測(cè)試技術(shù)與信號(hào)處理(第五章 信號(hào)的變換和記錄) 合工大工程碩士課件

第五章

信號(hào)的變換和記錄第一節(jié)電

橋第二節(jié)濾波器第三節(jié)調(diào)制與解調(diào)第四節(jié)信號(hào)的記錄第一節(jié)電

橋

被測(cè)量經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成的電信號(hào)，通常需要進(jìn)行某些變換（調(diào)理）和處理，以便提高信噪比，并把信號(hào)轉(zhuǎn)換成更便于處理、接收和顯示的形式，最終轉(zhuǎn)換為儀表示值，或被記錄，或輸入計(jì)算機(jī)、控制裝置，或供人觀察。

電橋是一種常用的轉(zhuǎn)換電路，通過(guò)它可以將電阻、電感或電容等參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電壓的輸出。電橋有四個(gè)橋臂，可以由傳感器中的電阻、電容或電感元件與固定電阻(或其他電抗)組成。供橋電源電壓為直流電壓時(shí)，稱直流電橋；供橋電源電壓為交流電壓時(shí)，稱交流電橋。

電橋的工作方式有偏差工作方式和調(diào)零工作方式。動(dòng)態(tài)測(cè)試大多使用偏差工作方式。電橋電路簡(jiǎn)單可靠，且能達(dá)到高精度和高靈敏度，所以應(yīng)用廣泛。一、直流電橋

普通的電橋線路是由環(huán)形的四個(gè)橋臂電阻所組成，如圖所示。電阻R1，R2，R3和R4稱為橋臂；四個(gè)橋臂的連接點(diǎn)稱為頂點(diǎn)；兩個(gè)相對(duì)頂點(diǎn)A，C上接直流電源Us，另兩個(gè)頂點(diǎn)B，D上引出導(dǎo)線作為電橋的輸出端Uo。

當(dāng)直流電橋的一個(gè)臂或幾個(gè)橋臂由微變化電阻式傳感器構(gòu)成時(shí)，直流電橋的輸出電壓與電阻傳感器的微電阻變化量ΔR有關(guān)，由此可以通過(guò)直流電橋的輸出電壓推知微電阻傳感器的應(yīng)變信號(hào)。第一節(jié)電

橋1．平衡電橋

設(shè)直流電橋的電源電壓恒定；輸出端所接負(fù)載內(nèi)阻極大，即可看成開路，其輸出電壓為：

由上式可見：若R1R3＝R2R4，則輸出電壓必為零，此時(shí)電橋處于平衡狀態(tài)，稱為平衡電橋。平衡條件為

R1R3＝R2R4

如果此時(shí)四個(gè)橋臂中有一個(gè)以上的橋臂電阻發(fā)生變化，那么此時(shí)的平衡狀態(tài)就被打破，輸出的電壓Uo就反映了橋臂電阻的變化情況。2．非平衡電橋(1)單臂工作電橋（半橋單臂）以橋臂電阻Rl作為工作臂，設(shè)R2=R3=R4=R0，Rl＝R0+ΔR，其中Ro為一常數(shù)，則輸出電壓為:若電橋用于微電阻變化測(cè)量，有ΔR遠(yuǎn)小于R0，則第一節(jié)電

橋(2)雙臂工作電橋（半橋雙臂）

兩個(gè)鄰邊橋臂有相同的微電阻變化，如電阻Rl有變化Ro+ΔR，R2有變化Ro-ΔR，這樣的電橋也稱為差動(dòng)電橋。同樣可導(dǎo)出公式：(3)四臂工作電橋（全橋四臂）

四個(gè)橋臂均有相同的微電阻變化，且電阻變化以差動(dòng)方式增大或減小，滿足以下關(guān)系R1＝R2＝R3＝R4＝Ro，ΔRl＝ΔR3＝ΔR，ΔR2＝ΔR4＝-ΔR；其輸出電壓為：因此可見，測(cè)量臂的數(shù)量增加，使得輸出也會(huì)增加。3電橋靈敏度和非線性誤差1）電橋靈敏度：

在電橋電路中靈敏度定義為

它將ΔR／R0作為輸入，而不是僅把ΔR當(dāng)作輸入。由此可以求得上述各種電橋的靈敏度分別為S1＝1／4Uo；S2＝1/2Uo；S4＝Uo

。2)非線性誤差

單測(cè)量臂的電橋由于在分母上有2ΔR項(xiàng)，使輸出電壓的變化與電阻的變化具有非線性誤差，在精密測(cè)量中要考慮這個(gè)非線性誤差的影響。

第一節(jié)電

橋4電橋調(diào)零工作方式（零位測(cè)量法）

上述電橋是在不平衡條件下工作的，它的缺點(diǎn)是當(dāng)電源電壓不穩(wěn)定，或者環(huán)境溫度有變化時(shí)，都會(huì)引起電橋輸出的變化，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差。為此，在某些情況下采用平衡電橋，如下圖。

