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1、机电工程学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理 本章总课时本章总课时 理理论6 6课时、实验0 0课时，共，共计6 6课时。本章主要内容本章主要内容 本本章主要内容包括信号的放大、本本章主要内容包括信号的放大、电桥、滤波器、波器、调制与解制与解调。本章基本要求本章基本要求 熟熟练掌握信号放大、掌握信号放大、电桥、滤波波器、信号的器、信号的调制与解制与解调的基本原理，熟的基本原理，熟练掌握相掌握相应的的实现方方法与法与实际电路，掌握不同路，掌握不同处理方法的基本理方法的基本应用。用。本章重点及难点本章重点及难点 重点重点为各部分的各部分的实现方
2、法与方法与实际电路，路，难点点为各部分的基本原理与理各部分的基本原理与理论分析。分析。机电工程学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理 传感器感器输出的出的电信号，大多数不能直接信号，大多数不能直接输送到送到显示、示、记录或分析或分析仪器中去，其主要原因是大多数器中去，其主要原因是大多数传感器感器输出的出的电信信号很微弱，需要号很微弱，需要进一步放大，有的一步放大，有的还要要进行阻抗行阻抗变换。某些。某些传感器感器输出的出的电参量，要参量，要转移移为电能量信号。能量信号。输出信号中可出信号中可能混能混杂有干有干扰噪声，需要去除噪声，提高信噪比。
3、如果噪声，需要去除噪声，提高信噪比。如果测试工作工作仅对部分部分频段的信号敏感，段的信号敏感，则应从从输出信号中分离出所出信号中分离出所需的需的频率成分。当采用数字率成分。当采用数字仪器器仪表表时，模，模拟信号信号还应转换为数字信号。因而，数字信号。因而，传感器的感器的输出信号要出信号要经过适当的适当的调理，理，使之与后使之与后续测试环节相适相适应。常用的信号。常用的信号调理理环节有：放大有：放大器、器、电桥、滤波器、波器、调制解制解调器、模数器、模数转换器等。一般将器等。一般将这部分部分电路与路与传感器基本感器基本转换电路路统称称为传感器的感器的测量量电路路或或信号信号调理理电路路。机电工程
4、学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理1 信号的放大信号的放大 在在测试系系统中，中，传感器或感器或测试装置的装置的输出大部分都是出大部分都是较弱的模弱的模拟信号，一般信号，一般为mV级甚至甚至V级，不能直接用于，不能直接用于显示、示、记录或或A/D转换，必，必须进行放大。行放大。对于直流或于直流或缓变信号，由于直流放大器的漂移信号，由于直流放大器的漂移较大，大，对于于较微弱的直流信号往往需要微弱的直流信号往往需要调制成交流信号，然后用制成交流信号，然后用交流放大器放大，再解交流放大器放大，再解调成成为直流信号。目前由于集成运直流信号。目前由
5、于集成运算放大器性能的改善，已算放大器性能的改善，已经可以可以组成性能良好的直流放大成性能良好的直流放大器。集成运算放大器根据其性能可分器。集成运算放大器根据其性能可分为通用型、高通用型、高输入阻入阻抗型、高速型、高精度型、低漂移型、低功耗型等，可根抗型、高速型、高精度型、低漂移型、低功耗型等，可根据不同要求据不同要求选用。利用运算放大器可用。利用运算放大器可组成成反相反相输入入、同相同相输入入和和差差动输入放大器入放大器。机电工程学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理一一.测量放大器测量放大器 由运算放大器由运算放大器组组成的上述三种放大器
6、，一般成的上述三种放大器，一般仅仅适用于信适用于信号回路不受干号回路不受干扰扰或信噪比或信噪比较较大的大的场场合。合。实际实际上，上，传传感器所感器所处处的工作的工作环环境往往是境往往是较较复复杂杂和和恶恶劣的，劣的，传传感器的感器的输输出信号中含出信号中含有有较较大的噪声和共模干大的噪声和共模干扰扰。所。所谓谓共模干共模干扰扰是指在是指在传传感器的两感器的两条条传输线传输线上上产产生的完全相同的干生的完全相同的干扰扰。在。在这这种情况下，可采用种情况下，可采用测测量放大器量放大器对对信号信号进进行放大。行放大。测测量放大器又称量放大器又称仪仪表放大器，表放大器，它的它的线线性好、共模抑制比高
