测试技术第4章

第4章信号的调理与记录教学内容：§1电桥§2调制与解调§3信号的放大与衰减§4滤波器§5信号的显示与记录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，需要经过适当的调理，使之转换为便于处理、接收和显示的形式。信号调理与记录中常用环节：电桥、调制与解调、放大器、滤波器、记录器等。4.1电桥定义：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。其转换的实质是一种信息的传递，即通过电参量来控制工作电压的幅度变化，从而将电参量变化的信息加到输出电压信号上，其能量由工作电源提供。电桥电路简单可靠，具有很高的精度和灵敏度。被广泛的用作仪器测量电路。按激励电源分为：直流电桥与交流电桥；按工作原理分为：平衡电桥和不平衡电桥；按桥臂接入的阻抗元件不同：电阻电桥、电容电桥、电感电桥。4.1.1直流电桥（适于静态量的测量）以电阻R1、R2、R3、R4组成电桥四个桥臂当输入端后接输入阻抗较大的仪表或放大电路时，可视为开路，则直流电桥04344202111143022101URRRRIUURRRRIURRUIRRUIadab输出电压：04321423104340211))((URRRRRRRRURRRURRRUUUadaby直流电桥的平衡条件：常用的电桥连接形式：4231RRRR半桥单臂半桥双臂全桥连接图4-2直流电桥的连接方式a）半桥单臂b）半桥双臂c）全桥对于单臂电桥，在工作时仅有一个桥臂电阻值随被测量变化，设该电阻为R1，其变化量为△R，则输出电压为：004URRUy0434211URRRRRRRRUy设04321RRRRR则0024URRRUy（4-6）半桥双臂连接形式：工作时有两个桥臂（一般为相邻桥臂）电阻值随被测量而变化，即：，则由式（4-4）可证明，当R1=R2=R0，ΔR1＝－ΔR2＝ΔR，R3=R4=R0，则电桥输出，11RR22RR002URRUy（4-7）全桥连接法：四个桥臂的阻值均随被测量而变化，即：11RR22RR33RR44RR当R1=R2=R3=R4=R0,且RRRRR4321输出为：00URRUy（4-8）结论：式（4－6）、（4－7）、（4－8）表明，电桥的输出电压与激励电压成正比，但比例系数不同。电桥的和差特性：1）若相邻两桥臂电阻同向变化，所产生输出电压的变化将相互抵消；2）若相邻两桥臂电阻反向变化，所产生的输出电压的变化将相互叠加。和差特性应用实例：1）悬臂梁作敏感元件测力：为提高灵敏度，常在梁的上，下表面各贴一片应变片，并将上述两应变片接入电桥的相邻两桥臂。2）柱形梁作敏感元件测力：四个纵向应变片两两串联，接入相对桥臂;横向应变片主要起温度补偿作用。eURRRRRRRRU4321041灵敏度。全桥接法可以获得最大灵敏度不同，结论：电桥接法不同，。全桥灵敏度；半桥灵敏度；单臂电桥灵敏度则有：定义电桥的灵敏度为00024UUURRUSy结论：电桥接法不同，灵敏度不同，全桥接法可以获得最大灵敏度。例题1：以阻值、灵敏度s=2的电阻丝应变片与阻值为120的固定电阻组成电桥，供桥电压为3V，并假定负载电阻为无穷大，当应变片的应变为时，分别求出单臂、双臂电桥的输出电压，并比较两种情况下的灵敏度。20002和120R图4-3平衡电桥上述电桥是在不平衡条件下工作的，它的缺点是当电源电压不稳定，或者环境温度有变化时，都会引起电桥输出的变化，从而产生测量误差。为此，在某些情况下采用平衡电桥(如图4—3)。出于平衡电桥最终的输出为零，因此测量误差取决于可调电位器的精确度，而与电桥电源电压无关。直流电桥适合于静态量的测量。4.1.2交流电桥采用交流电源（5～10kHz）激励。交流电桥达到平衡时必须满足：各桥臂的复数阻抗为则上式成立的条件是ijiieZZ04231ZZZZ)(4002)(03104231jjeZZeZZ423140020310ZZZZ图4-7电容电桥4242133124431111jwCRRRjwCRRRRjwCRRjwCR若电桥平衡，则42134231CRCRRRRR两相邻桥臂为纯电阻R2、R3，另外相邻两臂为电容C1、C4。此时R1、R4可视为电容介质损耗的等效电阻。图4-8电感电桥42314231RLRLRRRR若电桥平衡，则：图4-9电阻交流电桥的分布电容图4-10具有电阻电容平衡的交流电阻电桥导线间存在分布电容电容C2是一个差动可变电容器影响交流电桥测量精度的因素：电桥各元件之间的互感耦合；泄漏电阻以及元件间、元件对地之间的分布电容；邻近交流电路对电桥的感应影响。交流电桥的激励电源要求其电压波形和频率必须具有很好的稳定性。一般采用音频交流电源（5～10kHz）作为电桥电源。电桥输出将为调制波，后接交流放大电路简单而无零漂，并且解调电路和滤波电路容易去除干扰而获得有用信号。4.2调制与解调调制：利用某种低频信号来控制或改变一高频振荡信号的某个参数的过程。解调：是指从已调制信号中恢复出原低频调制信号的过程。高频振荡信号称为载波；控制高频振荡的低频信号为调制信号；调制后的高频振荡信号为已调制信号（便于放大和传输）。调制分类：当被控制的量是高频振荡信号的幅值时，称为调幅(AM)；已调制信号为调幅波；当被控制的量为高频振荡信号的频率时，称为调频(FM)；已调制信号为调频波；当被控制的量为高频振荡信号的相位时，称为调相(PM)；已调制信号为调相波；调制与解调的应用：应用分析：传感器输出的低频微弱信号需要放大。直流放大，存在零漂和级间耦合，容易失真；交流放大，抗零漂，故一般先将低频信号调制为高频信号，再交流放大，最后解调。