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1、第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理本章学习要求：本章学习要求：1.1.掌握电桥的原理掌握电桥的原理 2.2.掌握信号调制解调原理掌握信号调制解调原理 3.3.掌握信号滤波器工作原理掌握信号滤波器工作原理1第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理信号的调理信号的调理信号的调理是指将传感器信号的调理是指将传感器输出的信号转换成更适合于进输出的信号转换成更适合于进一步传输和处理的形式。一步传输和处理的形式。如将被测量引起的电阻、电感、电如将被测量引起的电阻、电感、电容、电量、光学物理量等转换成电压或容、电量、光学物理量等转换成电压或电流，并进行放大
2、；又如将感应电动势电流，并进行放大；又如将感应电动势等进行放大。等进行放大。2第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理信号调理的目的是便于信号的传输与处理。信号调理的目的是便于信号的传输与处理。信号调理的目的信号调理的目的 1.1.传传感感器器输输出出的的电电信信号号很很微微弱弱，大大多多数数不不能能直直接接输输送送到到显显示示、记记录录或或分分析析仪仪器器中中去去，需需要要进进一步放大，有的还要进行阻抗变换。一步放大，有的还要进行阻抗变换。2.2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪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。声，需要去掉噪声，提高信噪比。3.3.
3、某些场合，为便于信号的远距离传输，需要某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量信号进行调制解调处理。对传感器测量信号进行调制解调处理。3第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理本节内容本节内容调制与解调的基本概念 调幅及其解调调频及其解调4.2 4.2 调制与解调调制与解调4第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理 在测试技术中，调制是工程测试信号在传输过程中常用在测试技术中，调制是工程测试信号在传输过程中常用的一种调理方法，主要是为了解决微弱缓变信号的放大以及的一种调理方法，主要是为了解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。例如，被测物理量，如温度、位移、力等信号的传输问题。
4、例如，被测物理量，如温度、位移、力等参数，经过传感器交换以后，多为低频缓变的微弱信号，对参数，经过传感器交换以后，多为低频缓变的微弱信号，对这样一类信号，直接送入直流放大器放大会遇到困难，因为，这样一类信号，直接送入直流放大器放大会遇到困难，因为，采用级间直接耦合式的直流放大器放大，将会受到零点漂移采用级间直接耦合式的直流放大器放大，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。为了很好地解决缓变放大后，被测信号会被零点漂移淹没。为了很好地解决缓变信号的放大问题，信息技术中采用了一种对信
5、号进行调制的信号的放大问题，信息技术中采用了一种对信号进行调制的方法，即先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，然方法，即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。上述信号传输中的变换过程称为调取出放大了的缓变信号。上述信号传输中的变换过程称为调制与解调。制与解调。5第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理 1.1.调调制制：使使一一个个信信号号（载载波波）的的某某些些参参数数（幅幅值值或或频频率率或或相相位位）在在另另一一信信号号（测测试试信号）的控制下发生变化
6、的过程。信号）的控制下发生变化的过程。2.2.调制的目的：便于放大和传输。调制的目的：便于放大和传输。调制及其相关概念调制及其相关概念 先将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中去，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。出信号中取出放大了的缓变信号。6第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理使载波的幅值、频率或相位随调制信使载波的幅值、频率或相位随调制信号而变化的过程分别称为调幅、调频或调号而变化的过程分别称为调幅、调频或调相。它们的已调波分别称为调幅波、调频相。它们的已
7、调波分别称为调幅波、调频波或调相波。波或调相波。根据载波被调制参数的不同，调制根据载波被调制参数的不同，调制可分为：可分为：调幅、调频和调相调幅、调频和调相 3.3.调制的分类调制的分类7第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理调制信号调制信号x(t)x(t)载波信号载波信号a)a)调幅调幅(AM)(AM)b)b)调频调频(FM)(FM)c)c)调相调相(PM)(PM)种类种类8第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理一、一、调幅与解调调幅与解调（一）（一）原理原理 调调幅幅是是将将一一个个高高频频正正弦弦信信号号（或或称称载载波波）与与测测试试信信号号相相乘乘，使使载载波波信信号号幅幅值
