机械工程测试技术5模拟信号调制、滤波和模数转换
测试技术课件第五章模拟信号的变换和处理
模拟信号的特点
具有连续的时间和幅度，可以表示任 何真实世界的物理量。
模拟信号的表示方法
幅度调制
通过改变信号的幅度来表示信息， 如调幅广播。
频率调制
通过改变信号的频率来表示信息， 如调频广播。
相位调制
通过改变信号的相位来表示信息， 如调相广播。
模拟信号的传输方式
有线传输
通过电缆、光纤等物理介质传输信号。
图像信号处理
图像信号处理
对图像信号进行采集、传输、变换、增强和识 别的一系列技术，旨在改善图像质量、提取图
像特征或进行模式识别等。
01
图像信号的传输
通过有线或无线方式将图像信号传输 到目的地，如显示器、打印机等。
03
图像信号的增强
通过滤波、锐化、色彩校正等技术对图像信 号进行增强，以提高图像质量或突出特定特
模拟信号的AD转换
01
模拟信号的AD转换：将 连续变化的模拟信号转 换为离散的数字信号的 过程。
02
03
AD转换器的基本组成： 采样器、量化和编码器。
AD转换的方法：直接转 换、间接转换、并行转 换和串行转换。
04
AD转换的性能指标：分 辨率、量化噪声、动态 范围和转换速率。
数字信号处理技术
数字信号处理的基本概念
模拟信号的噪声消除
噪声类型
01
介绍不同类型的噪声，如白噪声、有色噪声和脉冲噪声等，以
及它们对模拟信号的影响。
噪声消除方法
02
讨论各种噪声消除方法，如滤波法、统计法、自适应法和频域
法等，以及它们的适用场景和效果。
噪声消除效果评估
03
介绍如何评估噪声消除的效果，包括信噪比改善、均方误差减
机械工程测试基础信号的调理与记录精品PPT课件
（a） 采样频率 f太s 低；
（b） 原模拟信号不是有限带宽的信号，即
fh 。
5.2.2 时域采样、混叠和采样定理 2、混 叠 混叠现象—时域解释
5.2.2 时域采样、混叠和采样定理
2、混 叠
混叠现象实验：
5.2.2 时域采样、混叠和采样定理
目的：获取有用的信息
内容：用数字序列来表示测试信号，并用数学 公式和运算来对这些数字序列进行处理。 内容包括截断、剔除奇异点和趋势项、 数字波形分析、幅值分析、频谱分析和 数字滤波等。
A
X(0)
0
t
X(1) X(2) X(3)
x
1 N
N 1
X
i0
i
4）显示
X(4)
5.1 数字信号处理概述 案例：铁路机车FSK信号检测与分析
机械工程测试技术基础
第五章 信号处理初步
本章学习要求：
1.掌握数字信号处理目的和基本步骤 2.掌握信号采样定理，能正确选择采样频率 3.认识并处理好数字信号处理过程中出现的（混
迭、量化误差、能量泄漏、栅栏效应等）问题 ★4.掌握相关分析和功率谱分析方法
机械工程测试技术基础
第五章 信号处理初步
信lg Us
5.2 信号数字化出现的问题
5.2.1 概述
x(nTs)
步骤二
时域截断
x(t)s(t)ω(t)
x(nTs)ω(t)
X(f)*S(f)*W(f)
第五章 信号处理初步 5.2 信号数字化出现的问题 5.2.1 概述
步骤三
频域采样
x(t)s(t)ω(t)*d(t)
1/T
[X(f)*S(f)*W(f)]D(f)
Un
测试第5章测试信号的转换与调节(清华版)2015
一. 测量放大电路的作用
1. 在测量控制系统中，用来放大传感器输出的微弱电压、电流或电荷信 号的放大电路称为测量放大电路。
2. 对其基本要求： ① 高输入阻抗应与传感器输出阻抗相匹配； ②可调的闭环增益； ③ 低噪声、低的输入失调电压和输入失调电流以及低的漂移； ④足够的带宽和转换速率； ⑤ 高共模输入范围和高共模抑制比； ⑥线性好、精度高；
应用于何种场合？ 隔离放大电路主要用于某些使用在恶劣环境中的测控系统，
能在噪声环境下以高阻抗、高共模抑制能力传送信号。
测试技术基础 第五章 测试信号的转换与调理（信号调节器） （一）基本原理
利用电磁耦合或光电耦合原理进行电气隔离放大
原理框图
－ 输入 输入调制
放大器
输出解调 输出 放大器
＋
耦合变压器
3、i / u 放大器
R1
ii
Vi
R2
V0
+
V0 iiR 2
V0
R2 R1
Vi
可接入电流型传感器（如光电元件），还可以构成加法器。
测试技术基础 第五章 测试信号的转换与调理（信号调节器）
4、i / i 放大器 ii
ii i0 i2
i2
V2 R2
ii R 1 R2
i0
(1
R1 R2
)ii
-
测试技术基础 第五章 测试信号的转换与调理（信号调节器）
AD210变压器耦合隔离放大器
测试技术基础 第五章 测试信号的转换与调理（信号调节器）
图中A1为输入放大电路，可以同相输入，也可以反 相输入，分别构成同相比例运算电路或反相比例运算电 路，从而设定整个电路的增益，增益数值为1～100。 A1的输出信号经调制电路与振荡器的输出电压波形混合， 然后通过变压器耦合到输出侧，再经解调电路还原，最 后通过A2构成的电压跟随器输出，以增强带负载能力。 振荡器的输出通过变压器耦合到输入侧，经电源电路变 换为直流电，为A1和调制电路供电；振荡器的输出通过 变压器耦合输出侧，经电源电路变换为直流电，为A2和 解调电路供电；而振荡器由外部供电。
机械工程测试技术第五章信号处理初步
0
S( f ) 1/Ts
0
│X( f )*S( f )│
f
1/Ts t
-21Ts 0
1
1f
2Ts
Ts
窗函数
w(t) 1
0
Tt
x(t) s(t) w(t)
W(f )
▲
0
f
-1/T 1/T
│[X( f )*S( f )]*W( f )│
0
T
t
d(t)
10
1
f
2Ts
2Ts
D( f )
频域采样
1
-T
0
...
