机械工程测试技术基础：第4章 信号的调理、处理和记录

1、机械工程测试技术基础-信号的调理与记录C.4 信号的调理处理和记录-2/60引言信号调理的目的是便于信号的传输与处理。1)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，有的还要进行阻抗变换。2)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。3)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。C.4 信号的调理处理和记录-3/60第四章 信号的调理、处理和记录本章学习要求1.模拟信号调制与解调原理2.模拟信号滤波器特性及工程应用3.模拟信号的微分和积分电路C.4 信号的调理处理和记录-4/60第四章 信号的调理、

2、处理和记录本章内容4.1 信号的调制与解调技术 4.2 滤波器特性、倍频程滤波器 4.3 信号的模拟积分和微分4.1 信号的调制与解调技术 C.4 信号的调理处理和记录-5/604.1 信号的调制与解调技术目的：解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。C.4 信号的调理处理和记录-6/604.1 信号的调制与解调技术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取出放大了的缓变信号。例：交流电桥VinVoR1R3R2R4C.4 信号的调理处理和记录-7/604.1 信号的调制与解调技术调制技术的相关术语 调制信号被调制的缓变信号（测量信号）

3、载波信号传送缓变信号的高频振荡信号 已调波 经调制处理后的信号 解调 从已调频波中恢复出调制信号的过程C.4 信号的调理处理和记录-8/604.1 信号的调制与解调技术4.1.1模拟信号的调制分类 幅度调制(AM) 频率调制(FM) 相位调制(PM)C.4 信号的调理处理和记录-9/604.1 信号的调制与解调技术4.1.2幅值调制(AM)与解调原理 调幅是将一个高频正弦信号(载波)与测量缓变信号相乘，使载波信号幅值包络线为缓变调制信号。C.4 信号的调理处理和记录-10/604.1.2幅值调制(AM)与解调原理幅度调制与解调过程(波形分析)乘法器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器滤波器

4、z(t)x(t)C.4 信号的调理处理和记录-11/604.1.2幅值调制(AM)与解调原理幅度调制与解调过程(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)C.4 信号的调理处理和记录-12/604.1.2幅值调制(AM)与解调原理幅度调制与解调过程(数学分析)乘法器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器滤波器z(t)x(t)C.4 信号的调理处理和记录-13/604.1.2幅值调制(AM)与解调原理小结1)此种调制方法，是将信号x(t)直接与载波z(t)相乘。这种调幅波具有极性变化，称为抑制幅值调制。2)解调时由于所乘的信号与调制时的载波信号具有相同的频率

5、和相位，故称为“同步解调”。3)为保证频移后的频谱不失真，载波频率fzfm(调制信号的最高频率)，通常取数倍至数十倍于fm。C.4 信号的调理处理和记录-14/604.1.2幅值调制(AM)与解调原理非抑制幅值调制及整流检波解调技术 若对信号x(t)进行偏置，叠加一个直流分量D，使偏置后的信号都具有正电压，之后再与载波相乘。此时，已调波信号不发生极性变化。直流偏置已调波C.4 信号的调理处理和记录-15/604.1.2幅值调制(AM)与解调原理整流检波解调法 1)整流检波是非抑制幅值调制波的常用解调方法。 2)对无极性调幅波作整流(半波或全波整流)、低通滤波及隔直处理即可复现原信号。 3)对于

6、非抑制调幅，要求其直流偏置必须足够大，否则x(t)的相位将发生180变化。 C.4 信号的调理处理和记录-16/604.1.2幅值调制(AM)与解调原理调幅波的波形失真 a)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x(t)的相位将发生180度变化。C.4 信号的调理处理和记录-17/604.1.2幅值调制(AM)与解调原理b)重叠失真 调幅波是由一对每边为fm的双边带信号组成。当载波频率fz较低时，正频端的下边带将与负频端的下边带相重叠，要求fzfm。C.4 信号的调理处理和记录-18/604.1 信号的调制与解调技术4.1.3频率调制(FM)与解调原理 调频是利用信号x(t)

