工程信号-5 信号变换

1、大连交通大学大连交通大学第五章、信号的变换第五章、信号的变换5.1测量电桥测量电桥5.2滤波器滤波器5.3信号调制与解调信号调制与解调5.4模拟与数字信号转换模拟与数字信号转换工程测试与信号分析工程测试与信号分析大连交通大学大连交通大学第五章、信号的变换第五章、信号的变换5.1 5.1 测量电桥测量电桥 功能功能:LRC输出iu ,按激励电压的不同可分为按激励电压的不同可分为直流电桥直流电桥 交流电桥交流电桥按工作方式不同可分为按工作方式不同可分为不平衡电桥不平衡电桥 平衡电桥平衡电桥一直流电桥一直流电桥 1.电桥变换原理电桥变换原理大连交通大学大连交通大学1210RRRUUba4430RRR

2、UUda0432142310434211)()(URRRRRRRRURRRRRRUUUdabay电桥平衡电桥平衡4231RRRR0yU第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学单臂工作单臂工作03241RRRRRRRUUy40等臂电桥等臂电桥RRRRRRR4321443210RRRRRRRRUUy半桥双臂半桥双臂RRRRR21340RRUUy20第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学 2.电桥工作特性电桥工作特性 (1)加减加减特性特性444321043210kURRRRRRRRUUykRR 邻臂相减、对臂相加邻臂相减、对臂相加 进行温度补偿，进行温度补

3、偿，提高电桥灵敏度提高电桥灵敏度全桥全桥0URRUyRRRRRR4231第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学kUkUkURRRRRRRRUUy24440041043210）（-增加输出增加输出第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学-消除温度影响消除温度影响T热输出热输出kUkUUTTy2400）（）（1R4R第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学 (2)电桥非线性电桥非线性)1()(4321022221RRRRRRRRURRRRUy)(1/11332212441112RRRRRRRRRRRR 双臂差动工作时双臂差动工作时全桥差

4、动工作时全桥差动工作时RRR21043RRRRRRRR4231,0 当桥臂电阻成对差动工作时，电桥输入输出为线性关系；当桥臂电阻成对差动工作时，电桥输入输出为线性关系；利用加减特性合理接桥，可以消除温度影响，增加输出。利用加减特性合理接桥，可以消除温度影响，增加输出。第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学 3.平衡电桥平衡电桥 被测量变化被测量变化不平衡电压输出不平衡电压输出调节调节R5重新平衡重新平衡 G回零回零GR1R2R3R4R5 优点：精度高（不受供桥电压影响）优点：精度高（不受供桥电压影响）第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学二交流电桥二

5、交流电桥1.交流电桥的结构交流电桥的结构桥臂电阻桥臂电阻桥臂阻抗桥臂阻抗直流供桥电压直流供桥电压交流电压交流电压第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学u0uyz1z2z3z42.交流电桥的平衡条件交流电桥的平衡条件043214231)(uzzzzzzzzUy4231zzzz423104020301)(0402)(030104403302201142314321;ZZZZeZZeZZeZZeZZeZZeZZjjjjjj同时满足：则：设：设：第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学例：例：u0uyR1R2R3R4C1C41111CjRz4441CjRz33

6、22RzRz24431111RCjRRCjR）（）（2431RRRR4213CRCR交流电桥要满足两个平衡条件交流电桥要满足两个平衡条件第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学 滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分在测试装率成分通过，而极大地衰减其他频率成分在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析声或进行频谱分析5.25.2滤波器滤波器 广义地讲，任何一种信息传输的通道（媒质）广义地讲，任何一种信息传输的通道（媒质）

7、都可视为是一种滤波器因为，任何装置的响应特都可视为是一种滤波器因为，任何装置的响应特性都是激励频率的函数，都可用频域函数描述其传性都是激励频率的函数，都可用频域函数描述其传输特性因此，构成测试系统的任何一个环节，诸输特性因此，构成测试系统的任何一个环节，诸如机械系统、电气网络、仪器仪表、甚至连接导线如机械系统、电气网络、仪器仪表、甚至连接导线等等，都将在一定频率范围内，按其频域特性，对等等，都将在一定频率范围内，按其频域特性，对所通过的信号进行变换与处理所通过的信号进行变换与处理第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学被测结构加速度计衬垫例：用压电式加速度计测量结构的加速度

