测试与传感技术 信号变换及调理

1、2022-1-31 信号变换及调理信号变换及调理主要内容：主要内容：变换及调理的目的变换及调理的目的1电桥电桥2调制解调调制解调3滤波器滤波器42022-1-32一、 信号调理的目的 目的：便于信号的传输与处理 原因：1.1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到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。要进行阻抗变换。 2022-1-332.2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需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。要去掉噪声，提

2、高信噪比。3.3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感某些场合，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。器测量信进行调制解调处理。 2022-1-34二、二、 电电 桥桥 电桥电桥a 、c两端接电源两端接电源Ui，称，称供桥端供桥端；b、d两端接输出电压两端接输出电压Uo，称，称输出端输出端。 将电阻将电阻R(应变片应变片)、电感、电感L、电容、电容C等电参数变为电压等电参数变为电压U或电流或电流I信号后输出的一种测量电路。信号后输出的一种测量电路。 2022-1-35电桥电桥 根据桥臂阻抗性质的不同为根据桥臂阻抗性质的不同为 : 电阻电桥电阻电桥 电容电桥电容电桥

3、 电感电桥电感电桥 根据供桥电源分为根据供桥电源分为 : 直流电桥直流电桥: 采用直流电源采用直流电源只用于只用于测量电阻测量电阻R的变化的变化 交流电桥：采用交流电源交流电桥：采用交流电源测量电阻测量电阻R 、电容、电容C 、电感电感L的变化的变化1. 电桥的分类电桥的分类2022-1-362. 直流电桥直流电桥 四个桥臂由电阻四个桥臂由电阻R1、R2、R3和和R4组成。组成。1R3R4R2I2R1IoUiUabdc采用采用直流电源直流电源的电桥称为直流电桥的电桥称为直流电桥 直流电桥直流电桥VR1R2R3R4温敏电阻温敏电阻平衡条件平衡条件R1R3=R2R4 ioURRRRRRRRU)(4

4、3214231电桥的输出：电桥的输出：平衡的条件：平衡的条件：推导推导2022-1-371R3R4R2I2R1IoUiUabdc直流电桥直流电桥R1R U0U U R1VR2R3R4R1R3=R2R4 平衡的条件：平衡的条件：ioURRRRRRRRU)(43214231电桥的输出：电桥的输出：这时，电桥平衡吗？这时，电桥平衡吗？ R2022-1-38为了简化设计，为了简化设计，R2=R3=R4=R0 ，而，而 R1=R0+ RiURRR2401R3R4R2I2R1IoUiUabdc直流电桥直流电桥R0R U0U U iioURRRRRRRRRRURRRRRRRRU)()()(000000004

5、3214231)(400RRRRUi电桥的灵敏度定义为电桥的灵敏度定义为 00/ RRUSoB4iU2022-1-39单臂单臂半桥半桥R1R3R2R4 双臂双臂半桥半桥R1R3R2R4 全桥全桥R1R3R2R4 半桥、单臂输出半桥、单臂输出 全桥、四臂输出全桥、四臂输出 半桥、双臂输出半桥、双臂输出 ioURRU022iU00/RRUSoioURRU0iU00/RRUSo00/RRUSo4iUioURRU04ioURRKU0ioKURRUS00/2022-1-310电桥测量的误差电桥测量的误差非线性误差非线性误差温度误差温度误差 直流电源的电压稳定性造成的误差直流电源的电压稳定性造成的误差io

6、URRRU240ioURRU04ioURRU02ioURRU01R3R4R2I2R1IoUiUabdc直流电桥直流电桥2022-1-311平衡条件平衡条件3.交流电桥交流电桥交流电桥交流电桥4231ZZZZ而而 111jeZZ 222jeZZ 333jeZZ 444jeZZ 其中，其中，Z1、Z2、Z3、Z4为为阻抗的模阻抗的模，而，而1、2、3、4为为阻抗角阻抗角，是各桥臂电流与电压之间，是各桥臂电流与电压之间的相位差。的相位差。 Z1Z3ej(1+3)=Z2Z4ej(2+4) 42314231ZZZZ(*)平衡条件平衡条件2022-1-312电容电桥电容电桥1R3R4R2I2R1IoUiU

