機(jī)械工程測試技術(shù)第四章信號調(diào)理與記錄.ppt

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第四章信號調(diào)理與記錄,6.0變換及調(diào)理的目的6.1電橋6.2信號的調(diào)制解調(diào)6.3信號的濾波器,▼,▼,▼,▼,,,▲,,6.0變換與調(diào)理的目的,便于信號的傳輸與處理。1.傳感器輸出的電信號很微弱，大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需要進(jìn)一步放大，有的還要進(jìn)行阻抗變換。2.有些傳感器輸出的電信號中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。3.某些場合，為便于信號的遠(yuǎn)距離傳輸，需要對傳感器測量信進(jìn)行調(diào)制解調(diào)處理。,將電阻R(應(yīng)變片)、電感L、電容C等電參數(shù)變?yōu)殡妷害或電流ΔI信號后輸出的一種測量電路。a、c兩端接電源Ui，稱供橋端；b、d兩端接輸出電壓Uo，稱輸出端。,6.1電橋,電橋,根據(jù)橋臂阻抗性質(zhì)的不同為:電阻電橋電容電橋電感電橋根據(jù)供橋電源分為:直流電橋:采用直流電源——只用于測量電阻R的變化交流電橋：采用交流電源——測量電阻R、電容C、電感L的變化,電橋,1.電橋的分類,直流電橋,2.直流電橋,采用直流電源的電橋稱為直流電橋四個橋臂由電阻R1、R2、R3和R4組成。,電橋的輸出：平衡的條件：R1R3=R2R4,推導(dǎo),溫敏電阻,直流電橋,平衡條件,直流電橋,R1＋?R,,Uo＋?U,,?U,,平衡的條件：R1R3=R2R4電橋的輸出：,這時，電橋平衡嗎？,R1＋?R,為了簡化設(shè)計，R2=R3=R4=R0，而R1=R0+?R,直流電橋,電橋的靈敏度定義為,單片,半橋、單臂輸出,全橋、四臂輸出,半橋、雙臂輸出,四片,兩片,,,半橋、單臂輸出,全橋、四臂輸出,半橋、雙臂輸出,統(tǒng)一表示：,推導(dǎo),推導(dǎo),常用調(diào)平衡,電橋測量的和差特性,溫度補(bǔ)償,提高輸出,全橋、四臂輸出：,直流電橋,平衡條件,3.交流電橋,交流電橋,而,其中，Z1、Z2、Z3、Z4為阻抗的模，而j1、j2、j3、j4為阻抗角，是各橋臂電流與電壓之間的相位差。,(*),平衡條件,電容電橋,電容電橋,平衡條件：,電感電橋,電感電橋,平衡條件：,推導(dǎo),推導(dǎo),▲,聲音信號,,調(diào)制Modulation,,解調(diào)Demodulation,6.2調(diào)制與解調(diào),聲音信號,利用緩變信號控制高頻信號的某個參數(shù)(幅值、頻率或相位)變化的過程。,已調(diào)波,1）實(shí)現(xiàn)緩變信號的傳輸，特別是遠(yuǎn)距離傳輸,2）提高信號傳輸中的抗干擾能力和信噪比,1.調(diào)制的目的,→音頻信號,2.調(diào)制的種類,調(diào)制信號,載波信號,a)幅值調(diào)制(簡稱調(diào)幅，AM，AmplitudeModulation),b)頻率調(diào)制(簡稱調(diào)頻，F(xiàn)M，F(xiàn)requencyModulation),c)相位調(diào)制(簡稱調(diào)相，PM，PhaseModulation),緩變信號x(t),高頻簡諧信號y(t)=A0cos(2pf0t+f0),3.幅值調(diào)制（調(diào)幅）及其解調(diào),調(diào)幅是將一個高頻簡諧信號y(t)（載波信號）與緩變信號（調(diào)制信號）x(t)相乘，使載波信號y(t)的幅值隨緩變信號x(t)的幅值變化而變化過程。幅值調(diào)制后的信號稱為調(diào)幅波。,調(diào)制信號,載波信號,調(diào)幅波,(1).調(diào)幅的時域表達(dá),假設(shè)調(diào)制信號x(t)的最高頻率成分為fm，載波信號y(t)=cos2pf0t,f0>>fm，則有調(diào)幅波：,(2).調(diào)幅的頻域表達(dá),如果,則,調(diào)制信號,載波信號,調(diào)幅波,?,時域,頻域,,音頻信號,廣播電臺的發(fā)射塔,調(diào)幅AM,,調(diào)幅波,載波信號,對已調(diào)波進(jìn)行鑒別以恢復(fù)緩變信號的過程。,調(diào)幅波,恢復(fù)所需要的緩變信號,(3).幅值解調(diào)的目的,,,接收,解調(diào)Demodulation,(4).同步解調(diào),,,,同步解調(diào),(a)調(diào)幅波頻譜,(b)載波信號頻譜,(c)同步解調(diào)后頻譜,Xm(f),,,0,?,-f0,f0,Xm(f)*Y(f),,0,?,f0,-f0,x(t)>0時(0~t1)，xm(t)與y(t)同相，檢波器輸出uf(t)>0,x(t)<0時(t1~t2)，xm(t)與y(t)反相，檢波器輸出uf(t)>?m,?