2 e
Dx
e 2 2
Dx 2
1 de
Dx
Dx 2 12
误差的标准差为: se =0.29Dx
4. 采样、混叠和采样定理
(1).信号采样和混叠 10 A
x1(t) x2(t)
x1(t ) Asin(2 10t ) 5
0
x2 (t ) A sin(2 50t ) -5 1 2 3 4 5 6 7 8 t
f
旁瓣
| X( f )|
正弦信号
A 2 的频谱
= =
t
将截断信号谱 |X-(Af )WR(f )|与原始信号谱 X正(f弦)相信比号较可xRR知(t))，它已不是原来的两条谱 线的，加而窗是两段++A振A 荡的连续谱. 原来集中 在 去了f1处，-的这TT能种量现被象0分0称--散A之到为两频TT个谱较能宽量的泄t频漏带。中
...
Tf t
1
0
1
f
2Ts
2Ts
D( f )
...
0
Df
许同乐-机械工程测试技术课后习题及答案
许同乐-机械工程测试技术课后习题及答案-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN思考题与习题0-1 举例说明什么是测试答：⑴测试的例子：为了确定一端固定的悬臂梁的的固有频率，可以采用锤击法对梁尽享激振，在利用压力传感器、电荷放大器、波形记录器记录信号波形，由衰减的振荡波形便可以计算出悬臂梁的固有频率。
⑵结论：由本例可知，测试是指确定被测对象悬臂梁固有频率的全部操作，是通过一定的技术手段-激振。
拾振、记录、数据处理等，获取悬臂梁固有频率的信息过程。
0-2以方框图的形式说明测试系统的组成，简述主要组成部分的作用。
答：⑴：测试系统的方框图如图0-1所示。
⑵：各部分的作用如下。
传感器是将被测信息转换成某种电信号的器件；信号调理是把来自传感器的信号转换成适合传输和处理的形式；信号处理环节可对来自信号调理环节的信号，进行各种运算。
滤波和分析；信号显示、记录环节将来至信号处理环节的信号显示或存储；模数转换和数模转换是进行模拟信号与数字信号的相互转换，以便于用计算机处理。
0-3 针对工程测试技术课程的特点，思考如何学习该门课程答：本课程具有很强的实践性，只有在学习过程中密切联系实际，加强实验，注意物理概念，才能真正掌握有关知识。
在教学环节中安排与本课程相关的必要的实验及习题，学习中学生必须主动积极的参加实验及完成相应的习题才能受到应有的实验能力的训练，才能在潜移默化中获得关于动态测试工作的比较完整的概念，也只有这样，才能初步具有处理实际测试工作的能力。
思考题与习题1-1信号的分哪几类以及特点是什么⑴、按信号随时间的变化规律分为确定性信号和分确定性信号，确定信号分为周期信号（包括谐波信号和一般周期信号）和非周期信号（准周期信号和以便非周期信号）；非确定性信号包括平稳随机信号（包括各态历经信号和非各态历经信号）和非平稳随机信号。
⑵、按信号幅值随时间变化的连续性分类，信号包括连续信号和离散信号，其中连续信号包括模拟信号和一般模拟信号，离散信号包括一般离散信号和数字信号。
《机械工程测试技术》课后习题答案机工版
2 44, 724,500, 600 2 22,362, 250,300 11,181,125,150
所以该信号的周期为 0.25s。
1-7 求正弦信号 x(t) Asin( 2 t) 的单边、双边频谱，如果该信号延时 T 后，其频谱如何变
T
4
化？
0 ea jwt dt ea jwdt
0
11 a jω a jω
2a a2 ω2
双边指数信号的傅里叶变换是一个正实数，相频谱等于零。由于双边指数信号为实偶对
称函数，因此 X ω 为 ω 的实偶对称函数。
5
1-5 设有一组合信号，有频率分别为 724Hz， 44 Hz，500 Hz，600 Hz 的同相正弦波叠加而 成，求该信号的周期。
答：在时域范围内，实现不失真的条件是：输出信号 y t 与输入信号 x t 相比，只要是幅
值上扩大 A0 ,时间上滞后 t0 ，即 y t A0x t t0 。
2-6 从频域说明测量系统不失真测量条件是什么? 答：在频域内实现不失真测试的条件即为幅频特性是一条平行于 轴的直线，相频特性
1
在教学环节中安排与本课程相关的必要的实验及习题，学习中学生必须主动积极地参加 实验及完成相应的习题才能受到应有的实验能力的训练，才能在潜移默化中获得关于动态测 试工作的比较完整的概念，也只有这样，才能初步具有处理实际测试工作的能力。
2
思考题与习题
1-1 信号的分哪几类以及特点是什么？ 答：按信号随时间的变化规律分为确定性信号和分确定性信号，确定信号分为周期信号
则 有 输 出 y1 t ， 且 y1 t
2
2
11
1
cos 10t
第五章 机械工程测试技术-信号处理初步
第二节 信号数字化出现的问题
机械工程测试技术基础
五、频域采样、时域周期延拓和栅栏效应
频域采样
频域采样是使频率离散化，在频率轴上等间距 地取点的过程。而从数学处理上看，则是用采样函 数去乘连续频谱。
依据 FT的卷积特性——频域相乘就等于时域做卷积
周期延拓
