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1、武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,1,第五章 信号变换及调理,50 变换及调理的目的 5.1 电桥 5.2 信号的调制解调 5.3 信号的滤波器,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,2,6.0 变换与调理的目的,便于信号的传输与处理。,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,3,6.1 电 桥,电桥,a 、c两端接电源Ui，称供桥
2、端；,b、d两端接输出电压Uo，称输出端。,将电阻R(应变片)、电感L、电容C等电参数变为电压U或电流I信号后输出的一种测量电路。,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,4,电桥,根据桥臂阻抗性质的不同为 :,电阻电桥,电容电桥,电感电桥,根据供桥电源分为 :,直流电桥: 采用直流电源只用于测量电阻R的变化,交流电桥：采用交流电源测量电阻R 、电容C 、电感L的变化,1. 电桥的分类,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理
3、,5,2. 直流电桥,四个桥臂由电阻R1、R2、R3和R4组成。,采用直流电源的电桥称为直流电桥,直流电桥,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,6,直流电桥,当电桥输出端接入仪表或放大器时，电桥输出端可视为开路状态，电流输出为零。,此时，桥路电流为：,a、b之间电位差为：,a、d之间电位差为：,电桥输出电压为：,+,返回,平衡条件,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,7,平衡条件,R1R3=R2R4,直流电桥,电桥的
4、输出：,平衡的条件：,推导,温敏电阻,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,8,为了简化设计，R2=R3=R4=R0 ，而 R1=R0+ R,直流电桥,R0R,U0U,U,电桥的灵敏度定义为,半臂单臂平衡条件,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,9,两片,半桥、双臂输出,当R1 R1R1，R2 R2 R2 时，,由于，R1=R2=R3=R4=R0，R=R1=R2，所以,返回,半臂双臂平衡条件,武汉理工大学机电工程学院,
5、Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,10,四片,全桥、四臂输出,当R1 R1R1，R2 R2 R2 ，,由于，R1=R2=R3=R4=R0，R=R1=R2，所以,R3 R3R3，R4 R2 R4时,电桥的灵敏度定义为,返回,全桥、四臂平衡条件,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,11,单片,半桥、单臂输出,全桥、四臂输出,半桥、双臂输出,四片,两片,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技
6、术基础,第六章 信号变换及调理,12,半桥、单臂输出,全桥、四臂输出,半桥、双臂输出,统一表示：,推导,推导,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,13,常用调平衡,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,14,电桥测量的误差,非线性误差,温度误差,直流电源的电压稳定性造成的误差,半桥、单臂输出：,半桥、双臂输出：,全桥、四臂输出：,直流电桥,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technol
7、ogy,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,15,平衡条件,3.交流电桥,交流电桥,而,其中，Z1、Z2、Z3、Z4为阻抗的模，而1、2、3、4为阻抗角，是各桥臂电流与电压之间的相位差。,Z1Z3ej(1+3)=Z2Z4ej(2+4),(*),平衡条件,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,16,电容电桥,两相邻桥臂为纯电阻R2、R3，另相邻两臂为电容C1、C4,R1、R4视为电容介质损耗的等效电阻,根据平衡条件,电桥平衡条件：,返回,电容电桥,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University
8、of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,17,电感电桥,根据平衡条件,电桥平衡条件：,返回,电感电桥,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,18,声音信号,调制 Modulation,解调 Demodulation,6.2调制与解调,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,19,声音信号,利用缓变信号控制高频信号的某个参数(幅值、频率或相位)变化的过程。,已调波,1）实现缓变信号的传输，特别是远距
9、离传输,2）提高信号传输中的抗干扰能力和信噪比,1.调制的目的,音频信号,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,20,2.调制的种类,调制信号,载波信号,a) 幅值调制(简称调幅，AM，Amplitude Modulation),b) 频率调制(简称调频，FM，Frequency Modulation),c) 相位调制(简称调相，PM，Phase Modulation),缓变信号x(t),高频简谐信号,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六
