测试技术-第四章信号的变换(三次课)

本章内容及要求主要内容:电桥、滤波器和调制解调电路的工作原理及用途。

本章要求:了解各种转换电路的基本概念、工作原理、用途和特点；掌握各种转换电路的一般应用。

第四章信号的变换2023/2/3测试技术与信号处理1概述被测对象传感器信号调理信号采集计算机显示记录试验装置反馈控制2023/2/3测试技术与信号处理2

信号变换（调理）包括将无能量的参数信号转换成有能量的电压或电流信号，还包括信号的放大，调制解调、滤波、A\D转换等等，是测式系统中重要的部分。

信号变换信号变换的的目的是便于信号的传输与处理。

信号变换（调理）的目的

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.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。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。

信号变换环节有：电桥、放大器、滤波器、调制器与解调器。2023/2/33测试技术与信号处理信号变换中常见的环节：电桥、信号放大、滤波、信号调制与解调。传感器交流测量直流测量直接测量调制测量调幅电桥放大器解调器滤波器调频器放大器鉴频器滤波器显示记录装置放大器直流电桥放大器滤波器信号变换环节框图2023/2/34测试技术与信号处理信号变换（调理）装置按工作原理有：1.转换器：将传感器输出信号转换成便于传输、放大、处理的装置。例如：电桥：可将R、C、L→u或i；

D/A：数字量→模拟量

A/D：模拟量→数字量调制器：对信号进行调制；解调器：对已调信号进行鉴别并还原。2.放大器：将信号进行放大。例如：电压（直流、交流）放大器；电荷放大器2023/2/35测试技术与信号处理3.运算器：将信号进行相应的运算，获取所需信号。例如：加法器、乘法器、积分器、微分器4.滤波器：对信号进行滤波处理。例如：低通滤波器、高通滤波器5.整流器：对信号进行整流检波处理。例如：相敏整流器

可见，信号调理环节很多，其功能也很丰富。所以，本章仅从测试的角度讨论电桥、调制与解调、滤波器的基本概念。2023/2/36测试技术与信号处理第二节

电桥

不平衡电桥平衡电桥按输出测量方式分

2023/2/3测试技术与信号处理7电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压或电流输出的一种测量电路。直流电桥:采用直流电源，桥臂为电阻交流电桥:采用交流电源，桥臂为电阻、电感、电容。按激励电压分:按联接方式

单臂

半桥双臂

全桥电桥概念:在A、C端(输入端，电源端)接入直流电源在B、D端(输出端，测量端)输出电压UBD。常用等臂电桥，即R1＝R2＝R3＝R4，或电源端对称电桥，即R1＝R2，R3＝R4。第二节

电桥

2023/2/38测试技术与信号处理一、直流电桥

1．平衡电桥直流电桥

2023/2/3测试技术与信号处理9桥臂，输入端，输出端。

求Uo=?电桥的平衡条件为：

2023/2/3测试技术与信号处理10相对两臂的阻值乘积相等。表明：如果适当选择各桥臂的电阻值，可使电桥测量前满足平衡条件，测量时输出电压只与被测量引起的电阻变化量有关。测量电桥就是基于上述原理工作。2．非平衡电桥（1）单臂工作电桥

单臂电桥设R2=R3=R4=R0，R1=R0+ΔR若ΔR<<R0，则

2023/2/3测试技术与信号处理11单臂电桥灵敏度：

在电桥电路中灵敏度定义：

2023/2/3测试技术与信号处理12灵敏度：电桥的输出电压与被测量在一个桥臂上引起的电阻变化率之间的比值。（2）双臂工作电桥（半桥）

两个邻边桥臂有相同的微电阻变化。双臂电桥输出电压：

双臂电桥灵敏度：

2023/2/3测试技术与信号处理13与半桥单臂相比，灵敏度提高了一倍，电桥的输出与成完全线性关系。（3）四臂工作电桥(全桥)

四臂电桥

输出电压：

四臂电桥灵敏度：

2023/2/3测试技术与信号处理14与半桥双臂相比，灵敏度提高了一倍，电桥的输出与成完全线性关系。三种典型桥路输出特性直流电桥的联接方式

a)

