第4章_信号的调理与记录
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
全性测试等。
测试技术的应用： 广泛应用于汽车、 航空、航天、机 械制造等领域。
古代：手工测量经验判断 近代：仪器测量数据记录 现代：计算机辅助测试自动化测试 未来：智能化测试远程测试大数据分析
传感器：用于采集 被测对象的物理量
数据采集系统：用 于将传感器采集到 的信号转换为数字 信号
温度传感器：通过热敏电阻或热电 偶等元件测量温度变化广泛应用于 工业、医疗等领域。
流量传感器：通过电磁感应或超声 波等原理测量流体流量广泛应用于 供水、供气等领域。
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压力传感器：通过压敏电阻或压电 晶体等元件测量压力变化广泛应用 于液压、气动等领域。
加速度传感器：通过压电晶体或电容 式等元件测量加速度变化广泛应用于 汽车安全、航空航天等领域。
数据处理系统：用 于对采集到的数据 进行处理和分析
显示系统：用于显 示测试结果和图表
信号及其描述
信号的定义：信号是信息的载体是物理量随时 间变化的过程
信号的分类：根据信号的性质和特点可以分为 连续信号和离散信号
连续信号：信号的取值是连续的如正弦波、三 角波等
离散信号：信号的取值是离散的如数字信号、 脉冲信号等
实时化：测试技 术将更加实时化 能够实时监测和 预警设备状态
绿色化：测试技 术将更加绿色化 减少对环境的影 响提高能源利用 效率
智能化：测试技术将更加智能化能够自动识别和诊断机械故障 集成化：测试技术与其他技术如物联网、大数据等更加紧密地集成提高测试效率和准确性 实时化：测试技术将更加实时化能够实时监测和预警机械设备的运行状态 绿色化：测试技术将更加注重环保和节能降低机械设备的能耗和污染排放
chapter4 信号调理和记录new
Z1 Z 3 Z 2 Z 4
把各阻抗代入平衡条件式，得：
Z 01 Z 03 e
j ( 1 3 )
Z 02 Z 04 e
j ( 2 4 )
若此式成立，必须同时满足下列两等式：
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Z 01 Z 03 Z 02 Z 04 1 3 2 4
一、 直流电桥
a
●平衡条件
R1
R1R3 R2 R4
b
R4 E
d
V
R3
c
R2
R1 R3 R2 R4 V E ( R1 R2 )(R3 R4 )
不平衡条件
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如果电桥的4个电阻中任一个或者多个 电阻阻值发生变化，将打破平衡条件，使得 输出电压发生变化。 测量电桥正是利用这一特点。
相对臂阻抗模之积相等 相对臂阻抗角之和相等
为满足上述条件，交流电桥各臂可有不同的组合。常用 的电容、电感电桥，其相邻两臂接入电阻
（例如 Z R , Z R
02 2 03
3
2 3 0
）
而另外两个桥臂接入相同性质的阻抗，例如都是电容或 者都是电感，保持 1 4 。
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第四章 信号的调理与记录
本章学习要求：
1.电桥原理与应用 2.信号调制解调原理
3.信号滤波器工作原理
4.模拟信号放大电路原理 5.信号的记录
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概述
第一节、电桥 第二节、调制与解调
第三节、滤波器
第四节、信号放大
第五节、测试信号的显示与记录
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第四章 信号调理与处理
幅值调制装置实质上是一个乘法器。现在已有性能 良好的线性乘法器组件。霍尔元件也是一种乘法器。
电桥在本质上也是一个乘法装置，若以高频振荡电 源供给电桥，则输出为调幅波。
霍尔元件： VH kH iB sin
电桥：
Uy
R R0
U
0
三、调制与解调
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
xm (t) xt cos 2f0t cos
xt cos 2f0t
三、调制与解调
调幅信号的频域分析
由傅里叶变换的性质知：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，
余弦函数的频域图形是一对脉冲谱线
xt yt
X f Y f
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。
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，调频波的频率就等于中心频率；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。
