1、機(jī)械測試技術(shù)講解第四章信號(hào)調(diào)理的的目的是便于信號(hào)的傳輸與處理。 信號(hào)調(diào)理的目的 1.傳感器輸出的微弱電信號(hào)，需要放大或進(jìn)行阻抗變換，才能輸送到顯示、記錄或分析儀器中去。2.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。3.便于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，需要對(duì)傳感器測量信進(jìn)行調(diào)制解調(diào)處理。 第四章信號(hào)變換及調(diào)理1）直流電橋平衡條件4.1 電 橋 第四章信號(hào)變換及調(diào)理電 橋 令：電 橋 電橋的接法：單臂 半橋全橋電 橋 常用調(diào)平衡電 橋 2）交流電橋 平衡條件電 橋 電容傳感器 電感傳感器 電阻傳感器電 橋 4.2調(diào)制與解調(diào)1 目的解決微弱緩變信號(hào)的放大以及信號(hào)的傳輸問題。 先將微弱

2、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，最后再從放大器的輸出信號(hào)中取出放大了的緩變信號(hào)。 第四章信號(hào)變換及調(diào)理2 種類調(diào)制信號(hào)x(t)載波信號(hào)a) 幅度調(diào)制(AM)b) 頻率調(diào)制(FM)c) 相位調(diào)制(PM)調(diào)制與解調(diào)3調(diào)幅及解調(diào) 調(diào)幅是將一個(gè)高頻正弦信號(hào)（或稱載波）與測試信號(hào)相乘，使載波信號(hào)幅值隨測試信號(hào)的變化而變化調(diào)制與解調(diào)調(diào)幅原理調(diào)制與解調(diào)乘法器解調(diào)原理乘法器濾波器調(diào)制與解調(diào)同步解調(diào)調(diào)制與解調(diào)包絡(luò)檢波 相敏檢波 相敏檢波區(qū)別于整流檢波的唯一特征是其能夠在不加直流偏置的條件下鑒別被測信號(hào)的極性。即相敏檢波器的輸出不僅能反映被測信號(hào)x(t)的大小，而且能反映被測信號(hào)x(

3、t)的變化方向。為了使相敏檢波器正常工作，其參考電壓ur與測量信號(hào)電壓ux應(yīng)滿足下列三個(gè)條件: 1)頻率條件：頻率必須嚴(yán)格相同； 2)幅值條件： ur ux，至少五倍以上，也就是說二極管的導(dǎo)通與截止由參考電壓ur決定； 3)相位條件：最好是同相或反相。這一點(diǎn)若不能遵守，相敏檢波器仍能工作，但將導(dǎo)致靈敏度下降。調(diào)制與解調(diào)相敏檢波解調(diào)調(diào)制與解調(diào)工作原理：調(diào)幅波與載波y(t)同相 載波電壓為正 均為正 （ 原信號(hào)x(t)為正） 載波電壓為負(fù) 調(diào)幅波與載波y(t)異相 載波電壓為正 均為負(fù) （原信號(hào)x(t)為負(fù)） 載波電壓為負(fù) （1）全波相敏檢波器 圖中x(t)為原信號(hào)；ur(t)為參考電壓(載波)，

4、ux (t)為調(diào)幅波。圖中T1、T2是1:1的變壓器，5和d分別是T1、T2 的次級(jí)繞組的中間抽頭；VD1、 VD2、 VD3 、 VD4 為特性一致的二極管；各橋臂上的平衡電阻R1、 R2 、 R3 、 R4 阻值相同，Rf為負(fù)載電阻。 ur5 ux 調(diào)制與解調(diào)1)當(dāng)ur0，ux0時(shí)，電流回路3-R3-VD3 -4 -5 -Rf -d -3； d - Rf -5 -4 - R4 -VD4 -1 - d。從圖b可看出：i4i3, uf02)當(dāng)ur0，uxR1-VD1 -2 -5 -Rf -d -1； d - Rf -5 -2 - R2 -VD2 -3 - d。從圖c可看出：i2i1, uf03

