第5章信号调理与记录
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。
机械工程测试技术基础教学PPT
#2022
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测量的基础知识
基本量和导出量 基本量： 长度、质量、时间、温度、电流、发 光强度、物质的量 导出量：由基本量按一定函数关系来定义的
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测量的基础知识
3、基准与标准
基准：用来保存、复现计量单位的计量器具，是最高准确度的计量器具。 国家基准、副基准和工作基准 计量标准：用于检定工作计量器具的计量器具 工作计量器具是指用于现场测量而不用检定工作的计量器具。
物质所固有，客观存在或运动状态的特征 非物质，不具有能量，传输依靠物质和能量
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四、测试技术的内容
测试技术的内容 测量原理：实现测量所依据的物理、化 学、生物等现象及有关定律。 测量方法：分为直接或间接测量、接触 或非接触测量、破坏或非破坏测量 测量系统 数据处理
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测试过程：首先利用酒精（敏感元件）检测出被测对象温度变化并将其转换成自身体积的变化（热胀冷缩），然后经过等截面的中空玻璃管（中间变换器）再转换成高度的变化（分析处理），最后由外面的刻度线显示出测试结果（显示、记录）并提供给观察者或输入后续的控制系统。
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教材、参考书与课时安排 教材 机械工程测试技术基础(第3版) 熊诗波 黄长艺编著 机械工业出版社 测试技术与信号处理 郭迎福，焦锋，李曼主编 中国矿业大学出版社 课时安排 授课 ：36学时 实验 ：4学时
教材、参考书与课时安排
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教学目的和要求 测试技术是工科院校机械类各专业本科生一门重要的技术基础课，内容包括传感器、测量电路、测试系统的特性，信号分析与数据处理 。 通过本课程的学习： 掌握传感器的原理、特点及应用，常用测试系统和测量电路以及信号分析的基本原理和分析方法。为后续课程打好基础。
领域：工业、农业、航天、军事等
【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
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§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。
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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。
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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。
华中科技大学工程测试与信息处理(08009650)作业与答案
1 请给出3种家用电器中的传感器及其功能。
洗衣机：水位传感器冰箱：温度传感器彩电：亮度传感器热水器：温度传感器空调：温度传感器2 请给出智能手机中用到的测试传感器。
重力传感器、三维陀螺仪、GPS、温度传感器、亮度传感器、摄像头等。
3 系统地提出（或介绍）你了解的（或设想的）与工程测试相关的某一（小）问题。
考虑通过本门课程的学习，你如何来解决这一问题。
（注意：本题的给出的答案将于课程最后的综合作业相关联，即通过本课程的学习，给出详细具体可行的解决方案）第二章普通作业1请写出信号的类型1)简单周期信号2)复杂周期信号3)瞬态信号准周期信号4)平稳噪声信号5) 非平稳噪声信号第二章 信号分析基础 测试题1. 设时域信号x(t)的频谱为X(f)，则时域信号（C ）的频谱为X(f ＋fo ）。