单臂b)

半桥双臂c)全桥对比发现：电桥接法不同，电桥输出的灵敏度也不同。全桥的灵敏度最大。上述三种接法的灵敏度之比为1：2：42023/2/315测试技术与信号处理总结：①全桥连接灵敏度最高。②半桥单臂连接存在非线性误差。③相邻臂阻值变化符号应相反。常用改进方法:零位测量法(平衡电桥)缺点：上述电桥是在不平衡条件下工作的，当电源电压不稳定或环境温度变化时，产生测量误差。2023/2/316测试技术与信号处理平衡桥式电路设被测量等于零时，电桥处于平衡状态，此时指示仪表G及可调电位器H指零。当某一桥臂随被测量变化时，电桥失去平衡，调节电位器H，改变电阻R5触电位置，可使电桥重新平衡，电表G指针回零。电位器H上的标度与桥臂电阻值的变化成比例，故H的指示值可以直接表达被测量的数值。直流电桥的零位测量法：采用平衡电桥如图所示

由于平衡电桥最终的输出为零，因此测量误差取决于可调电位器的精确度，而与电桥电源电压无关，直流电桥适合于静态量的测量。2023/2/317测试技术与信号处理特点读数时电表指针G始终指零，“零点测量法”应用静态电阻应变仪：手动实现平衡电子电位差计、X-Y记录仪：自动调平衡平衡桥式电路的特点及应用2023/2/318测试技术与信号处理3、电桥的和差特性bcd340UsU1I2IR+ΔRa11R+RΔ22Δ+RR4R+ΔR3电桥输出公式的使用前提条件：1）先决条件是：电桥起始是平衡的；2）无论各电阻如何变化，一定要在平衡点附近；可得电桥加减特性表达式（输出一般表达式）2023/2/319测试技术与信号处理K：应变片的灵敏度bcd340UsU1I2IR+ΔRa11R+RΔ22Δ+RR4R+ΔR3输出3、和差特性1.当电桥相邻两臂有阻值增量时，电桥输出反映两臂阻值增量相减的结果。2.当电桥相对两臂有阻值增量时，电桥输出反映两臂阻值增量相加的结果。相邻同向变化，相互抵消反向变化，相互叠加相对同向变化，相互叠加反向变化，相互抵消1）定义2023/2/320测试技术与信号处理3、电桥的和差特性相邻桥臂的应变若极性相同时，电桥的输出电压与两应变之差有关；相邻桥臂的应变若极性相反时，电桥的输出电压与两应变之和有关。相对桥臂的应变若极性相同时，电桥的输出电压与两应变之和有关；相对桥臂的应变若极性相反时，电桥的输出电压与两应变之差有关。极性相同邻边差，对边和接对边极性相反邻边和，对边差接邻边2023/2/3测试技术与信号处理21bcd340UsU1I2IR+ΔRa11R+RΔ22Δ+RR4R+ΔR31）定义2）应用1、提高电桥灵敏度3、复杂应力条件下测取单一因素产生的应变2、温度补偿相邻同向变化，相互抵消反向变化，相互叠加相对同向变化，相互叠加反向变化，相互抵消极性相同邻边差，对边和接对边极性相反邻边和，对边差接邻边应用电桥输出的八字原则:相邻相减，相对相加。2023/2/322测试技术与信号处理一、测试原理

测试用传感器：应变片测量用电路：电桥电路

3）应变、应力的测试2023/2/323测试技术与信号处理一、测试原理

应变片布置和电桥连接的原则

应变片布置的原则：应变片应粘贴在被测对象应变最大的位置处，并尽量排除非测力的影响。

电桥连接的原则：电桥连接应选取输出最大的接桥方法，并尽量排除非测力的影响。3）应变、应力的测试2023/2/324测试技术与信号处理二、几种典型力作用下应变的测试