5、)當(dāng)ur0，uxR3-VD3 -4 -5 -Rf -d -3； d - Rf -5 -4 - R4 -VD4 -1 - d。4為“-”, 5為“+”從圖b可看出：i3i4, uf04)當(dāng)ur0時(shí)，電流回路1-R1-VD1 -2 -5 -Rf -d -1； d - Rf -5 -2 - R2 -VD2 -3 - d。 2為“-”, 5為“+”,從圖c可看出：i1i2 , uf 0，還是ur0；當(dāng)ur和ux反相時(shí)（都不為零)，相敏檢波器的輸出電壓uf調(diào)頻調(diào)幅波幅值檢波調(diào)制與解調(diào)普通鑒頻器的工作原理是：首先將已限幅的調(diào)頻波轉(zhuǎn)換成包絡(luò)也按原調(diào)制信號(hào)規(guī)律而變化調(diào)頻波，然后經(jīng)過包絡(luò)檢波器來檢出調(diào)制信號(hào)。調(diào)

6、頻波的解調(diào)電路稱為頻率檢波器或鑒頻器（FD）,調(diào)相波的解調(diào)電路稱為相位檢波器或鑒相器（PD）。圖926 鑒頻器及鑒頻特性 調(diào)制與解調(diào)振幅鑒頻法 調(diào)頻波振幅恒定,故無法直接用包絡(luò)檢波器解調(diào)。鑒于二極管峰值包絡(luò)檢波器線路簡單、性能好,能否把包絡(luò)檢波器用于調(diào)頻解調(diào)器中呢？顯然,若能將等幅的調(diào)頻信號(hào)變換成振幅也隨瞬時(shí)頻率變化、既調(diào)頻又調(diào)幅的FMAM波,就可以通過包絡(luò)檢波器解調(diào)此調(diào)頻信號(hào)。用此原理構(gòu)成的鑒頻器稱為振幅鑒頻器。其工作原理如下圖所示。 調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)(a)振幅鑒頻器框圖；(b)變換電路特性 圖927 振幅鑒頻器原理 直接時(shí)域微分法 設(shè)調(diào)制信號(hào)為u=f(t),調(diào)頻波為對(duì)此式直接微分可得

7、調(diào)制與解調(diào)微分鑒頻原理微分鑒頻電路 調(diào)制與解調(diào)斜率鑒頻法 雙離諧鑒頻器的輸出是取兩個(gè)帶通響應(yīng)之差,即該鑒頻器的傳輸特性或鑒頻特性,如圖中的實(shí)線所示。其中虛線為兩回路的諧振曲線。從圖看出,它可獲得較好的線性響應(yīng),失真較小,靈敏度也高于單回路鑒頻器。調(diào)制與解調(diào)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調(diào)制與解調(diào)4.3 濾波器 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，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） 低通濾波器（Low pass filter)高通濾波器(High pass filter)第四章信號(hào)變換及調(diào)理濾波

8、器的分類a. 根據(jù)處理的信號(hào)不同分為 b. 根據(jù)使用的濾波元件不同分為數(shù)字濾波器模擬濾波器RC型LC型RLC型濾波器 濾波器 c. 根據(jù)濾波器的階數(shù)分 一階濾波器二階濾波器高階濾波器d. 根據(jù)采用的元器件不同分無源濾波器有源濾波器濾波器的階數(shù)越高，性能越好。濾波器 e. 根據(jù)工作頻率不同分為低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器全通濾波器帶阻濾波器(band stop filter) 帶通濾波器(band pass filter) 濾波器 2 濾波器的性能參數(shù) 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。濾波器 在實(shí)際濾波器的幅頻特性圖中通帶和阻帶間

9、應(yīng)沒有嚴(yán)格的界限,，存在一個(gè)過渡帶。 1)紋波幅度d ：波動(dòng)幅度d與幅頻特性平均值A(chǔ)0相比應(yīng)小于-3dB。 2)截止頻率fc :幅頻特性值等于0.707A0所對(duì)應(yīng)的頻率 3)帶寬B：上下兩截頻間的頻率范圍稱為帶寬 恒帶寬濾波器 B=fc2-fc1 恒帶寬比濾波器 B=fc1（2n-1) 濾波器 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。 4)中心頻率f0: 7)濾波器因素:濾波器選擇性濾波器 3 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(hào)頻率相對(duì)來說不高。

