术
信号的滤波 滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分． 低通 高通 带通 带阻
纹波幅度d ：一定额率范围内，实际滤波器的幅频特性可能呈波 纹变化。 波动幅度d与幅频特性平均值A0相比越小越好，一般应小于-3dB。
截止频率fc :幅频特性值等于0.707A0所对应的频率．
实际滤波器 理想滤波器是不存在的，在实际滤波器的幅频特性图中通带和阻带间应没有严格的界限,，存在一个过渡带。
_
+
+
ui
uo
4.差动放大器
根据虚短 u+ u－ 可得
+
R2
R1
R1
ui2
uo
R2
ui1
电路特点：输出与两输入的差值反相，性能稳定性稍差，输入阻抗低。
闭环增益K：
输入阻抗：
5.3 信号放大电路
5.3 信号放大电路
5.电压比较器
（1）电压比较器的作用 比较两输入信号大小，并以输出高、低电平来指示。电压波形的整形。因此又称为整形电路。 （2）电压比较器的特点 输入模拟量，输出数字量。实现模拟量与数字量间的转换。 （3）电压比较器工作原理 由uo=Av(u+－u－)可知，只要开环Av很大，则v+、v－间的微小差值，即可使运放输出工作在饱和状态。 因此，v+ > v- 时， Vo=Vomax（正饱和值） v+ < v- 时， Vo=Vomin （负饱和值） v+ = v- 时， 逻辑状态转换
VZ
该电路的精度和稳定性都很高，可作为基准电压。K=1， u0=6V
5.3 信号放大电路
练习2
u0
直接用三的公式得
- + +
RF
u-
u+
||
CF
R1
R2
ui
第五章、测试信号调理技术
信号的滤波 滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分． 低通 高通 带通 带阻
纹波幅度d ：一定额率范围内，实际滤波器的幅频特性可能呈波 纹变化。 波动幅度d与幅频特性平均值A0相比越小越好，一般应小于-3dB。
截止频率fc :幅频特性值等于0.707A0所对应的频率．
实际滤波器 理想滤波器是不存在的，在实际滤波器的幅频特性图中通带和阻带间应没有严格的界限,，存在一个过渡带。
_
+
+
ui
uo
4.差动放大器
根据虚短 u+ u－ 可得
+
R2
R1
R1
ui2
uo
R2
ui1
电路特点：输出与两输入的差值反相，性能稳定性稍差，输入阻抗低。
闭环增益K：
输入阻抗：
5.3 信号放大电路
5.3 信号放大电路
5.电压比较器
（1）电压比较器的作用 比较两输入信号大小，并以输出高、低电平来指示。电压波形的整形。因此又称为整形电路。 （2）电压比较器的特点 输入模拟量，输出数字量。实现模拟量与数字量间的转换。 （3）电压比较器工作原理 由uo=Av(u+－u－)可知，只要开环Av很大，则v+、v－间的微小差值，即可使运放输出工作在饱和状态。 因此，v+ > v- 时， Vo=Vomax（正饱和值） v+ < v- 时， Vo=Vomin （负饱和值） v+ = v- 时， 逻辑状态转换
测试技术5信号调理处理和记录教学材料
5.4 信号的指示和记录装置 (Indication and Record Equipments of Signal)
2020/8/6
返1回
电桥:
5.1 电 桥
(Bridge Circuit)
将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压或 电流输出的一种测量电路。
分类:
按照激励电压的性质，分为直流电桥和交流电桥；按 照输出方式，分为不平衡桥式电路和平衡桥式电路。
F
2020/8/6
F R1 R2 R1
轴向粘贴位置如何考虑？
电 桥(9/19) ey
ex
电 桥(10/19)
解:力F使悬臂梁产生纯弯曲变形，温度使梁产生拉伸变形
在 F 的 力 作 R 1 用 R 1 D R 1 ;下 R 2 R 2， D R 2
F 且DR1 DR2
在温度的 R 1 R 作 1DR 用 1 ； R 2 下 R 2 ， DR 2
