测试信号的转换与调理

关于测试信号的转换与调理24.3调制与解调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。第四章信号的转换与调理概念和术语第2页,共64页，2024年2月25日，星期天34.3调制与解调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。第四章信号的转换与调理概念和术语第3页,共64页，2024年2月25日，星期天44.3调制与解调

调制处理的分类第四章信号的转换与调理分类第4页,共64页，2024年2月25日，星期天54.3.1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。第四章信号的转换与调理第5页,共64页，2024年2月25日，星期天

第四章信号的转换与调理

4.3.1调幅与解调缓变信号调制高频信号放大放大高频信号解调放大缓变信号第6页,共64页，2024年2月25日，星期天7第四章信号的转换与调理4.3.1调幅与解调2.调幅信号的频谱第7页,共64页，2024年2月25日，星期天8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（a）时域波形（b）频域波形第8页,共64页，2024年2月25日，星期天9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同步解调第9页,共64页，2024年2月25日，星期天第10页,共64页，2024年2月25日，星期天第四章信号的转换与调理

第11页,共64页，2024年2月25日，星期天12②整流检波4.3.1调幅与解调3.解调方法第12页,共64页，2024年2月25日，星期天13

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。第四章信号的转换与调理4.3.1调幅与解调3.解调方法第13页,共64页，2024年2月25日，星期天14

（a）调幅波（b）参考信号（c）检波电路（d）相敏检波输出波形（e）滤波后的波形第14页,共64页，2024年2月25日，星期天154.3.1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。相敏检波电路，相当于在，把零线下的负部翻上去；而在，则把零线上的正部翻下来；所检测到的信号是经过“翻转”后信号的包络。第四章信号的转换与调理第15页,共64页，2024年2月25日，星期天164.3.1调幅与解调举例第四章信号的转换与调理图4-35动态电阻应变仪方框图第16页,共64页，2024年2月25日，星期天174.3.1调幅与解调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；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。第四章信号的转换与调理举例说明第17页,共64页，2024年2月25日，星期天18

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。第四章信号的转换与调理

4.3.2调频与鉴频1.频率调制原理第18页,共64页，2024年2月25日，星期天19调频波的表达式为当信号电压为零时，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。第四章信号的转换与调理

4.3.2调频与鉴频1.频率调制原理第19页,共64页，2024年2月25日，星期天20

4.3.2调频与鉴频1.频率调制原理举例：(b)调频信号波形(a)三角波调制信号第20页,共64页，2024年2月25日，星期天21①直接调频式

第四章信号的转换与调理

4.3.2调频与鉴频2.频率调制方法第21页,共64页，2024年2月25日，星期天22以电容传感器作为调谐参数为例，若C0的增量为ΔC，

第22页,共64页，2024年2月25日，星期天23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。第四章信号的转换与调理

4.3.2调频与鉴频3.调频信号的解调第23页,共64页，2024年2月25日，星期天24第四章信号的转换与调理(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);

4.3.2调频与鉴频3.调频信号的解调第24页,共64页，2024年2月25日，星期天254.4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。第四章信号的转换与调理第25页,共64页，2024年2月25日，星期天264.4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。第四章信号的转换与调理图4-40不同滤波器的幅频特性(a)低通(b)高通(c)带通(d)带阻第26页,共64页，2024年2月25日，星期天274.4滤波器4.4.1概述四种滤波器特性之间是的联系①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，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。第四章信号的转换与调理第27页,共64页，2024年2月25日，星期天284.4滤波器4.4.1概述滤波器的分类根据构成滤波器的元件分类：根据构成滤波器的电路性质：根据滤波器处理的信号性质：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。第四章信号的转换与调理第28页,共64页，2024年2月25日，星期天294.4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

数学模型第四章信号的转换与调理第29页,共64页，2024年2月25日，星期天304.4滤波器4.4.2理想滤波器2.理想滤波器的单位脉冲响应理想低通滤波器在频域为矩形窗函数，其对应的脉冲响应函数是sinc函数，如图所示。第四章信号的转换与调理(a)t0=0(b)to≠0

