信号调理和记录
第四章信号的调理与 记录1
第四章 信号调理与记录电桥 调制与解调 滤波器 信号的放大 测试信号的显示与记录被测信号第四章 信号调理与记录信号 传感器 调理与处理 显示或控 制装置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。
12.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。
2第一节 电桥ΔR、ΔL、ΔC 电桥 U(u)或I(i) 指示仪表或放大器一、直流电桥U o = U ab − U ad• 电桥特点：电路简单， 高精确度和灵敏度。
•电桥分类： − 按激励电压的性质分 ⎧直流电桥 电桥 ⎨ ⎩交流电桥 − 按输出方式分 ⎧不平衡电桥 电桥 ⎨ ⎩平衡电桥3⎛ R1 R4 ⎞ U ab − U ad = R1 I 1 − R4 I 2 = ⎜ ⎜ R + R − R + R ⎟U e ⎟ 2 3 4 ⎠ ⎝ 1 R1 R3 − R2 R4 b = U ( R1 + R2 ) (R3 + R4 ) eR1R2 c Uo R3若使电桥平衡 (U o = 0) 则 R1 R3 = R2 R4a R4I1 I2 d Ue 直流电桥即电桥平衡条件： 相对桥臂电阻乘积相等4（1）单臂电桥接 法Uo =(R1 + R2 ) (R3 + R4 )bRR1 R3 − R2 R4Ue（2）半桥双臂连接Uo =(R1 + R2 ) (R3 + R4 )bRR -Δ R2R1 R3 − R2 R4Ue若R1 = R2 = R3 = R4 = R0Δ1+RRR2 I1 I2 c Uo R3 d Ue 半桥单臂51+Δ则(R + ∆R) ⋅ R0 − R02 U Uo = 0 (2R0 + ∆R) ⋅ 2R0 e=− ∆R Ue 4R0 + 2∆Ra R4a R4I1 I2c Uo R3 dUo =(R0 + ∆R)R0 − (R0 − ∆R)R0 U2R0 × 2R0Uo = ∴ ∆R Ue 2R0eUe半桥双臂6∆R Ue 又∆R << R0 , 所以 Uo ≈ − 4R01（3）全桥接法Uo =R1 R3 − R2 R4 U (R1 + R2 ) (R3 + R4 ) ebR Δ-Δ R21、不平衡直流电桥（1）单臂连接： （2）半桥双臂连接：c UoRUo ≈Uo =∆R Ue 4R0∆R Ue 2R0R1+RaI1 I2-Δ R43+Uo ==(R0 + ∆R) − (R0 − ∆R) (2 R0 )22Ue4 R0 ∆R Ue 2 4 R0d Ue全桥接法7RΔ2（3）全桥接法：Uo =∆R Ue R0R全桥接法灵敏度最大 不平衡电桥缺点：Ue不稳定,环境温度 变化使会使Uo变化，从而产生测量误差 8∴Uo =∆R Ue R02、平衡直流电桥(零位测量法)工作原理： • ∆R = 0(被测量为零）时， 电桥平衡 ⎧G = 0 ⎨ ⎩H = 0R1 R5 R4 R3 H R2 G二、交流电桥 • 交流电桥特点 特点：– 电桥四臂：R、L、C； – 电源：交流电压• 交流电桥平衡条件： Z 1 Z 3 = Z 2 Z 4 平衡条件：• ∆R ↑ ,电桥失衡 ⇒ 电位器 H b ， 电桥平衡 ⎧G = 0 ⎨ ⎩ H ∝ ∆R⎧ Z 1 Z 3 = Z 2 Z 4 (阻抗的模 ⎪ ⇒⎨ ⎪ϕ 1 + ϕ 3 = ϕ 2 + ϕ 4 (阻抗角 ) ⎩)特点：测量精度取决于 H 的精 确度，与 U e 无关。
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。
测试技术第四章 信号调理与记录)
e j2pf0t ( f f0 )
e j2pf0t ( f f0 )
x(t) y(t) X( f )Y ( f )
则xm(t)
x(t) cos 2pf0t
Ym (
f
)
1 X(
2
f
) (
f
f0)
X( f
)( f
f0 )
1 X(
2
f
f0)
X(
f
f0 )
测试技术基础 时域