2020/8/6
1. 直流电桥
b
R1 I1
a I2
R4 d
ui
2020/8/6
R2 c
R3
电 桥(2/19)
I1
ui R1 R2
uo
I2
ui R3
R4
电 桥(4/19)
b
R1 ±DR1
a
I1
I2
R2
c
R4
R3
d
R1 ±DR1
b R2 m DR2
R1 ±DR1
b R2 m DR2
uo a
I1
F 1 DR bh2E 6 R kl0
2.交流电桥
电 桥(14/19)
在已知输入电压及电阻的情况下，电桥可以通过输出电压 的变化测出电阻的变化值。当输入电源为交流电源时，上 述等式仍旧成立。
2020/8/6
返1回
电桥:
5.1 电 桥
(Bridge Circuit)
将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压或 电流输出的一种测量电路。
分类:
按照激励电压的性质，分为直流电桥和交流电桥；按 照输出方式，分为不平衡桥式电路和平衡桥式电路。
F
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F R1 R2 R1
轴向粘贴位置如何考虑？
电 桥(9/19) ey
ex
电 桥(10/19)
解:力F使悬臂梁产生纯弯曲变形，温度使梁产生拉伸变形
在 F 的 力 作 R 1 用 R 1 D R 1 ;下 R 2 R 2， D R 2
F 且DR1 DR2
在温度的 R 1 R 作 1DR 用 1 ； R 2 下 R 2 ， DR 2
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1. 直流电桥
b
R1 I1
a I2
R4 d
ui
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R2 c
R3
电 桥(2/19)
I1
ui R1 R2
uo
I2
ui R3
R4
电 桥(4/19)
b
R1 ±DR1
a
I1
I2
R2
c
R4
R3
d
R1 ±DR1
b R2 m DR2
R1 ±DR1
b R2 m DR2
uo a
I1
F 1 DR bh2E 6 R kl0
2.交流电桥
电 桥(14/19)
在已知输入电压及电阻的情况下，电桥可以通过输出电压 的变化测出电阻的变化值。当输入电源为交流电源时，上 述等式仍旧成立。
信号的调理与记录
案例：旋转机械扭距测量
测试技术与信号处理
调制与解调
案例：铁路机车调度 信号检测
调制频率 8.5Hz，绿灯 调制频率 23.5Hz，红灯
测试技术与信号处理
第四章 信号的调理与记录
第三节 滤波器
一、概述 滤波器是一种选频装置，可以使
信号中特定频率成分通过，而极大地 衰减其他频率成分。
测试技术与信号处理
调幅信号的解调方法： (1) 同步解调
上述调制方法，将信号 x(t) 直接与载波 z(t) 相乘。这种 调幅波具有极性变化，解调 时必须再乘与 z(t) 相位相同 的 z’(t) 方能复原出原信号， 故称同步解调。它要求有性 能良好的线性乘法器，否则 会引起信号失真。
调制与解调
测试技术与信号处理
(2) 包络检波（整流检波）
t
载波信号 z(t)A co s(2 ft)
z(t)
0
t
调制与解调
测试技术与信号处理
•调制类型
a) 幅值调制(AM) ← y(t)的幅值随x(t)变化而变化
y (t) x (t) [A c o s (2f t) ]
b) 频率调制(FM) ← y(t)的频率随x(t)变化而变化
y (t) A c o s (2[f0 x (t)]t)
f0
fc2
f
(1) 截止频率fc：0.707A0 所对应的频率。 (2) 带宽B：上下两截止频率之间的频率范围。
又(3)称纹-3波dB幅带度宽d：，通单带位中为幅Hz频。特带性宽值表的示起滤伏波变器化的值分。辨 能(4)力品，质即因滤子波Q器：分中离心信频号率中和相带邻宽频之率比成。分的能力。
滤波器
