第五章 信号的调理与记录
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
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 PPT资料共77页
xm(t)
xm(t)
0
x(t)
0
a
17.11.2019
调制与解调(11/26)
b
g
A D2
D1
C
ec
D4 a D3
uf Rf
d f
B
t
y(t)
y(t)
uf (t)
b t0
0 t
t
相敏检波
调制与解调(12/26)
相敏检波器设计时要求B的二次边的输出大于A的二次边输出。
+
A
+
xm(t)
17.11.2019
调制与解调(7/26)
(2)幅值调制信号的 xm(t)
解调
调幅波
乘法器
解调的目的是为了
载波y(t)
恢复被调制的信号。
Xm(f)
1/2
1)同步解调
f 0
0
调幅波
Y(f) 1/2
低通滤波
x(t)
1/2
f0
f
1/2
载波
调幅波与载波 时域乘积，频
17域.11卷.20积19
1/4
2 f 0
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。
(1) 电桥平衡条件
• 把电容、电感写成矢量形式时，电桥平衡条件式可改写为
Z1Z3Z2Z4
写成复指数形式
Zi Ziej1
电桥平衡条件为
Z 1 Z 3 ej(1 3) Z 2 Z 4 ej(2 4)
F 且DR1 DR2
在温度的 R 1 R 作 1DR 用 1 ； R 2 下 R 2 ， DR 2
勘误第5章模拟信号的调理与转换
第5章 模拟信号的调理与转换测试系统的一个重要环节是信号的调理与转换。
被测物理量经传感器后的输出一般了抑制干扰噪声、提高信噪比和方便后续的传输和处理，往往需要对这些电信号调电桥是将电阻、电容和电感等参数或电流输出的一种测量电路。
电桥电路简单可靠，且具，被广泛用作仪器测量电路。
电桥可分为5.直流R 桥的一条对角线两端a 和c 接入直流电源b 和d 上输出电压y e ，该输出可直接驱动指示仪表，也可接直的出为电信号。
由于测量过程中不可避免地遭受各种干扰因素的影响，为作调理和转换。
本章主要讨论模拟信号常用的调理与转换环节，包括电桥、制与解调、滤波器、以及数/模与模/数转换。
5.1 电桥的变化转换为电压有很高的精度和灵敏度，因此按其采用的激励电源类型分为直流电桥和交流电桥；按其工作方式又零值法（平衡电桥）和偏值法（不平衡电桥）。
1.1 直流电桥电桥如图5.1所示，纯电阻1R 、2、3R 和4R组成电桥的四个桥臂，在电o e ，而另一对角线两端入后续放大电路。
流电桥的输出端后接输入阻抗较大仪表或放大电路时，可视为开路，其输为零，此时有电流o 112e I R R =+，o2e I R R =图5.1 直流电桥结构形式34+ 由此可得出b 、d 两端输出电压158()()14o o 12341324o1234b ad R R U e e R R R R R R R R eR R R R ⎛⎞=−=−⎜⎟++⎝⎠−++ （5-1y e 为零，即当电桥平衡时，应有y a e U =）由式（5-1）可知，要使输出电压式（5-2）为直流电桥平衡公式。
直流电桥的工作原理是：四个桥臂中的一个或数个桥臂的阻值变化而引电各桥臂的阻值，可使输出电压（或电流）仅直流电桥的优点是：采用稳定性高的直流电源作激励电源；电桥的输出e 是直流成入工频干扰较5.入b 、d 测量。
电桥平衡条件下，检流计G 的指示为零变化时，电桥不平衡，检流计G 的电流不为零。
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
【学习】第五章信号调理电路
一般采用音频交流电压（5～10kHZ）作为电桥电源。 这时，电桥输出将为调制波，外界工频干扰不易从线路 中引入，并且后接交流放大电路简单无零漂。
采用交流电桥时，必须注意影响测量误差的一些因素。
如：电桥中元件之间的互感影响；无感电阻的残余阻抗； 邻近交流电路对电桥的感应作用；泄漏电阻以及元件之间、 元件与地之间的分布电容等。
整理课件
33
整理课件
34
§2 调频与解调
（1）调频
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（载波频 率）；信号电压为正值时频率提高，负值时则降低。所以调 频波是随信号而变化的疏密不等的等幅波。