½
0
f0
2fm
Y(f )
½
f0
0
f0
(a)调幅波频谱
ƒ
(b)载波信号频谱
ƒ
低通
Xm(f )*Y(f )
1/4
1/4 1/41/2
-fc
-f0 -fm
0
fc
fm f0
2fm
2fm
同步解调
1/4 2fm
(c)同步解调后频谱
ƒ
测试技术基础
xm(t)
0
第四章 信号调理与记录
解调
t
1/2
−f0
2fm
x(t) 音频信号
测试技术基础
第四章 信号调理与记录
第四章 信号调理与记录
4.0 变换及调理的目的
▼
4.1 电桥
▼
4.2 信号的调制解调
▼
4.3 信号的滤波器
▼
测试技术基础
4.0 变换与调理的目的
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。
信号的调理与记录
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
信号调理处理和记录
x m ( t ) x ( t ) cos 2 f 0 t
y (t )
幅度调制与解调过程（数学描述）
x(t) y(t)
x (t ) y (t ) X ( f ) Y ( f )
y ( t ) cos 2 f 0 t 1 ( f f 0 ) 1 ( f f 0 ) 2 2
X(f)
100 10 15 15 10
-1.5
-1.0
0
1.0
1.5
f ( KHz )
Y(f)
1 2 1 2
-10
0
10
f ( KHz )
X ( f )*Y ( f )
50
5
50
7 .5
5 5 7 .5
7 .5
7 .5 5
0
f ( KHz )
x a (t )的成分：
频率(KHz) 8.5 幅值: 10
三、带感应耦合臂的电桥
例1．悬臂梁受力 F 和 F 的作用，要求应变片测出引起
梁弯曲的力 F，试画出应变片的粘贴位置与电桥的连接方 式图。
解:
R1 R2
F
F
'
F
F
'
F
'
R1
R3
R2
ey
R 2 R0
ey
e0
R4
e0
若要进一步提高电桥的灵敏度，可采用：
F
R1 , R 3
F
R2 , R4
'
U y ( f ) KEX ( f ) Y ( f ) KEU
X(f)
B 2 A 2 A 2 B 2
' y
传感与测试技术-信号的调理与记录
交流电桥
电容电桥 平衡条件：
R1j1C1R3R4j1C4R2
RC R131R3 CRR24 4R2
R电阻平衡 C电容平衡
交流电桥
电感电桥 平衡条件：
R 1 jL 1 R 3 R 4 jL 4 R 2
R1R3 R3L1
R4R2 R2L4
R电阻平衡 L电感平衡
第二节 调制与解调
主要解决微弱缓变信号的放大以及信号的 传输问题。
调相（Phase modulation--PM)
调幅及其解调
幅值调制：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。
x (t ) 调制器 xm(t)x(t)co2sf0t
调制信号 （乘法器） 调幅波
y(t)co2sf0t
载波
调幅信号的实质
从时域上：用x（t） 去控制改变y（t） 的幅值，使xm（t） 的幅值随着x（t） 的变化而变化，频 率仍与y（t）相同。
直流电桥的输出特性
全桥接法
b
UoR1R 1R R32R R32R 4R4Ue
UoR0R22R 0R 20R2Uea
I1 I2
4R0R 4R02
U
e
d
Uo RR0 Ue
Ue
c Uo
单臂电桥接法：Uo 4RR0Ue
半桥接法：Uo
R 2R0
Ue
全桥接法：Uo RR0 Ue
全桥接法的灵敏度最高
第四章 信号的调理与记录
被测信号
信号
传感器
调理与处理
显示或控制 装置
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。
4第四章信号的调理与记录
生电阻变化△R1 ~ △R4， R1=R2=R3=R4=R，且△R<<R，忽略△R
高次项：
uyu 4 0( R R 1 R R 2 R R 3 R R 4)