7、adc1C4C电容电桥电容电桥 42134231CRCRRRRR平衡条件：平衡条件：电感电桥电感电桥1R3R4R2I2R1IoUiUabdc1L4L电感电桥电感电桥 24314231RLRLRRRR平衡条件：平衡条件：推导推导推导推导2022-1-313声音信号声音信号广播电台广播电台的发射塔的发射塔 接收接收调制调制Modulation解调解调Demodulation三、调制与解调三、调制与解调2022-1-314声音信号声音信号广播电台广播电台的发射塔的发射塔 调制调制Modulation已调波已调波1）实现缓变信号的传输，特别是远距离传输）实现缓变信号的传输，特别是远距离传输 2）提高信

8、号传输中的抗干扰能力和信噪比）提高信号传输中的抗干扰能力和信噪比 调制的目的调制的目的音频信号音频信号2022-1-315载波信号：高频振荡信号称为载波信号载波信号：高频振荡信号称为载波信号。载波信号载波信号)2cos()(ftAtz调制信号：缓变信号称为调制信号。调制信号：缓变信号称为调制信号。已调波：载波被缓变信号调制后称为已调波。已调波：载波被缓变信号调制后称为已调波。解调：从已调波中恢复出调制信号的过程。解调：从已调波中恢复出调制信号的过程。调制信号调制信号x(t)x(t)2022-1-3161.调制的种类调制的种类调制信号调制信号载波信号载波信号)2cos()(000tfAtya)

9、幅值调制幅值调制(简称调幅，简称调幅，AM，Amplitude Modulation)b) 频率调制频率调制(简称调频，简称调频，FM，Frequency Modulation)c) 相位调制相位调制(简称调相，简称调相，PM，Phase Modulation)缓变信号缓变信号x(t)高频简谐信号高频简谐信号)2cos()(*)(0fttxAty)*)(2cos()(0ttxfAty)(2cos()(0txftAty2022-1-3172.幅值调制（调幅）及其解调幅值调制（调幅）及其解调 调幅是将一个调幅是将一个高频简谐信号高频简谐信号y(t)（载波信号）与（载波信号）与缓变缓变信号信号（调制

10、信号）（调制信号）x(t)相乘相乘，使载波信号，使载波信号y(t)的的幅值幅值随随缓变缓变信号信号x(t)的幅值变化而变化过程。幅值调制后的信号称为的幅值变化而变化过程。幅值调制后的信号称为调幅波。调幅波。高频信号高频信号缓变信号缓变信号调制后信号调制后信号2022-1-318tftxtftxAtym00002cos)()2cos()()(调制信号调制信号载波信号载波信号调幅波调幅波)(txtftfAty00002cos)2cos()(1).调幅的时域表达调幅的时域表达2022-1-319 假设调制信号假设调制信号x(t)的最高频率成分为的最高频率成分为 ，载波信号，载波信号(2).调幅的频域

11、表达调幅的频域表达如果如果)()(fXtxtfty02cos)(tftxtym02cos)()(mf则则)()()()(21)(2cos)()(000fffXfffXfYtftxtymm)(020ffetfj)()()()(fYfXtytxmff 0,，则有调幅波：，则有调幅波：)(020ffetfj)()(2100ffXffXtfjtfjetxetx0022)()(21)(21)(212cos000fffftf2022-1-320调制信号调制信号载波信号载波信号调幅波调幅波)()(21)(2cos)()(000ffXffXfYtftxtymm时域时域频域频域mfmf2022-1-321为保证

12、频移后的频谱不失真，载波频率为保证频移后的频谱不失真，载波频率fz 要大于或等于两倍调要大于或等于两倍调制信号的最高频率制信号的最高频率fm ，通常取数倍至数十倍的，通常取数倍至数十倍的fm 。调幅过程就相当于频率调幅过程就相当于频率“搬移搬移”过程过程。2022-1-322(3).电阻电阻交流电桥交流电桥的幅值调制的幅值调制不同接法的电桥可表示为不同接法的电桥可表示为 ioURRKU0当当R/R0=R(t)，Ui=E0cos2f0t时时 U0=KR(t)E0cos2f0t 交流电桥交流电桥的输出电压的输出电压U0随随R(t)的变化的变化而变化，即而变化，即U0的幅值受的幅值受R(t)的控制，