8、值随随测测试试信信号号的的变变化而变化化而变化9第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理解调：解调：是从已调制波中恢复出调是从已调制波中恢复出调制信号（测试信号）的过程。制信号（测试信号）的过程。解调是调制的逆过程。解调是调制的逆过程。10第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理调幅与解调过程（数学描述调幅与解调过程（数学描述与波形频谱分析与波形频谱分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)z(t)x m(t)调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号相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。乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化。11第
9、四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理乘法器乘法器放大器放大器x(t)z(t)x m(t)就相当于把原信号频谱图形由原点平移至载波频率处，就相当于把原信号频谱图形由原点平移至载波频率处，其幅值减半，如图所示，所以调幅过程就相当于频率其幅值减半，如图所示，所以调幅过程就相当于频率“搬搬移移”过程。过程。12第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理 若把调幅波若把调幅波xm(t)再次与载波再次与载波z(t)信号相乘，则频域图形信号相乘，则频域图形将再一次进行将再一次进行“搬移搬移”，即，即xm(t)与与z(t)相乘相乘其傅里叶变换为其傅里叶变换为解调解调:乘法器乘法器滤波器滤波器z(t)x(t
10、)x m(t)13第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理 这一结果如图这一结果如图所示。若用一个低所示。若用一个低通滤波器滤除高频通滤波器滤除高频成分，将可以复现成分，将可以复现原信号的频谱（只原信号的频谱（只是其幅值减少了一是其幅值减少了一半，这可用放大处半，这可用放大处理来补偿），这一理来补偿），这一过程称为同步解调。过程称为同步解调。“同步同步”指解调时指解调时所乘的信号与调制所乘的信号与调制时的载波信号具有时的载波信号具有相同的频率和相位。相同的频率和相位。14第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理调幅与解调过程（波形与频谱分析）调幅与解调过程（波形与频谱分析）乘法器乘法器放大
11、器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器乘法器滤波器滤波器z(t)x(t)15第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理若对信号若对信号x(t)x(t)进行偏置，叠加一个直流分量进行偏置，叠加一个直流分量D D，使偏置后的信，使偏置后的信号都具有正电压号都具有正电压 那么调幅波的包络线将具有原信号的形状那么调幅波的包络线将具有原信号的形状,把该调幅波简单地整流、滤把该调幅波简单地整流、滤波就可以恢复原调制信号波就可以恢复原调制信号 （二）（二）整流检波和整流检波和相敏检波相敏检波1.1.整流检波整流检波16第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理若偏置电压不够大，使信号电压有正有负，若偏置
12、电压不够大，使信号电压有正有负，对于这种双极性调制信号不能采用整流检波。对于这种双极性调制信号不能采用整流检波。应采用相敏检波。应采用相敏检波。17第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理2.2.相敏检波（从调制信号的产生到相敏解调）相敏检波（从调制信号的产生到相敏解调）18第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理1试说明差动变压器式传感器的工作原理；试说明差动变压器式传感器的工作原理；2在以下测量在以下测量机械振动的位移量的电路框图中，试填写空白框电路单元机械振动的位移量的电路框图中，试填写空白框电路单元的名称并解释其在测试中的作用；的名称并解释其在测试中的作用；3如果工作频率（振如果工
13、作频率（振荡器频率或载波频率）为荡器频率或载波频率）为2000Hz余弦波，机械振动为简余弦波，机械振动为简谐振动且振动频率为谐振动且振动频率为100Hz，试画出差动变压器输出信号，试画出差动变压器输出信号的幅频谱。的幅频谱。1119第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理3由差动变压器的工作原理可知，差动变压器的输出电压实际上是由差动变压器的工作原理可知，差动变压器的输出电压实际上是铁芯位移对其工作余弦波的幅值调制波，如果工作电压为铁芯位移对其工作余弦波的幅值调制波，如果工作电压为铁芯位移为铁芯位移为则差动变压器的输出电压为则差动变压器的输出电压为根据根据(1)(2)(3)即与即与函数的卷积
14、的结果就是在发生函数的卷积的结果就是在发生函数的坐标位置上简单地将原函数的坐标位置上简单地将原函数重新构图。函数重新构图。20第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理所以，差动变压器输出信号的幅频谱如下：所以，差动变压器输出信号的幅频谱如下：21第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理幅值调制器实际幅值调制器实际上是个乘法器上是个乘法器2.2.相敏相敏检波检波22第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理2.2.相敏相敏检波检波23第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理2.2.相敏相敏检波检波1224第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理2.2.相敏相敏检波检波25第四章第四章 信
