测试信号的调理和其记录

测试信号的调理和其记录测试信号的调理和其记录第1页

贵州大学机械工程学院陈家兑第一节概述·传感器输出电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、统计或分析仪器中去，需要深入放大，有还要进行阻抗变换。

·有些传感器输出电信号中混杂有干扰噪声，需要去掉噪声，提升信噪比。

·一些场所，为便于信号远距离传输，需要对传感器测量信号进行调制解调处理。

变换与调理目标：便于信号传输与处理。

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贵州大学机械工程学院陈家兑第二节滤波器

什么是滤波?

在经过传感器取得信号中，经常混同有许多其它频率干扰。因为这些干扰存在，有时得不到正确测量值，甚至有时有用信号被淹没在干扰噪声中。为了突出有用信号，抑制噪声干扰，咱们就要对传感器取得信号进行滤波。

滤波实质就是对信号进行频率选择，完成滤波功效装置称为滤波器。当信号经过滤波器时，信号中一些频率成份得以经过，其它频率成份信号受到衰减或抑制。信号经过滤波器过程，就称为对信号进行滤波。测试信号的调理和其记录第3页

贵州大学机械工程学院陈家兑按滤波器选频方式分：低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器{按滤波器电路组成形式分

有源滤波器无源滤波器{按所处理信号信号分模拟滤波器数字滤波器{一、滤波器分类测试信号的调理和其记录第4页

贵州大学机械工程学院陈家兑低通滤波器允许在其截止频率以下频率成份经过而高于此频率频率成份被衰减；高通滤波器只允许在其截止频率之上频率成份经过；带通滤波器只允许在其中心频率附近一定范围内频率分量经过；带阻滤波器可将选定频带上频率成份衰减掉。a）低通滤波器b）高通滤波器c）带通滤波器d）带阻滤波器

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贵州大学机械工程学院陈家兑二、理想滤波器特征

理想滤波器在通带内幅频特征应为常数，相频特征斜率为常值；在通带外幅频特征应为零。

理想滤波器在工程实际中是不可能实现。

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理想滤波器单位脉冲响应函数为：测试信号的调理和其记录第7页

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从理想滤波器单位脉冲响应图形能够看出，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。故理想滤波器是物理不可实现。测试信号的调理和其记录第8页

贵州大学机械工程学院陈家兑给理想滤波器一个单位阶跃输入则理想滤波器输出为sinc(λ)函数积分不能用解析式表示，通常见表格或曲线形式给出。测试信号的调理和其记录第9页

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输出响应从零值（a点）到稳定值A0（b点）需要一定建立时间Te=tb-ta。计算积分式有：

滤波器通频带越宽，即fc越大，则响应建立时间Te越小，即图中图形越陡峭。测试信号的调理和其记录第10页

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这一结论对其它滤波器（高通、带通、带阻）也适用。

另首先，滤波器带宽表示着它频率分辨力，通带越窄则分辨力越高。所以，滤波器高分辨能力和测量时快速响应要求是相互矛盾。当采取滤波器从信号中选取某一频率成份时，就需要有足够时间。假如建立时间不够，就会产生虚假结果，而过长测量时间也是没有必要。普通采取BTe=5～10。测试信号的调理和其记录第11页

贵州大学机械工程学院陈家兑三、实际滤波器理想滤波器特征只需用截止频率描述，而实际滤波器特征曲线无显著转折点，两截止频率之间幅频特征也非常数，故需用更多参数来描述。实际滤波器主要特征参数：（1）截止频率fc:幅频特征值等于所对应频率。（-3dB截止频率）测试信号的调理和其记录第12页

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（2）纹波幅度d：实际滤波器在通频带内可能出现纹波改变。其波动幅度d与幅频特征稳定值A0相比，越小越好，普通应远小于-3dB。即

（4）品质因数Q:中心频率fn和带宽B之比为带通滤波器品质因数Q。Q值越大，表明滤波器频率分辨力越高。带通滤波器中心频率定义为

（3）带宽B：上下两截频间频率范围称为带宽（-3dB带宽）。带宽表示滤波器分辨能力，即滤波器分离信号中相邻频率成份能力。测试信号的调理和其记录第13页

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（5）倍频程选择性W:在两截止频率外侧，实际滤波器有一个过渡带，这个过渡带幅频曲线倾斜程度表明了幅频特征衰减快慢，它决定着滤波器对带宽外频率成份衰阻能力。通常见倍频程选择性来表征。所谓倍频程选择性，是指在上截止频率与之间，或者在下截止频率与之间幅频特征衰减值，即频率改变一个倍频程时衰减量。

