测试信号的转换与调理.

29
第四章 信号的转换与调理
4.4 滤波器 4.4.2 理想滤波器
2. 理想滤波器的单位脉冲响应
（e）滤波后的波形
14
第四章 信号的转换与调理
4.3.1 调幅与解调 3.解调方法
相敏检波：利用二极管的单向导通作用，将电 路输出极性换向。
考虑到交变信号在过零点时符号极性发生突 变，调幅波的相位也相应地发生180o的相位 跳变。利用载波信号与调幅波比相，便能既反 映原信号的幅值又反映其极性。
2
f0)1 2X(f)(f
f0)
7
第四章 信号的转换与调理 y(t) cos2f0t
Y(f )
1
1
2
2
4.3.1 调幅与解调 2.调幅信号的频谱
0
t
-f0
0
+f0 f
x(t )
X( f )
0 xm (t)
t
-fm
0
+fm
f
Xm( f ) X ( f )Y( f )
0
t
-f0
0
+f0 f
(a)
(b)
ua
高通滤波器
C2
R2
uo
包络检波器
2f f0
ua f
x
0
t
t
(a)鉴频器电路
图4.21 鉴频器原理
(a) 鉴频器电路 (b) 高通滤波器幅频特性 (c)恢复出的调制信号
(b)高通滤波器幅频特性
(c)恢复出的调2制4 信号
第四章 信号的转换与调理
4.4 滤波器 4.4.1 概述
滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频 带的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成 分。
滤波是信号处理的重要内容，特别适合于过滤 测试信号中的噪声。滤波器在自动检测、自动 控制及电子测试仪器中被广泛应用。
25
第四章 信号的转换与调理
4.4 滤波器 4.4.1 概述
根据滤波器的选频作用，一般将滤波器分为以 下四种，其幅频特性如图。
滤波器过渡带是不希望的，但也是不可避免的。
(a)低通
1
R1
（d）
D 1 R
R D2
y(t) cos2f0t 0
（b）
T1 t
2 6 T2
y(t) (c)
x (t)
E 0
t1
t2 t
（e）
图4.16 相敏检波电路及其波形转换
（a）调幅波 （b）参考信号 （c）检波电路（d）相敏检波输出波形 （c）滤波后的波形
（c）检波电路
R D2
xm (t)
0
t1 t2 t
振荡器产生高频正弦信号，一般频率为10~20kHz， 一方面作为电桥电源（载波信号），另一方面作为相 敏检波的载波信号；
携带有电阻应变片信息的电桥输出的调幅波， 经放 大、相敏检波、低通滤波，最后得到与原来极性相同 但经过放大处理的信号，驱动显示记录仪表或接入后 续仪器。
17
第四章 信号的转换与调理
(b)高通
(c)带通
(d)带阻
图4-40 不同滤波器的幅频特性
26
第四章 信号的转换与调理
4.4 滤波器 4.4.1 概述
四种滤波器特性之间是的联系 ① A1( f ) 是低通滤波器的特性，而高通滤波器的幅频
特性可以看作是 A 2(f)[1A 1(f)]，所以，可以用低通 滤波器作负反馈回路而获得高通滤波器； ② 带阻滤波器，是低通和高通的组合； ③ 带通滤波器，可以用带阻滤波器作负反馈获得。
13第四章信号的转换与调理a调幅波b参考信号14c检波电路d相敏检波输出波形图416相敏检波电路及其波形转换a调幅波b参考信号c检波电路d相敏检波输出波形c滤波后的波形图416相敏检波电路及其波形转换a调幅波b参考信号c检波电路d相敏检波输出波形c滤波后的波形图416相敏检波电路及其波形转换a调幅波b参考信号c检波电路d相敏检波输出波形c滤波后的波形图416相敏检波电路及其波形转换a调幅波b参考信号c检波电路d相敏检波输出波形c滤波后的波形图416相敏检波电路及其波形转换a调幅波b参考信号c检波电路d相敏检波输出波形c滤波后的波形相敏检波
T1 t
R 2
6 T2
y(t)
x (t)
E 0
t1
t2 t
图4.16 相敏检波电路及其波形转换
（a）调幅波 （b）参考信号 （c）检波电路 （d）相敏检波输出波形 （c）滤波后的波形
（a）调幅波
xm (t)
0
t1 t2 t
(a)
xm(t)
3 5
R D
3
u0 (t) 4
uo (t)
D4 R
0
t1
t2 t
27
第四章 信号的转换与调理
4.4 滤波器 4.4.1 概述
滤波பைடு நூலகம்的分类
RC 滤波器
