測試信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理

關(guān)于測試信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理第1頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三24.3調(diào)制與解調(diào)調(diào)制解調(diào)技術(shù)中經(jīng)常使用的術(shù)語1、調(diào)制信號，就是測試信號，也叫原信號，一般為低頻緩變信號；2、載波信號，也叫工作信號，一般為高頻簡諧信號；3、調(diào)制波，就是已調(diào)制的信號，幅值調(diào)制時稱為調(diào)幅波；

頻率調(diào)制時稱為調(diào)頻波；

相位調(diào)制時稱為調(diào)相波。第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理概念和術(shù)語第2頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三34.3調(diào)制與解調(diào)4、所謂調(diào)制，就是在調(diào)制信號（測試信號）的控制下，使載波信號（工作信號）的某些參數(shù)（如幅值、頻率、相位）發(fā)生變化的過程。5、所謂解調(diào)，就是從已調(diào)制波中恢復出調(diào)制信號的過程。第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理概念和術(shù)語第3頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三44.3調(diào)制與解調(diào)調(diào)制處理的分類第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理分類第4頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三54.3.1調(diào)幅與解調(diào)1.調(diào)幅原理（1）調(diào)幅的目的，使緩慢變化的測試信號便于放大和傳輸。（2）解調(diào)的目的，恢復原來的測試信號。（3）調(diào)幅是將一個高頻簡諧信號（載波信號）與測試信號相乘，使載波信號的幅值隨測試信號的變化而變化。第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理第5頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三

第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理

4.3.1調(diào)幅與解調(diào)緩變信號調(diào)制高頻信號放大放大高頻信號解調(diào)放大緩變信號第6頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三7第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理4.3.1調(diào)幅與解調(diào)2.調(diào)幅信號的頻譜第7頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三8第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理4.3.1調(diào)幅與解調(diào)2.調(diào)幅信號的頻譜（a）時域波形（b）頻域波形第8頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三9第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理4.3.1調(diào)幅與解調(diào)3.解調(diào)方法①同步解調(diào)第9頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三第10頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理

第11頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三12②整流檢波4.3.1調(diào)幅與解調(diào)3.解調(diào)方法第12頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三13

調(diào)制信號+直流分量A->整流->低通濾波->去直流分量->復現(xiàn)原調(diào)制信號相敏檢波技術(shù)可以解決這一問題。③相敏檢波相敏檢波的原理如下圖4-33所示。第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理4.3.1調(diào)幅與解調(diào)3.解調(diào)方法第13頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三14

（a）調(diào)幅波（b）參考信號（c）檢波電路（d）相敏檢波輸出波形（e）濾波后的波形第14頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三154.3.1調(diào)幅與解調(diào)3.解調(diào)方法相敏檢波：利用二極管的單向?qū)ㄗ饔茫瑢㈦娐份敵鰳O性換向?？紤]到交變信號在過零點時符號極性發(fā)生突變，調(diào)幅波的相位也相應地發(fā)生180o的相位跳變。利用載波信號與調(diào)幅波比相，便能既反映原信號的幅值又反映其極性。相敏檢波電路，相當于在，把零線下的負部翻上去；而在，則把零線上的正部翻下來；所檢測到的信號是經(jīng)過“翻轉(zhuǎn)”后信號的包絡。第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理第15頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三164.3.1調(diào)幅與解調(diào)舉例第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理圖4-35動態(tài)電阻應變儀方框圖第16頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三174.3.1調(diào)幅與解調(diào)粘貼在試件上的電阻應變片，在應變作用下，產(chǎn)生相應的電阻變化，并接于交流電橋；振蕩器產(chǎn)生高頻正弦信號，一般頻率為10~20kHz，一方面作為電橋電源（載波信號），另一方面作為相敏檢波的載波信號；攜帶有電阻應變片信息的電橋輸出的調(diào)幅波，經(jīng)放大、相敏檢波、低通濾波，最后得到與原來極性相同但經(jīng)過放大處理的信號，驅(qū)動顯示記錄儀表或接入后續(xù)儀器。第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理舉例說明第17頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三18

調(diào)頻，也稱為頻率調(diào)制，是利用測試信號（調(diào)制信號）的幅值控制調(diào)頻波的頻率。調(diào)頻波為等幅波，其瞬時頻率和測試信號的幅值成正比。頻率調(diào)制的優(yōu)點：

