第五章信号调理cg

1、中国矿业大学机电学院内容提要：内容提要：第五章第五章 模拟信号的变换和处理模拟信号的变换和处理5-1 放大器放大器5-2 电桥电桥5-3 调制与解调调制与解调5-4 信号滤波器信号滤波器测试技术测试技术中国矿业大学机电学院 完成本章内容的学习后应能做到：完成本章内容的学习后应能做到： 1. 掌握掌握放大电路放大电路的工作原理；的工作原理； 2. 掌握掌握电桥电桥的工作原理；的工作原理； 3. 掌握信号掌握信号调制解调调制解调原理；原理； 4. 掌握信号掌握信号滤波器滤波器工作原理。工作原理。 测试技术测试技术中国矿业大学机电学院信号调理的的信号调理的的目的目的是便于信号的传输与处理。是便于信号

2、的传输与处理。 目的：目的： 1. 传感器输出的电信号很传感器输出的电信号很微弱微弱，大多数不能直接输送到，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。 2. 有些传感器输出的是电信号中有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声混杂有干扰噪声，需，需要去掉噪声，提高信噪比。要去掉噪声，提高信噪比。3. 某些场合，为便于信号的某些场合，为便于信号的远距离传输远距离传输，需要对传感，需要对传感器测量信号进行调制解调处理。器测量信号进行调制解调处理。 第五章第五章 模拟信号的变换和处理模拟信号的变换和

3、处理中国矿业大学机电学院概念：概念：模拟信号的处理和变换是对模拟信号的处理和变换是对连续信号连续信号进行分析处理的进行分析处理的过程，是利用过程，是利用一定的数学模型所组成的运算网络一定的数学模型所组成的运算网络来实现的。来实现的。主要内容：放大电路、主要内容：放大电路、电桥、调制、滤波等电桥、调制、滤波等。第五章第五章 模拟信号的变换和处理模拟信号的变换和处理中国矿业大学机电学院5-1放大电路放大电路 放大电路的放大电路的基本性能基本性能：l足够的放大倍数足够的放大倍数l高输入阻抗，低输出阻抗高输入阻抗，低输出阻抗l高共模抑制能力高共模抑制能力l低温漂、低噪声、低失调电压和电流低温漂、低噪声

4、、低失调电压和电流第五章第五章 模拟信号的变换和处理模拟信号的变换和处理中国矿业大学机电学院5-15-1放大电路放大电路基本差动放大电路基本差动放大电路 设设运算放大器的开环增益为运算放大器的开环增益为A、输入阻抗无限大。、输入阻抗无限大。2O11RUURUU 432RURUU )UU(AUO 1121122121144321OUARRR1RRUARRR1RRRRRRU 1122144321OURRURRRRRRU A=时 中国矿业大学机电学院1122144321OURRURRRRRRU KRRRRRRRR12144321 如果该电路具有抗共模干扰的能如果该电路具有抗共模干扰的能力，力，U2和

5、和U1前面的前面的系数必须一致系数必须一致。3412RRRRK )UU(KU12O 输出电压：输出电压：基本差动放大电路基本差动放大电路 此电路的抗共模抑制能力如何？电阻如何匹配及选择？此电路的抗共模抑制能力如何？电阻如何匹配及选择？ 基本差动放大电路在增益需要可变的情况下，要同时改变基本差动放大电路在增益需要可变的情况下，要同时改变两个相等的元件值，很难保证元件对称性的精度要求。两个相等的元件值，很难保证元件对称性的精度要求。中国矿业大学机电学院同相并联同相并联高输入阻抗差动放大电路高输入阻抗差动放大电路 假设假设三个运三个运算放大器算放大器A1、A2、A3的的输入阻抗输入阻抗和和开环增益开

6、环增益均为均为无无限大限大，则运放不，则运放不消耗电流，且运消耗电流，且运放的正负输入端放的正负输入端的电位一致。的电位一致。由由A1、A2有有11o1iP1i2i22i2oRUURUURUU 5-15-1放大电路放大电路中国矿业大学机电学院2i1i2iP22oU)UU(RRU 11211)(iiiPoUUURRU)UU()1RRR(UU1i2iP121o2o A3构成的是基本的差动放大电路，显然有构成的是基本的差动放大电路，显然有 )UU(RRU1o2o34o )UU()1RRR(RRU1i2iP1234o 可见，如果运算放大器是理想的，输入级的差动输出及可见，如果运算放大器是理想的，输入级

7、的差动输出及其差模增益只与差模输入电压有关，而其共模输出、失调和其差模增益只与差模输入电压有关，而其共模输出、失调和温漂均在温漂均在RP两端相互抵消，故两端相互抵消，故此电路具有较强抑制共模信号此电路具有较强抑制共模信号抑制能力抑制能力，且与且与Rl和和R2的匹配程度无关的匹配程度无关。但是当两只运算放大。但是当两只运算放大器的共模抑制比不相等时，共模抑制比不可能为无限大。器的共模抑制比不相等时，共模抑制比不可能为无限大。5-15-1放大电路放大电路中国矿业大学机电学院 该电路是目前广泛应用的具有该电路是目前广泛应用的具有高输入阻抗高输入阻抗和和高共模抑制高共模抑制比比的放大电路。由于实际运算

