第4章模擬信號(hào)

1、第四章第四章 NUAA2主要主要內(nèi)內(nèi)容容NUAA34.1 4.1 調(diào)調(diào)制制與與解解調(diào)調(diào)v先將微弱的緩變信號(hào)加載到高頻交流信號(hào)中去，然后利用交流放大器進(jìn)行放大，最后再?gòu)姆糯笃鞯妮敵鲂盘?hào)中取出放大了的緩變信號(hào)。上述信號(hào)傳輸中的變換過程稱為調(diào)制與解調(diào)。NUAA44.1 4.1 調(diào)調(diào)制制與與解解調(diào)調(diào)v一般正（余）弦調(diào)制可分為幅值調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制三種，簡(jiǎn)稱為調(diào)幅（AM）：載波信號(hào)(中高頻)幅值隨測(cè)試信號(hào) （低頻緩變）變化。調(diào)頻（FM）：調(diào)相（PM）：調(diào)制波（信號(hào)波）：低頻緩變信號(hào)。載波：人為產(chǎn)生的高頻振蕩。已調(diào)波：經(jīng)調(diào)制的高頻信號(hào)。NUAA54.1 4.1 調(diào)調(diào)制制與與解解調(diào)調(diào)v 幅值調(diào)制與解調(diào)

2、原理幅值調(diào)制（調(diào)幅AM）是將一個(gè)高頻簡(jiǎn)諧信號(hào)（或稱載波）與測(cè)試信號(hào)相乘，使載波信號(hào)幅值隨測(cè)試信號(hào)的變化而變化。以頻率為fz的余弦信號(hào)z(t)作為載波為例。)()()()(fZfXtztx)()(21)()(212cos)()()(zzzfffXfffXtftxtztx)(21)(212cos)(zzzfffftftzNUAA6幅幅值調(diào)值調(diào)制制v調(diào)幅過程就相當(dāng)于頻率“搬移”過程N(yùn)UAA7幅幅值調(diào)值調(diào)制制eyeiRRRRtRteitey交交流流電電橋橋幅幅值值調(diào)調(diào)制制iyeRRe4NUAA8幅幅值調(diào)值調(diào)制制teytteiR信號(hào)載波輸出tRRsssintEeiiisinttERResiisysins

3、in4NUAA9幅幅值調(diào)值調(diào)制的制的頻頻域分析域分析snCinCynCiisssisittERResiisysinsin4)cos()cos(2ttKsisittKsisinsinNUAA10幅幅值調(diào)值調(diào)制制仿真實(shí)驗(yàn)仿真實(shí)驗(yàn)NUAA11幅幅值調(diào)值調(diào)制的解制的解調(diào)調(diào)v整流檢波解調(diào)NUAA12幅幅值調(diào)值調(diào)制的解制的解調(diào)調(diào)v過調(diào)失真NUAA13幅幅值調(diào)值調(diào)制的解制的解調(diào)調(diào)同步解調(diào)NUAA14幅幅值調(diào)值調(diào)制的解制的解調(diào)調(diào)v同步解調(diào)NUAA15幅幅值調(diào)值調(diào)制的解制的解調(diào)調(diào)v重疊失真調(diào)幅波是由一對(duì)每邊為fm的雙邊帶信號(hào)組成的。當(dāng)載波頻率fz較低時(shí)，正頻端的下邊帶將與負(fù)頻端的下邊帶相重疊，這類似于采樣頻率較

4、低時(shí)所發(fā)生的頻率混疊效應(yīng)。因此，要求載波頻率fz必須大于調(diào)制信號(hào)x(t)中的最高頻率，即fzfm。實(shí)際應(yīng)用中，往往選擇載波頻率至少數(shù)倍甚至數(shù)十倍于信號(hào)中的最高頻率。 NUAA16幅幅值調(diào)值調(diào)制的解制的解調(diào)調(diào)v環(huán)形相敏檢波電路NUAA17幅幅值調(diào)值調(diào)制的解制的解調(diào)調(diào)v已調(diào)制波與載波同相已調(diào)制波與載波同相已調(diào)制波ey，參考電壓uey與與u同同為為正半周正半周回路一：回路電流i4cD4aO1RLO2電勢(shì)：u/2 ey/2回路二：回路電流i1O2RLO1aD1d 電勢(shì)：u/2 + ey/2RL上電流： iL= i1 i4電壓：yyyeeueu)22()22(NUAA18幅幅值調(diào)值調(diào)制的解制的解調(diào)調(diào)v已

5、調(diào)制波與載波同相已調(diào)制波與載波同相ey與與u同同為負(fù)為負(fù)半周半周回路一：回路電流i2dD2bO1RLO2電勢(shì)：u/2 ey/2回路二：回路電流i3O2RLO1bD3c 電勢(shì)：u/2 + ey/2RL上電流： iL= i3 i2電壓：yyyeeueu)22()22(NUAA19幅幅值調(diào)值調(diào)制的解制的解調(diào)調(diào)載 波調(diào) 制 波已調(diào)制波原調(diào)制信號(hào)NUAA20幅幅值調(diào)值調(diào)制的制的應(yīng)應(yīng)用用電電路路Y6D-2應(yīng)變儀應(yīng)變儀工作原理框工作原理框圖圖NUAA21角度角度調(diào)調(diào)制制與與解解調(diào)調(diào)原理原理 載載波信波信號(hào)號(hào)：0000( )cos( )cos ( )x tAttAt頻率調(diào)制相位調(diào)制n 相位調(diào)制：幅度載波信號(hào)頻