根据构成滤波器的元件分类：晶L体C 谐振滤滤波波器器
根据构成滤波器的电路性质：无有源源滤滤波波器器
根据滤波器处理的信号性质：数 模字 拟滤 滤波 波器 器
本节讲述模拟滤波器，而且仅限于讨论以电压为输 入、输出的电路网络滤波器。
当信号电压为零时，调频波的频率就等于中心频率； 当信号电压为正值时，频率偏移 增加，调频波的
瞬时频率提高； 当信号电压为负值时，频率偏移 减少，调频波的
瞬时频率降低； 调频波是频率随测试信号而变化的疏密不等的等幅波。
19
4.3.2 调频与鉴频 1. 频率调制原理
举例： 载波 ： y (t) 信 A si0 n t号 ) ( 调频 x m (t) A 波 si(n t)： A si0 n t kx (t)d t0
（b）参考信号
xm (t)
0
t1
t2 t
(a)
xm (t)
3 5
R D
3
u0 (t) 4
uo (t)
D 4
0
1 R1
t1 （d）
t2 t
R D2
D 1 R
y(t) cos2f0t 0
（b）
T1 t
R 2
6 T2
y(t) (c)
x (t)
E 0
t1
t2 t
（e）
图4.16 相敏检波电路及其波形转换 （a）调幅波 （b）参考信号 （c）检波电路 （d）相敏检波输出波形 （c）滤波后的波形
图4.12 调幅信号的频谱
（a）时域波（形a）时域波形 （b）频域波 （形b）频域波形
8
第四章 信号的转换与调理
4.3.1 调幅与解调 3.解调方法
①同步解调
x (t)c2 o f0 ts c2 o f0 ts x 2 (t) 1 2 x (t)c4 o f0 ts
xm (t)
已调制信号
乘法器
x(t)(cos 2f0t)2
低通滤波器
1 x(t) 2
y(t) cos 2f0t 图4.13 同步解调原理
9
1 2
-f0
Y( f ) 1 2
0
+f0
f
Xm( f )
-f0
0
+f0
f
X m ( f )Y( f )
低通滤波
-2f0
-fc -fm
0
+fm +fc
图4.14 同步解调信号的频谱
+2f0
3
第四章 信号的转换与调理
4.3 调制与解调 分类
调制处理的分类
4
第四章 信号的转换与调理
4.3.1 调幅与解调
1.调幅原理
（1）调幅的目的，使缓慢变化的测试信号便于放大和传输。 （2）解调的目的，恢复原来的测试信号。 （3）调幅是将一个高频简谐信号（载波信号）与测试信号
相乘，使载波信号的幅值随测试信号的变化而变化。
（d）相敏检波输出波形
R D2
xm (t)
0
t1
t2 t
(a)
xm (t )
3 5
R D
3
u0 (t) 4
uo (t)
D 4
0
1 R1
t1
t2 t
（d）
D 1 R
y(t) cos2f0t 0
（b）
T1 t
R 2
6 T2
y(t) (c)
x (t)
E 0
t1
t2 t
（e）
图4.16 相敏检波电路及其波形转换 （a）调幅波 （b）参考信号 （c）检波电路 （d）相敏检波输出波形 （c）滤波后的波形
第四章 信号的转换与调理
4.3 调制与解调 调制的用途
为什么要调制？ 1、采用交流放大比直流放大效果好； 2、抗干扰性好； 3、工程遥测技术中也经常要用。
1
第四章 信号的转换与调理
4.3 调制与解调 概念和术语
调制解调技术中经常使用的术语 1、调制信号，就是测试信号，也叫原信号，一般为低
频缓变信号； 2、载波信号，也叫工作信号，一般为高频简谐信号； 3、调制波，就是已调制的信号，
幅值调制时称为调幅波； 频率调制时称为调频波； 相位调制时称为调相波。
2
第四章 信号的转换与调理
4.3 调制与解调 概念和术语
4、所谓调制，就是在调制信号（测试信号）的控制 下，使载波信号（工作信号）的某些参数（如幅 值、频率、相位）发生变化的过程。
5、所谓解调，就是从已调制波中恢复出调制信号的 过程。
x(t )
(a) 三角波调制信号
0
t1
t2
t3
t
x f (t )
t 0
图4.18 三角波调制下的调频波 （a）三角波调制信号 （b）调频信号波形
x(t )
0 x f (t )
0
t1
t2
t3
(b)调频信号波形 图4.18 三角波调制下的调频波
（a）三角波调制信号 （b）调频信号波形
t t
20
第四章 信号的转换与调理
载波频 ：率
f0或0
总相： 角 (t)(t)dtotkx(t)dt0
18
第四章 信号的转换与调理
4.3.2 调频与鉴频 1. 频率调制原理