8、放大器的非理想化，的放大电路。由于实际运算放大器的非理想化，要求在选要求在选用时用时A1和和A2的性能参数应严格一致的性能参数应严格一致，包括输入阻抗、共模抑，包括输入阻抗、共模抑制比、开环增益及温度系数等。同时，为了尽量消除制比、开环增益及温度系数等。同时，为了尽量消除A1、A2偏置电流的影响，应当取偏置电流的影响，应当取R1=R2。A3周围电阻的选取可参考基周围电阻的选取可参考基本差动放大电路。另外，这种电路还具有本差动放大电路。另外，这种电路还具有增益调节能力增益调节能力，改，改变变RP的值可以调节该电路的增益而不破坏电路的对称性的值可以调节该电路的增益而不破坏电路的对称性。)UU()1

9、RRR(RRU1i2iP1234o 5-15-1放大电路放大电路中国矿业大学机电学院同相串联同相串联高输入阻抗差动放大电路高输入阻抗差动放大电路 输出电压输出电压UO由由两部分两部分组成，一组成，一部分是部分是UO1所产生的输出所产生的输出UO，另一，另一部分是由部分是由Ui2产生的输出产生的输出UO，则，则1i1234oU)1RR(RRU 2i34oU)1RR(U 2i341i1234oooU)1RR(U)1RR(RRUUU )1RR()1RR(RR341234 令令4312RRRR )UU()1RR(U1i2i21o 因此因此5-15-1放大电路放大电路中国矿业大学机电学院同相串联高输入阻

10、抗差动放大电路同相串联高输入阻抗差动放大电路)UU()1RR(U1i2i21o 可见，同相串联差动放大电路的输可见，同相串联差动放大电路的输出电压与输入电压之差成比例。由于该出电压与输入电压之差成比例。由于该电路的非对称性，要调节电路的增益，电路的非对称性，要调节电路的增益，必须必须同时按比例地改变两个电阻的阻值同时按比例地改变两个电阻的阻值，这给增益调节带来了很大的不方便。这给增益调节带来了很大的不方便。 同相串联差动放大器的共模抑制比同相串联差动放大器的共模抑制比取 决 于取 决 于 两 只 运 算 放 大 器 的 自 身 的两 只 运 算 放 大 器 的 自 身 的CMRR和电阻匹配精度

11、和电阻匹配精度。 因此，同样应选用输入因此，同样应选用输入阻抗高、共模抑制比大、阻抗高、共模抑制比大、开环增益高及温度系数等开环增益高及温度系数等非常好的非常好的高精度运算放大高精度运算放大器器，电阻也应选用，电阻也应选用高精度高精度的金属膜电阻的金属膜电阻，而且应严，而且应严格地选配。格地选配。5-15-1放大电路放大电路中国矿业大学机电学院3、可编程增益放大电路、可编程增益放大电路 图中有图中有四个模拟开关四个模拟开关，可实现，可实现015中任意正整数增益，中任意正整数增益，即即24个增益值个增益值。其闭环放大倍数的计算式可表示为：。其闭环放大倍数的计算式可表示为：)248(12DCBAR

12、RK 其中：其中：R1=R=80k。当开关均接通时，即当开关均接通时，即A=B=C=D=1时，时，K=-15；当当A=B=C=1、D=0时，时，K=-14。A、B、C、D按按二进制码控制，则可得到二进制码控制，则可得到24个增益值。个增益值。 若采用若采用n个开关，则个开关，则有可得到有可得到2n个增益值。个增益值。5-15-1放大电路放大电路中国矿业大学机电学院可编程增益放大电路可编程增益放大电路 运放运放A接成同相输入放大电路，输入阻抗高，开关接接成同相输入放大电路，输入阻抗高，开关接在反相输入端，开关的导通电阻对电路精度的影响比较小，在反相输入端，开关的导通电阻对电路精度的影响比较小，但

13、但每次只能有一个开关导通每次只能有一个开关导通，因此只能获得，因此只能获得1、2、4、8二二进制增益值。进制增益值。)842DCBAK其增益的其增益的逻辑关系逻辑关系为：为：5-15-1放大电路放大电路中国矿业大学机电学院集成可编程增益放大器集成可编程增益放大器 运算放大电路、电阻网络和模拟开关和译码电路等集运算放大电路、电阻网络和模拟开关和译码电路等集成在一起，制成单片集成电路，称为成在一起，制成单片集成电路，称为集成可编程增益放大集成可编程增益放大器器，如，如LH0075、LH0076、LH0084、LH0086等。等。 5-15-1放大电路放大电路中国矿业大学机电学院5-2电桥电桥 参数

14、型传感器（能量控制型）参数型传感器（能量控制型）可以把被测机械量得的变可以把被测机械量得的变化转变为电路或磁路的参数变化，通过化转变为电路或磁路的参数变化，通过电桥，电桥，则可以把这种则可以把这种参数的变化转变为电桥输出电压的变化。参数的变化转变为电桥输出电压的变化。 分类：分类：电桥按其电源性质的不同分为：电桥按其电源性质的不同分为：直流电桥直流电桥和和交流交流电桥电桥。直流电桥只可用于直流电桥只可用于电阻电阻的测量，而交流电桥可用于的测量，而交流电桥可用于电电阻、电感和电容阻、电感和电容的测量。的测量。第五章第五章 模拟信号的变换和处理模拟信号的变换和处理中国矿业大学机电学院一直流电桥一直

