測試技術基礎--測試信號的轉換與調理課件

測試技術基礎測試技術基礎測試技術基礎測試技術基礎第十三章測試信號的轉換與調理信號的調制與解調信號的濾波本章內容：測試技術基礎第十三章測試信號的轉換與調理信號的調制與解調本章內容：測試信號調理的目的是便于信號的傳輸與處理。信號調理的目的1）傳感器輸出的電信號很微弱，大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需要進一步放大，有的還要進行阻抗變換。2）有些傳感器輸出的電信號中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。3）某些場合，為便于信號的遠距離傳輸，需要對傳感器測量信號進行調制解調處理。前言信號調理的目的是便于信號的傳輸與處理。信號調理的目的1）傳感§13.1調制與解調1目的解決微弱緩變信號放大以及信號傳輸問題。-101-101-101-101-101§13.1調制與解調1目的解決微弱緩變信號放大以及信號傳

先將微弱的緩變信號加載到高頻交流信號中去，然后利用交流放大器進行放大，最后再從放大器的輸出信號中提取出放大后的緩變信號。例：交流電橋Vin~R1R4R2R3V§13.1調制與解調先將微弱的緩變信號加載到高頻交流信號中去，然后利用交

調制：利用某種信號來控制或改變另一信號(高頻的正、余弦或方波)的某個參數(shù)(幅值、頻率或相位)的過程?？煞譃檎{幅、調頻和調相。調制波：調制中的控制信號(低頻信號)

載波：載送低頻信號的高頻信號(正、余弦或方波)

已調制波：經(jīng)調制所得的高頻信號(調幅波、調頻波和調相波)

解調：從已調制波中恢復出原有低頻調制信號的過程2基本概念§13.1調制與解調調制：利用某種信號來控制或改變另一信號(高頻的正、余弦3種類調制信號x(t)0t載波信號z(t)0t§13.1調制與解調根據(jù)載波受調制參數(shù)不同，可分為三類。3種類調制信號x(t)0t載波信號z(t)0t§13.1a)幅度調制(AM)b)頻率調制(FM)c)相位調制(PM)§13.1調制與解調a)幅度調制(AM)b)頻率調制(FM)c)相位調制(

調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而變化。緩變信號調制高頻信號放大放大高頻信號解調放大緩變信號4幅值調制調幅是將一個高頻正弦信號(或稱載波)與測試信號幅度調制與解調過程(波形分析)乘法器放大器x(t)z(t)y(t)乘法器濾波器z(t)x(t)-101-101-101-101-101-1014幅值調制幅度調制與解調過程(波形分析)乘法器放大器x(t)z(t)y幅度調制與解調過程(頻譜分析)乘法器放大器x(t)z(t)y(t)乘法器濾波器z(t)x(t)4幅值調制幅度調制與解調過程(頻譜分析)乘法器放大器x(t)z(t)y幅度調制與解調過程（數(shù)學分析）乘法器放大器x(t)z(t)y(t)乘法器濾波器z(t)x(t)4幅值調制幅度調制與解調過程（數(shù)學分析）乘法器放大器x(t)z(t)y解調方法之一：同步解調

解調時，所乘信號必須保證其頻率和相位與原載波信號相同，故稱同步解調。

-505-101-505-101-505-101-505-101-505-1015幅值解調解調方法之一：同步解調解調時，所乘信號必須保解調方法之二：整流檢波

若對信號x(t)進行偏置，疊加一個直流分量D，使偏置后的信號都具有正電壓。

調幅之前5幅值解調解調方法之二：整流檢波若對信號x(t)進行偏解調二極管檢波低通濾波調幅5幅值解調解調二極管檢波低通濾波調幅5幅值解調

相敏檢波是利用交變信號在過零位時正、負極性發(fā)生突變，使調幅波相位（與載波信號比較）也相應地產生180°相位跳變，從而既反映原信號的幅值又反映其相位。

特點:

(1)可以鑒別調制信號的極性；

(2)不必對調制信號加直流偏置。解調方法之三：相敏檢波5幅值解調相敏檢波是利用交變信號在過零位時正、負極性發(fā)解調：相敏檢波(e)濾波后波形(d)相敏檢波后波形(b)載波(c)放大后調幅波(a)調制信號exR(t)e0e01e02=KR(t)5幅值解調典型相敏檢波電路解調：相敏檢波(e)濾波后波形(d)相敏檢波后波形(b)(a)過調失真：對于非抑制調幅，要求其直流偏置必須足夠大，否則x(t)的相位將發(fā)生180o變化。y(t)t0x(t)t06幅值調制的失真(a)過調失真：對于非抑制調幅，要求其直流偏置必須(b)重疊失真：當載波頻率f0

小于被測信號最高頻率fm

時，調幅波頻譜將出現(xiàn)頻率重疊．要求：

f0＞fm

Y(f)-f0f006幅值調制的失真(b)重疊失真：當載波頻率f0小于被測信號最高動態(tài)電阻應變儀

電橋由振蕩器提供等幅高頻振蕩電壓（相當于載波）。被測量(力、應變等，相當于調制波)通過電阻應變片控制電橋輸出。電橋輸出為調幅波，放大后，經(jīng)相敏檢波與低通濾波，提取出被測信號。7幅值調制與解調的應用動態(tài)電阻應變儀電橋由振蕩器提供等幅高頻振蕩電壓（相當8頻率調制與解調調頻是利用信號x(t)的幅值調制載波的頻率。因此，調頻波是一種等幅波，但其疏密度（即頻率）隨信號x(t)的幅值變化而變化?！?3.1調制與解調8頻率調制與解調調頻是利用信號x(t)的幅值調制載波的頻鋸齒波調頻正弦波調頻8頻率調制與解調§13.1調制與解調鋸齒波調頻正弦波調頻8頻率調制與解調§13.1調制與解鑒頻：變壓器耦合的諧振回路鑒頻第一步：先將等幅調頻波轉換為幅值隨頻率變化的調頻調幅波;調頻波的解調稱為鑒頻或頻率檢波第二步：檢測幅值的變化，得到原調制信號。8頻率調制與解調鑒頻：變壓器耦合的諧振回路鑒頻第一步：調頻波的解調稱為鑒頻鑒頻：8頻率調制與解調回路輸入為等幅調頻波，當頻率偏離諧振頻率時，輸出幅值隨之下降。通常在諧振回路特性曲線的亞諧振接近直線段進行頻率電壓變換。頻率與相同，幅度受頻率變化而變化。鑒頻：8頻率調制與解調回路輸入為等幅調頻波，當頻率偏離諧振優(yōu)點：抗干擾能力強。

調頻波通常要求很寬的頻帶，甚至為調幅所要求帶寬的20倍；頻率調制是一種非線性調制，調頻系統(tǒng)較之調幅系統(tǒng)更為復雜。

調頻信號所攜帶的信息包含在頻率變化之中，并非振幅之中，而外界干擾主要影響信號的幅值。

缺點：占頻帶寬度大，復雜8頻率調制與解調優(yōu)點：抗干擾能力強。調頻波通常要求很寬的頻帶，濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定頻率成分通過，而極大地衰減其它頻率成分?！?3.2濾波Krohn-Hite?濾波器濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定頻率成分通過，而極大地1濾波器分類（根據(jù)濾波器選頻作用）

低通高通§13.2濾波1濾波器分類（根據(jù)濾波器選頻作用）低通高通§13.2濾帶通帶阻1濾波器分類（根據(jù)濾波器選頻作用）

§13.2濾波帶通帶阻1濾波器分類（根據(jù)濾波器選頻作用）§13.2濾2濾波器的串/并聯(lián)低通濾波器和高通濾波器是兩種最基本的濾波器形式，其它濾波器可看做為這兩種濾波器的組合。低通濾波器與高通濾波器的并聯(lián)為帶阻濾波器低通濾波器與高通濾波器的串聯(lián)為帶通濾波器§13.2濾波2濾波器的串/并聯(lián)低通濾波器和高通濾波器是兩種最基本的濾波3理想濾波器

