1、第四章 信號的調(diào)理與記錄,第一節(jié) 電橋,第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào),第三節(jié) 濾波器,第四節(jié) 信號的放大,第五節(jié) 測試信號的顯示與記錄,信號的調(diào)理和轉(zhuǎn)換是測試系統(tǒng)不可缺少的重要環(huán)節(jié)。被測物理量經(jīng)傳感器后的輸出信號通常是很微弱的或者是非電壓信號，如電阻、電容、電感或電荷、電流等電參量，這些微弱信號或非電壓信號難以直接被顯示或通過AD轉(zhuǎn)換器送入儀器或計算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而且有些信號本身還攜帶有一些不期望有的信息或噪聲。因此，經(jīng)傳感后的信號尚需經(jīng)過調(diào)理、放大、濾波等一系列的加工處理，以將微弱電壓信號放大、將非電壓信號轉(zhuǎn)換為電壓信號、抑制干擾噪聲、提高信噪比，以便于后續(xù)環(huán)節(jié)的處理。信號的調(diào)理和轉(zhuǎn)換涉及的范圍很廣

2、，本章主要討論一些常用的環(huán)節(jié)，如電橋、調(diào)制與解調(diào)、濾波和放大等，并對常用的信號顯示與記錄儀器作簡要介紹。,第一節(jié) 電 橋,電橋是將電阻、電感、電容等參量的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出的一種測量電路，由于橋式測量電路簡單可靠，而且具有很高的精度和靈敏度，因此在測量裝置中被廣泛采用。,按激勵電源的類型可分為：,直流電橋,交流電橋,按輸出方式分為：,不平衡式電橋,平衡式電橋,不平衡式電橋應(yīng)用更為廣泛。下面僅對不平衡式電橋加以介紹。,一、直流電橋,電橋的輸出電壓：,直流電橋的平衡條件：,電橋的連接形式有單臂電橋連接、半橋連接與全橋連接。,單臂電橋連接形式：工作中只有一個橋臂電阻隨被測量的變化而變化。,取,

3、電橋的輸出電壓：,靈敏度：,激勵電壓Ue不變,半橋連接形式：工作中有兩個橋臂（一般為相鄰橋臂）的阻值隨被測量差動變化。,電橋的輸出電壓：,靈敏度：,全橋連接形式：工作中四個橋臂阻值都隨被測量而變化。,電橋的輸出電壓：,靈敏度：,電橋的和差特性：,1）若相鄰兩橋臂電阻同向變化（即兩電阻同時增大或同時減小），所產(chǎn)生的輸出電壓的變化將相互抵消；,2）若相鄰兩橋臂電阻反相變化（即兩電阻一個增大一個減?。?，所產(chǎn)生的輸出電壓的變化將相互迭加。,用懸臂梁做敏感元件測力時，常在梁的上下表面各貼一個應(yīng)變片，并將兩個應(yīng)變片接入電橋相鄰的兩個橋臂。,用柱形梁做敏感元件測力時，常沿著圓周間隔90縱向貼4個應(yīng)變片R1、

4、R2、R3、R4作為工作片，與縱向應(yīng)變片相間，再橫向貼4個應(yīng)變片R5、R6、R7、R8用作溫度補(bǔ)償。,使用電橋電路時，還需要調(diào)節(jié)零位平衡，即當(dāng)工作臂電阻變化為零時，使電橋的輸出為零。,a）差動串聯(lián)平衡 b）差動并聯(lián)平衡,二、交流電橋,交流電橋采用交流電源激勵，電橋的四個臂可為電感、電容或電阻。如果交流電橋的阻抗、電流及電壓都用復(fù)數(shù)表示，則關(guān)于直流電橋的平衡關(guān)系式在交流電橋中也可適用，即交流電橋的平衡條件為,把各阻抗用指數(shù)式表示為,交流電橋平衡必須滿足兩個條件：即相對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。,根據(jù)交流電橋的平衡條件，交流電橋各臂可有不同的組合。常用的電容、電感電

