信号调理和记录
第四章信号的调理与 记录1
第四章 信号调理与记录电桥 调制与解调 滤波器 信号的放大 测试信号的显示与记录被测信号第四章 信号调理与记录信号 传感器 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。
12.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。
2第一节 电桥ΔR、ΔL、ΔC 电桥 U(u)或I(i) 指示仪表或放大器一、直流电桥U o = U ab − U ad• 电桥特点：电路简单， 高精确度和灵敏度。
•电桥分类： − 按激励电压的性质分 ⎧直流电桥 电桥 ⎨ ⎩交流电桥 − 按输出方式分 ⎧不平衡电桥 电桥 ⎨ ⎩平衡电桥3⎛ R1 R4 ⎞ U ab − U ad = R1 I 1 − R4 I 2 = ⎜ ⎜ R + R − R + R ⎟U e ⎟ 2 3 4 ⎠ ⎝ 1 R1 R3 − R2 R4 b = U ( R1 + R2 ) (R3 + R4 ) eR1R2 c Uo R3若使电桥平衡 (U o = 0) 则 R1 R3 = R2 R4a R4I1 I2 d Ue 直流电桥即电桥平衡条件： 相对桥臂电阻乘积相等4（1）单臂电桥接 法Uo =(R1 + R2 ) (R3 + R4 )bRR1 R3 − R2 R4Ue（2）半桥双臂连接Uo =(R1 + R2 ) (R3 + R4 )bRR -Δ R2R1 R3 − R2 R4Ue若R1 = R2 = R3 = R4 = R0Δ1+RRR2 I1 I2 c Uo R3 d Ue 半桥单臂51+Δ则(R + ∆R) ⋅ R0 − R02 U Uo = 0 (2R0 + ∆R) ⋅ 2R0 e=− ∆R Ue 4R0 + 2∆Ra R4a R4I1 I2c Uo R3 dUo =(R0 + ∆R)R0 − (R0 − ∆R)R0 U2R0 × 2R0Uo = ∴ ∆R Ue 2R0eUe半桥双臂6∆R Ue 又∆R << R0 , 所以 Uo ≈ − 4R01（3）全桥接法Uo =R1 R3 − R2 R4 U (R1 + R2 ) (R3 + R4 ) ebR Δ-Δ R21、不平衡直流电桥（1）单臂连接： （2）半桥双臂连接：c UoRUo ≈Uo =∆R Ue 4R0∆R Ue 2R0R1+RaI1 I2-Δ R43+Uo ==(R0 + ∆R) − (R0 − ∆R) (2 R0 )22Ue4 R0 ∆R Ue 2 4 R0d Ue全桥接法7RΔ2（3）全桥接法：Uo =∆R Ue R0R全桥接法灵敏度最大 不平衡电桥缺点：Ue不稳定,环境温度 变化使会使Uo变化，从而产生测量误差 8∴Uo =∆R Ue R02、平衡直流电桥(零位测量法)工作原理： • ∆R = 0(被测量为零）时， 电桥平衡 ⎧G = 0 ⎨ ⎩H = 0R1 R5 R4 R3 H R2 G二、交流电桥 • 交流电桥特点 特点：– 电桥四臂：R、L、C； – 电源：交流电压• 交流电桥平衡条件： Z 1 Z 3 = Z 2 Z 4 平衡条件：• ∆R ↑ ,电桥失衡 ⇒ 电位器 H b ， 电桥平衡 ⎧G = 0 ⎨ ⎩ H ∝ ∆R⎧ Z 1 Z 3 = Z 2 Z 4 (阻抗的模 ⎪ ⇒⎨ ⎪ϕ 1 + ϕ 3 = ϕ 2 + ϕ 4 (阻抗角 ) ⎩)特点：测量精度取决于 H 的精 确度，与 U e 无关。
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。
测试技术第四章 信号调理与记录)
e j2pf0t ( f f0 )
e j2pf0t ( f f0 )
x(t) y(t) X( f )Y ( f )
则xm(t)
x(t) cos 2pf0t
Ym (
f
)
1 X(
2
f
) (
f
f0)
X( f
)( f
f0 )
1 X(
2
f
f0)
X(
f
f0 )
测试技术基础 时域
½
0
f0
2fm
Y(f )
½
f0
0
f0
(a)调幅波频谱
ƒ
(b)载波信号频谱
ƒ
低通
Xm(f )*Y(f )
1/4
1/4 1/41/2
-fc
-f0 -fm
0
fc
fm f0
2fm
2fm
同步解调
1/4 2fm
(c)同步解调后频谱