工程测试技术与信息处理 第 4 章
由上式可看出： ⑴ 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； ⑵ 若相邻两桥臂电阻反向变化（即两电阻 一个增大一个减小），所产生的输出电压的 变化将相互迭加。
R
U
U
y 4R2R 0
0
工程测试技术与信息处理 第 4 章
又因为 R《 R0
所 以 Uy4 RR 0 U0
灵敏度为：
Sg
U y
R
1 4U0
R0
可见，电桥的输出电压Uy与输入U0成正比，并且在U0一
定条件下，与工作桥臂的组织变化量呈单调线性关系
半桥双臂：
工程测试技术与信息处理 第 4 章
第四章
信号的调理 与记录
重点：直流电桥、交流电桥、调制与 解调、信号的指示和记录装置；
难点：电桥的基本特性、能够合理选 用信号调理电路和记录仪器。
工程测试技术与信息处理 第 4 章
信号调理的目的
--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。
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
一、幅值调制与调解
工程测试技术与信息处理 第 4 章
（一）、原 理
将一个高频简谐信号（载波）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。
第四章 信号的调理与记录
图4-15 a)调制信号加足够直流偏置 b)调幅波
图4-16 a)调制信号直流偏置不够时 b)调幅波
解调：简单地整流、滤波
二极管检波
低通 滤波
（3）相敏检波
基本原理：相敏检波能用来鉴别调制信号
的极性，利用交变信号在过零位时其正、负极
性发生突变，使调幅波相位与载波信号相比较
也相应地产生180°相位跳变，从而既能反映
若电容变化C，则有 f
3、变压器耦合的谐振回路鉴频法
调频波的解调又称鉴频，是将频率变化恢复成调制信号电压幅值变化的过程
变压器耦合的谐振回路鉴频
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．
R ue 全桥差动： uo R
二、交流电桥
供桥电源为交流，仍为基本电 桥电路的形式，但是在各个臂内可 能串、并联有电感、电容、电阻或 其组合。因此除了电阻之外还有我 们所说的电抗。
电桥的平衡条件： Z 1 Z 3 Z 2 Z 4
Zi Zi e ji
Z1 Z 3 e
j (1 3 )
U0 (
R1 R R1 R R2 R
R4 R R3 R R4 R
)U e
R U0 ( R )U e
电桥的灵敏度
U0 S Ue R / R
R1 R1 R4 R4 U0 ( )U e (2 R R1 R2 ) (2 R R3 R4 ) 1 R1 R4 ( )U e 2 R R R3 R3 R2 R2 或U 0 ( )U e (2 R R3 R4 ) (2 R R1 R2 ) 1 R3 R2 ( )U e 2 R R
(优选)章信号调理处理和记录
乘法器
载波频率？
xt
xm t x t co用行s不调0t同制频后率，的能载够波移对动不它同们被的测频信谱号位进置，
使它们互相不发生覆盖。
4.2 调制与解调
同步解调原理
xm
(t)
•
cos(0t)
x(t)
cos2
0t
1 2
x(t)
1 2
x(t) cos(20t)
1 2
Xm
0
1 2
Xm
0
乘法器
y(t) Acos(2[ f0 x(t)]*t )
调频波的瞬时频率可表示为 f f0 f
优点：抗干扰能力强、便于远距离传输、不易错乱、跌落和 失真，容易采用数字技术和计算机相连接。 缺点：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；调频系统比调幅系统复杂，因为调频是一种非线性调制。
xm t xt cos0t
y t cos0t
滤波器
xt
4.2 调制与解调
