《汽车测试基础》5信号调理、处理与记录显示

即
R1
R2
R0，R3
R4
R
' 0
U0
若
R0 R'0 ，则输出电压
Uy
4
R R0 2R
U
0
因
R R0
，所以
Uy
R 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
条件下，与 R / R0 成正比。
灵敏度
S
Uy R /
R
1 4U0
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（2）半桥双臂接法
C1
uf L1
C2 L2
ua C
R uc
频率-电压线性 变换部分
幅值检波部分
随着测量参数的变化，幅值 ua 随调频波频率近似线性变化，
调频波 u f 的频率和测量参数保持近似线性关系。
因此，把 ua 进行幅值检波就能获得测量参量变化的信息，且
保持近似线性关系。
目录 上页
第三节 滤波器
一、概述
1、作用：选频作用 ①进行频谱分析
输出
b
Uy
R1
R1 R1 R1 R2 R2
R4 R3 R4
U 0
a
R 2R0
U0
R
I1 I2 R4
R1±Δ
1
±
ΔR 2 R
2
c
R3
Uy
d
灵敏度
S
Uy R / 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。
上页
目录
（3）全桥接法
b
R
2
R1±Δ
R
RC
du y dt
uy
ux
ux
令τ=RC，称时间常数。
传递函数
H
s
U U
y x
s s
1
s
1
C
uy
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1º、当
f
1
2RC
时，A(f)=1,
φ(f)-f 近似于一条通过原点的直线。
此时，RC低通滤波器是一个不失
真传输系统。
2º、当
f
1 时，A f
2RC
1 2
，即
fc2
1
2RC
表明，RC值决定着上截止频率。
目录
§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
目录
一、直流电桥
1、电磁形式
2、平衡条件
Uy
Uab
Uad
R1 R1 R2
U0
R4 R3 R4
U0
R1R3
R1 R2
R2R4
u u 3º、当
f
1
2RC
时，输出
y与输入
x的积分成正比，即
u y
1 RC
u x dt
上页
此时，RC低通滤波器起着积分器的作用。
目录
2、RC高通滤波器
微分方程式
uy
1 RC
uydt ux
ux
C
R uy
令RC=τ，则传递函数
H s s
s 1
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1º、当
f 1 时，A f
2
1 2
上页 目录
一、调幅及其解调
调幅：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。
1、调幅原理
由傅立叶变换的性质知：在时域中两个信号相乘，则对应在频
域中这两个信号进行卷积，即 xtyt X f *Y f
余弦函数的频域图形是一对脉冲谱线
cos 2f0t
或者说带宽和建立时间的乘积是常数，即
BTe 常数
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三、实际RC调谐式滤波器
（一）基本参数
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
A(f)
d
1、纹波幅度d d A0 / 2
A0
.
d
2、截止频率
A0 2
幅频特性值 等于A0 / 2 所对应的频率。
3、带宽B和品质因数Q值
0
fc1
fc2 f
上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽。
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
Z4
Z3
Z3 Z03e j3 Z4 Z04e j4
U0
代入上式 Z01Z03e j13 Z02Z04e j2 4
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电桥平衡必须满足两个条件
Z01Z03 Z02Z04
1 3 2 4
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两种常用的调频方法及一种解调方案：
（一）直接调频测量电路
把被测量的变化直接转换为振荡频率的变化称为直接 调频式测量电路，其输出也是等幅波。
（二）压控振荡器
压控振荡器的输出瞬时频率与输入的控制电压值成线 性关系。
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（三）变压器耦合的谐振回路鉴频法
调频波的解调又称为鉴频，是将频率变化恢复成调制信号电压 幅值变化的过程。
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 信号的指示和记录装置 返回
§1 电 桥
一、直流电桥 二、交流电桥
目录
§2 调制与解调
一、调幅及其解调 二、调频及其解调
目录
§3 滤波器
一、滤波器分类 二、理想滤波器 三、实际RC调谐式滤波器 四、恒带宽比滤波器和恒带宽滤波器
均为正
uf
均为负
uf
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4、动态电阻应变仪
调制 信号
载波
调幅波 放大后波形 解调后波形
电桥
放大
相敏检波
低通滤波
还原信号 调制
振荡器
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二、调频及其解调
调频（频率调制）是利用信号电压的幅值控制一个振荡 器，振荡器输出的是等幅波，但其振荡频率偏移量和信 号电压成正比。
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。
按所处理的信号信号分 ①模拟滤波器 ②数字滤波器
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二、理想滤波器
若滤波器的频率响应H(f)满足条件
H
f
A0
e
j 2ft0
0
则称为理想滤波器。
f fc 其它
Hf
A0
0 fc
fc fc
Φ(f)
f
fc 0 2t0 f
上页
目录
脉冲响应函数
在频域为矩形窗函数的“理想”低通滤波器的时域脉冲响应
中心频率 f0 和带宽B之比称为滤波器的品质因数Q。
4、倍频程选择性
倍频程选择性是指在上截止频率 fc2 与 2 fc2 之间，或者在下
截止频率 fc1与 fc1 / 2 之间幅频特性的衰减量。
5、滤波器因数λ
B60dB
B3dB
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（二）RC调谐式滤波器的基本特性
1、一阶RC低通滤波器
电路的微分方程式：
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)