15、流电桥1. 平衡条件平衡条件 典型的电桥电路如典型的电桥电路如图图1所示。所示。5-25-2电桥电桥根据根据欧姆定律欧姆定律可得：可得：01124abaduuuI RI R14001234RReeRRRR132401234()()R RR ReRRRR图图1中国矿业大学机电学院2. 电桥灵敏度电桥灵敏度平衡条件下，若电阻平衡条件下，若电阻R1有一个变化量有一个变化量R1，即即R由由R1变变为为R1R1，则由电桥的输出量为：则由电桥的输出量为：当当u00 时，电桥平衡，这时有：时，电桥平衡，这时有：13240R RR R1423RRRR或或1140011234RRRueRRRRR 3101123

16、4()()RReRRRRR 5-25-2电桥电桥中国矿业大学机电学院 分子、分母同除以分子、分母同除以R1R4 ，并忽略式中的，并忽略式中的R1/R1项。项。令令3421/RRRRn可得可得10000221(1)(1)nRnueKenRn电桥灵敏度电桥灵敏度 SB00211/(1)BunSeRRn可见电压可见电压e0越大，电桥的灵敏度也就越高，在越大，电桥的灵敏度也就越高，在e0选定的选定的情况下，可以变动桥臂电阻的阻值。情况下，可以变动桥臂电阻的阻值。5-25-2电桥电桥中国矿业大学机电学院令令 dSB/dn =022(1)2 (1)0(1)BdSnnndnn即要求即要求2(1)2 (1)0

17、nnn由由R1/R2=R4/R3=1得到得到R1R2，R4R3，这就是电桥的，这就是电桥的最大灵敏度条件最大灵敏度条件，实际中常使，实际中常使R1R2R3R4 电桥的最大灵敏度条件电桥的最大灵敏度条件n =1代入灵敏度公式可得：代入灵敏度公式可得：00014uKe得得 n =15-25-2电桥电桥中国矿业大学机电学院3、非线性误差及其补偿、非线性误差及其补偿 上式是在上式是在忽略掉忽略掉u0表达式的分母中表达式的分母中 项后得到的，如项后得到的，如果果考虑它的影响考虑它的影响，上式应成为，上式应成为11RR10011112(2)RueRRR 它和它和 之间的差就是之间的差就是非线性误差非线性误

18、差，即非线性误，即非线性误差的大小为差的大小为1111100011111112111442(2)12RRRRReeeRRRRRRR10114ReR5-25-2电桥电桥中国矿业大学机电学院 如果以相对值表示，非线性误差如果以相对值表示，非线性误差 1111111000111111122111/44221122RRRRRRReeKRRRRRRR 对于对于常用金属应变片常用金属应变片可设可设 ，则，则 。在弹性。在弹性范围内，范围内，常在常在0.1以下。所以非线性误差不大。而对以下。所以非线性误差不大。而对半导半导体应变片体应变片 ，相应地非线性误差也要大大增加，相应地非线性误差也要大大增加，因此因

19、此半导体应变片在用于单臂电桥的情况下，不适于测量大半导体应变片在用于单臂电桥的情况下，不适于测量大应变应变。 02K 0100150K 5-25-2电桥电桥中国矿业大学机电学院为了增加电桥的灵敏度和减小非线性误差，常采用为了增加电桥的灵敏度和减小非线性误差，常采用双双臂电桥臂电桥和和全桥全桥。对双臂电桥来说，对双臂电桥来说，R1和和R2都是工作桥臂，其它两个桥都是工作桥臂，其它两个桥臂为固定桥臂，电桥工作时，电阻臂为固定桥臂，电桥工作时，电阻R1和和R2一个增大、一个一个增大、一个减小，而且增大和减小的绝对值相等并使减小，而且增大和减小的绝对值相等并使R1R2R4R3，|R1|R2|则输出电压

20、：则输出电压：114000112234RRRueeRRRRRR 100011122ReKeR5-25-2电桥电桥中国矿业大学机电学院 灵敏度为：灵敏度为：11001111() /()22BRRSeeRR若若四个桥臂都是工作臂四个桥臂都是工作臂，四个桥臂的电阻以，四个桥臂的电阻以差动差动的方式的方式增大或减小，且增大和减小的绝对值相等，存在如下关系：增大或减小，且增大和减小的绝对值相等，存在如下关系：则输出电压：则输出电压：114400101223344RRRRueRRRRReRRR R1=R2=R4=R3，|R1|=|R2|=|R3|=|R4|10001ReKeR5-25-2电桥电桥中国矿业大

21、学机电学院灵敏度为：灵敏度为：110011() /()BRRSeeRR4、直流电桥的平衡、直流电桥的平衡测量之前，必须使电桥处于平衡状态，直流电桥只考虑测量之前，必须使电桥处于平衡状态，直流电桥只考虑电电阻平衡阻平衡，下图下图为所示的两种常用平衡方法。为所示的两种常用平衡方法。5-25-2电桥电桥中国矿业大学机电学院二、交流电桥二、交流电桥1、交流电桥的平衡条件、交流电桥的平衡条件交流电桥交流电桥 根据对根据对直流电桥直流电桥的讨论有：的讨论有：)(423142310ZZZZZZZZu当当04231ZZZZ时，电桥时，电桥输出为零，达到平衡，此时有：输出为零，达到平衡，此时有：4231ZZZZ

22、5-25-2电桥电桥 交流电桥交流电桥不但不但可以测交流电阻、可以测交流电阻、电感、电容；电感、电容；还还可以测量材料的可以测量材料的介介电常数电常数、电容器的、电容器的介质损耗介质损耗、线圈、线圈间的间的互感系数互感系数和和耗合系数耗合系数、磁性材、磁性材料的料的磁导率磁导率和液体的和液体的电导率电导率。中国矿业大学机电学院jZeZ )(42)(314231jjeZZeZZ4231ZZZZ4231则则电桥平衡电桥平衡时，有：时，有：也可表示为：也可表示为：5-25-2电桥电桥中国矿业大学机电学院2、测量用交流电桥、测量用交流电桥 右图所示为右图所示为差动差动电感传感器与电感传感器与固定电阻组