設(shè)被測(cè)量等于零時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，此時(shí)指示儀表G及可調(diào)電位器H指零。當(dāng)某一橋臂隨被測(cè)量變化時(shí)，電橋失去平衡。調(diào)節(jié)電位器H，改變電阻R5觸點(diǎn)位置，可使電橋重新平衡，電表G指針回零。電位器H上的標(biāo)度與橋臂電阻值的變化成比例，故H的指示值可以直接表達(dá)被測(cè)量的數(shù)值。這種測(cè)量法的特點(diǎn)是在讀數(shù)時(shí)電表G始終指零，因此為“零位測(cè)量法”。

由于平衡電橋最終的輸出為零，因此測(cè)量誤差取決于可調(diào)電位器的精確度，而與電橋電源電壓無(wú)關(guān)。一般靜態(tài)應(yīng)變儀往體采用這種平衡電橋，并以手功實(shí)現(xiàn)平衡。在電子電位差計(jì)或x—Y記錄儀中，通常是以伺服電動(dòng)機(jī)來(lái)調(diào)整電位器的位量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)平衡。第一節(jié)電

橋二、交流電橋1．交流電橋的平衡條件

如圖所示為交流電橋。它采用交流電壓供電，四個(gè)橋臂可以是電感L、電容C或者電阻R，均用阻抗符號(hào)Z表示。

根據(jù)對(duì)直流電橋的討論可以寫出：

當(dāng)ZIZ3—Z2Z4＝0時(shí)，電橋輸出為零，達(dá)到平衡這時(shí)有：ZIZ3=Z2Z4Z是復(fù)數(shù)，可以寫成：電橋平衡應(yīng)有：可以表示為

上式為交流電橋的平衡條件，相對(duì)橋臂模的乘積相等，相對(duì)橋臂幅角之和相等。為滿足上述平衡條件，交流電橋各臂可有不同的組合。常用的電容、電感電橋，其相鄰兩臂按入電阻(例如Z2=R2；Z3=R3；φ2=φ3=0)，而另外兩個(gè)橋臂接入相同性質(zhì)的阻抗，例如都是電容或者都是電感，保持φ1=φ4。第一節(jié)電

橋

下圖是一種常用電容電橋，兩相鄰橋臂為純電阻R2、R3，另外相鄰兩臂為電容C1、C4。此時(shí)R1、R4可視為電容介質(zhì)損耗的等效電阻。根據(jù)平衡條件，有：今上式的實(shí)數(shù)和虛數(shù)部分分別相等，則有下面兩個(gè)平衡條件，即由此可知，耍使電橋達(dá)到平衡，必須同時(shí)調(diào)節(jié)電阻與電容兩個(gè)參數(shù)，即調(diào)節(jié)電阻達(dá)到電阻平衡，調(diào)節(jié)電容達(dá)到電容平衡。下圖是一種常用電感電橋，兩相鄰橋臂為電感L1、L4與電阻R2、R3，根據(jù)電橋平衡條件應(yīng)為2．交流電橋的平衡調(diào)節(jié)

交流電橋平衡調(diào)節(jié)比直流電橋的平衡調(diào)節(jié)要復(fù)雜好多，即使對(duì)于純電阻交流電橋，并非只是考慮電阻的平衡，由于導(dǎo)線間存在分布電容，相當(dāng)于各個(gè)橋臂上并聯(lián)了一個(gè)電容，因此在調(diào)節(jié)平衡時(shí)，除了考慮阻抗的模的平衡條件，還要考慮阻抗角的平衡條件。對(duì)于交流電橋的平衡，常常需要反復(fù)調(diào)節(jié)多次，才能夠使電阻、電抗同時(shí)達(dá)到平衡。第一節(jié)電

橋三、應(yīng)用實(shí)例

第一節(jié)電

橋應(yīng)用實(shí)例第一節(jié)電

橋應(yīng)用實(shí)例例3

供橋電壓為3v，并以阻值R＝120Ω，靈敏度S＝2的應(yīng)變片和阻值為120Ω的固定電阻組成電橋。假定負(fù)載電阻為無(wú)窮大，當(dāng)應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)?με和2000με時(shí)，分別求出單臂、雙臂電橋的輸出電壓，并比較兩種情況下的靈敏度。第五章第二節(jié)濾波器

濾波器是一種選頻裝置，其基本作用是選頻，即允許信號(hào)中某些頻率成分通過(guò)，其他的頻率成分受到抑制。測(cè)試信號(hào)大多已經(jīng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，因此濾波器應(yīng)用較多的形式是各種電路。

對(duì)于濾波器，信號(hào)能夠通過(guò)它的頻率范圍稱之為頻率通帶；被它抑制或者極度衰減掉的信號(hào)頻率范圍稱之為頻率阻帶；通帶與阻帶的交界點(diǎn)稱之為截止頻率。一、濾波器的分類

濾波器按照能夠通過(guò)的頻率范圍可以分為四類。它們分別是低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。它們的幅頻特性見下圖。

