机械工程测试 第三章

y(t)称为调相波
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调制与解调 幅度调制
调幅是将一个高频（余弦）信号（或称载波） 与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的 变化而变化．
y(t ) [ A0 x(t )]cos(2ft )
调制
放大
缓变信号
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本次课内容
信号处理目的
信号处理方法（模拟）
放大、调制与解调、滤波 滤波器种类及用途 理想滤波器、实际滤波器 重点：信号调制与解调的方法（调幅与解调）、 滤波器种类及特性参数
难点：信号调制与解调理论，滤波器概念及特性
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信号处理概述
1.什么是信号处理？
1 1 F[ xm (t ) z(t )] X ( f ) X ( f ) ( f 2 2 4
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1 f z) X ( f ) ( f 2 4
f )
z
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• 上述的调制方法，是将调制 信号x(t)直接与载波信号z(t) 相乘。这种调幅波具有极性 变化，即在信号过零线时， 其幅值发生由正到负（或由 负到正）的突然变化，此时 调幅波的相位（相对于载波） 也相应地发生180°的相位变 化。此种调制方法称为抑制 调幅。抑制调幅波须采用同 步解调或相敏检波解调的方 法，才能反映出原信号的幅 值和极性。
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理想滤波器的脉冲响应 根据线性系统传输特性， 脉冲响应函数应是频率响 应函数的傅里叶逆变换。
sin 2 fc (t 0 ) h(t ) 2 A0 f c 2 fc (t 0 )
(t )
1）最大值时间滞后特 性 2）周期性 无法实现
高频信号
放大高 频信号
解调
放大缓 变信号
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调制与解调
• 由傅里叶变换的性质知，在时域中两个信号相乘， 则对应于在频域中这两个信号进行卷积，即 幅度调制 时域: x(t) z(t) 幅度调制 频域: X(f)Z(f)
x(t ) z(t ) X ( f ) Z ( f )
3）修正测试系统的某些误差，如传感器的线性误差、温度
影响等； 4）把信号转变为易于输出、传输的信号，如信号放大、调 制和解调等。
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信号处理概述 3. 信号处理的方法
1）放大、调制/解调、滤波； 2）信号采样、量化、A/D、D/A转换；
3）加窗(泄露)、傅里叶变换；
滤波：若测试工作仅对部分频段的信号感兴趣，则可以 从输出信号中分离出所需的频率成分，由后续环节进行更 进一步的分析和处理；
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信号放大
分类
直流放大器
交流放大器 放大器 直流电桥 交流电桥
特点 低频保留,高频截止
高频保留,低频截止
电源直流 电源交流
电荷放大器
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调制与解调
在测试技术中存在微弱缓变信号的放大以及信号的传 输问题
• 为了很好地解决缓变信号的放大问题，信息技术中采用了一 种对信号进行调制的方法，即先将微弱的缓变信号加载到高 频交流信号中去，然后利用交流放大器进行放大，最后再从 放大器的输出信号中取出放大了的缓变信号
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理想滤波器
频率响应函数
H ( f ) A0e
j2 f 0
若滤波器的频率响应函数满足下列条件
j2 f 0 A0e H( f ) 0
f fc f fc
A( f ) A0
( f ) 2 0 f
则称为理想滤波器，即理想滤波器在通频带内应满足幅频 特性为常数，相频特性是频率的线性函数，而在阻频带幅频特 性应该等于零
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调制与解调
• 余弦函数的频域图形是一对脉冲谱线，即
1 z(t ) cos(2f z t ) ( f 2
1 f z) ( f 2
f )
z
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• 一个函数与单位脉冲函数卷积的结果，就是将其 图形由坐标原点平移至该脉冲函数处。所以，若 以高频余弦信号作载波，把信号x(t)和载波信号 z(t)相乘，其结果:
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• 若把调幅波xm(t)再次与载波z(t)信号相乘，则频 域图形将再一次进行“搬移”，即xm(t)与z(t)相 乘积的傅里叶变换为
F[ xm (t ) z(t )] 1 1 X ( f ) X ( f ) ( f 2 2 4 1 ) X ( f ) ( f 2 fz 4
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鉴频：
T2
T4
T1
T3
F
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• 频率调制和鉴频的具体实施:
• 压控振荡器调频电路
• 变压器耦合的谐振鉴频回路
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滤波
滤 波 器 的 分 类 模拟滤波器 模拟信号
数字滤波器
数字信号
数字滤波的概念和模拟滤波相同，只是信号的形式和实现滤波的 方法不同。
数字滤波器与模拟滤波器相比，前者具有精度高、稳 定、体积小、重量轻、灵活、不要求阻抗匹配以及实 现模拟滤波器无法实现的特殊滤波功能等优点。
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3）时间为负时也有值
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理想滤波器的阶跃响应
1 t 0 1 u (t ) t 0 2 0 t 0
理想滤波器的阶跃响应：为了进一步了解滤波器的传 输特性，确立关于滤波器的通频带宽和上升时间之间 的关系。
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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，因为频率调制是一种非线性调制。
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调幅
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解调
二极管检波
低通滤波
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幅度调制与解调过程（波形分析）