5、橋其相鄰兩臂可接入電阻，而另外兩個橋臂接入相同性質(zhì)的阻抗，例如都是電容或者都是電感。,電容電橋,平衡條件,要使電橋達(dá)到平衡，必須同時調(diào)節(jié)電阻與電容兩個參數(shù)，即調(diào)節(jié)電阻達(dá)到電阻平衡，調(diào)節(jié)電容達(dá)到電容平衡。,電感電橋,平衡條件,要使電橋達(dá)到平衡，必須同時調(diào)節(jié)電阻與電感兩個參數(shù)，即調(diào)節(jié)電阻達(dá)到電阻平衡，調(diào)節(jié)電感達(dá)到電感平衡。,對于純電阻交流電橋，即使各橋臂均為電阻，但由于導(dǎo)線間存在分布電容，相當(dāng)于在各橋臂上并聯(lián)了一個電容。為此，除了有電阻平衡外，還須有電容平衡。,電阻交流電橋的分布電容,具有電阻電容平衡的交流電阻電橋,三、帶感應(yīng)耦合臂的電橋,帶感應(yīng)耦合臂的電橋是將感應(yīng)耦合的兩個繞組作為橋臂而組成的電

6、橋，般有下列兩種形式：,變壓器電橋,繞組W1、W2與阻抗Z3、Z4構(gòu)成電橋的四個臂。繞組W1、W2相當(dāng)于變壓器的二次邊繞組。平衡時，指零儀G指零。,電橋平衡時，繞組W1、W2的激磁效應(yīng)互相抵消，鐵心中無磁通，所以指零儀G指零。,以上兩種電橋中的感應(yīng)耦合臂可代以差動式三繞組電感傳感器，通過它的敏感元件鐵心，將被測位移量轉(zhuǎn)換為繞組間互感變化，再通過電橋轉(zhuǎn)換為電壓或電流的輸出。,優(yōu)點：與一般電橋比較，具有較高的精確度、靈敏度和穩(wěn)定性。,第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào),調(diào)制是指利用某種低頻信號來控制或改變一高頻振蕩信號的某個參數(shù)（幅值、頻率或相位）的過程。在這里，高頻振蕩信號被稱為載波，控制高頻振蕩的低頻信號被稱

7、為調(diào)制信號，調(diào)制后的高頻振蕩信號為已調(diào)制信號。,解決微弱緩變信號的放大以及傳輸?shù)膯栴}。,調(diào)制與解調(diào)的概念,調(diào)制與解調(diào)的目的,解調(diào)是指從已調(diào)制信號中恢復(fù)出原低頻調(diào)制信號的過程。調(diào)制與解調(diào)是一對相反的信號變換過程，在工程上經(jīng)常結(jié)合在一起使用。,調(diào)制的種類,幅值調(diào)制,頻率調(diào)制,相位調(diào)制,一、幅值調(diào)制與解調(diào),1幅值調(diào)制,幅值調(diào)制是將一個高頻載波信號(此處采用余弦波)與被測信號（調(diào)制信號）相乘，使高頻信號的幅值隨被測信號的變化而變化。,2調(diào)幅信號的頻域分析,由傅里葉變換的性質(zhì)知：時域中兩個信號相乘對應(yīng)于頻域中這兩個信號的傅里葉變換的卷積，即,余弦函數(shù)的頻域波形是一對脈沖譜線，即,一個函數(shù)與單位脈沖函數(shù)卷

8、積的結(jié)果就是將這個函數(shù)的波形由坐標(biāo)原點平移至該脈沖函數(shù)處。若以高頻余弦信號作載波，把信號x(t)和載波信號相乘，其結(jié)果就相當(dāng)于把原信號的頻譜圖形由原點平移至載波頻率f0處，幅值減半。,調(diào)幅過程相當(dāng)于頻譜“搬移”過程。,從調(diào)幅原理看，載波頻率f0必須高于原信號中的最高頻率fm 才能使已調(diào)波仍保持原信號的頻譜圖形，不致重疊。 為了減小放大電路可能引起的失真，信號的頻寬（2fm）相對中心頻率（載波頻率f0）應(yīng)越小越好。 實際載波頻率常至少數(shù)倍甚至數(shù)十倍于調(diào)制信號。,3調(diào)幅信號的解調(diào)方法,幅值調(diào)制的解調(diào)方法有同步解調(diào)、包絡(luò)檢波和相敏檢波法。,（1）同步解調(diào),若把調(diào)幅波再次與原載波信號相乘，則頻域的頻譜