7、、性好、共模抑制比高、输输入阻抗高和噪声低，是一种入阻抗高和噪声低，是一种高性能的放大器。高性能的放大器。机电工程学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理 测测量放大器由三个运算放大器量放大器由三个运算放大器组组成，其基本成，其基本电电路如路如图图5.1.1所示。它是一种两所示。它是一种两级级串串联联放大器，前放大器，前级级由两个同相放大器由两个同相放大器组组成，成，为对为对称称结结构，构，输输入信号可以直接加到入信号可以直接加到输输入端，从而入端，从而输输入阻抗高入阻抗高和抑制共模干和抑制共模干扰扰能力能力强强。后。后级级是差是差动动放大器，
8、将双端放大器，将双端输输入入变为变为单单端端输输出，适出，适应对应对地地负载负载的需要。的需要。图图5.1.1 测测量放大器原理量放大器原理图图机电工程学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理 电电路中的路中的A1和和A2选择选择高高输输入阻抗运算放大器，而入阻抗运算放大器，而R1=R2，R3=R4，R5=R6都是都是对对称称选择选择的。由于的。由于A1和和A2都是同相放大器都是同相放大器接法，因此两个放大器的增益接法，因此两个放大器的增益 A1=Uo1/Ui1=1+2R1/Rw，A2=Uo2/Ui2=1+2R2/Rw (5.1.1)当两个当两
9、个输输入信号是共模信号入信号是共模信号时时，由于同相放大器，由于同相放大器A1和和A2的增益相等，的增益相等，输输出出电压电压Uol和和Uo2也是共模相等的。也是共模相等的。经经A3差差动动放放大，大，这这两个共模信号可被完全消除，两个共模信号可被完全消除，总输总输出信号出信号Uo为为零。可零。可见见，这这种种电电路的路的输输出几乎不受出几乎不受输输入共模干入共模干扰扰的影响。当两个的影响。当两个输输入信号是差模信号入信号是差模信号时时，经经A1和和A2同相放大后仍是差模的，同相放大后仍是差模的，再再经经A3差差动动放大后放大后输输出。差出。差动动放大器放大器A3的增益的增益 A3=R5/R3
10、 (5.1.2)因此因此对对差模差模输输入信号，两入信号，两级级放大器的增益是放大器的增益是 A=(1+2R1/Rw)R5/R3 (5.1.3)机电工程学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理 以上分析表明，以上分析表明，为为了了实现电实现电路的高性能，必路的高性能，必须对电须对电路路中的运算放大器和中的运算放大器和电电阻阻进进行行严严格的挑格的挑选选和配和配对对。这这在常在常规规工工艺艺的条件下是困的条件下是困难难的，可采用集成的，可采用集成测测量放大器，集成量放大器，集成测测量放大器在制造量放大器在制造时时采用激光采用激光调调整工整工艺艺使
11、使对对称部分完全匹配。称部分完全匹配。通常通常Rw为为外接外接电电阻，阻，调节调节Rw可改可改变电变电路的增益。常用的路的增益。常用的单单片集成片集成测测量放大器有量放大器有AD521、AD522、INAl01、INAll8和和LH0038等。其中的等。其中的LH0038(美国国家半美国国家半导导体公司体公司产产品品)是一种精密是一种精密测测量放大器，具有低失量放大器，具有低失调调(25V/C)和高共模和高共模抑制比抑制比(120dB)等等优优良特性。良特性。机电工程学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理 在有在有强强电电或或强强电电磁干磁干
12、扰扰的的环环境中，境中，传传感器的感器的输输出信号中出信号中混混杂杂着着许许多干多干扰扰和噪声，而和噪声，而这这些干些干扰扰和噪声大都来自地回路、和噪声大都来自地回路、静静电电耦合以及耦合以及电电磁耦合。磁耦合。为为了消除了消除这这些干些干扰扰和噪声，除了将和噪声，除了将模模拟拟信号先信号先经过经过低通低通滤滤波器波器滤滤掉部分高掉部分高频频干干扰扰外，外，还还必必须须合合理地理地处处理接地理接地问题问题，将放大器，将放大器实实行静行静电电和和电电磁屏蔽并浮置起磁屏蔽并浮置起来。来。这样这样的放大器称的放大器称为为隔离放大器隔离放大器。其。其输输入和入和输输出出电电路之路之间间没有直接的没有直
13、接的电电路路联联系，只有磁路或光路的系，只有磁路或光路的联联系。系。隔离放大器主要用于隔离放大器主要用于处处在高噪声在高噪声环环境中的便携式境中的便携式仪仪器和器和某些某些测测控系控系统统中；中；应应用于医学用于医学测测量，确保人体不受超量，确保人体不受超过过10A以上的漏以上的漏电电流和高流和高电压电压的危害；用于防止因故障而使的危害；用于防止因故障而使电电网网电电压对压对低低压电压电路造成路造成损损坏。坏。二二.隔离放大器隔离放大器机电工程学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理 隔离放大器隔离放大器电电路的原理框路的原理框图图如如图图5.
