信号调理、处理和记录

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1、机械工程测试技术基础 传感器输出的电信号，大多数不能直接输送到显 示、记录或分析仪器中去。其主要原因是大多数 传感器输出的电信号很微弱，需要进一步放大， 有的还要进行阻抗变换；有些传感器输出的是电 参量，要转换为电能量；输出信号中混杂有干扰 噪声，需要去掉噪声，提高信噪比；若测试工作 仅对部分频段的信号感兴趣，则有必要从输出信 号中分离出所需的频率成分；因此，传感器的输 出信号要经过适当的调理，使之与后续测试环节 相适应。常用的信号调理环节有：电桥、放大器、 滤波器、调制器与解调器等 。 第四章 信号调理与记录 第一节 电桥 第二节 调制与解调 第三节 滤波器 第四节 信号的放大 前序 1、被

2、测量经传感器之后的输出信号一般具有以下特点： 信号比较微弱； 为非电压信号； 携带噪声信号等。 2、因此，还需进一步调理、放大、滤波等加工处理。 3、本章主要讨论信号调理和转换中的常用环节： 电桥； 调制与解调； 滤波； 放大。 第一节 电桥 定义： 电桥是将电阻、电容、电感等参数的变化转换为电压 或电流输出的一种测量电路。 特点： 桥式电路简单可靠，精度和灵敏度很高，应用广泛。 分类： 根据其所采用的激励电源类型： 直流电桥 交流电桥 一、直流电桥 基本结构： 电阻 R1,R2,R3,R4作为四个桥臂，在 a、 c两 端接入直流电源 ue，在 b、 d两端输出电压 uo。 工作原理 ：利用四

3、个桥臂中的一个或数个的阻值变化 而引起电桥输出电压的变化 。 ue uo 电路分析： ue ue ue ue ue ue u0 讨论： 式 4 2为直流电桥平衡条件。若电桥中任一个或数个电阻 发生变化，电桥输出电压变化。测量电桥就是基于上述原 理工作。 （ 4 1） （ 4 2） 直流电桥的连接形式： 半桥单臂 半桥双臂 全桥 ue uo ue uo ue uo （ 1） 半桥单臂连接形式 ：工作时仅有一个桥臂电阻值随 被测量而变化 ， 设该电阻为 R1， 变化量为 R， 则由式 （ 4-1） 可得： 设相邻桥臂的阻值相等，亦即： R1=R2=R0,R3=R4=R0,又 若 R0=R0,则 若

4、 R0 ； 若为电容性阻抗时， 0时， | H(j)| 衰减很快 显然，电路能使低于 0的信号 顺利通过，衰减很小，而使高于 0的信号不易通过，衰减很大， 称一 阶有源低通滤波器。 为了改善滤波效果，使 0 时信号衰减得更快些， 常将两节 RC滤波环节串接起 来， 组成二阶有源低通滤波 器。 uo RF C R + + R1 + ui + R C 一阶 二阶 幅频特性 f02 1 uA 0 | Auf0 | | H(j) | O （ 2）有源高通滤波器 RC RC R R RC R R U U j1 j )1( j 1 1 1 1 F1 F i o 频率角称为截止 RC 1: 式中 0 ui

5、uo RF C R + + R1 + + 可见，电路使频率大于 0 的信号通过 ，而小于 0 的信号被阻止， 称为 有源高通滤波器 。 2 0 0 f0 )(1 )(j uAH 0 0 1 F i o j1 )1( )(j )(j )(j R R U U H 若频率 为变量，则 电路的传递函数 其模为 幅频特性 f02 1 uA 0 | Auf0 | | H(j) | O 四、带通滤波器在信号频率分析中的应用 1、多路带通滤波器的并联形式 主要应用： 信号的频谱分析和信号中特定频率成分提取。 具体要求： 为保证带通滤波器的带宽覆盖整个分析的频带，它们的 中心频率能使相邻的带宽恰好互相衔接，即前

6、一个滤波 器的 3dB上截止频率等于后一个滤波器的 3dB下截止 频率； 滤波器组具有相同的放大倍数。 两类常用的带通滤波器组： 恒带宽比滤波器（ a图） 恒带宽滤波器（ b图） （ 1）恒带宽比滤波器 恒带宽滤波器是指滤波器的相对带宽是常数，即 假若一个带通滤波器的低端截止频率为 fc1i ，高端截 止频率为 fc2i ，二者的关系： 式中 n称为 倍频程数 。若 n=1 ，则称为倍频程滤波器； 若 n=1/3 ，则称为 1/3倍频程滤波器。 Cf fffB i icic i i 0 12 0 ic n ic ff 12 2 一个滤波器组中后一个滤波器的中心频率 f0i与前一个滤波 器的中心

