測試技術(shù)第五章 模擬信號的變換和處理ppt課件

1、中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院內(nèi)容提要：內(nèi)容提要：第五章第五章 模擬信號的變換和處置模擬信號的變換和處置5-1 5-1 電橋電橋5-2 5-2 調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)5-3 5-3 信號濾波器信號濾波器測試技術(shù)測試技術(shù)中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院 完本錢章內(nèi)容的學(xué)習(xí)后應(yīng)能做到：完本錢章內(nèi)容的學(xué)習(xí)后應(yīng)能做到： 1. 1. 掌握電橋的任務(wù)原理；掌握電橋的任務(wù)原理； 2. 2. 掌握信號調(diào)制解調(diào)原理；掌握信號調(diào)制解調(diào)原理； 3. 3. 掌握信號濾波器任務(wù)原理。掌握信號濾波器任務(wù)原理。 測試技術(shù)測試技術(shù)中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院信號調(diào)理的的目的是便于信號的傳輸與處置。信號調(diào)理的的目的是便于信號的傳輸與處置。 目的：目的： 1.

2、1.傳感器輸出的電信號很微弱，大多數(shù)不能直接保送到傳感器輸出的電信號很微弱，大多數(shù)不能直接保送到顯示、記錄或分析儀器中去，需求進(jìn)一步放大，有的還顯示、記錄或分析儀器中去，需求進(jìn)一步放大，有的還要進(jìn)展阻抗變換。要進(jìn)展阻抗變換。2.2.有些傳感器輸出的是電信號中混雜有干擾噪聲，需有些傳感器輸出的是電信號中混雜有干擾噪聲，需求去掉噪聲，提高信噪比。求去掉噪聲，提高信噪比。3.3.某些場所，為便于信號的遠(yuǎn)間隔傳輸，需求對傳感某些場所，為便于信號的遠(yuǎn)間隔傳輸，需求對傳感器丈量信進(jìn)展調(diào)制解調(diào)處置。器丈量信進(jìn)展調(diào)制解調(diào)處置。 第五章第五章 模擬信號的變換和處置模擬信號的變換和處置中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院概念：模

3、擬信號的處置和變換是對延續(xù)信號進(jìn)展分概念：模擬信號的處置和變換是對延續(xù)信號進(jìn)展分析處置的過程，是利用一定的數(shù)學(xué)模型所組成的運析處置的過程，是利用一定的數(shù)學(xué)模型所組成的運算網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)的。算網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)的。主要內(nèi)容：電橋、調(diào)制、濾波等。主要內(nèi)容：電橋、調(diào)制、濾波等。第五章第五章 模擬信號的變換和處置模擬信號的變換和處置中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院5-15-1電橋電橋 參數(shù)型傳感器能量控制型可以把被測機械量參數(shù)型傳感器能量控制型可以把被測機械量得的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娐坊虼怕返膮?shù)變化，經(jīng)過電橋，得的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娐坊虼怕返膮?shù)變化，經(jīng)過電橋，那么可以把這種參數(shù)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡姌蜉敵鲭妷旱哪敲纯梢园堰@種參數(shù)的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡?/p>

4、橋輸出電壓的變化。變化。 分類：電橋按其電源性質(zhì)的不同分為：直流電橋分類：電橋按其電源性質(zhì)的不同分為：直流電橋和交流電橋。直流電橋只可用于電阻的丈量，而交和交流電橋。直流電橋只可用于電阻的丈量，而交流電橋可用于電阻、電感和電容的丈量。流電橋可用于電阻、電感和電容的丈量。第五章第五章 模擬信號的變換和處置模擬信號的變換和處置中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院一直流電橋一直流電橋1.1.平衡條件平衡條件典型的電橋電路如圖典型的電橋電路如圖1 1所示。所示。5-15-1電橋電橋根據(jù)歐姆定律可得：根據(jù)歐姆定律可得：01124abaduuuI RI R14001234RReeRRRR132401234()()R RR

5、 ReRRRR圖圖1中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院2.2.電橋的靈敏度電橋的靈敏度平衡條件下，假設(shè)電阻平衡條件下，假設(shè)電阻R1R1有一個變化量有一個變化量R1,R1,即即R R由由R1R1變?yōu)樽優(yōu)镽1R1R1,R1,那么由電橋的輸出量為：那么由電橋的輸出量為：當(dāng)當(dāng)u0u00 0 時，電橋平衡，這時有：時，電橋平衡，這時有：13240R RR R1423RRRR或或1140011234RRRueRRRRR 31011234()()RReRRRRR 5-15-1電橋電橋中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院分子、分母同除以分子、分母同除以R1R4 R1R4 ，并忽略式中的，并忽略式中的R1/R1R1/R1項。項。令令3421

6、/RRRRn可得可得10000221(1)(1)nRnueKenRn電橋的靈敏度電橋的靈敏度SBSB00211/(1)BunSeRRn可見電壓可見電壓e0越大，電橋的靈敏度也就越高，在越大，電橋的靈敏度也就越高，在e0選定的情況下，可以變動橋臂電阻的阻值。選定的情況下，可以變動橋臂電阻的阻值。5-15-1電橋電橋中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院令令 dSB/dn =0 dSB/dn =022(1)2 (1)0(1)BdSnnndnn即要求即要求2(1)2 (1)0nnn由由R1/R2=R4/R3=1得到得到R1R2，R4R3，這就是電橋的最大靈敏度條件，實踐中常使，這就是電橋的最大靈敏度條件，實踐中常使R