函数的卷积特性——时域作卷积就等于时域波形 的周期延拓 频域采样和时域采样相似，在频域中用脉冲序列 乘信号的频谱函数。
A/D转换动画
D/A转换动画
第一节
数字信号处理的基本步骤 机械工程测试技术基础
数字信号处理的基本步骤如上图，它包括4 个环节： 1. 信号调整
信号调整的目的是把信号调整成为便于数字处理的形式。 它包括: (1) 电压幅值调理,使信号幅值与A/D转换器的动态范围相适应 (2) 必要的滤波,以提高信噪比,并衰减信号中不感兴趣的高频成 分，减小频混的影响 (3) 隔离信号中不应有的直流分量； (4) 如果原信号为调制信号，则应先行解调。
一、概述
设模拟信号x (t) 的傅里叶变换为X (f)，为了利用计算机来计算，必 须使x (t)变换成有限长的离散时间序列。为此,对x (t)进行采样和截断。 采样是用一个等时距的周期脉冲序列s (t)去乘x (t)。时距Ts称为采样间 隔，1/Ts=f s称为采样频率。
图5-2 原模拟信号及其幅频谱
（1）定义 时域采样只是把连续信号的时间离散化了。而对于幅值 如果用二进制数码组来表示，就是离散信号变成数字信号。 这一过程称为量化。量化一般是由A/D转换器来实现的。
（2）量化误差分析
设A/D转换器的位数为b,允许的动态工作范围为D，则相 邻量化电平之差
D x b 1 2
机械工程测试技术课后答案
思考题与习题0-1 举例说明什么是测试？答：⑴测试的例子：为了确定一端固定的悬臂梁的的固有频率，可以采用锤击法对梁尽享激振，在利用压力传感器、电荷放大器、波形记录器记录信号波形，由衰减的振荡波形便可以计算出悬臂梁的固有频率。
⑵结论：由本例可知，测试是指确定被测对象悬臂梁固有频率的全部操作，是通过一定的技术手段-激振。
拾振、记录、数据处理等，获取悬臂梁固有频率的信息过程。
0-2 以方框图的形式说明测试系统的组成，简述主要组成部分的作用。
答：⑴：测试系统的方框图如图0-1所示。
⑵：各部分的作用如下。
传感器是将被测信息转换成某种电信号的器件；信号调理是把来自传感器的信号转换成适合传输和处理的形式；信号处理环节可对来自信号调理环节的信号，进行各种运算。
滤波和分析；信号显示、记录环节将来至信号处理环节的信号显示或存储；模数转换和数模转换是进行模拟信号与数字信号的相互转换，以便于用计算机处理。
0-3 针对工程测试技术课程的特点，思考如何学习该门课程？答：本课程具有很强的实践性，只有在学习过程中密切联系实际，加强实验，注意物理概念，才能真正掌握有关知识。
在教学环节中安排与本课程相关的必要的实验及习题，学习中学生必须主动积极的参加实验及完成相应的习题才能受到应有的实验能力的训练，才能在潜移默化中获得关于动态测试工作的比较完整的概念，也只有这样，才能初步具有处理实际测试工作的能力。
思考题与习题1-1 信号的分哪几类以及特点是什么？⑴、 按信号随时间的变化规律分为确定性信号和分确定性信号，确定信号分为周期信号（包括谐波信号和一般周期信号）和非周期信号（准周期信号和以便非周期信号）；非确定性信号包括平稳随机信号（包括各态历经信号和非各态历经信号）和非平稳随机信号。
⑵、 按信号幅值随时间变化的连续性分类，信号包括连续信号和离散信号，其中连续信号包括模拟信号和一般模拟信号，离散信号包括一般离散信号和数字信号。
⑶、 按信号的能量特征分类，信号包括能量有限信号和功率有限信号。
华科机械工程测试信息信号分析课件ch5模拟信号分析剖析
20:58
14
二、调频波及其频谱
调频缺点：要求很高的带宽，为调幅的20倍。系统复杂。是 非线性调制，不能运用叠加，分析困难；常近似分析。 下图为锯齿波和正弦波的调频。 调频波的频率应是一个随信号x(t)幅值变化(对应时间)的频率。
20:58
15
调频波频谱
x(t ) A cos( ) A cos( t ) , 调频波的频谱 d 0 [1 x(t )] dt
高通
H 2 ( j )
1 j 2 1
y (t )
1 2
低通
29
20:58
恒带宽、恒带宽比滤波器
实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实际滤波器中 心频率f0与带宽B之间的数值关系，可以分为两种。
1) 恒带宽带通滤波器
f c1 f c 2 f0 2 f 0 f c1 f c 2
20:58
22
滤波器分类
2)按构成元件和供给能量电路性质分 有源 无源
20:58
23
滤波器分类
2) 有源、无源滤波器的区别
无源滤波器：由无源元件电阻器R、电抗器L和电容器C组成。 以对某次谐波或其以上次谐波形成低阻抗通路，以达到抑制高 次谐波的作用；滤波器与动态控制的电抗器一起并联，既满足 无功补偿、改善功率因数，又能消除高次谐波的影响。种类有 ：各阶次单调谐滤波器、双调谐滤波器、二阶宽频带与三阶宽 频带高通滤波器等。 优点：投资少、效率高、结构简单及维护方便，广泛用于配电 网中。 缺点：滤波器特性受系统参数影响大，只能消除特定的几次谐 波，而对某些次谐波会产生放大作用，甚至谐振现象等因素。
低通滤波、放大
20:58
6
抑制调幅
第05章--模拟信号调制滤波和模数转换.