A . B. C. D.2. 周期信号截断后的频谱必是（A ）的。
A. 连续B. 离散C. 连续非周期D. 离散周期3. 不能用确定的数学公式表达的信号是 (D) 信号。
A 复杂周期B 非周期C 瞬态D 随机4. 信号的时域描述与频域描述通过 (C) 来建立关联。
A 拉氏变换B 卷积C 傅立叶变换D 相乘5. 以下 (B) 的频谱为连续频谱。
A 周期矩形脉冲B 矩形窗函数C 正弦函数D 周期方波6. 单位脉冲函数的采样特性表达式为（A ） 。
)(0t t x -)(0t t x +t f j e t x 02)(π-t f j e t x 02)(πA )(d)()(t xttttx=-⎰∞∞-δB )()(*)(ttxtttx-=-δC )()(*)(t xtt x=δ D 1)(⇔tδ2.6 思考题1) 从下面的信号波形图中读出其主要参数。
解答提示：峰值9.5V，负峰值-9.5V，双峰值19V，均值0V。
周期=0.06/3.5S2) 绘出信号的时域波形解答提示：3) 为什麽能用自相关分析消去周期信号中的白噪声信号干扰。
《测试技术与信号处理》课程教学大纲
《测试技术与信号处理》课程教学大纲课程代码：0806315008课程名称：测试技术与信号处理英文名称：Testing Technology and Signal Processing总学时：48 讲课学时：40 实验学时：8学分：3适用专业：机械设计制造及其自动化专业（汽车、城轨）先修课程：高等数学、工程数学、工程力学、机械设计基础、电工电子技术一、课程性质、目的和任务《测试技术与信号处理》是机械类专业的专业基础课和必修课程，也是机械大类专业的平台课程。
通过本课程的学习，要求学生初步掌握动态测试与信号处理的基本知识与技能，培养正确选用和分析测试装置及系统的能力，并掌握力、压力、噪声、振动等常见物理量的测量和应用方法，为进一步学习、研究和处理车辆工程技术中的测试问题打下基础。
二、教学基本要求本课程分为概论、信号描述、测试系统特性、常见传感器、信号的调理处理和记录、信号分析基础、常见物理量测量和计算机辅助测试几部分。
学完本课程应具有下列几方面的知识：(1) 掌握测量信号分析的主要方法，明白波形图、频谱图的含义，具备从示波器、频谱分析仪中读取解读测量信息的能力。
(2) 掌握测试系统的静态特性、动态特性，不失真测量的条件，测试系统特性的评定方法，减小负载效应的措施。
(3) 掌握传感器的种类和工作原理，能针对工程问题选用合适的传感器。
(4) 掌握信号的调理、处理和记录的方法和原理。
(5) 掌握信号的相关分析、频谱分析原理与应用。
(6) 掌握温度、压力、位移等常见物理量的测量方法，了解其在工业自动化、环境监测、楼宇控制、医疗、家庭和办公室自动化等领域的应用。
(7) 了解计算机测试系统的构成，用计算机测试系统进行测量的方法、步骤和应该注意的问题。
三、教学内容及要求1. 绪论介绍测试系统的基本概念，测试系统的组成。
及测试技术的工程意义：在工业自动化、环境监测、楼宇控制、医疗、家庭和办公室自动化等领域的应用情况和测试技术的发展趋势。
工程测试技术基础第五章信号调理
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 ])
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调制与解调 幅度调制与解调过程（波形分析）
x(t) z(t)
乘法器
x m(t)
放大器
z(t)
乘法器
滤波器
x(t)
5.3调制与解调 幅度调制与解调过程（频谱分析）
x(t) z(t)
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
1 直流放大电路
1) 反相放大器
电压增益:
Av
RF R1
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)
y(t)A co 2 fs t[(0 x(t)])
测试技术 课程总结
∑H
i =1
i
(s)
3.5 实现不失真测试的条件
幅频特性： A ( ω ) = A 0 相频特性： ϕ ( ω ) = － t 0 ω
3.6 测试系统静态特性和动态特性的测定
一、测试系统静态特性的测定 “标准”的静态量输入→定度曲线→拟合直线→非线性度、 灵敏度等