7、1R2R3R4電橋的最大靈敏度條件電橋的最大靈敏度條件n =1n =1代入靈敏度公式可得：代入靈敏度公式可得：00014uKe得得 n =1 n =15-15-1電橋電橋中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院3 3、非線性誤差及其補償、非線性誤差及其補償 上式是在忽略掉上式是在忽略掉u0u0表達(dá)式的分母中表達(dá)式的分母中 項后得項后得到的，假設(shè)思索它的影響，上式應(yīng)成為到的，假設(shè)思索它的影響，上式應(yīng)成為11RR10011112(2)RueRRR它和它和 之間的差就是非線性誤差，即非線之間的差就是非線性誤差，即非線性誤差的大小為性誤差的大小為1111100011111112111442(2)12RRRRReeeRRR

8、RRRR10114ReR5-15-1電橋電橋中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院假設(shè)以相對值表示，非線性誤差假設(shè)以相對值表示，非線性誤差 1111111000111111122111/44221122RRRRRRReeKRRRRRRR 對于常用金屬應(yīng)變片可設(shè)對于常用金屬應(yīng)變片可設(shè) ，那么，那么 。在彈性范圍內(nèi)，在彈性范圍內(nèi)，常在常在0.10.1以下。所以非線性誤以下。所以非線性誤差不大。而對半導(dǎo)體應(yīng)變片差不大。而對半導(dǎo)體應(yīng)變片 ，相應(yīng)地，相應(yīng)地非線性誤差也要大大添加，因此半導(dǎo)體應(yīng)變片在用非線性誤差也要大大添加，因此半導(dǎo)體應(yīng)變片在用于單臂電橋的情況下，不適于丈量大應(yīng)變。于單臂電橋的情況下，不適于丈量大應(yīng)變。 0

9、2K 0100150K 5-15-1電橋電橋中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院為了添加電橋的靈敏度和減小非線性誤差，常為了添加電橋的靈敏度和減小非線性誤差，常采用雙臂電橋和全橋。采用雙臂電橋和全橋。對雙臂電橋來說，對雙臂電橋來說，R1和和R2都是任務(wù)橋臂，其都是任務(wù)橋臂，其它兩個橋臂為固定橋臂，電橋任務(wù)時，電阻它兩個橋臂為固定橋臂，電橋任務(wù)時，電阻R1和和R2一個增大、一個減小，而且增大和減小的絕對一個增大、一個減小，而且增大和減小的絕對值相等并使值相等并使R1R2R4R3，|R1|R2|那么輸出電壓：那么輸出電壓：114000112234RRRueeRRRRRR 100011122ReKeR5-15-1電

10、橋電橋中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院靈敏度為：靈敏度為：11001111() /()22BRRSeeRR假設(shè)四個橋臂都是任務(wù)臂，四個橋臂的電阻以假設(shè)四個橋臂都是任務(wù)臂，四個橋臂的電阻以差動的方式增大或減小，且增大和減小的絕對值相差動的方式增大或減小，且增大和減小的絕對值相等，存在如下關(guān)系：等，存在如下關(guān)系：那么輸出電壓：那么輸出電壓：114400101223344RRRRueRRRRReRRR R1=R2=R4=R3R1=R2=R4=R3，| |R1|=|R1|=|R2|=|R2|=|R3|=|R3|=|R4|R4|10001ReKeR5-15-1電橋電橋中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院靈敏度為：靈敏度為：1100

11、11() /()BRRSeeRR4 4直流電橋的平衡直流電橋的平衡丈量之前，必需使電橋處于平衡形狀，直流電橋丈量之前，必需使電橋處于平衡形狀，直流電橋只思索電阻平衡，圖只思索電阻平衡，圖2為所示的兩種常用平衡方法。為所示的兩種常用平衡方法。圖圖25-15-1電橋電橋中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院二、交流電橋二、交流電橋1 1、交流電橋的平衡條件、交流電橋的平衡條件交流電橋交流電橋根據(jù)對直流電橋的討論有：根據(jù)對直流電橋的討論有：)(423142310ZZZZZZZZu當(dāng)當(dāng)04231ZZZZ時，電橋時，電橋輸出為零，到達(dá)平衡，此時有：輸出為零，到達(dá)平衡，此時有：4231ZZZZ5-15-1電橋電橋中國礦業(yè)大

12、學(xué)機電學(xué)院jZeZ )(42)(314231jjeZZeZZ4231ZZZZ4231那么電橋平衡時，有：那么電橋平衡時，有：也可表示為：也可表示為：5-15-1電橋電橋中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院2 2、丈量用交流電橋、丈量用交流電橋 右圖所示為差動電感傳感右圖所示為差動電感傳感器與固定電阻組成的一種對器與固定電阻組成的一種對稱交流電橋。稱交流電橋。 在被測物理量的作用下，在被測物理量的作用下，差動電感傳感器的兩個線圈差動電感傳感器的兩個線圈的電感發(fā)生變化，即的電感發(fā)生變化，即CDLLLBCLLL那么可按下式計算那么可按下式計算C C點的電壓點的電壓00()()()2jLLLLeejLLjLLL5-1