第五章 信号变换及调理
三、调制与解调 调频波的瞬时频率可表示为． f＝fo±△f 式中f。——载波频率，或称为中心频率； △f—频率偏移，与调制信号x(t)的幅值成正比。
四、 滤波器
滤波器还有其它不同分类方法，例如， 根据构成滤波器的大件类型，可分为RC、LC或晶
体谐振滤波器； 根据构成滤波器的电路性质，可分为有源滤波器和
无源滤波器； 根据滤波器所处理的信号性质，分为模拟滤波器与
数字滤波器等等。
滤波器的性能指标
A0
0.707A0
Q=f0 / B
第四章信号调理
第四章信号调理
❖ 本章主要解决信号的传输、放大、滤波、 等问题。
❖ 测量中常遇到以下问题：
传感器输出的电量信号不易传输；（电桥）
传感器输出的电量信号为缓变的微弱信号，无
法直接推动仪表指示；
（调制）
传感器输出的信号含有大量的干扰和噪声；
（滤波）
第四章信号调理
§4-1 电桥
第一节 电桥
灵敏度高。
第四章信号调理
二、交流电桥 ❖ 交流电桥的平衡条件
Z1 A
B
Z2
u0
C
交流电桥采用交流电压供电， 四个桥臂可以是电感L、电容
Z4
Z3
D
u i=Umsint
C或者电阻R，均用阻抗符号Z
表示。
C1
B C2
根据对直流电桥的讨论可以写出 A
R1
R2
u
C
UO(Z1Z1Z Z32)Z (Z32Z 4Z4)Ui
BD —— 输出端(U0) （一般视为开路）
RH——负载电阻
Ui
第四章信号调理
（一）、直流电桥的平衡条件
U 0 U BA U DA
I1R1 I2R4
R1 R1 R
2
U
i
R
3
R4
R
4
U
i
(
R
R1 1
R3 R2
)(
R2 R3
R
4
R
4
)
U
i
Ui
由上式可见：若R1R3=R2R4，则输出电压必为零，此时电
U 0U 4i ( R R 11 R R 22 R R 33 R R 44)
若电桥初始是平衡的，即R1R3=R2R4，略去ΔR/R的平方项，
Signal_4_4_信号调理AD_DA数据采集
测试系统抗干扰设计
一、干扰因素
A）空间辐射干扰（电磁干扰）：电气设备、电子设备、通信设施的 高密度使用，使空间电磁波污染越来越来严重。空间辐射干扰主要
有地球大气放电（如雷电）、宇宙干扰（如太阳产生的无线电辐
射）、静电放电等自然干扰和高压输电线、内燃机、荧光灯、电机 等电气设备产生的放电干扰。这些干扰源产生的辐射波频率范围广，
且无规律。空间辐射干扰以电磁感应的方式通过测控系统的壳体、
导线、敏感探头等形成接收电路，造成对系统的的干扰。
B）电网干扰：工业系统中的某些大设备的启动、停机等，可能引起电 源过压、欠压、浪涌、下陷及产生尖峰干扰，这些电压噪声均通过 电源内阻耦合到测控系统的电路，给系统造成极大的危害。 C）小信号长线传输干扰：传感器输出的信号较弱，传输线较长，易受 干扰影响，当A/D转换器在获取0～50mV小信号时，不恰当的模拟接 地方法会给系统造成较大的测量误差。
Da
Ui
001 000 0 1 2 3 4 5 6 7
Ui
A/D转换将模拟输入电压Ui 转换为n位二进制数Da，则有：
Ui Da U e, Da an1 n1 an2 n2 a1 1 a0 0 2 2 2 2
其中，n —— A/D转换器位数；
UH～ 传 感 器 外 壳
C1
高 压 线 测 量 系 统 仪 器 外 壳
Us
C2
C1 U1 UH UH 1 1 C1 C3 C1 C3 C2 U2 UH C2 C4
1 C3
C3
C4
当U1=U2时，它们是共模干扰电压，当二者不相等时，既有共模干 扰电压又有差模干扰电压。 大电流导体的电磁场在双输入线中感生的干扰电动势有相似的分析方法。
《测试技术基础》期末试题及答案_-
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 为独立变量；而信号的频域描述，以 频率 为独立变量。
3、 周期信号的频谱具有三个特点：离散的 ，谐波型 ， 收敛性 。
4、 非周期信号包括 瞬态非周期 信号和 准周期 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 σ；。
6、 对信号的双边谱而言，实频谱（幅频谱）总是 偶 对称，虚频谱（相频谱）总是 奇 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。
（ v ）2、 信号的时域描述与频域描述包含相同的信息量。
（ v ）3、 非周期信号的频谱一定是连续的。
（ x ）4、 非周期信号幅频谱与周期信号幅值谱的量纲一样。
（ x ）5、 随机信号的频域描述为功率谱。
（ v ）（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()(0ϕω+=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 Ae t x at 的频谱。