ƒ
测试技术基础
xm(t)
0
第四章 信号调理与记录
解调
t
1/2
−f0
2fm
x(t) 音频信号
测试技术基础
第四章 信号调理与记录
第四章 信号调理与记录
4.0 变换及调理的目的
▼
4.1 电桥
▼
4.2 信号的调制解调
▼
4.3 信号的滤波器
▼
测试技术基础
4.0 变换与调理的目的
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。
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
信号调理处理和记录
x m ( t ) x ( t ) cos 2 f 0 t
y (t )
幅度调制与解调过程（数学描述）
x(t) y(t)
x (t ) y (t ) X ( f ) Y ( f )
y ( t ) cos 2 f 0 t 1 ( f f 0 ) 1 ( f f 0 ) 2 2
X(f)
100 10 15 15 10
-1.5
-1.0
0
1.0
1.5
f ( KHz )
Y(f)
1 2 1 2
-10
0
10
f ( KHz )
X ( f )*Y ( f )
50
5
50
7 .5
5 5 7 .5
7 .5
7 .5 5
0
f ( KHz )
x a (t )的成分：
频率(KHz) 8.5 幅值: 10
三、带感应耦合臂的电桥
例1．悬臂梁受力 F 和 F 的作用，要求应变片测出引起
梁弯曲的力 F，试画出应变片的粘贴位置与电桥的连接方 式图。
解:
R1 R2
F
F
'
F
F
'
F
'
R1
R3
R2
ey
R 2 R0
ey
e0
R4
e0
若要进一步提高电桥的灵敏度，可采用：
F
R1 , R 3
F
R2 , R4
'
U y ( f ) KEX ( f ) Y ( f ) KEU
X(f)
B 2 A 2 A 2 B 2
' y
传感与测试技术-信号的调理与记录
交流电桥
电容电桥 平衡条件：
R1j1C1R3R4j1C4R2
RC R131R3 CRR24 4R2
R电阻平衡 C电容平衡
交流电桥
电感电桥 平衡条件：
R 1 jL 1 R 3 R 4 jL 4 R 2
R1R3 R3L1
R4R2 R2L4
R电阻平衡 L电感平衡
第二节 调制与解调
主要解决微弱缓变信号的放大以及信号的 传输问题。
调相（Phase modulation--PM)
调幅及其解调
幅值调制：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。
x (t ) 调制器 xm(t)x(t)co2sf0t
调制信号 （乘法器） 调幅波
y(t)co2sf0t
载波
调幅信号的实质
从时域上：用x（t） 去控制改变y（t） 的幅值，使xm（t） 的幅值随着x（t） 的变化而变化，频 率仍与y（t）相同。
直流电桥的输出特性
全桥接法
b
UoR1R 1R R32R R32R 4R4Ue
UoR0R22R 0R 20R2Uea
I1 I2
4R0R 4R02
U
e
d
Uo RR0 Ue
Ue
c Uo
单臂电桥接法：Uo 4RR0Ue
半桥接法：Uo
R 2R0
Ue
全桥接法：Uo RR0 Ue
全桥接法的灵敏度最高
第四章 信号的调理与记录
被测信号
信号
传感器
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。
4第四章信号的调理与记录
生电阻变化△R1 ~ △R4， R1=R2=R3=R4=R，且△R<<R，忽略△R
高次项：
uyu 4 0( R R 1 R R 2 R R 3 R R 4)
工程测试技术与信息处理 第 4 章
由上式可看出： ⑴ 若相邻两桥臂电阻同向变化（即两电阻 同时增大或同时减小），所产生的输出电压 的变化将相互抵消； ⑵ 若相邻两桥臂电阻反向变化（即两电阻 一个增大一个减小），所产生的输出电压的 变化将相互迭加。
R
U
U
y 4R2R 0
0
工程测试技术与信息处理 第 4 章
又因为 R《 R0
所 以 Uy4 RR 0 U0
灵敏度为：
Sg
U y
R
1 4U0
R0
可见，电桥的输出电压Uy与输入U0成正比，并且在U0一
定条件下，与工作桥臂的组织变化量呈单调线性关系
半桥双臂：