9、圖形將再一次進(jìn)行“搬移”，其結(jié)果是使原信號的頻譜圖形平移到0和f0的頻率處。若用一個低通濾波器濾去中心頻率為2f0的高頻成分，便可以復(fù)現(xiàn)原信號的頻譜（只是其幅值減小為一半，這可用放大處理來補(bǔ)償），這一過程稱為同步解調(diào)。“同步”是指在解調(diào)過程中所乘的載波信號與調(diào)制時的載波信號具有相同的頻率與相位。,用低通濾波器將頻率為2f0的高頻信號濾去，則可得到x(t)/2。,（2）包絡(luò)檢波,把調(diào)制信號進(jìn)行偏置，疊加一個直流分量A，使偏置后的信號都具有正電壓，那么調(diào)幅波的包絡(luò)線將具有原調(diào)制信號的形狀。把該調(diào)幅波簡單地整流、濾波就可恢復(fù)原調(diào)制信號。 如果原調(diào)制信號中有直流分量，則在整流后應(yīng)準(zhǔn)確地減去所加的偏置電

10、壓。 若所加的偏置電壓未能使信號電壓都在零線的一側(cè)，則對調(diào)幅波簡單地整流不能恢復(fù)原調(diào)制信號。相敏檢波技術(shù)可解決此問題。,調(diào)制信號加足夠直 流偏置的調(diào)幅波,調(diào)制信號直流偏置 不夠時的調(diào)幅波,（3）相敏檢波,相敏檢波的特點是可以鑒別調(diào)制信號的極性，所以采用相敏檢波時，對調(diào)制信號不必再加直流偏置。相敏檢波利用交變信號在過零位時正、負(fù)極性發(fā)生突變，使調(diào)幅波的相位(與載波比較)也相應(yīng)地產(chǎn)生180的相位跳變，這樣便既能反映出原調(diào)制信號的幅值，又能反映其極性。,在0t1區(qū)間，調(diào)制信號x(t)為正，調(diào)幅波xm(t)與載波y(t)同相。 當(dāng)載波電壓為正時，VD1導(dǎo)通，電流的流向是 d1VD125R1地d 當(dāng)載波

11、電壓為負(fù)時，變壓器T1和T2的極性同時改變，VD3導(dǎo)通，電流的流向是 d3VD345R1地d 可見在0t1區(qū)間，流經(jīng)負(fù)載R1的電流方向始終是由上到下，輸出電壓u0(t)為正值。,在t1t2區(qū)間，調(diào)制信號x(t)為負(fù)，調(diào)幅波xm(t)相對于載波y(t)的極性相差180。 當(dāng)載波電壓為正時，VD2導(dǎo)通，電流的流向是 52VD23d地R15 當(dāng)載波電壓為負(fù)時，VD4導(dǎo)通，電流的流向是 54VD41d地R15 可見在t1t2區(qū)間，流經(jīng)負(fù)載R1的電流方向始終是由下向上，輸出電壓u0(t)為負(fù)值。,綜上所述，相敏檢波是利用二極管的單向?qū)ㄗ饔脤㈦娐份敵鰳O性換向。簡單地說，這種電路相當(dāng)于在0t1段把xm(t