14、1.2所示。所示。输输入部分包入部分包含含输输人放大器和人放大器和调调制器，制器，输输出部分包含解出部分包含解调调器和器和输输出放大出放大器，中器，中间间部分的信号耦合器件是部分的信号耦合器件是变压变压器或光器或光电电器件，器件，电电源源也是隔离浮置的。也是隔离浮置的。图图5.1.2(a)为变压为变压器耦合隔离放大器器耦合隔离放大器电电路路框框图图，图图5.1.2(b)是光耦合隔离放大器是光耦合隔离放大器电电路框路框图图。图图5.1.2 隔离放大器隔离放大器电电路原理框路原理框图图(a)变压变压器耦合器耦合 (b)光光电电耦合耦合机电工程学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章
15、信号的变换与处理章信号的变换与处理 大多数大多数传传感器感器输输出的出的电电信号很微弱，需要信号很微弱，需要进进一步放大，一步放大，放大器一般都是放大器一般都是传传感器感器测测量量电电路中的主要部分。利用运算放路中的主要部分。利用运算放大器可大器可组组成反相成反相输输入、同相入、同相输输入和差入和差动输动输入放大器。本入放大器。本节节主主要介要介绍绍了了测测量放大器与隔离放大器。量放大器与隔离放大器。测测量放大器的量放大器的输输出几乎出几乎不受不受输输入共模干入共模干扰扰的影响，的影响，为为了了实现电实现电路的高性能，必路的高性能，必须对须对电电路中的运算放大器和路中的运算放大器和电电阻阻进进
16、行行严严格的挑格的挑选选和配和配对对。隔离放。隔离放大器能合理地大器能合理地处处理接地理接地问题问题，并将放大器，并将放大器实实行静行静电电和和电电磁屏磁屏蔽并浮置起来。蔽并浮置起来。变压变压器耦合与光器耦合与光电电耦合隔离放大器各有不同耦合隔离放大器各有不同的的优优缺点，缺点，应应当根据当根据实际应实际应用情况用情况进进行合理的行合理的选择选择。本节小结本节小结机电工程学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理2 电电 桥桥 电桥电桥是将是将电电阻、阻、电电感、感、电电容等容等电电参量的参量的变变化，化，转变转变为电压为电压或或电电流流输输出的
17、一种出的一种变换电变换电路。其路。其输输出出视视信号的大信号的大小，可用小，可用仪仪表直接表直接测测量量显显示，也可示，也可输输入到放大器入到放大器进进行放行放大。大。电桥电电桥电路路连连接接简单简单、灵敏度和精确度、灵敏度和精确度较较高，在高，在测试测试装置中得到了广泛的装置中得到了广泛的应应用。用。电桥电桥根据激励根据激励电电源的不同分源的不同分为为直流直流电桥电桥和和交流交流电桥电桥。电桥电电桥电路有两种基本的工作方路有两种基本的工作方式，即式，即平衡平衡电桥电桥与与不平衡不平衡电桥电桥。在。在检测检测技技术术中主要中主要应应用用不平衡不平衡电桥电桥。机电工程学院机电工程学院 Sun C
18、huan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理一一.直流电桥直流电桥 直流直流电桥电桥的的优优点是高点是高稳稳定定度直流度直流电电源易于源易于获获取，取，电桥调电桥调节节平衡平衡电电路路简单简单，传传感器及感器及测测量量电电路分布参数影响路分布参数影响较较小，在小，在测测量中常使用直流量中常使用直流电桥电桥。如如图图5.2.1所示即所示即为为恒恒压压源源桥桥式式转换电转换电路。其中路。其中R1、R2、R3、R4称称为桥为桥臂臂电电阻，其阻，其输输出出可以可以为电为电流也可以流也可以为电压为电压。图5.2.1 直流直流电桥电路原理路原理图(a)电电流流输输出形式出形式(b)电压输