23、成的一种对称交流电桥。固定电阻组成的一种对称交流电桥。 在被测物理量的作用下，差动在被测物理量的作用下，差动电感传感器的两个线圈的电感发生电感传感器的两个线圈的电感发生变化，即变化，即CDLLLBCLLL 则可按下式计算则可按下式计算C点的电压点的电压00()()()2jLLLLeejLLjLLL5-25-2电桥电桥中国矿业大学机电学院 则电桥的则电桥的输出电压输出电压为：为：00002212eLeeLLLu3、交流电桥的平衡调整、交流电桥的平衡调整11111RZj RC22221RZj R C34ZZR5-25-2电桥电桥0e 中国矿业大学机电学院 电桥平衡时电桥平衡时4231ZZZZ324

24、1RCRC3214RRRR 将各桥臂阻抗代入，整理后得：将各桥臂阻抗代入，整理后得：5-25-2电桥电桥中国矿业大学机电学院5-35-3调制与解调调制与解调信号调制的类型：信号调制的类型：幅度幅度调制、调制、频率频率调制、调制、相位相位调制调制第五章第五章 模拟信号的变换和处理模拟信号的变换和处理中国矿业大学机电学院调频：调频：电容、电感传感器就是利用调频电路将被测物理量电容、电感传感器就是利用调频电路将被测物理量的变化转化为频率的变化。的变化转化为频率的变化。幅度调制：幅度调制：被测物理量被测物理量低频缓变信号低频缓变信号调幅信号调幅信号传感器传感器交流交流放大放大5-15-1调制与解调调制

25、与解调调幅：调幅：是将一个是将一个高频正弦信号高频正弦信号（或称载波）与测试信号（或称载波）与测试信号相乘相乘，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。一、幅度调制一、幅度调制1.幅度调制原理幅度调制原理中国矿业大学机电学院 交流电桥是一种常用的交流电桥是一种常用的幅度调制器幅度调制器。交流电桥交流电桥 交流电桥的交流电桥的四个桥臂都为四个桥臂都为R，并将其阻值调整后使电桥平，并将其阻值调整后使电桥平衡。若四个桥臂中衡。若四个桥臂中任一臂的阻值任一臂的阻值发生变化发生变化R，使电桥失，使电桥失去平衡，则电桥的输出电压为去平衡，则电桥的输出电压为014yRee

26、R若激励电源的电压为一高频正弦波，即若激励电源的电压为一高频正弦波，即00sinceEt5-25-2调制与解调调制与解调中国矿业大学机电学院 若若输入信号输入信号（被测信号）引起得电阻变化（被测信号）引起得电阻变化R也是一个也是一个正正弦变化量弦变化量（如正弦交变应力），即（如正弦交变应力），即则得则得01sin4ycReEtRsinssRRt则电桥输出则电桥输出 的信号电压为的信号电压为001sinsinsinsin4syscscRet EtKt EtR其波形变化规律其波形变化规律如图如图5-25-2调制与解调调制与解调中国矿业大学机电学院e ey y5-25-2调制与解调调制与解调中国矿业

27、大学机电学院( )( )()()x ty tXY根据傅氏变换的性质得根据傅氏变换的性质得简谐波函数的频谱是一对脉冲谱简谐波函数的频谱是一对脉冲谱线线，即：，即：0000001sin 2()21co s 22f tjfffff tffff或或 在在频域频域上，由傅立叶变换的性质可知：在上，由傅立叶变换的性质可知：在时域时域中两个中两个信号信号相乘相乘，则对应于，则对应于频域频域中这两个信号的中这两个信号的卷积卷积，即：，即：( )( )()()x ty tXfYf5-25-2调制与解调调制与解调中国矿业大学机电学院这一过程就是这一过程就是调幅调幅，所以调幅过程就相当于，所以调幅过程就相当于频率频

28、率“搬移搬移”过程过程，调幅结果如图调幅结果如图3所式所式。 被测信号的频域特征有何变化？载波频率的要求？被测信号的频域特征有何变化？载波频率的要求？2、幅度调制的解调、幅度调制的解调解调过程是将已调制波恢复为原低频调制信号的过程。恢复解调过程是将已调制波恢复为原低频调制信号的过程。恢复原波形包括幅值的原波形包括幅值的大小大小和和正负符号正负符号两个方面。两个方面。 00011( )cos222x tf tXfffXfff 一个函数与单位脉冲数卷积的结果就是：一个函数与单位脉冲数卷积的结果就是：5-25-2调制与解调调制与解调中国矿业大学机电学院（1）整流检波）整流检波 这种解调方法在时域内的

29、信号流程这种解调方法在时域内的信号流程如下图如下图所示。所示。 这种方法虽然可以恢复波形，但在调制过程中有一个这种方法虽然可以恢复波形，但在调制过程中有一个加、加、减直流减直流(电流或电压电流或电压)的过程。因为在实际工作中要使每一的过程。因为在实际工作中要使每一直流本身稳定，且使两个直流完全对称难度很大，不易实直流本身稳定，且使两个直流完全对称难度很大，不易实现，致使原波形与恢复原波形虽然幅值上可以成比例，但现，致使原波形与恢复原波形虽然幅值上可以成比例，但在分界正负极性的零点上可能产生漂移在分界正负极性的零点上可能产生漂移，而使分辨原波形，而使分辨原波形的的正负极性正负极性上上产生误差产生

