模拟信号处理

1 1 X ( f ) ∗ Y ( f ) = X ( f − f0 ) + X ( f + f0 ) 2 2
在时域上的调幅过程就相当于在频域上的频率搬移过程。 在时域上的调幅过程就相当于在频域上的频率搬移过程。
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载波
调制 信号
已调 制波 时域 频域
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调幅与其解调
xm (t ) = x(t ) y (t ) = x(t ) cos 2π f 0t
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调幅与其解调 1. 调幅原理 频域分析--两信号的卷积 频域分析 两信号的卷积
x(t)cos2π f0t
第三章上 模拟信号处理
1 1 X( f )∗δ( f − f0 ) + X( f )∗δ( f + f0) 2 2
调制是利用缓变信号来控制或改变高频振荡的某个参数 幅值、频率或相位），使它随着被测信号作有规律的变化， ），使它随着被测信号作有规律的变化 （幅值、频率或相位），使它随着被测信号作有规律的变化， 以利于实现信号的放大与传输。调制过程有三种： 以利于实现信号的放大与传输。调制过程有三种：
高频振荡的幅值受缓变信号控制时，称为调幅， 表示。 高频振荡的幅值受缓变信号控制时，称为调幅，以AM表示。 表示 高频振荡的频率受缓变信号控制时，称为调频，以FM表示。 高频振荡的频率受缓变信号控制时，称为调频， 表示。 表示 高频振荡的相位受缓变信号控制时，称为调相， 表示。 高频振荡的相位受缓变信号控制时，称为调相，以PM表示。 表示
绪论 测试信号的描述与分析 测试系统的基本特性 常用传感器
模拟信号处理
数字信号处理 计算机与虚拟仪器测试技术
机械工程测试技术
第三章上 模拟信号处理
信号处理概述 信号处理是对信号进行提取、 变换、 分析、 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。 程的统称。 主要包括： 主要包括： 1）分离信号和噪声，提高信噪比； 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； 从信号中提取有用的特征信息； 修正测试系统的某些误差，如传感器的线性误差、 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； 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 把信号转变为易于输出、 传输的信号， 如信号放大、 制和解调等。 制和解调等。
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第三章上 模拟信号处理
测试信号的调制 所谓调制就是使一个信号的某些参数在另一个 信号的控制下发生变化的过程。 信号的控制下发生变化的过程。 调制信号 载波
调 制 解 调
已调制波
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测试信号的调制
第三章上 模拟信号处理
第三章上 模拟信号处理
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测试信号的调制 幅值调制(AM) a) 幅值调制(AM)
第三章上 模拟信号处理
y (t ) = [ A ⋅ x(t )]cos(2π ft + φ )
b) 频率调制(FM) 频率调制(FM)
y ( t ) = A cos(2π [ f 0 + kx ( t )]t + φ )
U y ( f ) = Sε ( f ) ∗U 0 ( f )
∆R (t ) u y (t ) = u0 (t ) = S ε (t )u0 (t ) R0
A [δ ( f + 5) + δ ( f − 5)] 2
ε ( f ) = F [ε (t )] =
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调幅与其解调
第三章上 模拟信号处理
〔例2〕用电阻应变片接成全桥，测量某一构件的应变。 〕用电阻应变片接成全桥，测量某一构件的应变。 已知其变化规律为 ε ( t ) = A co s 1 0 π t 如果电桥的激励电压为 u0 (t ) = E sin1000π t 求此电桥的输出信号频谱。 求此电桥的输出信号频谱。 解法1 解法 由全ຫໍສະໝຸດ Baidu接法知电桥的输出信号为 那么 又
大多数传感器输出的电信号很微弱，需要进一步放大； 大多数传感器输出的电信号很微弱，需要进一步放大； 微弱 有些传感器输出的是电阻、电容等电参量， 有些传感器输出的是电阻、电容等电参量，需要转换 为后续设备能够识别的电压量 电压量； 为后续设备能够识别的电压量； 若测试工作仅对部分频段的信号感兴趣， 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 分离出所需的频率成分， 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； 一步的分析和处理；
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交流放大器
电荷放大器
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第三章上 模拟信号处理
放大器的放大倍数是关键的参数。 放大器的放大倍数是关键的参数。
直流放大器的工作点会随温度等的变化而波动（ 直流放大器的工作点会随温度等的变化而波动（即， 零漂），电路的稳定性成为设计的重点； ），电路的稳定性成为设计的重点 零漂），电路的稳定性成为设计的重点； 交流放大器的工作点保持在0V不变，信号在0V上下 交流放大器的工作点保持在 不变，信号在 上下 不变 波动变化，温漂影响小，电路的稳定性好，结构简单； 波动变化，温漂影响小，电路的稳定性好，结构简单； 电荷放大器是一种特殊的放大器， 电荷放大器是一种特殊的放大器，设计中让输出电压 随传感器电荷的变化而变化， 随传感器电荷的变化而变化，主要应用在压电式传感器 中。
调制
放大
缓变信号
高频信号
放大高 频信号
解调
放大缓 变信号
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测试信号的调制 调幅、调频、 调幅、调频、调相波的图解过 程： 图中被测信号是正弦波， 图中被测信号是正弦波， 载波是三角波。 载波是三角波。调幅波其包络 线形状由被测信号决定， 线形状由被测信号决定，载波 信号的频率和相位均不改变。 信号的频率和相位均不改变。 调频波， 调频波，其载波信号的振幅与 相位不变，而频率改变。 相位不变，而频率改变。当被 测信号的幅值减小时， 测信号的幅值减小时，频率降 幅值增大时，频率提高。 低；幅值增大时，频率提高。 所以， 所以，调频波可以看成是一个 频率受被测信号幅值控制的三 角波。 角波。