圖中，低通濾波器允許信號(hào)低頻通過(guò)而抑制信號(hào)高頻部分；高通濾波器正好相反高頻信號(hào)通過(guò)，低頻信號(hào)被抑制；帶通濾波器允許信號(hào)中某段頻率成分通過(guò)而抑制其余頻率成分；與之相反，帶阻濾波器抑制信號(hào)中某段頻率成分而允許其余頻率成分通過(guò)。第二節(jié)濾波器

濾波器還有其它不同分類方法，例如，

根據(jù)構(gòu)成濾波器的元件類型，可分為RC、LC或晶體諧振濾波器；

根據(jù)構(gòu)成濾波器的電路性質(zhì)，可分為有源濾波器和無(wú)源濾波器；

也可根據(jù)濾波器所處理的信號(hào)性質(zhì)，分為模擬濾波器與數(shù)字濾波器等等。二、理想濾波器

理想濾波器在通帶頻段內(nèi)應(yīng)滿足不失真條件，即幅頻特性為常數(shù)，相頻特性是頻率的線性函數(shù)。在阻帶頻段幅頻特性應(yīng)該等于零。系統(tǒng)頻響函數(shù)可以描述為：其幅頻、相頻特性分別為：它對(duì)單位脈沖信號(hào)輸入的響應(yīng)：其圖形如圖所示。第二節(jié)濾波器

各種理想濾波器在截止頻率點(diǎn)上的幅頻特性轉(zhuǎn)折非常尖銳、陡峭，描述它的指標(biāo)有截止頻率fc和帶寬B，B＝fc2-fc1。

把—個(gè)單位階躍信號(hào)U(t)，如圖

(a)所示，輸入到一個(gè)理想濾波器，根據(jù)第三章的分析可知，其輸出在時(shí)域就是理想濾波器的單位脈沖響應(yīng)h(t)如圖

(b)與單位階躍信號(hào)U(t)的卷積，如圖

(c)。

在圖(c)中，如果定義由最小到最大值所需的時(shí)間為上升時(shí)間τd，則表示為

此處的fc是這一低通濾波器的上截止頻率，它的大小代表了這一低通濾波器的工作頻帶的寬度B。所以可以得到一個(gè)結(jié)論：濾波器的上升時(shí)間與截止頻率(帶寬)成反比。這一結(jié)論對(duì)其他類型的濾波器也適用。第二節(jié)濾波器三、實(shí)際濾波器的描述

實(shí)際濾波器不可能同時(shí)得到理想的不變幅度和理想的相位特性，但可以做到對(duì)理想濾波器的足夠逼近，以滿足實(shí)際測(cè)量的需要。1實(shí)際濾波器的基本參數(shù)1）紋波幅度d

濾波器頂部幅值的波動(dòng)量，稱為紋波幅度，幅頻特性平均值為A0。d／A0越小越好，至少應(yīng)小于-3dB，即：2）截止頻率

幅頻特性值A(chǔ)0

下降到0.707A0時(shí)，所對(duì)應(yīng)的頻率為截止頻率fc，也稱“負(fù)三分貝頻率(-3dB)”。圖中fc1，fc2分別為上下截止頻率。3）帶寬和品質(zhì)因素

上下截止頻率之間的頻率范圍稱為濾波器帶寬，因?yàn)樗詅c2—fc1也稱“負(fù)三分貝帶寬”，標(biāo)以B-3dB。把中心頻率fn和帶寬B之比稱為帶通濾波器的品質(zhì)因素，以Q表示式中，fn為中心頻率，4）倍頻程選擇性

倍頻程選擇性是描述對(duì)帶寬外頻率成份衰減的能力，是以2fc2或者1/2fc1的分貝數(shù)來(lái)表征。其絕對(duì)值越大衰減越快，濾波器選擇性越好。第二節(jié)濾波器2實(shí)際濾波器的基本特性1)一階RC低通濾波器

RC低通濾波器的典型電路如圖所示。

設(shè)濾波器的輸入信號(hào)電壓ux，輸出信號(hào)電壓為uy，電路的微分力程式為：

令τ=Rc，稱時(shí)間常數(shù)。對(duì)上式進(jìn)行拉氏變換，可得傳遞函數(shù)：濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)為：它的幅頻特性和相頻特性分別為：幅頻、相頻特性如圖所示。第二節(jié)濾波器2)一階RC高通濾波器下圖表示RC高通濾波器。

設(shè)輸入信號(hào)電壓為ux，輸出信號(hào)電壓為uy，則微分方程式為同理，令τ=Rc，稱時(shí)間常數(shù)。則傳遞函數(shù)為頻率響應(yīng)、幅頻特性和相頻特性分別為幅頻、相頻特性如圖所示。第二節(jié)濾波器3）RC帶通濾波器

帶通濾波器可以看成是低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)組成。幅頻特性和相頻特性分別為：

串聯(lián)所得的帶通濾波器以原高通的截止頻率為下截止頻率，即相應(yīng)地其上截止頻率為原低通的截止頻率，即第二節(jié)濾波器四

應(yīng)用實(shí)例第五章

第三節(jié)調(diào)制與解調(diào)