對噪聲的幅度影響不太敏感，

抗干擾能力強，信噪比高。調(diào)頻波的瞬時頻率、載波頻率及總相角。第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理

4.3.2調(diào)頻與鑒頻1.頻率調(diào)制原理第18頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三19調(diào)頻波的表達式為當信號電壓為零時，調(diào)頻波的頻率就等于中心頻率；當信號電壓為正值時，頻率偏移增加，調(diào)頻波的瞬時頻率提高；當信號電壓為負值時，頻率偏移減少，調(diào)頻波的瞬時頻率降低；調(diào)頻波是頻率隨測試信號而變化的疏密不等的等幅波。第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理

4.3.2調(diào)頻與鑒頻1.頻率調(diào)制原理第19頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三20

4.3.2調(diào)頻與鑒頻1.頻率調(diào)制原理舉例：(b)調(diào)頻信號波形(a)三角波調(diào)制信號第20頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三21①直接調(diào)頻式

第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理

4.3.2調(diào)頻與鑒頻2.頻率調(diào)制方法第21頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三22以電容傳感器作為調(diào)諧參數(shù)為例，若C0的增量為ΔC，

第22頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三23對調(diào)頻波的解調(diào)亦稱鑒頻。鑒頻的原理是將調(diào)頻信號頻率的變化相應地復原為原來電壓幅值的變化。鑒頻有多種方法，一般采用鑒頻器和鎖相環(huán)解調(diào)器。前者結(jié)構(gòu)簡單，在測試技術(shù)中經(jīng)常使用；后者解調(diào)性能優(yōu)良，但結(jié)構(gòu)復雜，一般用于要求較高的場合。一種測試技術(shù)中常用的振幅鑒頻電路原理如圖4-39所示。第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理

4.3.2調(diào)頻與鑒頻3.調(diào)頻信號的解調(diào)第23頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三24第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理(a)鑒頻器電路(b)高通濾波器幅頻特性(c)恢復出的調(diào)制信號等幅的調(diào)頻信號Uf(t)的瞬時頻率正比于x(t);高通濾波器幅頻特性H(f)過渡帶線性區(qū)中點頻率f0。Uf(t)經(jīng)高通濾波器后變換為“調(diào)幅波”Ua(t);Ua(t)經(jīng)二極管整流檢波器檢出包絡信號Uo(t)=x(t);

4.3.2調(diào)頻與鑒頻3.調(diào)頻信號的解調(diào)第24頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三254.4濾波器4.4.1概述濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定頻帶的頻率成分通過，而極大地衰減其它頻率成分。濾波是信號處理的重要內(nèi)容，特別適合于過濾測試信號中的噪聲。濾波器在自動檢測、自動控制及電子測試儀器中被廣泛應用。第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理第25頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三264.4濾波器4.4.1概述根據(jù)濾波器的選頻作用，一般將濾波器分為以下四種，其幅頻特性如圖。濾波器過渡帶是不希望的，但也是不可避免的。第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理圖4-40不同濾波器的幅頻特性(a)低通(b)高通(c)帶通(d)帶阻第26頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三274.4濾波器4.4.1概述四種濾波器特性之間是的聯(lián)系①是低通濾波器的特性，而高通濾波器的幅頻特性可以看作是，所以，可以用低通濾波器作負反饋回路而獲得高通濾波器；②帶阻濾波器，是低通和高通的組合；③帶通濾波器，可以用帶阻濾波器作負反饋獲得。第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理第27頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三284.4濾波器4.4.1概述濾波器的分類根據(jù)構(gòu)成濾波器的元件分類：根據(jù)構(gòu)成濾波器的電路性質(zhì)：根據(jù)濾波器處理的信號性質(zhì)：本節(jié)講述模擬濾波器，而且僅限于討論以電壓為輸入、輸出的電路網(wǎng)絡濾波器。第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理第28頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三294.4濾波器4.4.2理想濾波器理想濾波器是一個理想化的模型，物理上不可實現(xiàn)。但是，具有理論分析意義，對于深入理解濾波器的傳輸特性有幫助。