工程测试技术与信息处理 第 4 章
第四章
信号的调理 与记录
重点：直流电桥、交流电桥、调制与 解调、信号的指示和记录装置；
难点：电桥的基本特性、能够合理选 用信号调理电路和记录仪器。
工程测试技术与信息处理 第 4 章
信号调理的目的
--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。
工程测试技术与信息处理 第 4 章
工程测试技术与信息处理 第 4 章
一、幅值调制与调解
工程测试技术与信息处理 第 4 章
（一）、原 理
将一个高频简谐信号（载波）与 测试信号（调制信号）相乘，使载波 信号幅值随测试信号的变化而变化。
第四章 信号的调理与记录
图4-15 a)调制信号加足够直流偏置 b)调幅波
图4-16 a)调制信号直流偏置不够时 b)调幅波
解调：简单地整流、滤波
二极管检波
低通 滤波
（3）相敏检波
基本原理：相敏检波能用来鉴别调制信号
的极性，利用交变信号在过零位时其正、负极
性发生突变，使调幅波相位与载波信号相比较
也相应地产生180°相位跳变，从而既能反映
若电容变化C，则有 f
3、变压器耦合的谐振回路鉴频法
调频波的解调又称鉴频，是将频率变化恢复成调制信号电压幅值变化的过程
变压器耦合的谐振回路鉴频
优点：抗干扰能力强。
因为调频信号所携带的信息包含在频率变化 之中，并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主 要表现在振幅之中．
R ue 全桥差动： uo R
二、交流电桥
供桥电源为交流，仍为基本电 桥电路的形式，但是在各个臂内可 能串、并联有电感、电容、电阻或 其组合。因此除了电阻之外还有我 们所说的电抗。
电桥的平衡条件： Z 1 Z 3 Z 2 Z 4
Zi Zi e ji
Z1 Z 3 e
j (1 3 )
U0 (
R1 R R1 R R2 R
R4 R R3 R R4 R
)U e
R U0 ( R )U e
电桥的灵敏度
U0 S Ue R / R
R1 R1 R4 R4 U0 ( )U e (2 R R1 R2 ) (2 R R3 R4 ) 1 R1 R4 ( )U e 2 R R R3 R3 R2 R2 或U 0 ( )U e (2 R R3 R4 ) (2 R R1 R2 ) 1 R3 R2 ( )U e 2 R R
(优选)章信号调理处理和记录
乘法器
载波频率？
xt
xm t x t co用行s不调0t同制频后率，的能载够波移对动不它同们被的测频信谱号位进置，
使它们互相不发生覆盖。
4.2 调制与解调
同步解调原理
xm
(t)
•
cos(0t)
x(t)
cos2
0t
1 2
x(t)
1 2
x(t) cos(20t)
1 2
Xm
0
1 2
Xm
0
乘法器
y(t) Acos(2[ f0 x(t)]*t )
调频波的瞬时频率可表示为 f f0 f
优点：抗干扰能力强、便于远距离传输、不易错乱、跌落和 失真，容易采用数字技术和计算机相连接。 缺点：调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的 20倍；调频系统比调幅系统复杂，因为调频是一种非线性调制。
xm t xt cos0t
y t cos0t
滤波器
xt
4.2 调制与解调
包络(整流)检波解调 若对信号x(t)进行偏置，叠加一个直流分量D，使偏置后的信号 都具有正电压 ,然后再与高频载波相乘得到调幅波，其包络线 具有调制波的形状。调幅波经过包络检波（整流、滤波）就可 以恢复偏置后的信号。
4.2 调制与解调
谐振电路调频
对自激振荡器的谐振回路，当被测量在小范围内变化时，电 容（电感）也有与之对应的、接近线性的变化
f 1 2 LC
f ( 1)( 1 )(LC)1.5 L ( 1) f
4.2 调制与解调
相敏检波解调
载波电压为正 载波电压为负
载波电压为正 载波电压为负
标准信号
实现：利用二极管的单向导通作用改变输出信号的极性。
第4章 信号的调理与记录
xt cos
2f 0 t
cos
2f 0 t
xt
2
1 2
xt cos
4f 0 t
低通滤波器将频率为 2f0的高频信号滤去， 得到1 x(t)
2
(2) 整流检波和相敏检波
整流检波（包络检波）： 幅值调制就是让已调信号的幅值随调制信号的值变化，