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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）
载波电压为正 载波电压为负 载波电压为正 载波电压为负
②滤除干扰噪声
2、分类
A1(f)
1
按选频作用分
①低通滤波器 0 ②高通滤波器
f2
③带通滤波器 A3(f)
1 ④带阻滤波器
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0 f1
A2(f)
1
f 0 f1
A4(f)
1
f2 f 0 f1
f f2 f
①RC谐振滤波器 按构成元件类型分 ②LC谐振滤波器
③晶体谐振滤波器
按构成电路性质分 ①有源滤波器 ②无源滤波器
fc
1 2 fc
1 2 fc
1 fc
ht
A0 fc
1
1
fc
fc
f
f
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需要一定建立时间的解释： 输入信号如有突变处必然含有丰富的高频分量。低通滤 波器阻衰了高频分量，其结果是把输出波形“圆滑”了。 通带越宽，阻衰的高频分量越少，使信号能量更多、更 快地通过，所以建立时间就短；反之，则长。
低通滤波器对阶跃响应的建立时间 Te 和带宽B成反比，
率，即
1
fc1 21
其上截止频率为原低通的截止频率，即
fc2
1
2 2
分别调节高、低通环节的时间常数（1 及 2 ），就可得到不
同的上、下截止频率和带宽的带通滤波器。
上页
目录
多个滤波器
四、恒带宽比滤波器和恒带宽滤波器
滤波器的-3dB截止频率为
f c1
1
2RC
2º、当
f
1 2
时，A f
1 ； f
0
RC高通滤波器可视为不失真传输 系统。
3º、当
f
1
2
时，输出与输入的
微分成正比，
RC高通滤波器起着微分器的作用。
动态演示
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3、RC带通滤波器
带通滤波器可看成是低通滤波器和高通滤波器串联组成。
串联所得的带通滤波器以原高通滤波器的截止频率为下截止频
f0
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x(t) 调制器 xm t xtcos 2f0t
y(t)
目录 上页
从调幅原理看，载波频率 f0 必须高于原信号中的最高频率 fm 才能使已调波仍保持原信号的频谱图形，不致重叠。
为了减小放大电路可能引起的失真，信号的频宽 2 fm 相对中
心频率（载波频率 f0 ）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。
可以推论，理想的高通、带通、带阻滤波器都是不存在 的。
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阶跃响应
给滤波器以单位阶跃输入u(t)，滤波器的输出y(t)将是该输入和 脉冲响应函数h(t)的卷积：
yt
ht
*
ut
u
ht
d
不考虑前、后皱波，
输出从零值（a点）到应有稳定值 A0
y(t) b
A0
（b点）需要一定的建立时间 tb ta 。 0.5A0
函数是sinc函数。
如无相角滞后，即t0 0 ，则 h(t)具有对称的图形。
ht
2
Afc
sin2f ct
2fct
Hf
A0
h(t) 2 A0 fc
fc 0
fc
f
1
fc
1 0
2 fc
1 2 fc
1t fc 上 页
目录
理想滤波器是不能实现的。
因为h(t)是滤波器在δ(t)作用下的输出，其图形却表明， 在输入δ(t)到来之前，即t<0, 滤波器就有了与输入相对应 的输出。显然，这违背了因果关系，任何现实的滤波器 不可能有这种预知未来的能力，所以理想低通滤波器是 不可能存在的。
tb
ta
0.61 fc
a
ta 0 tb
时移 t0 只影响输出曲线y(t)的右移，不影响 tb ta
值。
t
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滤波器的通频带越宽，即 fc 越大，则h(t)的图形越陡峭，
响应的建立时间 tb ta 也将越小。
Hf
ht
2 A0 fc
fc 0
f
fc
Hf
fc 2 0 fc 2
f
1
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
ZL
ZR
L
C
R
r
上页 目录
第二节 调制与解调
调制：使一个信号的某些参数在另一信号的控制下发生变化
的过程。前一信号称为载波，后一信号（控制信号）称为调 制信号。最后的输出是已调制波。
解调：最终从已调制波中恢复出调制信号的过程。
根据载波受调制的参数不同，调制可分为 调幅（AM）
调频（FM）
调相（PM）
1
±
ΔR 2 R
输出
Uy
R R0
U
0
±
a
I1
I2
3
c
Uy
±ΔR
ΔR 4 R4
R
3
灵敏度
S
Uy R /
R
U0
d
U0
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。
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平衡电桥
设被测量等于零时，电桥处于平衡状
上页 目录
2、解调
（1）同步解调
xm f
乘法器
调幅波
x(t)
低通
载波y(t)
把调幅波再次与原载波信号相乘，
则频域图形将再一次进行“偏移”。
若用一个低通滤波器滤去中心频
率为 2 f0 的高频成分，那么将可
以复现原信号的频谱（幅值减小
为一半），这一过程称为同步解调。
“同步”指解调时所乘的信号与调制
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。
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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。
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（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。
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。
若所加的偏置电压未能使信号电压都在零线的一
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
U0 为直流电源
U y 为输出电压
上页 目录
3、输出特性
b
R1±ΔR
1
（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，
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。
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电容传感器
Zc
r
1
jc
电感传感器 ZL r jL
电阻传感器
Zc
r c
1
Z R R // jc