1) 足够的放大倍数； 2) 高输入阻抗，低输出阻抗； 3)高共模抑制能力; 4)低温漂、低噪声、低失调电压和电流。
测试技术与信号处理
调制与解调
案例：铁路机车调度 信号检测
调制频率 8.5Hz，绿灯 调制频率 23.5Hz，红灯
测试技术与信号处理
第四章 信号的调理与记录
第三节 滤波器
一、概述 滤波器是一种选频装置，可以使
信号中特定频率成分通过，而极大地 衰减其他频率成分。
测试技术与信号处理
调幅信号的解调方法： (1) 同步解调
上述调制方法，将信号 x(t) 直接与载波 z(t) 相乘。这种 调幅波具有极性变化，解调 时必须再乘与 z(t) 相位相同 的 z’(t) 方能复原出原信号， 故称同步解调。它要求有性 能良好的线性乘法器，否则 会引起信号失真。
调制与解调
测试技术与信号处理
(2) 包络检波（整流检波）
t
载波信号 z(t)A co s(2 ft)
z(t)
0
t
调制与解调
测试技术与信号处理
•调制类型
a) 幅值调制(AM) ← y(t)的幅值随x(t)变化而变化
y (t) x (t) [A c o s (2f t) ]
b) 频率调制(FM) ← y(t)的频率随x(t)变化而变化
y (t) A c o s (2[f0 x (t)]t)
f0
fc2
f
(1) 截止频率fc：0.707A0 所对应的频率。 (2) 带宽B：上下两截止频率之间的频率范围。
又(3)称纹-3波dB幅带度宽d：，通单带位中为幅Hz频。特带性宽值表的示起滤伏波变器化的值分。辨 能(4)力品，质即因滤子波Q器：分中离心信频号率中和相带邻宽频之率比成。分的能力。
滤波器
1) 足够的放大倍数； 2) 高输入阻抗，低输出阻抗； 3)高共模抑制能力; 4)低温漂、低噪声、低失调电压和电流。
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。
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
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。
第五章 信号调理与记录2019合
调制
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。
解调 从已调波中恢复原始缓变信号。
调制分类：
幅值调制：被控制的量是高频 振荡信号的幅值，称为调幅 (AM)；
U
0
1 2
R3 R0
R2 R0
U
0
推出：U y
1 4
R1 R0
－ R2 R0
R3 R0
R4 R0
U
0
和差特性内容： 相邻两桥臂电阻同向变化，所产生的输出
电压将相互抵消； 相邻两桥臂电阻反向变化，所产生的输出
电压将相互迭加。
例：以下三种形式怎么接桥？
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
5.1.1 直流电桥
●平衡条件
R1
R4 R1R3 R2 R4
● 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。
第二节 调制和解调
5.2.1 幅值调制及解调 *5.2.2 频率调制与解调
调制的目的： 实现缓变信号的传输，特别是远距离传输 提高信号传输中的抗干扰能力和信噪比。
Uy
( R1 R R1 R R2
《汽车测试基础》5信号调理、处理与记录显示.pptx
1f
2
f0
1f
2
f0
一个函数与单位脉冲函数卷积的结果，就是将其图形由坐标原
点平移至该脉冲函数处。
上页
目录
若以高频余弦信号作载波，把信号x(t)和载波信号相乘， 其结果就相当于把原信号的频谱图形由原点平移至载 波频率 f0处，幅值减半。
即，
xtcos 2f0t
1 2
Xf
* f
f0
1 2
Xf
* f
侧，则对调幅波简单地整流不能恢复原调制信号。相
敏检波技术可解决此问题。
上页
目录
3、相敏检波
.A
4
c
D3
D4
C
uf
Rf
xm (t )
.3
5
1
D2
2 D1
d.