倍频程衰减量以dB/oct表示（octave，倍频程）。显然，衰减越快（即W值越小），滤波器选择性越好。对于远离截止频率衰减率也可用10倍频程衰减数表示之。即（dB／10oct）。或测试信号的调理和其记录第14页

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（6）矩形系数λ：滤波器选择性另一个方法，是用滤波器幅频特征值为-60dB处带宽B-60dB与-3dB处带宽B-3dB比值表示，即

对理想滤波器有λ=1。对普通使用滤波器，普通为1～5。测试信号的调理和其记录第15页

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在测试系统中，常见RC滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰强，有很好低频性能。（1）RC低通滤波器

2.RC调谐式滤波器

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贵州大学机械工程学院陈家兑幅频特征和相频特征测试信号的调理和其记录第17页

贵州大学机械工程学院陈家兑▲当时，，近似于一条经过原点直线。此时，RC低通滤波器是一个不失真传输系统。▲当时，，即RC低通滤波器截止频率为▲当，，输出uy与输入ux积分成正比，即：测试信号的调理和其记录第18页

贵州大学机械工程学院陈家兑（2）RC高通滤波器

电路微分方程式令τ=RC，称时间常数。传递函数和频率响应函数幅频特征和相频特征测试信号的调理和其记录第19页

贵州大学机械工程学院陈家兑▲当时，，，RC低通滤波器是一个不失真传输系统。▲当时，，即RC高通滤波器截止频率为▲当，，输出uy与输入ux积分成正比，即：测试信号的调理和其记录第20页

贵州大学机械工程学院陈家兑（3）RC带通滤波器带通滤波器能够看作低通滤波器和高通滤波器串联。传递函数和频率响应函数幅频特征和相频特征测试信号的调理和其记录第21页

贵州大学机械工程学院陈家兑▲当时，，RC低通滤波器是一个不失真传输系统。▲当时，，即RC带通滤波器下、上截止频率为▲当，，信号完全被阻挡，不能经过。测试信号的调理和其记录第22页

贵州大学机械工程学院陈家兑第三节调制与解调调制与解调目标：处理微弱缓变信号放大以及信号传输问题。

调制是指利用某种低频信号来控制或改变一高频振荡信号某个参数（幅值、频率或相位）过程。在这里，高频振荡信号被称为载波，控制高频振荡低频信号被称为调制信号，调制后高频振荡信号为已调制信号。

解调是指从已调制信号中恢复出原低频调制信号过程。调制与解调是一对相反信号变换过程，在工程上经常结合在一起使用。测试信号的调理和其记录第23页

贵州大学机械工程学院陈家兑调制种类：调制信号x(t)载波信号a)幅度调制(AM)b)频率调制(FM)c)相位调制(PM)测试信号的调理和其记录第24页

贵州大学机械工程学院陈家兑载波调制信号调幅波调频波测试信号的调理和其记录第25页

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调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号改变而改变。一、幅度调制与解调

调幅过程就相当于频率“搬移”过程。·调幅测试信号的调理和其记录第26页

贵州大学机械工程学院陈家兑测试信号的调理和其记录第27页

贵州大学机械工程学院陈家兑·解调

解调就是把调幅波xm(t)

再次与载波y(t)信号相乘，则频域图形将再一次进行“搬移”

用低通滤波器滤除高频成份，将能够复现原信号频谱（只是幅值减半），这一过程称为“同时解调”。与原频谱区分在于幅值为原来二分之一，这能够经过放大来赔偿。测试信号的调理和其记录第28页

贵州大学机械工程学院陈家兑测试信号的调理和其记录第29页

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解调方法：整流检波和相敏检波。整流检波：若把调制信号进行偏置，叠加一个直流分量，使偏置后信号都含有正电压，那么调幅波包络线将含有原调制信号形状。把该调幅波进行简单半波或全波整流、滤波，并减去所加偏置电压就能够恢复原调制信号。这种方法又称作包络分析。