12、)的負(fù)部翻上去，而在t1t2段把xm(t)的正部翻下來。若將u0(t)經(jīng)低通濾波器濾波，則所得到的信號就是xm(t)經(jīng)過“翻轉(zhuǎn)”后的包絡(luò)。,動態(tài)電阻應(yīng)變儀,電橋由振蕩器供給等幅高頻振蕩電壓(10kHz或15kHz)。被測量(應(yīng)變)通過電阻應(yīng)變片調(diào)制電橋輸出，電橋輸出為調(diào)幅波，經(jīng)過放大，再經(jīng)相敏檢波與低通濾波即可取出所測信號。,二、頻率調(diào)制與解調(diào),頻率調(diào)制是利用信號電壓的幅值控制一個振蕩器，振蕩器輸出的是等幅波，但其振蕩頻率偏移量和信號電壓成正比。當(dāng)信號電壓為零時，調(diào)頻波的頻率等于中心頻率；信號電壓為正值時頻率提高，負(fù)值時則降低。,調(diào)頻信號,載波,頻率調(diào)制一般用振蕩電路來實現(xiàn)，如LC振蕩電路、變

13、容二極管調(diào)制器、壓控振蕩器等。,1頻率調(diào)制的概念及方法,a）三角波調(diào)制信號 b）調(diào)頻信號波形,LC振蕩電路常被用于電容、渦流、電感等傳感器的測量電路，將電容（或電感）作為自激振蕩器的諧振回路的一調(diào)諧參數(shù)，則電路的諧振頻率為,中心頻率,直接調(diào)頻測量電路,按泰勒級數(shù)展開并忽略高階項,LC振蕩回路的振蕩頻率f與調(diào)諧參數(shù)（電容C）的變化成線性關(guān)系，亦即振蕩頻率受控于被測物理量。,壓控振蕩器,壓控振蕩器是利用調(diào)制信號的幅值來控制其振蕩頻率，使振蕩頻率隨控制電壓呈線性變化。振蕩器的中心頻率和頻率范圍由生產(chǎn)廠預(yù)置，頻率范圍與控制電壓相對應(yīng)。壓控振蕩器芯片（如MAXIM公司推出的MAX2622MAX2624）

14、。,2調(diào)頻信號的解調(diào),調(diào)頻信號的解調(diào)又稱為鑒頻，是將頻率變化恢復(fù)成調(diào)制信號電壓幅值變化的過程。一般采用鑒頻器和鎖相環(huán)解調(diào)器。,鑒頻器實際上是由一個高通濾波器（R1、C1）及一個包絡(luò)檢波器（VD、C2）構(gòu)成。 從高通濾波器幅頻特性的過渡帶可以看到，隨輸入信號頻率的不同，輸出信號的幅值便不同。通常在幅頻特性的過渡帶上選擇一段線性好的區(qū)域來實現(xiàn)頻率-電壓的轉(zhuǎn)換，并使調(diào)頻信號的載頻f0位于這段線性區(qū)的中點。由于調(diào)頻信號的瞬時頻率正比于調(diào)制信號x(t)，它經(jīng)過高通濾波器后，使原來等幅的調(diào)頻信號的幅值變?yōu)殡S調(diào)制信號x(t)變化的“調(diào)幅”信號，即包絡(luò)形狀正比于調(diào)制信號x(t)，但頻率仍與調(diào)頻信號保持一致。該

15、信號經(jīng)后續(xù)包絡(luò)檢波器檢出包絡(luò)，即可恢復(fù)出反映被測量變化的調(diào)制信號 。,第三節(jié) 濾波器,一、概述,1. 什么是濾波,在通過傳感器獲得的信號中，常?；煜性S多其他頻率的干擾。由于這些干擾的存在，有時得不到正確的測量值，甚至有時有用的信號被淹沒在干擾噪聲中。為了突出有用信號，抑制噪聲干擾，我們就要對傳感器獲得的信號進(jìn)行濾波。,濾波的實質(zhì)就是對信號進(jìn)行頻率選擇，完成濾波功能的裝置稱為濾波器。當(dāng)信號通過濾波器時，信號中某些頻率成分得以通過，其他頻率成分的信號受到衰減或抑制。信號通過濾波器的過程，就稱為對信號進(jìn)行濾波。,按濾波器的選頻方式分：,低通濾波器,高通濾波器,帶通濾波器,帶阻濾波器,按濾波器電路的