γ 为非线性误差。 基本公式
实际上，在进行机械量测量时（如应变片测应变）， 常常遇到以下几种情况：
Z4 R4
例
a) 电容电桥 图a的平衡条件
b)电感电桥
1 1 ( R1 ) R3 ( R2 ) R4 j C1 j C2
R1 R3 R2 R4 C1 R3 R3 R4 C C C R 1 2 2 4
b
b
R2
R1
C1
R1
L L1 1
R2
I1 I2
机械工程测试技术
第五章
第五章 机械量测试系统的基本环节 第一节、电桥 第二节、模拟信号调制与解调 第三节、滤波器 第四节、记录仪器
第五章 模拟信号调制、滤波和模数转换
传 被测 对象 信 号 调 理 传 输 信 号 信 处 号 理 处 理 显 示 记 录
感
器ห้องสมุดไป่ตู้
观察 者
激 励 装 置
反馈、控制
第一节 电 桥
1、 R1 R2
必有
R3 R4
因为电桥是平衡的。 ①单端变动 R1 R1 R1
uy
uy
1 R1 (1 ) u0 4 R1
R1 / R1 2 R1 / R1
R1 R1时有 0
R1 u y
②半桥差动变动
③全桥差动变动
R1 R1 R1 R1 R2
直流电桥与干扰 电桥是在平衡条件下工作的，由于R/R是一个十 分小的量，当电源电压不稳定所造成的干扰是不可忽略 的。为了抑制干扰，通常采用如下措施：
《机械工程测试技术基础》知识点总结
《机械工程测试技术基础》知识点总结引言机械工程测试技术是机械工程领域中的重要组成部分，它涉及到对机械系统的性能、参数和状态进行测量、分析和评估。
随着科技的发展，测试技术在提高产品质量、优化设计、降低成本和保障安全等方面发挥着越来越重要的作用。
第一部分：测试技术概述1.1 测试技术的定义测试技术是指利用各种仪器和方法对机械系统进行定量或定性的测量，以获取系统的性能参数和状态信息。
1.2 测试技术的重要性质量控制：确保产品符合设计标准和用户需求。
故障诊断：及时发现并解决机械故障，延长设备使用寿命。
性能优化：通过测试数据对机械系统进行优化设计。
第二部分：测试技术基础2.1 测量的基本概念测量单位：国际单位制（SI）和常用单位。
测量误差：系统误差、随机误差和测量不确定度。
2.2 传感器原理电阻式传感器：利用电阻变化来测量物理量。
电容式传感器：基于电容变化来测量。
电感式传感器：基于电感变化来测量。
光电传感器：利用光电效应来测量。
2.3 信号处理技术模拟信号处理：滤波、放大、模数转换。
数字信号处理：FFT、数字滤波、谱分析。
2.4 数据采集系统硬件组成：数据采集卡、接口、传感器。
软件功能：数据采集、处理、存储和分析。
第三部分：机械性能测试3.1 力和扭矩测试力测试：静力测试和动力测试。
扭矩测试：静态扭矩和动态扭矩的测量。
3.2 振动测试振动类型：随机振动、谐波振动、冲击振动。
振动测量：加速度计、速度计和位移计的使用。
3.3 温度测试接触式温度测量：热电偶、热电阻。
非接触式温度测量：红外测温技术。
3.4 流体特性测试压力测试：压力传感器的应用。
流量测试：流量计的选择和使用。
3.5 材料特性测试硬度测试：布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。
疲劳测试：循环加载下的应力-应变关系。
第四部分：测试技术的应用4.1 机械系统的故障诊断故障信号的采集：振动、声音、温度等。
故障特征的提取：频域分析、时域分析。
故障诊断方法：专家系统、神经网络、模糊逻辑。
机械工程测试技术第5章 信号分析与处理1
2、量化
二、采样的频域表示：
为了导出理想A/D转换器输入和输出之间的频域关系， xa (t ) 首先考虑通过冲击串调制由模拟信号 到采样信号 ˆa (t ) 转换，调制信号是一个周期冲击串。 x
p (t )
n
(t nT )
ˆa (t ) xa (t ) p (t ) xa (nT ) (t nT ) x
f f s / N 1/ T
根据采样定理，若信号的最高频率为 fc ，最低 采样频率应大于 2 fc 。
第三节 随机信号
一、概述 • 随机信号属非确定性信号，是相对于确定信号而言的一种十分重要的 信号。这种信号不能用确定的数学解析式表达其变化历程，即不可能 预见其任一瞬时所应出现的数值，所以也无法用实验的方法再现，描 述方法只能用数理统计概率方法描述。 • 随机信号在自然界中随处可见，如在道路上行驶的车辆所受道路影响 的振动，气温的变化，海浪、地震以及机器振动的随机因素所产生的 信号等，在测试过程中对系统所产生的干扰，包括环境干扰以及内部 干扰，无论是机械性的或是电学性的，很多都是随机信号。在声学研 究中客观世界的噪音大多也都是随机性的信号。 • 随机信号的主要特征参数有均值，方差、均方值、概率密度函数、相 关函数和功率谱密度函数等关键参数描述术语。
1 T R x () lim x ( t ) x ( t )dt T T 0 1 T0 2 A sin( t ) sin[ ( t ) ]dt T0 0
令ωt+φ=θ,则dt=dθ/ω,由此得
A2 Rx ( ) 2
2
0
A2 sin sin( )d cos 2
自相关函数的应用 自相关函数可用来检测淹没在随机信号中 的周期分量。(均值为零的纯随机信号其自 相关函数当自变量很大时很快衰减为零)
工程测试技术 第五章 第二讲.ppt
A0
P0
截止频率
17:39
20 lg 1 10 lg 2 10 0.3 3dB
2
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5.5 滤波
交通与机械工程学院