若所加偏置电压未能使信号电压都为正，则用简单整流方法就不能恢复原调制信号，这时需要采取相敏检波方法。测试信号的调理和其记录第30页

贵州大学机械工程学院陈家兑测试信号的调理和其记录第31页

贵州大学机械工程学院陈家兑相敏检波器由四个特征相同二极管D1～D4沿同一方向串联成一个桥式回路，桥臂上有附加电阻，用于桥路平衡。四个端点分别接在变压器A和B次级线圈上，变压器A输入信号为调幅波xm(t)，B输入信号为载波y(t)，uf(t)为输出。相敏检波器是一个能依据调幅波和载波相位差来判别调制信号极性解调器，它适合对各种类型调幅波进行解调。设计相敏检波器时要求变压器B二次边输出远大于变压器A二次边输出，即y(t)>>xm(t)。这时，二极管导通与截止全由参考电压y(t)决定。相敏检波测试信号的调理和其记录第32页

贵州大学机械工程学院陈家兑＋

－

1）xm(t)>0，y(t)>0，二极管D1、D2导通,在负载上形成两个电流回路：

回路1：f-g-e-1-b-D2-c-3-f（蓝色）回路2：4-a-D1-b-1-e-g-f-4（红色）总输出为：＋

－

＋

＋

＋

＋

＋

－

－

－

－

－

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总结：在x(t)>0时，不论调制波xm(t)极性是否为正，相敏检波器输出波形均为正，即在0～t1时间内对xm(t)进行全波整流，故解调后频率比原调制波频率高一倍。测试信号的调理和其记录第34页

贵州大学机械工程学院陈家兑＋

－

＋

＋

＋

＋

＋

－

－

－

－

－

2）xm(t)<0，y(t)<0，二极管D1、D4导通，在负载上形成两个电流回路：

回路1：f-g-e-2-d-D4-a-4-f（蓝色）回路2：3-c-D3-d-2-e-g-f-3（红色）总输出为：测试信号的调理和其记录第35页

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总结：在x(t)<0时，不论调制波xm(t)极性怎样，相敏检波器输出波形均为负，即在t1～t2时间内对xm(t)进行全波整流后反相，故解调后频率比原调制波频率高一倍。

结论：调幅波经相敏检波后，得到一随原调制信号幅值与相位改变而改变高频波，再经过电容C将高频滤掉，即可取得与原调制信号一致信号。测试信号的调理和其记录第36页

贵州大学机械工程学院陈家兑二、调频及其解调

调频是利用信号电压幅值去控制一个振荡器，振荡器输出是一个等幅波，但其振荡频率改变与信号幅值成百分比。信号电压为零时，调频波频率等于中心频率f0，信号电压为正时频率增加，为负值时，则降低，所以调频波是随信号x(t)电压幅值而改变疏密不等等幅波。测试信号的调理和其记录第37页

贵州大学机械工程学院陈家兑1.利用压控振荡器调频电路工作原理：图中A1为一个正反馈放大器，其输出电压受稳压管VW钳制，其值为+uW或-uW，二者必取其一。M为乘法器，A2为积分器，uX是正值常电压。若开始时A1输出为+uW，乘法器输出为uZ是正电压，A2输出电压将线性下降（电容C放电），当其下降至-uW时，此时其输出变为-uW，同时乘法器输出uZ也变为负电压，从而造成A2输出线性上升（电容C充电），当其上升至+uW，A1又将翻转，输出变为+uW。这个往返翻转频率与uX成正比，从而经过改变uX来到达控制振荡频率目标。测试信号的调理和其记录第38页

贵州大学机械工程学院陈家兑LC振荡电路常被用于电容、涡流、电感等传感器测量电路，将电容（或电感）作为自激振荡器谐振回路一调谐参数，则电路谐振频率为

2.直接调频及解调电容传感器中心频率按泰勒级数展开并忽略高阶项测试信号的调理和其记录第39页

贵州大学机械工程学院陈家兑电感传感器中心频率按泰勒级数展开并忽略高阶项LC振荡电路振荡频率f与调谐参数（C或L）改变近似成线性关系，亦即振荡频率受控于被测物理量。测试信号的调理和其记录第40页

