1、第五章、測(cè)試信號(hào)調(diào)理技術(shù)第五章、測(cè)試信號(hào)調(diào)理技術(shù)本章學(xué)習(xí)要求：本章學(xué)習(xí)要求：1. 熟練掌握測(cè)量電橋的特性和計(jì)算公式；熟練掌握測(cè)量電橋的特性和計(jì)算公式； 2.了解測(cè)量放大器的應(yīng)用和調(diào)制與解調(diào)電路的工作原理；了解測(cè)量放大器的應(yīng)用和調(diào)制與解調(diào)電路的工作原理； 3.掌握濾波器的特性參數(shù)，能正確選用濾波器；掌握濾波器的特性參數(shù)，能正確選用濾波器； 4.了解信號(hào)指示紀(jì)錄裝置的工作原理。了解信號(hào)指示紀(jì)錄裝置的工作原理。 學(xué)習(xí)難點(diǎn)學(xué)習(xí)難點(diǎn) 調(diào)制與解調(diào)的工作原理，濾波器的工作原理及其特性參數(shù)。調(diào)制與解調(diào)的工作原理，濾波器的工作原理及其特性參數(shù)。 5.1 信號(hào)調(diào)理的目的信號(hào)調(diào)理的目的 信號(hào)調(diào)理的的目的是便于信號(hào)的

2、傳輸與處理信號(hào)調(diào)理的的目的是便于信號(hào)的傳輸與處理。 1.1.傳感器輸出的電信號(hào)很微弱，大多數(shù)不能傳感器輸出的電信號(hào)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。要進(jìn)一步放大，有的還要進(jìn)行阻抗變換。 2.2.有些傳感器輸出的是電信號(hào)中混雜有干擾噪有些傳感器輸出的是電信號(hào)中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。3.3.某些場(chǎng)合，為便于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，需要某些場(chǎng)合，為便于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，需要對(duì)傳感器測(cè)量信進(jìn)行調(diào)制解調(diào)處理。對(duì)傳感器測(cè)量信進(jìn)行調(diào)制解調(diào)處理。 二二. 信號(hào)調(diào)節(jié)器的種類

3、信號(hào)調(diào)節(jié)器的種類1. 參量變換型：參量變換型：常用于參量型傳感器，將電參量變換成電壓和電流量。常用于參量型傳感器，將電參量變換成電壓和電流量。被測(cè)量被測(cè)量參量型傳感器參量型傳感器電橋、諧振電路電橋、諧振電路R, L, CV, I2. 阻抗變換、幅度調(diào)節(jié)阻抗變換、幅度調(diào)節(jié) 被測(cè)量被測(cè)量發(fā)電型傳感器發(fā)電型傳感器放大、衰減、阻抗匹配、變換放大、衰減、阻抗匹配、變換U, IV, I3. 調(diào)制、解調(diào)調(diào)制、解調(diào)被測(cè)量被測(cè)量傳感器傳感器解調(diào)解調(diào)調(diào)制調(diào)制放大、傳送放大、傳送調(diào)制波調(diào)制波輸出輸出4. 品質(zhì)調(diào)節(jié)品質(zhì)調(diào)節(jié)：線性化處理線性化處理擴(kuò)大測(cè)量范圍，減少非線性失真；擴(kuò)大測(cè)量范圍，減少非線性失真； 濾濾 波波保

4、持有用信號(hào)，消除干擾；保持有用信號(hào)，消除干擾； 倍頻、細(xì)分倍頻、細(xì)分提高測(cè)量精度；提高測(cè)量精度；5. A/D、D/A轉(zhuǎn)換：轉(zhuǎn)換：與計(jì)算機(jī)相聯(lián)系。與計(jì)算機(jī)相聯(lián)系。5.2 信號(hào)放大信號(hào)放大 分類分類放大器放大器直流放大器直流放大器交流放大器交流放大器電荷放大器電荷放大器直流電橋直流電橋特點(diǎn)特點(diǎn)交流電橋交流電橋低頻保留低頻保留, ,高頻截止高頻截止高頻保留高頻保留, ,低頻截止低頻截止1 1 直流放大電路直流放大電路 電壓增益電壓增益: :1) 1) 反相放大器反相放大器 1RRAFv 反饋電阻反饋電阻R RF F值不能太大，否則會(huì)產(chǎn)生較大的值不能太大，否則會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲及漂移，一般為幾十千歐至幾

5、百千歐。噪聲及漂移，一般為幾十千歐至幾百千歐。R1R1的的取值應(yīng)遠(yuǎn)大于信號(hào)源取值應(yīng)遠(yuǎn)大于信號(hào)源UiUi的內(nèi)阻的內(nèi)阻。 煙霧報(bào)警器煙霧報(bào)警器酒精傳感器酒精傳感器二氧化碳傳感器二氧化碳傳感器2)2)同相放大器同相放大器 同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻同相放大器具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點(diǎn)，廣泛用于前置放大級(jí)?？购艿偷奶攸c(diǎn)，廣泛用于前置放大級(jí)。 同相放大器也是最基同相放大器也是最基本的電路本的電路 ，其閉環(huán)電壓，其閉環(huán)電壓增益增益AvAv為為: :11RRAFv2 2 交流放大電路交流放大電路 R1R1一般取幾十千歐。耦合電容一般取幾十千歐。耦合電容C1C1、C3C3可根據(jù)交流可根據(jù)

6、交流放大器的下限頻率放大器的下限頻率fLfL來(lái)確定。來(lái)確定。 )2/()103(31LLfRCC11RRAFv 若只需要放大交流信號(hào)，可采用圖示的集成若只需要放大交流信號(hào)，可采用圖示的集成運(yùn)放交流電壓同相放大器。其中電容運(yùn)放交流電壓同相放大器。其中電容C1C1、C2C2及及C3C3為隔直電容。為隔直電容。 3 電橋電橋作用：作用：將電阻、電容、電感等參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換將電阻、電容、電感等參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出的一種測(cè)量電路。為電壓或電流輸出的一種測(cè)量電路。分類：分類：根據(jù)其所采用的激勵(lì)電源類型：根據(jù)其所采用的激勵(lì)電源類型： 直流電橋直流電橋 電橋的電源為直流，直流電橋只能是純電橋的電源為直

7、流，直流電橋只能是純電阻電橋。電阻電橋。交流電橋交流電橋 電源為交流，交流電橋橋臂可為電阻、電源為交流，交流電橋橋臂可為電阻、電感或電容。電感或電容。 根據(jù)其工作原理分類：根據(jù)其工作原理分類：偏位法：偏位法：電橋失衡，輸出不平衡的電壓，反應(yīng)快。電橋失衡，輸出不平衡的電壓，反應(yīng)快。零位法零位法：電橋失衡后，伺服機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)調(diào)整臂阻抗，：電橋失衡后，伺服機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)調(diào)整臂阻抗，使輸出恢復(fù)為零，調(diào)整量的大小與被測(cè)量成正比，使輸出恢復(fù)為零，調(diào)整量的大小與被測(cè)量成正比，精度高。精度高。 直流電橋直流電橋平衡條件平衡條件4231RRRR工作原理：利用四個(gè)橋臂中的一個(gè)或數(shù)個(gè)的阻值變化工作原理：利用四個(gè)橋臂中的一個(gè)或

8、數(shù)個(gè)的阻值變化 而引起電橋輸出電壓的變化而引起電橋輸出電壓的變化 。 直流電橋的連接形式：直流電橋的連接形式： 半橋單臂半橋單臂 半橋雙臂半橋雙臂 全橋全橋 單臂單臂 半橋半橋全橋全橋單臂半橋單臂半橋VER1R2R4R3令：令：RR 1RR 24RR4ES RREERRRRRRRRRRERRRRRRRRRRV4)()()()(43214231VER1R2R4R3RRR3差動(dòng)半橋雙臂接法差動(dòng)半橋雙臂接法 a) 半橋單臂b) 半橋雙臂 c) 全橋當(dāng) R1 = R2 = R3 = R4 = R0, R1 = R2 = R時(shí)，電橋輸出為： iuRRRRRRRRRu4341102差動(dòng)全橋差動(dòng)全橋 當(dāng)當(dāng)