19、电压输出形式出形式机电工程学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理1.直流直流电桥的的电流流输出出平衡平衡电桥 当当电桥电桥的的电电流流输输出出较较大，大，输输出端又接入出端又接入电电阻阻值较值较小的小的负载负载（如（如检检流流计计、光、光线线示波器等）示波器等）进进行行测测量量时时，电桥电桥以以电电流形式流形式输输出，如出，如图图5.2.1所示，所示，RL为负载电为负载电阻。由阻。由图图知流知流过负载电过负载电阻的阻的电电流流为为(5.2.1)机电工程学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理2
20、.直流直流电桥的的电压输出出不平衡不平衡电桥 通常直流通常直流电桥电桥的的输输出出较较小小(如如应变电应变电阻阻变变化一般很微小化一般很微小)，因而，因而电桥输电桥输出出 一般要接放大器方可推一般要接放大器方可推动动指示指示仪仪表，而放表，而放大器的大器的输输入阻抗入阻抗较电桥较电桥的内阻要高得多，所以可以的内阻要高得多，所以可以认为电认为电桥桥的的负载电负载电阻阻为为无限大，可将无限大，可将电桥输电桥输出看作开路，出看作开路，这时电这时电桥桥以以电压电压的形式的形式输输出。出。输输出出电压电压U0即即为电桥输为电桥输出端的开路出端的开路电压电压UAB，其表达式，其表达式为为(5.2.2)所所
21、谓谓电桥电桥平衡平衡即是指即是指输输出出电电流流IL=0或或U0=0，则则平衡条件平衡条件为为 R1R4=R2R3 或或 R1/R2=R3/R4 (5.2.3)3.初始平衡条件初始平衡条件机电工程学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理4.电桥测量方法 以下以以下以应变片的片的应用用为例来例来讲述。述。(1)静静态测量量 一般利用平衡一般利用平衡电桥进行行测量，可用两种方式。量，可用两种方式。A.偏偏转法法 将将应变片接入片接入电桥一臂，一臂，则应变片阻片阻值的的变化化可用可用检流流计转换为电流流IL的大小表示。的大小表示。B.零零读法法 将将
22、应变片接入片接入电桥一臂，用改一臂，用改变相相邻桥臂阻臂阻值的方法，使的方法，使IL恢复至恢复至0，即可用相，即可用相邻桥臂阻臂阻值的的变化来确定化来确定应变片阻片阻值的的变化。化。应变片片电阻阻变化量化量为R，调节R2使使电桥重重新平衡，由式新平衡，由式(5.2.3)可得可得(5.2.4)即可用即可用R2的的值值来确定来确定R1。零。零读读法需要使法需要使电桥电桥作两次平衡。作两次平衡。一般将一般将R3、R4称称为为比例臂比例臂，改，改变变其其值值即可改即可改变变R1的的测测量范量范围围。R2称称为为调节调节臂臂，以其来刻划被，以其来刻划被测应变测应变。机电工程学院机电工程学院 Sun Ch
23、uan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理(2)动态测量量 如果如果应变为动态变应变为动态变量，量，则则只可利用不平衡只可利用不平衡电桥进电桥进行行测测量，即不可使用零量，即不可使用零读读法而使用偏法而使用偏转转法。将法。将应变应变片接入片接入电桥电桥一臂，一臂，应变应变片片电电阻阻变变化量化量为为R，则电桥则电桥不平衡不平衡电压输电压输出出为为(5.2.5)n=R2/R10为桥桥臂比，臂比，电桥电桥灵敏度灵敏度为为(5.2.6)机电工程学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理5.差差动电桥 (1)差差动动全全桥桥 四臂全四臂
24、全桥桥如如图图5.2.2所示，所示，设设初始初始时时，R1=R2=R3=R4=R，四臂均接入相同，四臂均接入相同应变应变片，片，R1与与R4、R2与与R3分分别别受拉受拉应应力、力、压应压应力，且安装于同一力，且安装于同一试试件件上，上，则则R1=R2=R3=R4=R，由式由式(5.2.2)即可得即可得图图5.2.2 差差动电桥电动电桥电路原理路原理图图(5.2.7)机电工程学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理(2)差差动半半桥(5.2.8)(5.2.9)差差动动半半桥桥即是只在即是只在电桥电桥中的相中的相邻邻两臂中接入两臂中接入应变应变片
