《機械工程測試技術(shù)》配套PPT課件

《機械工程測試技術(shù)》配套PPT課件,機械工程測試技術(shù),機械工程,測試,技術(shù),配套,PPT,課件 1第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*1第四章第四章 信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄Signal Condition,Process and Record4.1電橋電橋(BridgeCircuit)4.2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)(ModulationandDemodulation)4.3濾波器濾波器(WaveFilter)4.5信號的顯示和記錄裝置信號的顯示和記錄裝置(IndicationandRecordEquipmentsofSignal)4.4信號的放大信號的放大(amplifier)2第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*4.1 4.1 電電 橋橋(BridgeCircuit)將電阻、電感、電容等將電阻、電感、電容等參量參量的變化變?yōu)榈淖兓優(yōu)殡妷弘妷夯蚧螂娏麟娏鬏敵龅囊环N測量電路。輸出的一種測量電路。按照激勵電壓的性質(zhì)，分為按照激勵電壓的性質(zhì)，分為直流直流電橋電橋和和交流電橋交流電橋；按；按照輸出方式，分為照輸出方式，分為不平衡橋式電路不平衡橋式電路和和平衡橋式電路。平衡橋式電路。電橋電橋:分類分類:3第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*(2)(2)電橋的平衡條件電橋的平衡條件(1)(1)電橋輸出電壓電橋輸出電壓R1R3R4R2uoI1I2abdc（4 42 2）（4 40 0）Ui1、直流電橋（4 41 1）4第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*直流電橋的連接方式直流電橋的連接方式(a)(a)半橋單臂半橋單臂 (b)(b)半橋雙臂半橋雙臂 (c)(c)全橋全橋 R3R4R2uoI1I2abdcR3R4uoI1I2abdcuoI1I2abdc11RRD11RRD22RRDm11RRD22RRDm44RRDm33RRD342u1234u12u1211RRD11RRD22RRDm11RRD22RRDm44RRDm33RRD跟據(jù)電阻值的變化電橋又可分為：UiUiUi5第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*對應(yīng)變片測對應(yīng)變片測量電路量電路VR1R2R4R3bdcaUiUi令：（1 1）半）半橋單臂臂連接形式接形式（4-5）（4-4）（4-1）6第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*（2 2）半半橋雙雙臂臂連接接形形式式：工工作作時有有兩兩個個橋臂臂電阻阻值隨隨被被測量量而而變化化，即即：R R1 1R R1 1，R R2 R2 2，則由由式式（4-3）可可證明明，當(dāng)當(dāng)R R1 1=R2 2=R0，R1 1R2 2R，R R3 3=R4 4=R0，則電橋輸出出（4-6）7第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*（3 3）全）全橋連接法接法：四個：四個橋臂的阻臂的阻值均隨被均隨被測量而量而變化，即：化，即：當(dāng)當(dāng)R R1 1=R2 2=R3 3=R4 4=R0 0,且且R R1 1=R2 2=R3 3=R4 4=R，輸出出為：結(jié)論：式（式（4-5）、（）、（4-6）、（）、（4-7）表明，）表明，電橋的的輸出出電壓與激勵與激勵電壓成正比，但比例系數(shù)不同。成正比，但比例系數(shù)不同。（4-7）8第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*半橋單臂接法半橋單臂接法最大輸出最大輸出:半橋雙臂接法半橋雙臂接法最大輸出最大輸出:全橋接法全橋接法最大輸出最大輸出:實際使用中，為了簡化橋路設(shè)計，同時也為了得到電橋的實際使用中，為了簡化橋路設(shè)計，同時也為了得到電橋的最最大大靈敏度靈敏度，往往取橋臂電阻相等，即，往往取橋臂電阻相等，即9第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*則三種接法的則三種接法的靈敏度靈敏度比分別比分別為為1：2：4。注意：注意：相鄰兩臂電阻增量符號相反；相鄰兩臂電阻增量符號相反；相對兩臂電阻增量符號相同。相對兩臂電阻增量符號相同。10第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*如相鄰兩橋臂電阻如相鄰兩橋臂電阻同時同時變化，所產(chǎn)生的輸出電壓的變化相互變化，所產(chǎn)生的輸出電壓的變化相互抵消抵消如相鄰兩橋臂電阻如相鄰兩橋臂電阻反相反相變化，所產(chǎn)生的輸出電壓的變化相互變化，所產(chǎn)生的輸出電壓的變化相互迭加迭加直流直流電橋的的和差特性和差特性：（4-11）11第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*直流直流電橋的的計算：算：可得：由第三章金屬絲應(yīng)變片：金屬絲應(yīng)變片：12第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*FR1R2R1R1R3R2R4eyex如如圖圖所所示示，懸懸臂臂梁梁受受力力F F作作用用，要要求求出出F F，并并且且要要考考慮慮溫溫度度的影響。試畫出應(yīng)變片的粘貼位置與電橋的連接方式圖。的影響。