机械工程测试技术第四章.ppt

第一节电桥电路一.直流电桥1.直流电桥工作原理,第四章 信号调理与记录,2.直流电桥平衡条件,3.直流电桥工作特性,1）半桥单臂,令,则,2）半桥双臂,令,则,3）全桥,令,则,结论（电桥的和差特性）：*相邻臂符号同，输出为两半臂各自输出之差；相邻臂符号反，输出为两半臂各自输出之和。*和差性质的应用例：温度补偿；应变测力组桥,4.电桥零位平衡调节,二.交流电桥 1.平衡条件,2.几种交流电桥 1）电容电桥 平衡条件,2）电感电桥 平衡条件：3）纯电阻交流电桥,3.交流电桥的平衡装置,三.带感应耦和臂的电桥,第二节调制与解调1.调制定义2.调制方式：调幅、调频、调相3.解调定义,一.调幅及其解调1.调幅原理,载波信号,调制信号,已调制波,2.解调*解调方式：同步解调、整流解调、相敏解调1）同步解调（1）方法：将调制波与原载波信号相乘，从中滤去高频分量。,（2）时、频域分析,2）整流解调,3）相敏解调原理,相敏解调器的应用例,二.调频及其解调1.调频1）定义2）调频方法及原理（1）直接调频法（2）参数调频法,调频分析,（3）电压调频法,u0,3.调频信号的解调（鉴频）1）定义2）鉴频（解调）方法：微分鉴频、相位鉴频、斜率鉴频、锁相环等3）斜率鉴频工作原理,第三节 滤波器1.滤波器的功能 使信号中特定的频率成分通过，非特定的频率成分被极大地衰减。滤波器在测试技术领域中的应用有：1)在噪声背景下提取有用的信号 2)构成各种模拟频谱分析仪 3)数字信号处理系统中的预处理环节（如解决混频问题）,2.滤波器的类别1）依据选频作用分(1)低通滤波器(2)高通滤波器(3)带通滤波器(4)带阻滤波器,过渡带,B,2）依据所处理的信号性质分为 模拟滤波器 数字滤波器3）依据是否带有源器件分为 无源滤波器 有源滤波器二.滤波器性能分析 1.理想滤波器特性 对理想滤波器的基本要求：对有用信号无失真传输，对无用信号能完全抑制。理想特性可归纳为:,理想测试系统,理想滤波器,低通滤波器的理想特性,(1)有用信号频带内，应当是常值幅频，线性相频;(2)有用信号频带外，幅频立即下降到零，相频特性如何无关紧要。低频理想滤波器的频响函数及特性曲线：,4.实际滤波器的特性及主要特性参数 1）实际滤波器的特性（带通）如下图。2）主要特性参数：（1）截止频率 幅频特性值等于 所对应的频率；即fc1、fc2。fc1、fc2分别称为下截止频率和上截止频率。,（2）带宽 滤波器的工作频率范围，即B=fc2-fc1。因为：，所以fc2-fc1常称为“负三分贝带宽”。（3）纹波幅度 实际滤波器在通频带内的幅度波动值。,（4）品质因数Q 中心频率fn与带宽B之比，即，其中 称为中心频率。（5)选择性 表示滤波器对带宽外频率成分的衰减能力，有两种表示方式：倍频程选择性 用幅频特性曲线上两对应点的纵坐标之比表示，通常用截止频率fc2与2fc2，或下截止频率fc1与1/2fc1幅频特性值之比来表示，即：,或,它实际上是频率变化一个倍频程时的幅值衰减量。,滤波器因数 用两个幅频特性值所对应的带宽之比表示，常用幅频特性为60dB处的带宽B 60dB 与3dB处的带宽B 3dB之比表示，即=B 60dB/B 3dB 理想滤波器的1，一般1 5。两种选择性定义均表示了实际滤波器与理想滤波器的接近程度。,三.几种实际滤波电路及特性 RC滤波器由电阻、电容等无源元器件组成，常称为无源滤波器。特点是电路简单，抗干扰性强，有较好的低频性能，选用标准阻容元件容易实现。1.一阶RC低通滤波器 电路图,幅频图,相频图,电路的微分方程及幅频、相频特性图为,（）,*特性分析：a.当 时，A(f)1，（f）-f关系为近似于一条通过原点的直线。此时可视RC低通滤波器为不失真传输系统。b.当 时，即 表明，RC值决定着上截止频率，改变RC数值，可改变滤波器的截止频率。,2.RC高通滤波器 电路图 电路微分方程及传递函数、频响函数为,（）,幅频、相频特性及特性图为,*特性分析 a.当 时，滤波器的-3dB截止频率为 b.当 时，即当f相当大时，幅频特性接近于1，相移趋于零，此时RC高通滤波器可视为不失真传输系统。c.当 时，RC高通滤波器起着微分器作用。