2) 纹波幅度 d
在一定频率范围内，实际滤波器的幅频特性呈波纹变化。 其波动幅度d 与幅频特性的平均值A0相比，越小越好。
-3dB
17:39
d A0 / 2
Page 24
5.5 滤波 3) 带宽B和品质因数Q
交通与机械工程学院
B = fc2 - fc1 Q = f0 / B f0 = (fc1+fc2) / 2
上下两截频间的频率范围称为滤波器带宽B，或-3dB带宽，单位为Hz。 带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力，即频率分辨力。
对于带通滤波器，通常把中心频率f0和带宽B之比称为滤波器的品质因 数Q。Q值越大，表明滤波器分辨力越高．
1) 恒带宽带通滤波器
2) 恒带宽比带通滤波器 17:39
Page 28
5.5 滤波
交通与机械工程学院
5.4.4 RC无源滤波器
在测试系统中，常用RC滤波器。因为这一领域中信号 频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰强，有 较好的低频性能，并且选用标准阻容元件 。
1) 一阶RC低通滤波器
R=10kΩ C=5nF fc=3185kHz
交通与机械工程学院
理想滤波器的物理不可实现
理想滤波器在时域内的脉冲响应函数h(t)为sinc函数。 脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸。来自t=0时刻t=τ0时刻
给理想滤波器一个脉冲激励，在t=0时刻单位脉冲输入滤 波器之前，滤波器就已经有响应了。故物理不可实现。
模拟信号滤波与调制技术
模拟信号滤波与调制技术模拟信号滤波与调制技术是一种常用的信号处理方法，可以有效地改善信号质量，提高系统的性能。
本文将介绍模拟信号滤波与调制技术的基本原理、应用场景以及相关的发展趋势。
一、模拟信号滤波技术模拟信号滤波技术是通过滤波器对信号进行处理，去除或衰减信号中的噪声、干扰或不需要的频率分量，从而提高信号的质量。
滤波器的选择和设计是模拟信号滤波技术的关键。
常见的模拟信号滤波器包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。
低通滤波器用于去除高频噪声或干扰，高通滤波器则可以去除低频噪声或干扰。
带通滤波器能够选择特定频率范围内的信号，而带阻滤波器可以剔除特定频率范围内的信号。
除了滤波器的选择外，滤波器的参数设计也是十分重要的。
滤波器的频率响应、幅度响应以及相位响应等参数都会影响滤波效果。
因此，在实际应用中，需要根据具体的需求和系统特点进行滤波器的设计和优化。
二、模拟信号调制技术模拟信号调制技术是指将原始信号通过调制方式转换成适合传输的信号形式。
调制技术广泛应用于通讯领域，能够实现信号的远距离传输、抗干扰性能以及频谱的有效利用等优势。
常用的模拟信号调制技术包括幅度调制(AM)、频率调制(FM)和相位调制(PM)等。
幅度调制是通过调整原始信号的振幅来实现信号的调制，频率调制则通过调整原始信号的频率来实现信号的调制，而相位调制则是通过调整原始信号的相位来实现信号的调制。
模拟信号调制技术在广播、电视、无线通信以及音频处理等领域得到了广泛的应用。
不同的调制方式具有不同的优势和适用场景，根据具体应用需求进行选择和设计。
三、模拟信号滤波与调制技术的应用模拟信号滤波与调制技术在各个领域都有广泛应用。
在通信领域，模拟信号滤波和调制技术被用于模拟电视、调频广播、调幅广播等系统中。
通过滤波器的应用，可以去除噪声和干扰，提高传输质量。
而通过调制技术，可以将基带信号转换为适合传输的调制信号，提高信号的传输距离和质量。
在音频处理领域，模拟信号滤波技术被广泛应用于音频信号的增强和降噪处理中。
物理实验技术中的信号处理与滤波方法
物理实验技术中的信号处理与滤波方法在物理实验中，我们经常需要处理各种类型的信号，以提取出我们需要的信息。
信号处理是一项重要的技术，它可以帮助我们去除噪声、增强信号，并解析出关键的物理参数。
而信号滤波作为信号处理的一个重要分支，可以进一步降低噪声干扰和提高测量精度。
在接下来的文章中，我们将介绍一些常用的信号处理与滤波方法。
一、模数转换与数字滤波模数转换是将连续的模拟信号转换为离散的数字信号，常用的方法是采用模数转换器（ADC）。
通过ADC，我们可以将模拟信号经过采样、量化和编码等步骤，转换为数字信号。
数字滤波是对数字信号进行滤波处理，常用的滤波方法有低通滤波、高通滤波和带通滤波等。
通过数字滤波，可以有效地去除高频噪声和杂散信号，提高信号质量和测量精度。
二、锁相放大器技术锁相放大器是一种常用的信号处理设备，它利用相位敏感检测技术，将微弱的信号放大到可以测量的范围。
在实验中，锁相放大器可以用于测量微弱信号的幅度、相位和频率等重要参数。
其原理是将输入信号与参考信号进行相位比较，然后经过放大和滤波等处理，最终输出有效的测量结果。
锁相放大器广泛应用于光学、电子和材料科学等领域，具有高灵敏度和高测量精度的优点。
三、小信号放大与滤波在实验中，我们常常需要对微弱的信号进行放大和滤波，以提高信噪比和分辨率。
小信号放大器可以将微弱的信号放大到适当的幅度，使其可以被后续的电路处理。
而滤波器则可以通过选择合适的滤波特性，去除无用的高频和低频噪声，保留所需的信号频段。
常用的小信号放大器包括运算放大器、差分放大器和反馈放大器等；而滤波器则有低通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等多种类型。