理想濾波器指能使通帶內信號的幅值和相位都不失真，阻帶內頻率成分都衰減為零的濾波器?！?3.2濾波3理想濾波器理想濾波器指能使通帶內信號的幅理想濾波器的物理不可實現(xiàn)

理想濾波器在時域內的脈沖響應函數(shù)為函數(shù)。脈沖響應的波形沿橫坐標向左、右無限延伸。3理想濾波器

給理想濾波器一個脈沖激勵，在時刻單位脈沖輸入濾波器之前，濾波器就已有響應了。故物理不可實現(xiàn)。理想濾波器的物理不可實現(xiàn)理想濾波器在時

理想濾波器的單位階躍響應

濾波器階躍響應的建立時間和帶寬成反比。通帶越寬，衰減的高頻分量越少，信號能量更多、更快地通過，因此建立時間越短。濾波器的帶寬表示它的頻率分辯能力。通帶窄，則分辨力高——濾波器的高分辯能力與測量時的快速響應要求相矛盾。3理想濾波器理想濾波器的單位階躍響應濾波器階躍響應的建4實際濾波器

理想濾波器是不存在的，實際濾波器幅頻特性中通帶和阻帶間沒有嚴格界限，存在過渡帶。

0fA§13.2濾波4實際濾波器理想濾波器是不存在的，實1)截止頻率

：所對應的頻率。2)紋波幅度：繞幅頻特性均值波動值3)帶寬和品質因數(shù)：上下兩截止頻率間的范圍稱為帶寬。中心頻率和帶寬之比稱為品質因數(shù)。4實際濾波器1)截止頻率：所對應的頻4)倍頻程選擇性W

在上截止頻率fc2與2fc2之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個倍頻程時的衰減量。

倍頻程衰減量以dB/oct表示(Octave，倍頻程)。衰減越快(即W值越大)，濾波器的選擇性越好。4實際濾波器4)倍頻程選擇性W倍頻程衰減量以dB/oct表示(Oct5恒帶寬、恒帶寬比濾波器

實際濾波器頻率通帶通常是可調的，根據(jù)實際濾波器中心頻率與帶寬之間的關系，可分為兩種?！?3.2濾波5恒帶寬、恒帶寬比濾波器實際濾波器頻率通帶1)恒帶寬帶通濾波器中心頻率為上下截止頻率的算術平均值。5恒帶寬、恒帶寬比濾波器1)恒帶寬帶通濾波器5恒帶寬、恒帶寬比濾波器2)恒帶寬比帶通濾波器中心頻率為上下截止頻率的幾何平均值。帶寬與中心頻率的比值稱相對寬度。5恒帶寬、恒帶寬比濾波器2)恒帶寬比帶通濾波器5恒帶寬、恒帶寬比濾波器倍頻程濾波器5恒帶寬、恒帶寬比濾波器倍頻程濾波器5恒帶寬、恒帶寬比濾波器6濾波電路(1)無源濾波器

由無源器件（R、L、C）構成的濾波器。帶載能力差，當負載變化時，其放大倍數(shù)和通帶截止頻率均發(fā)生變化，往往不能滿足信號處理的要求。(2)有源濾波器由有源器件（三極管、場效應管、集成運放）構成的濾波器。廣泛采用帶有深度負反饋的集成運放。由于集成運放具有高輸入阻抗、低輸出阻抗的特性，使濾波器輸出和輸入間有良好的隔離，便于級聯(lián)，以構成濾波特性好或頻率特性有特殊要求的濾波器。6濾波電路(1)無源濾波器由無源器件（R、L在測試系統(tǒng)中信號頻率相對不高，常用RC濾波器。RC濾波器電路簡單，抗干擾強，有較好的低頻性能，并且可選用標準阻容元件。1)一階RC低通濾波器

