zl-第五章 信号调理、处理和记录精品PPT课件
合集下载
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
机械工程测试基础信号的调理与记录精品PPT课件
2）原因
（a） 采样频率 f太s 低；
（b） 原模拟信号不是有限带宽的信号，即
fh 。
5.2.2 时域采样、混叠和采样定理 2、混 叠 混叠现象—时域解释
5.2.2 时域采样、混叠和采样定理
2、混 叠
混叠现象实验：
5.2.2 时域采样、混叠和采样定理
目的：获取有用的信息
内容：用数字序列来表示测试信号，并用数学 公式和运算来对这些数字序列进行处理。 内容包括截断、剔除奇异点和趋势项、 数字波形分析、幅值分析、频谱分析和 数字滤波等。
A
X(0)
0
t
X(1) X(2) X(3)
x
1 N
N 1
X
i0
i
4）显示
X(4)
5.1 数字信号处理概述 案例：铁路机车FSK信号检测与分析
机械工程测试技术基础
第五章 信号处理初步
本章学习要求：
1.掌握数字信号处理目的和基本步骤 2.掌握信号采样定理，能正确选择采样频率 3.认识并处理好数字信号处理过程中出现的（混
迭、量化误差、能量泄漏、栅栏效应等）问题 ★4.掌握相关分析和功率谱分析方法
机械工程测试技术基础
第五章 信号处理初步
信lg Us
5.2 信号数字化出现的问题
5.2.1 概述
x(nTs)
步骤二
时域截断
x(t)s(t)ω(t)
x(nTs)ω(t)
X(f)*S(f)*W(f)
第五章 信号处理初步 5.2 信号数字化出现的问题 5.2.1 概述
步骤三
频域采样
x(t)s(t)ω(t)*d(t)
1/T
[X(f)*S(f)*W(f)]D(f)
Un
（a） 采样频率 f太s 低；
（b） 原模拟信号不是有限带宽的信号，即
fh 。
5.2.2 时域采样、混叠和采样定理 2、混 叠 混叠现象—时域解释
5.2.2 时域采样、混叠和采样定理
2、混 叠
混叠现象实验：
5.2.2 时域采样、混叠和采样定理
目的：获取有用的信息
内容：用数字序列来表示测试信号，并用数学 公式和运算来对这些数字序列进行处理。 内容包括截断、剔除奇异点和趋势项、 数字波形分析、幅值分析、频谱分析和 数字滤波等。
A
X(0)
0
t
X(1) X(2) X(3)
x
1 N
N 1
X
i0
i
4）显示
X(4)
5.1 数字信号处理概述 案例：铁路机车FSK信号检测与分析
机械工程测试技术基础
第五章 信号处理初步
本章学习要求：
1.掌握数字信号处理目的和基本步骤 2.掌握信号采样定理，能正确选择采样频率 3.认识并处理好数字信号处理过程中出现的（混
迭、量化误差、能量泄漏、栅栏效应等）问题 ★4.掌握相关分析和功率谱分析方法
机械工程测试技术基础
第五章 信号处理初步
信lg Us
5.2 信号数字化出现的问题
5.2.1 概述
x(nTs)
步骤二
时域截断
x(t)s(t)ω(t)
x(nTs)ω(t)
X(f)*S(f)*W(f)
第五章 信号处理初步 5.2 信号数字化出现的问题 5.2.1 概述
步骤三
频域采样
x(t)s(t)ω(t)*d(t)
1/T
[X(f)*S(f)*W(f)]D(f)
Un
第五讲 信号的调理与记录
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
第五部分测试信号调理技术教学-PPT精选
2 种类
x(t)
调制信号
0
t
载波信号 z(t)A co 2 fs t()
z(t)
0
t
5.3调制与解调
a) 幅度凋制(AM)
y (t) [A * x (t)c ]o 2 fs t( )
b) 频率调制(FM)
y (t) A c2 o[fs 0 x ((t)* t])
c) 相位调制(PM)
1) 恒带宽带通滤波器
2) 恒带宽比带通滤波器
5.3 信号的滤波
1/3倍频程滤波器
5.3 信号的滤波
6 RC无源滤波器
在测试系统中，常用RC滤波器。因为这一领 域中信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简 单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标 准阻容元件 。