-fm
fm
－f0
f0
时域分析
频域分析
由脉冲函数的卷积性质知：一个函数与单位脉冲函数卷积的结
果，就是将其以坐标原点为中心的频谱平移到该脉冲函数处。
即调制后的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 f 0 处，幅值减半。
整理课件
24
从调幅原理看，载波频率 f 0 必须高于原 信号中的最高频率 f m 才能使已调波仍 保持原信号的频谱图形，不致重叠。
整理课件
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g(t)1 2x(t)1 2x(t)co4sf0t
据傅里叶变换性质可得：
G (f) 1 2X (f) 1 4X (f 2 f0 ) 1 4X (f 2 f0 )
若用一个低通滤波器滤去中心
频率为 2 f 0 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），若用放 大处理来补偿幅值减小，可得 到原调制信号。
测试技术模拟题含答案
5 信号的调理和记录5.1单选题1、下列（）为不正确叙述。
(A)低通滤波器带宽越窄，表示它对阶跃响应的建立时间越短；(B) 截止频率为幅频特性值为A0/21/2所对应的频率；(C) 截止频率为对数幅频特性衰减-3dB所对应的频率；(D) 带通滤波器的带宽为上、下截止频率之间的频率范围。
2、调幅波（AM）是（）。
(A) 载波与调制信号（即被测信号）相加；(B) 载波幅值随调制信号幅值而变；(C) 载波频率随调制信号幅值而变；(D) 载波相位随调制信号幅值而变。
3、调幅信号经过解调后必须经过（）。
(A) 带通滤波器；(B)低通滤波器；(C) 高通滤波器；(D)相敏检波器。
4、用磁带记录对信号进行快录慢放，输出信号频谱的带宽（）。
(A) 变窄，幅值压低；(B)扩展，幅值增高；(C) 扩展，幅值压低；(D) 变窄，幅值增高。
5、除了（）以外的其他项目可能是信号调理包括的内容。
(A) 信号放大；(B) 信号衰减；(C) 滤波；(D) 调制6、在1/3倍频程分析中，带宽是（）。
(A)常数；与中心频率成正比的；(B)与中心频率成指数关系的；最高频率的三分之一7、如果比较同相放大器和反相放大器，下列说法中，（）是不符合实际的。
(A) 它们都具有低输出阻抗的特性，一般小于1 Ω(B) 它们的增益取决于反馈电阻与输入电阻的比值，而非实际电阻值(C) 它们的增益带宽积相同(D) 对于这两种放大器，相角与频率之间的关系相同8、为了减少测量噪声，除了（），应避免以下做法。
(A) 为了节省导线，使传感器外壳和测量仪器的外壳分别接地(B) 为了安装方便，把仪器的接地点连接到电源插头的地线(C) 为了减小电磁干扰，两电源线尽可能互相靠近并互相缠绕，两信号线也应如此(D) 为了减小耦合电容，使用屏蔽电缆并且使屏蔽层在传感器端和仪器端接地5.2填空题1、交流电桥4个桥臂的阻抗按时针顺序分别是Z1、Z2、Z3、Z4，其平衡条件是（）。
《机械工程测试技术基础》试题及答案
《机械⼯程测试技术基础》试题及答案《机械⼯程测试技术基础》课后答案章节测试题第⼀章信号及其描述（⼀）填空题1、测试的基本任务是获取有⽤的信息，⽽信息总是蕴涵在某些物理量之中，并依靠它们来传输的。
这些物理量就是信号，其中⽬前应⽤最⼴泛的是电信号。
2、信号的时域描述，以时间（t ）为独⽴变量；⽽信号的频域描述，以频率（f ）为独⽴变量。
3、周期信号的频谱具有三个特点（离散性，谐波性，收敛性）4、⾮周期信号包括准周期信号和⾮周期瞬态信号。
5、描述随机信号的时域特征参数有均值x µ，均⽅值2x ψ，⽅差2x σ6、对信号的双边谱⽽⾔，实频谱（幅频谱）总是 y 轴对称，虚频谱（相频谱）总是对称。
（⼆）判断对错题（⽤√或×表⽰）1、各态历经随机过程⼀定是平稳随机过程。
（√ ）2、信号的时域描述与频域描述包含相同的信息量。
（√ ）3、⾮周期信号的频谱⼀定是连续的。
（╳）4、⾮周期信号幅频谱与周期信号幅值谱的量纲⼀样。
（╳）5、随机信号的频域描述为功率谱。
（√ ）（三）简答和计算题1、求正弦信号t x t x ωsin )(0=的绝对均值µ|x|和均⽅根值x rms 。