包络(整流)检波解调 若对信号x(t)进行偏置，叠加一个直流分量D，使偏置后的信号 都具有正电压 ,然后再与高频载波相乘得到调幅波，其包络线 具有调制波的形状。调幅波经过包络检波（整流、滤波）就可 以恢复偏置后的信号。
4.2 调制与解调
谐振电路调频
对自激振荡器的谐振回路，当被测量在小范围内变化时，电 容（电感）也有与之对应的、接近线性的变化
f 1 2 LC
f ( 1)( 1 )(LC)1.5 L ( 1) f
4.2 调制与解调
相敏检波解调
载波电压为正 载波电压为负
载波电压为正 载波电压为负
标准信号
实现：利用二极管的单向导通作用改变输出信号的极性。
第4章 信号的调理与记录
xt cos
2f 0 t
cos
2f 0 t
xt
2
1 2
xt cos
4f 0 t
低通滤波器将频率为 2f0的高频信号滤去， 得到1 x(t)
2
(2) 整流检波和相敏检波
整流检波（包络检波）： 幅值调制就是让已调信号的幅值随调制信号的值变化，
因此调幅信号的包络线形状与调制信号一致。只要能检出 调幅信号的包络线即能实现解调。这种方法称为整流检波 或包络检波。
应用实例：差动变压器式位移传感器；交流电桥等。
一、调幅及其解调
1． 调幅原理
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。现以
频率为 f0 的余弦信号作为载波进行讨论。 余弦函数的频域图形是一对脉冲谱线
cos 2
f0t
1(
2
f
f0)
1(f
2
f0 )
R1
R1 R1 R1 R2 R2
R3
R4 R4 R3 R4 R4
U 0
1 2
R1 R
R4 R
U
0
Uy
R3
R3 R3 R3 R4 R4
R1
R2 R2 R1 R2 R2
U 0
1 2
R3 R
R2 R
U
0
推出：U y
1 4
R1 － R2
R1
R2
R3 R3
R4 R4
U
0
I1
U0 R1 R2
I2 U0 R3 R4
a与b之间和a与d之间的电位差分别为
（4－1）
U ab
I1R1
R1 R1 R2
信号的调理与记录
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
第四章 信号的调理与记录
f
滤波器
kX ( f )
− fm 0 fm
f
幅值调制（AM）与解调原理
幅值调制与解调过程（波形与频谱对照）
x (t ) ⇔ X ( f )
乘法器
x m (t ) ⇔ X m ( f )
y (t ) ⇔ Y ( f )
放大器
k
kxm (t ) ⇔ kX m ( f )
乘法器
y (t ) ⇔ Y ( f )
乘法器
y (t ) ⇔ Y ( f )
滤波器
k k X ( f ) ⇔ x (t ) 2 2
幅值调制（AM）与解调原理
0
0
为了使已调波仍保持原信号的频谱图形，不致由于频谱重叠而 引起失真，载波频率 f0 必须高于调制信号的最高频率 fm，通常 取调制信号上限频率 fm的十倍以上。 由于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，故称为“同步解调”。另外，包络检波和相敏检波也是常 用的调幅波解调方法。
k
kxm (t ) ⇔ kX m ( f )
kx m (t ) ⋅ cos( 2πf 0 t ) ⇔ kX m ( f ) ∗ Y ( f ) kx (t ) ⋅ cos 2 ( 2πf 0 t ) = k k x (t ) + x (t ) cos [2π ( 2 f 0 )t ] 2 2 k k k ⇔ X ( f − 2 f0 ) + X ( f ) + X ( f + 2 f0 ) 4 2 4
f0
fm
f
乘法器
Xm( f )
f0Leabharlann Y( f )− f0X ( f ) ∗Y ( f )
f
− f0
0
信号的调理和记录 共51页PPT资料
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