4、 求被截断的余弦函数⎩⎨⎧≥<=T t T t t t 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 at ω的频谱。
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 )(t t x =，则输出信号)(t y 的频率为=ω 1/2 ，幅值=y √2/2 ，相位=φ -45 。
2、 试求传递函数分别为5.05.35.1+s 和2224.141n n n s s ωωω++的两个环节串联后组成的系统的总灵敏度。
大学生《机械工程测试技术基础》期末试题及答案
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 为独立变量；而信号的频域描述，以 频率 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 瞬变周期 信号。
5、 描述随机信号的时域特征参数有 均值 、 均方值 、 方差 。
6、 对信号的双边谱而言，实频谱（幅频谱）总是 关于Y 轴 （偶） 对称，虚频谱（相频谱）总是 关于原点（奇） 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()(0ϕω+=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 Ae t x at 的频谱。
4、求被截断的余弦函数⎩⎨⎧≥<=T t T t t t 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 e t x at ω的频谱。
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 )(t t x =，则输出信号)(t y 的频率为=ω ，幅值=y ，相位=φ 。
2、 试求传递函数分别为5.05.35.1+s 和2224.141n n n s s ωωω++的两个环节串联后组成的系统的总灵敏度。
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第一节
电 桥
电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化转换成电压或电流 输出的一种测量电路。由于桥式测量电路简单可靠，具有很高 的精度和灵敏度，因此在测量装置中被广泛应用。 分类：
按激励电压：
直流电桥
交流电桥
按工作原理：
偏值法
归零法
按输出方式 ：
不平衡桥式电路 平衡桥式电路
一、直流电桥
1、电磁形式
以电阻R1~R4组成电桥的四个桥臂，在电桥 a 的对角点a、c端接入直流电源Ue作为电桥的激 励电源，b、d两端输出电压UO。使用时四个桥 臂中的一个或者多个是阻值随被测量变化的 电阻传感器。
f fc 其它
H f
A0
Φ (f)
fc
0
fc
f
fc
0
2t0
fc
f
图4-23 理想低通滤波器
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 应函数是sinc函数。
h(t)具有对称的图形。
sin 2f c t 如无相角滞后，即 t0 0 ，则 ht 2 Af c 2f c t
余弦函数的频域图形是一对脉冲谱线 1 1 cos 2f 0t f f 0 f f 0 2 2 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
目
页
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 f 0 处，幅值减半。 即，
电桥和差特性示例：
用悬臂梁做敏感元件测力时，常在梁的上下表面各贴一个应 变片，并将两个应变片接入相邻的两个桥臂。当悬臂梁受载荷时， 上应变片R1产生正向Δ R，下应变片R2产生负向Δ R，由电桥的和 差特性可知，这时产生的电压输出相互迭加，电桥获得最大输出。
图4-3悬臂梁测力的电桥接法 a）用悬臂梁做敏感元件测力 b）电桥
uf
C1
C2 L1 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 u a 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
第四章 信号调理、处理和记录
§1
§2 §3
电桥
调制与解调 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
目 录
第四章 信号的调理与记录
被测物理量经传感器后的输出信号通常是很微弱的或者 是非电压信号，如电阻、电容、电感或电荷、电流等电信号， 这些微弱信号或非电压信号难以直接被显示或者通过AD转换 器送入仪器或计算机进行数据采集，而且有些信号本身还携带 有一些我们不期望有的信息或噪声。 因此，经过传感后的信号尚需经过调理、放大、滤波等一 系列的加工处理，以将微弱电压信号放大、将非电压信号转换 为电压信号、抑制干扰噪声、提高性噪比，以便于后续环节的 处理。