四、数字滤波器与卷积数字滤波器是一种常用的信号处理方法，它可以对数字信号进行滤波操作。
数字滤波器可以通过不同的滤波算法实现，如FIR滤波器和IIR滤波器。
其中，FIR滤波器是一种无反馈滤波器，具有线性相位特性和稳定性；而IIR滤波器则有反馈结构，可以实现更高阶的滤波特性。
第05章模拟信号调制滤波和模数转换
调幅波：sA M A0 f (t) cos2f0t 0
A0 cos2f0t 0 f (t) cos2f0t 0
调制过程框图：
乘法器 f t cos2f0t 0
正弦信号 发生器
cos2f0t 0
f(t)
sAM t
平衡调制器
A0放大器
A0 cos2f0t 0
调制结果：
信号的振荡 频率为f0
真称为过调制。不产生过调制的条件是：
mA 1
正常调制 mA 1
过调制 mA 1
解调
① 对于未加偏置的调制方法，可以采用同步解调的方法 进行解调。即用载波再与调幅波相乘一次。
这一调制过程可以用下面的图解来表示：
f (t) y(t )=cos2 f 0t
调制器 f (t ) cos2 f0t
2、注意到在正频率区间，基带信号的频谱F(f)的频带是 (0,fmax)，调幅信号的频谱却把F(f)一变为二，成为两个频 带:(f0fmax ， f0)和（ f0 ， f0 +fmax ）称前者为下边带，称后者 为上边带。
Ff
-fmax 0
fmax
A0/2
sAMf
A0/2
0 f0fmax) f0 f0fmax)
y(t)
1/2
Y( f)
0
t
f0
0
F( f) 1
f (t)
1/2
f0
f
0 fm(t)
0
a) 时域波形
t
fm 0 f m
1/2
t
f 0
0
f0
f
调幅过程
b) 频域谱图
这一调制过程可以用下面的图解来表示：
机械工程测试信号5
通常是由一个振荡频率可控的振荡器来完 成。
瞬时频率可表示为f = f 0 ± ∆f
二、调频及其解调
调频波的频偏与调制信号的幅值成比例。
f 0 ∆C ∆C所引起的频偏 ∆f = − • 二、调频及其解调 2 C0
则电容调谐调频器的频 率为 如图5 17所示 电容（电感） ∆C 所示， 如图5-17所示，电容（电感）的变化将使 f = f 0 ± ∆f = f 0 (1 ∓ ) 调频振荡器的振荡频率发生相应的变化。 调频振荡器的振荡频率发生相应的变化。 2C0 谐振频率为
测试技术与信号处理
第五章 模拟信号分析
第五章 模拟信号分析
模拟信号分析是直接对连续时间信号进行 分析处理的方法，其分析过程是按照一定 的数学模型所组成的运算网络来实现的。 从广义上讲，它包括了调制、滤波、放大、 微积分、乘方、开方、除法运算等。 模拟信号分析的目标是获取信号的特征参 数，如均值、均方根值、自相关函数、概 率密度函数、功率谱密度函数等。
滤波器因数矩形系数滤波器因数矩形系数滤波器幅频特性的滤波器幅频特性的6060dbdb带宽与带宽与33dbdb带宽之比称为带宽之比称为滤波器因数记作滤波器因数记作dbdb理想滤波器1常用滤波器带通滤波器中心频率带通滤波器中心频率ff00与与带宽带宽bb之比称为滤波器的之比称为滤波器的品质因数有时称作品质因数有时称作qq值q值越高选择性越好
理想低通滤波器具有矩形幅度特性和线性相移特性， 理想低通滤波器具有矩形幅度特性和线性相移特性， 所示． 如图 5- 9 所示．
其频率响应函数、幅频特性、相频 其频率响应函数、幅频特性、 特性分别为
3 ．阶跃响应
讨论理想滤波器的阶跃响应， 讨论理想滤波器的阶跃响应，是为了进一 步了解滤波器的传输特性， 步了解滤波器的传输特性，确立关于滤波 器响应的上升时间与滤波器通频带宽之间 的关系． 的关系．
测试技术课件第五章 模拟信号的变换和处理71页PPT
§5-2 调制与解调
中国矿业大学机电学院
3．调幅波的波形失真
（1）过调失真
对于非抑制调幅，其直流偏置必须足够大，要 求调幅指数m≤1。因为，m>1时，当x(t)取最大负值 时，可能使A[1+mx(t)<0]，这意味着x(t)的相位将发 生1800倒相，如图5中（b）所示，此称为过调。此 时，如果采用包络法检波，则检出的信号就会发生 失真，而不能恢复原信号。
（2）重叠失真 调幅波是由一对每边为fm的双边带信号组成，
当载波频率f0较低时，正频端的下边带将与负频端
电桥的灵敏度SB
SB
u0 R1/R1
n (1n)2
e0
可见电压e0越大，电桥的灵敏度也就越高，在 e0选定的情况下，可以变动桥臂电阻的阻值。
§5-1 电桥
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令 dSB/dn =0
dSB dn
(1n)(1 2 2 nn )2(1n)0
即要求 (1n)22n(1n)0得 n =1
Z 1 Z 3 ej(1 3) Z 2 Z 4 ej(2 4)
也可表示为：
Z1Z3 Z2Z4
1324
§5-1 电桥
2、测量用交流电桥
右图所示为差动电感传感 器与固定电阻组成的一种对 称交流电桥。
在被测物理量的作用下， 差动电感传感器的两个线圈 的电感发生变化，即 LBC LL LCD LL 则可按下式计算C点的电压
动的方式增大或减小，且增大和减小的绝对值相等， 存在如下关系：
R1=R2=R4=R3，|△R1|=|△R2|=|△R3|=|△R4|
则输出电压：
u 0 R 1 R R 1 1 R R 2 1 R 2 e 0 R 3 R R 4 3 R R 4 4 R 4 e 0
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机械工程测试技术
5.1 模拟信号调制
