机电工程测试与信号分析第五章中间变换器

测量技术与信号处理机械学院机械系第五章中间变换器第一节电桥第二节调制与解调第三节滤波器第四节模拟、数字转换器第一节电桥电桥是一种将电阻、电感、电容等参数变化为电压或电流变化的测量电路。一、直流电桥二、交流电桥dV一、直流电桥eieo1)-(5i432142314211oeRRRRRRRRRIRIUUeadab211RReIi432RReIi一、直流电桥eieo1)-(5i43214231oeRRRRRRRRe2)-(54231RRRR平衡条件一、直流电桥3)-(5i434211oeRRRRRRRRei0o0432124eRRReRRRRR，则令i0o04eRReRR，则由于半桥单臂eieo一、直流电桥i0o2eRReeieo半桥双臂一、直流电桥i0oeRReeieo全桥应变片在悬臂梁上的粘贴位置？一、直流电桥ei直流电桥在不平衡条件下工作时，激励电压不稳定、环境温度变化都会引起电桥输出变化，从而产生误差。因此，常采用平衡电桥。二、交流电桥交流电桥的激励电压为交流电压。桥臂元件可以是电阻、电感或电容。~问题﹡交流电桥和直流电桥在电路结构上有何异同?它们分别有什么实际应用?﹡交流电桥的平衡条件是什么?与直流电桥的平衡条件有何区别?﹡电阻、电容及电感的复阻抗分别如何表示?﹡要使交流电桥最终能调平衡,应如何配置四个桥臂上的阻抗元件?二、交流电桥423104020301ZZZZ4231ZZZZ1011jeZZ2022jeZZ3033jeZZ4044jeZZ二、交流电桥交流电桥桥臂可有如下的组合方式：1、如果相邻两臂接入电阻，另两臂应接入性质相同的阻抗。2、如果相对两臂接入电阻，另两臂应接入性质不同的阻抗。3、各桥臂均接入电阻性元件。﹡几种常用的交流电桥：⑴测电容的电桥串联比较电容电桥适合测量损耗小的电容并联比较电容电桥适合测量损耗大的电容～2R1RADCBmV2R1R～CrxC0RCrADCBmVxC0R0C0C⑵测电感的电桥麦克斯韦电桥适合测量低Q值的电感海氏电桥适合测量高Q值的电感mVxLLrABCD2R1R～0C0R0RABCD2R1RLrxL0CmV～二、交流电桥42134231CRCRRRRReieo42421331442311)1()1(CjRRRCjRRRCjRRRCjR二、交流电桥42134231LRLRRRRReieo24423131442311)()(RLjRRRLjRRLjRRRLjR二、交流电桥eieo导线分布电容的影响不能忽视！二、交流电桥eieo二、交流电桥eiei与普通交流电桥相比，其灵敏度高，精度高，性能稳定。第二节调制与解调为什么要对信号进行调制和解调？何谓载波、调制信号和已调波？何谓调频、调幅和调相？第二节调制与解调为什么要对信号进行调制和解调？解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然后利用交流放大器进行放大，最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。第二节调制与解调什么叫调制？由被测的缓变信号控制、调节高频振荡的某个参数（幅值、频率或相位），使其按被测的缓变信号的规律变化。第二节调制与解调调幅AM（AmplitudeModulation）：调频FM（FrequencyModulation）：调相PM（PhaseModulation）：)(mxtcosUUcmstmxcosUUcms)(第二节调制与解调何谓载波、调制信号和已调波？调制信号载波信号一、调幅及其解调1、调幅原理：调幅是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．一、调幅及其解调交流电桥就是一种简单的调幅装置，其输出为调幅波。i0iRoekRRReKe)cos(0tEeiRtRttRKEeRo)()cos()(02、调幅波的频谱：)(*)(()()(000fffX21fffX21tfcos2tx）2、调幅波的频谱：y(t)Y(f)-f0f0-f0f0同步解调tfcos4tx21tx21tftcos2fcos2tx000)()()(按照这个思路，若将调幅波与原载波信号再次相乘，即再次进行频谱“搬移”，其结果如图5-12所示。同步解调y(t)Y(f)Xm(f)*Y(f)由以上分析可知，载波频率f0必须高于调制信号频带的最高频率fm，可使频谱不产生混叠，减小时域波形失真。但载波频率受电路截止频率等因素约束，不可过高。通常取载波频率十倍或数十倍于调制信号频带的最高频率。3、整流检波与相敏检波：3、整流检波与相敏检波：d-1-D1-2-5-c-Rf-d0d-3-D3-4-5-c-Rf-d05-2-D2-3-d-Rf-c-55-4-D4-1-d-Rf-c-5d0AFBFee调制信号调幅波载波二、调频及其解调1、调频原理：是用调制信号的幅值变化控制和调节载波的频率。或者说，调频波是一种随信号x(t)的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波.通常是由一个振荡频率可控的振荡器来完成。fff0瞬时频率可表示为二、调频及其解调调频波的频偏与调制信号的幅值成比例。二、调频及其解调如图5-17所示，电容（电感）的变化将使调频振荡器的振荡频率发生相应的变化。谐振频率为18)-(521LCfCfdCdf2)185(进行微分对002CCffC所引起的频偏20)-(5)21(000CCffff率为则电容调谐调频器的频二、调频及其解调优点：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．