9、R1 = R2 = R3 = R4 = R0, R1 = R2 = R3 = R4 = R，電橋輸出為：電橋輸出為： 44332211RRRRRRRR，3124012341234141()4ssRRRRuuRRRRu k又若當(dāng)四個(gè)橋臂的阻值為：又若當(dāng)四個(gè)橋臂的阻值為：且且 R1 = R2 = R3 = R4 = R0時(shí)可得此時(shí)電橋的輸出電壓近似為：時(shí)可得此時(shí)電橋的輸出電壓近似為：小結(jié)：小結(jié)：電橋具有加減特性：相鄰臂異號(hào)（減）；相對(duì)臂同號(hào)。利用這一特性就電橋具有加減特性：相鄰臂異號(hào)（減）；相對(duì)臂同號(hào)。利用這一特性就能根據(jù)測(cè)量目的來(lái)正確選擇傳感器位置的布置、接橋方式以提高靈敏度、能根據(jù)測(cè)量目的來(lái)正

10、確選擇傳感器位置的布置、接橋方式以提高靈敏度、作溫度誤差和非線性誤差的自動(dòng)補(bǔ)償、消除其它非測(cè)試項(xiàng)引起的誤差。作溫度誤差和非線性誤差的自動(dòng)補(bǔ)償、消除其它非測(cè)試項(xiàng)引起的誤差。電橋靈敏度電橋靈敏度 1）與電源電壓有關(guān)。）與電源電壓有關(guān)。 越大，靈越大，靈敏度越高。敏度越高。 決定與組成電橋的電阻元件所允許通過(guò)的最大電流。對(duì)決定與組成電橋的電阻元件所允許通過(guò)的最大電流。對(duì)120的電阻應(yīng)變片橋壓常在的電阻應(yīng)變片橋壓常在5v以下，以降低應(yīng)變片的通過(guò)電流，減少以下，以降低應(yīng)變片的通過(guò)電流，減少其溫升。其溫升。2）與接橋方式有關(guān)）與接橋方式有關(guān)直流電橋的優(yōu)點(diǎn)是采用直流電源作激勵(lì)電源，而直流電源穩(wěn)定性高。電直流

11、電橋的優(yōu)點(diǎn)是采用直流電源作激勵(lì)電源，而直流電源穩(wěn)定性高。電橋的輸出是直流量，可用直流儀表測(cè)量，精度高。電橋與后接儀表間的橋的輸出是直流量，可用直流儀表測(cè)量，精度高。電橋與后接儀表間的連接導(dǎo)線不會(huì)形成分布參數(shù)，因此對(duì)導(dǎo)線連接的方式要求較低。另外，連接導(dǎo)線不會(huì)形成分布參數(shù)，因此對(duì)導(dǎo)線連接的方式要求較低。另外，電橋的平衡電路簡(jiǎn)單，僅需對(duì)純電阻的橋臂調(diào)整即可。電橋的平衡電路簡(jiǎn)單，僅需對(duì)純電阻的橋臂調(diào)整即可。直流電橋的缺點(diǎn)是易引入工頻干擾，由于輸出為直流量，故需對(duì)其作直直流電橋的缺點(diǎn)是易引入工頻干擾，由于輸出為直流量，故需對(duì)其作直流放大，而直流放大器一般都比較復(fù)雜，易受零漂和接地電位的影響。流放大，而直

12、流放大器一般都比較復(fù)雜，易受零漂和接地電位的影響。因此直流電橋適合于靜態(tài)量的測(cè)量。因此直流電橋適合于靜態(tài)量的測(cè)量。 susu單半全SSS42應(yīng)用應(yīng)用 應(yīng)變測(cè)量中的溫度補(bǔ)償應(yīng)變測(cè)量中的溫度補(bǔ)償 一個(gè)簡(jiǎn)化了的單向受拉件如圖一個(gè)簡(jiǎn)化了的單向受拉件如圖( 測(cè)軸測(cè)軸向拉向拉(壓壓)時(shí)的溫度補(bǔ)償時(shí)的溫度補(bǔ)償)所示，在軸向所示，在軸向力力P作用下。試件為單向應(yīng)力狀態(tài)。作用下。試件為單向應(yīng)力狀態(tài)。故沿構(gòu)件表面的軸線方向貼工作片故沿構(gòu)件表面的軸線方向貼工作片R1,在溫度補(bǔ)償板上貼補(bǔ)償片在溫度補(bǔ)償板上貼補(bǔ)償片Rt，則，則 ttPRRRRR21,將二者組成半橋即可測(cè)得軸向應(yīng)變將二者組成半橋即可測(cè)得軸向應(yīng)變P。電橋的

13、輸出為電橋的輸出為實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償必須滿足以下條件：實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償必須滿足以下條件：補(bǔ)償板和試件的材料相同；工作片、補(bǔ)補(bǔ)償板和試件的材料相同；工作片、補(bǔ)償片完全相同，放在完全相同溫度場(chǎng)中，接在相臨橋臂。償片完全相同，放在完全相同溫度場(chǎng)中，接在相臨橋臂。 上圖中沿軸向貼一片應(yīng)變片，沿橫向貼另一片，稱為工作上圖中沿軸向貼一片應(yīng)變片，沿橫向貼另一片，稱為工作片補(bǔ)償法。其輸出電壓為片補(bǔ)償法。其輸出電壓為在拉（壓）應(yīng)變測(cè)量中測(cè)彎矩除拉力及溫度的影響在拉（壓）應(yīng)變測(cè)量中測(cè)彎矩除拉力及溫度的影響RRuRRRRRRRRuuRRRRRRRRMstMPtMPstMPtMP2141021，PMR1R2如果要測(cè)拉除彎及溫度

14、的影響呢？如果要測(cè)拉除彎及溫度的影響呢？RRuRRRRRRRRRRRRuuRRuRRRRRRRRRRuuPsttMPttMPsPstttMPtMPs214141224100）（）（）（）（全半M用多工作片提高應(yīng)變測(cè)量的靈敏度用多工作片提高應(yīng)變測(cè)量的靈敏度在左圖在左圖( 用四工作片測(cè)拉用四工作片測(cè)拉(壓壓)應(yīng)變應(yīng)變)中，布片時(shí)省去中，布片時(shí)省去了溫度補(bǔ)償板。這種方法了溫度補(bǔ)償板。這種方法可得到最大輸出應(yīng)變值，可得到最大輸出應(yīng)變值，即即 也可以消除因加載偏心也可以消除因加載偏心而造成的附加彎矩。而造成的附加彎矩。 一等強(qiáng)度梁上、下表面貼有若干參數(shù)相同的應(yīng)變片，梁材一等強(qiáng)度梁上、下表面貼有若干參數(shù)相

15、同的應(yīng)變片，梁材料的泊松比為料的泊松比為，在力，在力P的作用下，梁的軸向應(yīng)變?yōu)榈淖饔孟?，梁的軸向應(yīng)變?yōu)椋渺o，用靜態(tài)應(yīng)變儀測(cè)量時(shí)，如何組橋方能實(shí)現(xiàn)下列讀數(shù)？態(tài)應(yīng)變儀測(cè)量時(shí)，如何組橋方能實(shí)現(xiàn)下列讀數(shù)？a) ； b) (1+)； c) 4； d) 2(1+)；e) 0；f) 2 本題有多種組橋方式本題有多種組橋方式 4 交流電橋交流電橋交流電橋的構(gòu)造和功能與直流電橋基本相同，區(qū)別在于：由振蕩器產(chǎn)生的交流電源供橋。由振蕩器產(chǎn)生的交流電源供橋。應(yīng)變片不是純電阻，而是阻抗。應(yīng)變片不是純電阻，而是阻抗。應(yīng)變片敏感柵之間的分布電容和測(cè)量導(dǎo)線的分布電容影響。應(yīng)變片敏感柵之間的分布電容和測(cè)量導(dǎo)線的分布電容影響。