x(t)
乘法器
z(t)
x m(t)
放大器
乘法器
z(t)
滤波器
x(t)
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幅度调制与解调过程（频谱分析）
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b)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fz较低时，正频端的下边带将 与负频端的上边带相重叠。要求: fz＞fm
即：载波频率必须大于信号的最高频率，至少数倍甚至于数十倍于调制信号
Fz<fm 出现重叠失真
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2.为什么要进行信号处理？
3.信号处理方法有哪些？
1.信号处理是对信号进行提取、变换、分析、综合等处理过
程的统称。
模拟信号和数字信号 信号处理分为模拟信号处理和数字信号处理。
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信号处理概述 2. 信号处理的目的
1）分离信号和噪声，提高信噪比； 2）从信号中提取有用的特征信息；
4）数字信号的检测、判断分析（移动平均、数字积分、微 分、数字滤波）
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模拟信号处理 模拟信号处理是直接对连续模拟信号进行分析处理 的过程，是利用一定的数学模型所组成的运算网络 来实现的。
放大：大多数传感器输出的电信号很微弱，需要进一步 放大； 调制/解调：便于信号的放大和传输；
ym (t ) x(t ) cos 2f zt
2
滤波器
x(t)
1 1 x ( t ) 2 2 x(t )cos(2 2 f z t )
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调幅波的波形失真
a）过调失真：对于非抑制调幅，要求其直流偏 置必须足够大，否则x(t)的相位将发生180。
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滤波器分类 滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定的频率成分 通过，而极大地衰减其它频率成分
低通滤波器
高通滤波器
带通滤波器
带阻滤波器
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理想滤波器
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。
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极性变化
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非抑制调幅
若对信号x(t)进行偏置，叠加一个直流分量D， 使偏置后的信号都具有正电压。
x(t ) x' (t ) D x(t )
xm (t ) [ D x(t )]cos(2ft )
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Fz>fm 不出现重叠失真
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• 调幅波解调的实现途径： • 1）按照解调的数学理论：线性乘法器 • xm(t) z(t) 同步解调 • 2）整流检波：适合非抑制调幅 • 3）相敏检波：适合抑制调幅
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相敏检波电路
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调制与解调
a) 幅度调制(AM)
y(t ) [ A x(t )] cos( 2ft )
y(t)称为调幅波
b) 频率调制(FM)
y(t ) Acos(2 [ f 0 x(t )] t )
y(t)称为调频波 c) 相位调制(PM)
y(t ) A cos(2ft [0 x(t )])
利用二极管的单向导通作用将输出极性换向
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频率调制
调频是利用信号x(t)的幅值调制载波的频 率，或者说，调频波是一种随信号x(t)的幅值 而变化的疏密度不同的等幅波.
y(t ) A cos(2 [ f0 x(t )]t )
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x
m
(t ) x(t ) z (t ) x(t ) cos(2
f
z
t)
1 X m ( f ) 2 X ( f ) ( f
1 f z) X ( f ) ( f 2
f )
z
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• 就相当于把原信号频谱图形由原点平移至载波频率处，其 幅值减半，如下图所示，所以调幅过程就相当于频率“搬 移”过程。
x(t)
乘法器
z(t)
x m(t)
放大器
乘法器
z(t)
滤波器
x(t)
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幅度调制与解调过程（数学分析）
x(t)
乘法器
z(t)
x(t )
z (t )
x m(t)
放大器
xm (t ) x(t ) cos(2f zt )
z (t )
z(t)
乘法器
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调制与解调的目的
解决微弱缓变信号的放大以及信号 的传输问题。
调制加载，解调卸载
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调制与解调 信号调制种类
x(t) 调制信号
0 t
载波信号
z (t ) A cos(2ft )
z(t)
0 t
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f )
z
这一结果如下图所示。
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• 若用一个低通滤波器滤除中心频率为2fz的高频成份， 将可以复现原信号的频谱（只是其幅值减少了一半， 这可用放大处理来补偿），这一过程称为同步解调。 “同步”指解调时所乘的信号与调制时的载波信号 具有相同的频率和相位。
对电荷放大
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直流放大电路-例
1) 反相放大器 电压增益:
RF Av R1
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– +
反馈电阻RF值不能太大，否则会产生较大的 噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。R1的 取值应远大于信号源Ui的内阻。
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