10、章 信号变换及调理,21,3.幅值调制（调幅）及其解调,调幅是将一个高频简谐信号y(t)（载波信号）与缓变信号（调制信号）x(t)相乘，使载波信号y(t)的幅值随缓变信号x(t)的幅值变化而变化过程。幅值调制后的信号称为调幅波。,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,22,电阻交流电桥的幅值调制,不同接法的电桥可表示为,当R/R0=R(t)，Ui=E0cos2f0t时,U0=KR(t)E0cos2f0t,交流电桥的输出电压U0随R(t)的变化而变化，即U0的幅值受R(t)的控制，其频率为输入电压信号Ui的频
11、率，即2f0,x(t)cos2ot X()*(-o)+ X()*(+o) = X(-o)+ X(+o),全桥、四臂输出,R(t),E0cos2f0t,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,23,当R/R0=R(t)，Ui=E0cos2f0t时,U0=KR(t)E0cos2f0t,Ui=E0cos2f0t实际上载波信号,R(t)，即电桥的输入R/R0，实际上是调制信号,R(t)对载波信号E0cos2f0t进行了幅值调制,U0实际上是调幅信号,交流电桥是一个调幅器。 调幅器实际上是一个乘法器.,x(t)cos2
12、ot X()*(-o)+ X()*(+o) = X(-o)+ X(+o),武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,24,调制信号,载波信号,调幅波,(1).调幅的时域表达,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,25,假设调制信号x(t)的最高频率成分为 ，载波信号,(2).调幅的频域表达,如果,则,，则有调幅波：,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章
13、信号变换及调理,26,调制信号,载波信号,调幅波,时域,频域,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,27,音频信号,广播电台的发射塔,调幅 AM,调幅波,载波信号,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,28,对已调波进行鉴别以恢复缓变信号的过程。,调幅波,恢复所需要的缓变信号,(3).幅值解调的目的,接收,解调 Demodulation,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technolog
14、y,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,29,(4). 同步解调,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,30,同步解调,(a)调幅波频谱,(b)载波信号频谱,(c)同步解调后频谱,(d)调制信号频谱,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,31,当调制信号x(t)0时(0t1时间内)，调幅波xm(t)与载波y(t)在每一时刻都同相,1）xm(t)0，y(t) 0,2）xm(t)0，y(t)0,1,2,3,4,(5). 相
15、敏检波解调,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,32,1）xm(t)0，y(t) 0,二极管D2、D3导通,在负载上形成两个电流回路 :,回路1：e-g-f-3-c-D3-d-2-e,回路2：1-b-D2-c-3-f-g-e-1,总输出为：,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,33,2）xm(t)0，y(t)0,二极管D1、D4导通，在负载上形成两个电流回路：,回路1：e-g-f-4-a-D1-b-1-e,回路2：2
16、-d-D4-a-4-f-g-e-2,总输出为：,返回,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,34,x(t)0时(0t1)， ym(t)与y(t)同相，检波器输出uf(t)0,x(t)0时(t1t2)， ym(t)与y(t)反相，检波器输出uf(t)0,1,1,2,2,(5). 相敏检波解调,推导,相敏检波器,3,3,t1,t1,1,3,2,2,1,3,t1,t2,t2,t2,低频信号电压为正值时调频波的频率升高，负值时则降低。低频信号电压为零时，调频波的频率就等于高频信号的频率。,武汉理工大学机电工程学院,
17、Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,50,5.恒带宽、恒带宽比滤波器,实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实际滤波器中心频率f0与带宽B之间的数值关系，可以分为两种。,2) 恒宽比带通滤波器:Q值相同的邻接式滤波器,1) 恒带宽带通滤波器,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,52,带宽越窄，分辨力越高。,低频分辨力较高， 高频分辨力较低.,信号通带越宽，需要的恒带宽滤波器越多。,恒带宽滤波器：带宽为20Hz,武汉理工大学机电工程学院,Wuha
18、n University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,53,例6-2：,设有一信号是由幅值相同而频率分别为=940Hz和=1060Hz的两正弦信号合成，其频谱如图所示,(c)用1/10倍频程滤波器分析结果 (d) 用恒带宽滤波器分析结果,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,54,案例：机床轴心轨迹的滤波处理,6.滤波器的应用,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,55,案例：机床轴
19、心轨迹的滤波处理,滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,56,钢管无损探伤实验,滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警,武汉理工大学机电工程学院,Wuhan University of Technology,测试技术基础,第六章 信号变换及调理,57,品质因素Q,相同Q值，中心频率n越大 ，带宽B越大 这样的滤波器为恒带宽比滤波器,带通滤波器,低端截止频率为c1，高端截止频率为c2,c2=2n c1,(1),(2),(3),(4),(5),返回,恒带宽比滤波器,