16、如四臂分別用阻抗表示，將交流電橋的阻抗、電流及電壓用復(fù)數(shù)表如四臂分別用阻抗表示，將交流電橋的阻抗、電流及電壓用復(fù)數(shù)表示，則直流電橋的平衡關(guān)系式也可用于交流電橋。當(dāng)電橋平衡示，則直流電橋的平衡關(guān)系式也可用于交流電橋。當(dāng)電橋平衡時(shí)有：時(shí)有： 1324Z ZZ Z iZijiiZZ ei)(42)(314231jjeZZeZZ式中：各橋臂的復(fù)數(shù)阻抗，而Zi為復(fù)數(shù)阻抗的模，-為復(fù)數(shù)阻抗的阻抗角。帶入上式得：上式成立的條件是：上式成立的條件是： 此式表明，交流電橋平衡要滿足兩個(gè)條件，即：兩相對(duì)橋此式表明，交流電橋平衡要滿足兩個(gè)條件，即：兩相對(duì)橋臂的阻抗模的乘積相等；其阻抗角的和相等。臂的阻抗模的乘積相等

17、；其阻抗角的和相等。 阻抗角表示橋臂電流與電壓之間的相位差：阻抗角表示橋臂電流與電壓之間的相位差： 當(dāng)橋臂為純電阻時(shí)，當(dāng)橋臂為純電阻時(shí)，0； 若為電感性阻抗時(shí)，若為電感性阻抗時(shí)，0 ； 若為電容性阻抗時(shí)，若為電容性阻抗時(shí)， 0 。 由于交流電橋平衡必須同時(shí)滿足模及阻抗角的兩個(gè)條件，因由于交流電橋平衡必須同時(shí)滿足模及阻抗角的兩個(gè)條件，因此橋臂結(jié)構(gòu)可采用不同的組合方式，以滿足平衡條件。此橋臂結(jié)構(gòu)可采用不同的組合方式，以滿足平衡條件。 42314231ZZZZ對(duì)于對(duì)于電容電橋電容電橋，平衡條件：，平衡條件：等式兩邊實(shí)部與虛部分別相等得到如下電橋平衡方程組：等式兩邊實(shí)部與虛部分別相等得到如下電橋平衡方

18、程組：這意味著電容電橋的平衡條件除了電阻要這意味著電容電橋的平衡條件除了電阻要 滿足要求外，電容也必須滿足滿足要求外，電容也必須滿足一定的要求。一定的要求。 對(duì)于對(duì)于電感電橋電感電橋，其平衡條件為：，其平衡條件為： 由于交流電橋平衡必須同時(shí)滿足模及阻抗角的兩個(gè)條件，因由于交流電橋平衡必須同時(shí)滿足模及阻抗角的兩個(gè)條件，因此較之直流電橋其平衡條件要復(fù)雜得多。即使是純電阻交流此較之直流電橋其平衡條件要復(fù)雜得多。即使是純電阻交流電橋，電橋?qū)Ь€之間形成的分布電容也會(huì)影響橋臂阻抗值，電橋，電橋?qū)Ь€之間形成的分布電容也會(huì)影響橋臂阻抗值，相當(dāng)于在各橋臂的電阻上并聯(lián)了一個(gè)電容。為此在調(diào)電阻平相當(dāng)于在各橋臂的電阻

19、上并聯(lián)了一個(gè)電容。為此在調(diào)電阻平衡時(shí)尚需進(jìn)行電容的調(diào)平衡。下圖是一種用于動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的衡時(shí)尚需進(jìn)行電容的調(diào)平衡。下圖是一種用于動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的純電阻電橋，是具有電阻、電容平衡的交流電阻電橋。純電阻電橋，是具有電阻、電容平衡的交流電阻電橋。 應(yīng)變儀用交流電橋的電路圖 電阻電阻R1 ,R2和可變電阻和可變電阻R3用于調(diào)整電阻不平衡，差動(dòng)可用于調(diào)整電阻不平衡，差動(dòng)可變電容變電容C2則用于調(diào)整橋臂對(duì)地分布電容的不平衡。則用于調(diào)整橋臂對(duì)地分布電容的不平衡。 影響交流電橋測(cè)量精度的因素： 電橋各元件之間的互感耦合； 泄漏電阻以及元件間、元件對(duì)地之間的分布電容； 鄰近交流電路對(duì)電橋的感應(yīng)影響。 交流電橋的激勵(lì)電源

20、要求其電壓波形和頻率必須具有很好的穩(wěn)定性。 5.35.3調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)1 1 目的目的 解決微弱緩變信號(hào)的放大以及信號(hào)解決微弱緩變信號(hào)的放大以及信號(hào)的傳輸問(wèn)題。的傳輸問(wèn)題。 先將微弱的緩變信號(hào)加載到高頻交流信號(hào)中去，先將微弱的緩變信號(hào)加載到高頻交流信號(hào)中去，然后利用交流放大器進(jìn)行放大，最后再?gòu)姆糯笃鞯娜缓罄媒涣鞣糯笃鬟M(jìn)行放大，最后再?gòu)姆糯笃鞯妮敵鲂盘?hào)中取出放大了的緩變信號(hào)。輸出信號(hào)中取出放大了的緩變信號(hào)。 例：交流電橋例：交流電橋VinVoR1R3R2R42.調(diào)制及有關(guān)術(shù)語(yǔ)調(diào)制及有關(guān)術(shù)語(yǔ) 調(diào)制：就是利用緩變信號(hào)來(lái)控制、調(diào)節(jié)高頻振蕩信號(hào)的某個(gè)參調(diào)制：就是利用緩變信號(hào)來(lái)控制、調(diào)節(jié)高頻振蕩信

21、號(hào)的某個(gè)參數(shù)（幅值、頻率或者相位），使其按緩變信號(hào)的規(guī)律變化。數(shù)（幅值、頻率或者相位），使其按緩變信號(hào)的規(guī)律變化。 載波信號(hào)：高頻振蕩信號(hào)稱為載波信號(hào)載波信號(hào)：高頻振蕩信號(hào)稱為載波信號(hào) 調(diào)制信號(hào)：上面緩變信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)：上面緩變信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào) 已調(diào)波：載波被緩變信號(hào)調(diào)制后稱為已調(diào)波已調(diào)波：載波被緩變信號(hào)調(diào)制后稱為已調(diào)波 解調(diào)：從已調(diào)頻波中恢復(fù)出調(diào)制信號(hào)的過(guò)程。解調(diào)：從已調(diào)頻波中恢復(fù)出調(diào)制信號(hào)的過(guò)程。2 2 種類種類調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)x(t)x(t)0 0t t載波信號(hào)載波信號(hào))2cos()(ftAtzz(t)z(t)0 0t ta) a) 幅度調(diào)制幅度調(diào)制(AM)(AM)2cos()

22、(*)(fttxAtyb) b) 頻率調(diào)制頻率調(diào)制(FM)(FM)*)(2cos()(0ttxfAtyc) c) 相位調(diào)制相位調(diào)制(PM(PM)(2cos()(0txftAty3 3 幅度調(diào)制幅度調(diào)制 調(diào)幅是將一個(gè)高頻正弦信號(hào)（或稱載波）與調(diào)幅是將一個(gè)高頻正弦信號(hào)（或稱載波）與測(cè)試信號(hào)相乘，使載波信號(hào)幅值隨測(cè)試信號(hào)的變測(cè)試信號(hào)相乘，使載波信號(hào)幅值隨測(cè)試信號(hào)的變化而變化化而變化)2cos()(*)(0fttxAty緩變信號(hào)緩變信號(hào)調(diào)制調(diào)制高頻信號(hào)高頻信號(hào)放大放大放大高放大高頻信號(hào)頻信號(hào)解調(diào)解調(diào)放大緩放大緩變信號(hào)變信號(hào)交流電橋的調(diào)幅作用交流電橋的調(diào)幅作用以全等臂電橋單片工作為例，若忽略橋臂電容的影

23、響且初始平衡，說(shuō)明應(yīng)變信號(hào)以全等臂電橋單片工作為例，若忽略橋臂電容的影響且初始平衡，說(shuō)明應(yīng)變信號(hào)的調(diào)幅過(guò)程和原理。的調(diào)幅過(guò)程和原理。若電橋的供橋電壓為：若電橋的供橋電壓為：以其作為載波，則電橋的輸出電壓為：以其作為載波，則電橋的輸出電壓為：工作片工作片R1承受靜態(tài)拉應(yīng)變（承受靜態(tài)拉應(yīng)變（+）時(shí)，）時(shí)，電橋的輸出電壓為：電橋的輸出電壓為：2.工作片工作片R1承受靜態(tài)拉應(yīng)變（承受靜態(tài)拉應(yīng)變（- ）時(shí)，）時(shí)，電橋的輸出電壓為：電橋的輸出電壓為：相位相差為相位相差為180。（3）當(dāng)工作片）當(dāng)工作片R1承受一正弦變化應(yīng)變時(shí)，承受一正弦變化應(yīng)變時(shí)， tUUMsin0tKUtRRUUMMsin4sin401