16、構(gòu)成形式分,有源濾波器,無源濾波器,按所處理的信號信號分,模擬濾波器,數(shù)字濾波器,低通濾波器允許在其截止頻率以下的頻率成分通過而高于此頻率的頻率成分被衰減； 高通濾波器只允許在其截止頻率之上的頻率成分通過； 帶通濾波器只允許在其中心頻率附近一定范圍內(nèi)的頻率分量通過； 帶阻濾波器可將選定頻帶上的頻率成分衰減掉。,a）低通濾波器 b）高通濾波器 c）帶通濾波器 d）帶阻濾波器,二、濾波器性能分析,1理想濾波器,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，其通帶和阻帶之間有明顯的分界線。也就是說，理想濾波器在通帶內(nèi)的幅頻特性應(yīng)為常數(shù)，相頻特性的斜率為常值；在

17、通帶外的幅頻特性應(yīng)為零。,理想濾波器在工程實際中是不可能實現(xiàn)的。,2實際濾波器的特征參數(shù),在實際濾波器的幅頻特性圖中，通帶和阻帶之間應(yīng)沒有嚴(yán)格的界限。在通帶和阻帶之間存在一個過渡帶。在過渡帶內(nèi)的頻率成分不會被完全抑制，只會受到不同程度的衰減。當(dāng)然，希望過渡帶越窄越好，也就是希望對通帶外的頻率成分衰減得越快、越多越好。因此，在設(shè)計實際濾波器時，總是通過各種方法使其盡量逼近理想濾波器。,與理想濾波器相比，實際濾波器需要用更多的概念和參數(shù)去描述它，主要參數(shù)有紋波幅度、截止頻率、帶寬、品質(zhì)因數(shù)、倍頻程選擇性等。下圖是一個典型的實際帶通濾波器.,（1）截止頻率,截止頻率指幅頻特性值等于 （即-3dB）時

18、所對應(yīng)的頻率點（圖中的 和 ）。若以信號的幅值平方表示信號功率，該頻率對應(yīng)的點為半功率點。,（2）帶寬 B,濾波器帶寬定義為上下兩截止頻率之間的頻率范圍，又稱-3dB帶寬，單位為Hz。帶寬表示濾波器的分辨能力，即濾波器分離信號中相鄰頻率成分的能力。,（3）紋波幅度 ,通帶中幅頻特性值的起伏變化值稱紋波幅度，以表示，值應(yīng)越小越好。,（4）品質(zhì)因數(shù) Q,對于帶通濾波器，其中心頻率定義為,品質(zhì)因數(shù)定義為中心頻率與帶寬之比,在電工學(xué)中，通常用Q代表諧振回路的品質(zhì)因數(shù)。在二階振蕩環(huán)節(jié)中，Q值相當(dāng)于諧振點的幅值增益系數(shù)， Q=1/2（阻尼率）。例如一個中心頻率為500Hz的濾波器，若其中-3dB帶寬為10

19、Hz，則稱其Q值為50。Q值越大，表明濾波器頻率分辨力越高。,（5）倍頻程選擇性 W,在兩截止頻率外側(cè)，實際濾波器有一個過渡帶，這個過渡帶的幅頻曲線傾斜程度表明了幅頻特性衰減的快慢，它決定著濾波器對帶寬外頻率成分衰阻的能力。通常用倍頻程選擇性來表征。所謂倍頻程選擇性，是指在上截止頻率 與 2 之間，或者在下截止頻率 與 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,或,倍頻程衰減量以dB/oct表示（octave，倍頻程）。顯然，衰減越快（即W值越大），濾波器的選擇性越好。對于遠(yuǎn)離截止頻率的衰減率也可用10倍頻程衰減數(shù)表示之。即dB10oct。,（6）濾波器因數(shù) ,濾波器因數(shù)定義為濾波