30、误差。 5-25-2调制与解调调制与解调中国矿业大学机电学院（2）同步解调）同步解调 若把调幅波若把调幅波xm(t) 再次与载波信号再次与载波信号y(t)相乘，则频域图形将相乘，则频域图形将再一次进行再一次进行“搬移搬移”，如，如图图4所示，即：所示，即：用低通滤波器用低通滤波器滤除高频成分滤除高频成分，将可以复现原信号的频谱，将可以复现原信号的频谱（只是幅值减半），这一过程称为（只是幅值减半），这一过程称为同步解调同步解调。 0011122244mF xty tXfXffff5-25-2调制与解调调制与解调中国矿业大学机电学院 所谓所谓“同步同步”是指解调时所乘的信号与调制时的载波信号具是指

31、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，有相同的频率和相位，如图如图4所示所示。 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)直接与载波信号直接与载波信号y(t)相乘。相乘。这种调幅波具有极性变化，即在信号过零时，其幅值发生由这种调幅波具有极性变化，即在信号过零时，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（相正到负（或由负到正）的突然变化，此时调幅波的相位（相对于载波）也发生对于载波）也发生180的相位变化，此种调制方法称为的相位变化，此种调制方法称为抑制抑制调幅调幅。5-25-2调制与解调调制与解调中国矿业大学机电学院若把调制信号若把调

32、制信号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A，使偏，使偏置后的信号都具有正电压，此时调幅波表达式为：置后的信号都具有正电压，此时调幅波表达式为：0( )1( )cos 2mxtAm x tf t式中，式中，m 1，称为，称为调幅指数调幅指数。这种调制方法称为。这种调制方法称为非抑制非抑制调幅调幅，或偏置调幅。其调幅波的包络线具有原信号形状，或偏置调幅。其调幅波的包络线具有原信号形状，如如图图5（a）所示）所示。对于非抑制调幅波，一般采用整流、滤波。对于非抑制调幅波，一般采用整流、滤波（或称包络检波）以后，就可以恢复原信号。（或称包络检波）以后，就可以恢复原信号。5-25

33、-2调制与解调调制与解调中国矿业大学机电学院3、调幅波的波形失真、调幅波的波形失真（1）过调失真）过调失真对于非抑制调幅，其直流偏置必须足够大，要求调幅指对于非抑制调幅，其直流偏置必须足够大，要求调幅指数数m1。因为，。因为，m1时，当时，当x(t)取最大负值时，可能使取最大负值时，可能使A1+mx(t)fm。 实际应用中，往往选择载波频率至少实际应用中，往往选择载波频率至少数倍于数倍于信号中的最信号中的最高频率。高频率。（3）调幅波通过系统时的波形失真）调幅波通过系统时的波形失真调幅波通过系统时，将受到系统频率特性的影响，调幅波通过系统时，将受到系统频率特性的影响，图图7表表示了系统的带通特

34、性所引起的调幅波波形变化。示了系统的带通特性所引起的调幅波波形变化。图（图（a）为理为理想情况下，调幅波不变；想情况下，调幅波不变；（b）则为边带波被衰减，使调幅深则为边带波被衰减，使调幅深度变浅；度变浅；（c）则为边带波被放大，使调幅波深度变深。则为边带波被放大，使调幅波深度变深。5-25-2调制与解调调制与解调中国矿业大学机电学院4、幅度调制在测试仪器中的应用、幅度调制在测试仪器中的应用Y6D3A型动态应变仪的工作原理框图如型动态应变仪的工作原理框图如图图8所示。所示。5-25-2调制与解调调制与解调中国矿业大学机电学院二、频率调制二、频率调制频率调制：频率调制：是用调制信号（是用调制信号

35、（低频低频）去）去控制控制载波信号（载波信号（高频高频）的频率的过程。即利用信号电压的幅值去控制一个振荡器，的频率的过程。即利用信号电压的幅值去控制一个振荡器，振荡器的输出将是等幅波，但振荡器的输出将是等幅波，但其振荡频率的变化与信号电其振荡频率的变化与信号电压成比例压成比例。当信号电压为零时，调频波的频率就等于中心。当信号电压为零时，调频波的频率就等于中心频率，信号电压为正时频率增加，负值时，则降低，所以频率，信号电压为正时频率增加，负值时，则降低，所以调频波是随信号变化的疏密不等的等幅波，调频波是随信号变化的疏密不等的等幅波，如图如图9所示所示。调频波：调频波：是一种随信号是一种随信号x(

36、t)的电压幅值变化的的电压幅值变化的疏密度不同疏密度不同的的等幅波等幅波。5-25-2调制与解调调制与解调中国矿业大学机电学院 频率调制器频率调制器最普通的方法最普通的方法是将传感器输出的电压信号输是将传感器输出的电压信号输入到一个电压入到一个电压/频率频率（V/F）变换器，这时变换器输出的是一变换器，这时变换器输出的是一个被调制信号进行了频率调制的已调制波。个被调制信号进行了频率调制的已调制波。 另一个方法是另一个方法是，利用电抗元件组成调谐振荡器。电抗元，利用电抗元件组成调谐振荡器。电抗元件（电容或电感）作为传感器，检取被测量，作为调制信号件（电容或电感）作为传感器，检取被测量，作为调制信

