1、第四章 信號調(diào)理與顯示記錄裝置,Signal Conditioning, Display, Recording Apparatus,學(xué)習(xí)目標(biāo),學(xué)習(xí)重點(diǎn)與難點(diǎn),電橋、幅值調(diào)制、RC濾波器的工作原理和特性。,重點(diǎn),難點(diǎn),信號的調(diào)制原理。,學(xué)習(xí)測量電橋、信號放大電路、調(diào)制解調(diào)電路、濾波器等信號調(diào)理電路的工作原理、基本特性，了解各種顯示記錄裝置工作原理及適用場合。學(xué)完本章后，應(yīng)對各種信號調(diào)理電路的功能特點(diǎn)有較清楚的了解，能正確選用各種顯示記錄裝置以實(shí)現(xiàn)信號的不失真記錄。, 第一節(jié) 測量電橋 第二節(jié) 信號放大電路 第三節(jié) 調(diào)制與解調(diào) 第四節(jié) 濾波器 第五節(jié) 顯示記錄裝置,學(xué)習(xí)內(nèi)容,第一節(jié) 測量電橋,測量

2、電橋是將電阻、電感、電容等參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成輸出電壓或電流變化的一種電子裝置。 測量裝置中最常用的是惠斯登電橋。, 惠斯登電橋,電橋的輸出為,電橋的輸出為, 電橋的分類, 按電橋供電電源的性質(zhì)分,直流電橋采用直流電源供電 交流電橋采用高頻穩(wěn)幅交流電源供電, 按電橋輸出的測量方式分,平衡電橋使電橋處于平衡狀態(tài)后讀數(shù) 不平衡電橋讀數(shù)時(shí)電橋一般處于不平衡狀態(tài), 按橋臂元件的阻抗性質(zhì)分,純電阻電橋 純電容電橋、容性電橋 純電感電橋、感性電橋,一、 直流電橋,采用直流電源供電，四個(gè)橋臂元件均為純電阻 。,電橋輸出,直流電橋的平衡條件：,為簡化設(shè)計(jì)和分析，一般將四臂電阻設(shè)計(jì)成相等，即,將傳感器（如電阻應(yīng)變片

3、）接入電橋的某些橋臂上，則電橋的輸出就與被測量的變化有一一對應(yīng)關(guān)系。,傳感器可以三種形式接入電橋。,1. 半橋單臂連接,當(dāng) 時(shí)，電橋的輸出電壓為,2. 半橋雙臂連接, 工作橋臂相鄰連接時(shí)，兩電阻變化的極性應(yīng)相反； 工作橋臂相對連接時(shí)，兩電阻變化的極性應(yīng)相同。,電橋的輸出電壓為,3. 全橋連接, 相對橋臂的電阻按相同極性變化； 相鄰橋臂的電阻按相反極性變化。,電橋的輸出電壓為, 半橋雙臂接法的靈敏度比半橋單臂接法高一倍； 全橋接法的靈敏度又比半橋雙臂接法高一倍。,半橋雙臂接法和全橋接法也稱為電橋的差動連接。,差動連接的優(yōu)點(diǎn)：, 提高了電橋的靈敏度； 極大地改善了電橋固有的非線性； 可對由溫度等因

4、素變化所造成的同極性影響進(jìn)行補(bǔ)償（抵消）。,差動連接應(yīng)變片的貼法, 所需的高穩(wěn)定度直流電源容易獲得； 輸出可用直流儀表直接測量顯示； 易于實(shí)現(xiàn)電橋的平衡調(diào)節(jié)； 輸出需接直流放大器，易受零漂和接地電位的影響。,直流電橋的特點(diǎn)：,二、 交流電橋,采用高頻穩(wěn)幅交流電源供電，四個(gè)橋臂元件可以是電阻、電容、電感或它們的復(fù)合 。,電橋的輸出為,各橋臂元件的電抗用復(fù)數(shù)表示：,或,或,阻抗的模,阻抗角,各種元件的復(fù)數(shù)阻抗為：,電阻 R R,電容 C ,電感 L ,交流電橋的平衡條件：,即,模平衡條件,相位平衡條件, 輸出為高頻調(diào)幅波，不易受外界工頻干擾； 轉(zhuǎn)換精度較高； 后接的交流放大器結(jié)構(gòu)簡單、零漂?。?易