1) 一阶RC低通滤波器
5.3 信号的滤波
y(t)A co 2 fs t[(0 x(t)])
5.3调制与解调
3 幅度调制
调幅是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．
y (t) [A 0* x (t)c ]o 2 fs t()
调制
缓变信号
放大
高频信号
放大高 频信号
解调
放大缓 变信号
5.3 信号的滤波
思考题：
1 信号调理的内容和目的 ？ 2 信号放大电路的种类，如何根据传感器输出
特性选择合适的放大电路 ？ 3 信号调制与解调的种类 ？
4 幅度调制与解调的原理 ？
5 调幅波的失真，如何消除 ？
6 信号滤波器的种类 ？
7 如何根据测试信号中有用成分和干扰成分的 频谱来选择滤波器种类和设定其参数 ？
A
第五部分测试信号调理技术教学-PPT精选
5.3 信号的滤波 由案例提炼的典型实验：钢管无损探伤
滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警
5.3 信号的滤波 案例：机床轴心轨迹的滤波处理
5.3 信号的滤波 案例：机床轴心轨迹的滤波处理
滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律
5.3 信号的滤波
动手做：
调节计算机mp3播放器等 软件中的声音均衡器，试 验其对音乐信号的滤波情 况。
1 直流放大电路
1) 反相放大器
电压增益:
Av
RF R1
反馈电阻RF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。R1的 取值应远大于信号源Ui的内阻。
烟雾报警器
酒精传感器
二氧化碳传感器
5.2 信号放大电路
2)同相放大器
同相放大器也是最基 本的电路 ，其闭环电压 增益Av为:
5.3调制与解调
案例：旋转机械扭距测量
5.3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
第五章、测试信号调理技术
5.3 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．
第五章、测试信号调理技术
1 滤波器分类（根据滤波器的选频作用分） 低通
2 种类
x(t)
调制信号
0
t
载波信号 z(t)A co 2 fs t()
z(t)
0
t
5.3调制与解调
a) 幅度凋制(AM)
y (t) [A * x (t)c ]o 2 fs t( )
b) 频率调制(FM)
y (t) A c2 o[fs 0 x ((t)* t])
第5章信号调理电路PPT课件
2020/11/7
18
5.2.5 程控增益放大电路
是通过数字逻辑电路或计算机编程来改变增益的方法，也称为 可编程增益放大电路，简称PGA 结构形式多种多样，分为单运放、多运放、仪表放大器和单片 集成程控增益放大电路 多路模拟开关
2020/11/7
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
A2A1A0为地址选择端，COM为公共端， GND为接地端，当A2A1A0 ＝000时，开关 S0闭合，通道I0与公共端COM接通，其他 开关断开；当 A2A1A0 ＝001时，开关S1闭 合，通道I1与公共端COM接通，其他开关 断开；…，依此类推。当禁止端EN=0时， 通道I0～I7均不通。
• 测量精度高，其精度取决于电位器的精度。
• 输出与供桥电源电压无关，可避免由于电源
电压的不稳定而带来的干扰。
2020/11/7
9
5.1.3 交流电桥
交流电桥平衡条件：
即： 幅值平衡
相角平衡
平衡条件 (R3j 1C3)R2(R4j1C4)R1
即 R3R2 R4R1
R2 R1 C3 C4
2020/11/7
信号调理电路
Signal Conditioning Circuit
2020/11/7
1
信号调理电路
电桥 信号的放大电路 信号的转换电路 滤波电路 调制与解调
2020/11/7
2
5.1 电 桥