一、幅值调制（AM） 1. 概述
用基带信号改变 高频 载 波 信 号 的 幅 值 ， 使载波信号幅值随基 带信号的变化而线性 变化。
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机械工程测试技术 调幅波：
5.1 模拟信号调制
s AM ( t ) [ A0 f ( t )] cos( 0 t 0 ) A0 cos( 0 t 0 ) f ( t ) cos( 0 t 0 )
5.1 模拟信号调制
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机械工程测试技术
5.2 滤波器
5.2 滤波器
一、基本概念 滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通 过，而极大地衰减其他频率成分。 二、滤波器分类
低 通 带 通
高 通
带 阻
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机械工程测试技术 三、滤波性能分析 1. 理想滤波器
幅值调制器
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机械工程测试技术 2. 调幅信号的频域分析
5.1 模拟信号调制
e s AM ( t ) [ A0 f ( t )]
j ( 0 t 0 )
e 2
j ( 0 t 0 )
j 0
S AM ( ) [ 2 A0 ( 0 ) F ( 0 )] [ 2 A0 ( 0 ) F ( 0 )]
（3）在±ω0处出现冲激，表明载波分量的存在；
（4）如基带信号f(t)的最高频率为Ωmax，调幅信号的带宽为 2 Ωmax。
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机械工程测试技术 调幅波的波形失真
5.1 模拟信号调制
s AM ( t ) [ A0 f ( t )] cos( 0 t 0 ) A0 [1 m A f ( t )] cos( 0 t 0 )
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机械工程测试技术
5.1 模拟信号调制
调制的种类
基带信号 f(t)
载波信号 c ( t ) A0 cos( 0 0 )
（1）幅值调制(AM) s AM ( t ) [ A0 f ( t )] cos( 0 t 0 ) 角度调制： （2）相位调制(PM) s PM ( t ) A0 cos[ 0 t 0 K PM f ( t )] （3）频率调制(FM) s FM ( t ) A0 cos[ 0 K FM f ( t )] t
1 2
f ( t ) cos( 0 )
滤波器
f(t)
f ( t ) cos( 2 0 t 0 )
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机械工程测试技术
5.1 模拟信号调制
双边带调幅信号的非相干解调——相敏检波法
过调制
信号过零线时，幅值正负发生变化，相位也反相，可
通过相敏检波“翻转”信号。
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机械工程测试技术
5.1 模拟信号调制
5.1 模拟信号调制
调制的目的
解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。
将微弱的缓变信号(音频:50~20kHz、视频:0~6MH z)调 制到高频交流信号(>500kHz)中形成载波信号，利用交流放 大器放大，在信道中传输，最后从信道传来的信号中解调出 缓变信号。
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0
瞬时角频率：
(t )
机械工程测试技术 （1）调相波（PM）
5.1 模拟信号调制
s PM ( t ) A0 cos[ 0 t 0 K PM f ( t )]
瞬时角频率： ( t ) （2）调频波（FM）
0 K PM
df ( t ) dt
优点：抗干扰能力强。 因为调频信号所携带的信息包含在频率变化之中，并非 振幅之中，而干扰波的干扰作用则主要表现在振幅之中。 缺点：占频带宽度大，复杂。
调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽
的20倍；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率调制足一 种非线性调制。
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机械工程测试技术 例：铁路机车调度信号检测 调制频率8.5Hz，绿灯 调制频率23.5Hz，红灯h 来自t ) 1 2
H ( )e
j t
d
c sin c ( t 0 ) c (t 0 )
物理不可实现
脉冲响应函数 h(t)为sinc函数，是一个时域无限函数。
给理想滤波器一个脉冲激励，在t=0时刻单位脉冲输入 滤波器之前，即在t＜0时，滤波器就已经有响应了。
（4）如果 0 ，解调后得到的f(t)将改变符号。
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机械工程测试技术
5.1 模拟信号调制
（2）非相干解调法（包络检波）
RC低通滤波
s d ( t ) A0 f ( t )
