第13章测试信号的转换与调理

1、胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院测试技术基础测试技术基础测试技术基础测试技术基础胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院第十三章第十三章 测试信号的转换与调理测试信号的转换与调理 信号的调制与解调信号的调制与解调 信号的滤波信号的滤波本章内容：本章内容：测试技术基础测试技术基础胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院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）传感器

2、输出的电信号很微弱，大多数不能直接输）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，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。有的还要进行阻抗变换。2 2）有些传感器输出的电信号中混杂有干扰噪声，需）有些传感器输出的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）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。感器测量信号进行调制解调处理。前言前言胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与

3、机电工程学院13.1 调制与解调调制与解调1 目的目的解决微弱缓变信号放大以及信号传输问题。解决微弱缓变信号放大以及信号传输问题。-101-101-101-101-101胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院 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提取出放大后的缓变信号。出信号中提取出放大后的缓变信号。 例：交流电桥例：交流电桥VinR1R4R2R3V13.1 调制与解调调制与解调胥胥永永刚刚胥胥

4、永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院 调制：调制：利用某种信号来控制或改变另一信号利用某种信号来控制或改变另一信号( (高频的高频的正、余弦或方波正、余弦或方波) )的某个参数的某个参数( (幅值、频率或相位幅值、频率或相位) )的过程。的过程。可分为调幅、调频和调相。可分为调幅、调频和调相。 调制波：调制波：调制中的控制信号调制中的控制信号( (低频信号低频信号) ) 载波：载波：载送低频信号的高频信号载送低频信号的高频信号( (正、余弦或方波正、余弦或方波) ) 已调制波：已调制波：经调制所得的高频信号经调制所得的高频信号( (调幅波、调频波调幅波、

5、调频波和调相波和调相波) ) 解调：解调：从已调制波中恢复出原有低频调制信号的过程从已调制波中恢复出原有低频调制信号的过程2 2 基本概念基本概念13.1 调制与解调调制与解调胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院3 种类种类调制信号调制信号x(t)0t载波信号载波信号z(t)0t13.1 调制与解调调制与解调根据载波受调制参数不同，可分为三类。根据载波受调制参数不同，可分为三类。 002costfAtz胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院a) 幅度调制幅度调制(AM)b) 频率调制频

6、率调制(FM)c) 相位调制相位调制(PM) 002costftxAty txtfAty002cos13.1 调制与解调调制与解调 00d2costtxktfAty胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院 调幅是将一个高频正弦信号调幅是将一个高频正弦信号(或称载波或称载波)与测试信号与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化。相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化。缓变信号缓变信号调制调制高频信号高频信号放大放大放大高频放大高频信号信号解调解调放大缓变放大缓变信号信号 tftxAty02cos4 幅值调制幅值调制胥胥永永刚刚胥胥

7、永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院幅度调制与解调过程幅度调制与解调过程( (波形分析波形分析) )乘法器放大器x(t)z(t)y(t)乘法器滤波器z(t)x(t)-101-101-101-101-101-1014 幅值调制幅值调制胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院幅度调制与解调过程幅度调制与解调过程( (频谱分析频谱分析) )乘法器放大器x(t)z(t)y(t)乘法器滤波器z(t)x(t)mfmf0f0f0f0f0f0f02 f02 fmfmfmfmf4 幅值调制幅值调制胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚

8、胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院幅度调制与解调过程（数学分析）幅度调制与解调过程（数学分析）乘法器放大器x(t)z(t)y(t)乘法器滤波器z(t)x(t)(tx tftxty02cos)(tz)(tz tftxtym022cos tftxtx04cos2124 幅值调制幅值调制胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院解调方法之一：同步解调解调方法之一：同步解调 解调时，所乘信号必须保证其频率和相位与原载波信解调时，所乘信号必须保证其频率和相位与原载波信号相同，故称同步解调。号相同，故称同步解调。 -505

9、-101-505-101-505-101-505-101-505-1015 幅值解调幅值解调胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院解调方法之二：整流检波解调方法之二：整流检波 若对信号若对信号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，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。 txDt x tx调幅之前调幅之前5 幅值解调幅值解调胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院 tftxDty02cos解调解调二极管检波二极管检波低通滤波低通滤波调幅调幅 ty

10、5 幅值解调幅值解调胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院 相敏检波是利用交变信号在过零位时正、负极性发生突变，使调幅波相位（与载波信号比较）也相应地产生180相位跳变，从而既反映原信号的幅值又反映其相位。 特点: (1) 可以鉴别调制信号的极性； (2) 不必对调制信号加直流偏置。解调方法之三：相敏检波解调方法之三：相敏检波5 幅值解调幅值解调胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院解调：相敏检波解调：相敏检波(e) 滤波后波形(d) 相敏检波后波形(b) 载波(c) 放大后调幅波(a)

