信号的调理与显示记录PPT课件
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根据输出测量方式的不同： 不平衡电桥 平衡电桥
.
8
第四章 信号调理
一．直流电桥：
R1
R3
E
V
R4
R2
基本结构：电阻
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 。
.
9
.
14
➢ 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。
➢ 增大电阻应变片的灵敏度可以提高电桥的输出电压。
和差特性应用实例： 悬臂梁作敏感元件测力：为提高灵敏度，常在梁的上， 下表面各贴一片应变片，并将上述两应变片接入电桥 的相邻两桥臂。
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；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=R0,R3=R4=R0‘,又若R0=R0’,则
R
Uy
4R0
2RU0
若ΔR<<R0,则
U
y
R 4 R0
U0
.
17
（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 ， R3=R4=R0 ，则电桥输出
讨论： 若电桥中任一个或数个电阻发生变化，电桥输出电压变
化。测量电桥就是基于上述原理工作。
.
11
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。
UBD
UBA
UDA
U0R1 R1 R2
U0R4 R3 R4
R1
R1R3 R2
R2R4
R3 R4
U0
.
12
悬臂梁应变仪结构
.
15
3. 直流电桥的连接形式
半桥单臂 半桥双臂 全桥
uo
uo
uo
ue
ue
ue
.
16
（1）半桥单臂连接形式：工作时仅有一个桥臂电阻值随 被测量而变化，设该电阻为R1，变化量为ΔR，则由式 （4-1）可得：
UyR1R 1R 2 RRR3R 4R4U0
设相邻桥臂的阻值相等，亦即：
.
1
主要内容
4.1 信号调理的目的 4.2 信号放大 4.3 调制与解调 4.4 滤波 4.5 信号显示与记录
.
2
本章学习重点
测试信号调理的作用和意义； 电桥作用原理及其在信号调理中的
作用；
信号调制与解调的原理及其相关电
路；
基本类型的滤波器的工作原理、相
关电路及其应用；
.
3
4.1 信号调理的目的
R U y 2R0 U 0
.
18
（3）全桥连接法：四个桥臂的阻值均随被测量而变化，即：
R 1 R 1 ,R 2 R 2 ,R 3 R 3 ,R 4 R 4
当R1=R2=R3=R4=R0,且ΔR1=－ΔR2=ΔR3=－ΔR4=ΔR， 输出为：
R U y R0 U 0
结论：电桥的输出电压与激励电压成正比，但比例系数 不同。
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。或者提取 感兴趣的频率成分。
.
4
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。
.
19
定义电桥的灵敏度为 S Uo R R
则有：
单臂电桥灵敏度
Uo； 4
半桥灵敏度
Uo； 2
全桥灵敏度
U
。
o
结论：电桥接法不同，
灵敏度不同，
全桥接法可以获得最大
灵敏度。
.
20
.
21
4. 温度补偿问题
例2 半桥测量时进行温度补 偿——桥路补偿法
2 分类
直流放大器
时间域
频率域
幅度增大 低频保留,高频截止
放大器
交流放大器 电荷放大器
幅度增大 高频保留,低频截止 电荷增大
.
7
4.2.1 电 桥
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
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：
U 0(2R R ( R R 1 1 R R 2 2 )( 2 R R 3 R 3 R 4) R 4) 当 Ri R 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
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
I2R4
R4 R3 R4
u0
uy
U db
U ab
U
ad
( R1 R1 R2
R
3百度文库
R4
R
4
)u
0
(
R1
R1
R3 R2
)(
R2 R3
R4 R
4
)
u
0
.
10
平衡条件：对臂电阻乘积相等。即：R1R3=R2R4
.
13
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：
➢ 如果相邻桥臂的应变极性一致，即同时为 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)。
.
5
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。
本章主要讨论信号调理和转换中的常用环节：
电桥； 调制与解调； 滤波；
.
6
第四章 信号调理
4.2 信号放大
1 目的
信号放大目的
幅度增加
(1)抗干扰; (2)阻抗匹配
.
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第四章 信号调理
一．直流电桥：
R1
R3
E
V
R4
R2
基本结构：电阻
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 。
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➢ 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。
➢ 增大电阻应变片的灵敏度可以提高电桥的输出电压。
和差特性应用实例： 悬臂梁作敏感元件测力：为提高灵敏度，常在梁的上， 下表面各贴一片应变片，并将上述两应变片接入电桥 的相邻两桥臂。
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；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=R0,R3=R4=R0‘,又若R0=R0’,则
R
Uy
4R0
2RU0
若ΔR<<R0,则
U
y
R 4 R0
U0
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（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 ， R3=R4=R0 ，则电桥输出
讨论： 若电桥中任一个或数个电阻发生变化，电桥输出电压变
化。测量电桥就是基于上述原理工作。
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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。
UBD
UBA
UDA
U0R1 R1 R2
U0R4 R3 R4
R1
R1R3 R2
R2R4
R3 R4
U0
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悬臂梁应变仪结构
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3. 直流电桥的连接形式
半桥单臂 半桥双臂 全桥
uo
uo
uo
ue
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（1）半桥单臂连接形式：工作时仅有一个桥臂电阻值随 被测量而变化，设该电阻为R1，变化量为ΔR，则由式 （4-1）可得：
UyR1R 1R 2 RRR3R 4R4U0
设相邻桥臂的阻值相等，亦即：
.
1
主要内容
4.1 信号调理的目的 4.2 信号放大 4.3 调制与解调 4.4 滤波 4.5 信号显示与记录
.
2
本章学习重点
测试信号调理的作用和意义； 电桥作用原理及其在信号调理中的
作用；
信号调制与解调的原理及其相关电
路；
基本类型的滤波器的工作原理、相
关电路及其应用；
.
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4.1 信号调理的目的
R U y 2R0 U 0
.
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（3）全桥连接法：四个桥臂的阻值均随被测量而变化，即：
R 1 R 1 ,R 2 R 2 ,R 3 R 3 ,R 4 R 4
当R1=R2=R3=R4=R0,且ΔR1=－ΔR2=ΔR3=－ΔR4=ΔR， 输出为：
R U y R0 U 0
结论：电桥的输出电压与激励电压成正比，但比例系数 不同。
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。或者提取 感兴趣的频率成分。
.
4
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。
.
19
定义电桥的灵敏度为 S Uo R R
则有：
单臂电桥灵敏度
Uo； 4
半桥灵敏度
Uo； 2
全桥灵敏度
U
。
o
结论：电桥接法不同，
灵敏度不同，
全桥接法可以获得最大
灵敏度。
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21
4. 温度补偿问题
例2 半桥测量时进行温度补 偿——桥路补偿法
2 分类
直流放大器
时间域
频率域
幅度增大 低频保留,高频截止
放大器
交流放大器 电荷放大器
幅度增大 高频保留,低频截止 电荷增大
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4.2.1 电 桥
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
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：
U 0(2R R ( R R 1 1 R R 2 2 )( 2 R R 3 R 3 R 4) R 4) 当 Ri R 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
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
I2R4
R4 R3 R4
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3百度文库
R4
R
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(
R1
R1
R3 R2
)(
R2 R3
R4 R
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平衡条件：对臂电阻乘积相等。即：R1R3=R2R4
.
13
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：
➢ 如果相邻桥臂的应变极性一致，即同时为 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)。
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5
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。
本章主要讨论信号调理和转换中的常用环节：
电桥； 调制与解调； 滤波；
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第四章 信号调理
4.2 信号放大
1 目的
信号放大目的
幅度增加
(1)抗干扰; (2)阻抗匹配