6、率不變，載波信號(hào)的相位隨調(diào)制信號(hào)線性變化n 頻率調(diào)制：幅度載波信號(hào)相位不變，載波信號(hào)的頻率隨調(diào)制信號(hào)的積分線性變化NUAA22v濾波器是一種選頻裝置，可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其它頻率成分。在測(cè)試裝置中，利用濾波器的這種選頻作用，可以濾除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析。v本節(jié)所述內(nèi)容屬于模擬濾波范圍。盡管數(shù)字濾波技術(shù)已得到廣泛應(yīng)用，但模擬濾波在自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制以及電子測(cè)量?jī)x器中仍被廣泛應(yīng)用。4.2 4.2 濾濾波器波器NUAA23 從0f2頻率之間，幅頻特性平直，它可以使信號(hào)中低于f2的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而高于f2的頻率成分受到極大地衰減。 v濾波器分類 根據(jù)濾波器的選頻

7、作用分類4.2 4.2 濾濾波器波器NUAA244.2 4.2 濾濾波器波器v與低通濾波相反，從頻率f1，其幅頻特性平直。它使信號(hào)中高于f1的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而低于f1的頻率成分將受到極大地衰減。NUAA254.2 4.2 濾濾波器波器v它的通頻帶在f1f2之間。它使信號(hào)中高于f1而低于f2的頻率成分可以不受衰減地通過，而其它成分受到衰減。 NUAA264.2 4.2 濾濾波器波器v與帶通濾波相反，阻帶在頻率f1f2之間。它使信號(hào)中高于f1而低于f2的頻率成分受到衰減，其余頻率成分的信號(hào)幾乎不受衰減地通過。NUAA274.2 4.2 濾濾波器波器v低通濾波器和高通濾波器是濾波器的兩

8、種最基本的形式，其它的濾波器都可以分解為這兩種類型的濾波器，例如：低通濾波器與高通濾波器的串聯(lián)為帶通濾波器，低通濾波器與高通濾波器的并聯(lián)為帶阻濾波器。 NUAA284.2 4.2 濾濾波器波器NUAA294.2 4.2 濾濾波器波器NUAA30理想理想濾濾波器波器v理想濾波器是指能使通帶內(nèi)信號(hào)的幅值和相位都不失真，阻帶內(nèi)的頻率成分都衰減為零的濾波器，其通帶和阻帶之間有明顯的分界線。也就是說，理想濾波器在通帶內(nèi)的幅頻特性應(yīng)為常數(shù)，相頻特性的斜率為常值；在通帶外的幅頻特性應(yīng)為零。NUAA31理想理想濾濾波器波器v理想低通濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)為 NUAA32理想理想濾濾波器波器v其幅頻及相頻特性曲線

9、為 NUAA33理想理想濾濾波器波器v 分析下式所表示的頻率特性可知，該濾波器在時(shí)域內(nèi)的脈沖響應(yīng)函數(shù) h（t）為 sinc函數(shù)，圖形如下圖所示。脈沖響應(yīng)的波形沿橫坐標(biāo)左、右無限延伸，從圖中可以看出，在t=0時(shí)刻單位脈沖輸入濾波器之前，即在t0時(shí)，濾波器就已經(jīng)有響應(yīng)了。顯然，這是一種非因果關(guān)系，在物理上是不能實(shí)現(xiàn)的。這說明在截止頻率處呈現(xiàn)直角銳變的幅頻特性，或者說在頻域內(nèi)用矩形窗函數(shù)描述的理想濾波器是不可能存在的。 實(shí)際濾波器的頻域 圖形不會(huì)在某個(gè)頻 率上完全截止，而 會(huì)逐漸衰減并延伸 到。 NUAA34理想理想濾濾波器波器NUAA35理想理想濾濾波器波器v 實(shí)際濾波器的基本參數(shù) 與理想濾波器相

10、比，實(shí)際濾波器需要用更多的概念和參數(shù)去描述它，主要參數(shù)有紋波幅度、截止頻率、帶寬、品質(zhì)因數(shù)、倍頻程選擇性等。NUAA36實(shí)際濾實(shí)際濾波器波器v 1）紋波幅度d 在一定頻率范圍內(nèi)，實(shí)際濾波器的幅頻特性可能呈波紋變化，其波動(dòng)幅度d與幅頻特性的平均值A(chǔ)0相比，越小越好，一般應(yīng)遠(yuǎn)小于-3dB。 2）截止頻率fc 幅頻特性值等于0.707A0所對(duì)應(yīng)的頻率稱為濾波器的截止頻率。以A0為參考值，0.707 A0對(duì)應(yīng)于-3dB點(diǎn)，即相對(duì)于A0衰減3dB。若以信號(hào)的幅值平方表示信號(hào)功率，則所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)正好是半功率點(diǎn)。NUAA37實(shí)際濾實(shí)際濾波器波器v 3）帶寬B和品質(zhì)因數(shù)Q值 上下兩截止頻率之間的頻率范圍稱為濾波

