1、第六章 信號(hào)調(diào)理與顯示,本章學(xué)習(xí)要求：,1.了解電橋平衡條件 2.了解信號(hào)調(diào)制解調(diào)原理 3.了解信號(hào)濾波器工作原理,信號(hào)調(diào)理的的目的是便于信號(hào)的傳輸與處理。,6.1 信號(hào)調(diào)理的目的,6.2.1 電橋,分類(lèi),電阻R1,R2,R3,R4作為四個(gè)橋臂，在a、c兩端接入直流電源e0，在b、d兩端輸出電壓ey,作用,一.直流電橋,1.平衡條件,a、b之間與a、d之間的電位差,輸出電壓,6-1,在測(cè)試過(guò)程中，根據(jù)電橋工作中的電阻值變化的橋臂情況可以分為半橋單臂、半橋雙臂和全橋式聯(lián)接方式,電橋平衡，即輸出電壓為零 ，則有,平衡條件,適當(dāng)選擇各橋臂的電阻值，可使電橋測(cè)量前滿(mǎn)足平衡條件， 輸出電壓ey=0。 若

2、橋臂電阻發(fā)生變化,則平衡條件被打破,輸出電壓的變化反映了電橋橋臂電阻的變化,2.電橋的和差特性,電阻R1,R2,R3,R4均發(fā)生微小變化,且 ， 代入式6-1，忽略高階項(xiàng),則,令,和差特性: 鄰臂變化符號(hào)相反,對(duì)臂變化符號(hào)相同,表明:只有相鄰兩臂有不同方向的變化量,而相對(duì)兩臂有相同方向的變化量,才能使輸出有最大值 應(yīng)用:確定應(yīng)變片的貼片和橋接方式,1)全橋:,工作時(shí)電橋的四個(gè)橋臂阻值都隨被測(cè)量而變化，且R1R1 、R2R2 、R3R3、R4R4 。當(dāng)R1 =R2=R3 =R4 =R時(shí)，電橋輸出電壓,2) 半橋 工作時(shí)電橋的兩個(gè)橋臂阻值隨被測(cè)量而變化，且R1 R1 、R2R2 。 當(dāng)R1 =R2

3、 =R時(shí)，電橋輸出電壓,3)單臂電橋 如圖4.2(a)所示，工作時(shí)有一個(gè)橋臂R1的阻值隨被測(cè)量而變化，其余橋臂均為固定電阻。當(dāng)R1的阻值變化R1=R時(shí)，,結(jié)論:全橋接法可獲得最大輸出,3.靈敏度:,自變量:R/R,或,自變量:R,注:電橋平衡ey=0,所以ey=ey,全橋 半橋 單臂,電橋靈敏度與電橋電路的工作臂的多少和電橋輸入電壓高低有關(guān),與橋臂電阻值大小無(wú)關(guān),僅測(cè)拉力F,僅測(cè)彎矩M,電橋和差特性 R1 +, 則R3+ R2 -,從受拉 R1 +, 則R3+ 從受彎矩 R1 +, 則R3 -,從受拉 R1 +, 則R2+ 從受彎矩 R1 +, 則R2 -,應(yīng)用1,應(yīng)用2: 溫度補(bǔ)償,欲測(cè)量作

4、用在其上的力F時(shí)，采用兩片敏感元件材料、原始電阻值和靈敏系數(shù)都相同的應(yīng)變片R1和R2。R1貼在試件的測(cè)點(diǎn)上，R2貼在與試件材質(zhì)相同的不受力的補(bǔ)償塊上。R1和R2處于相同溫度場(chǎng)中，并按接入電橋的相鄰臂上,消除溫度的影響，減少測(cè)量誤差,6.2.2 交流電橋 交流電橋激勵(lì)電壓e0采用交流方式，電橋的四個(gè)臂可以是純電阻，也可以是包含有電容、電感的交流阻抗。若阻抗、電流和電壓都用復(fù)數(shù)表示，則直流電橋的平衡關(guān)系式在交流電橋中也適用， 即交流電橋平衡時(shí)必須滿(mǎn)足,Z1Z3=Z2Z4,交流電橋平衡條件：相對(duì)兩臂阻抗之模的乘積應(yīng)相等，并且它們的阻抗角之和也必須相等，前者稱(chēng)為交流電橋模的平衡條件， 后者稱(chēng)為相位平衡