25、，片，R1与与R2分分别别受拉受拉应应力与力与压应压应力，且安装于同一力，且安装于同一试试件上，件上，则则R1=R2=R，R3=R4=0，由式，由式(5.2.7)即可得即可得(3)单臂臂电桥桥 单臂臂电桥桥即是只在即是只在电桥电桥中的中的一个一个桥臂中接入臂中接入应变应变片，片，R1受拉受拉应应力力或或压应压应力，力，则则R1=R，R2=R3=R4=0，由式，由式(5.2.7)即可得即可得机电工程学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理二二.交流电桥交流电桥 1.交流交流电桥电桥的的电压输电压输出出在在进进行行动态测动态测量量时时往往使用交流往
26、往使用交流电桥电桥。由于采用了交流供。由于采用了交流供电电，受引，受引线线分布参数、平衡分布参数、平衡调节调节、后、后续续放大放大电电路等路等诸诸多方多方面的影响，面的影响，电桥电桥的平衡条件与直流的平衡条件与直流电桥电桥有有较较大的区大的区别别。如如图图5.2.3所示即所示即为为交流交流电桥电桥的一般形式。其中的一般形式。其中Z1、Z2、Z3、Z4称称为为桥桥臂复阻抗臂复阻抗，U为为交流交流电压电电压电源，源，U0为为开路开路输输出出电压电压。其。其电压输电压输出出为为(5.2.10)机电工程学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理(a)一般
27、形式一般形式 (b)分解一般形式分解一般形式 图图5.2.3 交流交流电桥电电桥电路原理路原理图图机电工程学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理2.交流交流电桥的平衡条件的平衡条件 由式由式(5.2.11)知，交流知，交流电桥电桥平衡条件平衡条件为为 Z1Z4=Z2Z3 或或 Z1/Z2=Z3/Z4 (5.2.12)设设各各桥桥臂阻抗臂阻抗为为其中其中ri与与xi分分别为别为相相应应各各桥桥臂的臂的电电阻与阻与电电抗，而抗，而|Zi|与与i分分别为别为相相应应各各桥桥臂复阻抗的模与幅角。由此，交流臂复阻抗的模与幅角。由此，交流电桥电桥平平衡条
28、件衡条件(5.2.12)又可改写又可改写为为如下两个条件如下两个条件|Z1|Z4|=|Z2|Z3|且且 1+4=2+3 (5.2.14)3)机电工程学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理3 测试系统的动态特性简介测试系统的动态特性简介 动态特性特性 当当输入量随入量随时间变化化时，测试系系统所表所表现出的响出的响应特性称特性称为测试系系统的的动态特性特性。动态特性分析特性分析 测试系系统的的动态特性好坏主要取决于特性好坏主要取决于测试系系统本身的本身的结构，而且与构，而且与输入信号有关。所以描述入信号有关。所以描述测试系系统的特的特性性实质上
29、就是建立上就是建立输入信号、入信号、输出信号和出信号和测试装置装置结构参数三构参数三者之者之间的关系。即把的关系。即把测试系系统这个物理系个物理系统抽象成数学模型，抽象成数学模型，而不管其而不管其输入入输出量的物理特性出量的物理特性(即不管是机械量、即不管是机械量、电量或量或热学学量等量等)，分析，分析输入信号与响入信号与响应信号之信号之间的关系。的关系。机电工程学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理4 实现不失真测试的条件实现不失真测试的条件 一一.概念概念 所所谓测试系系统实现不失真不失真测试，就是被，就是被测信号通信号通过测试系系统后，