第30页,共64页，2024年2月25日，星期天314.4滤波器4.4.2理想滤波器2.理想滤波器的单位阶跃响应第四章信号的转换与调理第31页,共64页，2024年2月25日，星期天324.4滤波器4.4.2理想滤波器2.理想滤波器的单位阶跃响应tdB=1表明，低通滤波器阶跃响应的上升时间

与通

频带宽

成反比，或者说，上升时间与带宽之积为常数。物理意义：低通滤波器阻衰了高频分量，通带越宽，阻衰的高频分量越少，通过滤波器的信号能量越大，所以上升时间就短；反之，则长。第四章信号的转换与调理第32页,共64页，2024年2月25日，星期天334.4滤波器4.4.3实际RC滤波器理想带通滤波器的幅频特性：细实线实际带通滤波器的幅频特性：粗实线第四章信号的转换与调理第33页,共64页，2024年2月25日，星期天344.4滤波器4.4.3实际RC滤波器1.实际滤波器的基本参数⑴上、下截止频率：fc2,fc1

⑵带宽

B=fc2-fc1,表示滤波器的分辨力。⑶波纹幅度

越小越好。⑷品质因子Q=f0/B越大滤波器的选择性越好。⑸倍频程选择性fc2与2fc2之间过渡带频率衰减值。⑹滤波器因数一般为1~5。第四章信号的转换与调理第34页,共64页，2024年2月25日，星期天354.4滤波器4.4.3实际RC滤波器2.实际RC滤波器电路及其基本特性RC滤波器，电路简单、抗干扰性强；选用标准元件，容易实现，应用广泛。第四章信号的转换与调理第35页,共64页，2024年2月25日，星期天364.4.3实际RC滤波器2.实际RC滤波电路及其

基本特性①一阶RC低通滤波器第36页,共64页，2024年2月25日，星期天第37页,共64页，2024年2月25日，星期天384.4.3实际RC滤波器2.实际RC滤波电路及其

基本特性②一阶RC高通滤波器第38页,共64页，2024年2月25日，星期天第39页,共64页，2024年2月25日，星期天402.实际RC滤波电路及其基本特性③RC带通滤波器第40页,共64页，2024年2月25日，星期天第41页,共64页，2024年2月25日，星期天424.4.3实际RC滤波器2.实际RC滤波电路及其基本特性④RC带阻滤波器

（a）T型网络（b）双T型网络第42页,共64页，2024年2月25日，星期天434.4.3实际RC滤波器

2.实际RC滤波电路及其基本特性

⑤

高阶滤波器

滤波器在过渡带内的衰减速率非常慢，性能较差。如要加大衰减率、实现较为陡峭的滤波器边缘，应提高滤波器的阶数，将多个

RC环节或

LC环节级联，可以使滤波器的性能有显著的提高，使过渡带曲线的陡峭度得到改善。但同时也会带来负载效应或耦合影响。第43页,共64页，2024年2月25日，星期天444.4.3实际RC滤波器