1、拉力作用下应变的测试（排除弯矩的影响）

电桥连接：拉力作用下只有正的应变，最多接成对臂半桥。

应变片布置有两种方法：方法一：应变片布置在弯矩作用下的中性层上；方法二：应变片布置在上下表面上。3）应变、应力的测试2023/2/325测试技术与信号处理

1、拉力作用下应变的测试（排除弯矩的影响）方法一：应变片布置在弯矩作用下的中性层上3）应变、应力的测试2023/2/326测试技术与信号处理1、拉力作用下应变的测试（排除弯矩的影响）方法二：应变片布置在上下表面上3）应变、应力的测试2023/2/327测试技术与信号处理二、几种典型力作用下应变的测试

2、弯矩作用下应变的测试（排除拉力的影响）

电桥连接：弯矩作用下既有正的应变，又有负的应变，故可接成全桥电路。

应变片布置：应变片布置在上下表面上，各两个。3）应变、应力的测试2023/2/328测试技术与信号处理二、几种典型力作用下应变的测试

2、弯矩作用下应变的测试（排除拉力的影响）

3）应变、应力的测试2023/2/329测试技术与信号处理二、几种典型力作用下应变的测试

3、扭矩作用下应变的测试

电桥连接：扭矩作用下试件的表面会产生大小相等、方向正交的应变，故可接成全桥电路。应变片布置：根据主应力方向，沿与轴线成45°或135°的方向各粘贴两个应变片。3）应变、应力的测试2023/2/330测试技术与信号处理3、扭矩作用下应变的测试3）应变、应力的测试2023/2/331测试技术与信号处理3、扭矩作用下应变的测试3）应变、应力的测试2023/2/332测试技术与信号处理和差特性内容：相邻两桥臂（如图中的R1和R2）电阻的变化所产生的输出电压为该两桥臂各阻值变化产生的输出电压之差；相对两桥臂（如图中的R1和R3）电阻的变化所产生的输出电压为该两桥臂各阻值变化产生的输出电压之和。和差特性应用实例：

悬臂梁作敏感元件测力：为提高灵敏度，常在梁的上，下表面各贴一片应变片，并将上述两应变片接入电桥的相邻两桥臂。柱形梁作敏感元件测力：四个纵向应变片俩俩串联，接入相对桥臂;横向应变片主要起温度补偿作用。4、直流电桥的应用2023/2/333测试技术与信号处理温度补偿：测试技术与信号处理342023/2/3电阻应变片对温度变化十分敏感。消除温度影响的措施是温度补偿。在常温应变测量中温度补偿的方法是采用桥路补偿法。它是利用电桥特性进行温度补偿的。

1．补偿块补偿法：把粘贴在构件被测点处的应变片称为工作片；另外以相同规格的应变片粘贴在与被测构件相同材料但不参与变形的一块材料上，并与被测构件处于相同温度条件下，称为温度补偿片，将它接入电桥与工作片组成测量电桥的半桥。有电桥特性可知，只要将补偿片正确的接在桥路中即可消除温度变化所产生的影响。

2．工作片补偿法：这种方法不需要补偿片和补偿块，而是在同一被测构件上粘贴几个工作应变片，根据电桥的基本特性及构件的受力情况，将工作片正确地接入电桥中，即可消除温度变化所引起的应变，得到所需测量的应变。

和差性质的应用：例悬臂梁应变仪：为提高灵敏度，常在梁的上，下表面各贴一片应变片，并将上述两应变片接入电桥的相邻两桥臂。图悬臂梁应变仪结构2023/2/335测试技术与信号处理FM例：如图所示，悬臂梁受拉力F和弯矩M的作用，试分别画出用应变片测拉力和弯矩时应变片的布置方法，接桥方式，并说明所用方式能否进行温度补偿？并计算出U0（假定输入电压为US）。2023/2/3测试技术与信号处理36和差性质的应用测拉伸

R1R3F可以进行温度补偿（补偿块补偿法）2023/2/3测试技术与信号处理37R1R3F方法一：应变片布置在弯矩作用下的中性层上方法二：应变片布置在上下表面上电桥连接：拉力作用下只有正的应变，最多接成对臂半桥。补偿电阻R2R4测拉伸

