6信号的调理

测试技术——信号的调理(4)第六章问题：1.测量中为什么常用电桥作为传感器的调理电路？2.精密测量中为什么要采用电荷放大器对压电传感器信号进行放大？3.有源滤波器与无源滤波器性能的主要区别是什么？内容1.概述2.电桥3.信号的调制和解调4.信号的放大5.信号的滤波测试对象电源控制驱动执行单元数据采集显示测试系统数据处理传感器信号调理信号处理1、概述信号调理1、概述传感器信号调理•隔离•变换•放大•滤波电参数•电阻•电容•电感电信号•电压•电流•电荷规范/标准信号•电压、电流、频率•便于处理、接收或显示记录原因：传感器输出信号微弱，不便于直接传输、采集处理和存储显示。对象功能目的调理内容电桥调制解调放大器滤波1、概述传感器交流电量直流电量调制测量直接测量交流电桥调频器放大器放大器解调器鉴频器滤波器滤波器放大器直流电桥放大器滤波器电量信号处理信号调理1）基本概念电桥是将电阻、电感、电容等电参数的变化变为电压或电流输出的一种转换电路与传感器配接的电桥主要采用不平衡电桥测量。构成：四臂激励电源输出电压：直接测量、进行放大特点：结构简单，精确度和灵敏度高，易消除温度及环境影响分类：按照所采用电源不同，分为直流电桥和交流电桥2、电桥U0UeZ1Z2Z3Z4对于电阻式传感器，既可采用直流电桥形式，也可采用交流电桥形式。对于电感式（包括电涡流式传感器）、电容式传感器，则应配用交流电桥。2)直流电桥输出：eyabcdER1R2R3R4I1I2ERRRRRRRRRIRIUUedby))((432141323211ERRRRRRRRRRRRRRRRey))(())(())((4433221144113322ERRRRRRRRRRRRey)()(4433221122121RRRRR4321)(44321RRRRREey2、电桥特征：直流源供电桥臂为电阻4132RRRR电桥平衡条件相对臂乘积相等a）与输入电压成正比b）与桥臂电阻变化率的代数和成正比c)相邻臂电阻变换率符号相反（相减），而相对臂电阻变换率符号相同（相加）。（全等臂电桥）测量忽略高阶小量并利用初始平衡条件，得：几种连接形式eyexR4R3R2R1R1单臂桥eyexR1R1R2R2R3R3R4R4全桥2、电桥R2R2eyexR4R3R1R1R2R4R4eyexR3R1R1半桥相邻臂变化相反相对臂变化相同测量、放大：•相邻异性，相对同性补偿：对同符号干扰量有抵偿作用电桥的作用F应变片应该如何接在电桥上？灵敏度：单臂：半桥：全桥：2、电桥012RRVE0RRVEERRV041单桥：一个桥臂阻值变化，灵敏度最小，不常用半桥：二个桥臂阻值变化，灵敏度为单臂的2倍，常用全桥：四个桥臂阻值变化，灵敏度为单臂的4倍，常用eyabcdER1R2R3R4I1I2只有一个工作臂时如何补偿温度误差？直流电桥应用问题：弯曲力与拉力同时作用，仅测量悬臂梁纯弯曲力方法：半桥——R1、R2差动变化ERRey021R1R1R2F’F’F应变片粘贴位置2、电桥04321RRRRR选择：则有：eyER1R2R3R4电桥连接方式特点：1）F’的变化不影响测量结果；2）温度的误差得到补偿。F′F进一步提高灵敏度：•2组差动变化，全桥。应变片粘贴位置电桥连接方式R1FF‘R2R4R1eyER1R2R3R42、电桥ERRey0直流电桥的特点优点：所需高稳定度的直流电源容易获得电桥输出是直流，可以用直流仪表测量对连接导线要求较低电桥的平衡电路简单缺点：直流放大器比较复杂易受零漂和接地电位的影响2、电桥3）交流电桥组成：激励源：高频电源e桥臂为：电阻R、电容C、电感L用复阻抗Z表示桥臂参数，4个桥臂为复阻抗Z1～Z4,为复数U0eZ1Z2Z3Z42、电桥优势:易于放大R、L、C均可测量R、C、L的阻抗Z是什么？