2.实际RC滤波电路及其基本特性

⑥

基于运算放大器的有源滤波器

有源滤波器具有很高的输入阻抗和很低的输出阻抗，有利于多级串联，参数调整更加容易，并能方便地在不同滤波器类型之间进行转换。

有源低通滤波器的一个典型应用是在数字信号采集系统中用作抗混滤波。第44页,共64页，2024年2月25日，星期天454.4.4可实现的典型滤波函数实用中的滤波器特性，在通频带内不平坦；在过渡带内不陡直；阻带部分不为零。而滤波器的设计往往是在一定限度内对理想滤波器进行的逼近。由集中参数元件构成的滤波系统，其传递函数和频响函数的一般形式如下。第四章信号的转换与调理第45页,共64页，2024年2月25日，星期天464.4.4可实现的典型滤波函数滤波器阶次n值影响着传递函数特性，对于同一类型的逼近函数，n值越大，逼近特性越好，系统所需元件数量越多越复杂。对理想滤波器的“最佳逼近特性”的标准是根据滤波器性能的不同需要而规定的。可以从幅频特性提出较高的要求，而不考虑相频特性；最常用的滤波器有巴特沃思（Butterworth）、切比雪夫(Chebyshev)和椭圆（Elliptic）滤波器等；也可以只满足相频特性而不必关心幅频特性，贝塞尔(Bessel)滤波器等。第四章信号的转换与调理第46页,共64页，2024年2月25日，星期天474.4.4可实现的典型滤波函数1.巴特沃思滤波器巴特沃思滤波器具有最大平坦幅度特性，随着n值的增大，巴特沃思滤波函数特性逼近理想滤波器。第47页,共64页，2024年2月25日，星期天484.4.4可实现的典型滤波函数2.切比雪夫滤波器通带内等波纹、阻带内单调的滤波器。波纹大小由系数

ε

决定，ε

值越小通带波纹越小，一般小于0.05dB。Tn是第一类切比雪夫多项式。第48页,共64页，2024年2月25日，星期天494.4.4可实现的典型滤波函数3.椭圆滤波器通带和阻带内均为等波纹，能满足过渡过程宽度最小的要求，在给定的性能指标下能以最低的阶次实现。第49页,共64页，2024年2月25日，星期天504.4.4可实现的典型滤波函数4.贝塞尔滤波器又称恒时延滤波器，其相移和频率成正比，即时移τ

值对所有频率为一常数。当通带中要求线性相移时，选择贝塞尔滤波器是最合适的。第50页,共64页，2024年2月25日，星期天51

4.4.5

数字滤波技术模拟滤波器在理论上和实践上都已达到很高的水平，但是在需要更多更灵活以及程序可控制性的场合，数字滤波器得到广泛的应用。数字滤波也称为软件滤波。通过一定的计算程序对采样信号进行平滑加工，减少干扰在有用信号中的比重。可靠性高，稳定性好。第四章信号的转换与调理第51页,共64页，2024年2月25日，星期天524.4.5

数字滤波技术

1.程序判断虑波①限幅滤波第四章信号的转换与调理②限速滤波第52页,共64页，2024年2月25日，星期天534.4.5

数字滤波技术2.递推平均虑波又称算术平均滤波。3.加权递推平均滤波第53页,共64页，2024年2月25日，星期天544.4.5

数字滤波技术

4.动态滤波前述的RC

滤波网络都属于模拟动态滤波。动态滤波器的数字化设计任务，可以通过模拟滤波器的离散化来实现。设计过程如下：①将数字滤波器的技术指标转换为模拟滤波器的技术指标。②设计模拟滤波器G(s)

。③将G(s)转换为数字滤波器G(z)

。可以利用MATLAB信号处理工具箱。第四章信号的转换与调理第54页,共64页，2024年2月25日，星期天554.4.6

滤波原理的综合应用1.滤波器的串联为加强滤波效果，将两个具有相同中心频率的带通滤波器串联，其合成系统的总幅频特性是两滤波器幅值特性的乘积，从而使通带外的频率成分有更大的衰减。高阶滤波器便是由低阶滤波器串联而成的。但由于串联系统的相频特性是各环节相频特性的相加，因此将增加相位的变化，在使用中应加以注意。第四章信号的转换与调理第55页,共64页，2024年2月25日，星期天564.4.6

滤波原理的综合应用2.滤波器的并联用于信号的频谱分析和信号中特定频率成分的提取。将被分析信号输入一组中心频率不同的滤波器，各滤波器的输出便反映了信号中所含的各个频率成分。这组并联的、增益相同而中心频率不同的带通滤波器的带宽，通常有两种不同的构成方法：恒带宽滤波器和恒带宽比滤波器。第四章信号的转换与调理第56页,共64页，2024年2月25日，星期天574.4.6

滤波原理的综合应用2.滤波器的并联第四章信号的转换与调理第57页,共64页，2024年2月25日，星期天584.4.6

滤波原理的综合应用2.滤波器的并联