5、于實(shí)現(xiàn)不失真測試 ； 輸出調(diào)幅波需經(jīng)相敏檢波器進(jìn)行解調(diào)； 供橋電源要具有較高的幅值、頻率穩(wěn)定性和良好的波形。,交流電橋的特點(diǎn)：,三、 帶感應(yīng)耦合臂的電橋,電橋的兩個(gè)橋臂由傳感器或變壓器的兩個(gè)感應(yīng)耦合線圈所構(gòu)成，另兩個(gè)橋臂則是固定的電抗元件或差動傳感器的電感、電容。,差動電感傳感器電橋,差動變壓器電橋,差動電容傳感器電橋,帶感應(yīng)耦合臂電橋的特點(diǎn)：, 克服了寄生參數(shù)（寄生電容、電感等）的影響； 使用變壓器可隔離直流干擾； 頻率范圍較寬，性能穩(wěn)定、靈敏度及轉(zhuǎn)換精度較高。,第二節(jié) 信號放大電路, 信號放大電路的基本特點(diǎn),通用放大電路、測量放大器、運(yùn)算放大電路、功率放大電路、隔離放大電路、增益調(diào)整電路、

6、線性化電路等。, 信號放大電路的種類, 廣泛使用各種集成放大器，其中以集成運(yùn)算放大器和專用測量放大器應(yīng)用最多； 廣泛采用各種負(fù)反饋技術(shù)來改善放大電路的性能。,一、通用集成運(yùn)算放大電路,1. 理想運(yùn)算放大器與實(shí)際運(yùn)算放大器,開環(huán)放大倍數(shù)A,失調(diào)電壓,偏流,輸入阻抗,輸出阻抗,特 性,理想運(yùn)放,實(shí)際運(yùn)放,或更高,0,0,0,1mV（25）,或更高,2. 使用運(yùn)算放大器的基本放大電路, 反相比例運(yùn)算電路,反相比例運(yùn)算電路,反相比例加法器, 同相比例運(yùn)算電路,同相比例運(yùn)算電路,電壓跟隨器, 求差運(yùn)算電路,差動放大電路, 微分運(yùn)算電路,微分運(yùn)算電路, 積分運(yùn)算電路,積分運(yùn)算電路, 對數(shù)運(yùn)算電路,對數(shù)運(yùn)算

7、電路,3. 運(yùn)算放大器構(gòu)成的其他電路, 電壓比較電路, 精密整流電路,當(dāng)滿足 時(shí),電路就能夠輸出非常精確的全波整流波形。,二、 測量放大器,1. 高輸入阻抗放大器,用電壓跟隨器做前置輸入緩沖級; 使用高阻型集成運(yùn)算放大器; 采用由通用運(yùn)算放大器組成的自舉式高輸入阻抗放大電路。,自舉式同相交流放大電路,自舉式交流電壓跟隨器,自舉組合電路,2. 高共模抑制比放大器,三運(yùn)放高共模抑制比放大電路,3. 電橋放大器, 單端輸入電橋放大電路,單端(反相)輸入電橋放大電路,單端(同相)輸入電橋放大電路, 差動輸入電橋放大電路, 線性電橋放大電路,4. 單片集成測量放大器, 共模抑制比高，一般可達(dá)100120