Z=R,LjCjZZ,/1交流电桥的基本工作原理与直流电桥相似，只不过用复阻抗代替电阻，用交流电源代替直流电源，桥路的输出电压为：eZZZZZZZZeZZZZZZU))(()(4321324143321103241zzzz3241可见,平衡必须同时满足两个条件：相对桥臂阻抗幅值之积相等、相位之和相等。平衡条件可见，交流电桥平衡的条件为相对桥臂阻抗之积相等，即：Z1Z4=Z2Z3若用幅值与相位表示，，上式可以表示为：joZZe2、电桥交流电桥平衡条件U0eZ1Z2Z3Z4由于交流电桥必须满足两个平衡条件，使用中必须合理搭配电桥中的四臂元件，电桥才能平衡。即：当相邻两臂为纯电阻时，则另两臂应同为纯电容，或同为纯电感或同为纯电阻。当相对臂为纯电阻时，则另一对边臂必须一个为电感，一个为电容。2、电桥由于每个交流电桥实际上有两个平衡条件，电桥中需要有两个可调的参量，两个量互相牵扯，调节比较复杂。实验时需要对这两个参量反复调节，才能使电桥调到完全平衡。因此，交流电桥的平衡调节要比直流电桥的调节困难一些。如果桥路只有一个电容或一个电感，其它为纯电阻可以平衡吗？交流电桥的应用U0eZ1Z2Z3Z42、电桥2413,LjzLjz理想电感测量•取：Z1＝R1、Z2＝R2•平衡条件：1221LRLR理想电容测量•取：Z1＝R1、Z2＝R2•平衡条件：2413/1,/1CjzCjz1221//CRCR如果交流电桥电感或电容或电阻发生变化，交流电桥输出电压计算式为：式中，分别为桥臂阻抗变化率。012344BDekU1234、、、调制信号四个桥臂阻抗：2400312111RZCjRZRZCjrZxC1R2R和是两个固定电阻，阻值已知,和分别代表可调电容和可调电阻，虚线框内是待测电容。0C0R～0RADCBmV2R1RCrxC0C2、电桥实际电容总存在损耗，可用电阻表示损耗。对于损耗小的电容，将其等效为一个电阻与一个纯电容的串联。mV0C0RxLLrABCD2R1R～四个桥臂阻抗：000004231211111RCjRCjRZRZRZLjrZxL/实际电感线圈总存在电阻，在低频情况下，可将它等效成一纯电感线圈L和一损耗电阻的串联。Lr2、电桥测量低频电感的电桥特殊的交流电桥——带感应耦合臂的电桥Ve0e1e2W1W2Z3Z4W1Z3Z4i2i1ie0VW22、电桥若用差动电容传感器的电容，或用差动变压器式电感传感器的电感代替Z3、Z4,此电桥就可测量参数的变化。也可用差动变压器式电感传感器代替感应耦合臂W1、W2,此电桥就是电感式传感器的转换电路。带感应耦合臂的电桥具有较高的精度和灵敏度，性能稳定，频率范围宽，近年来得到广泛应用。交流电桥的特点交流供电电源除应有足够的功率外，还必须具有良好的电压波形和频率稳定性,否则引起误差，扰乱电桥平衡。一般由振荡器输出音频信号作为电桥电源。优点：可测量电阻、电感、电容输出为调制波，外界工频干扰不易从线路引进后接的交流放大电路简单而无零飘缺点：电桥的平衡电路复杂2、电桥传输•发射•耦合1)调制与解调的作用直流放大器存在零漂及级间耦合问题，难以不失真交流放大器工作在较高频段，利于信号的远程传输调制目的是将微弱缓变信号提高到高频缓变信号调制高频信号放大放大高频信号解调放大缓变信号耦合器3、调制与解调用微弱的缓变信号控制高频交流信号，然后交流放大、传输，最后再解调出放大的信号2)术语调制：用被测信号控制高频信号的过程调制信号：载波信号：已调信号：解调：从已调信号中恢复被测信号的过程3、调制与解调3)分类对象：高频交流信号:工具：低频慢变信号:x(t)分类：幅度调制(AM)：频率调制(FM)：相位调制(PM)：)2cos()(ftAtz)2cos()](*[)(fttxAty0()cos(2[()])ytAfxtt)])([2cos()(0txftAty3、调制与解调三种调制波的基本波形3、调制与解调相位调制(PM)幅度调制(AM)频率调制(FM)测试技术中常用调幅及调频。