第四章信号的调理和记录 被测信号经传感器转换成电信号,通常要经过调理和处理,以提高信噪比,并 把信号转换成更便于处理或供人工观察。 第一节电桥 电桥处于近似平衡状态运行,具备: 增加动态范围 2、共模信号抑制; h1 C 3、桥臂温漂平衡; 4、增加灵敏度: Ra 5、提髙信噪比、增加分辨力。 分类:按激励电压(1)直流电桥 (2)交流电桥 按输出方式(1)不平衡桥式电路 图41直流电 (2)平衡桥式电路 桥 直流电桥见图4-1 KDI
第四章 信号的调理和记录 被测信号经传感器转换成电信号，通常要经过调理和处理，以提高信噪比，并 把信号转换成更便于处理或供人工观察。 第一节电桥 电桥处于近似平衡状态运行，具备： 1、增加动态范围； 2、共模信号抑制； 3、桥臂温漂平衡； 4、增加灵敏度； 5、提高信噪比、增加分辨力。 分类 ：按激励电压（1）直流电桥 （2）交流电桥 按输出方式（1）不平衡桥式电路 （2）平衡桥式电路 一．直流电桥 见图4-1 U0 a b c d I1 I2 R1 R2 R4 R3 Uy 图4—1 直流电 桥 1
图41是直流电桥的基本形式。以电阻R1,R2,R3,R作为四个桥臂,a、c 两端接入直流电源U,在b、d端为输出电压U。当电桥输出端后接较大输 入电阻的仪表或放大器时,可视为开路,电流输出为零,此时桥路电流为 尺1+R2 R2+R4 a,b之间与a,d之间电位差为 R4 R Ua=1R R -Uo U=l,Ra R d R+r R+RA 输出电压为Un=U-U R4 RR-RR4 U0(4-3) R+R2 R+R2(R3+R) 由此可知,若使电桥平衡,输出为零,应满足 RR2-R2R1=0 RR=RR|→R=R (4-4) R R 由式(4-4),如果适当选择各桥臂电阻值,可使输出电压与被测量引起的 电阻变化量有关 KDI
图4-1是直流电桥的基本形式。以电阻R1，R2，R3，R4作为四个桥臂，a、c 两端接入直流电源U0，在b、d两端为输出电压Uy。当电桥输出端后接较大输 入电阻的仪表或放大器时，可视为开路，电流输出为零，此时桥路电流为 1 2 0 1 R R U I + = 3 4 0 2 R R U I + = a, b之间与a, d之间电位差为 0 1 2 1 1 1 U R R R Uab I R + = = 0 3 4 4 2 4 U R R R Uad I R + = = 输出电压为 0 1 2 3 4 1 3 2 4 0 3 4 4 0 1 2 1 ( )( ) U R R R R R R R R U R R R U R R R U y Ua b Ua d + + − = + − + = − = （4-3） 由此可知，若使电桥平衡，输出为零，应满足 0 R1 R3 − R2 R4 = → R1 R3 = R2 R4 3 4 2 1 R R R R → = （4-4） 由式（4-4），如果适当选择各桥臂电阻值，可使输出电压与被测量引起的 电阻变化量有关。 2 U0 a b c d I1 I2 R1 R2 R4 R3 Uy
在实际测试中,桥臂分为半桥式与全桥式联接,见图42,在图a中表示半 桥联接,工作中只有一个臂阻值随被测的量而变化。设△R1是电阻R1的 电阻增量。根据式(4-3),此是输出电压为 R1+△R R R1+△R21+R2R3-R4 为了简化桥路设计,令R1R2=R3=R=R0,则输出电压为 △R 4R+2△R 因为△R1<R所以U、△R 4R 0 (45) 可见,电桥输出U电压与激励电压U成正比,并且在△R<R条件下, 与△RR成比例。 图4-2b为半桥双臂接法。工作中有两个桥臂阻值随被测量而变化,即 R1±△R R2千AR2 根据式(4-3),当R1=R2=R3=R=R0;△R1=△R2=△R时电桥输出为 △R (46) 2R KDI