R1R2R3R4F可以进行温度补偿：工作片补偿法

方法三：应变片布置在上下表面上2023/2/338测试技术与信号处理测弯曲

R1R3R2R4

M可以进行温度补偿

2023/2/3测试技术与信号处理39二、交流电桥交流电桥采用交流激励电压。电桥的四个臂可为电感、电容或电阻。采用交流电压供电，四个桥臂阻抗为Z

当Z1Z3-Z2Z4=0时，电桥输出为零，达到平衡，则：

交流电桥

2023/2/3测试技术与信号处理401．交流电桥的平衡条件

Z是复数，可以写成：

交流电桥的平衡条件：

或2023/2/3测试技术与信号处理41交流电桥平衡条件:1)两对桥臂模的乘积相等；2)阻抗角的和相等。阻抗角表示桥臂电流与电压之间的相位差：当桥臂为纯电阻时，φ＝0；若为电感性阻抗时，φ>0；若为电容性阻抗时，φ<0。桥臂结构可采取不同的组合方式，以满足相对桥臂阻抗角之和相等这一条件。如电容电桥和电感电桥。

电容传感器电感传感器电阻传感器2023/2/342测试技术与信号处理电容电桥：平衡时：要达到平衡，必须同时调节电阻和电容两个参数；

2023/2/343测试技术与信号处理电感电桥：2023/2/344测试技术与信号处理纯电阻电桥应注意的问题由于导线间存在分布电容。因此，除了有电阻平衡外，还须有电容平衡动态电阻应变仪中的具有电阻和电容平衡的纯电阻电桥2023/2/345测试技术与信号处理UAC~U0Rs1L1L2Rs2R3R4Rs1，Rs2--------线圈损耗电阻L1，L2-----------等效电感；R3，R4-----------平衡电阻。2、交流电桥的应用2023/2/3测试技术与信号处理46差动式自感传感器电桥UAC~U0Rs1L1L2Rs2R3R42023/2/3测试技术与信号处理472023/2/3测试技术与信号处理48U0变压器式交流电桥2023/2/3测试技术与信号处理49U02023/2/3测试技术与信号处理50电桥的接法：单臂

半桥全桥2023/2/3测试技术与信号处理51第二节

滤波器

一、滤波器的作用及分类⒈作用滤波器：一种具有选择频率功能的装置，允许信号中某些频率成份通过，其它频率成份受到抑制。①剔除无用信号（噪声，干扰等）；②分离不同频率的有用信号；2023/2/3测试技术与信号处理522023/2/3测试技术与信号处理53⒉分类②按采用元件

无源滤波器

有源滤波器③按阶数一阶二阶高阶①按信号形式

数字滤波器

模拟滤波器2023/2/3测试技术与信号处理54④按通频带2023/2/3测试技术与信号处理55低通滤波器：通频带0~f2。高通滤波器：通频带f1~带通滤波器：通频带f1~f2带阻滤波器：通频带0~f1与f2~（阻带：f1~f2）低通高通带通带阻低通高通2023/2/3测试技术与信号处理56带通带阻2023/2/3测试技术与信号处理573.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。2023/2/3测试技术与信号处理58二、理想滤波器

理想滤波器：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的分界线。

即具有矩形幅频特性和线性相频特性。理想滤波器是一个理想化的模型，在物理上是不可能实现的。

根据不失真测试条件，理想带通滤波器的频率特性：

1、理想滤波器的频率响应2023/2/3测试技术与信号处理59

通频带内的幅频特性为常数，通频带外为零，在截止频率处出现直角锐变。

实际滤波器不可能出现直角锐边！2023/2/3测试技术与信号处理602、理想滤波器的单位脉冲响应

2023/2/3测试技术与信号处理612023/2/3测试技术与信号处理62可见该滤波器函数在时域内的脉冲响应函数h(t)为sinc

函数该滤波器函数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。在t＝0时刻，单位脉冲输入滤波器之前，即在t<0时，滤波器就已经有响应了。显然，这是非因果关系，是不能实现的。这说明在截止频率处呈现直角锐变的幅频特性，或者在频域内用矩形窗函数描述的理想滤波器是不可能存在的。实际滤波器的频域图形不会在某个频率上完全截止，而会逐渐衰减并延伸到。理想滤波器的物理不可实现