13、5-1電橋電橋中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院那么電橋的輸出電壓為：那么電橋的輸出電壓為：00002212eLeeLLLu3 3、交流電橋的平衡調(diào)整、交流電橋的平衡調(diào)整11111RZj RC22221RZj R C34ZZR5-15-1電橋電橋0e 中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院電橋平衡時電橋平衡時4231ZZZZ3241RCRC3214RRRR將各橋臂阻抗代入，整理后得：將各橋臂阻抗代入，整理后得：5-15-1電橋電橋中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院5-25-2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)信號調(diào)制的類型：幅度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制信號調(diào)制的類型：幅度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制第五章第五章 模擬信號的變換和處置模擬信號的變換和處置中國

14、礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院調(diào)頻：電容、電感傳感器就是利用調(diào)頻電路將被測調(diào)頻：電容、電感傳感器就是利用調(diào)頻電路將被測物理量的變化轉(zhuǎn)化為頻率的變化。物理量的變化轉(zhuǎn)化為頻率的變化。幅度調(diào)制：幅度調(diào)制：被測物理量被測物理量低頻緩變信號低頻緩變信號調(diào)幅信號調(diào)幅信號傳感器傳感器交流放大交流放大5-15-1調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)調(diào)幅：是將一個高頻正弦信號或稱載波與測調(diào)幅：是將一個高頻正弦信號或稱載波與測試信號相乘，使載波信號幅值隨測試信號的變化試信號相乘，使載波信號幅值隨測試信號的變化而變化。而變化。一、幅度調(diào)制一、幅度調(diào)制1.1.幅度調(diào)制原理幅度調(diào)制原理中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院 交流電橋是一種常用的幅度調(diào)制器。交流電橋交

15、流電橋是一種常用的幅度調(diào)制器。交流電橋 交流電橋的四個橋臂都為交流電橋的四個橋臂都為R，并將其阻值調(diào)整后，并將其阻值調(diào)整后使電橋平衡。假設(shè)四個橋臂中任一臂的阻值發(fā)生使電橋平衡。假設(shè)四個橋臂中任一臂的阻值發(fā)生變化變化R，使電橋失去平衡，那么電橋的輸出電壓，使電橋失去平衡，那么電橋的輸出電壓為為014yReeR假設(shè)鼓勵電源的電壓為一高頻正弦波，即假設(shè)鼓勵電源的電壓為一高頻正弦波，即00sinceEt5-25-2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院 假設(shè)輸入信號被測信號引起得電阻變化假設(shè)輸入信號被測信號引起得電阻變化RR也也是一個正弦變化量如正弦交變應(yīng)力，即是一個正弦變化量如正弦交變應(yīng)力，即那么

16、得那么得01sin4ycReEtRsinssRRt那么電橋輸出那么電橋輸出 的信號電壓的信號電壓為為001sinsinsinsin4syscscRet EtKt EtR其波形變化規(guī)律如圖其波形變化規(guī)律如圖5-25-2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院ey5-25-2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院( )( )()()x ty tXY根據(jù)傅氏變換的性質(zhì)得簡諧波函數(shù)的頻譜是一根據(jù)傅氏變換的性質(zhì)得簡諧波函數(shù)的頻譜是一對脈沖譜線，即：對脈沖譜線，即：0000001sin 2()21cos 22f tjfffff tffff或或在頻域上，由傅立葉變換的性質(zhì)可知：在時域中兩在頻域上，由傅立葉

17、變換的性質(zhì)可知：在時域中兩個信號相乘，那么對應(yīng)于頻域中這兩個信號的卷積，個信號相乘，那么對應(yīng)于頻域中這兩個信號的卷積，即：即：( )( )()()x ty tXfYf5-25-2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院這一過程就是調(diào)幅，所以調(diào)幅過程就相當(dāng)于頻這一過程就是調(diào)幅，所以調(diào)幅過程就相當(dāng)于頻率率“搬移過程，調(diào)幅結(jié)果如圖搬移過程，調(diào)幅結(jié)果如圖3 3所式。所式。2.2.幅度調(diào)制的解調(diào)幅度調(diào)制的解調(diào)解調(diào)過程是將已調(diào)制波恢復(fù)為原低頻調(diào)制信號的過解調(diào)過程是將已調(diào)制波恢復(fù)為原低頻調(diào)制信號的過程。恢復(fù)原波形包括幅值的大小和正負(fù)符號兩個方程。恢復(fù)原波形包括幅值的大小和正負(fù)符號兩個方面。面。 00011(