13、其的控制，其频率为输入电压信号频率为输入电压信号Ui的频率，即的频率，即f0 全桥、四臂输出全桥、四臂输出 R(t)E0cos2f0t 00.511.522.533.544.55-1-0.500.51(a) 载 波 信 号00.511.522.533.544.55-1-0.500.51(b) 调 制 信 号00.511.522.533.544.55-1-0.500.51(c) 调 幅 波交流电桥交流电桥是一个调幅器。是一个调幅器。 调幅器实际上是一个调幅器实际上是一个乘法器乘法器. 2022-1-323广播电台广播电台的发射塔的发射塔 对已调波进行对已调波进行鉴别鉴别以恢以恢复缓变信号的过程。

14、复缓变信号的过程。调幅波调幅波解调方法：解调方法：同步解调同步解调， 整流检波整流检波 相敏检波相敏检波(4).幅值解调幅值解调接收接收解调解调Demodulation2022-1-324同步解调同步解调 tf02cos )(tym)(21txtftx02cos)()4cos1 (21)(0tftxtf02costftx04cos)(21 “同步同步”指解调时所乘的信号与调制时指解调时所乘的信号与调制时的载波信号具有的载波信号具有相同的频率和相位相同的频率和相位。2022-1-325同步解调同步解调02 fmfmf(a)调幅波频谱调幅波频谱(b)载波信号频谱载波信号频谱(c)同步解调后频谱同步

15、解调后频谱(d)调制信号频谱调制信号频谱2022-1-326幅度调制与解调过程（波形与频谱分析）幅度调制与解调过程（波形与频谱分析）乘法器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器滤波器z(t)x(t)2022-1-327幅度调制与解调过程（数学描述）幅度调制与解调过程（数学描述）乘法器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器滤波器z(t)x(t)()()()(fZfXtztx)()(2cos)(2121zzzfffftftz)2cos()()(tftxtxzm)2(2cos()()(2cos)()2cos()(21212tftxtxtftxtftxzzzm2022-1-328 若把调制信号若把

16、调制信号x(t)x(t)进行偏置，叠加一个进行偏置，叠加一个直流分量直流分量D D，使，使偏置后的信号都具有正电压偏置后的信号都具有正电压。 )2cos()()(fttxDtxm)()( txDtx)(tx整流检波解调整流检波解调 调制信号调制信号+ +直流分量直流分量A-A-整流整流-低通滤波低通滤波-去直流分量去直流分量-复现原复现原调制信号调制信号2022-1-329x(t)0时时(0t1)， ym(t)与与y(t)同相，检波器输出同相，检波器输出uf(t)0 x(t)0时时(t1t2)， ym(t)与与y(t)反相，检波器输出反相，检波器输出uf(t)调频调幅波调频调幅波幅值检波幅值检

17、波频率电压特性曲线频率电压特性曲线2022-1-335脉冲计数鉴频调频播瞬时频率的变化，直接表现为调频信号通过零值的调频播瞬时频率的变化，直接表现为调频信号通过零值的点的疏密变化。点的疏密变化。ty(t)tg(t)通过脉冲计数，根据单位时间内脉冲的个数，可恢复出原来的信号。通过脉冲计数，根据单位时间内脉冲的个数，可恢复出原来的信号。2022-1-336优点：优点：抗干扰能力强抗干扰能力强。 调频波通常要求很宽的频带，甚至调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的为调幅所要求带宽的2020倍；调频系统较倍；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率调制是一种之调幅系统复杂，因为频率调制是一种非线性

18、调制。非线性调制。 因为调频信号所携带的信息包含在频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干扰作用则主要表现在振幅之中 缺点：缺点：占频带宽度大，复杂占频带宽度大，复杂2022-1-337(a)低通滤波器低通滤波器(Low pass filter)(b)高通滤波器高通滤波器(High pass filter)(c) 带通滤波器带通滤波器(band pass filter) (d) 带阻滤波器带阻滤波器(band stop filter) 四、四、 滤波器滤波器 滤波器是一种滤波器是一种选频装置选频装置