8、时，如果例：用压电式加速度计测量结构的加速度时，如果只对较低频率的振动成分感兴趣，可以在结构与加只对较低频率的振动成分感兴趣，可以在结构与加速度计的连接处加一个衬垫，以减少测量的高频噪速度计的连接处加一个衬垫，以减少测量的高频噪声。这就是机械滤波器的例子。声。这就是机械滤波器的例子。第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学一、一、滤波器分类滤波器分类 根据滤波器的选频作用分为根据滤波器的选频作用分为1.1.低通滤波器低通滤波器 从从O Of f2 2频率之问，幅频特性平直，它可以使信号中低于频率之问，幅频特性平直，它可以使信号中低于f f2 2的频率成分几乎不受衰减地通过，

9、而高于的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f f2 2的频率成分受到极的频率成分受到极大地衰减大地衰减幅频特性幅频特性第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学2.2.高通滤波器高通滤波器 与低通滤波相反，从频率与低通滤波相反，从频率f f11，其幅频特性平直它使信，其幅频特性平直它使信号中高于号中高于f f1 1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于f f1 1的频率的频率成分将受到极大地衰减。成分将受到极大地衰减。第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学3.3.带通滤波器带通滤波器 如图所示带通滤波器，它的通频带在如图

10、所示带通滤波器，它的通频带在f f1 1f f2 2之间它使信号之间它使信号中高于中高于f f1 1而低于而低于f f2 2的频率成分可以不受衰减地通过，而其他成的频率成分可以不受衰减地通过，而其他成分受到衰减。分受到衰减。第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学4.4.带阻滤波器带阻滤波器 与带通滤波相反，阻带在频率与带通滤波相反，阻带在频率f f1 1f f2 2之间它使信号中高于之间它使信号中高于f f1 1而低于而低于f f2 2的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。受衰减地通过。第五章、信号的变换第五

11、章、信号的变换大连交通大学大连交通大学 低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的滤波器都可以由这两种类型的滤波器组合而成。其它的滤波器都可以由这两种类型的滤波器组合而成。第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学二、二、理想滤波理想滤波器器 理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器，其通带和阻带之间有明显带内的频率成分都衰减为零的滤波器，其通带和阻带之间有明

12、显的分界线。也就是说，理想滤波器在通带内的幅频特性应为常数，的分界线。也就是说，理想滤波器在通带内的幅频特性应为常数，相频特性的斜率为常值；在通带外的幅频特性应为零。相频特性的斜率为常值；在通带外的幅频特性应为零。其它0)(020cftjffeAfH理想低通滤波器的频率响应函数为：理想低通滤波器的频率响应函数为： 其它0| )(|0cffAfHcffftf02)(第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学A(f)A(f)ffc2ffc1A(f)A(f)ffc2ffc1fc1fc2第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学三、三、实际滤波器实际滤波器 理想滤波

13、器是不存在的。在实际滤波器的幅频特性图中，理想滤波器是不存在的。在实际滤波器的幅频特性图中，通带和阻带之间没有严格的界限。在通带和阻带之间存在一个通带和阻带之间没有严格的界限。在通带和阻带之间存在一个过渡带。在过渡带内的频率成分不会被完全抑制，只会受到不过渡带。在过渡带内的频率成分不会被完全抑制，只会受到不同程度的衰减。希望过渡带越窄越好，也就是希望对通带外的同程度的衰减。希望过渡带越窄越好，也就是希望对通带外的频率成分衰减得越快、越多越好。因此，在设计实际滤波器时，频率成分衰减得越快、越多越好。因此，在设计实际滤波器时，总是通过各种方法使其尽量逼近理想滤波器。总是通过各种方法使其尽量逼近理想