15、号调理和处理信号调理和处理2.2.相敏相敏检波检波26第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理2.2.相敏相敏检波检波27第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理2.2.相敏相敏检波检波 通过相敏检波可以得到一个幅值与极性均随调制信号通过相敏检波可以得到一个幅值与极性均随调制信号变化的信号。变化的信号。对有极性或方向性的被测量，经调制后必须采用相敏对有极性或方向性的被测量，经调制后必须采用相敏检波才能正确恢复原信号。检波才能正确恢复原信号。28第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理2.2.相敏相敏检波检波电桥调幅与相敏电桥调幅与相敏检波实例：检波实例：29第四章第四章 信号调理和处理信
16、号调理和处理调调频频是是利利用用信信号号x(t)x(t)的的幅幅值值调调制制载载波波的的频频率率，或或者者说说，调调频频波波是是一一种种随随信信号号x(t)x(t)的的电电压压幅幅值值而而变变化化的的疏疏密密度度不同的等幅波不同的等幅波.调频波的瞬时频率可表示为调频波的瞬时频率可表示为:载波频率或称载波频率或称中心频率中心频率频率偏移，与频率偏移，与调制信号的幅调制信号的幅值成正比值成正比二、调频及其解调二、调频及其解调 30第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理频率调制频率调制31第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理 实现信号的频率调制的方法甚多，下面介绍两种仪实现信号的频率调制的
17、方法甚多，下面介绍两种仪器中常用的调频方法及一种解调方案器中常用的调频方法及一种解调方案1.1.直接调频测量电路直接调频测量电路因此，回路的振荡频率因此，回路的振荡频率将和调谐参数的变化呈将和调谐参数的变化呈线性关系，也就是说，线性关系，也就是说，在小范围内它与被测量在小范围内它与被测量的变化有线性关系的变化有线性关系频率调制频率调制将电感、电容传感器作为自激振荡器的谐将电感、电容传感器作为自激振荡器的谐振回路中的一个调谐参数，那么电路的谐振回路中的一个调谐参数，那么电路的谐振频率将是振频率将是若以电容作为若以电容作为调谐参数，则调谐参数，则在在fofo附近有附近有C=CoC=Co，故，故32
18、第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理2.压控振荡器压控振荡器频率调制频率调制压控振荡器的输出瞬时频率与输入控制电压成线性关系。压控振荡器的输出瞬时频率与输入控制电压成线性关系。33第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理3.变压器耦合的谐振回路鉴频法变压器耦合的谐振回路鉴频法调频波的解调又称鉴频，是将频率变化恢复成调制信号电压幅值变化的过程调频波的解调又称鉴频，是将频率变化恢复成调制信号电压幅值变化的过程频率调制频率调制34第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理优点：抗干扰能力强。优点：抗干扰能力强。因为调频信号所携带的信息包含在频率变化之中，并非振因为调频信号所携带的信息包含在频
19、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幅之中，而干扰波的干扰作用则主要表现在振幅之中 缺点：频带宽度大，复杂缺点：频带宽度大，复杂调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的的2020倍；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率调制倍；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率调制是一种非线性调制。是一种非线性调制。频率调制频率调制35第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理4.3 4.3 滤波器滤波器 第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定
20、频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分过，而极大地衰减其他频率成分一、一、滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）低通低通高通高通带通带通带阻带阻36第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理二、理想滤波器二、理想滤波器 理理想想滤滤波波器器是是指指能能使使通通带带内内信信号号的的幅幅值值和和相相位位都都不不失失真真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。37第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理物理不可实现物理不可实现 理理想想滤滤波波器器在在时时域域内内的的脉脉冲冲响响应应函函数数 h h（t t）为为 sincsinc