11、器帶寬，或-3dB帶寬，單位為Hz。帶寬決定著濾波器分離信號(hào)中相鄰頻率成分的能力頻率分辨力。在電工學(xué)中，通常用Q代表諧振回路的品質(zhì)因數(shù)。在二階振蕩環(huán)節(jié)中，Q值相當(dāng)于諧振點(diǎn)的幅值增益系數(shù)， Q=1/2（阻尼率）。對(duì)于帶通濾波器，通常把中心頻率f0（ ）和帶寬 B之比稱為濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q。例如一個(gè)中心頻率為500Hz的濾波器，若其中-3dB帶寬為10Hz，則稱其Q值為50。Q值越大，表明濾波器頻率分辨力越高。0c1 c2ff fNUAA38實(shí)際濾實(shí)際濾波器波器v4）倍頻程選擇性W 倍頻程選擇性，是指在上截止頻率fc2與 2 fc2之間，或者在下截止頻率fc1與fc1/2之間幅頻特性的衰減值，即頻

12、率變化一個(gè)倍頻程時(shí)的衰減量。W值越大，濾波器的選擇性越好。 NUAA39實(shí)際濾實(shí)際濾波器波器v5)濾波器因數(shù)（或矩形系數(shù)）濾波器選擇性的另一種表示方法，是用幅頻特性的-60dB帶寬與-3dB帶寬的比值來表示。603dBdBBBNUAA40v在測(cè)試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因?yàn)樵谶@一領(lǐng)域中，信號(hào)頻率相對(duì)來說不高。而RC濾波器電路簡(jiǎn)單，抗干擾性強(qiáng)，有較好的低頻性能，并且選用標(biāo)準(zhǔn)的阻容元件，所以在工程測(cè)試的領(lǐng)域中最經(jīng)常用到的濾波器是RC濾波器。(2) RC(2) RC無源無源濾濾波器波器 NUAA41設(shè)濾波器的輸入電壓為ex，輸出電壓為ey，電路的微分方程為1)1)一一階階RCRC低通低通濾濾波器波器

13、 NUAA421)1)一一階階RCRC低通低通濾濾波器波器v 這是一個(gè)典型的一階系統(tǒng)。令=RC，稱為時(shí)間常數(shù)，對(duì)上式取拉氏變換，有 v 其幅頻、相頻特性公式為 v 分析可知，當(dāng)f很小時(shí)，A(f)=1，信號(hào)不受衰減地通過；當(dāng)f很大時(shí)，A(f)=0，信號(hào)完全被阻擋，不能通過。NUAA431)1)一一階階RCRC低通低通濾濾波器波器此時(shí)：該濾波器起積分器的作用。yx1e (t)e (t)dt的關(guān)系為：與輸入輸出當(dāng))()(,21tetefxyNUAA442)2)一一階階RCRC高通高通濾濾波器波器 NUAA452)2)一一階階RCRC高通高通濾濾波器波器v設(shè)濾波器的輸入電壓為ex輸出電壓為ey，電路的

14、微分方程為 v同理，令 =RC，對(duì)上式取拉氏變換，有 NUAA462)2)一一階階RCRC高通高通濾濾波器波器v其幅頻、相頻特性公式為v分析可知，當(dāng)f很小時(shí)，A(f)=0，信號(hào)完全被阻擋，不能通過；當(dāng)f很大時(shí)，A(f)=1，信號(hào)不受衰減的通過。 NUAA472)2)一一階階RCRC高通高通濾濾波器波器 此時(shí)：該濾波器起微分器的作用。y( )e (t)xde tdt的關(guān)系為：與輸入輸出當(dāng))()(,21tetefxyNUAA483)RC3)RC帶帶通通濾濾波器波器 v 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)。NUAA493)RC3)RC帶帶通通濾濾波器波器v其幅頻、相頻特性公式為H(s)=H1(s)H2(s)式中H1(s)為高通濾波器的傳遞函數(shù)，H2(s)為低通濾波器的傳遞函數(shù)。有 NUAA503)RC3)RC帶帶通通濾濾波器波器v應(yīng)注意，當(dāng)高、低通兩級(jí)串聯(lián)時(shí)，應(yīng)消除兩級(jí)耦合時(shí)的相互影響，因?yàn)楹笠患?jí)成為前一級(jí)的“負(fù)載”，而前一級(jí)又是后一級(jí)的信號(hào)源內(nèi)阻。實(shí)際上兩級(jí)間常用射極輸出器或者用運(yùn)算放大器進(jìn)行隔離。所以實(shí)際的帶通濾波器常常是有源的。有源濾波器由RC調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器組成。運(yùn)