24、sin4MMUUKt011sin()sin()44MMMMUUUKtKtttKUUMMsinsin41調(diào)制的頻譜分析：調(diào)制的頻譜分析： 設(shè)調(diào)制信號(hào)為設(shè)調(diào)制信號(hào)為 x(t) ，載波信號(hào)為，載波信號(hào)為Z(t)=cos2fzt 已調(diào)信號(hào)為已調(diào)信號(hào)為: 則：則：所以調(diào)幅使被測(cè)所以調(diào)幅使被測(cè)x(t)的頻譜從的頻譜從f=0，向左、右遷移了，向左、右遷移了fz ，而，而幅值降低了一半幅值降低了一半 ，為保證頻移后的頻譜不失真，載波頻為保證頻移后的頻譜不失真，載波頻率率fz 要大于或等于兩倍調(diào)制信號(hào)的最高頻率要大于或等于兩倍調(diào)制信號(hào)的最高頻率 ，通常取數(shù)，通常取數(shù)倍至數(shù)十倍的倍至數(shù)十倍的 。 )()()()(

25、212cos)(zzzfffXfffXtftx上述的調(diào)制方法，是將調(diào)制信號(hào)上述的調(diào)制方法，是將調(diào)制信號(hào)x(t)直接與載波信號(hào)直接與載波信號(hào)z(t)相乘這種調(diào)幅波具有極相乘這種調(diào)幅波具有極性變化，即在信號(hào)過(guò)零線時(shí)，其幅值發(fā)生由正到負(fù)（或由負(fù)到正）的突然變化，性變化，即在信號(hào)過(guò)零線時(shí)，其幅值發(fā)生由正到負(fù)（或由負(fù)到正）的突然變化，此時(shí)調(diào)幅波的相位（相對(duì)于載波）也相應(yīng)地發(fā)生此時(shí)調(diào)幅波的相位（相對(duì)于載波）也相應(yīng)地發(fā)生180。的相位變化此種調(diào)制方。的相位變化此種調(diào)制方法稱為抑制調(diào)幅法稱為抑制調(diào)幅 從時(shí)域上講，調(diào)制過(guò)程即是使載波的某一參量隨調(diào)制波的變化而變化，而在頻域上，調(diào)制過(guò)程則是一個(gè)移頻的過(guò)程。幅值調(diào)制

26、的解調(diào)幅值調(diào)制的解調(diào) 幅值調(diào)制的解調(diào)有多種方法，常用的有：同步解調(diào)、整流檢波幅值調(diào)制的解調(diào)有多種方法，常用的有：同步解調(diào)、整流檢波和相敏檢波解調(diào)法。和相敏檢波解調(diào)法。1、同步解調(diào)法、同步解調(diào)法 若把調(diào)幅波若把調(diào)幅波xm(t)再次與載波再次與載波z(t)信號(hào)相乘，則頻域圖形將再一信號(hào)相乘，則頻域圖形將再一次進(jìn)行次進(jìn)行“搬移搬移”，即，即xm(t)與與z(t)相乘積的傅里葉變換為：相乘積的傅里葉變換為： 若用一個(gè)低通濾波器濾除中心頻率為若用一個(gè)低通濾波器濾除中心頻率為2fz的高頻成分，那末將可的高頻成分，那末將可以復(fù)現(xiàn)原信號(hào)的頻譜（只是其幅值減少了一半，這可用放大處以復(fù)現(xiàn)原信號(hào)的頻譜（只是其幅值減

27、少了一半，這可用放大處理來(lái)補(bǔ)償），這一過(guò)程稱為同步解調(diào)理來(lái)補(bǔ)償），這一過(guò)程稱為同步解調(diào)“同步同步”指解調(diào)時(shí)所乘指解調(diào)時(shí)所乘的信號(hào)與調(diào)制時(shí)的載波信號(hào)具有相同的頻率和相位的信號(hào)與調(diào)制時(shí)的載波信號(hào)具有相同的頻率和相位 乘法器乘法器放大器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器乘法器濾波器濾波器z(t)x(t)幅度調(diào)制與解調(diào)過(guò)程（波形分析）幅度調(diào)制與解調(diào)過(guò)程（波形分析）幅度調(diào)制與解調(diào)過(guò)程（頻譜分析）幅度調(diào)制與解調(diào)過(guò)程（頻譜分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器乘法器濾波器濾波器z(t)x(t)2、整流檢波、整流檢波 若把調(diào)制信號(hào)若把調(diào)制信號(hào)z(t)進(jìn)行偏置，疊加一個(gè)直流分量進(jìn)

28、行偏置，疊加一個(gè)直流分量A，使偏置后的信號(hào)都，使偏置后的信號(hào)都具有正電壓，此時(shí)調(diào)幅波表達(dá)式為：具有正電壓，此時(shí)調(diào)幅波表達(dá)式為： xm(t)=A+x(t)cos2fzt這種調(diào)制方法稱為非抑制調(diào)幅，或偏置調(diào)幅其調(diào)幅波的包絡(luò)線具有原信號(hào)形狀這種調(diào)制方法稱為非抑制調(diào)幅，或偏置調(diào)幅其調(diào)幅波的包絡(luò)線具有原信號(hào)形狀 對(duì)于非抑制調(diào)幅，要求其直對(duì)于非抑制調(diào)幅，要求其直流偏置必須足夠大，流偏置必須足夠大，否則否則x(t)的相位將發(fā)生的相位將發(fā)生180。倒相，如。倒相，如上圖（上圖（b）所示，此稱為過(guò)）所示，此稱為過(guò)調(diào)此時(shí)，如果采用包絡(luò)法調(diào)此時(shí)，如果采用包絡(luò)法檢波，則檢出的信號(hào)就會(huì)產(chǎn)檢波，則檢出的信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生失真，

29、而不能恢復(fù)出原信生失真，而不能恢復(fù)出原信號(hào)采用相敏檢波解調(diào)法可號(hào)采用相敏檢波解調(diào)法可解決這一問(wèn)題。解決這一問(wèn)題。非抑制調(diào)幅非抑制調(diào)幅 若對(duì)信號(hào)若對(duì)信號(hào)x(t)x(t)進(jìn)行偏置，疊加一個(gè)直流分量進(jìn)行偏置，疊加一個(gè)直流分量D D，使偏置后的信號(hào)都具有正電壓。使偏置后的信號(hào)都具有正電壓。 )2cos()()(fttxDtxm)()( txDtx)(tx調(diào)幅調(diào)幅解調(diào)解調(diào)二極管檢波二極管檢波低通濾波低通濾波3、相敏檢波解調(diào)法、相敏檢波解調(diào)法相敏檢波用來(lái)鑒別調(diào)制信號(hào)的極性。相敏檢波器相敏檢波用來(lái)鑒別調(diào)制信號(hào)的極性。相敏檢波器(與濾波器配合與濾波器配合)可以將調(diào)幅可以將調(diào)幅波還原成原應(yīng)變信號(hào)波形波還原成原應(yīng)

30、變信號(hào)波形,即起解調(diào)作用。下圖是應(yīng)變儀中常用的環(huán)形相即起解調(diào)作用。下圖是應(yīng)變儀中常用的環(huán)形相敏檢波器。敏檢波器。Rfz為負(fù)載電阻；為負(fù)載電阻；Usr是由放大器是由放大器輸出的調(diào)幅信號(hào)；輸出的調(diào)幅信號(hào)；Uc為參考電壓為參考電壓,它與供橋電源同來(lái)自一個(gè)振蕩器它與供橋電源同來(lái)自一個(gè)振蕩器,二者頻率相同。二者頻率相同。 當(dāng)當(dāng)Usr0，若，若Usr與與Uc同相同相, dDOROfz2112Rfz中電流方向向上。中電流方向向上。即拉應(yīng)變的情況。即拉應(yīng)變的情況。B2極性為極性為 、 , Usr極性為極性為 、 D1導(dǎo)通，導(dǎo)通， D2、D3、D4截止截止,信號(hào)電流的流經(jīng)路線為信號(hào)電流的流經(jīng)路線為 當(dāng)當(dāng)Uc、U