21、函函数。脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸。数。脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸。波波形形给理想滤波器一个脉冲激励，从图中可以看出，在给理想滤波器一个脉冲激励，从图中可以看出，在t=0t=0时时刻单位脉冲输入滤波器之前，即在刻单位脉冲输入滤波器之前，即在t t0 0时，滤波器就已时，滤波器就已经有响应了。故物理不可实现。经有响应了。故物理不可实现。38第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理对于图示的周期信号对于图示的周期信号x(t)：1.当当x(t)通过增益为通过增益为1的理想低通滤波器（的理想低通滤波器（fc=50Hz）后，求其输出的均）后，求其输出的均值；值；2.当当x(t)通过
22、增益为通过增益为1的理想带通滤波器（的理想带通滤波器（fc1=250Hz,fc2=350Hz）后，）后，求其输出的均方根值（有效值）。求其输出的均方根值（有效值）。x(t)t (s)2滤波器x(t)y(t)0.0050.011.均值为均值为1。2.该周期信号的频率为该周期信号的频率为1/0.01=100 Hz，经过，经过fc1=250Hz,fc2=350Hz的理想带通滤波器后只剩下频率为的理想带通滤波器后只剩下频率为300Hz的三次谐波分量。通过傅立叶的三次谐波分量。通过傅立叶级数分解可知三次谐波分量的幅值为级数分解可知三次谐波分量的幅值为(41)/(3)，其有效值为，其有效值为(41)/(3
23、1.414)=0.3 1239第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理三、三、实际滤波器实际滤波器 理理想想滤滤波波器器是是不不存存在在的的，在在实实际际滤滤波波器器的的幅幅频频特特性性图图中中通通带带和和阻阻带带间间应应没没有有严严格格的的界界限限,存存在在一一个过渡带。个过渡带。1)1)纹纹波波幅幅度度d d：波波动动幅幅度度d d与与幅幅频频特特性性平平均均值值A A0 0相相比比应应小小于于-3dB-3dB。2)2)截止频率截止频率fc:fc:幅频特性值等于幅频特性值等于0.707A0.707A0 0所对应的频率所对应的频率 3)3)带宽带宽B B和品质因数和品质因数Q:Q:上下两截
24、止频率间的频率范围称上下两截止频率间的频率范围称为带宽，中心频率和带宽之比称为品质因数为带宽，中心频率和带宽之比称为品质因数 4)4)倍频程选择性倍频程选择性W:W:指在上截止频率指在上截止频率f fc2c2与与 2f 2fc2c2之间幅频之间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。1.1.实际滤波器的基本参数实际滤波器的基本参数40第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理2.RC2.RC无源滤波器的基本特性无源滤波器的基本特性 在在测测试试系系统统中中，常常用用RCRC滤滤波波器器。因因为为这这一一领领域域中中信信号号频频率率相相对对
25、来来说说不不高高。而而RCRC滤滤波波器器电电路路简简单单，抗抗干干扰扰强强，有有较好的低频性能，并且选用标准阻容元件较好的低频性能，并且选用标准阻容元件 。1)1)一阶一阶RCRC低通滤波器低通滤波器 41第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理2)2)一阶一阶RCRC高通滤波器高通滤波器 42第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理3)RC3)RC带通滤波器带通滤波器 可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联 要求：要求：43第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理（三）滤波器的串滤波器的串/并联并联 低低通通滤滤波波器器和和高高通通滤滤波波器器是
26、是滤滤波波器器的的两两种种最最基基本本的的形形式式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。44第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理（四）（四）RC RC有源滤波器有源滤波器 RC无无源源滤滤波波器器具具有有线线路路简简单单、体体积积小小、成成本本低低的的优优点点，但但都都是是低低阶阶系系统统，过过渡渡带带衰衰减减慢慢，选选择择性性差差。将将几几个个一一阶阶滤滤波波器器串串联联可可以以提提高高阶阶次次，但但级级间间耦耦合合的的负负载载效效应应使使信信号号逐逐级级减减弱弱，采采用用有有源源滤滤波波器器可可以以克克服服这这些些缺缺点点、RC有有
27、源源滤滤波波器器是是用用RC无无源源网网络络和和运运算算放放大大器器等等有有源源器器件件构构成成、其其特特点点是是：一一、可可以以放放大大信信号号，二二、具具有有高高输输入入阻阻抗抗的的运运算算放放大大器器可可以以进进行行级级间间隔隔离离，消消除除或或减减小小负负载载效效应应的的影影响响，因因此此有有源源滤滤波波器器可可以以多多级级串串联联组组成成高高阶阶滤波器，明显提高滤波器的选择性。滤波器，明显提高滤波器的选择性。45第四章第四章 信号调理和处理信号调理和处理四、恒带宽比滤波器和四、恒带宽比滤波器和恒带宽滤波器恒带宽滤波器 实实际际滤滤波波器器频频率率通通带带通通常常是是可可调调的的，根根据据实实际际滤滤波波器器中中心频率与带宽之间的数值关系，可以分为两种。心频率与带宽之间的数值关系，可以分为两种。1)1)恒带宽比带通滤波器恒带宽比带通滤波器 2)2)恒带宽带通滤波器恒带宽带通滤波器 1246