30、其波形形状不后，其波形形状不发生改生改变。图中，中，x(t)为系系统的的输入信号，入信号，经过测试系系统后，后，输出出y(t)与与输入相比，幅度放大了入相比，幅度放大了A0倍倍(理理论上也可以上也可以缩小，小，测试系系统对信号一般信号一般应具有放大作用具有放大作用)，在，在时间上滞后上滞后输入入t0的的时间(理理论上可以超前，上可以超前，实际测试系系统的的输出出总是滞后于是滞后于输入入)，表明系，表明系统实现了不失真了不失真测试。用数学表达式描述用数学表达式描述为 y(t)=A0 x(tt0)(3.4.1)机电工程学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的
31、变换与处理图3.4.1 测试系系统不失真不失真输出信号波形出信号波形机电工程学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理二二.测试系统不失真测试的条件测试系统不失真测试的条件 时域内系域内系统实现不失真不失真测试则有有y(t)=A0 x(tt0)(3.4.1)初始条件初始条件为零零时，频域内系域内系统实现不失真不失真测试则有有Y()=A0X()(3.4.2)频率响率响应函数函数为 H()=Y()/X()=A()ej()=A0(3.4.3)幅幅频特性和相特性和相频特性特性为(试画出其相画出其相应频谱图)A()=A0，()=t0 (3.4.4)机电工程
32、学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理 式式(3.4.4)称称为测试系系统不失真不失真测试的条件的条件。因此，不。因此，不失真失真测试对测试系系统的要求如下：的要求如下：(1)装置的幅装置的幅频特性即灵敏度在量程范特性即灵敏度在量程范围内要求内要求为常常值，即即A0=常数。任何非常数。任何非线性度、回程性度、回程误差、漂移的存在，都会引差、漂移的存在，都会引起起测试波形的失真。有波形的失真。有时需要需要进行行误差差补偿。(2)系系统的的频率特性要率特性要满足式足式(3.4.4)，即幅，即幅频特性保持特性保持常常值，相，相频特性特性为输入信号入
33、信号频率的率的线性函数。也就是性函数。也就是说信号的信号的不失真不失真测试有一定的有一定的频率范率范围。(3)当当对测试系系统有有实时要求要求(即即t0=0)时，式，式(3.4.4)变为 A()=A0，()=0 (3.4.5)机电工程学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理三三.测试系统不失真测试的频率范围测试系统不失真测试的频率范围 1.一般性一般性问题 实际测试系系统不可能在非常不可能在非常宽的的频率范率范围内都内都满足不失足不失真条件。真条件。对于只具有于只具有单一一频率成分的信号，因率成分的信号，因为定常定常线性系性系统具有具有频率保持
34、特性，所以只要其幅率保持特性，所以只要其幅值不不进入非入非线性区，性区，输出信出信号的号的频率也是率也是单一的，也就不会有失真一的，也就不会有失真问题。对于含有多种于含有多种频率成分的复率成分的复杂信号，落在不失真信号，落在不失真频率范率范围内的内的频率成分可以不率成分可以不失真通失真通过系系统，而其他，而其他频率成分就会率成分就会产生幅生幅值失真或相位失真，失真或相位失真，特特别是跨越系是跨越系统固有固有频率率n前后的信号失真更前后的信号失真更为严重，造成合重，造成合成后的成后的总输出出产生失真。生失真。机电工程学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的
35、变换与处理 另一方面，另一方面，实际测试系系统也也难以完全理想地以完全理想地实现不失真不失真测试，并且不一定同，并且不一定同时满足幅足幅值不失真和相位不失真。所以，不失真和相位不失真。所以，只能力求只能力求选取合适的装置，将失真限制在一定的取合适的装置，将失真限制在一定的误差范差范围内。内。同同时，在，在测试之前，之前，应对信号做必要的信号做必要的预处理，如噪声理，如噪声滤波、波、限幅等。在限幅等。在实际测试工作中，根据幅工作中，根据幅值失真或相位失真失真或相位失真对我我们的的测试目的影响与否，确定我目的影响与否，确定我们更关心哪个方面的更关心哪个方面的测试精确度，精确度，从而从而选取合适的取