,（3）RC带通滤波器 RC带通滤波器可视为低通、高通滤波器串联而成。,已知 一阶高通滤波器的传递函数为,一阶低通滤波器的传递函数为,串联系统的传递函数、幅频特性、相频特性为,故低通滤波器的传递函数、幅频特性、相频特性为,滤波器的下、上截止频率分别是,（4）常用的一阶RC滤波器特性汇总,*一阶RC滤波器的缺陷在过渡带内的衰减速率很慢（每个倍频程只有6dB），通带和阻带之间没有陡峭的界限，故这种滤波器的性能较差。可采用如下形式滤波器改进：#LC滤波器（教材图4-28）；#多个RC环节或LC环节级联（教材图4-29）；#有源滤波器。,四.滤波器的组合使用 1）滤波器的串联（1）基本要求：串联使用的滤波器中心频率应相同。（2）串联特性：幅频特性相乘，使通频带外的频率成分有更大的衰减斜率；相频相加，使相位变化更剧烈，恶化使用效果。2）滤波器的并联（1）用途：选取信号中某些特殊频率成分，作频谱分析。,（2）基本要求：各滤波器均为带通滤波器，各滤波器具有相同放大倍数。（3）实施方案：由中心频率可调的单一滤波器组成，特点：频率调节范围有限；由若干个中心频率、带宽按一定的规律分布的滤波器组成。应用例如下图示。,a.排列要求：排列起来的滤波器组的滤波范围应能覆盖待分析信号的整个频谱，具体为：前一个滤波器的-3dB上截止频率与下一个相邻滤波器的-3dB下截止频率邻接，如图示。,b.带宽分布的方式：有两种.恒带宽比滤波器：各滤波器组元带宽B与其中心频率fo之比 为一常数，即。并使（1）（此时也存在）式中：fc1、fc2两邻接滤波器的中心频率；n倍频程数，n取值1、1/3等。对应的滤波器称为倍频程滤波器、1/3倍频程滤波器，其频率分布如表示。,因为（2）所以，又因 故,若n1，则Q1.41 B=0.707fo若n1/3，则Q4.38 B=0.23fo由此求得对应于各中心频率的带宽如表2示：,n=1,n=1/3,*恒带宽比滤波器特点：通频带在低频段窄，分辨力好；通频带在高频段宽，分辨力差。.恒带宽滤波器：1.组成方式 各滤波器组元带宽B相同,满足,2.应用特点 通频带在高、低频段相同，分辨力相同。为提高分辨力，滤波器带宽需取窄些，这在给定谱宽条件下，所需滤波器数量则大。因此恒带宽滤波器一般不用中心频率及带宽固定的并联滤波器组，而是采用中心频率可调的扫描式带通滤波器来实现。实际应用的恒带宽滤波器有：相关滤波器、变频跟踪滤波器。,2.中心频率可调式 通过改变中心频率使该滤波器的通带跟随所要分析的信号频率范围要求来变化。但此类带通滤波器，在调节中心频率过程会改变滤波器的参数如增益、Q值，因此这种滤波器，中心频率的调节范围有限,*滤波器的带宽与分辨力关系应用例：已知一信号含有的频率成分为940Hz和1060Hz，现用倍频程分别为1/3、1/10的两种恒带宽比滤波器与另一具有-3dB带宽3Hz的恒带宽滤波器分别对其进行谱分析，分析结果如下图。,第五节 测试信号的显示与记录 显示与记录的目的:(1)观察各路信号的大小或实时波形;(2)及时掌握测试系统的动态信息，如输出信号大小;信号中含状况;(3)记录信号的重现;(4)对信号进行后续的分析和处理。,一、信号显示仪器 1.模拟示波器阴极射线示波器 由示波管、放大器和锯齿波发生器等部分构成。在示波管垂直偏转板上加信号电压，在水平偏转板上加锯齿波电压，可使电子束在荧光屏上描绘出欲研究的电压波形，以便观察、记录或拍摄照片。,2.数字示波器 用A/D转换器将被测模拟信号进行模数转换并存储，再以数字方式显示。,数字示波器的优点（1）具有数据存储与回放功能，便于观测单次过程和缓慢变化的信号，也便于进行后续数据处理;（2）具有高分辨率的显示系统，便于对各类性质的信号进行观察，可看到更多的信号细节;（3）便于程控，可实现自动测量;（4）可进行数据通信。,3.数字存储示波器 经A/D转换器将被测模拟信号进行模数转换并存储，再通过D/A转换器恢复为模拟信号，以模拟方式显示在阴极射线管或液晶显示屏上。,二、信号的记录 记录方式：模拟 A/D卡 数字 硬盘 应用：1.专用数据采集仪 2.计算机 3.仪器前端,附：传统的几种显示与记录装置简介 1.动圈式磁电指示机构,2.光线示波器,3.磁带记录仪,4.伺服是记录仪,