18、 )cos222x tf tXfffXfff一個函數(shù)與單位脈沖數(shù)卷積的結(jié)果就是：一個函數(shù)與單位脈沖數(shù)卷積的結(jié)果就是：5-25-2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院1整流檢波整流檢波這種解調(diào)方法在時域內(nèi)的信號流程如以下圖所示。這種解調(diào)方法在時域內(nèi)的信號流程如以下圖所示。這種方法雖然可以恢復(fù)波形，但在調(diào)制過程中有一這種方法雖然可以恢復(fù)波形，但在調(diào)制過程中有一個加、減直流個加、減直流(電流或電壓電流或電壓)的過程。由于在實踐的過程。由于在實踐任務(wù)中要使每不斷流本身穩(wěn)定，且使兩個直流完任務(wù)中要使每不斷流本身穩(wěn)定，且使兩個直流完全對稱難度很大，不易實現(xiàn)，致使原波形與恢復(fù)全對稱難度很大，不易實現(xiàn)，致

19、使原波形與恢復(fù)原波形雖然幅值上可以成比例，但在分界正負(fù)極原波形雖然幅值上可以成比例，但在分界正負(fù)極性的零點上能夠產(chǎn)生漂移，而使分辨原波形的正性的零點上能夠產(chǎn)生漂移，而使分辨原波形的正負(fù)極性上產(chǎn)生誤差。負(fù)極性上產(chǎn)生誤差。 5-25-2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院2 2同步解調(diào)同步解調(diào) 假設(shè)把調(diào)幅波假設(shè)把調(diào)幅波xm(t) 再次與載波信號再次與載波信號y(t) 相乘，那相乘，那么頻域圖形將再一次進(jìn)展么頻域圖形將再一次進(jìn)展“搬移，如圖搬移，如圖4所示，所示，即：即：用低通濾波器濾除高頻成分，將可以復(fù)現(xiàn)原信用低通濾波器濾除高頻成分，將可以復(fù)現(xiàn)原信號的頻譜只是幅值減半，這一過程稱為同步解號的頻

20、譜只是幅值減半，這一過程稱為同步解調(diào)。調(diào)。 0011122244mF xty tXfXffff5-25-2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院 所謂所謂“同步是指解調(diào)時所乘的信號與調(diào)制時的載波同步是指解調(diào)時所乘的信號與調(diào)制時的載波信號具有一樣的頻率和相位，如圖信號具有一樣的頻率和相位，如圖4 4所示。所示。 上述的調(diào)制方法，是將調(diào)制信號上述的調(diào)制方法，是將調(diào)制信號x(t)x(t)直接與載波信直接與載波信號號y(t)y(t)相乘。這種調(diào)幅波具有極性變化，即在信號相乘。這種調(diào)幅波具有極性變化，即在信號過零時，其幅值發(fā)生由正到負(fù)或由負(fù)到正的忽過零時，其幅值發(fā)生由正到負(fù)或由負(fù)到正的忽然變化，此時調(diào)

21、幅波的相位相對于載波也發(fā)生然變化，此時調(diào)幅波的相位相對于載波也發(fā)生180180的相位變化，此種調(diào)制方法稱為抑制調(diào)幅。的相位變化，此種調(diào)制方法稱為抑制調(diào)幅。5-25-2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院假設(shè)把調(diào)制信號假設(shè)把調(diào)制信號x(t)進(jìn)展偏置，疊加一個直流分進(jìn)展偏置，疊加一個直流分量量A，使偏置后的信號都具有正電壓，此時調(diào)幅波，使偏置后的信號都具有正電壓，此時調(diào)幅波表表達(dá)式為：達(dá)式為：0( )1( )cos 2mxtAmx tf t式中，式中，m1，稱為調(diào)幅指數(shù)。這種調(diào)制方法稱，稱為調(diào)幅指數(shù)。這種調(diào)制方法稱為非抑制調(diào)幅，或偏置調(diào)幅。其調(diào)幅波的包絡(luò)線具為非抑制調(diào)幅，或偏置調(diào)幅。其調(diào)幅波的

22、包絡(luò)線具有原信號外形，如圖有原信號外形，如圖5a所示。對于非抑制調(diào)幅所示。對于非抑制調(diào)幅波，普通采用整流、濾波或稱包絡(luò)檢波以后，波，普通采用整流、濾波或稱包絡(luò)檢波以后，就可以恢復(fù)原信號。就可以恢復(fù)原信號。5-25-2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院3 3調(diào)幅波的波形失真調(diào)幅波的波形失真1 1過調(diào)失真過調(diào)失真對于非抑制調(diào)幅，其直流偏置必需足夠大，要對于非抑制調(diào)幅，其直流偏置必需足夠大，要求調(diào)幅指數(shù)求調(diào)幅指數(shù)m1。由于，。由于，m1時，當(dāng)時，當(dāng)x(t)取最大負(fù)值取最大負(fù)值時，能夠使時，能夠使A1+mx(t)fm。實踐運用中，往往選擇載波頻率至少數(shù)倍于信號中實踐運用中，往往選擇載波頻率至少數(shù)

23、倍于信號中的最高頻率。的最高頻率。3 3調(diào)幅波經(jīng)過系統(tǒng)時的波形失真調(diào)幅波經(jīng)過系統(tǒng)時的波形失真調(diào)幅波經(jīng)過系統(tǒng)時，將遭到系統(tǒng)頻率特性的影調(diào)幅波經(jīng)過系統(tǒng)時，將遭到系統(tǒng)頻率特性的影響，圖響，圖7表示了系統(tǒng)的帶通特性所引起的調(diào)幅波波形表示了系統(tǒng)的帶通特性所引起的調(diào)幅波波形變化。圖變化。圖a為理想情況下，調(diào)幅波不變；為理想情況下，調(diào)幅波不變；b那么為邊帶波被衰減，使調(diào)幅深度變淺；那么為邊帶波被衰減，使調(diào)幅深度變淺；c那么那么為為邊帶波被放大，使調(diào)幅波深度變深。邊帶波被放大，使調(diào)幅波深度變深。5-25-2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院4 4幅度調(diào)制在測試儀器中的運用幅度調(diào)制在測試儀器中的運用Y6D