二、测试系统动态特性的测定 1.频率响应法（稳态正弦法） 频率响应法（稳态正弦法） 频率响应法
第四章 常用传感器
本章学习要求： 本章学习要求：
1.熟悉传感器的定义、作用和分类 2.了解传感器的选用原则 3.掌握电阻式、电感式、电容式、压电式等常用传感 器的原理、特点、应用。
4.1 传感器概述
1.传感器定义 传感器——将被测量按一定规律转换成便于应用的 传感器 某种物理量的装置。 2.传感器的作用 将被测量转换成电信号,传送给测试系统中的后续环节。 3.传感器的构成 传感器由一次敏感元件、敏感器件与辅助器件组成。 。
2、截断、泄漏和窗函数 截断、 （1）截断—将无限长的信号乘以有限宽的窗函数。 截断— （2）窗函数—在模数转换过程中对时域信号取样时所采用 窗函数— 的截断函数。 （3）泄漏—由于时域上的截断而在频域上出现附加频率 泄漏— 分量的现象。 减小泄漏的措施： 增长截断长度，加大窗宽。 选用汉宁窗、三角窗等较好的窗函数。
n =1 ∞
其中，
2 An＝ a n + b n2
ϕ n = − arctan
bn an
由上式可作出周期信号的单边频谱
幅频图
相频图
(2) 傅里叶级数的复指数展开式与周期信号的双边频谱 利用欧拉公式： x (t ) = 式中，
1 Cn = T0
《测试技术》课程教学大纲
《测试技术》课程教学大纲适用于本科机械设计制造及其自动化专业学分：2.5 总学时：40 理论学时：32 实验/实践学时：8一、课程的性质、任务和要求《测试技术》是机械设计制造及其自动化专业的一门专业必修课。
本课程共40学时，2.5学分。
《测试技术》课程的主要任务是：通过本课程的学习可以获得各种机械量、热工量的测量原理、测量方法和测试系统的构成，培养学生掌握常见工程量检测的方法和仪器工作原理，具备根据具体测试对象、测试要求、测试环境选择合适测量原理和测量方法的能力，具备设计简单测试系统的能力。
课程以课堂讲述为主，突出基本概念，并配以适量实验环节，增强学生的感性认识。
为后续课程的学习、从事工程技术工作与科学研究打下坚实的理论基础。
学习本课程后，应达到下列基本要求：1. 熟悉信号的分类与描述方法，掌握测量信号分析的主要方法，具备从示波器、频谱分析仪中解读测量信息的能力；2. 掌握传递函数和频率响应函数的概念和物理意义。
掌握测试系统的静态特性和动态特性及其测量方法。
掌握实现不失真测试的条件。
熟悉负载效应及其减轻措施以及测量系统的抗干扰措施；3. 掌握常用传感器的种类和工作原理，能针对工程测量问题选用合适的传感器；4. 掌握电桥测量电路的工作原理及应用。
了解信号的调制与解调。
了解滤波器的类型和实际滤波器的特征参数；5. 掌握压力、位移、振动、温度等常见工程量的测量方法，了解其在工业自动化、环境监测、楼宇控制、医疗、家庭和办公室自动化等领域的应用；6. 了解测试技术中的常用软件，例如Matlab、LabVIEW等；7. 了解计算机测试系统及虚拟测试系统的构成。
知晓用计算机测试系统进行测量的方法、步骤和应该注意的问题。
二、本课程与其它课程的关系、主要参考教材本课程的先修课程为：高等数学、概率论与数理统计、大学物理、材料力学、电工电子技术等。
参考教材：[1] 《机械工程测试技术基础》（第3版），熊诗波，黄长艺，机械工业出版社，2006.5[2] 《测试技术基础》，李孟源，西安电子科技大学出版社，2006.2[3]《机械工程测试技术》周生国，北京理工大学出版社，2003[4]《测试技术基础》王伯雄，清华大学出版社，2003[5]《传感器与测试技术》徐科军，电子工业出版社，2004[6]《传感器及其应用》栾桂冬，西安电子科技大学出版社，2006三、课程内容（一）、绪论主要内容：测试技术的概念与研究对象；测试技术在本专业中的作用和地位；测试技术课程的主要内容及其各部分的内在联系；测试技术课程的特点及任务要求；测试技术的过去、现在和未来。
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• 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。
• 4、恒带宽比滤波器的中心频率越高，其带宽（越大 ），频率
分辨率越低。
• 5、增益在高频率的下降是运放的固有特征，低频增益与截止频
率之间的关系可以用（增益带宽积）(GDP)来描述。如果希 望较高的增益并保持带宽，可以使用两个放大器（ 串联 ）。