1.理想濾波器的

數(shù)學模型第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理第29頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三304.4濾波器4.4.2理想濾波器2.理想濾波器的單位脈沖響應理想低通濾波器在頻域為矩形窗函數(shù)，其對應的脈沖響應函數(shù)是sinc函數(shù)，如圖所示。第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理(a)t0=0(b)to≠0

第30頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三314.4濾波器4.4.2理想濾波器2.理想濾波器的單位階躍響應第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理第31頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三324.4濾波器4.4.2理想濾波器2.理想濾波器的單位階躍響應tdB=1表明，低通濾波器階躍響應的上升時間

與通

頻帶寬

成反比，或者說，上升時間與帶寬之積為常數(shù)。物理意義：低通濾波器阻衰了高頻分量，通帶越寬，阻衰的高頻分量越少，通過濾波器的信號能量越大，所以上升時間就短；反之，則長。第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理第32頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三334.4濾波器4.4.3實際RC濾波器理想帶通濾波器的幅頻特性：細實線實際帶通濾波器的幅頻特性：粗實線第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理第33頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三344.4濾波器4.4.3實際RC濾波器1.實際濾波器的基本參數(shù)⑴上、下截止頻率：fc2,fc1

⑵帶寬

B=fc2-fc1,表示濾波器的分辨力。⑶波紋幅度

越小越好。⑷品質(zhì)因子Q=f0/B越大濾波器的選擇性越好。⑸倍頻程選擇性fc2與2fc2之間過渡帶頻率衰減值。⑹濾波器因數(shù)一般為1~5。第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理第34頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三354.4濾波器4.4.3實際RC濾波器2.實際RC濾波器電路及其基本特性RC濾波器，電路簡單、抗干擾性強；選用標準元件，容易實現(xiàn)，應用廣泛。第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理第35頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三364.4.3實際RC濾波器2.實際RC濾波電路及其

基本特性①一階RC低通濾波器第36頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三第37頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三384.4.3實際RC濾波器2.實際RC濾波電路及其

基本特性②一階RC高通濾波器第38頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三第39頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三402.實際RC濾波電路及其基本特性③RC帶通濾波器第40頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三第41頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三424.4.3實際RC濾波器2.實際RC濾波電路及其基本特性④RC帶阻濾波器

（a）T型網(wǎng)絡（b）雙T型網(wǎng)絡第42頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三434.4.3實際RC濾波器

2.實際RC濾波電路及其基本特性

⑤

高階濾波器

濾波器在過渡帶內(nèi)的衰減速率非常慢，性能較差。如要加大衰減率、實現(xiàn)較為陡峭的濾波器邊緣，應提高濾波器的階數(shù)，將多個

RC環(huán)節(jié)或

LC環(huán)節(jié)級聯(lián)，可以使濾波器的性能有顯著的提高，使過渡帶曲線的陡峭度得到改善。但同時也會帶來負載效應或耦合影響。第43頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三444.4.3實際RC濾波器

2.實際RC濾波電路及其基本特性

⑥

基于運算放大器的有源濾波器

有源濾波器具有很高的輸入阻抗和很低的輸出阻抗，有利于多級串聯(lián)，參數(shù)調(diào)整更加容易，并能方便地在不同濾波器類型之間進行轉(zhuǎn)換。

有源低通濾波器的一個典型應用是在數(shù)字信號采集系統(tǒng)中用作抗混濾波。第44頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三454.4.4可實現(xiàn)的典型濾波函數(shù)實用中的濾波器特性，在通頻帶內(nèi)不平坦；在過渡帶內(nèi)不陡直；阻帶部分不為零。而濾波器的設(shè)計往往是在一定限度內(nèi)對理想濾波器進行的逼近。由集中參數(shù)元件構(gòu)成的濾波系統(tǒng)，其傳遞函數(shù)和頻響函數(shù)的一般形式如下。第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理第45頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三464.4.4可實現(xiàn)的典型濾波函數(shù)濾波器階次n值影響著傳遞函數(shù)特性，對于同一類型的逼近函數(shù)，n值越大，逼近特性越好，系統(tǒng)所需元件數(shù)量越多越復雜。對理想濾波器的“最佳逼近特性”的標準是根據(jù)濾波器性能的不同需要而規(guī)定的。可以從幅頻特性提出較高的要求，而不考慮相頻特性；最常用的濾波器有巴特沃思（Butterworth）、切比雪夫(Chebyshev)和橢圓（Elliptic）濾波器等；也可以只滿足相頻特性而不必關(guān)心幅頻特性，貝塞爾(Bessel)濾波器等。第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理第46頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三474.4.4可實現(xiàn)的典型濾波函數(shù)1.巴特沃思濾波器巴特沃思濾波器具有最大平坦幅度特性，隨著n值的增大，巴特沃思濾波函數(shù)特性逼近理想濾波器。第47頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三484.4.4可實現(xiàn)的典型濾波函數(shù)2.切比雪夫濾波器通帶內(nèi)等波紋、阻帶內(nèi)單調(diào)的濾波器。波紋大小由系數(shù)