試畫出應(yīng)變片的粘貼位置與電橋的連接方式圖。F13第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*解解:力力F F使懸臂梁產(chǎn)生純彎曲變形，溫度使梁產(chǎn)生拉伸變形使懸臂梁產(chǎn)生純彎曲變形，溫度使梁產(chǎn)生拉伸變形F14第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*R1R3R2R4eyexFR1R2R115第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*如果上述測試靈敏度不夠如果上述測試靈敏度不夠,怎么辦怎么辦?改成全橋。改成全橋。R1R3R2R4eyexFR1,3R2,4R1R3靈敏度是半橋接法的靈敏度是半橋接法的2倍。倍。16第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*作業(yè)：作業(yè)：1、P152 4-1：以阻值R=120，靈敏度S=2的電阻絲應(yīng)變片與阻值為 R=120的固定電阻組成電橋，供橋電壓為3 V，并假定負載為無窮大，當(dāng)應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)?和2000試，分別求出單臂、雙臂電橋的輸出電壓，并比較兩種情況下的靈敏度。（：微應(yīng)變，即10-6 ）2 2、P1524-2P1524-217第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*例、某等截面梁（泊松比為0.3）受單向拉力F作用，將靈敏系數(shù)為2.4的四個應(yīng)變片粘貼在梁上，如下圖所示。(1)請利用粘貼的四片應(yīng)變片組成全橋（繪制電橋圖），實現(xiàn)拉力F的測量。(4分)(2)若供橋電壓為8V，應(yīng)變片R1和R3產(chǎn)生應(yīng)變?yōu)?=3=150（1110-6），問電橋輸出電壓是多少？(6分)解：(1)為了測量力F大小，測試電橋應(yīng)如圖所示連接：(2)設(shè)R1、R2、R3、R4應(yīng)變分別為1，2，3，4。因為泊松比=0.3，徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變間的關(guān)系為徑向應(yīng)變與軸向應(yīng)變間的關(guān)系為故R2、R4的應(yīng)變2=4=-118第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*靈敏系數(shù)為2.4，泊松比=0.3，1=3=15019第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*2.2.交流電橋交流電橋 當(dāng)輸入電源為交流電源時，電橋的四臂可以是電阻、電感當(dāng)輸入電源為交流電源時，電橋的四臂可以是電阻、電感或電容，此時電橋的四臂用阻抗或電容，此時電橋的四臂用阻抗Z1Z4表示。表示。把電容、電感寫成矢量形式時，電橋平衡條件式可改寫為把電容、電感寫成矢量形式時，電橋平衡條件式可改寫為寫成復(fù)指數(shù)形式寫成復(fù)指數(shù)形式 電橋平衡條件為電橋平衡條件為(1)電橋平衡條件電橋平衡條件20第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*此式成立的條件為等式兩邊阻抗的模、阻抗角相等，即此式成立的條件為等式兩邊阻抗的模、阻抗角相等，即 因此，因此，交流電橋需要兩只旋鈕調(diào)平衡交流電橋需要兩只旋鈕調(diào)平衡，一只用于調(diào)整阻抗，一只用于調(diào)整阻抗的的模模，一只用于調(diào)整阻抗，一只用于調(diào)整阻抗角角。交流電橋有不同的組合，常用的有交流電橋有不同的組合，常用的有電容電容、電感電感電橋，其電橋，其相相鄰兩臂接入電阻鄰兩臂接入電阻，而，而另外兩臂接入相同性質(zhì)的阻抗另外兩臂接入相同性質(zhì)的阻抗，例如，例如都是電容或電感。都是電容或電感。21第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*交流電橋圖交流電橋圖1)電容電橋的平衡條件電容電橋的平衡條件 cdbR3aR1uouiI1I2R4R2C1C2(a)電容電橋電容電橋cdbR3aR1uouiI1I2R4R2L1L2(b)電感電橋電感電橋22第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*2)電感電橋的平衡條件電感電橋的平衡條件cdbR3aR1uouiI1I2R4R2L1L2電感電橋電感電橋23第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*3)具有電阻、電容平衡的交流電阻電橋具有電阻、電容平衡的交流電阻電橋調(diào)電阻平衡調(diào)電阻平衡調(diào)電容平衡調(diào)電容平衡24第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*n交流電橋的平衡條件針對交流電橋的平衡條件針對供橋電源只有一個頻率供橋電源只有一個頻率的情況下的情況下推出的。推出的。n當(dāng)當(dāng)供橋電源有多個頻率成分時，得不到平衡條件供橋電源有多個頻率成分時，得不到平衡條件，也即電，也即電橋是不平衡的。橋是不平衡的。n因此，因此，交流電橋?qū)螂娫匆缶哂辛己玫碾妷翰ㄐ魏皖l交流電橋?qū)螂娫匆缶哂辛己玫碾妷翰ㄐ魏皖l率穩(wěn)定性。率穩(wěn)定性。n采用交流電橋時，還要注意影響測量誤差的一些參數(shù)，如：采用交流電橋時，還要注意影響測量誤差的一些參數(shù)，如：n電橋中元件之間的電橋中元件之間的互感互感影響；影響；n無感電阻的無感電阻的殘余電抗殘余電抗；n鄰近交流電路對電橋的感應(yīng)作用；鄰近交流電路對電橋的感應(yīng)作用；n泄漏電阻以及元件之間、元件與地之間的分布電容等。