.B y(t)
上页 目录
工作原理： 调幅波与载波y(t)同相 （ 原信号x(t)为正） 调幅波与载波y(t)异相 （原信号x(t)为负）
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。
时的载波信号具有相同的频率和相位。
上页 目录
（2）偏置解调
把调制信号进行偏置，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。把该调幅波简单地整流、滤 波就可恢复原调制信号。
第五讲 信号的调理与记录
R1 R2 R3 R4 R0
R1 R1 a R R R R 1 1 2 2 U 0 Uy R4 R1 R R R R 3 3 4 4 R U0 R0
R
2
R
1
I1 I2
第五讲 信号调理与记录
电桥
信号的放大与隔离 调制与解调 滤波器
第一节 概述
传感器的输出信号有两种形式：一种是电信号，如电压、 电流或电荷量等 ；另一种是电参数的变化，如电阻、电感和 中间变 被测 显示、记录 激励 传感器 电阻变化率只有 级，电压往 换装置 对象 电容等。这些信号太微弱或不满足传输、记录和显示等要求， 装置 被测物 电量 尚需经过中间转换装置进行放大、滤波、调制解调等处理以 往只有μV级。
应变片测量金属材料的应变时，其
0.001
提高信噪比。完成这些功能的电路就是中间变换装置。 测试系统 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
理量
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。
第一节 概述
信号调理装置对于一个测试系统的性能优劣往往有至关重 要的影响。一些常见类型的传感器和它们各自所需的信号调 理方法。
本课程主要包括：电桥、放大与隔离、调制与解调、信号
的滤波。
第二节 电桥
电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压或电流输出的一种 测量电路。电桥由于具有测量电路简单可靠、较高的灵敏度、容易实现温 度补偿等优点，因此在测量装置中被广泛应用。
分类：
按激励电压的性质 ： 直流电桥(只能测量电阻变化)
交流电桥(能测量电阻、电感、电容的变化)
测试技术与信号处理5_信号的调理与记录_2015删减版 [兼容模式]
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18/54
测试技术与信号处理
第5章 信号的调理与记录
① 调幅
19/54
测试技术与信号处理
第5章 信号的调理与记录
② 解调
二极管检波
低通滤波
20/54
测试技术与信号处理
第5章 信号的调理与记录
•调幅波的波形失真 过调失真：对于包络检波，要求其直流偏置必须 足够大，否则 x(t) 的相位将发生180。 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滤波便不 能恢复原调制信号，而会造成很大失真 。
1 2
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测试技术与信号处理
幅度调制与解调过程（频谱分析） 制 x ( t) X( f ) z ( t) Z( f ) 乘法器 xm(t)
放大器 -f fz fz
第5章 信号的调理与记录
Xm( f ) Z( f )
乘法器
z ( t)
-2fz
低通滤波器 2fz
滤波器
x ( t)
X(f )
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第5章 信号的调理与记录
R2 Av R1
注意：①输入阻抗低，容易对传感器产生负载效应； 注 ①输 阻抗低，容易对传感器产 负载效应； ②反馈电阻R2 值不能太大，否则会产生较大的噪声 及漂移，一般为几十千欧至几百千欧；③ 及漂移， 般为几十千欧至几百千欧；③R1的取值应 远大于信号源ui 的内阻。
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测试技术与信号处理
第5章 信号的调理与记录
优点 抗干扰能力强 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。 要表现在振幅之中
测试技术与信号处理
第5章 信号的调理与记录
① 调幅
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测试技术与信号处理
第5章 信号的调理与记录
② 解调
二极管检波
低通滤波