31、sr同時(shí)改變極性時(shí)同時(shí)改變極性時(shí),D3導(dǎo)通導(dǎo)通,電流路線為電流路線為 當(dāng)輸入信號(hào)當(dāng)輸入信號(hào)Usr的相位對(duì)于的相位對(duì)于Uc改變改變180,即為壓應(yīng)變時(shí)即為壓應(yīng)變時(shí), B1極性為極性為 、 , B2極性為極性為 、 , 由由Usr引起的電流路徑為引起的電流路徑為: 2122ORODdfzcDOROfz4312Rfz上的電流方向是從上到下上的電流方向是從上到下. 當(dāng)當(dāng)Uc、Usr同時(shí)改變極性時(shí)同時(shí)改變極性時(shí),電流通路為電流通路為 2144ORODcfz電流方向仍從上向下?？梢娸斎胄盘?hào)反相時(shí)電流方向仍從上向下?？梢娸斎胄盘?hào)反相時(shí),流過(guò)負(fù)載的電流方向跟著改流過(guò)負(fù)載的電流方向跟著改變變,輸出電壓極性也隨之

32、而變。輸出電壓極性也隨之而變。三、調(diào)幅波的波形失真三、調(diào)幅波的波形失真a a）過(guò)調(diào)失真：對(duì)于非抑制調(diào)幅，要求其直流偏）過(guò)調(diào)失真：對(duì)于非抑制調(diào)幅，要求其直流偏置必須足夠大，否則置必須足夠大，否則x(t)x(t)的相位將發(fā)生的相位將發(fā)生180180。5.3調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)b)b)重疊失真：調(diào)幅波是由一對(duì)每邊為重疊失真：調(diào)幅波是由一對(duì)每邊為fmfm的雙邊帶信的雙邊帶信號(hào)組成當(dāng)載波頻率號(hào)組成當(dāng)載波頻率fzfz較低時(shí)，正頻端的下邊帶將較低時(shí)，正頻端的下邊帶將與負(fù)頻端的下邊帶相重疊要求與負(fù)頻端的下邊帶相重疊要求: : fz fzfmfm 圖圖5.15為動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀的方框圖。電橋由振蕩器供給等幅為動(dòng)態(tài)

33、電阻應(yīng)變儀的方框圖。電橋由振蕩器供給等幅高頻振蕩電壓（一般頻率為高頻振蕩電壓（一般頻率為10kHz或或15kHz），被測(cè)量（應(yīng)），被測(cè)量（應(yīng)變）通過(guò)電阻應(yīng)變片變）通過(guò)電阻應(yīng)變片 調(diào)制電橋輸出電橋輸出為調(diào)幅波，經(jīng)過(guò)調(diào)制電橋輸出電橋輸出為調(diào)幅波，經(jīng)過(guò)放大，最后經(jīng)相敏檢波與低通濾波取出所測(cè)信號(hào)。放大，最后經(jīng)相敏檢波與低通濾波取出所測(cè)信號(hào)。 圖5.15 動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀方框圖調(diào)頻是利用信號(hào)電壓的幅值控制一個(gè)振蕩器，調(diào)頻是利用信號(hào)電壓的幅值控制一個(gè)振蕩器，振蕩器輸出的是等幅波，但其振蕩頻率偏移量振蕩器輸出的是等幅波，但其振蕩頻率偏移量和信號(hào)電壓成正比。信號(hào)電壓為正值時(shí)調(diào)頻波和信號(hào)電壓成正比。信號(hào)電壓為正值

34、時(shí)調(diào)頻波的頻率升高，負(fù)值時(shí)則降低；信號(hào)電壓為零時(shí)，的頻率升高，負(fù)值時(shí)則降低；信號(hào)電壓為零時(shí)，調(diào)頻波的頻率就等于中心頻率。調(diào)頻波的頻率就等于中心頻率。)*)(2cos()(0ttxfAty5.3.2 5.3.2 頻率調(diào)制與解調(diào)頻率調(diào)制與解調(diào) 鑒頻：鑒頻：T1T2T3T4F調(diào)頻波的瞬時(shí)頻率為：調(diào)頻波的瞬時(shí)頻率為： 式中：式中：f0 為載波頻率；為載波頻率；f 為頻率偏移，與調(diào)制信號(hào)的幅為頻率偏移，與調(diào)制信號(hào)的幅值成正比。值成正比。 實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)頻和解調(diào)的方法甚多，這里主要介紹儀器實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)頻和解調(diào)的方法甚多，這里主要介紹儀器中最常用的方法是中最常用的方法是直接調(diào)頻式測(cè)量電路直接調(diào)頻式測(cè)量電路。在

35、測(cè)量系統(tǒng)中，常利用電抗元件組成調(diào)諧振蕩器，以電抗在測(cè)量系統(tǒng)中，常利用電抗元件組成調(diào)諧振蕩器，以電抗元件（電感或電容）作為傳感器參量，以它感受被測(cè)量元件（電感或電容）作為傳感器參量，以它感受被測(cè)量的變化，作為調(diào)制信號(hào)的輸?shù)淖兓?，作為調(diào)制信號(hào)的輸 入，振蕩器原有的信號(hào)振入，振蕩器原有的信號(hào)振蕩信號(hào)作為載波。當(dāng)有調(diào)制信號(hào)輸入時(shí)，振蕩器輸出的蕩信號(hào)作為載波。當(dāng)有調(diào)制信號(hào)輸入時(shí)，振蕩器輸出的即為被調(diào)制了的調(diào)頻波。當(dāng)電容和電感并聯(lián)組成振蕩器即為被調(diào)制了的調(diào)頻波。當(dāng)電容和電感并聯(lián)組成振蕩器的諧振的諧振 回路時(shí)，電路的諧振頻率將為：回路時(shí)，電路的諧振頻率將為： 若在電路中以電容為調(diào)諧參數(shù)，對(duì)上式進(jìn)行微分，有：

36、若在電路中以電容為調(diào)諧參數(shù)，對(duì)上式進(jìn)行微分，有： 所以，在所以，在f0附近有頻率偏移：附近有頻率偏移： 這種把被測(cè)量的變化直接轉(zhuǎn)換為振蕩頻率的變化稱為直接調(diào)這種把被測(cè)量的變化直接轉(zhuǎn)換為振蕩頻率的變化稱為直接調(diào)頻式測(cè)量電路。其輸出也是等幅波頻式測(cè)量電路。其輸出也是等幅波 調(diào)頻波的解調(diào)又稱鑒頻調(diào)頻波的解調(diào)又稱鑒頻，是將頻率變化的等幅調(diào)頻波，按，是將頻率變化的等幅調(diào)頻波，按其頻率變化復(fù)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)波形的過(guò)程。鑒頻的方法有很多，其頻率變化復(fù)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)波形的過(guò)程。鑒頻的方法有很多，下圖為變壓器耦合的下圖為變壓器耦合的諧振回路鑒頻器諧振回路鑒頻器。圖中圖中L1和和L2是耦合變壓器的原副邊線圈，分別與是耦合變

37、壓器的原副邊線圈，分別與C1、C2組成組成并聯(lián)諧振回路。調(diào)頻波并聯(lián)諧振回路。調(diào)頻波uf經(jīng)經(jīng)L1、L2耦合，加在耦合，加在L2、C2諧振諧振回路上，在它的兩端獲得下圖所示的頻率回路上，在它的兩端獲得下圖所示的頻率電壓特性曲線。電壓特性曲線。在在L2C2回路的諧振頻率回路的諧振頻率 處，線圈處，線圈L1和和L2的耦合電流最大，的耦合電流最大，副邊輸出電壓副邊輸出電壓ua也最大。也最大。 值偏離值偏離 ，則，則ua值下降。值下降。ua雖然雖然與與uf的頻率一致，但幅值卻是隨的頻率一致，但幅值卻是隨uf的頻率的頻率 變化而改變。通變化而改變。通常利用特性曲線的亞諧振區(qū)近似直線的一段實(shí)現(xiàn)頻率常利用特性曲