10、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 濾波器 2) 一階RC高通濾波器 3) RC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) 濾波器 1. 一階低通有源濾波器(1) 電路組成 (2) 電路分析 a. 電路的傳遞函數(shù)+_+濾波器 4 有源濾波器Z1(s)Z2(s)故+_+濾波器 令 s=jw，得濾波器的頻率特性式中即因電路的頻率特性與f 的一次方有關(guān)故稱之為一階RC有源濾波器濾波器 5 恒帶寬、恒帶寬比濾波器 實(shí)際濾波器頻率通帶通常是可調(diào)的，根據(jù)實(shí)際濾波器中心頻率與帶寬之問的數(shù)值關(guān)系，可以分為兩種。2) 恒寬比帶通濾波器 1

11、) 恒帶寬帶通濾波器 濾波器 1倍頻程濾波器濾波器 案例：機(jī)床軸心軌跡的濾波處理 濾波器 6 濾波器的應(yīng)用案例：機(jī)床軸心軌跡的濾波處理 濾除信號(hào)中的高頻噪聲，以便于觀察軸心運(yùn)動(dòng)規(guī)律 濾波器 鋼管無損探傷實(shí)驗(yàn)：濾除信號(hào)中的零漂和低頻晃動(dòng)，便于門限報(bào)警濾波器 第四章信號(hào)變換及調(diào)理4.4 信號(hào)的放大 1、放大電路應(yīng)具有的性質(zhì)1）、足夠的放大倍數(shù)2）、高輸入阻抗，低輸出阻抗3）、高共模抑制能力4）、低溫漂、低噪音、低失調(diào)電壓和電流第四章信號(hào)變換及調(diào)理2、 常用的運(yùn)算放大電路 2.1.反相比例運(yùn)算電路其輸入輸出關(guān)系為: uo=-(Rf/R1)ui反相比例運(yùn)算電路設(shè)計(jì)要求 uo=-10ui反饋電阻Rf為1

12、00千歐畫出相應(yīng)電路圖,標(biāo)注元件參數(shù)第四章信號(hào)變換及調(diào)理第四章信號(hào)變換及調(diào)理2.2.同相比例運(yùn)算電路同相比例運(yùn)算電路設(shè)計(jì)要求 uo=11ui 反饋電阻Rf為100千歐其輸入輸出關(guān)系為: uo=(1+Rf/R1)ui 畫出相應(yīng)電路圖,標(biāo)注元件參數(shù)第四章信號(hào)變換及調(diào)理2.3.反相加法運(yùn)算電路反相加法運(yùn)算電路設(shè)計(jì)要求 uo=-(2ui1+5ui2 )反饋電阻Rf為100千歐其輸入輸出關(guān)系為:uo=(ui1Rf/R1+ui2Rf/R2)ui 畫出相應(yīng)電路圖,標(biāo)注元件參數(shù)第四章信號(hào)變換及調(diào)理2.4.差分運(yùn)算電路(減法器)其輸入輸出關(guān)系為:uo=(Rf/R1)(ui2-ui1) 差分運(yùn)算電路設(shè)計(jì)要求 uo

13、=10(ui2-ui1 )反饋電阻Rf為100千歐畫出相應(yīng)電路圖,標(biāo)注元件參數(shù)第四章信號(hào)變換及調(diào)理2.5負(fù)反饋對(duì)放大電路的影響1)、提高放大倍數(shù)的穩(wěn)定性2)、減少非線性失真第四章信號(hào)變換及調(diào)理3)、擴(kuò)展通頻帶4)、對(duì)輸入電阻和輸出電阻的影響 串聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻增加；并聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻減小。對(duì)于電壓負(fù)反饋，由于反饋信號(hào)正比于輸出電壓，在一定的輸入情況下，當(dāng)輸出電壓由于某種原因增大(或減小)時(shí)，反饋信號(hào)也增大(或減小)，導(dǎo)致凈輸入信號(hào)減小(或增大)，從而使輸出電壓減小(或增大)。因此電壓負(fù)反饋具有穩(wěn)定輸出電壓的作用，即使輸出電壓趨向于恒定，故使輸出電阻減小。對(duì)于電流負(fù)反饋，反饋信號(hào)正比于輸出電