测量电桥有以下几个特点： (1)能把电阻、电容、电感等电抗参数的变化，变换成 电压或电流的变化，便于信号的放大和处理。 (2)能测量出微弱的阻抗变化量。 (3)可以通过采用对称差动式传感器结构组成差动半桥 或全桥来实现非线性误差的补偿，并提高电桥输出的 灵敏度。
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。
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。
传感与测试技术-信号的调理与记录ppt课件
包络检波（整流检波）
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状。把该调幅波简单地整流、滤波就可恢复 原调制信号。
相敏检波
相敏检波电路是具有鉴别调制信号相位和选频能力的检波电路。 交变信号过零线时符号发生突变（+、-），与之对应的调幅波相位（与载波比较）
e
Ue
平衡条件：对臂电阻乘积相等。即：R1R3=R2R4
R2 c Uo
R3
直流电桥的输出特性
单臂电桥接法
b
为U 了o 简 化桥R路(1R ，1 设R 计 R 取)R R 23RR 32RR 44Ue
a
R 1R 2R 3R 4R 0
R
Uo
4R0
2RUe
一R 般 R 0,所以 U o4 R R 0U e
计算一个模拟信号的频谱
时域或
频域无
时域无限长
限长连 续信号
时域采 序列 频域
样
连续周期信 号
截断
时域有限长
时域有限长 序列 频域 连续周期信
号
频域采 样
周期性离散 序列 频 域有限长周 期性离散序
整周期 截断
列
时域有限长 序列 频 域有限长序
列
时域采样、混叠和采样定理
时域采样： 把连续时间信号变成离散时间序列的过程。相当于在连续时间信号上 “摘取”许多离散时刻上的信号瞬时值
;.
1
被测信号
传感器
信号
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。
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
传感器技术之信号调理处理和记录ppt课件
其中，Z 为各桥臂的复阻抗： ZZejZ0ej
b
Z1
纯电阻时电流与电压同相位：
φ = 0；
a
Z2
c U0
电感性阻抗：φ ＞ 0； 电容性阻抗 ：φ ＜ 0。
Z4
Z3
d
精选ppt课件
~
22
U
第一节 电桥
2. 交流电桥
将复阻抗代入，可得： Z Z e j 1 3 Z Z e j 2 4
01 03
（得到电桥输出指示值时），电桥处于非平衡
状态，这种测量方法的最大优点是可对被测量
进行动态测量。但这种电桥的输出受电源电压
的影响较大，若电源电压略有波动，就会影响
桥路输出，给测量带来较大的误差。
—— 在某些情况下（如进行静态测量），常
采用平衡电桥。
精选ppt课件
32
第一节 电桥
3. 平衡电桥
3．平衡电桥 平衡电桥：电桥读数（输出）时处于平衡状态。
U 0
R1 R1
n
1n2
U
可知：（1） U0 正比于 U； （2） U0 正比于 n/(1+n)2； （3） U0 正比于电阻的相对变化。
半桥单臂电桥的灵敏度为:
精选ppt课件
SRU 1/0R1 1nn2U 9
第一节 电桥
U0
R1 R1
n
1n2
U
1. 直流电桥
说明：（1）电阻应变式传感器有：ΔR/R = Kε，
分别为供桥电源和
U0
输出端的测量电路。
电桥的作用：
把电阻、电感或电容的变化
量转换为电压或电流量，以
供后续电路测量记录。
精选ppt课件
2
第一节 电桥
第五部分测试信号调理技术教学-PPT精选
5.3 信号的滤波
思考题：
1 信号调理的内容和目的 ？ 2 信号放大电路的种类，如何根据传感器输出
特性选择合适的放大电路 ？ 3 信号调制与解调的种类 ？
4 幅度调制与解调的原理 ？
5 调幅波的失真，如何消除 ？
6 信号滤波器的种类 ？
7 如何根据测试信号中有用成分和干扰成分的 频谱来选择滤波器种类和设定其参数 ？
5.3调制与解调
动手做： 用个人测试实验室中数字 信号发生器、波形运算器 等软件芯片，设计一个非 抑制调幅与解调系统。
5.3调制与解调
4 频率调制
调频是利用信号x(t)的幅值调制载波的频 率，或者说，调频波是一种随信号x(t)的电压 幅值而变化的疏密度不同的等幅波.