放大器类型 直流放大器 特点 对信号电压的大小放 大，信号在某一电平 上下波动 对信号电压的大小的 变化放大，信号在零 变化放大， 点上下波动 对电荷信号直接放大 传感器典型应用 缓变信号传感器， 缓变信号传感器，如 电阻应变计、 电阻应变计、电阻式 传感器、 传感器、铂热电阻测 温传感器等 动态信号传感器，差 动态信号传感器， 动变压器、电容式、 动变压器、电容式、 电感式传感器等 压电式传感器
c) 相位调制(PM 相位调制(PM) (PM
y ( t ) = A c o s ( 2 π ft + [ φ 0 + k x ( t )])
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第三章上 模拟信号处理
调幅与其解调 1. 调幅原理 调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与测试信号相乘， 调幅是将一个高频正弦信号（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 载波信号 y (t ) = cos 2π f 0t 时域分析--两信号的乘积 时域分析 两信号的乘积
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第三章上 模拟信号处理
对于数字式仪器、仪表和计算机来说， 对于数字式仪器、仪表和计算机来说，模拟信号处理 也是必不可少的，只有经过模拟信号的预处理， 也是必不可少的，只有经过模拟信号的预处理，才能与 A/D等转换设备相匹配。 等转换设备相匹配。 等转换设备相匹配 采用模拟信号处理技术对传感器输出信号进行预处理， 采用模拟信号处理技术对传感器输出信号进行预处理， 是传感器到显示、 是传感器到显示、记录或数字化分析仪器的前向通道 中必不可少的重要环节，常称之为信号调理 信号调理。 中必不可少的重要环节，常称之为信号调理。 1.电桥 常用的信号调理环节 2.放大器 3.滤波器 4.调制与解调
所以
Uy( f ) =
第三章上 模拟信号处理
E U 0 ( f ) = F [u0 (t )] = j [δ ( f + 500) − δ ( f − 500)] 2
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调制与解调
第三章上 模拟信号处理
有些被测物理量，如温度、位移、力等， 有些被测物理量，如温度、位移、力等，经过传感器检 测输出以后，多为低频缓变的微弱信号。 测输出以后，多为低频缓变的微弱信号。对这样一类信 若采用直流放大后传输，容易受低频干扰、 号，若采用直流放大后传输，容易受低频干扰、放大器 零漂等的影响。 零漂等的影响。目前较常用的还是先调制成高频交流信 号后，再进行交流放大和传输。 号后，再进行交流放大和传输。 所以，调制就是一种解决微弱缓变信号放大及传输问题 所以，调制就是一种解决微弱缓变信号放大及传输问题 的调理方法。 的调理方法。
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第三章上 模拟信号处理
信号处理分为模拟信号处理和数字信号处理。 信号处理分为模拟信号处理和数字信号处理。 模拟信号处理是直接对连续信号进行分析处理的 模拟信号处理是直接对连续信号进行分析处理的 连续信号 过程， 过程，是利用一定的数学模型所组成的运算网络 来实现的。 来实现的。
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第三章上 模拟信号处理
信号放大—放大器 信号放大 放大器 将传感器输出的微弱信号进行 放大，以达到后续处理的要求。 放大，以达到后续处理的要求。 足够的放大倍数； （1）足够的放大倍数； 高输入阻抗，低输出阻抗； （2）高输入阻抗，低输出阻抗； 高共模抑制能力； （3）高共模抑制能力； （4）低漂移、低噪声、低失调电压和电流。 低漂移、低噪声、低失调电压和电流。
1 1 1 X ( f ) + X ( f − 2 f0 ) + X ( f + 2 f0 ) 2 4 4
调幅的目的是为了让缓变信号变为高频调制信号，便于 调幅的目的是为了让缓变信号变为高频调制信号， 放大和传输。解调的目的则是为了恢复原信号。 放大和传输。解调的目的则是为了恢复原信号。
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测试信号的调制
第三章上 模拟信号处理
一般将控制高频振荡的缓变信号称为调制波； 一般将控制高频振荡的缓变信号称为调制波；载送缓变 调制波 信号的高频振荡波称为载波；经过调制的高频振荡波称为已 信号的高频振荡波称为载波；经过调制的高频振荡波称为已 载波 调波。已调波相应地有调幅波、调频波和调相波三种， 调波。已调波相应地有调幅波、调频波和调相波三种，测试 技术中常用的是调幅和调频两种 调幅和调频两种。 技术中常用的是调幅和调频两种。 解调则是对已调波进行鉴别以恢复缓变的测量信号（ 解调则是对已调波进行鉴别以恢复缓变的测量信号（调 制信号）。 制信号）。
1 [δ ( f − f0 ) + δ ( f + f 0 )] 2
用低通滤波器将频率为 2 f 0 从频域分析中亦可以得到
xm (t ) cos 2π f 0t
Xm( f )∗
即
Xm ( f ) ∗Y( f ) =
=
1 [ X ( f − f0) + X ( f + f0 )] ∗[δ ( f − f0 ) +δ ( f + f0 )] 4
第三章上 模拟信号处理
2. 解调原理 若把调幅波再次与载波信号相乘 ，从时域分析看
xm (t ) cos 2π f 0 t = x (t ) cos 2π f 0t ⋅ cos 2π f 0 t = 1 1 x (t ) + x (t ) cos 4π f 0t 2 2 1 的高频信号滤去2 x(t ) ，则得到
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调幅与其解调 2. 解调原理
第三章上 模拟信号处理
同步解调
从调幅原理， 从调幅原理，载波频率 f0 必须高于原信号中的最高频率 f m 才 能使已调波仍保持原信号的频谱图形，不致重叠。 能使已调波仍保持原信号的频谱图形，不致重叠。
f 0 ≥ 10 f m
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