24、3AY6D3A型動態(tài)應(yīng)變儀的任務(wù)原理框圖如圖型動態(tài)應(yīng)變儀的任務(wù)原理框圖如圖8 8所示。所示。5-25-2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院二、頻率調(diào)制二、頻率調(diào)制頻率調(diào)制：是用調(diào)制信號低頻去控制載波信號頻率調(diào)制：是用調(diào)制信號低頻去控制載波信號高頻的頻率的過程。即利用信號電壓的幅值去高頻的頻率的過程。即利用信號電壓的幅值去控制一個振蕩器，振蕩器的輸出將是等幅波，但其控制一個振蕩器，振蕩器的輸出將是等幅波，但其振蕩頻率的變化與信號電壓成比例。當(dāng)信號電壓為振蕩頻率的變化與信號電壓成比例。當(dāng)信號電壓為零時，調(diào)頻波的頻率就等于中心頻率，信號電壓為零時，調(diào)頻波的頻率就等于中心頻率，信號電壓為正時頻率

25、添加，負(fù)值時，那么降低，所以調(diào)頻波是正時頻率添加，負(fù)值時，那么降低，所以調(diào)頻波是隨信號變化的疏密不等的等幅波，如圖隨信號變化的疏密不等的等幅波，如圖9 9所示。所示。調(diào)頻波：是一種隨信號調(diào)頻波：是一種隨信號x(t)的電壓幅值變化的疏密的電壓幅值變化的疏密度不同的等幅波。度不同的等幅波。5-25-2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院 頻率調(diào)制器最普通的方法是將傳感器輸出的電壓頻率調(diào)制器最普通的方法是將傳感器輸出的電壓信號輸入到一個電壓信號輸入到一個電壓/頻率頻率V/F變換器，這時變變換器，這時變換器輸出的是一個被調(diào)制信號進(jìn)展了頻率調(diào)制的已換器輸出的是一個被調(diào)制信號進(jìn)展了頻率調(diào)制的已調(diào)制波。

26、調(diào)制波。 另一個方法是，利用電抗元件組成調(diào)諧振蕩器。另一個方法是，利用電抗元件組成調(diào)諧振蕩器。電抗元件電容或電感作為傳感器，檢取被丈量，電抗元件電容或電感作為傳感器，檢取被丈量，作為調(diào)制信號輸入，振蕩器原有的信號為載波。當(dāng)作為調(diào)制信號輸入，振蕩器原有的信號為載波。當(dāng)有調(diào)制信號輸入時振蕩器輸出即是被調(diào)制了的已調(diào)有調(diào)制信號輸入時振蕩器輸出即是被調(diào)制了的已調(diào)制波。制波。1 1、頻率調(diào)制器及任務(wù)原理：、頻率調(diào)制器及任務(wù)原理：5-25-2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院001LC丈量過程中，電容值由丈量過程中，電容值由C0增增大大C，此時回路的振蕩頻率變?yōu)椋?，此時回路的振蕩頻率變?yōu)椋?1()L

27、CC 可變換為可變換為000000111(1)11CCCLCLCCCC圖圖10105-25-2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)圖圖10為一個為一個LC振蕩器，回路中振蕩器，回路中L、C假設(shè)沒有假設(shè)沒有衰減的話，是按衰減的話，是按Asin0t作簡諧振動變化的，其振作簡諧振動變化的，其振蕩頻率為：蕩頻率為：中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院用級數(shù)將后項展開，并略去高次項，可得：用級數(shù)將后項展開，并略去高次項，可得：00(1)2CC設(shè)設(shè)002CC 那么得那么得0 上式闡明，當(dāng)被測物理量變化引起振蕩回路中上式闡明，當(dāng)被測物理量變化引起振蕩回路中的電容變化時，振蕩回路的角頻率在原來的電容變化時，振蕩回路的角頻率在原來00上又疊上

28、又疊加一個加一個頻率，頻率，是隨被測物理量變化而變化是隨被測物理量變化而變化的。所以振蕩器的角頻率的。所以振蕩器的角頻率受控于被測物理量，被受控于被測物理量，被測物理量即是一個調(diào)制信號，這就是一種調(diào)頻過程。測物理量即是一個調(diào)制信號，這就是一種調(diào)頻過程。5-25-2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院2 2、調(diào)頻波的解調(diào)、調(diào)頻波的解調(diào)調(diào)頻波是以正弦波頻率的變化來反映被測信號的幅調(diào)頻波是以正弦波頻率的變化來反映被測信號的幅值變化的。因此，調(diào)頻波的解調(diào)是先將調(diào)頻波變成調(diào)值變化的。因此，調(diào)頻波的解調(diào)是先將調(diào)頻波變成調(diào)頻調(diào)幅波，然后進(jìn)展幅值檢波，恢復(fù)原被測信號的波頻調(diào)幅波，然后進(jìn)展幅值檢波，恢復(fù)原被