泄漏電阻以及元件之間、元件與地之間的分布電容等。(2)交流電橋的特點交流電橋的特點25第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*4.44.4 信號的放大信號的放大 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算放大器所組成，本節(jié)介紹幾種常用的運算放大器電路。26第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*分類放大器直流放大器交流放大器電荷放大器直流電橋特點交流電橋低頻保留，高頻截止高頻保留，低頻截止激勵電源為直流源激勵電源為交流源壓電式傳感器專用27第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*二、運放式信號放大器二、運放式信號放大器1 1、理想運算放大器及其特性、理想運算放大器及其特性 差模增益：差模增益：K Kd d=；共模增益：共模增益：K Kc c=0=0；輸入電阻：輸入電阻：r ri i=；輸出電阻：輸出電阻：r ro o=0=0；帶帶 寬：寬：0 0 ；共模抑制比：共模抑制比：CMRR=CMRR=一、分立元件的放大器設(shè)計（前置、主放、功放）一、分立元件的放大器設(shè)計（前置、主放、功放）4.4 4.4 信號的放大信號的放大28第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*2 2、失調(diào)、失調(diào) 1 1）輸輸入入失失調(diào)調(diào)電電壓壓、輸輸出出失失調(diào)調(diào)電電壓壓：運放輸入失調(diào)電壓是指輸入信號為零時，輸出端出現(xiàn)的電壓，將所有失調(diào)電壓和由偏置電流誤差導(dǎo)致的失調(diào)電壓折算至運算放大器的輸入(RTI)或輸出(RTO)2 2）輸入失調(diào)電壓的調(diào)整）輸入失調(diào)電壓的調(diào)整 ：+-uiRsuoRfR1RwRp-Vc反相端調(diào)整反相端調(diào)整+VcRf+-uiRsuoR2R3Rc-Vc+Vc同相端調(diào)整同相端調(diào)整4.2 4.2 信號放大器信號放大器 29第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*1、反相放大器三、典型直流放大器uo+-uiRsRfRpK一般情況?。阂话闱闆r?。?0第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*2 2、同相放大器、同相放大器+-uiuoR5R1電壓跟隨器+-uiRsuoRfRpK K為開環(huán)增益，所以為開環(huán)增益，所以31第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*3 3 3 3、交流放大器、交流放大器、交流放大器、交流放大器 C C1 1：隔直電容，：隔直電容，R Ri i=R R1 1 ，R Rp p=R Rf f 。欲提高欲提高R Ri i必須提高必須提高R R1 1，否則無法使放大倍數(shù)恒定，所以，否則無法使放大倍數(shù)恒定，所以 ，當(dāng)，當(dāng)R Rp p大于大于1M1M時時，就會產(chǎn)生自激振蕩，所以在就會產(chǎn)生自激振蕩，所以在R Rp p旁路并電容旁路并電容C Cp p 。一般。一般取取 。對于同相放大器，對于同相放大器，R Rp p必須接地，以給必須接地，以給C C1 1放電，放電，否則放大器無法否則放大器無法工作工作。但但R Ri i=R Rp p，無法滿足，無法滿足同相放大器同相放大器高輸入阻抗的特點。高輸入阻抗的特點。+-uiR1uoRfRp反相交流CpC1+-uiR1uoRfRp同相交流C132第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*4 4 4 4、差動放大器、差動放大器、差動放大器、差動放大器+-uiR1uoRfRpR2 把把二二個個輸輸入入信信號號分分別別送送到到放放大大器器的的兩兩個個輸輸入入端端，取取兩兩個個信信號號的的差差模模成成分分而而盡盡量量抑抑制制共共模模成成分分差差動放大器。動放大器。33第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*差模差模共模共模+-R1uoRfRpR2+-+-ucud/2ud/234第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*對對于于理理想想放放大大器器，差差模模輸輸入入電電阻阻為為無無窮窮大大。信信號號源源電電流流不不流流入放大器，兩輸入端電位差為零?？赏茖?dǎo)出：入放大器，兩輸入端電位差為零?？赏茖?dǎo)出：若只有共模信號輸入，滿足上述條件時，若只有共模信號輸入，滿足上述條件時，輸出無共模成分。輸出無共模成分。則，則，共模抑制比：共模抑制比：這種電路輸入阻抗低，這種電路輸入阻抗低，增益調(diào)節(jié)困難。增益調(diào)節(jié)困難。若，若，35第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*5 5、增益調(diào)節(jié)電路、增益調(diào)節(jié)電路 差模輸入：差模輸入：當(dāng)當(dāng) 時時 ，所以所以改變改變 R Rw w可調(diào)整增益，且不改變可調(diào)整增益，且不改變CMRRCMRR。