贵州大学机械工程学院陈家兑2．调频信号解调

频波解调又称为鉴频，是将调频波频率改变恢复成调制信号电压幅值改变过程。实现鉴频过程方案很多，下列图是一个采取变压器耦合谐振回路鉴频方法。图中L1、L2是变压器耦合一次、二次边线圈，与C1、C2组成并联谐振回路。测试信号的调理和其记录第41页

贵州大学机械工程学院陈家兑鉴频器工作原理：利用谐振回路频率特征。

等幅调频波uf经过并联谐振回路，当uf频率等于回路谐振频率fn时，线圈L1、L2中耦合电流最大，二次边上输出电压ua也是最大；当uf频率偏离fn，ua也随之下降。ua频率一直与uf保持一致，但其幅值随uf频率改变而改变。谐振回路频率特征曲线测试信号的调理和其记录第42页

贵州大学机械工程学院陈家兑并联谐振回路

测试信号的调理和其记录第43页

贵州大学机械工程学院陈家兑通常利用谐振曲线中亚谐振区近似直线一段来实现频率-电压转换。设被测量为零时，选择调谐回路振荡频率与调频时载波频率f0一致，并将该点设置在直线工作段中点附近。亚谐振区ua是一个即有频率改变也有幅值改变调频调幅波ua经过幅值检波电路，将调频调幅波转换成只剩下它包络线电压改变波形uo，从而取得被测量参数改变信息。测试信号的调理和其记录第44页

贵州大学机械工程学院陈家兑第四节信号显示、统计与存放

显示和统计仪器普通包含指示和显示仪表、统计仪器。从统计信号性质来分，显示和统计仪又可分为模拟型和数字型两大类。

测试信号的调理和其记录第45页

贵州大学机械工程学院陈家兑一、光线示波器

是一个常见模拟式统计器，主要用于模拟量数据统计，它将信号调整仪输入电信号转换为光信号并统计在感光纸或胶片上，从而得到试验变量与时间关系曲线。

1、光线示波器定义(1)高灵敏度；(2)统计信号频率可达数千赫[兹]；(3)实现交叉统计，能最大程度地利用统计纸；(4)能够得到曲线形式资料，而且直观性好。(1)工作频率还不够宽；(2)统计曲线不能利用数字分析仪器或计算机进行处理；(3)感光统计纸价格较贵，且不能重复使用。2、光线示波器特点：

优点：不足之处：测试信号的调理和其记录第46页

贵州大学机械工程学院陈家兑工作原理振动子系统、光学系统、统计纸传动系统以及电气系统振动子系统包含：

振动子

磁系统恒温装置3、光线示波器工作原理和结构组成

测试信号的调理和其记录第47页

贵州大学机械工程学院陈家兑

是将一个或多个变量随时间或另一变量改变过程转换为可识别和读取信号仪器。它能保留所统计信号改变方便分析处理。统计仪最大特点是能自动统计周期性或非周期性多路信号慢改变过程和瞬态电平改变过程。1、统计仪定义工作频率输入信号动态范围统计线性度分辨度失真度响应时间走纸准确度和稳定度

2、统计仪主要技术指标二、记录仪测试信号的调理和其记录第48页

贵州大学机械工程学院陈家兑1）检流计式笔录仪

3、笔式统计仪测试信号的调理和其记录第49页

贵州大学机械工程学院陈家兑2）函数统计仪测试信号的调理和其记录第50页

贵州大学机械工程学院陈家兑4、磁带统计仪磁带统计仪是利用铁磁性材料磁化进行统计仪器。

1）磁带统计仪特点(1)统计频带宽；(2)能同时进行多路信息统计，确保其时间和相位关系；(3)改变时基能力，对高频信息用快速统计，慢速重放；(4)尤其适合用于长时间连续统计；(5)统计信息精度高、失真小、线性好；

(6)前面可加放大器，后面可直接与数据处理设备连接。

测试信号的调理和其记录第51页

贵州大学机械工程学院陈家兑2）磁带统计仪组成与工作原理测试信号的调理和其记录第52页

贵州大学机械工程学院陈家兑3）磁带统计仪类型（1）模拟式磁带统计仪

测试信号的调理和其记录第53页

贵州大学机械工程学院陈家兑（2）数字式磁带统计仪

测试信号的调理和其记录第54页

贵州大学机械工程学院陈家兑5、新型统计仪

数字存放器示波器框图

测试信号的调理和其记录