36、合适的测试设备。2.一一阶测试系系统 对一一阶测试系系统，时间常数常数越小，系越小，系统响响应越快，近于越快，近于满足不失真条件的足不失真条件的频率范率范围越越宽。其。其实际不失真不失真测试的的频率范率范围为(0,max)，且，且max 1/。机电工程学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理 3.二二阶测试系系统 对二二阶测试系系统而言，一般而言，一般选取，可以取，可以获得得较为合适的合适的综合特性。合特性。实验表明，当，在表明，当，在频率范率范围内，系内，系统的幅的幅频特性特性A()近似常数近似常数(变化不超化不超过5%)，相，相频特性特性(
37、)接近直接近直线，产生的相生的相位失真也很小，基本位失真也很小，基本满足不失真条件。足不失真条件。本本节小小结 测试系系统实现不失真不失真测试的条件就是幅的条件就是幅频特性保持常特性保持常值，相相频特性特性为输入信号入信号频率的率的线性函数。信号的不失真性函数。信号的不失真测试有一有一定的定的频率范率范围。实际测试系系统不可能在非常不可能在非常宽的的频率范率范围内都内都满足不失真条件，只能力求足不失真条件，只能力求选取合适的装置，将失真限制在一取合适的装置，将失真限制在一定的定的误差范差范围内。内。机电工程学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处
38、理 本章主要介本章主要介绍了了测试装置与装置与线性系性系统，测试系系统的静的静态特特性，性，测试系系统的的动态特性，特性，实现不失真的条件。不失真的条件。通通过本章的学本章的学习，要求熟，要求熟练掌握掌握测试装置的基本要求与装置的基本要求与线性系性系统的主要性的主要性质，熟，熟练掌握掌握测试系系统的静的静态特性的分析方法特性的分析方法及其相关特性指及其相关特性指标，熟，熟练掌握掌握测试系系统动态特性的描述与分析特性的描述与分析方法，掌握方法，掌握测试系系统动态特性的特性的测定以及不失真定以及不失真测试的条件。的条件。本章重点本章重点为测试系系统的静的静态特性与特性与动态特性，其中静特性，其中静
39、态特特性及性及动态特性的描述与分析方法特性的描述与分析方法为主要内容。主要内容。难点点为测试系系统的的动态特性。特性。第三章小结第三章小结机电工程学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理 研究研究测试装置的特性，主要是分析和装置的特性，主要是分析和处理系理系统的的输入入量量x(t)、输出量出量y(t)以及装置本身的以及装置本身的传输特性特性h(t)三者之三者之间的关的关系。以系。以输出与出与输入成入成线性关系性关系为最佳关系，其最佳关系，其输入与入与输出之出之间的的对应关系关系x(t)y(t)可以用可以用线性常微分方程来描述。判断性常微分方程来
40、描述。判断一个系一个系统是否是是否是线性系性系统，只要判断，只要判断该系系统是否是否满足叠加性足叠加性和比例性。和比例性。理想状理想状态下定常下定常线性系性系统输入入输出关系出关系为单调的的线性性比例关系。比例关系。为评定定测试装置的静装置的静态特性，常采用静特性，常采用静态测量的量的方法，求取系方法，求取系统的的输入入输出关系曲出关系曲线即即标定曲定曲线。由。由标定曲定曲线的特征指的特征指标，就可以描述，就可以描述测量系量系统的静的静态特性。特性。线性度、性度、灵敏度及回程灵敏度及回程误差是描述差是描述测量系量系统的的3个主要静个主要静态特性。特性。机电工程学院机电工程学院 Sun Chua