2、求正弦信号)sin()(0?ω+=t x t x 的均值x µ，均⽅值2x ψ，和概率密度函数p(x)。
3、求指数函数)0,0()(≥>=-t a Aet x at的频谱。
4、求被截断的余弦函数??≥<=Tt T t tt x ||0||cos )(0ω的傅⽴叶变换。
5、求指数衰减振荡信号)0,0(sin )(0≥>=-t a t et x atω的频谱。
第⼀章信号及其描述（⼀）1、信号；2、时间（t ），频率（f ）；3、离散性，谐波性，收敛性；4、准周期，⾮周期瞬态；5、均值x µ，均⽅值2x ψ，⽅差2x σ；6、偶，奇；（⼆）1、√；2、√；3、╳；4、╳；5、√；（三）1、π2x ，2x ；2、0，220x ，)cos(10?ωπ+t x ；3f j a A π2+、；4、()()T f c T T f c T )2(sin )2(sin 00ωπωπ-++； 5、faj f a πωπω44202220+--；第⼆章测试装置的基本特性（⼀）填空题1、某⼀阶系统的频率响应函数为121)(+=ωωj j H ，输⼊信号2sin)(tt x =，则输出信号)(t y 的频率为=ω，幅值=y ，相位=φ。
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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。
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R R ，容易对传感器产生负载效应；
同相放大器也是最基本，其闭环电压增益
串接射极跟随器后，电路的输入阻抗可以提高到109欧以上，所以射极跟随器也常被称为
调制
上述调制方法，将信号x(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。
①调幅
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。
(3) 相敏检波（整流检波）
是可以
，所以采用相敏检波时，对调制信号不必再加直流偏置。
相敏检波利用交变信号在过零位时正、负极性发生突变，使
)，这样便既能反映出原调制信号的幅值，又能反映其极性。
相敏检波电路
+
++++
+--
-
---
若y (t ) > 0，则VD 1通：d →1→VD 1 →2→5→R 1→地→d VD 1 或VD 3通若y (t ) < 0，则VD 3通：d →3→VD 3 →4→5→R 1→地→d
①调幅信号x (t ) > 0时
①②++
+
+
H L -L -H -H L -L H 注意：y (t )的振幅大于x m (t )的振幅
若y (t ) > 0，则VD 2通：5→2→VD 2→3→d →地→R 1→5若y (t ) < 0，则VD 4通：5→4→VD 4→1→d →地→R 1→5
②调幅信号x (t ) < 0时
①②VD 2 或VD 4通
++
+
+
注意：y (t )的振幅大于x m (t )的振幅
调制信号已调制信号
器的谐振回路的一调谐参数，则电路的谐振频率为0
低通高通
带通
带阻
低通和高通滤波器的串联成为带通滤波器LPF HPF
低通和高通滤波器的并联成为带阻滤波器LPF
HPF
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。
故为物理不可实现f c
Hz 。
带宽表示滤波器的分辨能力，即滤波器分离信号中相邻频率成分的能力。
c1f c20 所对应的频率。
通带中幅频特性值的起伏变化值。
中心频率和带宽之比。
B Q=f 0/B
上下两截止频率之间的频率范围。
f 0
R C +
u o
o o i du RC u u +=c f =
R C u i +
u o
o u R (/)
f f 2) 一阶RC 高通滤波器
f
23) RC 带通滤波器H 11R C τ=L 22
R C τ=可以看作为高通滤波器和低通滤波器的串联
图5-28中给出了一些此类滤波器的构成方法。
这是因为多个中心频率相同的滤波器级联后，其总幅频特性为各滤波器幅频特性的乘积，因此通带外的频率成分将会有更大的衰减。
但必须注意到，虽然多个简单滤波器的级联能改善滤波器的过渡带性能，却又不可避免地带来了明显的负载效应和相移增大等问题。
为避免这些问题，最常用的方法就是采用有源滤波器。