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测试技术与信号处理
第5章 信号的调理与记录
•调幅波的波形失真 过调失真：对于包络检波，要求其直流偏置必须 足够大，否则 x(t) 的相位将发生180。 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滤波便不 能恢复原调制信号，而会造成很大失真 。
1 2
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测试技术与信号处理
幅度调制与解调过程（频谱分析） 制 x ( t) X( f ) z ( t) Z( f ) 乘法器 xm(t)
放大器 -f fz fz
第5章 信号的调理与记录
Xm( f ) Z( f )
乘法器
z ( t)
-2fz
低通滤波器 2fz
滤波器
x ( t)
X(f )
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第5章 信号的调理与记录
R2 Av R1
注意：①输入阻抗低，容易对传感器产生负载效应； 注 ①输 阻抗低，容易对传感器产 负载效应； ②反馈电阻R2 值不能太大，否则会产生较大的噪声 及漂移，一般为几十千欧至几百千欧；③ 及漂移， 般为几十千欧至几百千欧；③R1的取值应 远大于信号源ui 的内阻。
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测试技术与信号处理
第5章 信号的调理与记录
优点 抗干扰能力强 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。 要表现在振幅之中
信号的调理与显示记录精品PPT课件
2. 直流电桥的输出特性
考虑右图所示直流电桥 的输出特性，分析输出电 压和各桥臂应变之间的定 量关系。
U BD
U BA
U DA
U0 R1 R1 R2
U 0 R4 R3 R4
R1
R1R3 R2
R2R4
R3
R4
U0
设电桥四臂阻值相等R1=R２=R３=R４=R，且增量分别为ΔR1、 ΔR３、ΔR２ 、ΔR４，则电桥的输出为：
的电阻变同时为 拉应变或压应变，则输出电压为两者之差； 若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电 压为两者之和。若相对两桥臂应变的极性 一致，输出电压为两者之和；反之为两者 之差——电桥和差特性(加减特性)。
➢ 供桥电压越高，输出电压越大，所以提高供桥电压可以提高电 桥的灵敏度。但是当供桥电压增大时，通过应变片的电流也较 大，易引起蠕变和零漂。
Uy
R1 R R1 R2 R
R4 R3 R4
U0
设相邻桥臂的阻值相等，亦即：
R1=R2=R0,R3=R4=R0‘,又若R0=R0’,则
Uy
4
R0
R 2R
U
0
若ΔR<<R0,则
Uy
R 4R0
U0
（2）半桥双臂连接形式：工作时有两个桥臂电阻值随被测 量而变化，即： R1＋ΔR1， R2 ＋ΔR2，则由式（4-1） 可 证 明 ， 当 R1=R2=R0 ， ΔR1 ＝ － ΔR2 ＝ ΔR ，
定义：电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化转换为电压或电流 输出的一种测量电路。
特点：桥式电路简单可靠，精度和灵敏度很高，应用广泛。 分类：
根据其所采用的激励电源类型： 直流电桥 交流电桥
根据输出测量方式的不同： 不平衡电桥 平衡电桥
zl-第五章 信号调理、处理和记录精品PPT课件
cos 2ftc
x(t) (1
cos 4fct )
2
（2）包络检波和相敏检波
把调制信号进行偏置，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偏状置电。
压足够
大
偏置电压不够大
把该调幅波简单地整流、滤波就可恢复 原调制信号。如果原调制信号中有直流分量， 则在整流后应准确地减去所加的偏置电压。
可以推论，理想的高通、带通、带阻滤波器都 是不存在的。
三、实际RC调谐式滤波器
（一）基本参数
d A0 / 2
A0 / 2
1、纹波幅度d 波动幅f度0 d与幅频特性的平均值相比，越小越好，
一般应远小于-3dB，即
fc1 fc1 d/ 2 A0 / 2fc2 2 fc2
2、截止频率
3、带宽B和品质d 因 数A0 /Q值2 上下两截止频率之间的频率范围称 为滤波器带宽BA。0 / 2
3、平衡电桥
设被测量等于零时，电桥处于平衡状
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