29、測信號的波形。形。 鑒頻就是對調(diào)頻波進(jìn)展解調(diào)，將信號的頻率變化再鑒頻就是對調(diào)頻波進(jìn)展解調(diào)，將信號的頻率變化再變換為電壓幅值的變化。鑒頻的方法也有許多，常用變換為電壓幅值的變化。鑒頻的方法也有許多，常用的有變壓器耦合的諧振回路法。的有變壓器耦合的諧振回路法。5-25-2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院 如以下圖所示。圖中如以下圖所示。圖中L1、L2是變壓器耦是變壓器耦合的原、副線圈，它們和合的原、副線圈，它們和C1、C2 組成并聯(lián)組成并聯(lián)諧振回路。諧振回路。ef為輸入的調(diào)頻信號，在回路的為輸入的調(diào)頻信號，在回路的諧振頻率諧振頻率fn處，線圈處，線圈L1、L2的耦合電流最的耦合電流最大，副

30、邊輸出電壓大，副邊輸出電壓ea 也最大；也最大；ef 頻率離頻率離fn越遠(yuǎn)，線圈越遠(yuǎn)，線圈L1、L2的耦合電流越小，副邊的耦合電流越小，副邊輸出電壓輸出電壓ea也越小；從而將調(diào)頻波信號頻也越??；從而將調(diào)頻波信號頻率的變化轉(zhuǎn)化為電壓幅值的變化。率的變化轉(zhuǎn)化為電壓幅值的變化。 5-25-2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院調(diào)頻波解調(diào)器調(diào)頻波解調(diào)器5-25-2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院優(yōu)點：改善了信噪比，之所以有這種作用是由于優(yōu)點：改善了信噪比，之所以有這種作用是由于調(diào)頻信號所攜帶的信息包含在頻率變化之中并非調(diào)頻信號所攜帶的信息包含在頻率變化之中并非振幅之中，而干擾波的干擾作用那

31、么主要表如今振幅之中，而干擾波的干擾作用那么主要表如今振幅之中。振幅之中。第五章第五章 模擬信號的變換和處置模擬信號的變換和處置頻率調(diào)制的優(yōu)缺陷：頻率調(diào)制的優(yōu)缺陷：缺陷：調(diào)頻波經(jīng)常要求很寬的頻帶，甚至是調(diào)幅缺陷：調(diào)頻波經(jīng)常要求很寬的頻帶，甚至是調(diào)幅所要求帶寬的所要求帶寬的2020倍，所以調(diào)頻系統(tǒng)較之調(diào)幅系統(tǒng)倍，所以調(diào)頻系統(tǒng)較之調(diào)幅系統(tǒng)要復(fù)雜的多，分析起來要困難一些，而實踐上調(diào)要復(fù)雜的多，分析起來要困難一些，而實踐上調(diào)頻波的分析也只是近似的。頻波的分析也只是近似的。中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院濾波器是一種選頻安裝，可以使信號中的特定的濾波器是一種選頻安裝，可以使信號中的特定的頻率經(jīng)過，而極大的衰減其它頻

32、率成分。利用它可以頻率經(jīng)過，而極大的衰減其它頻率成分。利用它可以濾除干擾噪聲或進(jìn)展頻譜分析。濾除干擾噪聲或進(jìn)展頻譜分析。第五章第五章 模擬信號的變換和處置模擬信號的變換和處置5-35-3信號濾波器信號濾波器根據(jù)濾波器的選頻范圍可分為：低通、高通、根據(jù)濾波器的選頻范圍可分為：低通、高通、帶通、和帶阻濾波器帶通、和帶阻濾波器四種濾波器的頻率特性：四種濾波器的頻率特性：二、濾波器的分類二、濾波器的分類一、濾波器的概念：一、濾波器的概念：中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院101( )A f2f低通濾波器低通濾波器101( )A f1f高通濾波器高通濾波器101( )A f1f2f帶通濾波器帶通濾波器101( )A

33、f1f2f帶阻濾波器帶阻濾波器5-3 5-3 信號濾波器信號濾波器中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院02 0jftHfA e02 00jftA eHf三、理想濾波器三、理想濾波器 根據(jù)線性系統(tǒng)的不失真?zhèn)鬏敆l件，理想丈量系統(tǒng)的頻率呼應(yīng)函數(shù)應(yīng)該是：(A0(A0和和t0t0為常數(shù)為常數(shù) ) )那么理想濾波器的頻率呼應(yīng)那么理想濾波器的頻率呼應(yīng)H(f)H(f)應(yīng)滿足；應(yīng)滿足；|f|f0理想濾波器的相頻幅頻特性為：理想濾波器的相頻幅頻特性為：002HfAfft |f|f05-3 5-3 信號濾波器信號濾波器中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院 12jfth tfHfHf edf000200200000sin222fftjftffttA

