第五章信号的变换.ppt
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1、第五章 信号的变换,本章内容及要求,主要内容:电桥、滤波器、调制解调电路和模数转换电路的工作原理及用途。 本章要求:了解各种转换电路的基本概念、工作原理、用途和特点;掌握各种转换电路的一般应用。,第一节 概述,信号变换包括将无能量的参数信号转换成有能量的电压或电流信号,还包括信号的放大,调制解调、滤波、AD转换等等,是测式系统中重要的部分。,第二节 测量电桥,直流电桥,交流电桥,不平衡电桥,平衡电桥,一、直流电桥 1平衡电桥,图4-1 直流电桥,电桥的平衡条件为:,2非平衡电桥 (1)单臂工作电桥,设R2=R3=R4=R0,R1=R0+R,输出电压:,若RR0,则,单臂电桥灵敏度:,在电桥电路
2、中灵敏度定义:,(2)双臂工作电桥(半桥),两个邻边桥臂有相同的微电阻变化。,输出电压:,双臂电桥灵敏度:,(3)四臂工作电桥(全桥),输出电压:,四臂电桥灵敏度:,3、直流电桥的应用,例:如图所示,悬臂梁受拉力F和弯矩M的作用,试分别画出用应变片测拉力和弯矩时应变片的布置方法,接桥方式,并说明所用方式能否进行温度补偿?并计算出U0(假定输入电压为US)。,测拉伸,R1 R2,R3 R4,可以进行温度补偿,测弯曲,R1 R3,R2 R4,可以进行温度补偿,4、电桥的和差特性,相邻桥臂的应变若极性相同时,电桥的输出电压与两应变之差有关;相邻桥臂的应变若极性相反时,电桥的输出电压与两应变之和有关。
3、,相对桥臂的应变若极性相同时,电桥的输出电压与两应变之和有关;相对桥臂的应变若极性相反时,电桥的输出电压与两应变之差有关。,极性相同,邻边差,对边和,二、交流电桥 1交流电桥的平衡条件,采用交流电压供电,四个桥臂阻抗为Z,当Z1Z3-Z2Z4=0 时,电桥输出为零,达到平衡 ,则:,Z是复数,可以写成:,交流电桥的平衡条件:,Rs1,Rs2-线圈损耗电阻,L1,L2-等效电感; R3,R4-平衡电阻。,2、交流电桥的应用,变压器式交流电桥,电桥的接法:,作业,如图3所示,为使电桥在一定的供桥电压US下输出电压最大,试在悬臂梁上贴上两个应变片,并连接两个固定电阻组成双臂桥;贴上四个应变片组成全桥
4、;分别画出贴片位置和接线图;说明所用方式能否进行温度补偿?计算出U0。(取R1=R2=R3=R4),第三节 调制器与解调器,一、概述,目的:解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。,信号的传输问题,先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去,然后利用交流放大器进行放大,最后再从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号。,微弱缓变信号的放大,1、有关术语 调 制 :缓变信号变成高频交变信号的过程 。 调制波:缓变信号称为调制信号。 载 波:高频交变信号称为载波。 已调波:经过被测信号调制后的载波称为已调波 。 解 调:从已调波中恢复出调制信号的过程。,2、调制的种类,调制(载波信号是谐波信号),调
5、制(载波信号是方波信号),a) 幅度凋制(AM),b) 频率调制(FM),c) 相位调制(PM),二、调幅,1、工作原理,调幅:将调制信号与载波相乘,使载波的幅值随调制信号幅值的变化而变化。,幅度调制过程(频谱分析),2、电桥调幅,当某一桥臂阻值发生变化电桥电压输出为,电源电压为高频正弦波,即,如电阻变化也为一正弦变化,则,则电桥输出电压信号为,讨论分析:,由于载波的幅值恒定,所以已调波的幅值与调制信号的幅值成正比;,已调波中包含有调制信号的方向信息。在调制信号为正值时,已调制波与载波同相位,调制信号为负值时,已调制波与载波的相位相反。,3、非抑制调幅,若对信号x(t)进行偏置,叠加一个直流分
6、量D,使偏置后的信号都具有正电压。,调幅,4、调幅波的波形失真,a)过调失真:对于非抑制调幅,要求其直流偏置必须足够大,否则x(t)的相位将发生180。,b)重叠失真:调幅波是由一对每边为fm的双边带信号组成当载波频率fz较低时,正频端的下边带将与负频端的下边带相重叠要求: fzfm,三、幅值调制的解调,1整流检波解调,若调制信号发生极性变化,叠加一直流分量后进行调制。对已调波作整流(半波或全波整流)和低通滤波处理,可复现原调制信号(若叠加了直流分量,则须准确地减去该直流分量)。,解调,二极管检波,低通滤波,整流检波解调,2同步解调,同步解调:用已调制波再与载波信号相乘一次。,乘法器,滤波器,
7、z(t),x(t),将调幅波与载波再次相乘,得,同步解调,3相敏解调,相敏检波解调器能够将已调制波在幅值和极性上完全恢复调制信号,它根据调幅波和载波的相位差来判别调制信号极性。,(1)已调制波与载波同相,当同为正半周时,回路1: CD4aO1RLO2 回路2: O2RLO1D1d,RL上流过的电流为iL=i1-i4,起作用的电势:,当调制信号和载波同为负半周时,二极管D3、D2处于导通状态 。,相敏解调波形,(4)应用实例,动态应变仪器,四、频率调制与解调,1频率调制器及工作原理,频率调制:用低频调制信号控制高频载波信号频率的过程。,调频波:随调制信号变化的蔬密不等的等幅波。,调频波:随调制信
8、号变化的蔬密不等的等幅波。,等效电路,等效阻抗:,谐振电路,谐振回路的谐振频率为:,直接调频:把被测参数的变化直接转化为振荡器频率的变化。,例:电容传感器测位移,初始状态:,当被测物体位移发生变化时:,振荡频率:,2调频波的解调-鉴频器,鉴频器:将已调波的频率变化转换成电压的变化。即将等幅调频波变换成幅度与调频波频率变化成正比的调频调幅波,再进行幅度检波,以恢复调制信号。,鉴频:,变压器耦合的谐振回路鉴频器,L1、L2是变压器原、副线圈,它们和C1、C2组成并联谐振回路。ef为输入的调频信号,在回路的谐振频率fn处,线圈L1、L2的耦合电流最大,副边输出电压ea也最大;ef频率离fn越远,线圈
9、L1、L2的耦合电流越小,副边输出电压ea也越小;从而将调频波信号频率的变化转化为电压幅值的变化。,特性曲线,优点:抗干扰能力强。,调频波通常要求很宽的频带,甚至为调幅所要求带宽的20倍;调频系统较之调幅系统复杂,因为频率调制足一种非线性调制。,因为调频信号所携带的信息包含在频率变化之中,并非振幅之中,而干扰波的干扰作用则主要表现在振幅之中,缺点:占频带宽度大,复杂,第四节 滤波器,一、滤波器的作用及分类,作用,滤波器:允许信号中某些频率成份通过,其它频率成份受到抑制,一种具有选择频率功能的装置。,剔除无用信号(噪声,干扰等); 分离不同频率的有用信号; 对测量仪器或控制系统的频率特性进行补偿
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- 第五 信号 变换
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