触点位置，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。
恒带宽比滤波器的频率分辨力在低频段较好，在高频段则 甚差。
把调幅波再次与原载波信号相乘后，用一 个低通滤波器滤去高频成分，这样就可以得到 原始信号,但其幅值减小了一半，这一过程称为 同步解调。
“同步”指解调时所乘的信号与调制时的载 波信号具有相同的频率和相位。
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第二节 电桥
R2 C1 I1 Ui C2 R4 Ui
R1 L1 L2 R4 Ui I1 Ui I2 R3 R2
电容电桥
1 1 R1 R3 R4 R2 jC1 jC2
I2 R3
R1 R3 R4 R2 R3 R2 C C 1 2
第三节 调制与解调
相敏检波解调
相敏检波解调方法能够使已调幅的信号在幅值和极性上完整地恢复 成原调制信号。 相敏滤波器输出波形的包络 线即是所需要的信号。由于被 测信号的最高频率 1 1 (载波频率)，所以应在相敏检 波器的输出端再接一个适当频 带的低通滤波器，即可得到与 原信号波形一致的信号。
R1 R1 a R R R R 1 1 2 2 U 0 Uy R4 R1 R3 R3 R4 R4 R U0 R0
b
R± 1 Δ ± R2 Δ
R
2
R
1
I1 I2
± Δ R3 ± R4
c
Uy
R4 Δ
调频：用被测信号调制高频振荡信号的频率，使其频率随被测信号的
幅值而线性变化，其幅值不变。其频率的疏密是随被测信号幅值而发 生变化的一种变频波。
调相：用被测信号调制高频振荡信号的相位。 载波：信号调制过程中的高频振荡信号。
一般采用5kHz ～10kHz的音频振荡作为载波。
第三节 调制与解调
幅度调制
原理
U0
灵敏度
1 S U0 R / R0 4
Uy
第二节 电桥
（2）半桥双臂接法：相邻两桥臂为工作桥臂
R1 R2 R3 R4 R0 , R1 R2 R0
b
R
1±
R1 R1 R4 Uy U 0 R1 R1 R2 R2 R3 R4 R U0 2 R0
“同步”指解调时所乘的信号与调制时的载 波信号具有相同的频率和相位。 其时域：
1 1 x(t ) cos 2f 0t cos 2f 0t x(t ) x(t ) cos 4f 0t 2 2
第三节 调制与解调
整流检波解调
对调制信号进行偏置，使其大于零。 xm(t)=[A+x(t)]cos2πfzt 将该调幅波进行整流（半波或全波）、滤波并消除直流偏置即可恢复 原信号。又称包络分析法。
号进行传输、放大、处理等操作，它是使一个信号（载波信号）的某 些参数在另外一个信号（调制信号）的控制下发生变化的过程。
解调：将调制信号恢复为原信号的过程。
调制的3种方法：调幅、调频和调相。
调幅：调幅是将一个高频简谐信号（载波信号）与测试信号(调
制信号)相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化。
第三节 调制与解调
本课程主要包括：电桥、放大与隔离、调制与解调、信号
的滤波。
第二节 电桥
电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压或电流输出的一种 测量电路。电桥由于具有测量电路简单可靠、较高的灵敏度、容易实现温 度补偿等优点，因此在测量装置中被广泛应用。
分类：
按激励电压的性质 ： 直流电桥(只能测量电阻变化)
交流电桥(能测量电阻、电感、电容的变化)
应变片测量金属材料的应变时，其
0.001
提高信噪比。完成这些功能的电路就是中间变换装置。 测试系统 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
理量
入模拟析设备。例如，对连续时间信号进行数字分析之前 的抗频混滤波。
第一节 概述
信号调理装置对于一个测试系统的性能优劣往往有至关重 要的影响。一些常见类型的传感器和它们各自所需的信号调 理方法。
第三节 调制与解调
对于单臂电桥，其电压输出为：
1 dR uO u t 4 R
如供桥激励为
u t A cos 2 f 0t
载波频率
第三节调制与解调
同步解调
把调幅波xm(t)再次与载波z(t)信号相乘，则频域图形将再一次进行“搬移”。
1 1 1 F xm (t ) z (t ) X ( f ) X ( f )* ( f 2 f z ) X ( f )* ( f 2 f z ) 2 4 4
第五讲 信号调理与记录
电桥
信号的放大与隔离 调制与解调 滤波器
第一节 概述
传感器的输出信号有两种形式：一种是电信号，如电压、 电流或电荷量等 ；另一种是电参数的变化，如电阻、电感和 中间变 被测 显示、记录 激励 传感器 电阻变化率只有 级，电压往 换装置 对象 电容等。这些信号太微弱或不满足传输、记录和显示等要求， 装置 被测物 电量 尚需经过中间转换装置进行放大、滤波、调制解调等处理以 往只有μV级。