在信號(hào)的測(cè)試過(guò)程中，被測(cè)信號(hào)多為緩變信號(hào)。直接放大處理這樣的信號(hào)會(huì)遇到放大器的漂移和外界低頻的干擾。因此，在實(shí)際測(cè)量中，往往先將緩變信號(hào)等價(jià)的變成具有較高頻率的交變信號(hào)，然后進(jìn)行放大處理，再?gòu)母哳l交變信號(hào)中將緩變信號(hào)提取出來(lái)。

緩變信號(hào)變成高頻交變信號(hào)的過(guò)程稱為調(diào)制，調(diào)制也可以稱用被測(cè)緩變信號(hào)對(duì)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)高頻振蕩進(jìn)行控制的過(guò)程；被測(cè)信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)；標(biāo)準(zhǔn)高頻振蕩稱為載波；經(jīng)過(guò)被測(cè)信號(hào)調(diào)制后的載波稱為已調(diào)制波。調(diào)制信號(hào)控制高頻振蕩幅值的調(diào)制稱幅值調(diào)制；調(diào)制信號(hào)控制高頻振蕩頻率的調(diào)制稱頻率調(diào)制；調(diào)制信號(hào)控制高頻振蕩相位的調(diào)制稱相位調(diào)制。這里主要介紹常用的幅值調(diào)制和頻率調(diào)制。

解調(diào)是從已調(diào)制波中不失真地恢復(fù)原來(lái)緩變信號(hào)的過(guò)程。一、幅值調(diào)制

幅值調(diào)制是使載波信號(hào)的幅值隨調(diào)制信號(hào)的變化而線性變化，其調(diào)制信號(hào)、載波及已調(diào)制波如圖所示。

幅值調(diào)制是高頻交變載波信號(hào)與被測(cè)調(diào)制信號(hào)在時(shí)域上進(jìn)行乘法運(yùn)算。交流電橋是常用的幅值調(diào)制器。第三節(jié)調(diào)制與解調(diào)

交流電橋的幅值調(diào)制如圖所示。

若其四個(gè)橋臂均為純電阻，經(jīng)過(guò)適當(dāng)調(diào)整阻值后電橋達(dá)到平衡。此時(shí)，如果其中某—橋臂阻值發(fā)生變化使電橋失去平衡而形成的電壓輸出為：電源電壓為高頻正弦波，即：如果輸入信號(hào)引起的電阻變化也是一個(gè)正弦變化，有：則電橋輸出電壓信號(hào)為：

其波形變化規(guī)律可以看出已調(diào)制波的幅值是由調(diào)制信號(hào)對(duì)高頻載波施加控制的結(jié)果。由于載波的幅值恒定，所以已調(diào)波的幅值與調(diào)制信號(hào)的幅值成正比；己調(diào)波的相位與調(diào)制信號(hào)的符號(hào)相關(guān)，在調(diào)制信號(hào)為正值時(shí)，己調(diào)制波與載波同相位，調(diào)制信號(hào)為負(fù)值時(shí)，已調(diào)制波與載波的相位相反。己調(diào)制波中包含有調(diào)制信號(hào)的方向信息。第三節(jié)調(diào)制與解調(diào)二、幅值調(diào)制的解調(diào)

幅值調(diào)制的解調(diào)過(guò)程是將已調(diào)制波恢復(fù)為原低頻調(diào)制信號(hào)的過(guò)程。實(shí)現(xiàn)這一過(guò)程有如下幾種方法。1．整流檢波解調(diào)

這種方法在時(shí)域上信號(hào)流程如圖所示。

被測(cè)信號(hào)即調(diào)制信號(hào)，在進(jìn)行幅值調(diào)制前先加上一直流偏置，使調(diào)制信號(hào)不再具有雙向極性，然后與載波信號(hào)相乘得到已調(diào)制波。在解調(diào)時(shí)只需要對(duì)已調(diào)制波作整流和檢波，最后去掉施加的直流偏置，即可得到原調(diào)制信號(hào)了。

這種方法雖然可以恢復(fù)原來(lái)低頻信號(hào)，但在調(diào)制解調(diào)過(guò)程中有一個(gè)加、減直流的過(guò)程，因?yàn)樵趯?shí)際工作中要使某一直流本身穩(wěn)定，并且使兩個(gè)直流完全相同很難實(shí)現(xiàn)。這樣就會(huì)導(dǎo)致原來(lái)的波形與解調(diào)后的波形在幅值上可能成比例，但是在分界正負(fù)極性的零點(diǎn)上產(chǎn)生漂移，從而在分辨原來(lái)的信號(hào)正負(fù)極性上存在誤差。第三節(jié)調(diào)制與解調(diào)2．相敏解調(diào)

相敏檢波解調(diào)器能夠?qū)⒁颜{(diào)制波在幅值和極性上完全恢復(fù)調(diào)制信號(hào)。環(huán)形相敏解調(diào)器是幅值解調(diào)中最常用的一種。其電路原理如圖所示。

橋式電路由四個(gè)特性完全一致的二極管組成、橋路的兩個(gè)對(duì)角線端口通過(guò)兩個(gè)耦合變壓器分別輸入已調(diào)制波ey和具有與載波信號(hào)相同參數(shù)的電壓μ，并且u≥ey

。由上述可知，當(dāng)調(diào)制信號(hào)ΔR處于正半周時(shí)，已調(diào)制波與載波同相，而當(dāng)調(diào)制波ΔR處于負(fù)半周時(shí)，已調(diào)制波與載波相位相反。相敏檢波就是利用已調(diào)制波與載波這種同相與反相關(guān)系來(lái)鑒別調(diào)制波ΔR的正負(fù)極性的。

已調(diào)制波從變壓器Bl參考電壓由變壓器B2分別輸入到相敏檢波器、使u≥ey，O1、O2為變壓器B1，B2的中心抽頭，RL為負(fù)載，比如為指針式儀表。根據(jù)晶體管的工作原理分析，晶體二極管兩端所施加的電壓如果負(fù)端低于正端0.7v，該二極管導(dǎo)通；不滿足此條件，該二極管就截止。第三節(jié)調(diào)制與解調(diào)

若已調(diào)制波與載波同相，見圖(a)所示。

當(dāng)同為正半周時(shí)，四個(gè)二極管只有Dl、D4正偏導(dǎo)通，電路中的電流由兩個(gè)回路流通，—是沿c—D4一a—OI—RL一O2回路流動(dòng)的電流i4，在該回路中起作用的電勢(shì)為(u/2-ey/2)；另一回路O2一RL一Ol一a—D1—d流動(dòng)的電流形成該電流的電勢(shì)為(u/2+ey/2)。i1和i4在RL上的方向相反，在RL上流過(guò)的電流為iL=i1-i4，流動(dòng)方向?yàn)閺挠业阶螅鹱饔玫碾妱?shì)為

同理，當(dāng)調(diào)制信號(hào)和載波同為負(fù)半周時(shí)，二極管D3，D2處于導(dǎo)通狀態(tài)，同樣可以分析出負(fù)載RL上的總電流iL與上述情況完全相同，電流的方向也是從右到左的，見圖(b)所示。

如果調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào)相位相反，則無(wú)論是正半周，還是負(fù)半周，由上述可以分析出，所得結(jié)果與上述分析相同時(shí)的結(jié)果完全相反。負(fù)載RL上流過(guò)的電流方向總是從左到右的。

第三節(jié)調(diào)制與解調(diào)

如果在負(fù)載RL兩端取電壓輸出，其波形為相敏解調(diào)波形，如圖所示。

因此相敏解調(diào)后的時(shí)域波形外包絡(luò)線就是原調(diào)制信號(hào)；即還需要經(jīng)過(guò)低通濾波器使其中高頻信號(hào)濾除，才真正得到原來(lái)測(cè)量信號(hào)。4．應(yīng)用電路

幅值調(diào)制與解調(diào)技術(shù)在工程上的應(yīng)用有很多，動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀就是利用交流電橋作調(diào)幅、利用相敏檢波解調(diào)的測(cè)試電路。如圖所示為Y6D—2動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的工作原理框圖。

交流電橋由振蕩器供給高頻等幅正弦激勵(lì)電壓作為載波信號(hào)。被測(cè)對(duì)象其變形用應(yīng)變片來(lái)獲取。應(yīng)變片將變形量轉(zhuǎn)換成電阻的變化，即構(gòu)成交流電橋一個(gè)橋臂的變化。當(dāng)無(wú)應(yīng)變時(shí)，交流電橋呈現(xiàn)平衡狀態(tài)；當(dāng)有應(yīng)變時(shí)，應(yīng)變片構(gòu)成的橋臂電阻發(fā)生變化，使電橋失去平衡，從而造成電壓輸出，即輸出電壓為已調(diào)制波，再經(jīng)過(guò)放大器放大，相敏檢波解調(diào)和濾波，最終由記錄儀器顯示原調(diào)制信號(hào)，這樣被測(cè)對(duì)象的應(yīng)變情況包括應(yīng)變的幅值和正負(fù)極性都能準(zhǔn)確無(wú)誤地展現(xiàn)出來(lái)。第三節(jié)調(diào)制與解調(diào)三、頻率調(diào)制與解調(diào)

頻率調(diào)制是用低頻調(diào)制信號(hào)控制高頻載波信號(hào)頻率的過(guò)程。調(diào)頻過(guò)程中載波的幅值保持不變，僅僅載波頻率隨調(diào)制信號(hào)的幅值成正比地改變。所以調(diào)頻波就是一個(gè)隨調(diào)制信號(hào)變化的疏密不等的等幅波。如圖所示。

當(dāng)調(diào)制信號(hào)幅值增加時(shí)，調(diào)頻波的頻率隨著增加；當(dāng)調(diào)制信號(hào)幅值下降時(shí)，調(diào)頻波的頻率也隨著下降。

雖然調(diào)頻的作用也是實(shí)現(xiàn)頻移，但是調(diào)頻較之調(diào)幅主要的優(yōu)越性是它的抗干擾能力較強(qiáng)。因?yàn)樵肼暩蓴_會(huì)直接影響信號(hào)的幅值，這樣調(diào)頻波對(duì)于施加振幅變化影響的噪聲就不是那么敏感了，所以調(diào)頻系統(tǒng)的信噪比要比調(diào)幅系統(tǒng)大為改善，同時(shí)便于遠(yuǎn)距離傳輸，容易采用數(shù)字技術(shù)與后續(xù)設(shè)備相銜接，與調(diào)幅相比有更多的優(yōu)點(diǎn)。1頻率調(diào)制器及工作原理

頻率調(diào)制最普通的方法是將傳感器輸出的電壓信號(hào)輸入到—個(gè)電壓/頻率變換器，變換器的輸出就是一個(gè)進(jìn)行了頻率調(diào)制的已調(diào)制波。第三節(jié)調(diào)制與解調(diào)

下圖是利用電抗元件(電容或者電感)組成的調(diào)諧振蕩器。

將電抗元件作為傳感器，將傳感器獲取的被測(cè)信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)，將振蕩器原有的振蕩信號(hào)作為載波。當(dāng)調(diào)制信號(hào)輸入時(shí)，振蕩器的輸出就是被頻率調(diào)制的己調(diào)制波。圖為一個(gè)LC振蕩器，該回路中LC兩端如果沒有衰減的話，應(yīng)按Asinω0t作簡(jiǎn)諧振蕩變化的，其振蕩頻率為:

此信號(hào)為調(diào)頻器的載波信號(hào)。若C0為一個(gè)電容傳感器，當(dāng)測(cè)試被測(cè)物理量時(shí)，傳感器的電容值產(chǎn)生一個(gè)隨被測(cè)物理量變化的附加電容變化量ΔC，此時(shí)諧振回路的電容變?yōu)镃0+ΔC，其振蕩頻率變?yōu)?/p>

可見，當(dāng)被測(cè)物理量變化引起振蕩回路中電容變化時(shí)，振蕩回路的圓頻率也隨著有一個(gè)變化Δω0；所以振蕩器的圓頻率受被測(cè)物理量的控制，這就是調(diào)頻過(guò)程。如下圖，是一個(gè)調(diào)頻過(guò)程中的時(shí)域波形。調(diào)制信號(hào)就是電容量的變化為一簡(jiǎn)諧信號(hào)，以ω0為圓頻率的高頻振蕩信號(hào)為載波信號(hào)。已調(diào)制波的圓頻率隨著輸入信號(hào)的變化而增加或者減少Δω，形成疏密變化的己調(diào)制波。第三節(jié)調(diào)制與解調(diào)2．調(diào)頻波的解調(diào)

頻率調(diào)制后的解調(diào)電路常常稱為鑒頻器，其作用是將已調(diào)制波的頻率變化轉(zhuǎn)換成電壓的變化，即恢復(fù)出被測(cè)信號(hào)的波形。

通常鑒頻器由線形變換電路和幅值檢波器構(gòu)成，如下圖所示。其工作原理基于諧振回路的頻率特性，已調(diào)頻波ef經(jīng)過(guò)LI、L2耦合，加于由L2、C2組成的諧振回路上，在回路的諧振頻率ωn處，線圈L1、L2中的耦合電流最大，副邊輸出電壓也最大。通常利用諧振回路曲線近似直線的一段來(lái)工作，將調(diào)頻時(shí)的載波頻率設(shè)置在直線工作段的中點(diǎn)，在有頻率偏差Δω時(shí)，就在ω0附近工作，如圖所示Δω是一個(gè)正弦波，則叫ω0±Δω所對(duì)應(yīng)的線形變換輸出為一頻率為ω0±Δω、幅值為隨這些頻率變化對(duì)應(yīng)的諧振曲線上的各值，所以e0就是—個(gè)既有頻率變化，又有幅值變化的調(diào)頻調(diào)幅波。由于在特性曲線的直線段工作，所以e0的幅值變化與Δω變化成線形關(guān)系。

后續(xù)的幅值檢波電路是最常見的整流濾波部分，它將調(diào)頻調(diào)幅波變換成只剩下它的包絡(luò)線的電壓變化波形，它與原始的頻率偏差信號(hào)Δω即被測(cè)量對(duì)應(yīng)的ΔC信號(hào)在幅值變化上是完全一致的，即恢復(fù)了原來(lái)的信號(hào)。

第五章

第四節(jié)信號(hào)的記錄

記錄儀器是測(cè)試系統(tǒng)的輸出設(shè)備。從使用觀察的角度出發(fā)，常用的記錄儀器可分為顯式記錄僅和隱式記錄儀。顯示記錄僅能夠提供可見的信號(hào)圖形，但不便于分析和長(zhǎng)期保存；隱式記錄儀所記錄的信號(hào)。有利于長(zhǎng)期保存，特別是能夠與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，對(duì)信號(hào)進(jìn)行重現(xiàn)和分析是十分方便和快捷的，但缺點(diǎn)是不能提供可見的信號(hào)圖形，如果觀察信號(hào)需借助其他電子設(shè)備再現(xiàn)。一、記錄儀器的作用和分類

記錄儀器用于記錄反映被測(cè)信號(hào)變化過(guò)程的輸出設(shè)備。它是測(cè)試系統(tǒng)中不可缺少的環(huán)節(jié)，它所起的作用可歸納為兩個(gè)主要方面：

(1)測(cè)試系統(tǒng)所獲取的信號(hào)，并使之變成人們能夠直接觀察的圖形；(2)保存測(cè)試系統(tǒng)所獲取的信號(hào)，并使之能夠借助其他儀器進(jìn)行分析和重放。

記錄儀器的性能指標(biāo)在測(cè)試系統(tǒng)中具有重要意義。例如，當(dāng)記錄儀器的工作頻率范圍比較窄時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)其他各部分的頻率范圍再寬也發(fā)揮不出應(yīng)有的作用。再如，當(dāng)記錄儀器的精度比較低時(shí)，選用高精度的傳感器和測(cè)試系統(tǒng)也只能是一個(gè)浪費(fèi)。

用于測(cè)試系統(tǒng)的輸出設(shè)備有顯示儀器和記錄儀器兩類，這里僅介紹記錄儀器。常用的記錄儀器有兩種，即顯式記錄儀和隱式記錄儀。第四節(jié)信號(hào)的記錄

（1）顯式記錄儀器包括有各種直寫式記錄儀、光線示波器等。它們還可分為電位計(jì)式(以電壓信號(hào)形式進(jìn)行記錄)和檢流計(jì)式(以電流信號(hào)形式進(jìn)行記錄)。顯式記錄儀的輸出結(jié)果，能夠立即或者經(jīng)適當(dāng)后續(xù)處理，在記錄介質(zhì)(如紙帶、感光紙等)上觀察到所測(cè)信號(hào)的變化情況。（2）隱式記錄儀所記錄的信號(hào)不能在記錄介質(zhì)上直接觀察到，需要通過(guò)其他儀器設(shè)備才能顯示出來(lái)，如磁帶記錄儀。隱式記錄儀器所記錄的信號(hào)可以方便地進(jìn)行變換和頻譜分析等，還可以方便地通過(guò)計(jì)算機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行再處理，從而獲得所測(cè)信號(hào)攜帶的多種信息。

特別是近代控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)對(duì)各種機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷，要求記錄介質(zhì)容量十分大，顯式記錄儀器所用的記錄介質(zhì)(如紙帶、感光紙等)不能滿足這種要求。而以磁帶或磁盤等作為記錄介質(zhì)的隱式記錄儀器正適應(yīng)了機(jī)電技術(shù)的發(fā)展要求，因此，在最近幾年來(lái)得到了迅速發(fā)展。

另外根據(jù)所提供信號(hào)的取值情況可分為模擬信號(hào)記錄儀器和數(shù)字信號(hào)記錄儀器；根據(jù)輸入信號(hào)的數(shù)量可以有單參數(shù)記錄儀器、雙參數(shù)函數(shù)關(guān)系記錄儀器(如X—y函數(shù)記錄儀)和多維函數(shù)關(guān)系記錄儀器(如瀑布圖、坎貝爾圖的繪制等)，不過(guò)，多維函數(shù)記錄在記錄儀器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)上仍是兩維參數(shù)的記錄與繪制。第四節(jié)信號(hào)的記錄二、記錄儀器的基本組成

記錄儀器的最基本組成部分是記錄頭和記錄介質(zhì)。記錄頭的作用是將被記錄信號(hào)幅值通過(guò)機(jī)械的，光學(xué)的，磁的或其他形式的運(yùn)動(dòng)作用于記錄介質(zhì)上，記錄介質(zhì)與記錄頭的作用配合，在記錄介質(zhì)上留下印跡，以便觀測(cè)或重放。記錄介質(zhì)可以是紙，感光帶，磁帶等。

除了基本部分外，記錄儀器還需配以許多必要的輔助部分，如記錄介質(zhì)的驅(qū)動(dòng)部分、光路系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等，以使記錄儀器能相互協(xié)調(diào)地工作。三、顯式記錄儀器它是將被記錄信號(hào)繪制成人眼可見圖形的記錄儀器。主要有電位計(jì)式記錄儀和檢流計(jì)式記錄儀兩種，它們記錄的是已轉(zhuǎn)化成電壓或電流幅值變化的波形。1、電位計(jì)式記錄儀器

它用來(lái)記錄己轉(zhuǎn)化成電壓的信號(hào)。最常用的電位計(jì)式記錄儀器有電子電位差記錄儀、自動(dòng)平衡電橋記錄儀和兩維記錄的X—Y函數(shù)記錄儀等。它們基本上都是采用閉環(huán)零位平衡系統(tǒng)的伺服記錄儀。一維電位計(jì)式記錄儀的原理結(jié)構(gòu)如圖所示。第四節(jié)信號(hào)的記錄X-y函數(shù)記錄儀是一維電位計(jì)式記錄儀的擴(kuò)展，如圖所示。

無(wú)論是一維電位計(jì)式記錄儀，還是x-Y函數(shù)記錄儀，它們都是記錄模擬電壓信號(hào)的記錄儀。2、檢流計(jì)式記錄儀

檢流計(jì)式記錄儀是用來(lái)記錄已轉(zhuǎn)換成電流的信號(hào)的。實(shí)際測(cè)試中使用的檢流計(jì)式記錄儀有筆式記錄儀和光線示波器等。這種記錄儀的測(cè)量部分相當(dāng)于一個(gè)磁電式檢流計(jì)，用放在磁場(chǎng)中的線圈上的載流導(dǎo)線受的力來(lái)驅(qū)動(dòng)記錄頭。記錄頭的劃寫部分有筆式、光束式、噴射式等，以及新發(fā)屁起來(lái)的熱筆式等類型；與之相配合的記錄介質(zhì)有記錄紙、感光紙或膠卷、感熱生色記錄紙等類型。1）筆式記錄儀

下圖是筆式記錄儀記錄部分的原理結(jié)構(gòu)圖。有一線圈置于磁場(chǎng)中間，當(dāng)線圈通過(guò)被記錄的電流信號(hào)后，因受到電磁力矩的作用而使線圈產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，記錄筆移動(dòng)一定距離。游絲1產(chǎn)生與轉(zhuǎn)角成正比的彈性恢復(fù)力矩，與作為主動(dòng)力矩的電磁力矩相平衡，所以記錄筆移動(dòng)的距離與出入的電流大小成正比。記錄紙作均勻走紙運(yùn)動(dòng)時(shí)，記錄筆在記錄紙上就繪出轉(zhuǎn)換成電流的信號(hào)的波形。第四節(jié)信號(hào)的記錄2）光線示波器

光線示波器是利用被記錄的電流信號(hào)控制光束偏移在感光紙上記錄信號(hào)的。根據(jù)其記錄部分的結(jié)構(gòu)形式．可分為動(dòng)團(tuán)式和動(dòng)磁式兩種；根據(jù)其記錄介質(zhì)類型可分為顯、定影記錄式和直接記錄式兩種。前者的記錄帶是感光膠片，必須經(jīng)過(guò)顯影、定影后才能顯示出記錄曲線；后者是使用特殊的記錄紙帶，這種紙帶僅對(duì)紫外線敏感而對(duì)其他波長(zhǎng)的光線不敏感，紫外線光束在其上劃寫出波形后，還須經(jīng)陽(yáng)光或熒光燈作二次曝光后才能顯示出所記錄的波形。目前應(yīng)用較廣是動(dòng)圈式的紫外線光源直接記錄儀。

第四節(jié)信號(hào)的記錄四、磁帶記錄儀

各種顯式記錄儀雖然能夠直觀地記錄信號(hào)，提供各種記錄圖像，但它們有一個(gè)共同的缺點(diǎn)，就是無(wú)法再用其他的電子儀器進(jìn)行分析和再現(xiàn)。磁帶記錄儀為克服這一缺點(diǎn)提供了有效途徑。

磁帶記錄儀是一種隱式記錄儀器，它是通過(guò)對(duì)鐵磁性材料的磁化進(jìn)行記錄的儀器。由子它的一系列優(yōu)點(diǎn)，使其發(fā)展極為迅速，而且日益廣泛地在各種領(lǐng)域被利用?，F(xiàn)在已成為近代測(cè)試和信號(hào)分析中所必不可少的儀器。

磁帶記錄儀的特點(diǎn)有如下幾個(gè)方面：

(1)磁帶記錄儀可將被記錄信號(hào)長(zhǎng)期保存，多次重放，以電信號(hào)輸出，便于顯式記錄儀重現(xiàn)，便于與計(jì)算機(jī)或其他信號(hào)分析儀器聯(lián)機(jī)使用。便于后續(xù)信號(hào)的分析和處理。

(2)能變換信號(hào)的時(shí)基，實(shí)現(xiàn)信號(hào)的時(shí)間壓縮或擴(kuò)展。它可以實(shí)現(xiàn)重放和記錄時(shí)的速度不同，將信號(hào)頻率進(jìn)行變換，有利于對(duì)信號(hào)(如瞬態(tài)或緩變過(guò)程)的分析研究。

(3)存儲(chǔ)信息密度大，還可作多通道同時(shí)記錄，可保證信號(hào)間的時(shí)間和相位關(guān)系。(4)工作頗帶很寬，可從直流到幾兆赫范圍。

(5)動(dòng)態(tài)范圍較大，可達(dá)70dB以上。(6)存儲(chǔ)信息的穩(wěn)定性高，對(duì)環(huán)境(如溫度、溫度變化)不敏感，而且抗干擾能力強(qiáng)。