8、dB； 輸入阻抗高，一般高于109； 平衡的差動輸入，單端輸出，輸入端可承受較高的輸入電壓，有較強(qiáng)的過載能力； 增益可由用戶按需要通過選擇不同的增益電阻來確定； 動態(tài)特性好，工作頻帶寬； 低失調(diào)，低漂移。,特點(diǎn)：,AD612的內(nèi)部結(jié)構(gòu),AD612與測量電橋的連接,第三節(jié) 調(diào)制與解調(diào), 調(diào)制, 解調(diào), 信號的調(diào)制方法,用原始緩變信號控制高頻信號的某個(gè)特征參數(shù)（幅值、頻率或相位），使這些參數(shù)隨被測量的變化而變化。,調(diào)制信號用來控制高頻信號的緩變信號。 載波被控的高頻信號。 已調(diào)波經(jīng)過調(diào)制后所得到的高頻信號。,從已調(diào)波中恢復(fù)原始緩變信號。, 幅值調(diào)制（調(diào)幅，AM） 頻率調(diào)制（調(diào)頻，F(xiàn)M） 相位調(diào)制（

9、調(diào)相，PM）,一、 調(diào)幅及其解調(diào),1. 調(diào)幅原理, 調(diào)幅就是用調(diào)制信號與高頻載波信號相乘，所得到的高頻已調(diào)波（稱為調(diào)幅波或調(diào)幅信號）的幅值隨調(diào)制信號的變化而變化。, 在頻域內(nèi)，調(diào)幅過程是一個(gè)“頻譜搬移”過程。, 調(diào)幅過程中的載波不僅要保證幅值的高度穩(wěn)定，其頻率也要足夠高。一般要保證 。, 調(diào)幅波的頻譜分布在相對變化很窄的一個(gè)范圍內(nèi)，有利于信號的交流放大、有用信號與無用信號的鑒別，易于保證不失真測試條件的實(shí)現(xiàn)。,2. 調(diào)幅裝置,交流電橋調(diào)幅,3. 調(diào)幅的解調(diào)（鑒幅）, 同步解調(diào), 包絡(luò)檢波,包絡(luò)檢波適用于調(diào)制信號為單邊（單極性）變化的調(diào)幅信號的解調(diào)。,包絡(luò)檢波通過整流、濾波兩個(gè)環(huán)節(jié)，將調(diào)幅波中的

10、包絡(luò)線（與原信號波形一致）還原出來，即得到了原信號的波形。, 整流將雙邊變化的調(diào)幅信號整理成單邊變化的調(diào)幅信號； 濾波濾除單邊變化調(diào)幅信號中的高頻成分。,常用的包絡(luò)檢波電路有：二極管環(huán)形檢波電路、精密整流電路+濾波電路等。, 相敏檢波,二極管環(huán)型相敏檢波電路,4. 調(diào)幅的應(yīng)用,動態(tài)電阻應(yīng)變儀,差動變壓器式電感測微儀,JDC智能化精密電容測微測振儀,二、 調(diào)頻及其解調(diào),1. 調(diào)頻原理,調(diào)頻是將調(diào)制信號的變化轉(zhuǎn)換成調(diào)頻波頻率的變化。具體地講，就是用調(diào)制信號控制一振蕩器，使振蕩器的振蕩頻率隨調(diào)制信號的變化而變化。,調(diào)制信號為零時(shí)，振蕩器輸出的調(diào)頻波的頻率稱為中心頻率（即載波頻率）。,2. 調(diào)頻裝置,

11、 直接調(diào)頻電路,設(shè),則, 壓控振蕩器,3. 調(diào)頻的解調(diào)（鑒頻 ）,實(shí)現(xiàn)鑒頻的裝置稱為鑒頻器。,諧振式振幅鑒頻器,諧振式振幅鑒頻器的諧振特性,第四節(jié) 濾波器,使信號中某些特定的頻率成分通過，極大地衰減其他頻率成分。,濾波器的作用：,一、 濾波器的基本知識,1. 濾波器的分類（按選頻范圍分）, 低通濾波器 高通濾波器 帶通濾波器 帶阻濾波器,四類濾波器的幅頻特性,上截止頻率,下截止頻率,2. 理想濾波器,理想濾波器在其通頻帶內(nèi)應(yīng)滿足不失真測試條件，即幅頻特性為常數(shù)，相頻特性與頻率保持線性關(guān)系，阻帶內(nèi)的幅頻特性應(yīng)等于零。其頻率響應(yīng)函數(shù)應(yīng)為,（通帶內(nèi)， 為常數(shù)）,（阻帶內(nèi)）, 理想濾波器是非因果系統(tǒng)，