20、器幅頻特性的-60dB帶寬與-3dB帶寬的比，即,對理想濾波器有=1。對普通使用的濾波器，一般為15。,三、實際濾波電路,RC濾波器電路簡單，抗干擾性強(qiáng)，有較好的低頻性能，并且選用標(biāo)準(zhǔn)的阻容元件，所以在工程測試的領(lǐng)域中最經(jīng)常用到的濾波器是RC濾波器。,1一階RC低通濾波器,令=RC，稱時間常數(shù)。,傳遞函數(shù)和頻率響應(yīng)函數(shù),電路的微分方程式,幅頻特性和相頻特性,當(dāng) 時， ， 近似于一條通過原點的直線。此時，RC低通濾波器是一個不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。,當(dāng) 時， ，即RC低通濾波器的截止頻率為,當(dāng) ， ，信號完全被阻擋，不能通過。,2一階RC高通濾波器,電路的微分方程式,令=RC，稱時間常數(shù)。,傳遞函數(shù)和頻

21、率響應(yīng)函數(shù),幅頻特性和相頻特性,當(dāng) 時， ， ，RC低通濾波器是一個不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。,當(dāng) 時， ，即RC高通濾波器的截止頻率為,當(dāng) ， ，信號完全被阻擋，不能通過。,2RC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)。,傳遞函數(shù)和頻率響應(yīng)函數(shù),幅頻特性和相頻特性,當(dāng) 時， ，RC低通濾波器是一個不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。,當(dāng) 時， ，即RC帶通濾波器的下、上截止頻率為,當(dāng) ， ，信號完全被阻擋，不能通過。,一階RC濾波器在過渡帶內(nèi)的衰減速率非常慢，每個倍頻程只有6dB，通帶和阻帶之間沒有陡峭的界限，故這種濾波器的性能較差，因此常常要使用更復(fù)雜的濾波器。,電感和電容一起使用可以使濾波器的諧

22、振特性相對于一階RC電路產(chǎn)生較為陡峭的濾波器邊緣。,a）低通濾波器 b）高通濾波器 c）帶通濾波器,a）低通濾波器 b）高通濾波器 c）帶通濾波器,采用多個RC環(huán)節(jié)或LC環(huán)節(jié)級聯(lián)的方式，可以使濾波器的性能有顯著的提高，使過渡帶曲線的陡峭度得到改善。因為多個中心頻率相同的濾波器級聯(lián)后，其總幅頻特性為各濾波器幅頻特性的乘積，因此通帶外的頻率成分將會有更大的衰減。,a）RC高階低通濾波器 b）LC高階低通濾波器,必須注意到，雖然多個簡單濾波器的級聯(lián)能改善濾波器的過渡帶性能，卻又不可避免地帶來了明顯的負(fù)載效應(yīng)和相移增大等問題。為避免這些問題，最常用的方法就是采用有源濾波器。,將濾波網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)算放大器結(jié)合

23、是構(gòu)造有源濾波器電路的基本方法。,如果在低通濾波器后面接一個放大器：,可見，其增益由 確定，而與時間常數(shù)RC無關(guān)。,一階有源濾波器低通濾波器,利用一個運(yùn)放可以構(gòu)成一個二階濾波器。,無限增益多路反饋型濾波器,根據(jù)Y1到Y(jié)5取值及阻抗類型的不同組合，可以得到二階低、高、帶通及帶阻濾波器，以二階低通為例：,根據(jù)信號頻率確定R1，C2，R3，R4，C5，便可以將此濾波器的電路設(shè)計出來，同理可以設(shè)計出二階帶通，帶阻及高通濾波器。,另一種電路的基本型式如右圖，稱為壓控電壓源型濾波器。傳遞函數(shù)：,下圖示出一些典型的一階有源濾波器。通常的有源濾波器具有80dB倍頻程的下降帶，以及在阻帶中有高于60dB的衰減。

24、,a）低通濾波器 b）高通濾波器 c）帶通濾波器,四、帶通濾波器在信號頻率分析中的應(yīng)用,1多路濾波器的并聯(lián)形式,將一組增益相同而中心頻率不同的帶通濾波器并聯(lián)，使前一個濾波器的-3dB上截止頻率高端等于后一個濾波器的-3dB下截止頻率低端，形成一個多路濾波器。,多路帶通濾波器并聯(lián)常用于信號的頻譜分析和信號中特定頻率成分的提取。使用時常將被分析信號輸入一組中心頻率不同的濾波器，各濾波器的輸出便反映了信號中所含的各個頻率成分。,（1）恒帶寬比濾波器,恒帶寬比濾波器是指濾波器的相對帶寬是常數(shù)，即,恒帶寬比濾波器的上、下截止頻率之間滿足以下關(guān)系，即,式中 n倍頻程數(shù)。若n=1，稱為倍頻程濾波器；n=1/