5、條件,式中，Z1、Z2、Z3、Z4為各阻抗的模；1、2、3、4為阻抗角，是各橋臂電壓與電流之間的相位差。采用純電阻時(shí)， 電流與電壓同相位，=0； 采用電感性阻抗時(shí)，電壓超前于電流，0（純電感時(shí)=90）；采用電容性阻抗時(shí)，電壓滯后于電流，0（純電容時(shí)=-90）。,應(yīng)用指導(dǎo): 1.鄰臂純電阻(1=2=0),另兩個(gè)鄰臂必須有同類(lèi)阻抗(3=4) 2.對(duì)臂純電阻(1=3=0),另兩個(gè)對(duì)臂必須有異類(lèi)阻抗(2=-4),輸出與靈敏度:,單臂,半橋,全橋,注意: 1.實(shí)際測(cè)試多使用交流電橋,只有純電阻可接入直流電橋 2.對(duì)于純電阻交流電橋，即使各橋臂均為電阻，但由于導(dǎo)線(xiàn)間存在分布電容，相當(dāng)于每個(gè)橋臂上都并聯(lián)了一

6、個(gè)電容,因此除了電阻平衡外，還需考慮電容平衡 3.差動(dòng)電橋 鄰臂為應(yīng)變片,另一對(duì)鄰臂為C或L, 使C或L發(fā)生相反方向的變化,并使增量相同,則,總參量變化2,6.3 濾 波 器,濾波：選取信號(hào)中感興趣的成分，而抑制或衰減掉其它不需要的成分。 濾波器：能實(shí)施濾波功能的環(huán)節(jié)/裝置。 通頻帶:能通過(guò)濾波器的頻率范圍 阻頻帶:被抑制或極大衰減的頻率范圍 通頻帶與阻頻帶的交界點(diǎn)為截止頻率(不夠嚴(yán)密,后述補(bǔ)充),分類(lèi): 構(gòu)成元件:RC、LC 、RLC 信號(hào)性質(zhì)：模擬、數(shù)字 電路：有源、無(wú)源 選頻方式：低通、 高通、 帶通和帶阻濾波器。,低通,高通,帶通,帶阻,濾波器的串/并聯(lián),低通濾波器和高通濾波器是濾波器

7、的兩種最基本的形式，其它的濾波器都可以分解為這兩種類(lèi)型的濾波器。,3 理想濾波器,理想濾波器是指能使通帶內(nèi)信號(hào)的幅值和相位都不失真，阻帶內(nèi)的頻率成分都衰減為零的濾波器。,理想低通濾波器的時(shí)域脈沖響應(yīng)函數(shù)為sinc函數(shù)，如無(wú)相角滯后，即t0=0，則,如t00，則,相當(dāng)于把圖形右移t0,h(t)是具有對(duì)稱(chēng)性的圖形，不僅延伸至t，還延伸至t-，因此為物理不可實(shí)現(xiàn),討論理想低通濾波器是為了進(jìn)一步了解濾波器的傳輸特性， 以及濾波器的通頻帶寬和建立比較穩(wěn)定輸出時(shí)所需時(shí)間之間的關(guān)系。 若濾波器的輸入為單位階躍信號(hào)u(t)， 即,t0,t0,則濾波器的輸出y(t)是脈沖響應(yīng)函數(shù)h(t)和輸入u(t)的卷積，

