第四章 信號調(diào)理和處理

第四章信號調(diào)理和處理本章學習要求：1.掌握電橋的原理2.掌握信號調(diào)制解調(diào)原理3.掌握信號濾波器工作原理1信號的調(diào)理信號的調(diào)理是指將傳感器輸出的信號轉(zhuǎn)換成更適合于進一步傳輸和處理的形式。如將被測量引起的電阻、電感、電容、電量、光學物理量等轉(zhuǎn)換成電壓或電流，并進行放大；又如將感應電動勢等進行放大。2信號調(diào)理的目的是便于信號的傳輸與處理。

信號調(diào)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.有些傳感器輸出的是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(diào)制解調(diào)處理。

3本節(jié)內(nèi)容調(diào)制與解調(diào)的基本概念調(diào)幅及其解調(diào)調(diào)頻及其解調(diào)4.2調(diào)制與解調(diào)4在測試技術中，調(diào)制是工程測試信號在傳輸過程中常用的一種調(diào)理方法，主要是為了解決微弱緩變信號的放大以及信號的傳輸問題。例如，被測物理量，如溫度、位移、力等參數(shù)，經(jīng)過傳感器交換以后，多為低頻緩變的微弱信號，對這樣一類信號，直接送入直流放大器放大會遇到困難，因為，采用級間直接耦合式的直流放大器放大，將會受到零點漂移的影響。當漂移信號大小接近或超過被測信號時，經(jīng)過逐級放大后，被測信號會被零點漂移淹沒。為了很好地解決緩變信號的放大問題，信息技術中采用了一種對信號進行調(diào)制的方法，即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取出放大了的緩變信號。上述信號傳輸中的變換過程稱為調(diào)制與解調(diào)。

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1.調(diào)制：使一個信號（載波）的某些參數(shù)（幅值或頻率或相位）在另一信號（測試信號）的控制下發(fā)生變化的過程。2.調(diào)制的目的：便于放大和傳輸。

調(diào)制及其相關概念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取出放大了的緩變信號。

6使載波的幅值、頻率或相位隨調(diào)制信號而變化的過程分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻或調(diào)相。它們的已調(diào)波分別稱為調(diào)幅波、調(diào)頻波或調(diào)相波。根據(jù)載波被調(diào)制參數(shù)的不同，調(diào)制可分為：

調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相

3.調(diào)制的分類7調(diào)制信號x(t)載波信號a)調(diào)幅(AM)b)調(diào)頻(FM)c)調(diào)相(PM)種類8一、調(diào)幅與解調(diào)（一）原理

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而變化．9解調(diào)：是從已調(diào)制波中恢復出調(diào)制信號（測試信號）的過程。

解調(diào)是調(diào)制的逆過程。

10調(diào)幅與解調(diào)過程（數(shù)學描述與波形頻譜分析）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)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而變化。

11乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)就相當于把原信號頻譜圖形由原點平移至載波頻率處，其幅值減半，如圖所示，所以調(diào)幅過程就相當于頻率“搬移”過程。

12若把調(diào)幅波xm(t)再次與載波z(t)信號相乘，則頻域圖形將再一次進行“搬移”，即xm(t)與z(t)相乘其傅里葉變換為解調(diào):乘法器濾波器z(t)x(t)xm(t)13這一結果如圖所示。若用一個低通濾波器濾除高頻成分，將可以復現(xiàn)原信號的頻譜（只是其幅值減少了一半，這可用放大處理來補償），這一過程稱為同步解調(diào)。“同步”指解調(diào)時所乘的信號與調(diào)制時的載波信號具有相同的頻率和相位。

14調(diào)幅與解調(diào)過程（波形與頻譜分析）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)乘法器濾波器z(t)x(t)15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那么調(diào)幅波的包絡線將具有原信號的形狀,把該調(diào)幅波簡單地整流、濾波就可以恢復原調(diào)制信號

（二）整流檢波和相敏檢波1.整流檢波16若偏置電壓不夠大，使信號電壓有正有負，對于這種雙極性調(diào)制信號不能采用整流檢波。應采用相敏檢波。172.相敏檢波（從調(diào)制信號的產(chǎn)生到相敏解調(diào)）18幅值調(diào)制器實際上是個乘法器2.相敏檢波192.相敏檢波202.相敏檢波12212.相敏檢波222.相敏檢波232.相敏檢波242.相敏檢波通過相敏檢波可以得到一個幅值與極性均隨調(diào)制信號變化的信號。對有極性或方向性的被測量，經(jīng)調(diào)制后必須采用相敏檢波才能正確恢復原信號。252.相敏檢波電橋調(diào)幅與相敏檢波實例：26例：差動變壓器式傳感器的工作原理，如果工作頻率（振蕩器頻率或載波頻率）為2000Hz余弦波，機械振動為簡諧振動且振動頻率為100Hz，試畫出差動變壓器輸出信號的幅頻譜。

1127由差動變壓器的工作原理可知，差動變壓器的輸出電壓實際上是鐵芯位移對其工作余弦波的幅值調(diào)制波，如果工作電壓為鐵芯位移為則差動變壓器的輸出電壓為根據(jù)(1)(2)(3)即與δ函數(shù)的卷積的結果就是在發(fā)生δ函數(shù)的坐標位置上簡單地將原函數(shù)重新構圖。28所以，差動變壓器輸出信號的幅頻譜如下：29調(diào)頻是利用信號x(t)的幅值調(diào)制載波的頻率，或者說，調(diào)頻波是一種隨信號x(t)的電壓幅值而變化的疏密度不同的等幅波.