14、滤波器。 第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学1.1.实际滤波器的基本参数实际滤波器的基本参数 （1 1）纹波幅度）纹波幅度d d 在一定频率范围内，实际滤波器的幅频特性可能呈波纹在一定频率范围内，实际滤波器的幅频特性可能呈波纹变化其波动幅度变化其波动幅度d d与幅频特性的平均值与幅频特性的平均值A A0 0相比，越小越好，一相比，越小越好，一般应远小于一般应远小于一3dB3dB。707.0223log2000AddBAd（2 2）截止频率）截止频率f fc c 幅频特性值等于幅频特性值等于0.707A0.707A0 0所对应的频率称为滤波器的截止所对应的频率称为滤波器

15、的截止频率以频率以A A0 0为参考值，为参考值，0.707A0.707A0 0对应于一对应于一3dB3dB点，即相对于点，即相对于A A0 0衰减衰减3dB3dB若以信号的幅值平方表示信号功率，则所对应的点正好是若以信号的幅值平方表示信号功率，则所对应的点正好是半功率点。半功率点。2)(0AfAc第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学（3 3）带宽）带宽B B和品质因数和品质因数Q Q值值 上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽，或一上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽，或一3dB3dB带宽，单位为带宽，单位为HzHz带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率带宽决定

16、着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力成分的能力频率分辨力频率分辨力 12ccffB 对于带通滤波器，通常把中心频率对于带通滤波器，通常把中心频率f f0 0和带宽和带宽B B之比称为滤之比称为滤波器的品质因数波器的品质因数Q Q例如一个中心频率为例如一个中心频率为500HZ500HZ的滤波器，若其的滤波器，若其中一中一3dB3dB带宽为带宽为10Hz10Hz，则称其，则称其Q Q值为值为5050Q Q值越大，表明滤波器值越大，表明滤波器频率分辨力越高频率分辨力越高 BfQ0第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学比值越小，通频带外衰减越快，滤波器的选择性越好比值越小，通频带

17、外衰减越快，滤波器的选择性越好（4 4）倍频程选择性）倍频程选择性 滤波器选择性的一种描述，带宽外频率成分的衰减能力描述。滤波器选择性的一种描述，带宽外频率成分的衰减能力描述。在两截止频率外侧，实际滤波器有一个过渡带，这个过渡带在两截止频率外侧，实际滤波器有一个过渡带，这个过渡带的幅频曲线倾斜程度表明了幅频特性衰减的快慢，它决定着的幅频曲线倾斜程度表明了幅频特性衰减的快慢，它决定着滤波器对带宽外频率成分衰阻的能力通常用倍频程选择性滤波器对带宽外频率成分衰阻的能力通常用倍频程选择性来表征来表征倍频程：若两频率倍频程：若两频率fafa、f fb b满足满足f fb b=2fa=2fa，则，则faf

18、a与与f fb b之间为一个倍之间为一个倍 频程；若频程；若f fb b=2=2n nfa,fa,则则fafa与与f fb b之间为之间为n n个倍频程个倍频程. .或或)()2(22ccfAfA)()2/(11ccfAfA)()2/(log2011ccfAfA)()2(log2022ccfAfA第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学2. 2. RCRC无源滤波器无源滤波器 1)1)一阶一阶RCRC低通滤波器低通滤波器 xyyeedtdeRC11)(SsH1)2(1| )(|2ffH)2()(farctgf当当f f很小时，很小时，A(f)=1A(f)=1，信号不受衰减的

19、通过；当，信号不受衰减的通过；当f f很大时，很大时，A(f)=0A(f)=0，信号完全被阻挡，不能通过。，信号完全被阻挡，不能通过。 第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学2)2)一阶一阶RCRC高通滤波器高通滤波器 xyyedteRCe11)(SSsH1)2(2| )(|2fffH)21()(farctgf 当当f f很小时，很小时，A(f)=0A(f)=0，信号完全被阻挡，不能通过；当，信号完全被阻挡，不能通过；当f f很大时，很大时，A(f)=1A(f)=1信号不受衰减的通过信号不受衰减的通过第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学3)RC3)