包络检波器元件应满足：
rAM C f0 1 1 RC f0 Fm ax 1
f ( t ) dt ]
A0 [ 0 K FM f ( t )] sin[ 0 t 0 K FM
包络检波
f ( t ) dt ]
s b ( t ) A0 [ 0 K FM f ( t )]
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机械工程测试技术
5.1 模拟信号调制
频率调制的特点
e e
2
j 0
2
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机械工程测试技术 调幅信号频谱图
5.1 模拟信号调制
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机械工程测试技术
5.1 模拟信号调制
重要结论
（1）幅值调制过程是频谱搬移过程；
（2）在正频率区间，调幅信号的频谱为两个频带：
下边带： 0 max , 0 上边带： 0 , 0 max
机械工程测试技术
5. 模拟信号调制、滤波和模数转换
第五章 模拟信号调制、滤波和 模数转换
学习要求 1.了解模拟信号调制解调原理
2.了解信号滤波器工作原理
3.了解信号A/D转换的原理
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机械工程测试技术
5. 模拟信号调制、滤波和模数转换
模拟信号分析是直接对连续时间信号进行调理，是数
字信号分析的基础。信号调理的目的是便于信号的传输与
处理。 1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到 显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要 进行阻抗变换。
2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需要 去掉噪声，提高信噪比。
3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器 测量信进行调制解调处理。
rAM 为调制信号电压源内阻；
f0
为载波信号频率；
F max 为基带信号最高频率；
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机械工程测试技术 非相干解调
5.1 模拟信号调制
二极管检波
低通滤波
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机械工程测试技术 4. 双边带调幅
5.1 模拟信号调制
为提高调制效率，把载波分量从已调波中去掉，只发射两 个边带分量。
s FM ( t ) A0 cos[ 0 K FM f ( t )] t
瞬时相位： ( t )
0 t 0 K FM
f ( t ) dt
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机械工程测试技术
5.1 模拟信号调制
调频信号与调相信号的时域波形
瞬时角频率：
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5.2 滤波器
理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真， 阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。
e j c t 0 , H ( ) 0，
-c c 其他
理想低通滤波器频率特性
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机械工程测试技术
5.2 滤波器
2. 理想低通滤波器的冲激响应、阶跃响应
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机械工程测试技术
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机械工程测试技术
5.1 模拟信号调制
二、角度调制 1. 角度调制的概念
c ( t ) A0 cos( 0 t 0 ) A0 cos ( t ) A0 cos[( ( t ) t ]
瞬时相位：
(t )
t
( )d
d (t ) dt
5.1 模拟信号调制
双边带调幅与解调过程（数学描述）
f(t) c(t)
乘法器
c ( t ) cos( 0 t 0 )
sDSB(t)
放大器
s DSB ( t ) f ( t ) cos( 0 t 0 )
c(t)
乘法器
s DSB ( t ) cos( 0 t ) 1 2
2 2
如 f(t) 均值为零，则交叉功率为零。
1 2 为了使 AM信号不产生过调制，mA≤1，即 2 PAM Pc Ps A0 f ( t ) 2 ∣f(t)∣max≤A0，所以调制效率不大于50%。
调制效率
AM
Ps PAM
Ps Pc Ps
f (t ) A f (t )
2 0 2
2
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机械工程测试技术 3. 幅值调制信号的解调方法
5.1 模拟信号调制
（1）相干解调法（通过相干的本地载波相乘解调）
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5.1 模拟信号调制
相干解调器的算法