34、 eedfA fftt這樣的頻響函數(shù)對單位脈沖輸入信號的呼應(yīng)為：這樣的頻響函數(shù)對單位脈沖輸入信號的呼應(yīng)為：理想濾波器幅頻特性理想濾波器幅頻特性f0A0f0f|() |Hf0理想濾波器相頻特性理想濾波器相頻特性f0f0f0()f5-3 5-3 信號濾波器信號濾波器中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院圖圖 理想低通濾波器的脈沖呼應(yīng)理想低通濾波器的脈沖呼應(yīng)(a) t0=0; (b) t00(a) t0=0; (b) t005-3 5-3 信號濾波器信號濾波器0000中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院理想低通濾波器對單位階躍的呼應(yīng)理想低通濾波器對單位階躍的呼應(yīng)給理想低通濾波器輸入階躍函數(shù)，即給理想低通濾波器輸入階躍函數(shù)，即101(

35、 )0200tu ttt那么濾波器時域輸出是該輸入與此系統(tǒng)脈沖呼應(yīng)那么濾波器時域輸出是該輸入與此系統(tǒng)脈沖呼應(yīng)函數(shù)函數(shù)h(t)h(t)的卷積：的卷積：( )( )( )( ) ()y th tu tuh td運算結(jié)果如以下圖所示運算結(jié)果如以下圖所示5-3 5-3 信號濾波器信號濾波器中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院圖圖 理想低通濾波器對單位階躍輸入的呼應(yīng)理想低通濾波器對單位階躍輸入的呼應(yīng)(a) t0=0; (b) t00(a) t0=0; (b) t00 輸入信號突變處必輸入信號突變處必然包含豐富的高頻分量，然包含豐富的高頻分量，低通濾波器阻撓了高頻低通濾波器阻撓了高頻分量，其結(jié)果是將信號分量，其結(jié)果是將信

36、號波形波形“圓滑了，通帶越圓滑了，通帶越寬，衰減的高頻分量便寬，衰減的高頻分量便越少，信號便有較多的越少，信號便有較多的分量更快經(jīng)過，因此建分量更快經(jīng)過，因此建立時間較短。反之，那立時間較短。反之，那么長。么長。5-3 5-3 信號濾波器信號濾波器中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院 故低通濾波器的階躍呼應(yīng)的建立時間故低通濾波器的階躍呼應(yīng)的建立時間TeTe和帶寬和帶寬B B成反比，或者說兩者的乘積為常數(shù)，即成反比，或者說兩者的乘積為常數(shù)，即 BTe= BTe=常數(shù)常數(shù) 這一結(jié)論同樣適用于其他高通、帶通、帶阻這一結(jié)論同樣適用于其他高通、帶通、帶阻濾波器。濾波器。 濾波器帶寬表示它的頻率分辨才干，通帶窄，濾波器帶

37、寬表示它的頻率分辨才干，通帶窄，那么分辨力高。這一結(jié)論闡明：濾波器的高分辨才那么分辨力高。這一結(jié)論闡明：濾波器的高分辨才干與丈量時快速呼應(yīng)的要求是矛盾的。假想象采用干與丈量時快速呼應(yīng)的要求是矛盾的。假想象采用一個濾波器從信號中獲取某一頻率很窄的信號一個濾波器從信號中獲取某一頻率很窄的信號( (例如例如進(jìn)展高分辨率的頻譜分析進(jìn)展高分辨率的頻譜分析) )，便要求有足夠的建立時，便要求有足夠的建立時間，假設(shè)建立時間不夠，那么會產(chǎn)生錯誤。對已定間，假設(shè)建立時間不夠，那么會產(chǎn)生錯誤。對已定帶寬的濾波器，普通采用帶寬的濾波器，普通采用BTeBTe5 51010便足夠了。便足夠了。5-3 5-3 信號濾波器

38、信號濾波器中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院四、實踐濾波器四、實踐濾波器1 1、實踐濾波器的根本參數(shù)、實踐濾波器的根本參數(shù)實踐濾波器的實踐濾波器的“幅頻特性幅頻特性 如圖如圖1111所示所示圖圖115-3 5-3 信號濾波器信號濾波器中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院實踐濾波器的主要參數(shù)：紋波幅度、截止頻率、帶實踐濾波器的主要參數(shù)：紋波幅度、截止頻率、帶寬、質(zhì)量因數(shù)寬、質(zhì)量因數(shù)Q Q值、倍頻程選擇性。值、倍頻程選擇性。1 1紋波幅度紋波幅度濾波器頂部幅值動搖量，稱為波紋幅度標(biāo)以濾波器頂部幅值動搖量，稱為波紋幅度標(biāo)以d d。如圖如圖11112 2截止頻率截止頻率2/0A頻率特性值等于 所對應(yīng)的頻率稱為截止頻率。3 3帶寬帶

39、寬B B和質(zhì)量因數(shù)和質(zhì)量因數(shù)Q Q值值上、下截至頻率之間的頻率范圍稱為濾波器帶寬，由于：5-3 5-3 信號濾波器信號濾波器中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院00/22 0 lg3Ad BA 故稱故稱fc2fc1 為為“負(fù)三分貝帶寬，標(biāo)以負(fù)三分貝帶寬，標(biāo)以B-3dB。通常把中心頻率通常把中心頻率fn和帶寬和帶寬B之比稱為帶通濾波器的之比稱為帶通濾波器的質(zhì)量因數(shù)質(zhì)量因數(shù)Q,即：即： 所謂的倍頻程選擇性，是指在上截止頻率所謂的倍頻程選擇性，是指在上截止頻率fc2與與2fc2之間，或在下截止頻率之間，或在下截止頻率fc1與與0.5fc1 之間幅之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個倍頻程時的衰頻特性的衰減值，即頻率