12、在物理上是不可能實(shí)現(xiàn)的。, 理想濾波器的建立時(shí)間 與濾波器的帶寬B成反比，它們的乘積為常數(shù)。即,建立時(shí)間,建立時(shí)間反映了濾波器對輸入的響應(yīng)速度（濾波時(shí)間）；帶寬反映了濾波器的頻率分辨力。 二者相矛盾,3. 實(shí)際濾波器的特性指標(biāo),實(shí)際帶通濾波器的幅頻特性曲線, 幅頻特性平均值, 紋波幅度, 截止頻率, 帶寬,中心頻率, 品質(zhì)因數(shù), 頻率選擇性, 倍頻程選擇性, 濾波器因數(shù)（矩形系數(shù)）,或,二、 無源RC濾波器,1. 一階無源RC低通濾波器,傳遞函數(shù),上截止頻率,時(shí)間常數(shù),過渡帶： -20dB/十倍頻程 -20dB/dec,幅頻特性,2. 一階無源RC高通濾波器,傳遞函數(shù),下截止頻率,時(shí)間常數(shù),過

13、渡帶： -20dB/十倍頻程 -20dB/dec,幅頻特性,3. 二階無源RC帶通濾波器,傳遞函數(shù),截止頻率,時(shí)間常數(shù),過渡帶： -40dB/十倍頻程 -40dB/dec,（交叉時(shí) 間常數(shù)）,三、 有源RC濾波器,1. 一階有源RC濾波器,傳遞函數(shù),通帶增益,截止頻率,一階有源RC低通濾波器（同相輸入）,優(yōu)點(diǎn)：有增益（放大） 隔離（減小負(fù)載效應(yīng)）,傳遞函數(shù),通帶增益,截止頻率,一階有源RC低通濾波器（反相輸入）,2. 二階有源RC濾波器, 無限增益多路負(fù)反饋型,無限增益多路負(fù)反饋型二階有源RC濾波器的基本結(jié)構(gòu),無限增益多路負(fù)反饋型二階有源RC低通濾波器,無限增益多路負(fù)反饋型二階有源RC高通濾波

14、器,無限增益多路負(fù)反饋型二階有源RC帶通濾波器,使用無限增益多路負(fù)反饋型電路不能構(gòu)成帶阻濾波器！, 壓控電壓源型,壓控電壓源型二階有源RC濾波器的基本結(jié)構(gòu),壓控電壓源型二階有源RC低通濾波器,壓控電壓源型二階有源RC高通濾波器,壓控電壓源型二階有源RC帶通濾波器,壓控電壓源型二階有源RC帶阻濾波器,一、動圈式（ 檢流計(jì)式）筆式記錄儀,通電線圈在磁場中受力而產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，從而將輸入（被記錄）電流的變化轉(zhuǎn)換為記錄筆的位移變化。,第五節(jié) 顯示記錄裝置,1. 動力學(xué)分析,電磁力矩,阻尼力矩,游絲反力矩,游絲的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù),轉(zhuǎn)動慣量,阻尼系數(shù),常數(shù),輸入,輸出,2. 傳遞函數(shù),3. 特點(diǎn), 檢流計(jì)式筆錄儀是