37、号输入，振荡器原有的信号为载波。当有调制信号输入时振荡输入，振荡器原有的信号为载波。当有调制信号输入时振荡器输出即是被调制了的已调制波。器输出即是被调制了的已调制波。1、频率调制器及工作原理：、频率调制器及工作原理：5-25-2调制与解调调制与解调中国矿业大学机电学院001LC测量过程中，电容值由测量过程中，电容值由C0增大增大C，此时回路的振荡频率变为：此时回路的振荡频率变为：01()L CC 可变换为可变换为000000111(1)11CCCLCLCCCC图图105-25-2调制与解调调制与解调图图10为一个为一个LC振荡器，回路中振荡器，回路中L、C如果没有衰减的话，如果没有衰减的话，是

38、按是按Asin0t作简谐振动变化的，其振荡频率为：作简谐振动变化的，其振荡频率为：中国矿业大学机电学院 用级数将后项展开，并用级数将后项展开，并略去高次项略去高次项，可得：，可得：00(1)2CC设设002CC 则得则得0 上式表明，当被测物理量变化引起振荡回路中的电容变上式表明，当被测物理量变化引起振荡回路中的电容变化时，振荡回路的角频率在原来化时，振荡回路的角频率在原来0上又叠加一个上又叠加一个频率，频率，是随被测物理量变化而变化的。所以振荡器的角频率是随被测物理量变化而变化的。所以振荡器的角频率受控于被测物理量，被测物理量即是一个调制信号，这就是受控于被测物理量，被测物理量即是一个调制信

39、号，这就是一种一种调频过程调频过程。5-25-2调制与解调调制与解调中国矿业大学机电学院2、调频波的解调、调频波的解调 调频波是以正弦波频率的变化来反映被测信号的幅值变化调频波是以正弦波频率的变化来反映被测信号的幅值变化的。因此，的。因此，调频波的解调调频波的解调是先将调频波变成调频调幅波，然是先将调频波变成调频调幅波，然后进行幅值检波，恢复原被测信号的波形。后进行幅值检波，恢复原被测信号的波形。 鉴频鉴频就是对调频波进行解调，将信号的频率变化再变换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。鉴频的方法也有许多，常用的有为电压幅值的变化。鉴频的方法也有许多，常用的有变压器变压

40、器耦合的谐振回路法耦合的谐振回路法。5-25-2调制与解调调制与解调中国矿业大学机电学院 如下图如下图所示。图中所示。图中L1、L2是变压器耦合的原、副线圈，是变压器耦合的原、副线圈，它们和它们和C1、C2 组成并联谐振回路。组成并联谐振回路。ef为输入的调频信号，为输入的调频信号，在回路的谐振频率在回路的谐振频率fn处，线圈处，线圈L1、L2的耦合电流最大，副的耦合电流最大，副边输出电压边输出电压ea 也最大；也最大；ef 频率离频率离fn越远，线圈越远，线圈L1、L2的耦的耦合电流越小，副边输出电压合电流越小，副边输出电压ea也越小；从而将调频波信号也越小；从而将调频波信号频率的变化转化为

41、电压幅值的变化。频率的变化转化为电压幅值的变化。 5-25-2调制与解调调制与解调中国矿业大学机电学院调频波解调器调频波解调器5-25-2调制与解调调制与解调中国矿业大学机电学院优点：优点：改善了改善了信噪比信噪比，之所以有这种作用是因为调频信号，之所以有这种作用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现在振幅之中。波的干扰作用则主要表现在振幅之中。第五章第五章 模拟信号的变换和处理模拟信号的变换和处理频率调制的优缺点：频率调制的优缺点：缺点：缺点：调频波经常要求调频波经常要求很宽的频带很宽的频带，甚

42、至是调幅所要求带，甚至是调幅所要求带宽的宽的20倍，所以调频系统较之调幅系统要倍，所以调频系统较之调幅系统要复杂复杂的多，分析的多，分析起来要起来要困难困难一些，而实际上调频波的分析也只是一些，而实际上调频波的分析也只是近似近似的。的。中国矿业大学机电学院滤波器滤波器是一种是一种选频装置选频装置，可以使信号中的特定的频率通，可以使信号中的特定的频率通过，而过，而极大的衰减极大的衰减其它频率成分。利用它可以滤除干扰噪声其它频率成分。利用它可以滤除干扰噪声或进行频谱分析。或进行频谱分析。第五章第五章 模拟信号的变换和处理模拟信号的变换和处理5-3信号滤波器信号滤波器根据滤波器的选频范围可分为：根据

43、滤波器的选频范围可分为：低通低通、高通高通、带通带通、和和带阻带阻滤波器滤波器四种滤波器的四种滤波器的频率特性频率特性：二、滤波器的分类二、滤波器的分类一、滤波器的概念：一、滤波器的概念：中国矿业大学机电学院101( )A f2f低通滤波器低通滤波器101( )A f1f高通滤波器高通滤波器101( )A f1f2f带通滤波器带通滤波器101( )A f1f2f带阻滤波器带阻滤波器5-3 5-3 信号滤波器信号滤波器中国矿业大学机电学院02 0jftHfA e02 00jftA eHf三、理想滤波器三、理想滤波器 根据线性系统的根据线性系统的不失真传输条件不失真传输条件，理想测量系统的频，理想