单位脉冲响应曲线理想滤波器单位脉冲信号

2023/2/363测试技术与信号处理特别提醒

理想的低通、高通、带通、带阻滤波器都是不存在的。2023/2/364测试技术与信号处理单位阶跃输入

滤波器的阶跃响应：

理想低通滤波器在阶跃信号下的响应2023/2/365测试技术与信号处理阶跃响应波形图

0.1A00.9A05~102023/2/366测试技术与信号处理式中,为低通滤波器的截止频率，也称为滤波器的通频带。可见，滤波器的通频带越宽，即越大，则响应的建立时间越小。如果按稳态响应值的0.1~0.9作为计算建立时间的标准，则：若不考虑前、后皱波，输出从0(a点)到应有的稳定值A0(b点)之间的所需建立时间为：稳态响应时间2023/2/367测试技术与信号处理低通滤波器带宽B因此，低通滤波器对阶跃响应的建立时间和带宽B（通频带的宽度）成反比，即这一结论对其它滤波器（高通、带通、带阻）也适用。另一方面，滤波器的带宽表示着它的频率分辨力，通带越窄则分辨力越高。因此，滤波器的高分辨能力和测量时快速响应的要求是相互矛盾的。当采用滤波器从信号中选取某一频率成分时，就需要有足够的时间。如果建立时间不够，就会产生虚假的结果，而过长的测量时间也是没有必要的。一般采用。2023/2/368测试技术与信号处理滤波器通频带越宽（fc越高），建立时间越短，响应速度越快。其物理意义是：通带越宽，阻衰的高频分量越少，使信号能量更多更快地通过，故建立时间短，反之建立时间长。低通滤波器对阶跃响应的建立时间τd与带宽B成反比，即：

Bτd

=常数该结论对高通、带通及带阻滤波器均成立。滤波器带宽表示其频率分辨力，通带越窄，分辨力越高，显然，高分辨力与响应速度是互相矛盾的。如果要用滤波的方法从信号中提取某一很窄的频率成分（如作谱分析），必须有足够的时间。Bτd

＝5～

10。低通滤波器的特点归纳2023/2/369测试技术与信号处理三、实际滤波器的描述

理想带通和实际带通滤波器幅频特性纹波幅度截止频率带宽2023/2/3测试技术与信号处理70理想滤波器只需规定截止频率即可说明其特性，而实际滤波器的特性曲线无明显转折点，通带中幅频特性也非常数，需更多参数描述其性能。主要参数包括：纹波幅度、截止频率、带宽、品质因数、倍频程选择性、滤波器因数。A0：幅频特性平均值2．截止频率截止频率：幅频特性值A0下降到（0.707A0）时所对应的频率为截止频率fc。1．纹波幅度纹波幅度d

：滤波器顶部幅值的波动量。2023/2/3测试技术与信号处理71A03．带宽和品质因数

滤波器带宽：上下截止频率之间的频率范围B=fc2-fc1

，又称-3dB带宽。

品质因数：中心频率fn和带宽B之比。中心频率fn：上下两截止频率的几何平均值。

Q值越高，滤波器的频率选择性越好。

2023/2/3测试技术与信号处理72例如：中心频率同为1000Hz的两个带通滤波器，品质因数分别为Q

1=20，Q

2=40，求滤波器的带宽。解：得：B1=50Hz，B2=25Hz可见第二个滤波器的分辨力比第一个滤波器高，它比第一个频率选择性好。2023/2/3测试技术与信号处理734．倍频程选择性

倍频程选择性W：描述对带宽外频率成分衰减的能力，常以上截止频率fc2—2fc2或者下截止频率fc1—1/2fc1之间幅频特性衰减量来表征频率变化一个倍频程的幅频特性的衰减量，以dB表示。其绝对值越大衰减越快，滤波器选择性越好。