7、频率 f0(i-1)间满足： 而且，滤波器的中心频率与上下截止频率间的关系为 )1(00 2 i n i ff icici fff 210 n=1的倍频程滤波器（如下图），有： (1)中心频率（ Hz） 16,31.5,63,125,250, , (2)带宽（ Hz ） 11.31,22.27,44.55,88.39,176.78, , n=1/3倍频程滤波器组，有： (1)中心频率 （ Hz） 12.5,16,20,25,31.5,40,50,63, , (2)带宽 （ Hz） 2.9,3.7,4.6,5.8,7.3,9.3,11.6,14.6 , 倍频程谱分析装置 （ 2）恒带宽滤波器 恒

8、带宽比的滤波器的不足之处： 其通频带在低频段内甚窄，而在高频段内则较宽。因此， 滤波器组的频率分辨率在低频段内较好，在高频段内甚 差。 为了使滤波器组的分辨率在所有频段都具有同样良好的 频率分辨率，可以采用 恒带宽的滤波器 。 恒带宽滤波器是指滤波器的绝对带宽为常数： CffB icic 12 为了提高滤波器的分辨率，其带宽应窄一些。但这样为覆 盖整个频率范围所需要的滤波器数量就很大。因此， 恒带 宽滤波器不应做成中心频率为固定的。 实际中一般利用一个定带宽的定中心频率的滤波器加上 可 变参考频率的差频变换来适应 各种不同中心频率的定带宽 滤波器 的需要。 参考信号的扫描速度应能够满足建立时间

9、的要求，尤其是 滤波器带宽很窄的情况，参考频率变化不能过快。常用的 恒带宽滤波器有 相关滤波和变频跟踪滤波 两种。 例题：已知某 RC低通滤波器， R=1k， C=1F， 1）确定各函数式 H(s)； H()； A()； ()。 2）当输入信号 ui=10sin1000t时，求输 出信号 uo，并比较其幅值及相位关系。 解： 第四节 信号的放大 为保证测量精度，要求放大电路具有如下： 1. 足够的放大倍数； 2. 高输入阻抗，低输出阻抗； 3. 高共模抑制能力； 4. 低温漂、低噪声、低失调电压和电流。 说明： 集成运算放大器 具备上述特点。 一、基本放大电路 反相放大器： 输入阻抗低、易对传

10、感器形成负载效应； 同相放大器： 输入阻抗高、易引入共模干扰； 差分放大器： 不能提供足够的输入阻抗和共模抑制比； 二、仪器放大器 典型的仪器放大电路由三个集成运放构成的，如图所示。 两个输入端分别是两个集成运放 、 的同相输入端， 因此输入电阻很高。 构成差分放大电路，两边电阻对称，可以消除上述远 距离测量时的共模干扰。同时当 、 输出端上产生 的漂移电压对称时，在 输出 中也被消除。因此该 电路有 很高的共模抑制能力 和 较低的输出漂移电压 。 集成仪器放大器产品 美国 BB公司的 INA114 三、可编程增益放大器 多回路检测系统，输入信号变化范围不同，要提供多量程 放大器。利用计算机编

11、程改变增益的放大器为可编程增益 放大器。 可编程增益放大器为可编程增益的反相放大器。包括： 电 阻网络 、 电子开关 、 译码器 和 运算放大器 。 也可不用译码器，由计算机 I/O口控制 y1、 y2、 y3、 y4，得 到 24个不同增益。 y1 Uo A 80k 40k 10k 20k S4 S3 S2 S1 Ui y3 y4 y2 x1 x2 Rf 译 码 器 x1 x2 y1 y2 y3 y4 闭合开关 0 0 0 1 1 1 S1 0 1 1 0 1 1 S2 1 0 1 1 0 1 S3 1 1 1 1 1 0 S4 第五节测试信号的显示与记录 测试信号的显示和记录是不可缺少的组

12、成 部分，其目的在于： 1）测试人员通过显示仪器观察各路信号的 大小和实时波形 2）及时掌握测试系统的动态信息，必要时 对参数调整。 3）记录信号的重现。 4）对信号进行后续的分析和处理。 一、信号的显示 示波器是测试中最常用的显示仪器，有模 拟示波器、数字示波器和数字存储示波器。 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 传统仪器有 光线示波器 、 XY记录仪、模拟 磁带记录仪 光线示波器 、 XY记录仪将信号记录在纸质 介质上，频率响应差，分辨率低，记录受 限等，已经逐渐退出。 模拟磁带记录仪 很少用。 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