40、變化一個倍頻程時的衰減量，以減量，以dB表示。表示。 衰減越快，濾波器選擇性越好。衰減越快，濾波器選擇性越好。4 4倍頻程選擇性倍頻程選擇性Q= fn/B圖圖115-3 5-3 信號濾波器信號濾波器中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院5濾波器因數(shù)濾波器因數(shù)濾波器選擇性的另一種方法，是用濾波器幅頻濾波器選擇性的另一種方法，是用濾波器幅頻特性圖上的橫坐標(biāo)值來定義的濾波器因數(shù)特性圖上的橫坐標(biāo)值來定義的濾波器因數(shù)，其含義，其含義是濾波器幅頻特性值為是濾波器幅頻特性值為-60dB處的帶寬處的帶寬B-60dB和和-3dB處的帶寬處的帶寬B-3dB比值。如圖比值。如圖115-3 5-3 信號濾波器信號濾波器中國礦業(yè)大學(xué)機電

41、學(xué)院在測試系統(tǒng)中，常用在測試系統(tǒng)中，常用RCRC濾波器。由于這一領(lǐng)域中信號濾波器。由于這一領(lǐng)域中信號頻率相對來說不高。而頻率相對來說不高。而RCRC濾波器電路簡單，抗干擾強，濾波器電路簡單，抗干擾強，有較好的低頻性能，并且選用規(guī)范阻容元件有較好的低頻性能，并且選用規(guī)范阻容元件 。 1) 1) 一階一階RCRC低通濾波器低通濾波器 2.RC2.RC調(diào)諧式濾波調(diào)諧式濾波器器分類：無源的、有源的濾波器：分類：無源的、有源的濾波器：5-3 5-3 信號濾波器信號濾波器中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院CRe0 ey 圖圖1212圖圖1212所示為一高通濾波所示為一高通濾波器器2) 2) 一階一階RCRC高通濾波器高

42、通濾波器 傳送函數(shù)為：傳送函數(shù)為： 1RCsH sRCs5-3 5-3 信號濾波器信號濾波器中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院1jRCHjjRC頻響函數(shù)為：頻響函數(shù)為：幅頻特性為：幅頻特性為：2212fRCAffRC相頻特性為：相頻特性為：12farctgfRCfA(f)1/1/220f(f)90o 01/245o 5-3 5-3 信號濾波器信號濾波器中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院3)RC帶通濾波器帶通濾波器 帶通濾波器可以看作為低通濾波器和高通濾波器帶通濾波器可以看作為低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián)，其電路及其幅頻、相頻特性如以下圖所示。的串聯(lián)，其電路及其幅頻、相頻特性如以下圖所示。 H(s)=H1(s)H2 (s)

43、 5-3 5-3 信號濾波器信號濾波器中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院應(yīng)留意，當(dāng)高、低通兩級串聯(lián)時，應(yīng)消除兩級耦合應(yīng)留意，當(dāng)高、低通兩級串聯(lián)時，應(yīng)消除兩級耦合時的相互影響，由于后一級成為前一級的時的相互影響，由于后一級成為前一級的“負(fù)載，負(fù)載，而前一級又是后一級的信號源內(nèi)阻。實踐上兩級間常而前一級又是后一級的信號源內(nèi)阻。實踐上兩級間常用射極輸出器或者用運算放大器進(jìn)展隔離。所以實踐用射極輸出器或者用運算放大器進(jìn)展隔離。所以實踐的帶通濾波器經(jīng)常是有源的。有源濾波器由的帶通濾波器經(jīng)常是有源的。有源濾波器由RC調(diào)諧網(wǎng)調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和運算放大器組成。運算放大器既可起級間隔離作絡(luò)和運算放大器組成。運算放大器既可起級間隔離作

44、用，又可起信號幅值的放大作用。用，又可起信號幅值的放大作用。 這時極低和極高的頻率成分都完全被阻撓，不能經(jīng)這時極低和極高的頻率成分都完全被阻撓，不能經(jīng)過；只需位于頻率通帶內(nèi)的信號頻率成分能經(jīng)過。過；只需位于頻率通帶內(nèi)的信號頻率成分能經(jīng)過。5-3 5-3 信號濾波器信號濾波器中國礦業(yè)大學(xué)機電學(xué)院3 3有源濾波器有源濾波器有源濾波器由有源濾波器由RC調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和運算放大器組成。調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和運算放大器組成。運算放大器既的作為級間隔離又可起信號放大作運算放大器既的作為級間隔離又可起信號放大作用。常見的有有源低通濾波器和有源帶通濾波器。用。常見的有有源低通濾波器和有源帶通濾波器。圖圖13為根本的一階有源低通濾波器。為根本的一階有源低通濾波器。 將無源將無源RC濾波網(wǎng)絡(luò)接濾波網(wǎng)絡(luò)接入到運算放