应用实例：差动变压器式位移传感器；交流电桥等。图4-8载波、调制信号、调幅波和调频波4.2.1调幅及其解调1、调幅原理将高频载波信号与被测信号相乘，使高频信号的幅值随被测信号的变化而变化。调幅的过程如图4-9。图4-9调幅过程图4-9调幅过程时域频域总结：调幅的过程在频域上就相当于一个移频的过程。载波频率f0必须高于信号中的最高频率fmax，才不会出现混叠现象。实际应用中，载波频率至少在调制信号上限频率的十倍以上。注意：调幅波是否可以看作是载波与调制信号的迭加？否。因为调幅波是载波幅值随调制信号大小成正比变化，只有相乘才能实现。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uy为调幅波。500例2：已知调幅波试求：（1）所包含的各分量的频率及幅值；（2）绘制调制信号与调幅波（已调制信号）的频谱。，twtttxcacos)3cos20cos30100()(，，其中HzfkHzfc50010)(txa2、整流检波和相敏检波调幅波解调（检波）：从已调制信号中检出调制信号的过程。有三种方法：同步解调、包络检波、相敏检波。同步解调：已调制信号Xm(t)与载波y(t)再次相乘，经低通滤波器，检出调制信号。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。图4-10调制信号加偏置的调幅波a）偏置电压足够大b）偏置电压不够大相敏检波为了使信号具有判别信号相位和选频的能力，需采用相敏检波电路。要实现正确的解调必须要求参考信号的幅值远大于调幅信号的幅值，使开关器件的通断完全由参考信号决定。其中x(t)为原信号；y(t)为载波，xm(t)为调幅波。电路设计使变压器B二次边的输出电压大于A二次边的输出电压，即满足参考信号的幅值大于调幅信号的幅值。相敏检波过程：若原信号x(t)为正，调幅波xm(t)与载波y(t)同相，如图中0－a段所示。当载波电压为正时，VD1、VD2导通，且V23V12、i23i12，电流的流向是5－2－VD2－3－d－地－负载－c－5。当载波电压为负时，变压器A和B的极性同时改变，VD3、VD4导通，且V41V34，i41i34，电流的流向是5－4－VD4－1－d－地－负载－c－5。也就是，当原信号为正时，相敏检波电路的输出为负，与原信号反相。若原信号x(t)为负，调幅波与载波异相，当载波为正时，变压器B的极性如图中所示，变压器A的极性与图中相反。VD1、VD2导通，且V23V12，i23i12，电流的流向是d-1-VD1-2-5-c-负载-地-d。当载波电压为负时，VD3、VD4导通，且V41V34、i41i34，电流的流向是d-3-VD3-4-5-c-负载-地-d。也就是，当原信号为负时，相敏检波电路的输出为正，与原信号反相。图4-11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换向。在0-a段把xm(t)的零线上的正部翻下来，而在a-b段的负部翻上去。信号uf是经过反转后的相敏检波的输出，经过电容C、Rf组成的低通滤波器后，输出的信号uc能够反应调制信号的波形，经过适当放大倍数的反相放大器，能够完全复现调制信号。动态电阻应变仪为电桥调幅与相敏检波的典型实例。振荡器输出等幅高频振荡电压（一般频率为10kHz或15kHz），一方面振荡器为电桥提供电源，调制信号通过电桥调制振荡器输出的高频信号,并输出调幅波；另一方面，为相敏检波电路提供参考信号。调幅波经过放大，最后经相敏检波与低通滤波获得所测信号。其工作原理如图4-12所示。图4-12动态电阻应变仪框图（10KHz-15kHz）4.2.2调频及其解调1、调频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，为负值时频率降低。00000()cos()cos()fytAtAtxttkxtxtAtkxtdt设载波若保持振幅为常数，让载波瞬时角频率（）随调制信号（）变化，有此时调频信号可表示图4-13调制信号为三角波时的调频信号波形2、常用的频率调制方法（1）直接调频法被测参数的变化直接引起传感器输出信号频率的改变。如振弦式传感器,振荡器式频率传感器。（2）参数调频法其基本原理是首先将被测参数的变化转换为传感器的L、R或C的变化，将传感器线圈、电容或电阻接在一定振荡回路中，被测参数的变化将会引起振荡器振荡频率的变化，输出调频信号。（例如：电涡流传感器、电容式传感器）（3）电压调频法基本原理是利用电压变化来控制振荡频率的变化，压控振荡器是一种常用的调频方法。其输出瞬时频率与输入的控制电压值成线性关系。LCf21文氏电桥正弦波发生器图4-14采用乘法器的压控振荡器3、鉴频电路调频波的解调称为鉴频，是指将频率变化恢复成调制信号电压幅值变化的过程。图4-15用变压器耦合的失谐回路鉴频（斜率鉴频)a）鉴频器b）频率—电压特性曲线图4-16双失谐回路鉴频电路调谐回路幅频特性输入调频信号回路1输出回路2输出输出信号图4-164.3信号的放大与衰减信号放大是为了将微弱的传感器信号，放大到足以进行各种转换处理，或推动指示器、记录器以及各种控制机构。为保证测量精度，要求放大电路具有如下：足够的放大倍数；高输入阻抗，低输出阻抗；高共模抑制能力；低温漂、低噪声、低失调电压和电流。差动放大、电桥放大、电荷放大、高输入阻抗放大、高共模抑制比放大、程控放大电路等。4.3.1基本放大器三种基本放大电路的基本形式如图4-1