11、 调制信号exR(t)e0e01e02=KR(t)5 幅值解调幅值解调典型相敏检波电路胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院 (a) 过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏置必过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏置必须足够大，否则须足够大，否则x(t)的相位将发生的相位将发生180变化。变化。y(t)t0 x(t)t06 幅值调制的失真幅值调制的失真胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院 (b) 重叠失真：当载波频率重叠失真：当载波频率f 0 小于被测信号最高频小于被测信号最高频率率f

12、 m 时，调幅波频谱将出现频率重叠时，调幅波频谱将出现频率重叠 要求：要求： f 0f m Y( f )-f0f006 幅值调制的失真幅值调制的失真胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院动态电阻应变仪动态电阻应变仪 电桥由振荡器提供等幅高频振荡电压（相当于载波）。被测量(力、应变等，相当于调制波)通过电阻应变片控制电桥输出。电桥输出为调幅波，放大后，经相敏检波与低通滤波，提取出被测信号。7 幅值调制与解调的应用幅值调制与解调的应用胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院8 频率调制与解调频

13、率调制与解调 调频是利用信号调频是利用信号x(t)的幅值调制载波的频率。的幅值调制载波的频率。因此，调频波是一种等幅波，但其疏密度因此，调频波是一种等幅波，但其疏密度（即频率）随信号（即频率）随信号x(t)的幅值变化而变化。的幅值变化而变化。 00d2costtxktfAty13.1 调制与解调调制与解调胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院锯齿波调频锯齿波调频正弦波调频正弦波调频8 频率调制与解调频率调制与解调 13.1 调制与解调调制与解调胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院鉴频：

14、鉴频：变压器耦合的谐振回路鉴频变压器耦合的谐振回路鉴频 第一步：第一步： 先将等幅调频波转换为幅值随频率变化的调频先将等幅调频波转换为幅值随频率变化的调频调幅波调幅波; ;调频波的解调称为鉴频或频率检波调频波的解调称为鉴频或频率检波 第二步：第二步： 检测幅值的变化，得到原调制信号。检测幅值的变化，得到原调制信号。 8 频率调制与解调频率调制与解调胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院鉴频：鉴频：8 频率调制与解调频率调制与解调回路输入为等幅调频波，当频率偏离谐振频率时，输出幅值随之下降。通常在谐振回路特性曲线的亚谐振接近直线段进行频率电压

15、变换。 频率与 相同，幅度受 频率变化而变化。aefefe胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院优点：抗干扰能力强。优点：抗干扰能力强。 调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的带宽的20倍；频率调制是一种非线性调制，调频系统倍；频率调制是一种非线性调制，调频系统较之调幅系统更为复杂。较之调幅系统更为复杂。 调频信号所携带的信息包含在频率变化之中，并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，而外界干扰主要影响信号的幅值。非振幅之中，而外界干扰主要影响信号的幅值。 缺点：占频带宽度

16、大，复杂缺点：占频带宽度大，复杂8 频率调制与解调频率调制与解调胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院滤波器是一种选频装置，可以使滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。大地衰减其它频率成分。13.2 滤波滤波 Krohn-Hite 滤波器胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院1 滤波器分类（根据滤波器选频作用）滤波器分类（根据滤波器选频作用） 低通低通高通高通13.2 滤波滤波胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩

17、学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院带通带通带阻带阻1 滤波器分类（根据滤波器选频作用）滤波器分类（根据滤波器选频作用） 13.2 滤波滤波胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院2 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两种最基本的滤波器形低通滤波器和高通滤波器是两种最基本的滤波器形式，其它滤波器可看做为这两种滤波器的组合。式，其它滤波器可看做为这两种滤波器的组合。低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器低通滤波器与高通滤波器的串联为带通滤波器低通滤波器与高通滤波器的串联为

18、带通滤波器13.2 滤波滤波胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院3 理想滤波器理想滤波器 理想滤波器指能使通带内信号的幅值和相位都理想滤波器指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内频率成分都衰减为零的滤波器。不失真，阻带内频率成分都衰减为零的滤波器。其它0)(020ffeAfHctfj)(2)(22)(000ttfttfsinfAthccc13.2 滤波滤波)()()(thtxty胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院理想滤波器的理想滤波器的物理不可实现物理不可实现 理想滤波器在时