6濾波電路在測試系統(tǒng)中信號頻率相對不高，常用RC濾波器。RC濾波器電路6濾波電路1)一階RC低通濾波器

6濾波電路1)一階RC低通濾波器2)一階RC高通濾波器6濾波電路2)一階RC高通濾波器6濾波電路3)RC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)

6濾波電路3)RC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)一階有源低通濾波器帶載或不帶載時都有：6濾波電路一階有源低通濾波器帶載或不帶載時都有：6濾波電路7濾波器的應用超門限報警

案例：旅游索道鋼纜檢測§13.2濾波7濾波器的應用超門限報警案例：旅游索道鋼纜檢測§13.27濾波器的應用案例：旅游索道鋼纜檢測§13.2濾波7濾波器的應用案例：旅游索道鋼纜檢測§13.2濾波典型案例：濾波在鋼管無損探傷中應用濾除信號中零漂和低頻振動，便于門限報警7濾波器的應用典型案例：濾波在鋼管無損探傷中應用濾除信號中零漂和低頻振動，案例：機床軸心軌跡的濾波處理

7濾波器的應用案例：機床軸心軌跡的濾波處理

案例：機床軸心軌跡的濾波處理濾除信號中高頻噪聲，便于觀察軸心運動規(guī)律7濾波器的應用案例：機床軸心軌跡的濾波處理濾除信號中高頻噪聲，便于觀察軸測試技術基礎測試技術基礎測試技術基礎測試技術基礎第十三章測試信號的轉換與調理信號的調制與解調信號的濾波本章內容：測試技術基礎第十三章測試信號的轉換與調理信號的調制與解調本章內容：測試信號調理的目的是便于信號的傳輸與處理。信號調理的目的1）傳感器輸出的電信號很微弱，大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需要進一步放大，有的還要進行阻抗變換。2）有些傳感器輸出的電信號中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。3）某些場合，為便于信號的遠距離傳輸，需要對傳感器測量信號進行調制解調處理。前言信號調理的目的是便于信號的傳輸與處理。信號調理的目的1）傳感§13.1調制與解調1目的解決微弱緩變信號放大以及信號傳輸問題。-101-101-101-101-101§13.1調制與解調1目的解決微弱緩變信號放大以及信號傳

先將微弱的緩變信號加載到高頻交流信號中去，然后利用交流放大器進行放大，最后再從放大器的輸出信號中提取出放大后的緩變信號。例：交流電橋Vin~R1R4R2R3V§13.1調制與解調先將微弱的緩變信號加載到高頻交流信號中去，然后利用交

調制：利用某種信號來控制或改變另一信號(高頻的正、余弦或方波)的某個參數(shù)(幅值、頻率或相位)的過程?？煞譃檎{幅、調頻和調相。調制波：調制中的控制信號(低頻信號)

載波：載送低頻信號的高頻信號(正、余弦或方波)

已調制波：經(jīng)調制所得的高頻信號(調幅波、調頻波和調相波)

解調：從已調制波中恢復出原有低頻調制信號的過程2基本概念§13.1調制與解調調制：利用某種信號來控制或改變另一信號(高頻的正、余弦3種類調制信號x(t)0t載波信號z(t)0t§13.1調制與解調根據(jù)載波受調制參數(shù)不同，可分為三類。3種類調制信號x(t)0t載波信號z(t)0t§13.1a)幅度調制(AM)b)頻率調制(FM)c)相位調制(PM)§13.1調制與解調a)幅度調制(AM)b)頻率調制(FM)c)相位調制(