+-ui1Rf2+-ui2uouo2Rf1uo1RwIC1IC2差模輸出差模輸出 ：共模輸出共模輸出 ：36第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*36 圖示出一種在小信號放大中廣泛使用的儀器放大器電路，它由三個運算放大器組成。37第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*3A2A-NIN負載負載(外接外接)外接地外接地TUOV16K16K16K16K24816326412825680K26.67K11.43K5.33K2.58K1.27K314630-+1AIV+(b)可可變增益放大器增益放大器圖圖4-6 前置放大器前置放大器 38第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*38 INA114是一個低成本的普通放大器。其電路結(jié)構(gòu)與基本接法如圖2所示。圖239第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*目的 解決微弱緩變信號的放大以及信號的傳輸問題。調(diào)制解調(diào)4.3調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào) (ModulationandDemodulation)40第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*先將微弱的緩變信號加載到高頻交流信號中去，然后利用交流放大器進行放大，最后再從放大器的輸出信號中取出放大了的緩變信號。例：交流電橋VeVR1R3R2R4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。41第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*信號調(diào)制信號x(t)0t載波信號z(t)0t42第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*a)幅值調(diào)制(AM)b)頻率調(diào)制(FM)c)相位調(diào)制(PM)y(t)的幅值隨x(t)變化而變化 y(t)的頻率隨x(t)變化而變化 y(t)的相位隨x(t)變化而變化調(diào)制類型43第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*一、幅值調(diào)制與解調(diào) 調(diào)幅是將一個高頻正弦信號（或稱載波）與測試信號相乘，使載波信號幅值隨測試信號的變化而變化。緩變信號調(diào)制高頻信號放大放大高頻信號解調(diào)放大緩變信號44第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*幅度調(diào)制與解調(diào)過程（波形分析）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)乘法器濾波器z(t)x(t)45第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*幅度調(diào)制與解調(diào)過程（數(shù)學(xué)分析）乘法器放大器乘法器濾波器x(t)z(t)xm(t)z(t)x(t)46第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*幅度調(diào)制與解調(diào)過程（頻譜分析）乘法器放大器乘法器濾波器x(t)xm(t)z(t)x(t)X(f)Z(f)Z(f)X(f)低通濾波器Xm(f)-fzfz-2fz2fz-fzfz-fzfzX(f)47第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*重疊失真：調(diào)幅波是由一對每邊為 頻寬為fm 的雙邊帶信號組成。當(dāng)載波頻率 fz 較低時，正頻端的下邊帶將與負頻端的上邊帶相重疊。要求:fz fm fm48第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*二、調(diào)幅信號的解調(diào)方法：(1)同步解調(diào)同步解調(diào) 上述調(diào)制方法，將信號 x(t)直接與載波 z(t)相乘。這種調(diào)幅波具有極性變化，解調(diào)時必須再乘與 z(t)相位相同的 z(t)方能復(fù)原出原信號，故稱同步解調(diào)。它要求有性能良好的線性乘法器，否則會引起信號失真。49第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*(2)包絡(luò)檢波（整流檢波）若對信號 x(t)進行偏置，疊加一個直流分量 D，使偏置后的信號都具有正電壓。50第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*調(diào)幅51第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*解調(diào)二極管檢波低通濾波52第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*調(diào)幅波的波形失真上述方法的關(guān)鍵是準確地加、減偏置電壓。若所加的偏置電壓未能使信號電壓都位于零位的同一側(cè)，x(t)的相位將發(fā)生180那么對調(diào)幅之后的波形只進行簡單的整流濾波便不能恢復(fù)原調(diào)制信號，而會造成很大過調(diào)失真。53第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*(3)相敏檢波（整流檢波）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。