功能：调幅是将一个高频简谐信号（载波）与测试信号在时域相乘，使高频信号的幅值随被测信号的变化而变化。特点：利用调制可以把低频信号推移到高频，利用带通放大器对信号进行放大，从而减少工频信号的干扰，有效地提高信号质量，便于信号的远距离传输。用不同频率的载波对不同被测信号进行调制后，能够移动它们的频谱位置，使它们互相不发生覆盖。实现：乘法器调幅：使用乘法器使微弱电信号与高频载波信号相乘；电参数直接调幅：（1）交流电桥调幅（2）分压调幅－ωo0ωoF0001()()()2s)c(ojtjtytxtxtextet（1）调幅与解调3、调制与解调调幅:——交流电桥调幅对于不同臂桥连接：α值不同将电参数（电阻、电感、电容）转换为电压（电流）适用于电阻电桥、电感电桥、电容电桥及其组合U0UeZ1Z2Z3Z4000sinsin()..sinsin.esmRoRsmUUtRtRUUtt3、调制与解调012344BDekU•调幅:——分压电路调幅ZRZUUex3、调制与解调被测量引起电感或电容发生变化，并联回路的阻抗也发生变化，电压Ux也要发生变化.UoRL晶体振荡器滤波放大检波CUeUx电涡流线圈LCLjZ21频率与幅度固定的高频信号3、调制与解调相敏检波器的鉴相与选频特性解调定义：从调幅信号中恢复原有用被测信号的过程分类：同步解调、整流检波和相敏检波三种，其中相敏检波最常用相敏检波能同时鉴别信号的幅值和相位常用相敏检波电路由四个二极管组成环形结构，利用其单向导通作用将电路输出极性换向1）信号电压与载波同相，输出为正；信号电压与载波反相，输出为负；2）输出电压的大小仅与信号电压成正比，而与载波电压无关。理论实际解调——相敏检波器：鉴别信号的幅值和相位、低通•功能：变压器B的输出与变压器A的输出进行比较。电路设置使变压器B信号远大于变压器A信号，使参考电压起开关作用,决定二极管的导通与截止。•结果：原信号为正，调幅波与载波同相，恢复正；原信号为负，调幅波与载波异相，恢复负。参考：载波调幅相敏滤波3、调制与解调动态电阻应变仪方框图解调－相敏检波的应用3、调制与解调2）调频和解调调频：频率可控的等幅振荡器•调频比较容易实现数字化•调频信号在传输过程中不易受到干扰组成：•由线圈与电容器组成的振荡电路•谐振频率为：将待测的电容或电感作为振荡器谐振回路中的一个调谐参数，若测量电容，则：中心频率为ωo的调频信号LCCLC1000)21()(1CCCCL3、调制与解调0()cos(2]*))[(fytAttxCC20VLCReyi鉴频——变压器耦合的谐振回路鉴频法L1-C1、L2-C2组成的谐振回路，利用特性曲线的亚谐振区近似直线的一段实现频率-电压变换，调频信号uf变为调幅信号ua经过二级管进行半波整流，再经过RC组成的低通滤波器滤波，滤波器的输出uc与调制信号成正比，复现被测信号频率—电压线性变换幅值检波3、调制与解调可见，鉴频分两步完成：第一步将等幅的调频波变成幅值随频率变化的调频-调幅波，第二步检出幅值的变化，从而得到原调制信号。应用电台电视电话涡流传感交流电桥3、调制与解调目的对传感器或测量电路输出的弱信号进行放大，以满足显示、记录或A/D转换需要。放大器的基本要求高阻抗输入：隔离前级低阻抗输出：驱动能力规范输出:电压：±5v,电流：4~20mA（传输）失真小:非线性小、精度高、一定带宽: