第五章 信号调理、处理和记录
§1 电桥 §2 调制与解调 §3 滤波器 §4 放大器 §5 信号的指示和记录装置
返回
§1 电 桥
电桥: 是将电阻、电感、电容等参量的变化变为电 压或电流输出的一种测量电路。
分类：
按激励电压的性质:
• 直流电桥
• 交流电桥
按输出方式:
• 不平衡桥式电路 • 平衡桥式电路
第五章 信号调理、处理和记录
信号调理的目的
信号调理的的目的是便于信号的传输与处理。
1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能 直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需 要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。
2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪 声，需要去掉噪声，提高信噪比。
3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要 对传感器测量信进行调制解调处理。
把调幅波再次与原载波信号相乘后，用一 个低通滤波器滤去高频成分，这样就可以得到 原始信号,但其幅值减小了一半，这一过程称为 同步解调。
“同步”指解调时所乘的信号与调制时的载 波信号具有相同的频率和相位。
xm f
乘法器
调幅波
低通
x(t)
载波y(t)
需要性能良好的 线性乘法器件。
x(t) cos 2ftc
cos 2ftc
x(t) (1
cos 4fct )
2
（2）包络检波和相敏检波
把调制信号进行偏置，叠加一个直流分量A，使
偏置后的信号都具有正电压，那么调幅波的包络线将
条件下，与 R / R0 成正比。
灵敏度
S
Uy R /
R
1 4U0
对于电阻应变片
R / R k
Uy
U0 4
k
上页 目录
（2）半桥双臂接法
输出
b
R
2
R1±Δ
1
±
ΔR 2 R
Uy
R1
R1 R1 R1 R2
R2
R4 R3 R4
U 0
a
I1 I2
c
Uy
R 2R0
U0
R4
R3
d
灵敏度
S
Uy R /
目录
一、直流电桥
1、平衡条件
Uy
Uab
Uad
R1 R1 R2
U0
R4 R3 R4
U0
R1R3
R1 R2
R2R4
R3 R4
U0
要使电桥平衡，输出为零，应满足
R1R3 R2R4
b
R1
R2
a
I1
I2
c
Uy
R4
R3
d
U0
U 0 为直流电源
U y 为输出电压
上页 目录
Байду номын сангаас、输出特性
b
R1±ΔR
1
Z4
Z3
Z3 Z03e j3 Z4 Z04e j4
U0
代入上式 Z01Z03e j13 Z02Z04e j2 4
上页 目录
电桥平衡必须满足两个条件
Z01Z03 Z02Z04
1 3 2 4
其中，Z01、Z02、Z03、Z04 为各阻抗的模；1、2、3、4
为阻抗角。
阻抗角是各桥臂电流与电压之间的相位差。 纯电阻时电流与电压同相位，φ=0；电感性阻抗，φ>0； 电容性阻抗，φ<0。
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。
2 种类
x(t)
调制信号
0
t
载波信号 z(t) Acos(2ft )
z(t)
0
t
a) 幅度调制(AM)
y(t) [ A* x(t)]cos(2ft )
b) 频率调制(FM)
（1）半桥单臂接法
输出电压
Uy
R1 R R1 R R2
R4 R3 R4
U 0
a
I1
I2
R4
d
为了简化设计，取相邻两桥臂电阻相等，
即
R1
R2
R0，R3
R4
R
' 0
U0
若 因
R0 R'0
R R0
，则输出电压
Uy
，所以
R
R 4R0 2R U0
U y 4R0 U0
R2
c
Uy
R3
上页 目录
可见，电桥的输出U y 与激励电压U0 成正比，且在 R R0
上页 目录
电容传感器
Zc
r
1
jc
电感传感器 ZL r jL
电阻传感器
1
Z R R // jc
例子：P84 习题5－1
Zc
ZL
r L
c r
ZR
C
R
上页 目录
第二节 调制与解调
1 目的 解决微弱缓变信号的放大以及信号
的传输问题。
微弱的缓变信号采用直流放大器放大， 将会受到零点漂移的影响。当漂移信号大小 接近或超过被测信号时，经过逐级放大后， 被测信号会被零点漂移淹没；
d
U0
R1 R3 R R2 R4 R
当
R
输出
U y R0 U 0
灵敏度
S
Uy R /
R
U0
R1±Δ
1
±
R
3
±ΔR
ΔR 2 R
3
c
Uy
上页 目录
上述电桥是在不平衡条件下工作的，它的 缺点是当电源电压不稳定，或环境温度变 化时，会引起电桥输出的变化，从而产生 测量误差。
因此，在某些情况下采用平衡电桥。
3、平衡电桥
设被测量等于零时，电桥处于平衡状
态，此时指示仪表G及可调电位器H
H
指零。
R1
R5
R2
当某一桥臂随被测量变化时，电桥失
G
去平衡，调节电位器H，改变电阻R5
触点位置，可使电桥重新平衡，电表 R4
R3
G指针回零。
电位器H上的标度与桥臂电阻值的变
U0
化成比例，故H的指示值可以直接表
达被测量的数值。
上页 目录
4.电桥加减特性的使用 • 进行温度补偿,增加测试的精度.
• 从复合受力中提取某一单一力 • 可以提高系统灵敏度.
二、交流电桥
交流电桥采用交流激励电压。电桥的四个臂可为电感、电容或 电阻。
电桥平衡条件
Z1
Z1Z3 Z2Z4
Z2 Uy
把各阻抗用指数式表示
Z1 Z01e j1 Z2 Z02e j2
放大
高频信号
放大高 频信号
解调
放大缓 变信号
为了减小信号频率混叠、失真，必须遵循香农定理。 香农定理：
fc 2 fm
实际载波频率常至少数倍甚至数十倍于调制信号最 高频率。
常见调幅器件：
•交流电桥
Uy
U0
sin t
4
k
U0
sin tR
4R
•霍尔元件
U H kH iB sin
4、解调
（1）同步解调
R
1 2U0
U0
与半桥单臂相比，灵敏度提高了一倍，电桥的输出与 R / R0
成完全线性关系。
（注意：一般两个应变片异号，放置在相邻的两个桥 臂上。）
（3）全桥接法
电桥加减特性
a
U 0 R1 R2 R3 R4
U 4 ( ) y
R0
R0
R0
R0
U0 4
k (1
2
3
4)
±
ΔR 4 R4
b
R
2
I1 I2
y(t) Acos(2[ f0 x(t)]*t )
c) 相位调制(PM)
y(t) Acos(2ft [0 x(t)])
3 幅度调制
调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与 测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变 化而变化．
y(t) [ A0 * x(t)]cos(2ft )
调制
缓变信号