調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而變化。緩變信號調制高頻信號放大放大高頻信號解調放大緩變信號4幅值調制調幅是將一個高頻正弦信號(或稱載波)與測試信號幅度調制與解調過程(波形分析)乘法器放大器x(t)z(t)y(t)乘法器濾波器z(t)x(t)-101-101-101-101-101-1014幅值調制幅度調制與解調過程(波形分析)乘法器放大器x(t)z(t)y幅度調制與解調過程(頻譜分析)乘法器放大器x(t)z(t)y(t)乘法器濾波器z(t)x(t)4幅值調制幅度調制與解調過程(頻譜分析)乘法器放大器x(t)z(t)y幅度調制與解調過程（數(shù)學分析）乘法器放大器x(t)z(t)y(t)乘法器濾波器z(t)x(t)4幅值調制幅度調制與解調過程（數(shù)學分析）乘法器放大器x(t)z(t)y解調方法之一：同步解調

解調時，所乘信號必須保證其頻率和相位與原載波信號相同，故稱同步解調。

-505-101-505-101-505-101-505-101-505-1015幅值解調解調方法之一：同步解調解調時，所乘信號必須保解調方法之二：整流檢波

若對信號x(t)進行偏置，疊加一個直流分量D，使偏置后的信號都具有正電壓。

調幅之前5幅值解調解調方法之二：整流檢波若對信號x(t)進行偏解調二極管檢波低通濾波調幅5幅值解調解調二極管檢波低通濾波調幅5幅值解調

相敏檢波是利用交變信號在過零位時正、負極性發(fā)生突變，使調幅波相位（與載波信號比較）也相應地產生180°相位跳變，從而既反映原信號的幅值又反映其相位。

特點:

(1)可以鑒別調制信號的極性；

(2)不必對調制信號加直流偏置。解調方法之三：相敏檢波5幅值解調相敏檢波是利用交變信號在過零位時正、負極性發(fā)解調：相敏檢波(e)濾波后波形(d)相敏檢波后波形(b)載波(c)放大后調幅波(a)調制信號exR(t)e0e01e02=KR(t)5幅值解調典型相敏檢波電路解調：相敏檢波(e)濾波后波形(d)相敏檢波后波形(b)(a)過調失真：對于非抑制調幅，要求其直流偏置必須足夠大，否則x(t)的相位將發(fā)生180o變化。y(t)t0x(t)t06幅值調制的失真(a)過調失真：對于非抑制調幅，要求其直流偏置必須(b)重疊失真：當載波頻率f0

小于被測信號最高頻率fm

時，調幅波頻譜將出現(xiàn)頻率重疊．要求：

f0＞fm

Y(f)-f0f006幅值調制的失真(b)重疊失真：當載波頻率f0小于被測信號最高動態(tài)電阻應變儀

電橋由振蕩器提供等幅高頻振蕩電壓（相當于載波）。被測量(力、應變等，相當于調制波)通過電阻應變片控制電橋輸出。電橋輸出為調幅波，放大后，經(jīng)相敏檢波與低通濾波，提取出被測信號。7幅值調制與解調的應用動態(tài)電阻應變儀電橋由振蕩器提供等幅高頻振蕩電壓（相當8頻率調制與解調調頻是利用信號x(t)的幅值調制載波的頻率。因此，調頻波是一種等幅波，但其疏密度（即頻率）隨信號x(t)的幅值變化而變化?！?3.1調制與解調8頻率調制與解調調頻是利用信號x(t)的幅值調制載波的頻鋸齒波調頻正弦波調頻8頻率調制與解調§13.1調制與解調鋸齒波調頻正弦波調頻8頻率調制與解調§13.1調制與解鑒頻：變壓器耦合的諧振回路鑒頻第一步：先將等幅調頻波轉換為幅值隨頻率變化的調頻調幅波;調頻波的解調稱為鑒頻或頻率檢波第二步：檢測幅值的變化，得到原調制信號。8頻率調制與解調鑒頻：變壓器耦合的諧振回路鑒頻第一步：調頻波的解調稱為鑒頻鑒頻：8頻率調制與解調回路輸入為等幅調頻波，當頻率偏離諧振頻率時，輸出幅值隨之下降。通常在諧振回路特性曲線的亞諧振接近直線段進行頻率電壓變換。頻率與相同，幅度受頻率變化而變化。鑒頻：8頻率調制與解調回路輸入為等幅調頻波，當頻率偏離諧振優(yōu)點：抗干擾能力強。