19、域内的脉冲响应函数理想滤波器在时域内的脉冲响应函数 为为 函数。脉冲响应的波形沿横坐标向左、右无限延伸。函数。脉冲响应的波形沿横坐标向左、右无限延伸。3 理想滤波器理想滤波器)(thcsin)( fHcf)(tht 给理想滤波器一个脉冲激励，在给理想滤波器一个脉冲激励，在 时刻单位脉时刻单位脉冲输入滤波器之前，滤波器就已有响应了。故物理不冲输入滤波器之前，滤波器就已有响应了。故物理不可实现。可实现。0t胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院 理想滤波器的单位阶跃响应理想滤波器的单位阶跃响应 滤波器阶跃响应的建立时间和带宽成反比。滤波器阶跃响

20、应的建立时间和带宽成反比。 通带越宽，衰减的高频分量越少，信号能量更多、通带越宽，衰减的高频分量越少，信号能量更多、更快地通过，因此建立时间越短。更快地通过，因此建立时间越短。 滤波器的带宽表示它的频率分辩能力。通带窄，滤波器的带宽表示它的频率分辩能力。通带窄，则分辨力高则分辨力高滤波器的高分辩能力与测量时的快速滤波器的高分辩能力与测量时的快速响应要求相矛盾。响应要求相矛盾。3 理想滤波器理想滤波器胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院4 实际滤波器实际滤波器 理想滤波器是不存在的，实际滤波器幅频特性中理想滤波器是不存在的，实际滤波器幅频特

21、性中通带和阻带间没有严格界限，存在过渡带。通带和阻带间没有严格界限，存在过渡带。 0fA13.2滤波滤波胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院02A0ABWQ/0d0B2cf1cff1) 截止频率截止频率 ： 所对应的频率。所对应的频率。2) 纹波幅度纹波幅度 ：绕绕幅频特性均值幅频特性均值 波动值波动值3) 带宽带宽 和品质因数和品质因数 ：上下两截止频率间的范围上下两截止频率间的范围称为带宽。中心频率和带宽之比称为品质因数称为带宽。中心频率和带宽之比称为品质因数 。cfd0707. 0AQ0AB4 实际滤波器实际滤波器胥胥永永刚刚胥胥永

22、永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院4) 倍频程选择性倍频程选择性W 在上截止频率在上截止频率fc2与与2fc2之间幅频特性的衰减值，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。即频率变化一个倍频程时的衰减量。 倍频程衰减量以倍频程衰减量以dB/oct表示表示(Octave，倍频程，倍频程)。衰。衰减越快减越快(即即W值越大值越大)，滤波器的选择性越好。，滤波器的选择性越好。22220lgccfAfAW4 实际滤波器实际滤波器胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院5 恒带宽、恒带宽比滤波器恒带

23、宽、恒带宽比滤波器 实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实际滤实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实际滤波器中心频率与带宽之间的关系，可分为两种。波器中心频率与带宽之间的关系，可分为两种。13.2 滤波滤波胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院1) 恒带宽带通滤波器恒带宽带通滤波器 中心频率为上下截止频率的算术平均值。中心频率为上下截止频率的算术平均值。2)(210ccfff 5 恒带宽、恒带宽比滤波器恒带宽、恒带宽比滤波器胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院2) 恒带宽比带通滤波器恒

24、带宽比带通滤波器 中心频率为上下截止频率的几何平均值。中心频率为上下截止频率的几何平均值。带宽与中心频率的比值称相对宽度。带宽与中心频率的比值称相对宽度。210ccfffQbfBb10 5 恒带宽、恒带宽比滤波器恒带宽、恒带宽比滤波器胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院倍频程滤波器倍频程滤波器 5 恒带宽、恒带宽比滤波器恒带宽、恒带宽比滤波器胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院 6 滤波电路滤波电路(1) 无源滤波器无源滤波器 由无源器件（R、L、C）构成的滤波器。带载能力差，当负载

25、变化时，其放大倍数和通带截止频率均发生变化，往往不能满足信号处理的要求。(2) 有源滤波器有源滤波器由有源器件（三极管、场效应管、集成运放）构成的滤波器。广泛采用带有深度负反馈的集成运放。由于集成运放具有高输入阻抗、低输出阻抗的特性，使滤波器输出和输入间有良好的隔离，便于级联，以构成滤波特性好或频率特性有特殊要求的滤波器。胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院在测试系统中信号频率相对不高，常用在测试系统中信号频率相对不高，常用RC滤波器。滤波器。RC滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且可选用标准阻容元件。并且可选用标准阻容元件。 1) 一阶一阶RC低通滤波器低通滤波器 6 滤波电路滤波电路胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院xyyeeteRCdd ffffHfA2arctg2112 121fjfH 6 滤波电路滤波电路1) 一阶一阶RC低通滤波器低通滤波器 胥胥永永刚刚胥胥永永刚刚胥永刚制胥永刚制龙岩学院物理与机电工程学院龙岩学院物理与机电工程学院2) 一阶一阶RC高通滤波器高通滤波器xyyeteRCed1 fffff