二、调频及其解调缺点：占频带宽度大，复杂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；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率调制是一种非线性调制。二、调频及其解调调频波的解调又称为鉴频。调频波ea调频-调幅波第四节滤波器滤波器的作用是使信号中的特定频率成分通过，而抑制或极大地衰减其他频率成分。滤波器是频谱分析和滤除干扰噪声的频率选择装置，广泛用于各种自动检测、自动控制装置中。本节重点介绍滤波器原理及应用。第三节滤波器根据选频特性，滤波器分为低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器fc2fc2fc2fc1fc1fc1低通高通带通带阻滤波器的串/并联低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。一、滤波器的特性及描述1、实际滤波器的基本参数2、RC滤波器的基本特性3、RC有源滤波器1、实际滤波器的基本参数如图5-20所示，对于理想滤波器，只需规定截止频率就可以得知其性能。实际滤波器则复杂得多。重点介绍带通滤波器的主要参数。1、纹波幅度d纹波幅度为幅频特性的最大波动值。20Ad2、截止频率幅频特性值等于所对应的频率为截止频率，记作fc。截止频率对应的点正好是半功率点。截止频率又称为-3dB频率。20A3、带宽B和中心频率f0带通滤波器上、下两截止频率之间的频率范围称为其通频带带宽，或-3dB带宽，记作B=fc2-fc1(Hz)。带宽决定滤波器分离信号中相邻频率成分的能力——频率分辨力。210ccfff4、选择性选择性是一个特别重要的性能指标。过渡带的幅频特性曲线的斜率表明其幅频特性衰减的快慢，它决定着滤波器对通频带以外频率成分的衰减能力。倍频程选择性滤波器因数①倍频程选择性频率变化一个倍频程时，过渡带幅频特性的衰减量称为滤波器的倍频程选择性，以dB表示。衰减越快，选择性越好。②滤波器因数（矩形系数）滤波器幅频特性的-60dB带宽与-3dB带宽之比称为滤波器因数，记作λ，即dBdBBB360理想滤波器λ=1，常用滤波器λ=（1~5）5、品质因数Q值带通滤波器中心频率f0与带宽B之比称为滤波器的品质因数，有时称作Q值，即BfQ0Q值越高，选择性越好。5、品质因数Q值若中心频率f01=f02=500Hz,Q1=50，Q2=25，哪个滤波器的选择性好？HzQfB10505001011Q值越高，选择性越好。举例HzQfB202550020222、RC滤波器的基本特性RC低通滤波器RC高通滤波器RC带通滤波器RC低通滤波器iooeedtdeRC2211)(AjjH11121eoeiarctg)(RC高通滤波器ioo1edteRCejjjH1221)(A21eoei1)(arctg注意：截止频率的计算RC带通滤波器2111)1(jjjjH1121cf2221cf???1222112121RRCRCRffcc与eoei3、RC有源滤波器低阶无源滤波器的选择性主要取决于滤波器的阶次。为什么？无源RC滤波器串联虽然可以提高阶次，但受级间耦合影响，其效果是递减的，信号的幅值将逐级衰减。有源滤波器由RC网络和有源器件组成。目前以运算放大器作有源器件构成的有源滤波器应用广泛。运算放大器可以消除级间耦合对特性的影响，又可以起到放大信号的作用。3、RC有源滤波器3、RC有源滤波器二、实际滤波器的应用滤波器的应用主要有两种形式：1、单个滤波器接入自动检测、自动控制装置的电路中；2、多个滤波器的滤波器组件。（本节讨论该种情况）倍频程滤波装置二、实际滤波器的应用1、倍频程滤波器2、恒带宽滤波器3、各种滤波器的比较1、倍频程滤波器带通滤波器上下截止频率可表示为fc2=2nfc1，n为倍频程数，常取为1，1/3，1/5，1/10。滤波器的中心频率f0则为210ccfff220220022122nnnnffBfQ当n一定时，Q值为常数，所以倍频程滤波器都是恒带宽比带通滤波器。邻接式倍频程滤波器中，两个邻接的滤波器的中心频率关系为f02=2nf012、恒带宽滤波器2)恒带宽比带通滤波器1)恒带宽带通滤波器2、恒带宽滤波器恒带宽比式滤波器的带宽随中心频率的增大而增大，致使带宽过大、频率分辨力过差，无法分离频率值接近的成分。为使滤波器在各个频率段都具有相同的频率分辨力，需要采用恒带宽滤波器。2、恒带宽滤波器常用的恒带宽滤波器有两种：1、跟踪滤波器2、相关滤波器中心频率都由参考信号控制连续调节。跟踪滤波器是一种连续式恒带宽滤波器。工作原理如图5-28所示。跟踪滤波器原理图12345(1)ttsinttsin2ABtBcostAsin)]()([)((2)ttsinttsin2ABtBsintAcos)]()([)((3)tABsin[ttABsin)])()((4)tntsinxtsinxx(t)iii0)()()((5)]n(t))tABsin[(tcostcos2ABx])t2cos[(-)-tcos(2ABxtx(t)ABsin[iiiii0])[(])[()])(吉布斯现象（Gibbs）建立时间Te与带宽的关系eccTf1Bf常数eBT滤波器的频率分辨率与快速响应特性互相矛盾3、各种滤波器的比较1/3倍频程滤波器1/10倍频程滤波器倍频程选择性为45dB跟踪滤波器带宽为3Hz滤波器因数λ=4信号的滤波由案例提炼的典型实验：钢管无损探伤滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警实验案例：机床轴心轨迹的滤波处理信号的滤波案例：