19、，可以使信号中特定，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分1.滤波器分类滤波器分类(根据滤波器的选频作用分根据滤波器的选频作用分) 2称为称为低通滤波器低通滤波器的的上截止频率上截止频率 1、2分别称为分别称为带通滤波器带通滤波器的的下、上截止频率下、上截止频率 通带通带通带通带通带通带通带通带通带通带阻带阻带阻带阻带阻带阻带阻带阻带阻带阻带理想理想滤波器滤波器1 1称为称为高通滤波器高通滤波器的的下截止频率下截止频率 2022-1-338)( fAf01cf通带：能通过滤波器的频率范围；通带：能通过滤波器的频率范围；阻带：被抑制或极大地衰

20、减的频率范围；阻带：被抑制或极大地衰减的频率范围；截止频率：通带和阻带之间的交界点；截止频率：通带和阻带之间的交界点；通带通带阻带阻带2022-1-339 滤波器的串滤波器的串/ /并联并联 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。2022-1-340(c) 带通滤波器带通滤波器(band pass filter) (d) 带阻滤波器带阻滤波器(band stop filter) 通带通带通带通带阻带阻带通带通带阻带阻带阻带阻带 理想滤波器是指能使

21、理想滤波器是指能使通带通带内信号的内信号的幅值幅值和和相位相位都都不失真不失真，阻带阻带内的频率成内的频率成分都分都衰减为零衰减为零的滤波器。的滤波器。2.理想滤波器理想滤波器测试系统输入输出(激励)(响应)(tx)(ty)( fH0)( f0(a)幅频特性(b)相频特性Acfcfcfcfff02 tH(2 )=A(2)ej(2)A(2)=A0=const (2)=-2t0 2022-1-341物理不可实现物理不可实现 )( fH0)( f0(a)幅频特性(b)相频特性Acfcfcfcfff02 t)(2)2sin(2)()(0001ttfttffAfHFthccc 理想滤波器在时域内的脉冲响

22、应函数理想滤波器在时域内的脉冲响应函数 h(t)为为sinc函数函数。脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸。脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸。 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时刻时刻单位脉冲输入滤波器之前，即在单位脉冲输入滤波器之前，即在t t0 0时，滤波器就已经有响应了。时，滤波器就已经有响应了。h(t)(t)2022-1-342-3dB 在实际滤波器的幅频特性图中通带和阻带间应没有严在实际滤波器的幅频特性图中通带和阻带间应没有严格的界限，存在一个格的界限，存在一个过渡带过渡带。 3.实际滤波器实际滤波器 过渡带过渡

23、带：从截止频率到从截止频率到A(f)趋近趋近于零的频段。于零的频段。理想滤波器与实际滤波器的主要区别：理想滤波器与实际滤波器的主要区别： 通带内的平直程度；通带内的平直程度；过渡带的陡直程度；过渡带的陡直程度；2022-1-343-3dB实际滤波器的主要特性参数实际滤波器的主要特性参数 1) 截止频率截止频率: 幅频特性值等于幅频特性值等于2/0A所对应的频率所对应的频率,也叫也叫-3dB频率。频率。 2)带宽带宽B：上下两截频间的频率：上下两截频间的频率 范围称为带宽范围称为带宽 3)纹波幅度纹波幅度d ：波动幅度：波动幅度d与幅频特与幅频特性平均值性平均值A0相比应小于相比应小于-3dB。

24、 恒带宽滤波器恒带宽滤波器 B=fc2-fc1恒带宽比滤波器恒带宽比滤波器 B=fc1（2n-1)dBAA321lg202lg20002022-1-3445) 品质因数品质因数Q: 中心频率和带中心频率和带宽之比称为品质因数宽之比称为品质因数 4)中心频率中心频率f0:指上下截止频率指上下截止频率的几何平均值的几何平均值,即即1200122ccccffffffBfQn2022-1-345倍频程选择性倍频程选择性利用频率变化一个倍频程时，过渡带幅频特性的衰减量来利用频率变化一个倍频程时，过渡带幅频特性的衰减量来衡量滤波器选择性的指标，以衡量滤波器选择性的指标，以dB为单位。为单位。)()()2(