xt cos 2f 0t
1 1 X f * f f 0 X f * f f 0 2 2
上
目
页
录
x(t)
调制器
xm t xt cos 2f 0t
y(t)
目
录
上
页
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。 为了减小放大电路可能引起的失真，信号的频宽 2 f m 相对中 心频率（载波频率 f 0 ）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。
上 目
页 录
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。
上
目
页
录
（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Hale Waihona Puke 压 幅值变化的过程。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指零。
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触电位置，可使电桥重新平衡， 电表G指针回零。 电位器H上的标度与桥臂电阻值的 变化成比例，故H的指示值可以直接 表达被测量的数值。
R1 H R2 G R4 R3
（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 目
页 录
二、滤波器性能分析
所谓理想滤波器就是将滤波器的一些特性理想化而定义的滤 波器。这种滤波器低于某一频率fc的所有信号予以传送而无任何失 真，将频率高于fc的信号全部衰减，fc称为截止频率。若滤波器的 频率响应H(f)满足条件
则称为理想低通滤波器。
A0e j 2ft0 H f 0
uf
均为负
上 目
页 录
4、动态电阻应变仪
调幅波 放大后波形
解调后波形
调制 信号
电桥 放大 相敏检波 低通滤波
还原信号 调制
载波
振荡器
上
目
页
录
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。
R4 R1 I1
b R2 I2 R3 d c Uo
Ue
2、平衡条件
U o U ab U ad R1 R4 Ue Ue R1 R2 R3 R4 R1 R3 R2 R4 Ue R1 R2 R3 R4
图4-1 直流电桥
U e 为直流电源
U o 为输出电压
要使电桥平衡，输出为零，应满足 R1R3 R2 R4 （4-2）
Uo 1 灵敏度： S Ue R / R 4
上 目
页 录
（2）半桥双臂接法 输出
R1 R1 R4 U e Uo R1 R1 R2 R2 R3 R4 R Ue 2 R0
灵敏度
Uo 1 S Ue R / R 2
图4-2（b） 半桥连接方式
H f
A0
h(t)
2 A0 f c
fc
0
fc
f
1 fc
1 0 2 fc
1 2 fc
1 fc
t
上 目 页 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。 可以推论，理想的高通、带通、带阻滤波器都是不存 在的。
上 目 页 录
3、相敏检波
C 4 A 5
D3
. x (t )
m
D4
c
uf
Rf
.
3
D2 D1
1
2
d
.
B
.
y (t )
上
目
页
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） 载波电压为正 载波电压为负 载波电压为正 载波电压为负
u f 均为正
A(f) 1
1 0
A(f) 2
1 0
f2
f
f1
f
A(f) 3
1 0
A(f) 4
1 0
f1
f2
f
f1
f2 f
图4-22 四类滤波器的幅频特性
按构成元件类型分
①RC滤波器 ②LC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
按所处理的信号信号分 ①模拟滤波器 ②数字滤波器
上 目
页 录
2、解调
（1）同步解调 把调幅波再次与原载波信号相乘，
xm f
调幅波
乘法器
低通
x(t)
载波y(t)
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 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），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。
为了简化设计，取相邻两桥臂电阻相等，
即 R1 R2 R0，R3 R4 R 0
'
'
图4-2（a） 单臂电桥连接方式
R Ue 若 R0 R 0 ，则输出电压 U o 4 R0 2R 因 R R0 ，所以