41、n 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理 描述描述测试系系统的特性的特性实质上就是建立上就是建立输入信号、入信号、输出信出信号和号和测试装置装置结构参数三者之构参数三者之间的关系。任何高的关系。任何高阶系系统都可看都可看作是由若干个一作是由若干个一阶系系统和二和二阶系系统的串的串联或者并或者并联，所以分析，所以分析和掌握一和掌握一阶系系统和二和二阶系系统的特性是十分重要的。的特性是十分重要的。对于一于一阶系系统时间常数常数就是系就是系统的的动态常数，可以通常数，可以通过其幅其幅频或相或相频特特性表达式，借助性表达式，借助实验所得的特性曲所得的特性曲线直接确定直接确定值。而二。而
42、二阶系系统的的频率特性受率特性受n和和两个参数的共同影响，可通两个参数的共同影响，可通过幅幅频曲曲线估估计其其动态参数。可以用参数。可以用频率响率响应法与法与阶跃响响应法来求取法来求取测试装置的装置的动态特性。特性。测试系系统实现不失真不失真测试的条件就是幅的条件就是幅频特性保持常特性保持常值，相相频特性特性为输入信号入信号频率的率的线性函数。信号的不失真性函数。信号的不失真测试有一有一定的定的频率范率范围。实际测试系系统不可能在非常不可能在非常宽的的频率范率范围内都内都满足不失真条件，只能力求足不失真条件，只能力求选取合适的装置，将失真限制在一取合适的装置，将失真限制在一定的定的误差范差范围
43、内。内。机电工程学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理 1.名词解释名词解释 线性度、灵敏度、回程性度、灵敏度、回程误差差(滞后滞后)、精确度、漂移、精确度、漂移(点漂点漂)、稳定性、定性、鉴别力力阈与分辨力、信噪比、与分辨力、信噪比、测量范量范围、动态范范围(DR)、灵敏灵敏阈(死区死区)、可靠性、可靠性、时间常数、固有常数、固有频率、阻尼比、率、阻尼比、频率特率特性、性、负载效效应。2.简述题简述题 (1)测试系系统有什么基本要求？理想有什么基本要求？理想测试系系统有什么特性？有什么特性？(2)何何谓测试系系统的静的静态特性？如何描述？特
44、性？如何描述？(3)线性系性系统有哪些特性？如何判有哪些特性？如何判别线性系性系统？(4)测试装置的静装置的静态特性指特性指标主要有哪些主要有哪些?它它们对装置的性能装置的性能有何影响有何影响?(5)什么叫一什么叫一阶系系统和二和二阶系系统?它它们的的传递函数、函数、频率响率响应函数及幅函数及幅频和相和相频特性表达式是什么特性表达式是什么?课外学习指导及作业课外学习指导及作业机电工程学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理 (6)一一阶系系统为何适合于何适合于测量量缓变或低或低频信号？其系信号？其系统工作工作频率的上限是多少？率的上限是多少？(
45、7)由一由一阶系系统的的单位位阶跃响响应你能得到什么你能得到什么结论？(8)系系统及及输入信号是否决定入信号是否决定稳态误差存在与否？差存在与否？(9)测试系系统的的动态特性分析特性分析为什么以一什么以一阶与二与二阶系系统为主？主？高高阶系系统如何如何处理？理？(10)何何谓测试系系统不失真不失真测试的条件？的条件？对一一阶与二与二阶测试系系统如何如何选取相取相应的不失真的不失真测试的的频率范率范围？机电工程学院机电工程学院 Sun Chuan 68215第第5章信号的变换与处理章信号的变换与处理 3.计算题计算题 (1)求周期信号求周期信号x(tt+0.2cos(100t45)通通过传递函数函数为H(ss+1)的装置后所得到的的装置后所得到的稳态响响应。(2)某某传感器感器为一一阶系系统，当，当阶跃信号作用在信号作用在该传感器感器时，在在t=0时，输出出10mV；t时，输出出100mV；在；在t=5s时，输出出50mV，试求求该传感器的感器的时间常数常数。(3)求信号求信号x(t)=12sin(t+30)+4sin(2t+45)+10cos(4t+60)，通，通过一一阶系系统后的后的输出出y(t)。设该系系统的的时间常数常数=1s，系，系统的静的静态灵敏度灵敏度为S=25。