2023/2/3测试技术与信号处理74或

5．滤波器因数

滤波器因数也是描述带宽外的频率成份衰减能力的，是-60dB处的带宽B-60dB与-3dB处的带宽B-3dB的比值。理想滤波器λ

=1；常用滤波器λ=1~5；λ越接近于1，滤波器选择性越好。2023/2/3测试技术与信号处理75四、RC滤波器1．低通滤波器

微分方程式为

频率响应函数为

τ=RC

幅频特性和相频特性分别为

2023/2/3测试技术与信号处理76优点：RC滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频特性，易于实现。讨论：当ω<<1/τ时，A（ω）≈1，φ（ω）≈0，RC低通滤波器为不失真测试系统；当ω=1/τ时，A（ω）=0.707，ωc=1/τ为滤波器的截止频率；τ=RC，改变R、C值可以改变截止频率ωc的大小。当ω>>1/τ时，输出与输入的积分成正比，即：高频段近于积分器，高频成分的衰减率为-20dB/10倍频程。2023/2/3测试技术与信号处理77低通滤波器相频特性曲线低通滤波器幅频特性曲线2．高通滤波器

2023/2/3测试技术与信号处理78τ=RC

高通滤波器的频率响应函数:

幅频特性和相频特性:

2023/2/3测试技术与信号处理79讨论:当ω<<1/τ时，输出与输入的微分成正比，起着微分器的作用。当ω>>1/τ时，A（ω）≈1，φ（ω）≈0，此时RC高通滤波器近似为不失真测试装置。当ω=1/τ时，A（ω）=0.707，频率ωc=1/τ为滤波器的下截止频率。改变R、C值可以改变截止频率ωc的大小。2023/2/3测试技术与信号处理80可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联

3、带通滤波器2023/2/3测试技术与信号处理81思考：串联所得的带通滤波器以原高通的截止频率为（），原低通的截止频率为（）。下截止频率上截止频率传递函数：带通滤波器可以认为是高通和低通两个滤波器串联而成。频率响应函数2023/2/3测试技术与信号处理82下截止频率:

上截止频率:对信号做频谱分析或摘取其中某些频率成分时，可以通过多个中心频率不同的带通滤波器实现，各个滤波器的输出反映了信号在该通频带内的量值。带通滤波器实现谱分析可有两种方式：一是由一中心频率可调的带通滤波器独立构成；二是使用各自中心频率固定，但又按一定规律相隔的滤波器组。对滤波器组，各滤波器的通带应相互邻接，覆盖整个感兴趣的频带。即前一滤波器的-3dB上截止频率为后一相邻滤波器的-3dB下截止频率。滤波器组具有相同的增益（对各中心频率而言）。4、恒带宽比和恒带宽滤波器2023/2/383测试技术与信号处理4、恒带宽比和恒带宽滤波器

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问的数值关系，可以分为两种。2)恒带宽带通滤波器（B不变)

2023/2/3测试技术与信号处理841)恒带宽比带通滤波器（Q不变)

恒带宽比滤波器（恒定百分比带通滤波器）特点：品质因素Q=fn/B。采用相同Q值的调谐滤波器做成邻接式滤波器—恒带宽比滤波器。中心频率越大，其带宽B也越大，频率分辨率越低。恒带宽比滤波器的下截止频率fc1与上截止频率fc2之间满足如下关系：式中，n称为倍频程数，n=1称为倍频程滤波器；n=1/3称为1/3倍频程滤波器。1）恒带宽比滤波器2023/2/385测试技术与信号处理代入，有后一个滤波器的中心频率与前一个滤波器的中心频率之间有2023/2/386测试技术与信号处理表1

倍频程滤波器表21/3倍频程滤波器

中心频率(Hz)12.516202531.5405063…带宽(Hz)2.93.64.65.77.29.111.514.5…中心频率(Hz)1631.563125250…带宽(Hz)11.0522.0944.1988.36176.75…不同倍频程滤波器2023/2/387测试技术与信号处理倍频程谱分析装置2023/2/388测试技术与信号处理恒带宽比（Q为常数）的滤波器，其通频带在低频段内甚窄，而在高频段内则较宽。因此，滤波器组的频率分辨率在低频段内较好，在高频段内较差。为了使滤波器组的分辨率在所有频段都具有同样良好的频率分辨率，可以采用恒带宽的滤波器。2）恒带宽滤波器2023/2/389测试技术与信号处理恒带宽与恒带宽比滤波器比较

2023/2/390测试技术与信号处理五、滤波器的应用超门限报警

1、旅游索道钢缆检测2023/2/3测试技术与信号处理912、钢管无损探伤滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警2023/2/3测试技术与信号处理923、机床轴心轨迹的滤波处理