在实际测试中，桥臂分为半桥式与全桥式联接，见图4-2，在图a 中表示半 桥联接，工作中只有一个臂阻值随被测的量而变化。设ΔR1是电阻 R1 的 电阻增量。根据式（4-3），此是输出电压为 0 3 4 4 1 1 2 1 1 ( )U R R R R R R R R U y − − + + + = 为了简化桥路设计，令 R1= R2 = R3= R4= R0 ，则输出电压为 0 0 1 1 4 2 U R R R U y + = 因为ΔR1<< R0，所以 0 0 1 4 U R R U y （4-5） 可见，电桥输出 Uy 电压与激励电压 U0 成正比，并且在ΔR1<< R0条件下， 与ΔR1 / R0成比例。 图4-2b为半桥双臂接法。工作中有两个桥臂阻值随被测量而变化，即 R1 R1 R2 R2 根据式（4-3），当R1= R2 = R3= R4= R0；ΔR1=ΔR2=ΔR 时电桥输出为 0 0 1 2 U R R U y （4-6） 3
图4-2c为全桥接法,工作中四个桥臂阻值随被测量而变化,即 R1±△R1R2AB2R3土AR3R4千△R4 同理当R1=R2=R3=R=R0,△R=△R2=△R3=△R=△R时电桥输出为 U.≈AR (47) 显然,电桥接法不同,输出电压也不同,三种接法电桥输出之比为 1:2:4,全桥最大。 注意:(1)尽量采用全桥接法,提高输出信号。 (2)对面桥臂阻值变形性质相同,相邻桥臂阻值变形性质相反。 (3)非线性问题。(非线性为△R/R的平方) 上述电桥是在由被测量变化引起不平衡状态下工作的,缺点是电源电压不稳 定,或者环境温度有变化时,都会引起电桥输出变化,产生测量误差。为此 可采用平衡电桥测量法,见图4-3 KDI
图4-2c为全桥接法，工作中四个桥臂阻值随被测量而变化，即 R1 R1 R2 R2 R3 R3 R4 R4 同理当R1= R2 = R3= R4= R0，ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4=ΔR时电桥输出为 0 0 1 U R R U y （4-7） 显然，电桥接法不同，输出电压也不同，三种接法电桥输出之比为 1：2：4，全桥最大。 注意：（1）尽量采用全桥接法，提高输出信号。 （2）对面桥臂阻值变形性质相同，相邻桥臂阻值变形性质相反。 （3）非线性问题 。（非线性为ΔR/R的平方） 上述电桥是在由被测量变化引起不平衡状态下工作的，缺点是电源电压不稳 定，或者环境温度有变化时，都会引起电桥输出变化，产生测量误差。为此 可采用平衡电桥测量法，见图4-3。 4
当被测量引起电桥不平衡时, 调节R使输出G仪表显示 H 零,电位器上的标定与桥臂 R 电阻值变化成比例,故H指 R R 示值可以直接表达被测量, G 这种测法特点是G始终为 零 R 因此为“零位测量法”测量 精 度取决于可调电位器的精确 度,与电源电压无关。一般 图43平衡电桥 平衡电桥测量适用于静态测 量,以手工调平衡 KDI
G U0 R1 R2 R4 R3 图4—3 平衡电桥 H R5 当被测量引起电桥不平衡时， 调节 R5 使输出 G 仪表显示 零，电位器上的标定与桥臂 电阻值变化成比例，故 H指 示值可以直接表达被测量， 这种测法特点是 G 始终为 零， 因此为“零位测量法”测量 精 度取决于可调电位器的精确 度，与电源电压无关。一般 平衡电桥测量适用于静态测 量，以手工调平衡。 5
