工程信号-5 信号变换

第五章、信号的变换5.1测量电桥5.2滤波器5.3信号调制与解调5.4模拟与数字信号转换工程测试与信号分析第五章、信号的变换5.1测量电桥

功能:按激励电压的不同可分为直流电桥交流电桥按工作方式不同可分为不平衡电桥平衡电桥一．直流电桥

1.电桥变换原理电桥平衡第五章、信号的变换单臂工作等臂电桥半桥双臂第五章、信号的变换

2.电桥工作特性

(1)加减特性邻臂相减、对臂相加进行温度补偿，提高电桥灵敏度全桥第五章、信号的变换增加输出第五章、信号的变换消除温度影响热输出第五章、信号的变换

(2)电桥非线性双臂差动工作时全桥差动工作时当桥臂电阻成对差动工作时，电桥输入输出为线性关系；利用加减特性合理接桥，可以消除温度影响，增加输出。第五章、信号的变换

3.平衡电桥

被测量变化不平衡电压输出调节R5重新平衡

G回零

优点：精度高（不受供桥电压影响）第五章、信号的变换二．交流电桥1.交流电桥的结构桥臂电阻

桥臂阻抗直流供桥电压

交流电压第五章、信号的变换2.交流电桥的平衡条件设：第五章、信号的变换例：交流电桥要满足两个平衡条件第五章、信号的变换滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分．在测试装置中，利用滤波器的这种选频作用，可以滤除干扰噪声或进行频谱分析．5.2滤波器

广义地讲，任何一种信息传输的通道（媒质）都可视为是一种滤波器．因为，任何装置的响应特性都是激励频率的函数，都可用频域函数描述其传输特性．因此，构成测试系统的任何一个环节，诸如机械系统、电气网络、仪器仪表、甚至连接导线等等，都将在一定频率范围内，按其频域特性，对所通过的信号进行变换与处理．第五章、信号的变换例：用压电式加速度计测量结构的加速度时，如果只对较低频率的振动成分感兴趣，可以在结构与加速度计的连接处加一个衬垫，以减少测量的高频噪声。这就是机械滤波器的例子。第五章、信号的变换一、滤波器分类

根据滤波器的选频作用分为1.低通滤波器

从O～f2频率之问，幅频特性平直，它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大地衰减幅频特性第五章、信号的变换2.高通滤波器

与低通滤波相反，从频率f1~∞，其幅频特性平直．它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于f1的频率成分将受到极大地衰减。第五章、信号的变换3.带通滤波器

如图所示带通滤波器，它的通频带在f1～f2之间．它使信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过，而其他成分受到衰减。第五章、信号的变换4.带阻滤波器

与带通滤波相反，阻带在频率f1～f2之间．它使信号中高于f1而低于f2的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。第五章、信号的变换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由这两种类型的滤波器组合而成。第五章、信号的变换第五章、信号的变换二、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，其通带和阻带之间有明显的分界线。也就是说，理想滤波器在通带内的幅频特性应为常数，相频特性的斜率为常值；在通带外的幅频特性应为零。理想低通滤波器的频率响应函数为：

第五章、信号的变换第五章、信号的变换三、实际滤波器

理想滤波器是不存在的。在实际滤波器的幅频特性图中，通带和阻带之间没有严格的界限。在通带和阻带之间存在一个过渡带。在过渡带内的频率成分不会被完全抑制，只会受到不同程度的衰减。希望过渡带越窄越好，也就是希望对通带外的频率成分衰减得越快、越多越好。因此，在设计实际滤波器时，总是通过各种方法使其尽量逼近理想滤波器。

第五章、信号的变换1.实际滤波器的基本参数

（1）纹波幅度d

在一定频率范围内，实际滤波器的幅频特性可能呈波纹变化．其波动幅度d与幅频特性的平均值A0相比，越小越好，一般应远小于一3dB。（2）截止频率fc

幅频特性值等于0.707A0所对应的频率称为滤波器的截止频率．以A0为参考值，0.707A0对应于一3dB点，即相对于A0衰减3dB．若以信号的幅值平方表示信号功率，则所对应的点正好是半功率点。第五章、信号的变换（3）带宽B和品质因数Q值

上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽，或一3dB带宽，单位为Hz．带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力——频率分辨力．

对于带通滤波器，通常把中心频率f0和带宽B之比称为滤波器的品质因数Q．例如一个中心频率为500HZ的滤波器，若其中一3dB带宽为10Hz，则称其Q值为50．Q值越大，表明滤波器频率分辨力越高．

第五章、信号的变换比值越小，通频带外衰减越快，滤波器的选择性越好．（4）倍频程选择性

滤波器选择性的一种描述，带宽外频率成分的衰减能力描述。在两截止频率外侧，实际滤波器有一个过渡带，这个过渡带的幅频曲线倾斜程度表明了幅频特性衰减的快慢，它决定着滤波器对带宽外频率成分衰阻的能力．通常用倍频程选择性来表征．倍频程：若两频率fa、fb满足fb=2fa，则fa与fb之间为一个倍频程；若fb=2nfa,则fa与fb之间为n个倍频程.或第五章、信号的变换2.RC无源滤波器