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。
信号调理与记录
调制与解调
二、调频及其解调 1.调频原理 调频是利用测试信号的幅值调制载波的频率， 或者说，调频波是一种随测试信号的电压幅值而变 化的疏密度不同的等幅波。
y( t ) A cos( 2 [ f 0 f ] t ) f xt
当信号电压为零时，调频波的频率等于中心频 率；信号电压为正值时频率提高，负值时则降低。
电桥
a
b
R1 R2
c Uo
R4 R3
F
R1
d
Ue
b
R1
R2 悬臂梁测力
a
R3
c Uo
R4
R2
d
Ue
电桥
R1、R2、R3、R4为工作片测力。 R5、R6、R7、R8用作温度补偿。
R5
R6
电桥
H
R1 R2 ◆平衡电桥 R5 G √设被测量等于零时，电 R4 桥处于平衡状态，此时指 R3 示仪表G及可调电位器H指 U0 零。 √当某一桥臂随被测量变化时，电桥失去平衡， 调节电位器H，改变电阻R5触电位臵，可使电桥 重新平衡，电表G指针回零。
R Uo Ue 4 R0 2R
Ue
单臂电桥的输出电压 Uo与激励电压Ue成正比， 并且在Ue一定的条件下， 与工作桥臂的阻值变化量 R/R0呈单调线性关系
电桥
b
◆半桥接法 工作中有两个桥臂（相邻桥 臂）的阻值随被测量变化。
R1 R R4 Uo U e R1 R R2 R2 R3 R4
1 1 平衡条件 R1 R3 R4 jC jC1 4
R3 R2 R1R3 R2 R4 jC1 jC4
R1R3 R2 R4 R3 R2 C C 4 1
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。
信号的调理与记录
信号调理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。
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。
5.1 电桥
1 n 1
R1 R i1 1i
•对两边求导数，用增量代替微分并代入
应变计阻值，有
R1 1 n R1i
R1 n i1 R
•采用桥臂串、并联方法并不能增加输出，
但是可以在一个桥臂得到加减特性。
信号的调理与记录
11
6信号的调理与记录
提高电桥输出的措施
6.1 电桥
增加电桥工作臂数。
U BD 1 4U 0( R R 11 R R 22 R R 33 R R 44)
信号调理环节有：电桥、放大器、滤波器、调制器与解调器。
信号的调理与记录
3
6信号的调理与记录
-电桥
信号的调理与记录
4
6信号的调理与记录
6.1 电桥概念
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。
按照激励电压的性质，分为直流和交流电桥； 直流电桥——采用直流电源，桥臂为电阻 交流电桥——采用交流电源，桥臂为电阻、电感、电容。 按照传输条件：
6信号的调理与记录
3. 电桥输出的非线性
6.1 电桥
U BD
R1R3 R2R4 U 0 (R1 R2 )(R3 R4 )
半桥单臂，输出电压
实际输出电压 U B'D (R (1R 1 R 1R 1R )R 23 )-R (R 32 R R 44)U 0
传感与测试技术-信号的调理与记录
数据采集系统实现原理
介绍数据采集系统的组成和实现 原理，包括传感器、信号调理、 数据采集卡等。
数据采集后的图形分析
辅助控制系统
用图表等形式展示采集到的数据， 并通过分析和处理实现对数据的 管理和应用。
将采集到的数据应用到机器人、 自动化工程等中，实现辅助控制 和优化。
LabVIEW软件在数据采集中的应用
滤波器设计
介绍RC滤波器、LC滤波器、数字 滤波器等滤波器的设计方法和实 现过程。
滤波在信号处理中的应用
介绍如何选择合适的滤波器来对 原始信号进行处理，去除噪声和 干扰。
调制技术与解调技术
1 调制技术
2 解调技术
3 选型
介绍AM、FM、PM等调制 技术的基本原理及其在通 信与广播中的应用。