7、的幅值调制载波的频率，或者说，调频波是一种随信号x(t)的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波C.4 信号的调理处理和记录-19/604.1.3频率调制(FM)与解调原理鉴频T1T3fttT2T41/T11/T21/T31/T4C.4 信号的调理处理和记录-20/604.1.3频率调制(FM)与解调原理优点 抗干扰能力强，因为调频信号所携带的信息全部包含在载波信号的变化频率之中；而干扰信号的干扰作用主要表现为幅值干扰。缺点 占频带宽度大，复杂调频波通常要求很宽的传输频带（通常为调幅所要求带宽的20倍）；频率调制信号通常采用鉴频解调技术来还原调制信号。C.4 信号的调理处理和记录-21/604.1

8、 信号的调制与解调技术4.1.4调制与解调技术的工程应用调幅与解调技术用于对缓变信号的放大传输电路中（如动态电阻应变仪：交流电桥相当于一个乘法器，测量应变为被调制信号，电桥高频供桥电压为载波，电桥的输出为已调波）；调频与解调技术主要用于电容、电感等电参量传感器的调频转换测量电路中。C.4 信号的调理处理和记录-22/60第四章 信号的调理、处理和记录本章内容4.1 信号的调制与解调技术 4.2 滤波器特性、倍频程滤波器 4.3 信号的模拟积分和微分4.2 滤波器特性、倍频程滤波器 C.4 信号的调理处理和记录-23/604.2滤波器特性、倍频程滤波器滤波器是一种具有选频功能测试系统，只允许输入

9、信号中的某些频率分量通过，抑制和极大的衰减其它分量。 C.4 信号的调理处理和记录-24/604.2滤波器特性、倍频程滤波器4.2.1滤波器分类 按结构分类，滤波器有电子式，机械式，声学式等。 工程信号分析使用的滤波器主要是电子式的，它可以是模拟的也可以是数字的。模拟滤波器：由运算放大器和阻容元件组成的电子装置。数字滤波器：程序软件。 C.4 信号的调理处理和记录-25/604.2.1滤波器分类通带幅频特性近似取常值A0的频率范围是滤波器的通带。A0是通带增益。阻带幅频特性极大衰减并趋于零的频率范围过渡带通带与阻带之间有一个过渡带。 C.4 信号的调理处理和记录-26/604.2.1滤波器分类

10、低通滤波器：可除去信号中的高频噪声，对信号进行有限带宽处理（这在数字信号分析中十分重要）等。高通滤波器：用于去直流分量，排除低频干扰等。带通滤波器：主要用于频谱分析。带阻滤波器：用于除去信号中的特定频率干扰成分。 C.4 信号的调理处理和记录-27/604.2.1滤波器分类低通滤波器高通滤波器低通高通C.4 信号的调理处理和记录-28/604.2.1滤波器分类带通滤波器带阻滤波器带通带阻C.4 信号的调理处理和记录-29/604.2滤波器特性、倍频程滤波器4.2.2滤波器的串/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，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。C.4 信号的调理

11、处理和记录-30/604.2滤波器特性、倍频程滤波器4.2.3理想滤波器 理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。fcH(f)fQ(f)C.4 信号的调理处理和记录-31/604.2.3理想滤波器理想滤波器在时域内的脉冲响应函数 h(t)为 sinc函数，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，在t=0时刻单位脉冲输入滤波器之前，滤波器就已经有响应了，故物理不可实现。C.4 信号的调理处理和记录-32/604.2滤波器特性、倍频程滤波器4.2.4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通带和阻带间没有严格界限，

12、存在过渡带。C.4 信号的调理处理和记录-33/604.2.4实际滤波器截止频率fc幅频特性衰减至 时的频率，是名义上的通带和阻带的频率分界线。 对应于-3dB波纹幅度d(Ripple)在一定频率范围内，实际滤波器的幅频特性可能成波纹变化，绕幅频特性均值A0波动值。一般应-3dBC.4 信号的调理处理和记录-34/604.2.4实际滤波器带宽B(BandWidth)决定分离信号中相邻频率成分的能力。中心频率f0指上下两截止频率的几何平均值。品质因数QC.4 信号的调理处理和记录-35/604.2.4实际滤波器波形因数 倍频程选择性C.4 信号的调理处理和记录-36/604.2滤波器特性、倍频程