38、線的亞諧振區(qū)近似直線的一段實(shí)現(xiàn)頻率電電壓變換，使調(diào)頻波的中心頻率壓變換，使調(diào)頻波的中心頻率 處于該近似直線段的中點(diǎn)，處于該近似直線段的中點(diǎn)，從而使調(diào)頻波的振幅隨其頻率變化而基本呈線性變化，成從而使調(diào)頻波的振幅隨其頻率變化而基本呈線性變化，成為調(diào)頻為調(diào)頻-調(diào)幅波。經(jīng)過(guò)線性變換后，調(diào)頻調(diào)幅波。經(jīng)過(guò)線性變換后，調(diào)頻-調(diào)幅波再經(jīng)過(guò)幅值調(diào)幅波再經(jīng)過(guò)幅值檢波、低通濾波后實(shí)現(xiàn)解調(diào)，復(fù)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)。檢波、低通濾波后實(shí)現(xiàn)解調(diào)，復(fù)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)。優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)。 調(diào)頻波通常要求很寬的頻帶，甚至為調(diào)幅調(diào)頻波通常要求很寬的頻帶，甚至為調(diào)幅所要求帶寬的所要求帶寬的2020倍；調(diào)頻系統(tǒng)較之調(diào)幅系統(tǒng)復(fù)倍；

39、調(diào)頻系統(tǒng)較之調(diào)幅系統(tǒng)復(fù)雜，因?yàn)轭l率調(diào)制是一種非線性調(diào)制。雜，因?yàn)轭l率調(diào)制是一種非線性調(diào)制。 因?yàn)檎{(diào)頻信號(hào)所攜帶的信息包含在頻率變化因?yàn)檎{(diào)頻信號(hào)所攜帶的信息包含在頻率變化之中，并非振幅之中，而干擾波的干擾作用則主之中，并非振幅之中，而干擾波的干擾作用則主要表現(xiàn)在振幅之中要表現(xiàn)在振幅之中 缺點(diǎn)：占頻帶寬度大，復(fù)雜缺點(diǎn)：占頻帶寬度大，復(fù)雜5.45.4濾波器濾波器 濾波器是一種選頻裝置，它允許輸入信號(hào)中的特定頻率成分通濾波器是一種選頻裝置，它允許輸入信號(hào)中的特定頻率成分通過(guò)過(guò),同時(shí)抑制或極大地衰減其它頻率成分同時(shí)抑制或極大地衰減其它頻率成分(又稱此頻帶為阻帶又稱此頻帶為阻帶)。根據(jù)濾波器的選頻特性，一

40、般將濾波器分為低通、高通、帶通根據(jù)濾波器的選頻特性，一般將濾波器分為低通、高通、帶通和帶阻四種和帶阻四種.四種濾波器的幅頻特性四種濾波器的幅頻特性 5.4 5.4 信號(hào)的濾波信號(hào)的濾波 濾波器是一種選頻裝置，可以使濾波器是一種選頻裝置，可以使信號(hào)中特定頻率成分通過(guò)，而極大地信號(hào)中特定頻率成分通過(guò)，而極大地衰減其他頻率成分衰減其他頻率成分1 1 濾波器分類（根據(jù)濾波器的選頻作用分）濾波器分類（根據(jù)濾波器的選頻作用分） 低通低通高通高通低通濾波器低通濾波器：只允許：只允許0f2 的頻率成分通過(guò)，而大于的頻率成分通過(guò)，而大于f2 的頻率的頻率成分衰減為零成分衰減為零高通濾波器：高通濾波器：與低通濾波

41、器相反，它只允許與低通濾波器相反，它只允許f1的頻率成的頻率成分通過(guò)，而分通過(guò)，而f f2的頻率成分衰減為零的頻率成分衰減為零帶通帶通帶阻帶阻帶通濾波器帶通濾波器只允許只允許f1 f2之間的頻率成分通過(guò)，其他頻率之間的頻率成分通過(guò)，其他頻率成分衰減為零成分衰減為零帶阻濾波器：帶阻濾波器：與帶通濾波器相反，它將與帶通濾波器相反，它將f1 f2之間的頻之間的頻率成分衰減為零，其余頻率成分幾乎不受衰減地通過(guò)率成分衰減為零，其余頻率成分幾乎不受衰減地通過(guò)高通濾波器的幅頻特性可以看作為低通濾波器做高通濾波器的幅頻特性可以看作為低通濾波器做負(fù)反饋而得到，即負(fù)反饋而得到，即A2(f)=1-A1(f)；帶通濾

42、波器的；帶通濾波器的幅頻特性可以看作為帶阻濾波器做負(fù)反饋而獲得；幅頻特性可以看作為帶阻濾波器做負(fù)反饋而獲得；帶阻濾波器是低通和高通濾波器的組合。帶阻濾波器是低通和高通濾波器的組合。 根據(jù)構(gòu)成濾波器的電路性質(zhì)，濾波器可分為根據(jù)構(gòu)成濾波器的電路性質(zhì)，濾波器可分為有源有源濾波器濾波器和和無(wú)源濾波器無(wú)源濾波器； 根據(jù)濾波器所處理的信號(hào)性質(zhì)，可分為根據(jù)濾波器所處理的信號(hào)性質(zhì)，可分為模擬濾波模擬濾波器器和和數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器等等。等等。 3 3 理想濾波器理想濾波器 理想濾波器是指能使通帶內(nèi)信號(hào)的幅值和相位理想濾波器是指能使通帶內(nèi)信號(hào)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。都不失真，阻

43、帶內(nèi)的頻率成分都衰減為零的濾波器。fcH(f)fQ(f)理想濾波器的理想濾波器的物理不可實(shí)現(xiàn)物理不可實(shí)現(xiàn) 理想濾波器在時(shí)域內(nèi)的脈沖響應(yīng)函數(shù)理想濾波器在時(shí)域內(nèi)的脈沖響應(yīng)函數(shù) h h（t t）為為 sincsinc函數(shù)。脈沖響應(yīng)的波形沿橫坐標(biāo)左、右函數(shù)。脈沖響應(yīng)的波形沿橫坐標(biāo)左、右無(wú)限延伸。無(wú)限延伸。 給理想濾波器一個(gè)脈沖激勵(lì)，在給理想濾波器一個(gè)脈沖激勵(lì)，在t=0t=0時(shí)刻單時(shí)刻單位脈沖輸入濾波器之前，濾波器就已經(jīng)有響應(yīng)了。位脈沖輸入濾波器之前，濾波器就已經(jīng)有響應(yīng)了。故物理不可實(shí)現(xiàn)。故物理不可實(shí)現(xiàn)。fcH(f)單位階躍響應(yīng)單位階躍響應(yīng): : 設(shè)濾波器的傳遞函數(shù)為設(shè)濾波器的傳遞函數(shù)為H(f)，若給濾

44、波器一單位階躍輸入，若給濾波器一單位階躍輸入u(t) 濾波器的輸出濾波器的輸出y(t)為：為： a) 無(wú)相角滯后，時(shí)移t0=0 b) 無(wú)相角滯后，時(shí)移t00 輸出響應(yīng)從零值（輸出響應(yīng)從零值（a點(diǎn)）到穩(wěn)定值點(diǎn)）到穩(wěn)定值A(chǔ)0（b點(diǎn)）需要一定的建立時(shí)間點(diǎn)）需要一定的建立時(shí)間（tb-ta）。）。式中式中 fc 為低通濾波器的截止頻率，也稱為濾波器的通頻帶。由為低通濾波器的截止頻率，也稱為濾波器的通頻帶。由上式可見，濾波器的通頻帶越寬，即上式可見，濾波器的通頻帶越寬，即fc 越大，則響應(yīng)的建立時(shí)越大，則響應(yīng)的建立時(shí)間間Te越小，即圖越陡峭。如果按理論響應(yīng)值的越小，即圖越陡峭。如果按理論響應(yīng)值的0.10.