调频波的表达式为
载波 ： y (t) 信 A si0 n t号 ) (
调频 x m (t) A 波 si(n t)： A si0 n t kx (t)d t0
5
第四章 信号的转换与调理
4.3.1 调幅与解调
调制
缓变信号
放大 放大高 解调 放大缓
高频信号
频信号
变信号
第四章 信号的转换与调理
4.3.1 调幅与解调 2.调幅信号的频谱
时域
频域
x(t)y(t)
X(f)Y(f)
co2sf0t
1(f
2
f0)1 2(f
f0)
x(t)co2sf0t
1X(f)(f
相敏检波电路，相当于在 xm(t)的0t1 段，把零 线下的负部翻上去；而在 xm(t)的t1t2 段，则把 零线上的正部翻下来；所检测到的 U o 信号是 经过“翻转”后信号的包络。
15
第四章 信号的转换与调理
4.3.1 调幅与解调 举例
xm (t)
u0 (t)
xo (t)
0
t
0
t
0
t
x(t) 试件
(a)
xm (t )
3 5
R D
3
u0 (t) 4
uo (t)
D
4
0
1 R1
t1
t2 t
（d）
D 1 R
y(t) cos2f0t 0
（b）
T1 t
R 2
6 T2
y(t) (c)
x (t)
E 0
t1
t2 t
（e）
图4.16 相敏检波电路及其波形转换
（a）调幅波 （b）参考信号 （c）检波电路 （d）相敏检波输出波形 （c）滤波后的波形
4.3.2 调频与鉴频 2. 频率调制方法
① 直接调频式
21
以电容传感器作为调谐参数为例，若C0的增量为ΔC ，
f0
2
1 LC0
C f 1 2 2 1 L C 2 3L 1 2 C f
f f0 C 2 C0
f
f0 - f
f0
1
C 2C0
22
第四章 信号的转换与调理
4.3.2 调频与鉴频 3.调频信号的解调
4.3.2 调频与鉴频 1. 频率调制原理
调频，也称为频率调制，是利用测试信号（调制信 号）的幅值控制调频波的频率。调频波为等幅波， 其瞬时频率和测试信号的幅值成正比。
频率调制的优点： 对噪声的幅度影响不太敏感， 抗干扰能力强，信噪比高。
调频波的瞬时频率、载波频率及总相角。
瞬时频 ：率(t)0k(xt)ddt
调制信号+直流分量A->整流->低通滤波-> 去直流分量->复现原调制信号
相敏检波技术可以解决这一问题。 ③ 相敏检波 相敏检波的原理如下图4-33所示。
13
R D2
xm (t)
0
t1 t2 t
xm (t )
3 5
R D
3
u0 (t) 4
uo (t)
D
4
0
t1
t2 t
1 R1
D 1 R
y(t) cos2f0t 0
对调频波的解调亦称鉴频。鉴频的原理是将 调频信号频率的变化相应地复原为原来电压 幅值的变化。鉴频有多种方法，一般采用鉴 频器和锁相环解调器。前者结构简单，在测 试技术中经常使用；后者解调性能优良，但 结构复杂，一般用于要求较高的场合。
一种测试技术中常用的振幅鉴频电路原理如 图4-39所示。
23
第四章 信号的转换与调理
电桥
xm (t)
放大
xmA (t)
uo (t)
xo (t)
相敏检波
低通滤波
显示记录
x (t)
0
y(t) 振荡器
t
y(t) y(t) cos2f0 t
0
t
图4.17 动态电阻应变仪方框图
图4-35 动态电阻应变仪方框图
16
第四章 信号的转换与调理
4.3.1 调幅与解调 举例说明
粘贴在试件上的电阻应变片，在应变作用下，产生相 应的电阻变化，并接于交流电桥；
4.3.2 调频与鉴频 3.调频信号的解调
等幅的调频信号Uf(t)的瞬时频率正比于x(t); 高通滤波器幅频特性H(f)过渡带线性区中点频率f0。 Uf(t)经高通滤波器后变换为“调幅波” Ua(t); Ua(t)经二极管整流检波器检出包络信号Uo(t)=x(t);
C1
D
H( f )
uf
R1
28
第四章 信号的转换与调理
4.4 滤波器 4.4.2 理想滤波器
理想滤波器是一个理想化的模型，物理上不可实现。 但是，具有理论分析意义，对于深入理解滤波器的传 输特性有帮助。
1. 理想滤波器的
数学模型
H(f ) A0ej2ft0
H(
f
)
A0，0， fc 其f 他 f
(f )2 f t0
f
第四章 信号的转换与调理
4.3.1 调幅与解调 3.解调方法
②整流检波
x(t )
x(t )
A
A
0
t
0
t
xm (t)
xm (t)
0
t
0
(a)