第二节 电桥
电桥的和差特性：
R1 R4 uy u0 R1 R2 R3 R4 如每一桥臂都为工作桥臂，对上式全微分有： u y u y u y u y du y dR1 dR2 dR3 dR4 R1 R2 R3 R4
对于全等臂电桥来说，上式可表示为：
电压
电压
0.5
的抗干扰能力得到很大的提高；同时，调频信号还便于远距离传输和采
-0.5 0 -1.0 用数字技术。由于调频信号的这些优点使得调频和解调技术在测试技术 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 t/ms 20 t/ms
0
0
1.0 0.5
f m f0 10 5
第三节 调制与解调
调幅应用——动态电阻应变仪
x(t)
第三节 调制与解调
频率调制
原理
调频就是用调制信号(缓变的被测信号)去控制载波信号的频率，使其
1.0
随调制信号的变化而变化。调频信号所携带的信息包含在频率变化之中， 1.0
0.5 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，使得信号
当采用全等臂电桥，即，
R
1±
R2
a
R4
I1 I2
R3
c
Uy
即
R1 R2 R3 R4 R0
Uy
则输出电压 因 R R0 ，所以
R U0 4 R0 2R
d
U y R 4 R0 U 0
可见，电桥的输出 U y 与激励电压 U 0 成正比，且在 R R0 条件下，与 R / R0 成正比。
同相放大器
差动放大器
第二节 信号的放大与隔离
为什么要隔离信号？
保证人身及设备的安全并降低 干扰的影响。
隔离方式主要有变压器耦合、电容耦合和光电耦合。
第三节 调制与解调
在测试技术中，调制是工程测试信号在传输过程中常用的一种调 理方法，主要是为了使微弱缓变信号的信道传输的问题。 基本概念
调制：将缓变的被测信号变为频率适当的交流信号的过程，以便对信
Δ
R
R
a
R4
I1 I2
R3
± R2 Δ
2
1
c
Uy
d
灵敏度
S
1 U0 R / R0 2
Uy
U0
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。
第二节 电桥
（3）全桥接法：四个桥臂均为工作臂 R1 R2 R3 R4 R0 R1 R2 R3 R4 R0
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。
一般采用音频电源(5kHz ～10kHz)作为电桥电源。这样，电桥的输出
将为调幅波。其后应接检波电路和低通滤波器才能恢复原信号。
第二节 信号的放大与隔离
为什么要放大信号？
传感输出的微弱电信号其幅值和功率 不能满足后续处理要求。 反相放大器
第二节 电桥
直流电桥的干扰
由上述可知，电桥输出为ΔR0/R0与供桥电压Ui的乘积。由于 ΔR0/R0是一个非常小的量，因此，电源电压不稳定所造成的
干扰是不可忽略的。为了抑制干扰，通常采用如下措施： (1) 电桥的信号引线采用屏蔽电缆。 (2) 屏蔽电缆的屏蔽金属网应该与电源至电桥的负接线端连接。 (3) 放大器应该具有高共模抑制比。
把各阻抗用指数式表示
Z1 Z4 U0
Z2 Uy Z3
j1 Z 1 Z1e Z 3 Z 3e j3
Z 2 Z 2 e j2 Z 4 Z 4 e j4
Z 2 Z 4e
代入上式
Z1Z 3e
j 1 3
j 2 4
第二节 电桥
电桥平衡必须满足两个条件
d
U0
要使电桥平衡，输出为零，应满足
R1 R3 R2 R4
输入：各臂电阻 相对变化量ΔR/R 输出：Uy
第二节 电桥
电桥在正常工作前必须对电桥预调平衡。 下列三种形式可满足电桥的平衡条件： R1 1.全等臂电桥：R1=R2=R3=R4=R； 2.卧式桥： R1=R2=R，R3=R4=R′；
a
R4 I1 I2
调幅是将一个高频简谐信号（载波信号）与测试信号（调制 信号）相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化。
原信号频谱图形由原点平移至载 波频率处，其幅值减半。所以调幅 过程就相当于频率“搬移”过程 幅值调制的频移功能在工程技 术上具有重要的使用价值。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。
按输出方式： 不平衡桥式电路
平衡桥式电路
第二节 电桥
一、直流电桥
采用直流电源的电桥称为直流电桥，直 流电桥的桥臂只能为电阻。
U y U ab U ad R1 R4 U0 U0 R1 R2 R3 R4