2023/2/3测试技术与信号处理93滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律2023/2/3测试技术与信号处理94第三节

调制器与解调器

一、概述目的：解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。

2023/2/3测试技术与信号处理95由于传感器输出的电信号一般频率较低，当被测量信号比较弱时，为了实现信号的传输尤其是远距离传输，可以采用直流放大或调制与解调。由于信号传输过程中容易受到工频及其他信号的干扰，若采用直流放大则在传输过程中必须采用有限措施抑制干扰信号的影响。在实际中，往往采用更有效的先调制而后交流放大，将信号从低频区推移到高频区，也可以提高电路的抗干扰能力和信号的信噪比。解决办法：1：将微弱的缓变信号加载到高频交流信号中2：利用交流放大器进行放大3：从放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号将信号从低频区推移到高频区，可以提高电路的抗干扰能力和信号的信噪比。

2023/2/396测试技术与信号处理信号的传输问题2023/2/3测试技术与信号处理97例：交流电桥VinVoR1R3R2R42023/2/3测试技术与信号处理98调制与解调的应用：应用实例：差动变压器式位移传感器；交流电桥等。1）有关术语调制：用被测信号控制高频振荡信号的某个参数（幅值、频率、相位），使其按被测信号的规律变化的过程。调制波：被测信号，也称为调制信号。载波：高频振荡信号称为载波。已调波：经过被测信号调制后的载波称为已调波。解调：从已调波中恢复出调制信号的过程。2023/2/3测试技术与信号处理99调制与解调概念：图载波、调制信号及调幅、调频波a)载波信号b)调制信号c)调幅波形d)调频波形图例说明2023/2/3100测试技术与信号处理2）调制的种类2023/2/3测试技术与信号处理101调制与解调概念：信号的三要素：幅值、频率和相位当被控制的量是高频振荡信号的幅值时，称为调幅(AM)；已调制信号为调幅波；当被控制的量为高频振荡信号的频率时，称为调频(FM)；已调制信号为调频波；当被控制的量为高频振荡信号的相位时，称为调相(PM)；已调制信号为调相波；a)幅度凋制(AM)b)频率调制(FM)c)相位调制(PM)2023/2/3测试技术与信号处理102二、幅值调制与解调1、工作原理调制器（乘法器）调制信号载波调幅波2023/2/3测试技术与信号处理103

调幅是将一个高频简谐信号（载波信号）与测试信号（调制信号）相乘，使载波信号的幅值随测试信号的变化而变化。

2023/2/3测试技术与信号处理104幅值调制的工作原理

设调制信号为

，其最高频率成分为，载波信号为，。则有调幅波：原信号频谱图形由原点平移至载波频率处，其幅值减半，调幅过程就相当于频率“搬移”过程。幅度调制过程（频谱分析）2023/2/3测试技术与信号处理105调制器（乘法器）调制信号载波调幅波时域描述频域描述1fm-fm-f0f01/21/21/21/2-f0f02、电桥调幅当某一桥臂阻值发生变化电桥电压输出为

电源电压为高频正弦波，即

单臂电桥2023/2/3测试技术与信号处理106K如电阻变化也为一正弦变化，则则电桥输出电压信号为2023/2/3测试技术与信号处理107讨论分析：由于载波的幅值恒定，所以已调波的幅值与调制信号的幅值成正比。

已调波中包含有调制信号的方向信息。在调制信号为正值时，已调制波与载波同相位，调制信号为负值时，已调制波与载波的相位相反。2023/2/3测试技术与信号处理1083、非抑制调幅若对信号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（不具有双向极性）。2023/2/3测试技术与信号处理109调幅2023/2/3测试技术与信号处理1104、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。2023/2/3测试技术与信号处理111b)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f0较低时，正频端的下边带将与负频端的下边带相重叠。要求:f0＞fm

