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1、1,第四章 信號調(diào)理和處理,本章學(xué)習(xí)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,2,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(jìn)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(xué)物理量等轉(zhuǎn)換成電壓或電流，并進(jìn)行放大；又如將感應(yīng)電動勢等進(jìn)行放大。,3,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,4,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),5,在測試技術(shù)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，

2、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?yàn)?，采用級間直接耦合式的直流放大器放大，將會受到零點(diǎn)漂移的影響。當(dāng)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(diǎn)漂移淹沒。為了很好地解決緩變信號的放大問題，信息技術(shù)中采用了一種對信號進(jìn)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(jìn)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)。,6,1. 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

3、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(guān)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(jìn)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。,7,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,8,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,9,一、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

4、變化,10,解調(diào)：是從已調(diào)制波中恢復(fù)出調(diào)制信號（測試信號）的過程。,解調(diào)是調(diào)制的逆過程。,11,調(diào)幅與解調(diào)過程（數(shù)學(xué)描述與波形頻譜分析）,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。,12,就相當(dāng)于把原信號頻譜圖形由原點(diǎn)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(dāng)于頻率“搬移”過程。,13,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(jìn)行“搬移”，即xm(t)與z(t)相乘,其傅里葉變換為,解調(diào):,14,這一結(jié)果如圖所示。若用一個低通濾波器濾除高頻成分，將可以復(fù)現(xiàn)原信號的頻譜（只是其幅值減少了一半，這可用放大處理

5、來補(bǔ)償），這一過程稱為同步解調(diào)?！巴健敝附庹{(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。,15,調(diào)幅與解調(diào)過程（波形與頻譜分析）,16,若對信號x(t)進(jìn)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(luò)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(fù)原調(diào)制信號,（二）整流檢波和相敏檢波,1.整流檢波,17,若偏置電壓不夠大，使信號電壓有正有負(fù)，對于這種雙極性調(diào)制信號不能采用整流檢波。 應(yīng)采用相敏檢波。,18,2.相敏檢波（從調(diào)制信號的產(chǎn)生到相敏解調(diào)）,19,1 試說明差動變壓器式傳感器的工作原理；2 在以下測量機(jī)械振動的位移量的電路框圖中，試填寫空白

6、框電路單元的名稱并解釋其在測試中的作用；3 如果工作頻率（振蕩器頻率或載波頻率）為2000Hz余弦波，機(jī)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。,11,20,3由差動變壓器的工作原理可知，差動變壓器的輸出電壓實(shí)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),即與函數(shù)的卷積的結(jié)果就是在發(fā)生函數(shù)的坐標(biāo)位置上簡單地將原函數(shù)重新構(gòu)圖。,21,所以，差動變壓器輸出信號的幅頻譜如下：,22,幅值調(diào)制器實(shí)際上是個乘法器,2.相敏檢波,23,2.相敏檢波,24,2.相敏檢波,12,25,2.相敏檢波,

7、26,2.相敏檢波,27,2.相敏檢波,28,2.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(fù)原信號。,29,2.相敏檢波,電橋調(diào)幅與相敏檢波實(shí)例：,30,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:,二、調(diào)頻及其解調(diào),31,頻率調(diào)制,32,實(shí)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(guān)系，也就是說，在小范圍內(nèi)

8、它與被測量的變化有線性關(guān)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,33,2.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(guān)系。,34,3.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(fù)成調(diào)制信號電壓幅值變化的過程,頻率調(diào)制,35,優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)。 因?yàn)檎{(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(diǎn)：頻帶寬度大，復(fù)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)

9、復(fù)雜，因?yàn)轭l率調(diào)制是一種非線性調(diào)制。,頻率調(diào)制,36,4.3 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,37,二、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。,38,物理不可實(shí)現(xiàn),理想濾波器在時域內(nèi)的脈沖響應(yīng)函數(shù) h（t）為 sinc函數(shù)。脈沖響應(yīng)的波形沿橫坐標(biāo)左、右無限延伸。,波形,39,對于圖示的周期信號x(t)： 1.當(dāng)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(dāng)

10、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),0.005,0.01,1.均值為1。,2.該周期信號的頻率為1 / 0.01 = 100 Hz，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(41)/(3) ，其有效值為(41)/(31.414) = 0.3,12,40,三、 實(shí)際濾波器,理想濾波器是不存在的，在實(shí)際濾波器的幅頻特性圖中通帶和阻帶間應(yīng)沒有嚴(yán)格的界限,存在一個過渡帶

11、。,1)紋波幅度d ：波動幅度d與幅頻特性平均值A(chǔ)0相比應(yīng)小于-3dB。,2)截止頻率fc :幅頻特性值等于0.707A0所對應(yīng)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(shí)際濾波器的基本參數(shù),41,2. 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?yàn)檫@一領(lǐng)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(qiáng)，有較好的低頻性能，并且選用標(biāo)準(zhǔn)阻容元件 。,1) 一階RC低通濾波器,42,2) 一階RC高通濾波器,

12、43,3) RC帶通濾波器,要求：,44,（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。,45,（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(diǎn)，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(fù)載效應(yīng)使信號逐級減弱，采用有源濾波器可以克服這些缺點(diǎn)、RC有源濾波器是用RC無源網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器等有源器件構(gòu)成、其特點(diǎn)是：一、可以放大信號，二、具有高輸入阻抗的運(yùn)算放大器可以進(jìn)行級間隔離，消除或減小負(fù)載效應(yīng)的影響，因此有源濾波器可以多級串聯(lián)組成高階濾波器，明顯提高濾波器的選擇性。,46,四、恒帶寬比濾波器和恒帶寬濾波器,實(shí)際濾波器頻率通帶通常是可調(diào)的，根據(jù)實(shí)際濾波器中心頻率與帶寬之間的數(shù)值關(guān)系，可以分為兩種。,1) 恒帶寬比帶通濾波器,2) 恒帶寬帶通濾波器,12,