15、一個(gè)二階系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)信號的不失真記錄，應(yīng)滿足 且 。 因轉(zhuǎn)動慣量較大及游絲剛度較小，因此固有頻率較低，加上摩擦，因此其可記錄信號的頻率也比較低， 通常100Hz。,靜態(tài)靈敏度,固有頻率,阻尼比,筆式記錄儀,由于運(yùn)動部件的慣性較大以及機(jī)械摩擦的存在，前面兩種筆式記錄儀可記錄信號的頻率都比較低。為了改善記錄儀的動態(tài)特性，人們發(fā)明了光線示波器。光線示波器也是一種檢流計(jì)式記錄儀，它用一個(gè)轉(zhuǎn)動慣量較小的振子取代了檢流計(jì)式筆錄儀的動圈部分，同時(shí)用“光筆”取代了機(jī)械筆，由于 ，從而使其具有較高的固有頻率，可以實(shí)現(xiàn)對高頻（最高可達(dá)10kHz）信號的不失真記錄。,二、光線示波器,1. 工作原理,2. 特點(diǎn), 光

16、線示波器（的振子）也是一個(gè)二階系統(tǒng)，其動態(tài)特性與檢流計(jì)式筆式記錄儀相似。為實(shí)現(xiàn)信號的不失真記錄，也應(yīng)滿足 且 。 選擇振子的依據(jù)是其固有頻率，應(yīng)滿足上面的條件。, 固有頻率較高的振子（ ）的阻尼主要由油阻尼產(chǎn)生，固有頻率較低的振子（ ）的阻尼主要由電磁阻尼產(chǎn)生。,SC-16型光線示波器,1. 工作原理,三、伺服式記錄儀（電位計(jì)式自動平衡記錄儀）,2. 特點(diǎn), 是一種記錄電壓信號的電位計(jì)式記錄儀，屬于零位平衡式伺服系統(tǒng)。 記錄幅值的精度較高，誤差一般不超過滿量程的0.2%0.5% 。 因其運(yùn)動部分的機(jī)械慣性較大，故只能記錄變化緩慢的低頻信號（一般在10Hz以下）。,X-Y函數(shù)記錄儀,磁帶記錄儀的

17、基本組成,四、磁帶記錄儀,1. 工作原理,SONY 多通道數(shù)字式磁帶機(jī),磁帶記錄儀,2. 特點(diǎn), 工作頻帶寬，可記錄直流信號及數(shù)兆赫茲的交流信號。 所記錄的信息可長久保存，必要時(shí)可實(shí)現(xiàn)信號的重放。 能同時(shí)記錄多路信號，在工作頻帶內(nèi)可保證這些信號之間的時(shí)間和相位關(guān)系。 具有變換信號時(shí)基（時(shí)間尺度）的能力。 既可記錄模擬信號，也可記錄數(shù)字信號。 記錄速度快，記錄數(shù)字信號時(shí)可高達(dá)1MB/s。 可以和計(jì)算機(jī)配合，進(jìn)行大量復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理、分析。,1. 工作原理,五、數(shù)字存儲示波器（DSO）,數(shù)字存儲示波器,2. 工作方式,模擬方式：象傳統(tǒng)示波器一樣工作，此時(shí)工作頻帶不受A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度的影響，可以高

18、達(dá)100MHz； 存儲方式：信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后被存儲起來，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換、波形重構(gòu)、功率放大，在CRT上顯示出重構(gòu)后的波形。, 信號算術(shù)運(yùn)算 多窗口工作模式 波形參數(shù)的自動測量 數(shù)字信號處理 通信接口 記錄信號波形的硬拷貝,3. 特殊功能,六、其他,陰極射線管顯示器 （CRT）,液晶顯示器 （LCD）,信號調(diào)理電路在測試系統(tǒng)中起著承上啟下的作用，是測試系統(tǒng)中最重要的環(huán)節(jié)之一。測量電橋是實(shí)現(xiàn)微弱參量測量轉(zhuǎn)換的主要裝置之一。將電橋接成差動式可以提高靈敏度、改善非線性，并具有某些誤差補(bǔ)償作用。采用調(diào)制與解調(diào)技術(shù)可以提高測試系統(tǒng)的抗干擾能力，便于信號的交流放大，有利于不失真測試的實(shí)現(xiàn)。在測試系統(tǒng)的適當(dāng)位置上使用各種濾波器，可以實(shí)現(xiàn)信號的分離，從