45、9作為計(jì)作為計(jì)算建立時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)，則算建立時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)，則: 建立時(shí)間的意義：建立時(shí)間的意義： 輸入信號(hào)突變處必然包含有豐富的高頻分量，低通濾輸入信號(hào)突變處必然包含有豐富的高頻分量，低通濾波器阻擋住了高頻分量。波器阻擋住了高頻分量。 通帶越寬，衰減的高頻分量便越少，信號(hào)便有較多的通帶越寬，衰減的高頻分量便越少，信號(hào)便有較多的分量更快通過(guò)，因此導(dǎo)致較短的建立時(shí)間；反之則長(zhǎng)。分量更快通過(guò)，因此導(dǎo)致較短的建立時(shí)間；反之則長(zhǎng)。 低通濾波器對(duì)階躍響應(yīng)的建立時(shí)間低通濾波器對(duì)階躍響應(yīng)的建立時(shí)間Te和帶寬和帶寬B（即通頻帶（即通頻帶的寬度）成反比，即的寬度）成反比，即: 濾波器的帶寬表示著它的頻率分辨力，通帶越窄

46、則分辨濾波器的帶寬表示著它的頻率分辨力，通帶越窄則分辨力越高。濾波器的高分辨能力和測(cè)量時(shí)快速響應(yīng)的要求是力越高。濾波器的高分辨能力和測(cè)量時(shí)快速響應(yīng)的要求是相互矛盾的。當(dāng)采用濾波器從信號(hào)中選取某一頻率成分時(shí)，相互矛盾的。當(dāng)采用濾波器從信號(hào)中選取某一頻率成分時(shí)，就需要有足夠的時(shí)間。如果建立時(shí)間不夠，就會(huì)產(chǎn)生虛假就需要有足夠的時(shí)間。如果建立時(shí)間不夠，就會(huì)產(chǎn)生虛假的結(jié)果，而過(guò)長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間也是沒(méi)有必要的。一般采用的結(jié)果，而過(guò)長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間也是沒(méi)有必要的。一般采用BTe=510。 常數(shù)eBT4 4 實(shí)際濾波器實(shí)際濾波器 理想濾波器是不存在的，實(shí)際濾波器幅頻特理想濾波器是不存在的，實(shí)際濾波器幅頻特性中通帶和阻

47、帶間沒(méi)有嚴(yán)格界限性中通帶和阻帶間沒(méi)有嚴(yán)格界限, ,，存在過(guò)渡帶。，存在過(guò)渡帶。 0fA0ffc1fc2A00.707A01)1)截止頻率截止頻率fcfc：0.707A0.707A0 0所對(duì)應(yīng)的頻率所對(duì)應(yīng)的頻率 d2)2)紋波幅度紋波幅度d d：繞繞幅頻特性均值幅頻特性均值A(chǔ) A0 0波動(dòng)值波動(dòng)值3)3)帶寬帶寬B B和中心頻率和中心頻率f f0 0：下兩截頻間的頻率范圍下兩截頻間的頻率范圍稱為帶寬。稱為帶寬。帶寬決定濾波器分離信號(hào)相鄰頻率帶寬決定濾波器分離信號(hào)相鄰頻率成分的能力，即頻率分辨力。成分的能力，即頻率分辨力。 。 BQ=W0 / B5)5)倍頻程選擇性倍頻程選擇性W W 指在上截止頻

48、率指在上截止頻率fcfc2 2與與2fc2fc2 2之間幅頻特性的衰之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個(gè)倍頻程時(shí)的衰減量。減值，即頻率變化一個(gè)倍頻程時(shí)的衰減量。 5.4 信號(hào)的濾波信號(hào)的濾波 倍頻程衰減量以倍頻程衰減量以dB/octdB/oct表示（表示（Octave，倍頻，倍頻程）。衰減越快（即程）。衰減越快（即W W值越大），濾波器的選擇性值越大），濾波器的選擇性越好。越好。濾波器的中心頻率濾波器的中心頻率f f0 0 是指上下兩截止頻率的幾何平均值，是指上下兩截止頻率的幾何平均值，即即 通常用中心頻率通常用中心頻率f f0 0 來(lái)表示濾波器通頻帶在頻率域的位置。來(lái)表示濾波器通頻帶在頻率域

49、的位置。品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)Q Q 帶通濾波器中心頻率帶通濾波器中心頻率f f0 0與帶寬與帶寬 B B之比稱為濾波器之比稱為濾波器的品質(zhì)因數(shù)，又稱的品質(zhì)因數(shù)，又稱 Q Q值，即值，即 Q值越高，濾波器的頻率選擇性越好。例如中心頻率同為值越高，濾波器的頻率選擇性越好。例如中心頻率同為1000Hz1000Hz的兩個(gè)帶通濾波器，品質(zhì)因數(shù)分別為的兩個(gè)帶通濾波器，品質(zhì)因數(shù)分別為Q Q1 1=20=20，Q Q2 2=40=40，則對(duì)應(yīng)的則對(duì)應(yīng)的B B1 1=50Hz=50Hz，B B2 2=25Hz=25Hz，由于第二個(gè)濾波器的分辨力，由于第二個(gè)濾波器的分辨力比第一個(gè)濾波器高，所以它比第一個(gè)頻率選擇性好。

50、比第一個(gè)濾波器高，所以它比第一個(gè)頻率選擇性好。 濾波器因數(shù)（或矩形系數(shù)）濾波器因數(shù)（或矩形系數(shù)） 濾波器因數(shù)是濾濾波器因數(shù)是濾波器選擇性的另一種表示方式波器選擇性的另一種表示方式 ，它是利用濾波器，它是利用濾波器幅頻特性的幅頻特性的 -60dB帶寬與帶寬與-3dB帶寬的比值來(lái)衡量帶寬的比值來(lái)衡量濾波器選擇性，記作濾波器選擇性，記作 ，即，即 理想濾波器理想濾波器 =1，常用濾波器，常用濾波器 =15，顯然，顯然， 越接近于越接近于1，濾波器選擇性越好。，濾波器選擇性越好。三、濾波器三、濾波器1、RC低通濾波器低通濾波器 在測(cè)試系統(tǒng)中，常用在測(cè)試系統(tǒng)中，常用RCRC濾波器。因?yàn)檫@一領(lǐng)濾波器。因?yàn)?/p>

51、這一領(lǐng)域中信號(hào)頻率相對(duì)來(lái)說(shuō)不高。而域中信號(hào)頻率相對(duì)來(lái)說(shuō)不高。而RCRC濾波器電路簡(jiǎn)濾波器電路簡(jiǎn)單，抗干擾強(qiáng)，有較好的低頻性能，并且選用標(biāo)單，抗干擾強(qiáng)，有較好的低頻性能，并且選用標(biāo)準(zhǔn)阻容元件準(zhǔn)阻容元件 。 1) 1) 一階一階RCRC低通濾波器低通濾波器 電路的微分方程電路的微分方程 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) (令 RC= ) 對(duì)應(yīng)的頻率特性、幅頻特性、相頻特性分別為：對(duì)應(yīng)的頻率特性、幅頻特性、相頻特性分別為： 低通濾波器的上截止頻率低通濾波器的上截止頻率 2) 2) 一階一階RCRC高通濾波器高通濾波器 數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型: 微分方程微分方程: 傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)： 幅頻特性：幅頻特性： 相頻特性：相頻

52、特性： 高通濾波器的下載止頻率高通濾波器的下載止頻率Fc1=1/(2RC) 3) RC3) RC帶通濾波器帶通濾波器 可以看作為低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián)可以看作為低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián) 3）RC帶通濾波器帶通濾波器 傳遞函傳遞函數(shù)：數(shù)： 下截止頻率下截止頻率: 下截止頻率下截止頻率: 5.55.5 信號(hào)記錄裝置信號(hào)記錄裝置 表表5-1 給出了常見記錄裝置的性能一覽表給出了常見記錄裝置的性能一覽表記錄裝置名記錄裝置名稱稱自動(dòng)平衡記自動(dòng)平衡記錄器錄器X-Y記錄器記錄器筆式記錄儀筆式記錄儀光線示波器光線示波器磁帶記錄器磁帶記錄器陰極射線陰極射線,示波器示波器照相照相概概 要要記錄精度較記錄