ε

決定，ε

值越小通帶波紋越小，一般小于0.05dB。Tn是第一類切比雪夫多項式。第48頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三494.4.4可實現(xiàn)的典型濾波函數(shù)3.橢圓濾波器通帶和阻帶內(nèi)均為等波紋，能滿足過渡過程寬度最小的要求，在給定的性能指標下能以最低的階次實現(xiàn)。第49頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三504.4.4可實現(xiàn)的典型濾波函數(shù)4.貝塞爾濾波器又稱恒時延濾波器，其相移和頻率成正比，即時移τ

值對所有頻率為一常數(shù)。當通帶中要求線性相移時，選擇貝塞爾濾波器是最合適的。第50頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三51

4.4.5

數(shù)字濾波技術(shù)模擬濾波器在理論上和實踐上都已達到很高的水平，但是在需要更多更靈活以及程序可控制性的場合，數(shù)字濾波器得到廣泛的應用。數(shù)字濾波也稱為軟件濾波。通過一定的計算程序?qū)Σ蓸有盘栠M行平滑加工，減少干擾在有用信號中的比重?？煽啃愿撸€(wěn)定性好。第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理第51頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三524.4.5

數(shù)字濾波技術(shù)

1.程序判斷慮波①限幅濾波第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理②限速濾波第52頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三534.4.5

數(shù)字濾波技術(shù)2.遞推平均慮波又稱算術(shù)平均濾波。3.加權(quán)遞推平均濾波第53頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三544.4.5

數(shù)字濾波技術(shù)

4.動態(tài)濾波前述的RC

濾波網(wǎng)絡都屬于模擬動態(tài)濾波。動態(tài)濾波器的數(shù)字化設(shè)計任務，可以通過模擬濾波器的離散化來實現(xiàn)。設(shè)計過程如下：①將數(shù)字濾波器的技術(shù)指標轉(zhuǎn)換為模擬濾波器的技術(shù)指標。②設(shè)計模擬濾波器G(s)

。③將G(s)轉(zhuǎn)換為數(shù)字濾波器G(z)

。可以利用MATLAB信號處理工具箱。第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理第54頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三554.4.6

濾波原理的綜合應用1.濾波器的串聯(lián)為加強濾波效果，將兩個具有相同中心頻率的帶通濾波器串聯(lián)，其合成系統(tǒng)的總幅頻特性是兩濾波器幅值特性的乘積，從而使通帶外的頻率成分有更大的衰減。高階濾波器便是由低階濾波器串聯(lián)而成的。但由于串聯(lián)系統(tǒng)的相頻特性是各環(huán)節(jié)相頻特性的相加，因此將增加相位的變化，在使用中應加以注意。第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理第55頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三564.4.6

濾波原理的綜合應用2.濾波器的并聯(lián)用于信號的頻譜分析和信號中特定頻率成分的提取。將被分析信號輸入一組中心頻率不同的濾波器，各濾波器的輸出便反映了信號中所含的各個頻率成分。這組并聯(lián)的、增益相同而中心頻率不同的帶通濾波器的帶寬，通常有兩種不同的構(gòu)成方法：恒帶寬濾波器和恒帶寬比濾波器。第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理第56頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三574.4.6

濾波原理的綜合應用2.濾波器的并聯(lián)第四章信號的轉(zhuǎn)換與調(diào)理第57頁，講稿共64頁，2023年5月2日，星期三584.4.6

濾波原理的綜合應用