54第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*相敏檢波電路+-相敏檢波器設(shè)計時要求相敏檢波器設(shè)計時要求B的二次邊的輸出大于的二次邊的輸出大于A的二次邊輸出。的二次邊輸出。BA55第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*若y(t)0，則VD1通：d1VD1 25R1地dVD1 或VD3通若y(t)0時+HL-L-H-HL-LH注意：y(t)的振幅大于xm(t)的振幅56第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*若y(t)0，則VD2通：52VD23d地R15若y(t)0，則VD4通：54VD41d 地 R15 調(diào)幅信號x(t)0時VD2 或VD4通+注意：y(t)的振幅大于xm(t)的振幅57第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*4)調(diào)幅應(yīng)用調(diào)幅應(yīng)用動態(tài)電阻應(yīng)變儀動態(tài)電阻應(yīng)變儀 電橋電橋放大器放大器相敏檢波相敏檢波低通濾波低通濾波顯示記錄顯示記錄載波振蕩器載波振蕩器x(t)x(t)0t0ty(t)電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片0txm(t)0tx(t)0txm(t)58第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*(1)(1)原理原理利用調(diào)制信號的幅值控制載波信號頻率的過程。調(diào)頻波是利用調(diào)制信號的幅值控制載波信號頻率的過程。調(diào)頻波是等幅波等幅波，但，但頻率的變化量頻率的變化量與與調(diào)制信號幅值成正比調(diào)制信號幅值成正比。調(diào)頻波的瞬時頻率可表示為調(diào)頻波的瞬時頻率可表示為 f=f0+f=f0+K x(t)f0為載波頻率，也稱為載波頻率，也稱中心頻率中心頻率。f 為為頻率偏移頻率偏移，與，與調(diào)制信號調(diào)制信號x(t)幅值成正比幅值成正比。二、頻率調(diào)制 59第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*調(diào)頻波與調(diào)制信號幅值的關(guān)系圖調(diào)頻波與調(diào)制信號幅值的關(guān)系圖 60第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*二、頻率調(diào)制 調(diào)頻是利用信號x(t)的幅值調(diào)制載波的頻率，或者說，調(diào)頻波是一種隨信號x(t)的電壓幅值而變化的疏密度不同的等幅波?；蛘咻d波：載波的瞬時頻率：調(diào)頻信號：61第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*實現(xiàn)信號的調(diào)頻和解調(diào)的方法甚多。在測量系統(tǒng)中，實現(xiàn)信號的調(diào)頻和解調(diào)的方法甚多。在測量系統(tǒng)中，常利用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）作為傳感器參量傳感器參量，以它，以它感受被測量的變化感受被測量的變化，作為，作為調(diào)制信號的輸入調(diào)制信號的輸入，振蕩器原有的信號振蕩信號作為載波振蕩器原有的信號振蕩信號作為載波。當(dāng)有調(diào)制信號輸入時，。當(dāng)有調(diào)制信號輸入時，振蕩器輸出即為被調(diào)制了的調(diào)頻波振蕩器輸出即為被調(diào)制了的調(diào)頻波。當(dāng)電容。當(dāng)電容C C和電感和電感L L并聯(lián)并聯(lián)組成振蕩器的諧振回路時，電路的諧振頻率將為：組成振蕩器的諧振回路時，電路的諧振頻率將為：62第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*(2)調(diào)頻調(diào)頻波的解波的解調(diào)調(diào)調(diào)頻波是以正弦波頻率的變化來反映被測信號的調(diào)頻波是以正弦波頻率的變化來反映被測信號的幅值變化。幅值變化。調(diào)頻波的解調(diào)由調(diào)頻波的解調(diào)由鑒頻器鑒頻器完成。鑒頻器通常由線性變完成。鑒頻器通常由線性變換電路與幅值檢波電路組成。先將換電路與幅值檢波電路組成。先將調(diào)頻波變換成調(diào)調(diào)頻波變換成調(diào)頻調(diào)幅波頻調(diào)幅波，然后進行幅值檢波。，然后進行幅值檢波。63第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*(a)鑒頻器鑒頻器(b)頻率頻率-電壓特性曲線電壓特性曲線ufC1L1L2C2CRu0ua頻率電壓線性變換部分頻率電壓線性變換部分幅值檢波幅值檢波ua0 n0ttua0uat0 調(diào)頻信號的解調(diào)亦稱鑒頻，一般采用鑒頻器和鎖相環(huán)解調(diào)器。前者結(jié)構(gòu)簡單，在測試技術(shù)中常被使用，而后者解調(diào)性能優(yōu)良，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般用于要求較高的場合，如通信機等。此處只介紹鑒頻器解調(diào)。3.調(diào)頻信號的解調(diào)64第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*優(yōu)點：抗干擾能力強。