44、测量系统的频率响应函数应该是：率响应函数应该是：(A0和和t0为常数为常数 )则理想滤波器的频率响应则理想滤波器的频率响应H(f)应满足：应满足：|f|f0理想滤波器的理想滤波器的相频幅频特性相频幅频特性为：为：002HfAfft |f|f05-3 5-3 信号滤波器信号滤波器中国矿业大学机电学院 12jfth tfHfHf edf000200200000sin222fftjftffttA eedfA fftt 这样的频响函数对单位脉冲输入信号的响应为：这样的频响函数对单位脉冲输入信号的响应为：理想滤波器理想滤波器幅频幅频特性特性f0A0f0f|() |Hf0理想滤波器理想滤波器相频相频特性特

45、性f0f0f0()f5-3 5-3 信号滤波器信号滤波器中国矿业大学机电学院图图 理想低通滤波器的脉冲响应理想低通滤波器的脉冲响应(a) t0=0; (b) t005-3 5-3 信号滤波器信号滤波器0 00 00 00 0中国矿业大学机电学院理想低通滤波器对单位阶跃的响应理想低通滤波器对单位阶跃的响应 给理想给理想低通低通滤波器输入滤波器输入阶跃函数阶跃函数，即，即101( )0200tu ttt 则滤波器时域输出是该输入与此系统脉冲响应函数则滤波器时域输出是该输入与此系统脉冲响应函数h(t)的卷积：的卷积：( )( )( )( ) ()y th tu tuh td运算结果如下图所示：运算结

46、果如下图所示：5-3 5-3 信号滤波器信号滤波器中国矿业大学机电学院图图 理想低通滤波器对单位阶跃输入的响应理想低通滤波器对单位阶跃输入的响应(a) t0=0; (b) t00 输入信号突变处必然包输入信号突变处必然包含含丰富的高频分量丰富的高频分量，低通滤，低通滤波器阻挡了高频分量，其结波器阻挡了高频分量，其结果是将信号波形果是将信号波形“圆滑圆滑”了，了，通带越宽通带越宽，衰减的高频分量，衰减的高频分量便越少，信号便有较多的分便越少，信号便有较多的分量更快通过，因此量更快通过，因此建立时间建立时间较短较短。反之，则长。反之，则长。5-3 5-3 信号滤波器信号滤波器脉冲脉冲响应响应中国矿

47、业大学机电学院 故低通滤波器的阶跃响应的建立时间故低通滤波器的阶跃响应的建立时间Te和带宽和带宽B成反比，成反比，或者说两者的乘积为常数，即或者说两者的乘积为常数，即 BTe=常数常数 这一结论同样适用于其他（高通、带通、带阻）滤波器。这一结论同样适用于其他（高通、带通、带阻）滤波器。 滤波器带宽表示它的频率分辨能力，通带窄，则分辨力滤波器带宽表示它的频率分辨能力，通带窄，则分辨力高。高。这一结论表明：滤波器的高分辨能力与测量时快速响应这一结论表明：滤波器的高分辨能力与测量时快速响应的要求是矛盾的。的要求是矛盾的。若想采用一个滤波器从信号中获取某一频若想采用一个滤波器从信号中获取某一频率很窄的

48、信号率很窄的信号(例如进行高分辨率的频谱分析例如进行高分辨率的频谱分析)，便要求有足，便要求有足够的建立时间，若建立时间不够，则会产生错误。对已定带够的建立时间，若建立时间不够，则会产生错误。对已定带宽的滤波器，一般采用宽的滤波器，一般采用BTe510便足够了。便足够了。5-3 5-3 信号滤波器信号滤波器中国矿业大学机电学院四、实际滤波器四、实际滤波器1、实际滤波器的基本参数、实际滤波器的基本参数实际滤波器的实际滤波器的“幅频特性幅频特性” 如如下图下图所示。所示。5-3 5-3 信号滤波器信号滤波器中国矿业大学机电学院 实际滤波器的主要参数：实际滤波器的主要参数：纹波幅度、截止频率、带宽、

49、纹波幅度、截止频率、带宽、品质因数（品质因数（Q值）、倍频程选择性值）、倍频程选择性。（1）纹波幅度）纹波幅度滤波器顶部幅值波动量，称为波纹幅度标以滤波器顶部幅值波动量，称为波纹幅度标以d。如上图如上图（2）截止频率）截止频率2/0A频率特性值等于频率特性值等于 所对应的频率称为截止频率。所对应的频率称为截止频率。（3）带宽）带宽B和品质因数和品质因数Q值值上、下截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽，因上、下截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽，因为：为：5-3 5-3 信号滤波器信号滤波器中国矿业大学机电学院00/22 0 lg3Ad BA 故称故称fc2fc1 为为“负三分贝带宽负三分贝带

50、宽”，标以，标以B-3dB。通常把中。通常把中心频率心频率fn和带宽和带宽B之比称为带通滤波器的品质因数之比称为带通滤波器的品质因数Q，即：，即： 所谓的倍频程选择性，是指在上截止频率所谓的倍频程选择性，是指在上截止频率fc2与与2fc2之间，之间，或在下截止频率或在下截止频率fc1与与0.5fc1之间幅频特性的衰减值，即频率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，以变化一个倍频程时的衰减量，以dB表示。表示。 衰减越快，滤波器选择性越好。衰减越快，滤波器选择性越好。（4）倍频程选择性）倍频程选择性Q= fn/B5-3 5-3 信号滤波器信号滤波器中国矿业大学机电学院（5）滤波器