交流电桥 桥臂由电感或电容主成构成,则须采用交流激励电压,为交流电桥。电桥的 四个臂可为电感、电容或电阻。因为除了阻抗外还包含电抗。如果阻抗、电 流及电压用复数表示,则电桥平衡时必须满足 2123=Z2Z4 (4-8) 各阻抗用复Z1=Z0e 指数式表示 j(q1+3 e j(q2+4) 代入式(4-8) 02204 (4-9) 0103 02204 若此式成立,必须同时满足下列两等式 q1+q3=02+9 (4-10) 式中Z01,…,z04为各个阻抗的模;中中4为阻抗角,是各桥臂电流与电 压之间相位差。纯电阻时电流与电压同相,φ=0 电感性阻抗时电流超前电压>0 电容性阻抗时电流滞后电压中<0 KDI
二．交流电桥 桥臂由电感或电容主成构成，则须采用 交流激励电压，为交流电桥。电桥的 四个臂可为电感、电容或电阻。因为除了阻抗外还包含电抗。如果阻抗、电 流及电压用复数表示，则电桥平衡时必须满足 1 3 2 4 Z Z = Z Z （4-8） 各阻抗用复 指数式表示 1 1 01 j Z = Z e 2 2 02 j Z = Z e 3 3 03 j Z = Z e 4 4 04 j Z = Z e 代入式（4-8） ( ) 0 2 0 4 ( ) 0 1 0 3 1 +3 2 + 4 = j j Z Z e Z Z e （4-9） 若此式成立，必须同时满足下列两等式 + = + = 1 3 2 4 01 03 02 04 Z Z Z Z （4-10） 式中Z01,…,Z04 为各个阻抗的模；φ1 ,…φ4 为阻抗角，是各桥臂电流与电 压之间相位差。 纯电阻时电流与电压同相，φ=0 电感性阻抗时电流超前电压φ>0 电容性阻抗时电流滞后电压φ<0 6
式(4-10)表明,交流电桥平衡必须满足两个条件: (1)相对两桥臂阻抗之模的乘积应相等 (2)它们的阻抗角之和也必须相等 为了满足上述平衡条件,交流电桥各臂可有不同的组合。常用的电容、电 感电桥,其相邻两臂接入电阻(例如Z2=R2Z3=R3,中2=中3=0),而另外 两个桥臂接入相同性质的阻抗,例如电容或电感,保持中1=中4 图44是一种常用电容电桥,2、3两 相邻为纯电阻R2,R3,另外两相邻臂 R 为电容C1,C,可视为电容介质损耗 的等效电阻。根据平衡条件有: R (R+)R3=(R4 R jOc jOC RR3+mDC=气名、名 R 图44电容电桥 KDI 7
式（4-10）表明，交流电桥平衡必须满足两个条件： （1）相对两桥臂阻抗之模的乘积应相等 （2）它们的阻抗角之和也必须相等 为了满足上述平衡条件，交流电桥各臂可有不同的组合。常用的电容、电 感电桥，其相邻两臂接入电阻（例如 Z02=R2 , Z03=R3 , φ2=φ3 =0），而另外 两个桥臂接入相同性质的阻抗，例如电容或电感，保持φ1=φ4。 图4-4是一种常用电容电桥，2、3两 相邻为纯电阻R2 , R3，另外两相邻臂 为电容C1 ,C4，可视为电容介质损耗 的等效电阻。根据平衡条件有： 2 4 3 4 1 1 ) 1 ) ( 1 ( R j C R R j C R + = + 4 2 4 2 1 3 1 3 j C R R R j C R R R + = + U0 a b c d R1 R2 R3 R4 Uy 图4—4 电容电桥 C1 C4 7
令上式实部、虚部分别相等,则有下面两个平衡条件 RR =RR (4-11) R (4-12) 4 由此可知,要使电桥达到平衡,必须同时调节电阻与电容两个参数,达到 电阻和电容都平衡。图45是一种电感电桥,两相邻桥臂为电感L1,L4与电 阻,根据式(4-10)平衡条件 (R,+JOLR=(R+ jol4R2 RR+JOlR=R,R+JOLAR2 实、虚部分别相等 RR3=R2R4(413) R4 LR3=LR2(4141) 图45电感电桥 KDI