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20倍；調(diào)頻系統(tǒng)較之調(diào)幅系統(tǒng)復(fù)雜，因為頻率調(diào)制是一種非線性調(diào)制。因為調(diào)頻信號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要表現(xiàn)在振幅之中。缺點：占頻帶寬度大，復(fù)雜65第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*4.3 4.3 濾波器濾波器(WaveFilter)濾波器是一種選頻裝置，它只允許一定頻帶范圍的信號濾波器是一種選頻裝置，它只允許一定頻帶范圍的信號通過，同時極大地衰減其他頻率成分。通過，同時極大地衰減其他頻率成分。濾波器的這種篩選功能在測試技術(shù)中可以起到消除噪聲、濾波器的這種篩選功能在測試技術(shù)中可以起到消除噪聲、干擾信號等作用，在自動檢測、自動控制、信號處理等干擾信號等作用，在自動檢測、自動控制、信號處理等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。66第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*1.1.濾波器的分類濾波器的分類低通濾波器：低通濾波器：通頻帶通頻帶0f2。高通濾波器：通頻帶高通濾波器：通頻帶f1 帶通濾波器：通頻帶帶通濾波器：通頻帶f1f2帶阻濾波器：通頻帶帶阻濾波器：通頻帶0f3與與f4（阻帶：（阻帶：f3f4）(1)(1)根據(jù)濾波器的選頻特性分類根據(jù)濾波器的選頻特性分類高通濾波器幅頻特性高通濾波器幅頻特性=1-低通濾波器幅頻特性低通濾波器幅頻特性帶阻濾波器是高通和低通的組合帶阻濾波器是高通和低通的組合67第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*(2)(2)根據(jù)濾波器的元件類型分類根據(jù)濾波器的元件類型分類RC、LC、晶體諧振及開關(guān)電容濾波器、晶體諧振及開關(guān)電容濾波器。(3)(3)根據(jù)濾波器的電路性質(zhì)分類根據(jù)濾波器的電路性質(zhì)分類有源、無源濾波器。有源、無源濾波器。(4)(4)根據(jù)濾波器的信號性質(zhì)分類根據(jù)濾波器的信號性質(zhì)分類模擬、數(shù)字濾波器。模擬、數(shù)字濾波器。68第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*濾波器的串/并聯(lián) 低通和高通濾波器是濾波器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型的濾波器。低通和高通濾波器的串聯(lián)成為帶通濾波器LPF HPF低通和高通濾波器的并聯(lián)成為帶阻濾波器LPFHPF69第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*1.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。fj(f)-fcfc以理想的低通濾波器為例，其特性為-fc|H(f)|fcf0二、濾波器性能分析70第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*理想濾波器的物理不可實現(xiàn) 理想濾波器在時域內(nèi)的脈沖響應(yīng)函數(shù) h(t)為 sinc函數(shù)。脈沖響應(yīng)的波形沿橫坐標(biāo)左、右無限延伸。給理想濾波器一個脈沖激勵，在 t=0 時刻單位脈沖輸入濾波器之前，濾波器就已經(jīng)有響應(yīng)了。故為物理不可實現(xiàn)。fcH(f)71第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*2.實際濾波器的特征參數(shù) 理想濾波器是不存在的，實際濾波器幅頻特性中通帶和阻帶間沒有嚴格界限,，存在過渡帶。0fA72第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*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。0ffc1fc2A00.707A0(1)截止頻率fc：0.707A0 所對應(yīng)的頻率。(3)紋波幅度d：通帶中幅頻特性值的起伏變化值。(4)品質(zhì)因子Q：中心頻率和帶寬之比。BQ=f0/B2d(2)帶寬B：上下兩截止頻率之間的頻率范圍。B=fc2-fc1f0d 值應(yīng)越小越好Q 越大，則相對帶寬越小，濾波器的選擇性越好。73第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*從阻帶到通帶或從通帶到阻帶，實際濾波器有一個過渡帶，過渡帶的曲線傾斜度代表著幅頻特性衰減的快慢程度，通常用倍頻程選擇性來表征。倍頻程衰減量以dB或dB/oct表示(Octave，倍頻程)。衰減越快（即W值越大），濾波器的選擇性越好?；?指在上截止頻率 fc2 與 2fc2 之間或下截止頻率 fc1與 fc1/2 之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個倍頻程時的衰減量。(5)倍頻程選擇性W74第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*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（見上圖），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?；?5第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*定義為濾波器幅頻特性的-60dB帶寬與-3dB帶寬的比，即對理想濾波器有 l=1。