第四章 信号调理和处理

第四章信号调理和处理本章学习要求：1.掌握电桥的原理2.掌握信号调制解调原理3.掌握信号滤波器工作原理1信号的调理信号的调理是指将传感器输出的信号转换成更适合于进一步传输和处理的形式。如将被测量引起的电阻、电感、电容、电量、光学物理量等转换成电压或电流，并进行放大；又如将感应电动势等进行放大。2信号调理的目的是便于信号的传输与处理。

信号调理的目的

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号进行调制解调处理。

3本节内容调制与解调的基本概念调幅及其解调调频及其解调4.2调制与解调4在测试技术中，调制是工程测试信号在传输过程中常用的一种调理方法，主要是为了解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。例如，被测物理量，如温度、位移、力等参数，经过传感器交换以后，多为低频缓变的微弱信号，对这样一类信号，直接送入直流放大器放大会遇到困难，因为，采用级间直接耦合式的直流放大器放大，将会受到零点漂移的影响。当漂移信号大小接近或超过被测信号时，经过逐级放大后，被测信号会被零点漂移淹没。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。上述信号传输中的变换过程称为调制与解调。

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1.调制：使一个信号（载波）的某些参数（幅值或频率或相位）在另一信号（测试信号）的控制下发生变化的过程。2.调制的目的：便于放大和传输。

调制及其相关概念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。

6使载波的幅值、频率或相位随调制信号而变化的过程分别称为调幅、调频或调相。它们的已调波分别称为调幅波、调频波或调相波。根据载波被调制参数的不同，调制可分为：

调幅、调频和调相

3.调制的分类7调制信号x(t)载波信号a)调幅(AM)b)调频(FM)c)调相(PM)种类8一、调幅与解调（一）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，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化．9解调：是从已调制波中恢复出调制信号（测试信号）的过程。

解调是调制的逆过程。

10调幅与解调过程（数学描述与波形频谱分析）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)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。

11乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)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，如图所示，所以调幅过程就相当于频率“搬移”过程。

12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)相乘其傅里叶变换为解调:乘法器滤波器z(t)x(t)xm(t)13这一结果如图所示。若用一个低通滤波器滤除高频成分，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。

14调幅与解调过程（波形与频谱分析）乘法器放大器x(t)z(t)xm(t)乘法器滤波器z(t)x(t)15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那么调幅波的包络线将具有原信号的形状,把该调幅波简单地整流、滤波就可以恢复原调制信号

（二）整流检波和相敏检波1.整流检波16若偏置电压不够大，使信号电压有正有负，对于这种双极性调制信号不能采用整流检波。应采用相敏检波。172.相敏检波（从调制信号的产生到相敏解调）18幅值调制器实际上是个乘法器2.相敏检波192.相敏检波202.相敏检波12212.相敏检波222.相敏检波232.相敏检波242.相敏检波通过相敏检波可以得到一个幅值与极性均随调制信号变化的信号。对有极性或方向性的被测量，经调制后必须采用相敏检波才能正确恢复原信号。252.相敏检波电桥调幅与相敏检波实例：26例：差动变压器式传感器的工作原理，如果工作频率（振荡器频率或载波频率）为2000Hz余弦波，机械振动为简谐振动且振动频率为100Hz，试画出差动变压器输出信号的幅频谱。

1127由差动变压器的工作原理可知，差动变压器的输出电压实际上是铁芯位移对其工作余弦波的幅值调制波，如果工作电压为铁芯位移为则差动变压器的输出电压为根据(1)(2)(3)即与δ函数的卷积的结果就是在发生δ函数的坐标位置上简单地将原函数重新构图。28所以，差动变压器输出信号的幅频谱如下：29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)的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波.

调频波的瞬时频率可表示为:

载波频率或称中心频率频率偏移，与调制信号的幅值成正比二、调频及其解调

30频率调制31实现信号的频率调制的方法甚多，下面介绍两种仪器中常用的调频方法及一种解调方案1.直接调频测量电路因此，回路的振荡频率将和调谐参数的变化呈线性关系，也就是说，在小范围内它与被测量的变化有线性关系频率调制将电感、电容传感器作为自激振荡器的谐振回路中的一个调谐参数，那么电路的谐振频率将是若以电容作为调谐参数，则在fo附近有C=Co，故322.压控振荡器频率调制压控振荡器的输出瞬时频率与输入控制电压成线性关系。333.变压器耦合的谐振回路鉴频法调频波的解调又称鉴频，是将频率变化恢复成调制信号电压幅值变化的过程频率调制34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：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。频率调制354.3滤波器

第四章信号调理和处理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．一、滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）

低通高通带通带阻36二、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。37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。波形给理想滤波器一个脉冲激励，从图中可以看出，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。故物理不可实现。38对于图示的周期信号x(t)：1.当x(t)通过增益为1的理想低通滤波器（fc=50Hz）后，求其输出的均值；2.当x(t)通过增益为1的理想带通滤波器（fc1=250Hz,fc2=350Hz）后，求其输出的均方根值（有效值）。x(t)t(s)2滤波器x(t)y(t)0.0050.011.均值为1。

2.该周期信号的频率为1/0.01=100Hz，经过fc1=250Hz,fc2=350Hz的理想带通滤波器后只剩下频率为300Hz的三次谐波分量。通过傅立叶级数分解可知三次谐波分量的幅值为(4×1)/(3π)，其有效值为(4×1)/(3π×1.414)=0.31239三、实际滤波器

理想滤波器是不存在的，在实际滤波器的幅频特性图中通带和阻带间应没有严格的界限,存在一个过渡带。

1)纹波幅度d：波动幅度d与幅频特性平均值A0相比应小于-3dB。

2)截止频率fc:幅频特性值等于0.707A0所对应的频率．

3)带宽B和品质因数Q:上下两截止频率间的频率范围称为带宽，中心频率和带宽之比称为品质因数

4)倍频程选择性W:指在上截止频率fc2与2fc2之间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。

1.实际滤波器的基本参数402.RC无源滤波器的基本特性

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

412)一阶RC高通滤波器

423)RC带通滤波器

可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联

要求：43（三）滤波器的串/并联

低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。44（四）RC有源滤波器

RC无源滤波器具有线路简单、体积小、成本低的优点，但都是低阶系统，过渡带衰减慢，选择性差。将几个一阶滤波器串联可以提高阶次，但级间耦合的负载效应使信号逐级减弱，采用有源滤波器可以克服这些缺点、RC有源滤波器