介绍如何将调制信号复原 成原始信号的技术和方法。
数据可视化
通过可视化的方法展示处理后的数据，帮助我们更好地理解和分析数据的规律和特点。
信号分析
根据采集到的信号进行分析和研究，常用的方法有时域分析、频域分析等。
信号记录技术
信号记录系统
介绍信号记录系统的组成和建立 过程，包括记录仪、传感器、存 储介质等。
记录设备
数据分析与应用
对记录仪的类型和性能进行介绍， 以及如何选择合适的设备方案。
根据具体的应用场景选择 合适的调制和解调方法， 保证信号传输的质量。
数字信号处理技术
基本概念
介绍数字信号处理技术的基本 概念，如采样率、量化误差等。
数字滤波器
数字滤波器的种类和应用，帮 助信号更好地适应数字化的处 理方式。
傅里叶变换
将信号从时域转换到频域，帮 助信号更好地表示及分析处理。
数据采集系统及应用
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第四章 信号调理和记录
教学重点：① 电桥的工作原理
② 滤波器的分析计算方法
③ 信号的放大及测试信号的显示与记录
§4－1 电桥
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
电桥按其所采用的激励电源的类型可分为直流电桥与交流电桥；按其工作原理可分为偏值法和归零法两种 一、直流电桥
1
、直流电桥平衡条件：
2、在测试中常用的电桥连接形式有：单臂电桥连接、半桥连接与全桥连接
4231R R R R
二、交流电桥
三、带感应耦合臂的电桥：将感应耦合的两个绕组作为桥臂而组成的电桥
§4－2 调制与解调
调制：使一个信号的某些参数，在另一个信号的控制下，而发生变化的过程
载波：前一个信号称为载波，一般为较高频率的交变信号
调制信号：后一信号，一般为缓变的被测信号
已调制信号：最后输出的信号，它一般便于放大和传输
信号的解调：最终从已调制信号中恢复出调制信号的过程
一、幅值调制与解调
1.调幅：将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化．
2.调幅信号的频域分析
一个函数与单位脉冲函数卷积的结果是：将这个函数的波形由坐标原点平移至该脉冲函数处。
3.调幅信号的解调方法
（1）同步解调
若把调幅波再次与原载波信号相乘，则频域的频谱图形将再一
次进行“搬家”，结果是使原信号的频谱图形平移到0和±2f
0的频率处。
（2）包络检波
（3）相敏检波
相敏检波是利用二极管的单向导通作用将电路输出极性互换。
其特点是可以鉴别调制信号的极性，所以采用相敏检波时，对调
制信号不必再直流偏置。
(0t x (t x
(t x (t y
二、频率调制与解调 1.频率调制的基本概念
频率调制是指利用调制信号控制高频载波信号频率变化的过程。
2.频率调制方法：频率调制一般用振荡电路来实现
3.调频信号的解调
调频信号的解调亦称鉴频，一般采用鉴频器和锁相环解调器。
§4－3 滤波器
一、概述
滤波是指让被测信号中的有效成分通过：而将其中不需要的成分抑制或衰减掉的一种过程。
二、滤波器性能分析
1.理想滤波器：将滤波器的一些特性理想化而定义的滤波器。
2、实际滤波器的特征参数
1)截止频率fc：0.707A0所对应的频率
2)纹波幅度d：绕幅频特性均值A0波动值
3)带宽B：上下两截止频间的频率范围称为带宽B
4）品质因数：中心频率f0和带宽B之比称为品质因数
三、实际滤波电路
c 2
c 1
c 1c 2
c 1
c 2
1.高通、低通滤波器并联，得到带通滤波器
2.几个带通滤波器并联，使通频带更宽
§4－4 信号的放大
一、基本放大电路
反相放大器、同相放大器和差分放大器三种基本放大电路。
二、仪器放大器
三、可编程增益放大器
§4－5 测试信号的显示与记录
一、信号的显示
1.模拟示波器
2.数字示波器
3.数字存储示波器
二、信号的记录
1.用数据采集仪器进行信号记录
2.用计算机内插A/D卡进行数据采集与记录
3.仪器前端直接实现数据采集与记录。