對普通使用的濾波器，l 一般為1 5。(6)濾波器因數(shù)(矩形系數(shù))l76第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*三、實際濾波電路 在測試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因為RC濾波器電路簡單，抗干擾強，有較好的低頻性能，并且選用標(biāo)準阻容元件。RCui+uoRCui+uoRC無源濾波器：低通濾波器高通濾波器77第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*1)一階RC低通濾波器 RCui+uo78第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*RCui+uo2)一階RC高通濾波器 79第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*3)RC帶通濾波器 可以看作為高通濾波器和低通濾波器的串聯(lián) 80第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*帶通帶阻81第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*R1C1C2ui+uoR2+帶通濾波器(圖4-26）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（見上圖），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。或82第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*電感和電容一起使用可以使濾波器的諧振特性相對于一階RC電路產(chǎn)生較為陡峭的濾波器邊緣。圖4-28中給出了一些此類濾波器的構(gòu)成方法。83第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*通過采用多個RC環(huán)節(jié)或LC環(huán)節(jié)級聯(lián)的方式(見圖4-29)，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。84第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*這是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。但必須注意到，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。85第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*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。目前市場上己有高性能的高階有源濾波器出售。86第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*4.44.4 信號的指示和記錄裝置信號的指示和記錄裝置 (IndicationandRecordEquipmentsofSignal)信號指示與記錄裝置是測試系統(tǒng)的最后一個環(huán)節(jié)，也是進信號指示與記錄裝置是測試系統(tǒng)的最后一個環(huán)節(jié)，也是進一步了解、分析和研究測量結(jié)果的重要環(huán)節(jié)。一步了解、分析和研究測量結(jié)果的重要環(huán)節(jié)。選擇指示與記錄裝置，首先關(guān)心的是其響應(yīng)能力，即能否選擇指示與記錄裝置，首先關(guān)心的是其響應(yīng)能力，即能否正確地跟蹤測量信號的變化，并把它如實的記錄下來（隨正確地跟蹤測量信號的變化，并把它如實的記錄下來（隨動系統(tǒng)）。動系統(tǒng)）。通常把記錄裝置對正弦信號的響應(yīng)能力稱為記錄裝置的頻率通常把記錄裝置對正弦信號的響應(yīng)能力稱為記錄裝置的頻率響應(yīng)特性，它決定了記錄裝置的工作頻率范圍。響應(yīng)特性，它決定了記錄裝置的工作頻率范圍。87第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*88第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*1.1.磁光盤記錄器磁光盤記錄器 信號的指示和記錄裝置信號的指示和記錄裝置 (3/7)硬盤：硬盤：硬盤存儲器主要由磁頭、盤片、硬盤存儲器主要由磁頭、盤片、硬盤驅(qū)動器和讀硬盤驅(qū)動器和讀/寫控制電路寫控制電路組成，盤片用鋁合金或玻璃等組成，盤片用鋁合金或玻璃等材料制成，其表面涂有磁性材材料制成，其表面涂有磁性材料，硬盤存儲器根據(jù)磁頭和盤料，硬盤存儲器根據(jù)磁頭和盤片結(jié)構(gòu)的不同可以分為片結(jié)構(gòu)的不同可以分為固定磁固定磁頭硬盤頭硬盤，活動磁頭固定盤片硬活動磁頭固定盤片硬盤盤以及以及活動可換盤片硬盤活動可換盤片硬盤等幾等幾種類型。磁盤的轉(zhuǎn)速有種類型。磁盤的轉(zhuǎn)速有12000r/min、7200r/min、5400r/min等多種，并且朝著轉(zhuǎn)速等多種，并且朝著轉(zhuǎn)速越來越快的方向發(fā)展。越來越快的方向發(fā)展。89第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*90第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*信號的指示和記錄裝置信號的指示和記錄裝置 (4/7)光盤：光盤：目前常見的光盤儲存器是目前常見的光盤儲存器是CD-ROM和和DVD-ROM。