25、3，則稱為1/3倍頻程濾波器；依此類推。,濾波器的中心頻率與上、下截止頻率之間的關(guān)系為,在倍頻程濾波器組中，后一個中心頻率與前一個中心頻率間滿足以下關(guān)系,所以，只要選定n值，就可以設(shè)計出覆蓋給定頻率范圍的鄰接式濾波器組。,B&K公司的1616型頻率分析儀的結(jié)構(gòu)框圖，其帶寬為1/3倍頻程，分析頻率為從20Hz40k Hz，共設(shè)置34個帶通濾波器。,恒帶寬比濾波器的通頻帶在低頻段很窄，在高頻段則很寬。因而濾波器組的頻率分辨力在低頻段較好，而在高頻段則甚差。,（2）恒帶寬濾波器,恒帶寬濾波器是指濾波器的絕對帶寬為常數(shù)，即,為提高濾波器的分辨能力，帶寬應(yīng)窄一些，但為覆蓋整個頻率范圍所需要的濾波器數(shù)量就

26、很大。因此恒帶寬濾波器一般不用固定中心頻率與帶寬的并聯(lián)濾波器組來實現(xiàn)，而是通過中心頻率可調(diào)的掃描式帶通濾波器來實現(xiàn)。,恒帶寬濾波器在所有頻段都具有良好的頻率分辨力。,2中心頻率可調(diào)式,掃描式頻率分析儀采用一個中心頻率可調(diào)的帶通濾波器，通過改變中心頻率使該濾波器的通帶跟隨所要分析的信號頻率范圍要求來變化。,中心頻率的調(diào)節(jié)方式可以是手動調(diào)節(jié)或外信號調(diào)節(jié)。,調(diào)節(jié)中心頻率的信號可由一個鋸齒波發(fā)生器來產(chǎn)生，用一個線性升高的電壓來控制中心頻率的連續(xù)變化。,由于濾波器的建立需要一定的時間，尤其是在濾波器帶寬很窄的情況，建立時間愈長，所以掃頻速度不能過快。,這種形式的分析儀也采用恒帶寬比的帶通濾波器。如B&K

27、公司的1621型頻譜分析儀，將總分析頻率范圍從02Hz20kHz分成五段： 022Hz； 220Hz； 20200Hz； 200Hz2kHz； 220kHz。 每一段中的中心頻率可調(diào)。,在信號頻譜分析中常用的中心頻率可變的濾波方法還有相關(guān)濾波和跟蹤濾波，其工作原理與典型應(yīng)用請參閱相關(guān)書籍。,采用中心頻率可調(diào)的帶通濾波器時，由于在調(diào)節(jié)中心頻率過程中總希望不改變或不影響濾波器的增益及Q因數(shù)等參數(shù)，因此這種濾波器中心頻率的調(diào)節(jié)范圍是有限的。,第四節(jié) 信號的放大,通常情況下，傳感器的輸出信號都很微弱，必須用放大電路放大后才便于后續(xù)處理。為了保證測量精度的要求，放大電路應(yīng)具有如下性能：,1）足夠的放大倍

28、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、低噪聲、低失調(diào)電壓和電流。,線性運(yùn)算放大器具備上述特點，因而傳感器輸出信號的放大電路都由運(yùn)算放大器所組成。,一、基本放大電路,a）反相放大器的輸入阻抗低，容易對傳感器形成負(fù)載效應(yīng)。,b）同相放大器的輸入阻抗高，但易引入共模干擾,c）差分放大器也不能提供足夠的輸入阻抗和共模抑制比。,由單個運(yùn)算放大器構(gòu)成的放大電路在傳感器信號放大中很少直接采用。一般是在基本放大電路之前串接一級射極跟隨器。串接射極跟隨器后，電路的輸入阻抗可以提高到109以上，所以射極跟隨器也常被稱為阻抗變換器。,二、儀器放大器,儀器放大器電路由3個運(yùn)算放大器組成