13、滤波器4.2.5 RC调谐式滤波器的基本特性 1)一阶RC低通滤波器C.4 信号的调理处理和记录-37/604.2.5 RC调谐式滤波器的基本特性2)一阶RC高通滤波器 C.4 信号的调理处理和记录-38/604.2.5 RC调谐式滤波器的基本特性3)一阶RC带通滤波器 可视为一阶RC高通滤波器与一阶RC低通滤波器在一定条件下级联而成的电路。C.4 信号的调理处理和记录-39/604.2滤波器特性、倍频程滤波器4.2.6模拟信号的频谱滤波分析 工程中常采用一系列中心频率不同、截止频率彼此邻接的带通滤波器组进行模拟信号的频谱分析。C.4 信号的调理处理和记录-40/604.2.6模拟信号的频谱滤

14、波分析恒带宽滤波器其带宽B是一常数，当f0变化时，带宽B保持不变。恒带宽比滤波器(倍频程滤波器)其带宽B不是常数，B/f0的比值不变。C.4 信号的调理处理和记录-41/604.2.6模拟信号的频谱滤波分析恒带宽滤波器 恒带宽比滤波器C.4 信号的调理处理和记录-42/604.2.6模拟信号的频谱滤波分析恒带宽滤波器 恒带宽比滤波器Constant BandwidthConstant Percentage BandwidthC.4 信号的调理处理和记录-43/604.2.6模拟信号的频谱滤波分析倍频程滤波器的中心频率f0倍频程滤波器的fc1与fc2满足倍频程关系式 倍频程滤波器的中心频率f0之

15、间的关系i为滤波器的序号， n为倍频程(Octave)数；常取n=1(倍频程)，n=1/3(1/3倍频程)。C.4 信号的调理处理和记录-44/604.2.6模拟信号的频谱滤波分析倍频程滤波器的带宽比为 可以看出，带宽比由倍频程数决定。1倍频程滤波器带宽比为0.71；1/3倍频程滤波器带宽比为0.23； C.4 信号的调理处理和记录-45/604.2.6模拟信号的频谱滤波分析例4.1几个相邻的1/3倍频程滤波器的参数(Hz)f02531.540506380fc1/fc222.4 / 2828/35.535.5/4545/5656/7171/90B5.67.59111519C.4 信号的调理处理

16、和记录-46/604.2.6模拟信号的频谱滤波分析例4.21倍频程和1/3倍频程的比较C.4 信号的调理处理和记录-47/604.2.6模拟信号的频谱滤波分析例4.3并行式倍频程谱分析 比串行式的速度快，可以实现“实时”谱分析。C.4 信号的调理处理和记录-48/604.2.6模拟信号的频谱滤波分析例4.4倍频程谱分析 C.4 信号的调理处理和记录-49/604.2.6模拟信号的频谱滤波分析例4.5声级分析C.4 信号的调理处理和记录-50/604.2.6模拟信号的频谱滤波分析小结： 1)倍频程频谱是离散频谱(f0不连续)。 2)表示方式直方图谱或折线谱； 3)倍频程频谱在各离散频率点的值，是

17、相应滤波器带宽范围内的所有谐波分量的总功率(以RMS表示)，而不是该频率点的谐波分量幅值。但由于倍频程式滤波器的各个参数(f0、B等)均已标准化，所以用倍频程式谱分析仪所得出的频谱就具有规范性和可比性。很多工业技术部门都规定用倍频程频谱来评价振动，噪声等物理量。 4)倍频程频谱分析仪的分析速度很快，结构简单，工作稳定可靠，是一种广泛使用的模拟谱分析手段。 C.4 信号的调理处理和记录-51/604.2.6模拟信号的频谱滤波分析频谱滤波分析的说明 1)测不准原理：如果选择小的带宽B，那么就需要一个长的响应时间T。C.4 信号的调理处理和记录-52/604.2.6模拟信号的频谱滤波分析2)滤波器带