25、lg20)()()2(lg202211dBfAfAdBfAfACCCC或倍频程选择总是小于倍频程选择总是小于0，其值越小，滤波器的过渡特性越好，其值越小，滤波器的过渡特性越好。滤波器因数滤波器因数(或矩形系数或矩形系数)利用滤波器幅频特性的利用滤波器幅频特性的-60dB带宽与带宽与-30dB带宽的比值来衡带宽的比值来衡量滤波器选择性，即：量滤波器选择性，即：dBdBBB360001000160lg20AAdBAAxx总是大于等于总是大于等于1，其值越接近，其值越接近1，滤波器的过渡特性越好。，滤波器的过渡特性越好。2022-1-3464.RC无源滤波器无源滤波器 在测试系统中，常用在测试系统中

26、，常用RC滤波器滤波器。因为这一领域中。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标准阻容元件。扰强，有较好的低频性能，并且选用标准阻容元件。 2022-1-3471) 1) 一阶一阶RCRC低通滤波器低通滤波器 xyyuudtduRC令令=RC，称为时间常数，称为时间常数 11)(jjH2)2(11)(ffA)2()(farctgf傅立叶变换，频响函数：傅立叶变换，频响函数： 当当1/2RC时，时，2)2(11)(fRCfA)2()(fRCarctgf()-相频特性近似于一条通过原点的直线相频特性

27、近似于一条通过原点的直线 当当=1/2RC时，时，2， c2=1/2RC上截止频率上截止频率: |H(j)|= A()1，A() =1/2022-1-3480 21|)(|fH(a)RC高 通 滤 波 器0211f 21(b)幅 频 特 性f)( f(c)相 频 特 性CRyuxuo45o90 xyyudtuRCu1令令RC=代入，作傅立叶变换，得频响函数代入，作傅立叶变换，得频响函数 1)()()(jjjH2)2(12)(fffA)21()(farctgf当当=1/2，即，即 =1/2RC时，时，2 当当1/2RC时，时，下截止频率：下截止频率： c1=1/2RC A() =1/A() 1，

28、()=02) 2) 一阶一阶RCRC高通滤波器高通滤波器 2022-1-3493) 3) 一阶一阶RCRC带通滤波器带通滤波器 可以看成是低通和高通两个滤波器串联而成。可以看成是低通和高通两个滤波器串联而成。 2022-1-350高通高通低通低通1)()()(111jjjH11)(22jjH)()()(21jHjHjH)()()(21fAfAfA)()()(21fff频响函数频响函数幅频特性和相频特性幅频特性和相频特性 c2=1/22=1/2R2C2上截止频率上截止频率: 下截止频率：下截止频率： c1=1/21=1/2R1C1 一阶一阶RCRC带通滤波器带通滤波器2022-1-351一阶滤波

29、器通带外衰减率为一阶滤波器通带外衰减率为-20 dB/10-20 dB/10倍频程，倍频程，因此在过渡区衰减缓慢，选择性不佳。把无源因此在过渡区衰减缓慢，选择性不佳。把无源RCRC滤滤波器串联，虽然也可以提高阶次，但受级间耦合的波器串联，虽然也可以提高阶次，但受级间耦合的影响，效果是互相削弱的，且信号的幅值也逐级减影响，效果是互相削弱的，且信号的幅值也逐级减弱。为了克服这些缺点，常采用弱。为了克服这些缺点，常采用有源滤波器有源滤波器。有源滤波器由有源滤波器由RCRC调谐网络和运算放大器调谐网络和运算放大器组成。运算组成。运算放大器既可起级间隔离作用，又可起信号幅值的放放大器既可起级间隔离作用，又可起信号幅值的放大作用。大作用。RCRC网络则通常作为运算放大器的负反馈网网络则通常作为运算放大器的负反馈网络。络。5、RC有源滤波器2022-1-352有源滤波器由有源滤波器由RCRC调谐网络和运算放大器（有源器调谐网络和运算放大器（有源器件）组成件）组成。运算放大器既可起级间隔离作用，又可。运算放大器既可起级间隔离作用，又可起信号幅值的放大作用。起信号幅值的放大作用。RCRC网络则通常作为运算放网络则通常作为运