20、RC带通滤波器带通滤波器 带通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤波器带通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联的串联 )()()(21SHSHsH)()(| )(|21fAfAfH)()()(21fff 极低和极高的频率成分都完全被阻挡，不能通过；只有极低和极高的频率成分都完全被阻挡，不能通过；只有位于频率通带内的信号频率成分能通过。位于频率通带内的信号频率成分能通过。第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学 要注意，当高、低通两级串联时，应消除两级耦要注意，当高、低通两级串联时，应消除两级耦合时的相互影响，因为后一级成为前一级的合时的相互影响，因为后一级成为前一级的

21、“负载负载”，而前一级又是后一级的信号源内阻实际上两级间常而前一级又是后一级的信号源内阻实际上两级间常用射极输出器或者用运算放大器进行隔离所以实际用射极输出器或者用运算放大器进行隔离所以实际的带通滤波器常常是有源的有源滤波器由的带通滤波器常常是有源的有源滤波器由RCRC调谐网调谐网络和运算放大器组成运算放大器既可作为级间隔离络和运算放大器组成运算放大器既可作为级间隔离作用，又可起信号幅值的放大作用作用，又可起信号幅值的放大作用 直接相连并非直接相连并非H H1 1(S)H(S)H2 2(S)(S)第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学5.35.3调制与解调调制与解调 在测

22、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。信号的传输问题。调制：使一个信号的某些参数在另一信号的控制下发生变化调制：使一个信号的某些参数在另一信号的控制下发生变化 的过程。的过程。解调：从已调制波中恢复出原调制信号的过程。解调：从已调制波中恢复出原调制信号的过程。第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学信号调制的类型：幅度凋制、频率调制、相位调制三种信号调制的类型：幅度凋制、频率调制、相位调制三种 简称为调

23、幅（简称为调幅（AMAM）、调频（）、调频（FMFM）、调相（）、调相（PMPM）。）。载波：等幅高频振荡载波：等幅高频振荡 调制信号：带有信息的低频信号调制信号：带有信息的低频信号已调制波：已调制波：调制后的调制后的高频振荡高频振荡信号信号一、一、调幅及其解调调幅及其解调 1.1.调调幅幅 调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号相乘，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使载波信号幅值随测试信号的变化而变化 第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学)()(212coszzzfffftfF由卷积定理由卷积定理)()(

24、)()(fZfXtztx)()(21)()()()(212cos)(zzzzzffXffXfffXfffXtftxF结论：调幅将一个高频载波与调制信号相乘，在频域相当于结论：调幅将一个高频载波与调制信号相乘，在频域相当于 频谱频谱“搬移搬移” ” 。设：设：tftzz2cos)(tftxtxzm2cos)()(第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学2.2.解调解调（1 1）同步解调）同步解调 将调幅波将调幅波x xm m(t)(t) 与原高频载波与原高频载波z(t)z(t)信号再次相信号再次相乘。乘。 )()(2

25、1)()(2121)()(21)()(21)(2cos)(zzzzzzzzzmzmzzmzmfffXfffXfffXfffXffXffXfffffXtftxF第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学)2(21)()2(21212cos)(zzzmffXfXffXtftxF频谱搬移频谱搬移 频谱搬移频谱搬移 原信号频谱原信号频谱 若用一个低通滤波器滤除中心频率为若用一个低通滤波器滤除中心频率为2f2fz z的高频成分，那末的高频成分，那末将可以复现原信号的频谱（只是其幅值减少了一半，这可用放将可以复现原信号的频谱（只是其幅值减少了一半，这可用放大处理来补偿），这一过程称为大处

26、理来补偿），这一过程称为同步解调同步解调“同步同步”指解调时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所乘的信号与调制时的载波信号具有相同的频率和相位 滤波滤波 滤波滤波 保留保留 第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学 上述的调制方法，是将调制信号上述的调制方法，是将调制信号x(t)x(t)直接与载波信号直接与载波信号z(t)z(t)相乘这种调幅波具有极性变化，即在信号过零线时，其幅值相乘这种调幅波具有极性变化，即在信号过零线时，其幅值发生由正到负（或由负到正）的突然变化，此时调幅波的相位发生由正