14、流，具有穩(wěn)定輸出電流的作用，即使輸出電流趨向于恒定，故使輸出電阻增大。4).1、對(duì)輸入電阻的影響串聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻增大深度負(fù)反饋：ii A FuiuidufRiAFuid第四章信號(hào)變換及調(diào)理并聯(lián)負(fù)反饋使輸入電阻減小深度負(fù)反饋：ifiidii A FuiRiAFiid第四章信號(hào)變換及調(diào)理4).2、對(duì)輸出電阻的影響電壓負(fù)反饋 F 與 A 并聯(lián)，使輸出電阻減小。AFRoRofA 為負(fù)載開路時(shí)的源電壓放大倍數(shù)。深度負(fù)反饋：電流負(fù)反饋 F 與 A 串聯(lián)，使輸出電阻增大AFRoRofA 為負(fù)載短路時(shí)的源電壓放大倍數(shù)。深度負(fù)反饋：第四章信號(hào)變換及調(diào)理第四章信號(hào)變換及調(diào)理第四章信號(hào)變換及調(diào)理第四章信號(hào)變換及

15、調(diào)理4.5 信號(hào)的顯示與記錄信號(hào)的顯示與記錄記錄、顯示裝置是測量系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。 測試信號(hào)的顯示和記錄是測試系統(tǒng)不可缺少的組成部分。信號(hào)顯示與記錄的目的在于：(1)測試人員通過顯示儀器觀察各路信號(hào)的大小或?qū)崟r(shí)波形；(2)及時(shí)掌握測試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)信息，必要時(shí)對(duì)測試系統(tǒng)的參數(shù)做相應(yīng)調(diào)整，如輸出的信號(hào)過小或過大時(shí)，可及時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)增益；信號(hào)中含噪聲干擾時(shí)可通過濾波器降噪等等；(3)記錄信號(hào)的重現(xiàn)；(4)對(duì)信號(hào)進(jìn)行后續(xù)的分析和處理。傳統(tǒng)的顯示和信號(hào)記錄裝置包括萬用表、陰極射線管示波器、XY記錄儀、模擬磁帶記錄儀等。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，記錄與顯示儀器從根本上發(fā)生了變化，數(shù)字式設(shè)備已成為顯示與記

16、錄裝置的主流，數(shù)字式設(shè)備的廣泛應(yīng)用給信號(hào)的顯示與記錄方式賦予了新的內(nèi)容。信號(hào)的顯示信號(hào)的顯示信號(hào)的顯示信號(hào)的顯示信號(hào)的顯示信號(hào)的顯示信號(hào)的記錄記錄信號(hào)的性質(zhì)分： 模擬型 數(shù)字型動(dòng)圈式磁電指示機(jī)構(gòu)光線示波器伺服式記錄儀采用陰極射線管的信號(hào)顯示和記錄裝置數(shù)字式波形存儲(chǔ)記錄儀磁記錄器 磁帶記錄器 磁盤記錄器信號(hào)的記錄光線示波器1、工作原理光線示波器2、振動(dòng)子特性a、振動(dòng)子的力學(xué)模型電磁轉(zhuǎn)矩張絲彈性反抗力矩阻尼轉(zhuǎn)矩慣性力矩光線示波器b、靜態(tài)特性當(dāng)信號(hào)電流達(dá)到穩(wěn)定則有：當(dāng)0很小，光點(diǎn)在記錄紙上的偏移量Y和小鏡的偏轉(zhuǎn)角成0正比光線示波器c、動(dòng)態(tài)特性頻率響應(yīng)函數(shù)阻尼率0.707,/n 0.5-0.6 確保測量精度光線示波器3、振動(dòng)子的阻尼液體