又可。又可以分為以下幾種：以分為以下幾種：只讀光盤只讀光盤(CD-R)、可讀寫光盤可讀寫光盤(rewritable)。其工作原理是把被記錄信息經(jīng)過數(shù)字化處理，變成了其工作原理是把被記錄信息經(jīng)過數(shù)字化處理，變成了“0”與與“1”，其對應(yīng)在光盤上就是沿著盤面螺旋形狀信息軌道上的，其對應(yīng)在光盤上就是沿著盤面螺旋形狀信息軌道上的一系列一系列凹點凹點(pits)和和平面平面(lands)。所有的凹點都具有相同的深度和長度，其深度約為所有的凹點都具有相同的深度和長度，其深度約為0.110.13 m，寬度約為，寬度約為0.40.5 m，而激光光束能在，而激光光束能在1 s內(nèi)內(nèi)從從1 m2的面積內(nèi)獲得清晰的反射信號。根據(jù)其反射回激光的的面積內(nèi)獲得清晰的反射信號。根據(jù)其反射回激光的狀況，光盤驅(qū)動器就能將其解讀為狀況，光盤驅(qū)動器就能將其解讀為“0”或或“1”的數(shù)字編碼的數(shù)字編碼了。了。91第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*信號的指示和記錄裝置信號的指示和記錄裝置 (5/7)閃存盤：閃存盤：便攜存儲（便攜存儲（USBflashdisk），也稱為閃存盤。是采用），也稱為閃存盤。是采用USB接口和閃存（接口和閃存（flashmemory）技術(shù)結(jié)合的方便攜帶）技術(shù)結(jié)合的方便攜帶外觀精美時尚的移動存儲器，具有可多次擦寫、速度快外觀精美時尚的移動存儲器，具有可多次擦寫、速度快而且防磁、防振、防潮的優(yōu)點。而且防磁、防振、防潮的優(yōu)點。最初的閃存盤出現(xiàn)在最初的閃存盤出現(xiàn)在1999年，是由我國朗科（年，是由我國朗科（Netac）公司研發(fā)的，他們把它）公司研發(fā)的，他們把它命名叫命名叫“優(yōu)盤優(yōu)盤”。92第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*2.2.高速攝像儀高速攝像儀 信號的指示和記錄裝置信號的指示和記錄裝置濾波器濾波器(6/7)(6/7)采用小型攝像頭以及幀捕獲卡高速采集圖像以記錄快采用小型攝像頭以及幀捕獲卡高速采集圖像以記錄快速運動對象的狀態(tài)。一般地，高速攝像儀每秒可捕獲速運動對象的狀態(tài)。一般地，高速攝像儀每秒可捕獲500幀幀(即即500fps)以上的高分辨率圖像，并且在降低分辨率的情以上的高分辨率圖像，并且在降低分辨率的情況下提高捕獲圖像的幀數(shù)，如某臺高速攝像儀在降低分辨況下提高捕獲圖像的幀數(shù)，如某臺高速攝像儀在降低分辨率的情況下可達到率的情況下可達到16000fps。高速攝像儀把高速數(shù)字攝影、控制軟件和強大的分析高速攝像儀把高速數(shù)字攝影、控制軟件和強大的分析功能與功能與PC結(jié)合，提供一個完整的高速攝像視頻系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)合，提供一個完整的高速攝像視頻系統(tǒng)。系統(tǒng)具有完善的功能和靈活性，能滿足多樣運動分析的需求。具有完善的功能和靈活性，能滿足多樣運動分析的需求。用于工業(yè)測試、體育、汽車工業(yè)、自動化生產(chǎn)線檢測、軍用于工業(yè)測試、體育、汽車工業(yè)、自動化生產(chǎn)線檢測、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域的各類高速數(shù)字攝影系統(tǒng)。事、醫(yī)療等領(lǐng)域的各類高速數(shù)字攝影系統(tǒng)。93第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*3.3.數(shù)字波形存儲記錄儀數(shù)字波形存儲記錄儀 模擬信號模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)值信號值信號數(shù)值數(shù)值信號信號轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)換為模模擬擬信號信號信號的指示和記錄裝置信號的指示和記錄裝置 (7/7)(7/7)輸入的被測信號先經(jīng)衰減器、放大器變換為符合輸入的被測信號先經(jīng)衰減器、放大器變換為符合A/D變換器變換器輸入范圍的信號，經(jīng)輸入范圍的信號，經(jīng)A/D變換器進行取樣、量化、編碼，成變換器進行取樣、量化、編碼，成為數(shù)字碼，存儲到為數(shù)字碼，存儲到RAM中實現(xiàn)被測信號的數(shù)字化存儲，數(shù)中實現(xiàn)被測信號的數(shù)字化存儲，數(shù)字化存儲的信號通過顯示驅(qū)動顯示在顯示屏上。字化存儲的信號通過顯示驅(qū)動顯示在顯示屏上。94第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*第四章 信號的調(diào)理與記錄學(xué)習(xí)要求：1.了解模擬信號放大電路原理 2.掌握調(diào)制與解調(diào)的基本原理 3.了解濾波器的工作原理，掌握濾波器 的分類、基本參數(shù)和基本特性95第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*第四章作業(yè)：P152-1534.1 4.2 4.4 4.54.6 4.8 4.9 4.1196第四章第四章信號的調(diào)理與記錄信號的調(diào)理與記錄*卷卷積特性特性 證明：證明：函數(shù)函數(shù)x(t)與與y(t)的卷積定義為的卷積定義為信號的描述信號的描述同理可得同理可得