調(diào)頻波的瞬時頻率可表示為:

載波頻率或稱中心頻率頻率偏移，與調(diào)制信號的幅值成正比二、調(diào)頻及其解調(diào)

30頻率調(diào)制31實現(xiàn)信號的頻率調(diào)制的方法甚多，下面介紹兩種儀器中常用的調(diào)頻方法及一種解調(diào)方案1.直接調(diào)頻測量電路因此，回路的振蕩頻率將和調(diào)諧參數(shù)的變化呈線性關系，也就是說，在小范圍內(nèi)它與被測量的變化有線性關系頻率調(diào)制將電感、電容傳感器作為自激振蕩器的諧振回路中的一個調(diào)諧參數(shù)，那么電路的諧振頻率將是若以電容作為調(diào)諧參數(shù)，則在fo附近有C=Co，故322.壓控振蕩器頻率調(diào)制壓控振蕩器的輸出瞬時頻率與輸入控制電壓成線性關系。333.變壓器耦合的諧振回路鑒頻法調(diào)頻波的解調(diào)又稱鑒頻，是將頻率變化恢復成調(diào)制信號電壓幅值變化的過程頻率調(diào)制34優(yōu)點：抗干擾能力強。因為調(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則主要表現(xiàn)在振幅之中．

缺點：頻帶寬度大，復雜調(diào)頻波通常要求很寬的頻帶，甚至為調(diào)幅所要求帶寬的20倍；調(diào)頻系統(tǒng)較之調(diào)幅系統(tǒng)復雜，因為頻率調(diào)制是一種非線性調(diào)制。頻率調(diào)制354.3濾波器

第四章信號調(diào)理和處理濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分．一、濾波器分類（根據(jù)濾波器的選頻作用分）

低通高通帶通帶阻36二、理想濾波器

理想濾波器是指能使通帶內(nèi)信號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。37物理不可實現(xiàn)

理想濾波器在時域內(nèi)的脈沖響應函數(shù)h（t）為sinc函數(shù)。脈沖響應的波形沿橫坐標左、右無限延伸。波形給理想濾波器一個脈沖激勵，從圖中可以看出，在t=0時刻單位脈沖輸入濾波器之前，即在t＜0時，濾波器就已經(jīng)有響應了。故物理不可實現(xiàn)。38對于圖示的周期信號x(t)：1.當x(t)通過增益為1的理想低通濾波器（fc=50Hz）后，求其輸出的均值；2.當x(t)通過增益為1的理想帶通濾波器（fc1=250Hz,fc2=350Hz）后，求其輸出的均方根值（有效值）。x(t)t(s)2濾波器x(t)y(t)0.0050.011.均值為1。

2.該周期信號的頻率為1/0.01=100Hz，經(jīng)過fc1=250Hz,fc2=350Hz的理想帶通濾波器后只剩下頻率為300Hz的三次諧波分量。通過傅立葉級數(shù)分解可知三次諧波分量的幅值為(4×1)/(3π)，其有效值為(4×1)/(3π×1.414)=0.31239三、實際濾波器

理想濾波器是不存在的，在實際濾波器的幅頻特性圖中通帶和阻帶間應沒有嚴格的界限,存在一個過渡帶。

1)紋波幅度d：波動幅度d與幅頻特性平均值A0相比應小于-3dB。

2)截止頻率fc:幅頻特性值等于0.707A0所對應的頻率．

3)帶寬B和品質(zhì)因數(shù)Q:上下兩截止頻率間的頻率范圍稱為帶寬，中心頻率和帶寬之比稱為品質(zhì)因數(shù)

4)倍頻程選擇性W:指在上截止頻率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。

1.實際濾波器的基本參數(shù)402.RC無源濾波器的基本特性

在測試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因為這一領域中信號頻率相對來說不高。而RC濾波器電路簡單，抗干擾強，有較好的低頻性能，并且選用標準阻容元件。

1)一階RC低通濾波器

412)一階RC高通濾波器

423)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)

要求：43（三）濾波器的串/并聯(lián)

低通濾波器和高通濾波器是濾波器的兩種最基本的形式，其它的濾波器都可以分解為這兩種類型的濾波器。44（四）RC有源濾波器

RC無源濾波器具有線路簡單、體積小、成本低的優(yōu)點，但都是低階系統(tǒng)，過渡帶衰減慢，選擇性差。將幾個一階濾波器串聯(lián)可以提高階次，但級間耦合的負載效應使信號逐級減弱，采用有源濾波器可以克服這些缺點、RC有源濾波器