51、因数）滤波器因数滤波器选择性的另一种方法，是用滤波器幅频特性图上滤波器选择性的另一种方法，是用滤波器幅频特性图上的横坐标值来定义的滤波器因数的横坐标值来定义的滤波器因数，其含义是滤波器幅频特，其含义是滤波器幅频特性值为性值为-60dB处的带宽处的带宽B-60dB和和-3dB处的带宽处的带宽B-3dB比值。比值。5-3 5-3 信号滤波器信号滤波器中国矿业大学机电学院5-3 5-3 信号滤波器信号滤波器 有源滤波器有源滤波器通常使用运算放大器结构，通常使用运算放大器结构，无源滤波器无源滤波器由一由一定的定的RLC组合配置形式组成。组合配置形式组成。 有源滤波器有源滤波器需要提供电源（用以补偿主电

52、路的谐波），需要提供电源（用以补偿主电路的谐波），其应用可其应用可克服克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点（传统的只能固定补偿），缺点（传统的只能固定补偿），实现了实现了动态跟踪补偿，而且动态跟踪补偿，而且可以既补谐波又补无功；三相电路瞬时无功功率理论是可以既补谐波又补无功；三相电路瞬时无功功率理论是有源有源滤波器滤波器发展的主要基础理论；发展的主要基础理论；有源滤波器有源滤波器有有并联型并联型和和串联型串联型两种，前者用的多；并联有源滤波器主要治理两种，前者用的多；并联有源滤波器主要治理电流谐波电流谐波，串，串联有源滤波器主要治理联有源滤波

53、器主要治理电压谐波电压谐波等引起的问题。等引起的问题。 有源滤波器同无源滤波器比较有源滤波器同无源滤波器比较，治理效果好，主要可以，治理效果好，主要可以同时滤除多次及高次谐波，不会引起谐振，但是价位相对高！同时滤除多次及高次谐波，不会引起谐振，但是价位相对高！有源滤波器与无源滤波器有源滤波器与无源滤波器中国矿业大学机电学院 在测试系统中，在测试系统中，常用常用RC滤波器滤波器。因为这一领域中信号频。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰强，有较好滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标准阻容元件的低频性能，并且选用标准阻容元件 。 2、

54、RC调谐式滤波器调谐式滤波器5-3 5-3 信号滤波器信号滤波器 最简单的线性滤波器最简单的线性滤波器的电子实现是电阻、电感和电容的的电子实现是电阻、电感和电容的组合。这些滤波器有组合。这些滤波器有RC、RL、LC和和RLC等多种形式。所有等多种形式。所有这些类型的滤波器这些类型的滤波器总称为无源滤波器总称为无源滤波器，这是因为它们都不需，这是因为它们都不需外部电源供电。外部电源供电。 电感电感阻止高频信号通过而允许低频信号通过，阻止高频信号通过而允许低频信号通过，电容电容的特的特性却相反。信号能够通过电感的滤波器、或者性却相反。信号能够通过电感的滤波器、或者通过电容连接通过电容连接到地到地的

55、滤波器对于低频信号的衰减要比高频信号小，称为的滤波器对于低频信号的衰减要比高频信号小，称为低低通滤波器通滤波器。如果信号。如果信号通过电容通过电容、或者通过电感连接到地，那、或者通过电感连接到地，那么滤波器对于高频信号的衰减要比低频信号小，称为么滤波器对于高频信号的衰减要比低频信号小，称为高通滤高通滤波器波器。电阻自身没有频率选择的特性，但是加入到电感和电。电阻自身没有频率选择的特性，但是加入到电感和电容一起决定电路的时间常数，因此也决定了相应的频率。容一起决定电路的时间常数，因此也决定了相应的频率。中国矿业大学机电学院CRe0 ey 右图右图所示为一高通滤波器所示为一高通滤波器2) 一阶一阶

56、RC高通滤波器高通滤波器 传递函数为：传递函数为： 1RCsH sRCs5-3 5-3 信号滤波器信号滤波器1) 一阶一阶RC低通滤波器低通滤波器 中国矿业大学机电学院1jRCHjjRC频响函数为：频响函数为：幅频特性为：幅频特性为：2212fRCAffRC相频特性为：相频特性为：12farctgfRCfA(f)1/1/220f(f)90o 01/245o 5-3 5-3 信号滤波器信号滤波器中国矿业大学机电学院3) 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的带通滤波器可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联串联，其电路及其幅频、相频特性如下图所示。其电路及其幅频、相

57、频特性如下图所示。 H(s)=H1(s)H2 (s) 5-3 5-3 信号滤波器信号滤波器中国矿业大学机电学院 应注意，当高、低通两级串联时，应消除两级耦合时的相应注意，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互影响，因为后一级成为前一级的“负载负载”，而前一级又是后，而前一级又是后一级的信号源一级的信号源内阻内阻。实际上两级间常用射极输出器或者用运算。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。所以实际的带通滤波器常常是有源的。有源放大器进行隔离。所以实际的带通滤波器常常是有源的。有源滤波器由滤波器由RC调谐网络和运算放大器调谐网络和运算放大器组成。运算放大器既可起组成。运算放大器既可起级间隔离作用，又可起信号幅值的放大作用。级间隔离作用，又可起信号幅值的放大作用。 这时极低和极高的频率成分都完全被阻挡，不能通过；只这时极低和极高的频率成分都完全被阻挡，不能通过；只有位于有位于频率通带内的信号频率成分能通过频率通带内的信号频率成分能通过。5-3 5-3 信号滤波器信号滤波器中国矿业大学机电学院2