18、宽的选择实际分析中，带宽的选择往往需要在分析精度和分析时间之间作折中。C.4 信号的调理处理和记录-53/60第四章 信号的调理、处理和记录本章内容4.1 信号的调制与解调技术 4.2 滤波器特性、倍频程滤波器 C.4 信号的调理处理和记录-54/60作业4-1，4-2，4-3，4-9。C.4 信号的调理处理和记录-55/60参考文献何岭松等，工程测试技术基础课件，华中科技大学机械学院。伍星，机电系统状态监测与故展诊断技术课件，昆明理工大学机电学院。李功宇，机械工程测试原理与技术课件，昆明理工大学机电学院。郭瑜，机械工程测试原理与技术课件，昆明理工大学机电学院。B&K公司技术资料。C.4 信号

19、的调理处理和记录-56/60谢谢Faculty of Mechanical & Electrical Engineering, Kunming University of Science & TechnologyC.4 信号的调理处理和记录-57/60调幅广播与调频广播AM称为调幅广播，分为长波LW(300kHz以下)、中波MW(300kHz3MHz)和短波SW(330MHz)三种。调幅广播的传输距离比调频远，但声音的还原度没有调频好。 FM称为调频广播，这种广播是超短波的一种。它的特点是音质清晰，声音还原度高，可以双声道立体声传输，但传播距离比较短，比较适合近距离的传播，一般的城市广播会选择

20、调频频率播出。C.4 信号的调理处理和记录-58/60调幅广播与调频广播而要传送的广播节目的频率要比载波的频率低得多，在 30 Hz15000Hz之间，称为音频信号或低频信号。 广播电台发射的调幅波的频带宽度为音频最高频率的两倍。在实际上，广播电台的频带宽度是没有30 千赫的。我国中波调幅广播的频率范围为 535 1605KHz。若按 30KHz计算，仅能设台(1605-535)/3036(座)。对我们这样大的一个国家来说，是不可能的。为了在有限的广播频率段中，既要防止临近频率电台相互干扰，又要设置更多的电台数目，只能压缩每个电台的频带宽度。C.4 信号的调理处理和记录-59/60调幅广播与调

21、频广播国际上规定中波广播的频道间隔为9KHz。即每一电台的频带宽度限制于9KHz之内。故音频信号中的高音频率被限制在 4.5KHz以下。在收听中波调幅广播时，其高音成分感到欠缺。尤其是播送音乐节目时，更是明显。这是调幅广播的一大弱点。在调频广播中规定最高频偏为75KHz，每个电台所占频带宽宽为 200KHz 带宽 = （频偏 + 音频）2 ，单声道为180KHz，立体声为198KHz 。比调幅广播的20倍还多。因而在调频广播中，可将音频信号的高音频率扩大至 15KHz。所以调频电台的节目听起来要比调幅广播高音丰富、清晰、逼真。特别是在聆听立体声高保真音乐节目时，更是调幅广播无法比拟的。 C.4

22、 信号的调理处理和记录-60/60长波LW长波(包括超长波)是指频率为300kHz以下的无线电波。由于大气层中的电离层对长波有强烈的吸收作用，长波主要靠沿着地球表面的地波传播，其传播损耗小，绕射能力强。超长波的频率低于30kHz的，能绕地球作环球传播。长波传播时，具有传播稳定，受核爆炸、大气骚动影响小等优点。在海水和土壤中传播，吸收损耗也较小。主要用于对潜艇的通信和远洋航行的舰艇通信等，由于长波需要庞大的天线设备，所以只能建在陆地，因此只是单向广播式的通信，如果潜艇要接收岸上指挥机构的指令，必须按规定的时间和频率接收。 C.4 信号的调理处理和记录-61/60中波MW中波是指频率为300kHz3MHz的无线电波。它可以靠电离层反射的天波形式传播，也可靠沿地球表面的地波形式传播。白天，由于电离层的