29、，其中A1、A2接成射極跟隨器形式，組成輸入阻抗極高的差動輸入級，在兩個射隨器之間的附加電阻RG具有提高共模抑制比的作用，A3為雙端輸入、單端輸出的輸出級，以適應(yīng)接地負(fù)載的需要，放大器的增益由電阻RG設(shè)定，典型儀器放大器的增益設(shè)置范圍從1到1000。,電路輸出電壓與差動輸入電壓之間的關(guān)系,若選取R1=R2=R3=R4=R5=R6=10k，RG=100，即可構(gòu)成一個放大倍數(shù)為G=201倍的高輸入阻抗、高共模抑制比的放大器。,典型儀器放大器的共模抑制比可以達(dá)到130dB以上，輸入阻抗可以達(dá)到109以上，電路增益可以達(dá)到1000。,美國BB公司推出的 INA114是個低成本的普通儀用放大器，在一般應(yīng)

30、用時，只需外接一只普通電阻就可得到任意增益，可廣泛用于電橋放大器、熱電偶測量放大器及數(shù)據(jù)采集放大器等場合。,拾音傳感器輸入放大器：R1與R2一般取47k。若傳感器M內(nèi)阻過高時，R1與R2可取100k左右。增益的選擇不宜太高，一般設(shè)計在100倍以內(nèi)為宜。,熱電偶信號的放大電路：對于測量點T過遠(yuǎn)時，應(yīng)增加輸入低通濾波電路，以免因噪聲電壓損壞器件。增益的確定要根據(jù)具體所選熱電偶的類型而定。,美國AD公司推出的AD522 是精密集成放大器，非線性失真小、共模抑制比高、低漂移和低噪聲，非常適合對微弱信號進(jìn)行放大。,由儀器放大器AD522構(gòu)成的電橋放大電路,三、可編程增益放大器,通過計算機(jī)編程來改變增益的

31、放大器稱為可編程增益放大器。,可編程增益放大器基本原理,用一組電子開關(guān)和一個電阻網(wǎng)絡(luò)相配合來改變放大器的外接電阻值，以此達(dá)到改變放大器增益的目的。用戶可用運(yùn)算放大器、模擬開關(guān)、電阻網(wǎng)絡(luò)和譯碼器組成形式不同、性能各異的可編程增益放大器。,如果使用片內(nèi)帶有電阻網(wǎng)絡(luò)的單片集成放大器，則可省去外加的電阻網(wǎng)絡(luò)，直接與合適的模擬開關(guān)、譯碼器配合構(gòu)成實用的可編程增益放大器。將運(yùn)算放大器、電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)以及譯碼器等電路集成到一塊芯片上，則構(gòu)成集成可編程增益放大器，如美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的LH0084就是其中的一種。,電子開關(guān)通過一個2-4譯碼器控制，當(dāng)來自計算機(jī)IO口的x1、x2為00、01、10、11

32、時，S1、S2、S3、S4分別閉合，電阻網(wǎng)絡(luò)的R1、R2、R3、R4分別接入到反相放大器的輸入回路，得到4種不同的增益值。也可不用譯碼器，直接由計算機(jī)的IO口來控制y1、y2、y3、y4，得到24個不同的增益值。,第五節(jié) 測試信號的顯示與記錄,測試信號的顯示和記錄是測試系統(tǒng)不可缺少的組成部分。傳統(tǒng)的顯示和信號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)字式顯示與記錄設(shè)備已成為顯示與記錄裝置的主流。,一、信號的顯示,測試中最常用的顯示儀器有模擬示波器、數(shù)字示波器和數(shù)字存儲示波器三種類型。,1模擬示波器,模擬示波器以傳統(tǒng)的陰極射線管示波器為代表。,通用