2023/2/3测试技术与信号处理112小结：调幅的过程在频域上就相当于一个移频的过程。载波频率f0必须高于信号中的最高频率fmax，才不会出现混叠现象。实际应用中，载波频率至少在调制信号上限频率的十倍以上。注意：调幅波是否可以看作是载波与调制信号的迭加？不可以。因为调幅波是载波幅值随调制信号大小成正比变化，只有相乘才能实现。幅值调制装置实质上是一个乘法器。现在已有性能良好的线性乘法器组件。霍尔元件也是一种乘法器。电桥在本质上也是一个乘法装置，若以高频振荡电源供给电桥，则输出uy为调幅波。2023/2/3113测试技术与信号处理三、幅值调制的解调

1．整流检波解调

2023/2/3测试技术与信号处理114解调（检波）：从已调信号中检出调制信号的过程。

幅值调制就是让已调信号的幅值随调制信号的值变化，因此调幅信号的包络线形状与调制信号一致。只要能检出调幅信号的包络线即能实现解调。这种方法称为整流检波或包络检波。

1．整流检波解调

若调制信号是交流信号，把调制信号进行偏置，叠加一个直流分量A，使偏置后的信号都具有正电压（不具有双向极性）。那么调幅波的包络线将具有原调制信号的形状，把该调幅波xm(t)简单地整流(半波或全波整流)

和低通滤波处理就可以恢复原调制信号。如果原调制信号中有直流分量，则在整流以后应准确地减去该直流分量。2023/2/3测试技术与信号处理115整流检波解调a)b)c)d)e)f)整流检波解调对调制信号进行偏置，使其大于零;对载波进行调制;将该调制波进行整流（半波或全波）滤波并消除直流偏置可恢复原信号。2023/2/3116测试技术与信号处理解调二极管检波低通滤波2023/2/3测试技术与信号处理117若所加的偏置电压未能使信号电压都在零线的一侧，则对调幅波只进行简单地整流就不能恢复原调制信号，应用同步解调和相敏检波技术就能解决这一问题。

相敏检波整流检波同步解调2023/2/3118测试技术与信号处理2．同步解调

同步解调:用已调制波再与载波信号相乘一次。

2023/2/3测试技术与信号处理119

基本原理：将调幅波再经一乘法器与原载波信号相乘，则调幅波的频谱在频域上将再次被进行移频。由于载波信号的频率仍为f0，因此，再次移频的结果是使原信号的频谱图形出现在0和2f0频率处。由于在解调过程中所乘的信号与调制时的载波信号具有相同的频率与相位，因此这一解调的方法称为同步解调。解调器（乘法器）调制信号载波调幅波低通滤波器将调幅波与载波再次相乘，得

2023/2/3测试技术与信号处理1202023/2/3测试技术与信号处理121幅值调制信号的解调将调幅波再次与原载波信号相乘，则频域图形将再一次进行“搬移”。用一低通滤波器滤去频率大于fm的成分

，则可恢复出原来的调制信号。与原频谱的区别在于幅值为原来的一半。

低通滤波器将频率为2f0的高频信号滤去，得到2023/2/3122测试技术与信号处理3．相敏解调基本原理：相敏检波能用来鉴别调制信号的极性，利用交变信号在过零位时其正、负极性发生突变，使调幅波相位与载波信号相比较也相应地产生180°相位跳变，从而既能反映原信号的幅值又能反映其相位。2023/2/3测试技术与信号处理123原信号、调幅波与载波之间的关系当，调幅波与载波同相位；当，调幅波与载波反相位工作原理

调幅波与载波y(t)同相载波电压为正均为正（原信号x(t)为正）载波电压为负均为负

调幅波与载波y(t)异相载波电压为正均为负（原信号x(t)为负）载波电压为负均为正利用二极管的单向导通作用将电路输出极性换向

测试技术与信号处理1242023/2/3注意事项：相敏检波电路设计时，变压器B2二次边输出电压大于B1二次边输出电压。调制波载波(1)已调制波与载波同相（调制信号x(t)为正）若调幅波xm(t)与载波y(t)同为正半周时，D1、D2导通回路1:i4c→D4→a→O1→RL→O2回路2:i1O2→RL→O1→a→D1→d

2023/2/3测试技术与信号处理125调制波载波RL上流过的电流为iL=i1-i4,

起作用的电势:当调制信号和载波同为负半周时，变压器B1和B2的极性同时改变，二极管D3、D2处于导通状态。2023/2/3测试技术与信号处