1)一阶RC低通滤波器

当f很小时，A(f)=1，信号不受衰减的通过；当f很大时，A(f)=0，信号完全被阻挡，不能通过。第五章、信号的变换2)一阶RC高通滤波器

当f很小时，A(f)=0，信号完全被阻挡，不能通过；当f很大时，A(f)=1信号不受衰减的通过第五章、信号的变换3)RC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串联

极低和极高的频率成分都完全被阻挡，不能通过；只有位于频率通带内的信号频率成分能通过。第五章、信号的变换

要注意，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“负载”，而前一级又是后一级的信号源内阻．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．有源滤波器由RC调谐网络和运算放大器组成．运算放大器既可作为级间隔离作用，又可起信号幅值的放大作用

直接相连并非H1(S)H2(S)第五章、信号的变换5.3调制与解调在测试技术中，调制是工程测试信号在传输过程中常用的一种调理方法，主要是为了解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。调制：使一个信号的某些参数在另一信号的控制下发生变化的过程。解调：从已调制波中恢复出原调制信号的过程。第五章、信号的变换信号调制的类型：幅度凋制、频率调制、相位调制三种简称为调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）。载波：等幅高频振荡

调制信号：带有信息的低频信号已调制波：调制后的高频振荡信号

一、调幅及其解调

1.调幅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的变化而变化．

第五章、信号的变换由卷积定理结论：调幅将一个高频载波与调制信号相乘，在频域相当于频谱“搬移”。设：第五章、信号的变换第五章、信号的变换2.解调（1）同步解调

将调幅波xm(t)

与原高频载波z(t)信号再次相乘。

第五章、信号的变换频谱搬移

频谱搬移

原信号频谱

若用一个低通滤波器滤除中心频率为2fz的高频成分，那末将可以复现原信号的频谱（只是其幅值减少了一半，这可用放大处理来补偿），这一过程称为同步解调．“同步”指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．

滤波

滤波

保留

第五章、信号的变换第五章、信号的变换

上述的调制方法，是将调制信号x(t)直接与载波信号z(t)相乘．这种调幅波具有极性变化，即在信号过零线时，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（相对于载波）也相应地发生180°的相位变化．此种调制方法称为抑制调幅．抑制调幅波须采用同步解调或相敏检波解调的方法，方能反映出原信号的幅值和极性．（2）整流检波

若把调制信号x(t)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.这种调制方法称为偏置调幅．其调幅波的包络线具有原信号形状，如图(a)所示．对于非抑制调幅波，一般采用整流、滤波（或称包络法检波）以后，就可以恢复原信号.

第五章、信号的变换第五章、信号的变换二、频率调制

调频是利用信号x(t)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第五章、信号的变换调频波的瞬时频率可表示为：f=f0+df

式中f0为载波信号频率；df为频率偏移，与调制信号x(t)的幅值成正比。鉴频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。第五章、信号的变换

频率调制较之幅度调制的一个重要的优点是改善了信噪比．调频波之所以改善了信号传输过程中的信噪比，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，而干扰波的干扰作用则主要表现在振幅之中．

调频方法也存在着严重缺点：调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的20倍；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率调制是一种非线性调制，它不能运用叠加原理．因此，分析调频波要比分析调幅波困难，实际上，对调频波的分析是近似的。第五章、信号的变换第五章、信号的变换5.4模拟与数字信号转换

在测试系统中，不仅需要将模拟量转换为数字量输入计算机进行信号处理，还要将计算机处理后的数字量转换为模拟量进行模拟量显示、记录或者输入到控制环节进行系统控制等。因此模数与数模转换在测试系统中应用广泛。

第五章、信号的变换一、数字/模拟转换器

1.基本结构模拟电压V

DN-1D0数字量B基本原理V=KB第五章、信号的变换2.工作原理例：二进制加权网络D/A转换器Di=1Si接通VR

Di=0Si接地

V=KB

第五章、信号的变换二、模拟/数字转换器

1.逐次比较式ADC一般原理输入模拟量经内部D/A转换为模拟量

N=81000000011000000•••••••••11000001第五章、信号的变换

例：逐次比较式ADC一般原理说明第五章、信号的变换2.双积分式A/D转换器原理（模拟量）（数字量）积分时间脉冲个数Vi第五章、信号的变换(1)准备期:S1、S2断开，S接通，积分电容被短路，输出为0。

(2)采样期:S1接通（S2、S断开）对输入电压进行固定时间T1（=t2-t1）的积分为Vi在T1内的平均值第五章、信号的变换

(3)比较期:S2接通（S1断开）对输入基准电压进行变动时间T2（=t3-t2）的积分当t=t3时，VOUT