調頻波通常要求很寬的頻帶，甚至為調幅所要求帶寬的20倍；頻率調制是一種非線性調制，調頻系統(tǒng)較之調幅系統(tǒng)更為復雜。

調頻信號所攜帶的信息包含在頻率變化之中，并非振幅之中，而外界干擾主要影響信號的幅值。

缺點：占頻帶寬度大，復雜8頻率調制與解調優(yōu)點：抗干擾能力強。調頻波通常要求很寬的頻帶，濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定頻率成分通過，而極大地衰減其它頻率成分。§13.2濾波Krohn-Hite?濾波器濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定頻率成分通過，而極大地1濾波器分類（根據(jù)濾波器選頻作用）

低通高通§13.2濾波1濾波器分類（根據(jù)濾波器選頻作用）低通高通§13.2濾帶通帶阻1濾波器分類（根據(jù)濾波器選頻作用）

§13.2濾波帶通帶阻1濾波器分類（根據(jù)濾波器選頻作用）§13.2濾2濾波器的串/并聯(lián)低通濾波器和高通濾波器是兩種最基本的濾波器形式，其它濾波器可看做為這兩種濾波器的組合。低通濾波器與高通濾波器的并聯(lián)為帶阻濾波器低通濾波器與高通濾波器的串聯(lián)為帶通濾波器§13.2濾波2濾波器的串/并聯(lián)低通濾波器和高通濾波器是兩種最基本的濾波3理想濾波器

理想濾波器指能使通帶內信號的幅值和相位都不失真，阻帶內頻率成分都衰減為零的濾波器。§13.2濾波3理想濾波器理想濾波器指能使通帶內信號的幅理想濾波器的物理不可實現(xiàn)

理想濾波器在時域內的脈沖響應函數(shù)為函數(shù)。脈沖響應的波形沿橫坐標向左、右無限延伸。3理想濾波器

給理想濾波器一個脈沖激勵，在時刻單位脈沖輸入濾波器之前，濾波器就已有響應了。故物理不可實現(xiàn)。理想濾波器的物理不可實現(xiàn)理想濾波器在時

理想濾波器的單位階躍響應

濾波器階躍響應的建立時間和帶寬成反比。通帶越寬，衰減的高頻分量越少，信號能量更多、更快地通過，因此建立時間越短。濾波器的帶寬表示它的頻率分辯能力。通帶窄，則分辨力高——濾波器的高分辯能力與測量時的快速響應要求相矛盾。3理想濾波器理想濾波器的單位階躍響應濾波器階躍響應的建4實際濾波器

理想濾波器是不存在的，實際濾波器幅頻特性中通帶和阻帶間沒有嚴格界限，存在過渡帶。

0fA§13.2濾波4實際濾波器理想濾波器是不存在的，實1)截止頻率

：所對應的頻率。2)紋波幅度：繞幅頻特性均值波動值3)帶寬和品質因數(shù)：上下兩截止頻率間的范圍稱為帶寬。中心頻率和帶寬之比稱為品質因數(shù)。4實際濾波器1)截止頻率：所對應的頻4)倍頻程選擇性W

在上截止頻率fc2與2fc2之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個倍頻程時的衰減量。

倍頻程衰減量以dB/oct表示(Octave，倍頻程)。衰減越快(即W值越大)，濾波器的選擇性越好。4實際濾波器4)倍頻程選擇性W倍頻程衰減量以dB/oct表示(Oct5恒帶寬、恒帶寬比濾波器

實際濾波器頻率通帶通常是可調的，根據(jù)實際濾波器中心頻率與帶寬之間的關系，可分為兩種?！?3.2濾波5恒帶寬、恒帶寬比濾波器實際濾波器頻率通帶1)恒帶寬帶通濾波器中心頻率為上下截止頻率的算術平均值。5