53、精度較高，記高，記錄幅度錄幅度大，完大，完全直線全直線書寫書寫在平面上記在平面上記錄兩種錄兩種物理量物理量關(guān)系的關(guān)系的記錄器記錄器使用較廣操使用較廣操作方便作方便使用較廣，使用較廣，頻率響頻率響應(yīng)好，應(yīng)好，多線化多線化容易容易靈活性大，靈活性大，頻率響頻率響應(yīng)好，應(yīng)好，多線化多線化很容易很容易頻帶寬，操頻帶寬，操作復(fù)雜作復(fù)雜主要用途主要用途各種物理量各種物理量的長(zhǎng)時(shí)的長(zhǎng)時(shí)間記錄間記錄特性曲線自特性曲線自動(dòng)記錄動(dòng)記錄同時(shí)記錄變同時(shí)記錄變化頻率化頻率較低的較低的現(xiàn)象現(xiàn)象同時(shí)記錄變同時(shí)記錄變 化頻率化頻率較高較高 的的現(xiàn)象現(xiàn)象同時(shí)記錄高同時(shí)記錄高低頻現(xiàn)低頻現(xiàn)象，暫象，暫態(tài)過(guò)程態(tài)過(guò)程記錄瞬態(tài)過(guò)記錄瞬態(tài)

54、過(guò)程程記錄單元名記錄單元名稱稱伺服機(jī)構(gòu)伺服機(jī)構(gòu)伺服機(jī)構(gòu)伺服機(jī)構(gòu)筆式檢流計(jì)筆式檢流計(jì)振子振子磁頭磁頭熒光屏熒光屏記錄方式記錄方式墨水記錄墨水記錄 圓珠筆圓珠筆記錄記錄墨水記錄墨水記錄.圓珠筆圓珠筆記錄記錄墨水、熱筆墨水、熱筆放電、放電、插削記插削記錄錄直記式直記式.顯顯定影式定影式磁化現(xiàn)象磁化現(xiàn)象照相或存貯照相或存貯記錄裝置名記錄裝置名稱稱自動(dòng)平衡記自動(dòng)平衡記錄器錄器X-Y記錄器記錄器筆式記錄儀筆式記錄儀光線示波器光線示波器磁帶記錄器磁帶記錄器陰極射線陰極射線,示示波器照相波器照相主主要要參參數(shù)數(shù)工作頻工作頻帶帶(最高最高點(diǎn)點(diǎn))1Hz滿幅滿幅1 s30100Hz5kHz(最高最高超過(guò)超過(guò)10k

55、Hz)4080 kHz (最高最高400 kHz)0100MHz或微秒級(jí)瞬或微秒級(jí)瞬變變振幅精振幅精度度0.25%同左同左2%2%25%取決于定標(biāo)取決于定標(biāo)精度精度靈敏度靈敏度110mv/滿幅滿幅10mv/滿幅滿幅0.52.5mm/mA(檢流計(jì)檢流計(jì))1.5*105mm/mA.m-線線 數(shù)數(shù)1312112達(dá)達(dá)60達(dá)達(dá)5612記錄帶記錄帶速度速度2cm/h50cm/min-125cm/s25cm/min200cm/s2.38305cm/s-記錄幅記錄幅寬寬150250mm縱橫縱橫250mm40mm左右左右100mm左左右右-輸入阻輸入阻抗抗不平衡時(shí)不平衡時(shí)100k以上以上同左同左約約4k1020

56、0100k左右左右-5.5.15.5.1 筆式記錄儀筆式記錄儀 筆式記錄儀實(shí)際上是在指針式電表的基礎(chǔ)上，把指針換成記筆式記錄儀實(shí)際上是在指針式電表的基礎(chǔ)上，把指針換成記錄筆或在指針的尖端裝有筆而成。分可動(dòng)線圈式、可動(dòng)鐵芯錄筆或在指針的尖端裝有筆而成。分可動(dòng)線圈式、可動(dòng)鐵芯式和感應(yīng)式幾種。筆式記錄儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，指示與記錄能同時(shí)式和感應(yīng)式幾種。筆式記錄儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，指示與記錄能同時(shí)進(jìn)行。但其靈敏度較低。因此，這種記錄儀只適合于長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行。但其靈敏度較低。因此，這種記錄儀只適合于長(zhǎng)時(shí)間慢變化信號(hào)，要求指示與記錄同時(shí)進(jìn)行的場(chǎng)合。慢變化信號(hào)，要求指示與記錄同時(shí)進(jìn)行的場(chǎng)合。5.5.2 5.5.2 光線示波器光

57、線示波器 光線示波器是一種由光學(xué)、機(jī)械、磁、電系統(tǒng)綜合組光線示波器是一種由光學(xué)、機(jī)械、磁、電系統(tǒng)綜合組成的通用記錄儀器。它利用磁電式振動(dòng)子將輸入的電流信成的通用記錄儀器。它利用磁電式振動(dòng)子將輸入的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成光點(diǎn)的橫向移動(dòng)，號(hào)轉(zhuǎn)換成光點(diǎn)的橫向移動(dòng)， 然后在等速移動(dòng)的感光紙上將然后在等速移動(dòng)的感光紙上將被測(cè)信號(hào)記錄下來(lái)。被測(cè)信號(hào)記錄下來(lái)。 5.5.3 5.5.3 磁帶記錄器磁帶記錄器 磁帶記錄器是利用鐵磁性材料的磁化進(jìn)行記錄的儀器磁帶記錄器是利用鐵磁性材料的磁化進(jìn)行記錄的儀器, , 按信號(hào)記錄方式磁帶記錄分按信號(hào)記錄方式磁帶記錄分: :數(shù)字式（數(shù)字式（PCMPCM方式方式） 模擬式模擬式模擬記

58、錄方式模擬記錄方式: : 直接記錄（直接記錄（DRDR方式方式） 頻率調(diào)制（頻率調(diào)制（FMFM方式方式） 磁帶記錄儀磁帶記錄儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于攜帶它的，便于攜帶它的記錄頻帶寬（記錄頻帶寬（0 02MHz2MHz），），存儲(chǔ)存儲(chǔ)信息密度大信息密度大，且，且穩(wěn)定性好穩(wěn)定性好，易于，易于多路記錄多路記錄，并可，并可長(zhǎng)期保存長(zhǎng)期保存，便于復(fù)制便于復(fù)制，磁介質(zhì)可多次使用磁介質(zhì)可多次使用，對(duì)環(huán)境（溫度和濕度）不敏感對(duì)環(huán)境（溫度和濕度）不敏感，抗干擾能力強(qiáng)抗干擾能力強(qiáng)，記，記錄的信號(hào)能錄的信號(hào)能多次反復(fù)重放多次反復(fù)重放。重放速度可與記錄速度不同，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的。重放速度可與記錄速度不同，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的時(shí)間

59、壓縮和擴(kuò)展時(shí)間壓縮和擴(kuò)展。磁帶記錄儀。磁帶記錄儀十分昂貴十分昂貴，仍得到廣泛使用。，仍得到廣泛使用。1 1工作原理工作原理磁帶記錄儀主要由如下三部分組成：磁帶記錄儀主要由如下三部分組成： 1 1）磁帶）磁帶 堅(jiān)韌的塑料薄帶，厚約堅(jiān)韌的塑料薄帶，厚約50m50m，寬有，寬有6.3mm6.3mm、12.7mm12.7mm和和25.4mm25.4mm等幾種。磁帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)等幾種。磁帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)等。該機(jī)構(gòu)的主要作用是保證磁帶按一定機(jī)構(gòu)和控制機(jī)構(gòu)等。該機(jī)構(gòu)的主要作用是保證磁帶按一定的線速度在磁頭上平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的記錄和重放。的線速度在磁頭上平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)

60、信號(hào)的記錄和重放。 2 2）磁頭）磁頭 磁頭是一種磁電換能器，它包括記錄磁頭、重放磁磁頭是一種磁電換能器，它包括記錄磁頭、重放磁頭和消磁磁頭。頭和消磁磁頭。3)3)記錄放大器和重放放大器記錄放大器和重放放大器 記錄放大器是將輸入信號(hào)放大，記錄放大器是將輸入信號(hào)放大，并將它轉(zhuǎn)換成最適于磁記錄的形式供給記錄磁頭；重放放并將它轉(zhuǎn)換成最適于磁記錄的形式供給記錄磁頭；重放放大器是將重放磁頭檢測(cè)到的信號(hào)放大，并將它轉(zhuǎn)換成所需大器是將重放磁頭檢測(cè)到的信號(hào)放大，并將它轉(zhuǎn)換成所需的形式后輸出的形式后輸出工作過(guò)程：工作過(guò)程：磁帶記錄儀的工作過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是進(jìn)行電磁和磁電轉(zhuǎn)換的磁帶記錄儀的工作過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是進(jìn)行電磁和