• 6. 为了减小负载误差，放大器的输入阻抗一般是很(高 )的。 • 7 设计滤波器时，必须指明滤波器的种类、（截止频率 ）、逼近
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
率。(正确)
• ④ 下限频率相同时，倍频程滤波器的中心频率是1/3倍 频程滤波器的中心频率的21/3倍。(正确)
• 6、设有一低通滤波器，其带宽为300Hz。问如何与磁带 纪录仪配合使用，使其分别当作带宽为150Hz和600Hz 的低通滤波器使用？
• 答：使重放速度为记录速度的2倍，即使时间尺度压缩， 这样所得到信号频带就可以加宽至600Hz；使重放速度 为记录速度的1/2，即使时间尺度伸长，这样所得到信 号频带就可以变窄至150Hz。
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；(B)与中心频率成正比的；(C)与中心频率成指 数关系的；(D)最高频率的三分之一
• 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
• 解：单臂工作：
应变为2με时，
U BD
1 4
U
0
K
1
1 2 2 2 106 4
2 106V
应变为2000με时，
U BD
1 4
U
0
K
1
1 2 2 2000106 4
2 103V
双臂工作： 应变为2με时，
U BD
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1 4
U
0
K
(
1
2)
1 4
2 2 (2 106
2 106 )
4 106V
• 4、什么是滤波器的分辨力？与那些因素有关？
• 滤波器的分辨力是指滤波器分离信号中相邻频率成分的 能力。滤波器的分辨力与滤波器的带宽有关，通常带宽 越窄分辨率越高。
• 5、设一带通滤波器的下截止频率为fc1，上截止频率为 fc2，中心频率为fn，试指出下列技术中的正确与错误。
• ① 倍频程滤波器fc2=21/2 fc1。(错误fc2=2fc1 ， fc2=fn2/fc1) • ②fn=( fc1 fc2)1/2(正确) • ③ 滤波器的截止频率就是此通频带的幅值-3dB处的频
• 5.2填空题 • 1其、平交衡流条电件桥是4（个桥Z1Z臂3 的Z2阻Z4）抗。按时针顺序分别是Z1、Z2、Z3、Z4，
• 2、调幅波可用看作是载波与调制波的（乘积 ）。
• 3、一个变送器用24V电源供电，就其测量范围，输出4~20mA的 电流。为了把信号输入虚拟仪器，可在变送器电路串连一个
(250 )Ω的标准电阻，以便在该电阻两端取出1~5V的电压信号。
方式和阶数。对于某些逼近方式，还要指明通带或阻带的波纹。
• 5.3简答题 • 1、通常测试系统由哪几部分组成？简要说明各组成部
分的主要功能。
• 传感器：把被测量转换为电量； • 中间电路：对传感器输出的信号进行转换和处理； • 显示记录装置：对来自中间电路的信号做显示和记录。 • 2信ω、>号>等为Ω臂。ε=电E桥sin单Ω臂t，工写作出，输电出源电电压压U为BD并U0示=U意ms画in出ωt各，曲输线入， • 输出电压UBD表达式和各信号曲线如下：
• 5.4应用题
• 1、以阻值R=120Ω，灵敏度K=2的电阻丝应变片与阻值为120Ω的 固定电阻组成电桥，供桥电压为2 V，并假定负载为无穷大，当 应变片的应变为2με和2000με时，求出单臂工作的输出电压。若 采用双臂电桥，另一桥臂的应变为-2με和-2000με时，求其输出电 压并比较两种情况下的灵敏度。
• UBD=(1/4)Um KEsinΩt sinωt
• 3、选择一个正确的答案并阐述其原理。
• 将两个中心频率相同的滤波器串联，可以达到：
• (1) 扩大分析频带；
• (2) 滤波器选择性变好，但相移增加；
• (3) 幅频、相频特性都得到改善。
• 选(2)。两个中心频率相同的滤波器串联，总幅频特性为 两个滤波器的乘积，因此通带外的频率成分将有更大的 衰减斜率。总的相频特性为两个滤波器的叠加，所以相 角变化更加剧烈。
应变为2000με时，
U BD
1 4
U
0
K
(
1
2)
1 4
2 2 (2000106
2000106 )
4000 10 6 V
显然，双臂工作时，灵敏度增加了一倍。