(t)=?0+Δf=?0+kFMx(t),調(diào)頻時Y0和j0不變,?0→?(t),kFM為比例常數(shù),kFM>0,低頻信號電壓為正值時調(diào)頻波的頻率升高，負(fù)值時則降低。低頻信號電壓為零時，調(diào)頻波的頻率就等于高頻信號的頻率。,諧振電路,電抗到電壓的轉(zhuǎn)化,諧振電路,把電容、電感等電參量的變化轉(zhuǎn)為電壓變化的電路,高頻振蕩器,,諧振電路的頻率：,諧振電路作調(diào)頻器,調(diào)頻及解調(diào)電路,鑒頻器,調(diào)頻波－>調(diào)頻調(diào)幅波－>幅值檢波,鑒頻器電壓－頻率特性曲線,亞諧振區(qū),等幅調(diào)頻波的頻率等于回路諧振頻率，線圈中的耦合電流最大,▲,(a)低通濾波器(Lowpassfilter),(b)高通濾波器(Highpassfilter),(c)帶通濾波器(bandpassfilter),(d)帶阻濾波器(bandstopfilter),6.3濾波器,濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分．,1.濾波器分類(根據(jù)濾波器的選頻作用分),?2稱為低通濾波器的上截止頻率,?1、?2分別稱為帶通濾波器的下、上截止頻率,,通帶,,通帶,,通帶,,通帶,,通帶,,阻帶,,阻帶,,阻帶,,阻帶,,阻帶,理想濾波器,?1稱為高通濾波器的下截止頻率,(c)帶通濾波器(bandpassfilter),(d)帶阻濾波器(bandstopfilter),,,通帶,,通帶,,,,阻帶,通帶,阻帶,阻帶,理想濾波器是指能使通帶內(nèi)信號的幅值和相位都不失真，阻帶內(nèi)的頻率成分都衰減為零的濾波器。,2.理想濾波器,H(2p?)=A(2p?)ejj(2p?),A(2p?)=A0=const,j(2p?)=-2p?t0,物理不可實(shí)現(xiàn),理想濾波器在時域內(nèi)的脈沖響應(yīng)函數(shù)h(t)為sinc函數(shù)。脈沖響應(yīng)的波形沿橫坐標(biāo)左、右無限延伸。,給理想濾波器一個脈沖激勵，從圖中可以看出，在t=0時刻單位脈沖輸入濾波器之前，即在t＜0時，濾波器就已經(jīng)有響應(yīng)了。,h(t),d(t),在實(shí)際濾波器的幅頻特性圖中通帶和阻帶間應(yīng)沒有嚴(yán)格的界限，存在一個過渡帶。,3.實(shí)際濾波器,1)截止頻率:,幅頻特性值等于,所對應(yīng)的頻率,2)帶寬B：上下兩截頻間的頻率范圍稱為帶寬,3)紋波幅度d：波動幅度d與幅頻特性平均值A(chǔ)0相比應(yīng)小于-3dB。,,濾波器帶寬B=fc2-fc1,-3dB,5)品質(zhì)因數(shù)Q:中心頻率和帶寬之比稱為品質(zhì)因數(shù),6)倍頻程選擇性W:指在上截止頻率fc2與2fc2之間、下截止頻率fc1與fc1/2之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個倍頻程時的衰減量。,4)中心頻率f0:,7)濾波器因素l:濾波器選擇性，l=B-60dB/B-3dB,4.RC無源濾波器,在測試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因?yàn)檫@一領(lǐng)域中信號頻率相對來說不高。而RC濾波器電路簡單，抗干擾強(qiáng)，有較好的低頻性能，并且選用標(biāo)準(zhǔn)阻容元件。,1)一階RC低通濾波器,令t=RC，稱為時間常數(shù),傅立葉變換，頻響函數(shù)：,當(dāng)?<>1/2pRC時，起積分器作用,令RC=t代入，作傅立葉變換，得頻響函數(shù),當(dāng)?=1/2pt,即?=1/2pRC時，,,當(dāng)?>>1/2pRC時，A(?)≈1，j(?)=0,下截止頻率：?c1=1/2pRC,A(?)=1/,2)一階RC高通濾波器,當(dāng)?<0時(0~t1時間內(nèi))，調(diào)幅波xm(t)與載波y(t)在每一時刻都同相,1）xm(t)>0，y(t)>0,2）xm(t)<0，y(t)0，y(t)>0,二極管D3、D4導(dǎo)通,在負(fù)載上形成兩個電流回路:,回路1：3-c-D3-d-2-e-g-f,回路2：f-g-e-2-d-D4-a-4,總輸出為：,＋,－,＋,＋,＋,＋,＋,－,－,－,－,－,,,,,,,,,,,,,,,,,,,＋,－,＋,＋,＋,＋,＋,－,－,－,－,－,,,,,,,,,,,,,,,,,2）xm(t)<0，y(t)<0,二極管D1、D2導(dǎo)通，在負(fù)載上形成兩個電流回路：,回路1：4-a-D1-b-1-e-g-f,回路2：f-g-e-1-b-D2-c-3,總輸出為：,返回,,品質(zhì)因素Q,相同Q值，中心頻率?n越大，帶寬B越大→這樣的濾波器為恒帶寬比濾波器,帶通濾波器,低端截止頻率為?c1，高端截止頻率為?c2,?c2=2n?c1,(1),(2),(3),(4),(5),返回,恒帶寬比濾波器,