因此调幅信号的包络线形状与调制信号一致。只要能检出 调幅信号的包络线即能实现解调。这种方法称为整流检波 或包络检波。
应用实例：差动变压器式位移传感器；交流电桥等。
一、调幅及其解调
1． 调幅原理
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。现以
频率为 f0 的余弦信号作为载波进行讨论。 余弦函数的频域图形是一对脉冲谱线
cos 2
f0t
1(
2
f
f0)
1(f
2
f0 )
R1
R1 R1 R1 R2 R2
R3
R4 R4 R3 R4 R4
U 0
1 2
R1 R
R4 R
U
0
Uy
R3
R3 R3 R3 R4 R4
R1
R2 R2 R1 R2 R2
U 0
1 2
R3 R
R2 R
U
0
推出：U y
1 4
R1 － R2
R1
R2
R3 R3
R4 R4
U
0
I1
U0 R1 R2
I2 U0 R3 R4
a与b之间和a与d之间的电位差分别为
（4－1）
U ab
I1R1
R1 R1 R2
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第四章 信号调理和记录
教学重点：① 电桥的工作原理
② 滤波器的分析计算方法
③ 信号的放大及测试信号的显示与记录
§4－1 电桥
电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路
电桥按其所采用的激励电源的类型可分为直流电桥与交流电桥；按其工作原理可分为偏值法和归零法两种 一、直流电桥
1
、直流电桥平衡条件：
2、在测试中常用的电桥连接形式有：单臂电桥连接、半桥连接与全桥连接
4231R R R R
二、交流电桥
三、带感应耦合臂的电桥：将感应耦合的两个绕组作为桥臂而组成的电桥
§4－2 调制与解调
调制：使一个信号的某些参数，在另一个信号的控制下，而发生变化的过程
载波：前一个信号称为载波，一般为较高频率的交变信号
调制信号：后一信号，一般为缓变的被测信号
已调制信号：最后输出的信号，它一般便于放大和传输
信号的解调：最终从已调制信号中恢复出调制信号的过程
一、幅值调制与解调
1.调幅：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．
2.调幅信号的频域分析
一个函数与单位脉冲函数卷积的结果是：将这个函数的波形由坐标原点平移至该脉冲函数处。
3.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，则频域的频谱图形将再一
次进行“搬家”，结果是使原信号的频谱图形平移到0和±2f
0的频率处。
（2）包络检波
（3）相敏检波
相敏检波是利用二极管的单向导通作用将电路输出极性互换。
其特点是可以鉴别调制信号的极性，所以采用相敏检波时，对调
制信号不必再直流偏置。
(0t x (t x
(t x (t y
二、频率调制与解调 1.频率调制的基本概念
频率调制是指利用调制信号控制高频载波信号频率变化的过程。
2.频率调制方法：频率调制一般用振荡电路来实现
3.调频信号的解调
调频信号的解调亦称鉴频，一般采用鉴频器和锁相环解调器。
§4－3 滤波器
一、概述
滤波是指让被测信号中的有效成分通过：而将其中不需要的成分抑制或衰减掉的一种过程。
二、滤波器性能分析
1.理想滤波器：将滤波器的一些特性理想化而定义的滤波器。
2、实际滤波器的特征参数
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：上下两截止频间的频率范围称为带宽B
4）品质因数：中心频率f0和带宽B之比称为品质因数
三、实际滤波电路
c 2
c 1
c 1c 2
c 1
c 2
1.高通、低通滤波器并联，得到带通滤波器
2.几个带通滤波器并联，使通频带更宽
§4－4 信号的放大
一、基本放大电路
反相放大器、同相放大器和差分放大器三种基本放大电路。
二、仪器放大器
三、可编程增益放大器
§4－5 测试信号的显示与记录
一、信号的显示
1.模拟示波器
2.数字示波器
3.数字存储示波器
二、信号的记录
1.用数据采集仪器进行信号记录
2.用计算机内插A/D卡进行数据采集与记录
3.仪器前端直接实现数据采集与记录。