8、即,理想低通濾波器對(duì)單位階躍的響應(yīng) (a) 無(wú)相角滯后，時(shí)移t0=0; (b) 有相角滯后，時(shí)移t0 0,濾波器對(duì)階躍輸入的響應(yīng)有一定的建立時(shí)間。若濾波器的通頻帶很寬，即fc很大，那么y(t)的圖形將很陡峭， 響應(yīng)的建立時(shí)間(tb-ta)也將很小。反之，若通頻帶窄，即fc小，則建立時(shí)間就長(zhǎng)，計(jì)算可得,截止頻率,建立時(shí)間可以這樣解釋?zhuān)狠斎胄盘?hào)突變處形成尖角，必然含有豐富的高頻分量。低通濾波器阻衰了高頻分量，結(jié)果是把信號(hào)波形 “圓滑” 了。通帶越寬， 阻衰的高頻分量越少， 信號(hào)能更多、更快地通過(guò)，所以建立時(shí)間就短；反之，建立時(shí)間就長(zhǎng),低通濾波器階躍響應(yīng)的建立時(shí)間te和帶寬B成反比，或者說(shuō)帶寬和建立

9、時(shí)間的乘積是常數(shù)。這一結(jié)論對(duì)其它濾波器（高通、帶通、帶阻）也適用。濾波器的帶寬表示其頻率分辨力， 帶寬越窄分辨力越高。,因此，濾波器分辨力與測(cè)量時(shí)快速響應(yīng)的要求是矛盾的 一般,6.3.3 實(shí)際濾波器 1. 基本參數(shù) 對(duì)于理想濾波器，只需規(guī)定截止頻率就可以說(shuō)明它的性能。而對(duì)于實(shí)際濾波器，由于其特性曲線(xiàn)沒(méi)有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，通帶中幅頻特性也并非常數(shù)，因此需要用更多的參數(shù)來(lái)描述實(shí)際濾波器的性能。,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)遠(yuǎn)小于-3dB。,2)截止頻率fc :幅頻特性值等于0.707A0所對(duì)應(yīng)的頻率在截止頻率點(diǎn)上，幅值已衰減-3dB，功率下降了一半，稱(chēng)為半功率點(diǎn) ； fc2

10、、fc1稱(chēng)為濾波器的上、下截止頻率,3)帶寬B和品質(zhì)因數(shù)Q:上下兩截頻間的頻率范圍稱(chēng)為帶寬 （或-3 dB帶寬） 中心頻率和帶寬之比稱(chēng)為品質(zhì)因數(shù),中心頻率的定義是上下截止頻率的幾何平均值， 即,4)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，或者在下截止頻率fc1與 fc1/2 之間幅頻特性的衰減值即頻率變 化一個(gè)倍頻程時(shí)的衰減量。,5) 濾波器因數(shù)(或矩形系數(shù)) 濾波器選擇性的另一種表示方法是用濾波器幅頻特性的 -60dB帶寬與-3 dB帶寬的比值來(lái)表示，即,理想濾波器的=1，常用濾波器的=15。越小，表明濾波器的選擇性越好。有些濾波器受器件影響（例如電容漏阻等）

11、， 阻帶衰減倍數(shù)達(dá)不到-60 dB，則以標(biāo)明的衰減倍數(shù)（如-40 dB或-30 dB）帶寬與-3dB帶寬之比來(lái)表示其選擇性。,5 RC無(wú)源濾波器,在測(cè)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(lái)說(shuō)不高。而RC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)準(zhǔn)阻容元件 。,1) 一階RC低通濾波器,分析該系統(tǒng)特性可知，當(dāng)時(shí)，A(f)=1， 此時(shí)信號(hào)幾乎不受衰減地通過(guò)，并且相頻特性近似為一條通過(guò)原點(diǎn)的直線(xiàn)。因此，可以認(rèn)為在此情況下，RC低通濾波器是一個(gè)不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。 當(dāng)，即,上式表明，RC值決定著上截止頻率。因此，適當(dāng)改變RC時(shí)， 可以改變?yōu)V波器的截止頻率。,當(dāng)時(shí)，輸出ey與輸入ex的積分成正比， 即,此時(shí)RC低通濾波器起著積分器的作用，其倍頻程選擇性W=-6dB,表明了幅頻特性的衰減快慢,2) 一階RC高通濾波器,，當(dāng)時(shí)，幅頻特性接近于1，相移趨于零，此時(shí)RC高通濾波器可視為不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。,當(dāng)，即濾波器的-3dB截止頻率為,同樣可以證明，當(dāng)時(shí)，RC高通濾波