令上式实部、虚部分别相等，则有下面两个平衡条件 （4-11） 4 2 1 3 C R C R = （4-12） 由此可知，要使电桥达到平衡，必须同时调节电阻与电容两个参数，达到 电阻和电容都平衡。图4-5是一种电感电桥，两相邻桥臂为电感L1 , L4与电 阻，根据式（4-10）平衡条件 1 1 3 4 4 2 (R + jL )R = (R + jL )R R R j L R R R j L R 1 3 1 3 2 4 4 2 + = + 实、虚部分别相等 R1 R3 = R2 R4 （4-13） 1 3 4 R2 L R = L （4-14） U0 a b c d R1 R2 R3 R4 Uy 图4—5 电感电桥 L1 L4 8 R1 R3 = R2 R4
对于纯电阻交流电桥,即使各桥臂均为电阻,但由于导线间存在分布电容, 相当于在各桥臂上并联一个电容(见图46),为此除了电阻平衡外,还需 要电容平衡,图47表示一种用于动态应变仪中具有电阻、电容平衡的纯电 阻电桥。C2是一个差动可变电容器,当扭动电容平衡旋钮时,电容器左右 两部分电容其一增加,另一侧减少,实现电容平衡。 注意(1)一般情况下交流供桥电压具有良好的电压波形与频率稳定度, 如果电压波形畸变,基波易达到平衡,将有高次谐波电压输出。 (2)一般采用音频交流电源(5-10kHz)作为电源。外工频干扰不易 介入,放大电路简单无零漂 (3)采用交流电桥,必须注意一些影响测量误差的因数。例如元件间 互感影响;无感电阻的残余阻抗;邻近交流电路对电桥感应;泄 漏电阻以及元件之间、元件与地间的分布电容。 KDI
对于纯电阻交流电桥，即使各桥臂均为电阻，但由于导线间存在分布电容， 相当于在各桥臂上并联一个电容（见图4-6），为此除了电阻平衡外，还需 要电容平衡，图4-7表示一种用于动态应变仪中具有电阻、电容平衡的纯电 阻电桥。C2 是一个差动可变电容器，当扭动电容平衡旋钮时，电容器左右 两部分电容其一增加，另一侧减少，实现电容平衡。 注意（1）一般情况下交流供桥电压具有良好的电压波形与频率稳定度， 如果电压波形畸变，基波易达到平衡，将有高次谐波电压输出。 （2）一般采用音频交流电源（5~10kHz）作为电源。外工频干扰不易 介入，放大电路简单无零漂。 （3）采用交流电桥，必须注意一些影响测量误差的因数。例如元件间 互感影响；无感电阻的残余阻抗；邻近交流电路对电桥感应；泄 漏电阻以及元件之间、元件与地间的分布电容。 9
第二节调制与解调 信号调制的作用: 1、缓变电信号实现交流放大:消除放大器零漂的影响。(同频信噪比) 减小信号频率的动态范围:减少信号传输过程的失真 3、单通道传输多路信号:简化复杂系统的信号传输网络 调制是一个信号的某些参数在另一个信号控制下而发生变化的过程。 前一信号称为载波(较高频率交变信号),后一信号(控制信号)称为 调制信号,最后输出已调制波,载波上达载了调制信号的信息。 解调—从已调制波中恢复出调制信号的过程。 载波调制分类:(1)调幅(AM)(2)调频(FM)(3)调相(PM 它们的已调波分别被称为(1)调幅波(2)调频波(3)调相波 图4-9表示了载波、调制信号、调幅波和调频波 KDI
第二节调制与解调 信号调制的作用： 1、缓变电信号实现交流放大 ：消除放大器零漂的影响。（同频信噪比） 2、减小信号频率的动态范围 ：减少信号传输过程的失真。 3、单通道传输多路信号： 简化复杂系统的信号传输网络。 调制——是一个信号的某些参数在另一个信号控制下而发生变化的过程。 前一信号称为载波(较高频率交变信号)，后一信号(控制信号)称为 调制信号，最后输出已调制波，载波上达载了调制信号的信息。 解调——从已调制波中恢复出调制信号的过程。 载波调制分类：（1）调幅(AM) （2）调频(FM) （3）调相（PM） 它们的已调波分别被称为 （1）调幅波 （2）调频波 （3）调相波 图4-9 表示了 载波、调制信号、调幅波和调频波。 10