y (t) A c2 o[f0 s x ( (t)* t ])
5.3调制与解调
案例：旋转机械扭距测量
5.3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
第五章、测试信号调理技术
5.3 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．
第五章、测试信号调理技术
1 滤波器分类（根据滤波器的选频作用分） 低通
A
0
f
理想滤波器是不存在的，实际滤波器幅频特 性中通带和阻带间没有严格界限,，存在过渡带。
d
5.3 信号的滤波
A0 0.707A0
Q=W0 / B
B
0
fc1
fc2
f
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和品质因数Q：下两截频间的频率范围 称为带宽。中心频率和带宽之比称为品质因数 。
第五部分测试信号调理技术教学-PPT精选
1 直流放大电路
1) 反相放大器
电压增益:
Av
RF R1
反馈电阻RF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。R1的 取值应远大于信号源Ui的内阻。
烟雾报警器
酒精传感器
二氧化碳传感器
5.2 信号放大电路
2)同相放大器
同相放大器也是最基 本的电路 ，其闭环电压 增益Av为:
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。
第五章、测试信号调理技术
5.2 信号放大
分类
直流放大器
特点 低频保留,高频截止
放大器
交流放大器 直流电桥 交流电桥
高频保留,低频截止
电荷放大器
5.2 信号放大电路
fc
Q(f)
f
5.3 信号的滤波
理想滤波器的物理不可实现
理想滤波器在时域内的脉冲响应函数 h（t） 为 sinc函数。脉冲响应的波形沿横坐标左、右 无限延伸。
H(f)
fc
给理想滤波器一个脉冲激励，在t=0时刻单 位脉冲输入滤波器之前，滤波器就已经有响应了。 故物理不可实现。
5.3 信号的滤波
4 实际滤波器
5.3调制与解调
调幅
5.3调制与解调
解调
二极管检波
低通滤波
5.3调制与解调
调幅波的波形失真
a）过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏 置必须足够大，否则x(t)的相位将发生180。
5.3调制与解调
b)重叠失真：调幅波是由一对每边为fm的双边带信 号组成．当载波频率fz较低时，正频端的下边带将 与负频端的下边带相重叠．要求: fz＞fm
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第五章 信号调理、处理和记录
§1 电桥 §2 调制与解调 §3 滤波器 §4 放大器 §5 信号的指示和记录装置
返回
§1 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。
分类：
按激励电压的性质:
• 直流电桥
• 交流电桥
按输出方式:
• 不平衡桥式电路 • 平衡桥式电路
第五章 信号调理、处理和记录
信号调理的目的
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。
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。
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。
xm f
乘法器
调幅波
低通
x(t)
载波y(t)
需要性能良好的 线性乘法器件。
x(t) cos 2ftc
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
条件下，与 R / R0 成正比。
灵敏度
S
Uy R /
R
1 4U0
对于电阻应变片
R / R k
Uy
U0 4
k
上页 目录
（2）半桥双臂接法
输出
b
R
2
R1±Δ
1
±
ΔR 2 R
Uy
R1
R1 R1 R1 R2
R2
R4 R3 R4
U 0
a
I1 I2
c
Uy
R 2R0
U0
R4
R3
d
灵敏度
S
Uy R /
目录
一、直流电桥
1、平衡条件
Uy
Uab
Uad
R1 R1 R2
U0