27、到负（或由负到正）的突然变化，此时调幅波的相位（相对于载波）也相应地发生（相对于载波）也相应地发生180180的相位变化此种调制方法的相位变化此种调制方法称为抑制调幅抑制调幅波须采用同步解调或相敏检波解调的称为抑制调幅抑制调幅波须采用同步解调或相敏检波解调的方法，方能反映出原信号的幅值和极性方法，方能反映出原信号的幅值和极性（2 2）整流检波）整流检波 若把调制信号若把调制信号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A A，使偏置后，使偏置后的信号都具有正电压的信号都具有正电压. .这种调制方法称为偏置调幅其调幅波的这种调制方法称为偏置调幅其调幅波的包络线具有原信号

28、形状，如图包络线具有原信号形状，如图(a)(a)所示对于非抑制调幅波，一所示对于非抑制调幅波，一般采用整流、滤波（或称包络法检波）以后，就可以恢复原信般采用整流、滤波（或称包络法检波）以后，就可以恢复原信号号. . 第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学二、二、频率调制频率调制 调频是利用信号调频是利用信号x(t)x(t)的幅值调制载波的频率，或者说，调的幅值调制载波的频率，或者说，调频波是一种随信号频波是一种随信号x(t)x(t)的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波波第五章、信

29、号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学调频波的瞬时频率可表示为：调频波的瞬时频率可表示为：f=ff=f0 0+df +df 式中式中f f0 0为载波信号频率；为载波信号频率；dfdf为频率偏移，与调制为频率偏移，与调制信号信号x(t)x(t)的幅值成正比。的幅值成正比。 鉴频就是对调频波进行解调，将信号的频率变化再鉴频就是对调频波进行解调，将信号的频率变化再变换为电压幅值的变化。变换为电压幅值的变化。第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学 频率调制较之幅度调制的一个重要的优点是改善频率调制较之幅度调制的一个重要的优点是改善了信噪比调频波之所以改善了信号传输过

30、程中的信了信噪比调频波之所以改善了信号传输过程中的信噪比，是因为调频信号所携带的信息包含在频率变化噪比，是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现在振幅之中 调频方法也存在着严重缺点：调频波通常要求很调频方法也存在着严重缺点：调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的2020倍；调频系统倍；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，较之调幅系统复杂，因为频率调制是一种非线性调制，它不能运用叠加原理因此，分析调频波要比分析调它不能运用叠加原理

31、因此，分析调频波要比分析调幅波困难，实际上，对调频波的分析是近似的幅波困难，实际上，对调频波的分析是近似的。 第五章、信号的变换第五章、信号的变换大连交通大学大连交通大学第五章、信号的变换第五章、信号的变换5.45.4模拟与数字信号转换模拟与数字信号转换 在测试系统中，不仅需要将模拟量转换为数字量输入计在测试系统中，不仅需要将模拟量转换为数字量输入计算机进行信号处理，还要将计算机处理后的数字量转换为模算机进行信号处理，还要将计算机处理后的数字量转换为模拟量进行模拟量显示、记录或者输入到控制环节进行系统控拟量进行模拟量显示、记录或者输入到控制环节进行系统控制等。因此模数与数模转换在测试系统中应用

32、广泛。制等。因此模数与数模转换在测试系统中应用广泛。 大连交通大学大连交通大学第五章、信号的变换第五章、信号的变换一、一、数字数字/ /模拟转换器模拟转换器 1.1.基本结构基本结构模拟电压模拟电压VDN-1D0数字量数字量B基本原理基本原理 V = K BV = K B大连交通大学大连交通大学第五章、信号的变换第五章、信号的变换2.2.工作原理工作原理例：二进制加权网络例：二进制加权网络D/A转换器转换器Di=1Si接通接通VR Di=0Si接地接地 RDRDRDRDVInnnnR102121222BKDDDDRVnnnnnR100112211122222V=KB 大连交通大学大连交通大学第五章、信号的变换第五章、信号的变换二、二、模拟模拟/ /数字转换器数字转换器 1.逐次比较式逐次比较式ADC一般原理一般原理输入模拟量输入模拟量经内部经内部D/A转换为