R4 R3 R4
U0
R1R3
R1 R2
R2R4
R3 R4
U0
要使电桥平衡，输出为零，应满足
R1R3 R2R4
b
R1
R2
a
I1
I2
c
Uy
R4
R3
d
U0
U 0 为直流电源
U y 为输出电压
上页 目录
Байду номын сангаас、输出特性
b
R1±ΔR
1
Z4
Z3
Z3 Z03e j3 Z4 Z04e j4
U0
代入上式 Z01Z03e j13 Z02Z04e j2 4
上页 目录
电桥平衡必须满足两个条件
Z01Z03 Z02Z04
1 3 2 4
其中，Z01、Z02、Z03、Z04 为各阻抗的模；1、2、3、4
为阻抗角。
阻抗角是各桥臂电流与电压之间的相位差。 纯电阻时电流与电压同相位，φ=0；电感性阻抗，φ>0； 电容性阻抗，φ<0。
先将微弱的缓变信号加载到高频交流信 号中去，然后利用交流放大器进行放大，最 后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓 变信号。
2 种类
x(t)
调制信号
0
t
载波信号 z(t) Acos(2ft )
z(t)
0
t
a) 幅度调制(AM)
y(t) [ A* x(t)]cos(2ft )
b) 频率调制(FM)
（1）半桥单臂接法
输出电压
Uy
R1 R R1 R R2
R4 R3 R4
U 0
a
I1
I2
R4
d
为了简化设计，取相邻两桥臂电阻相等，
即
R1
R2
R0，R3
R4
R
' 0
U0
若 因
R0 R'0
R R0
，则输出电压
Uy
，所以
R
R 4R0 2R U0
U y 4R0 U0
R2
c
Uy
R3
上页 目录
可见，电桥的输出U y 与激励电压U0 成正比，且在 R R0
上页 目录
电容传感器
Zc
r
1
jc
电感传感器 ZL r jL
电阻传感器
1
Z R R // jc
例子：P84 习题5－1
Zc
ZL
r L
c r
ZR
C
R
上页 目录
第二节 调制与解调
1 目的 解决微弱缓变信号的放大以及信号
的传输问题。
微弱的缓变信号采用直流放大器放大， 将会受到零点漂移的影响。当漂移信号大小 接近或超过被测信号时，经过逐级放大后， 被测信号会被零点漂移淹没；
d
U0
R1 R3 R R2 R4 R
当
R
输出
U y R0 U 0
灵敏度
S
Uy R /
R
U0
R1±Δ
1
±
R
3
±ΔR
ΔR 2 R
3
c
Uy
上页 目录
上述电桥是在不平衡条件下工作的，它的 缺点是当电源电压不稳定，或环境温度变 化时，会引起电桥输出的变化，从而产生 测量误差。
因此，在某些情况下采用平衡电桥。
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。
上页 目录
4.电桥加减特性的使用 • 进行温度补偿,增加测试的精度.
• 从复合受力中提取某一单一力 • 可以提高系统灵敏度.
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。
电桥平衡条件
Z1
Z1Z3 Z2Z4
Z2 Uy
把各阻抗用指数式表示
Z1 Z01e j1 Z2 Z02e j2
放大
高频信号
放大高 频信号
解调
放大缓 变信号
为了减小信号频率混叠、失真，必须遵循香农定理。 香农定理：
fc 2 fm
实际载波频率常至少数倍甚至数十倍于调制信号最 高频率。
常见调幅器件：
•交流电桥
Uy
U0
sin t
4
k
U0
sin tR
4R
•霍尔元件
U H kH iB sin
4、解调
（1）同步解调
R
1 2U0
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。
（注意：一般两个应变片异号，放置在相邻的两个桥 臂上。）
（3）全桥接法
电桥加减特性
a
U 0 R1 R2 R3 R4
U 4 ( ) y
R0
R0
R0
R0
U0 4
k (1
2
3
4)
±
ΔR 4 R4
b
R
2
I1 I2
y(t) Acos(2[ f0 x(t)]*t )
c) 相位调制(PM)
y(t) Acos(2ft [0 x(t)])
3 幅度调制
调幅是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．
y(t) [ A0 * x(t)]cos(2ft )
调制
缓变信号