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1、测试技术基础,测试技术基础,第十三章 测试信号的转换与调理,信号的调制与解调 信号的滤波,本章内容：,测试技术基础,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。,前言,13.1 调制与解调,1 目的,解决微弱缓变信号放大以及信号传输问题。,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
2、的输出信号中提取出放大后的缓变信号。,例：交流电桥,13.1 调制与解调,调制：利用某种信号来控制或改变另一信号(高频的正、余弦或方波)的某个参数(幅值、频率或相位)的过程。可分为调幅、调频和调相。 调制波：调制中的控制信号(低频信号) 载波：载送低频信号的高频信号(正、余弦或方波) 已调制波：经调制所得的高频信号(调幅波、调频波和调相波) 解调：从已调制波中恢复出原有低频调制信号的过程,2 基本概念,13.1 调制与解调,3 种类,调制信号,载波信号,13.1 调制与解调,根据载波受调制参数不同，可分为三类。,a) 幅度调制(AM),b) 频率调制(FM),c) 相位调制(PM),13.1
3、调制与解调,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。,4 幅值调制,幅度调制与解调过程(波形分析),乘法器,放大器,x(t),z(t),y(t),乘法器,滤波器,z(t),x(t),4 幅值调制,幅度调制与解调过程(频谱分析),乘法器,放大器,x(t),z(t),y(t),乘法器,滤波器,z(t),x(t),4 幅值调制,幅度调制与解调过程（数学分析）,乘法器,放大器,x(t),z(t),y(t),乘法器,滤波器,z(t),x(t),4 幅值调制,解调方法之一：同步解调,解调时，所乘信号必须保证其频率和相位与原载波信号相同，故称同步解调。,5
4、幅值解调,解调方法之二：整流检波,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。,调幅之前,5 幅值解调,解调,二极管检波,低通滤波,调幅,5 幅值解调,相敏检波是利用交变信号在过零位时正、负极性发生突变，使调幅波相位（与载波信号比较）也相应地产生180相位跳变，从而既反映原信号的幅值又反映其相位。 特点: (1) 可以鉴别调制信号的极性； (2) 不必对调制信号加直流偏置。,解调方法之三：相敏检波,5 幅值解调,解调：相敏检波,5 幅值解调,典型相敏检波电路,(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变化。,0,6
5、幅值调制的失真,(b) 重叠失真：当载波频率f 0 小于被测信号最高频率f m 时，调幅波频谱将出现频率重叠 要求： f 0f m,6 幅值调制的失真,动态电阻应变仪,电桥由振荡器提供等幅高频振荡电压（相当于载波）。被测量(力、应变等，相当于调制波)通过电阻应变片控制电桥输出。电桥输出为调幅波，放大后，经相敏检波与低通滤波，提取出被测信号。,7 幅值调制与解调的应用,8 频率调制与解调,调频是利用信号x(t)的幅值调制载波的频率。因此，调频波是一种等幅波，但其疏密度（即频率）随信号x(t)的幅值变化而变化。,13.1 调制与解调,锯齿波调频,正弦波调频,8 频率调制与解调,13.1 调制与解调
6、,鉴频：,变压器耦合的谐振回路鉴频,第一步： 先将等幅调频波转换为幅值随频率变化的调频调幅波;,调频波的解调称为鉴频或频率检波,第二步： 检测幅值的变化，得到原调制信号。,8 频率调制与解调,鉴频：,8 频率调制与解调,回路输入为等幅调频波，当频率偏离谐振频率时，输出幅值随之下降。通常在谐振回路特性曲线的亚谐振接近直线段进行频率电压变换。 频率与 相同，幅度受 频率变化而变化。,优点：抗干扰能力强。,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；频率调制是一种非线性调制，调频系统较之调幅系统更为复杂。,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，而外界干扰主要影响信号的幅值
7、。,缺点：占频带宽度大，复杂,8 频率调制与解调,滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。,13.2 滤波,Krohn-Hite 滤波器,1 滤波器分类（根据滤波器选频作用）,低通,高通,13.2 滤波,带通,带阻,1 滤波器分类（根据滤波器选频作用）,13.2 滤波,2 滤波器的串/并联,低通滤波器和高通滤波器是两种最基本的滤波器形式，其它滤波器可看做为这两种滤波器的组合。,低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器,低通滤波器与高通滤波器的串联为带通滤波器,13.2 滤波,3 理想滤波器,理想滤波器指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内频率成分都衰
8、减为零的滤波器。,13.2 滤波,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 为 函数。脉冲响应的波形沿横坐标向左、右无限延伸。,3 理想滤波器,给理想滤波器一个脉冲激励，在 时刻单位脉冲输入滤波器之前，滤波器就已有响应了。故物理不可实现。,理想滤波器的单位阶跃响应,滤波器阶跃响应的建立时间和带宽成反比。 通带越宽，衰减的高频分量越少，信号能量更多、更快地通过，因此建立时间越短。 滤波器的带宽表示它的频率分辩能力。通带窄，则分辨力高滤波器的高分辩能力与测量时的快速响应要求相矛盾。,3 理想滤波器,4 实际滤波器,理想滤波器是不存在的，实际滤波器幅频特性中通带和阻带间没有严格界限
9、，存在过渡带。,13.2滤波,1) 截止频率 ： 所对应的频率。 2) 纹波幅度 ：绕幅频特性均值 波动值 3) 带宽 和品质因数 ：上下两截止频率间的范围称为带宽。中心频率和带宽之比称为品质因数 。,4 实际滤波器,4) 倍频程选择性W 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。,倍频程衰减量以dB/oct表示(Octave，倍频程)。衰减越快(即W值越大)，滤波器的选择性越好。,4 实际滤波器,5 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与带宽之间的关系，可分为两种。,13.2 滤波,1) 恒带宽带通滤波器 中心
10、频率为上下截止频率的算术平均值。,5 恒带宽、恒带宽比滤波器,2) 恒带宽比带通滤波器 中心频率为上下截止频率的几何平均值。 带宽与中心频率的比值称相对宽度。,5 恒带宽、恒带宽比滤波器,倍频程滤波器,5 恒带宽、恒带宽比滤波器,6 滤波电路,(1) 无源滤波器 由无源器件（R、L、C）构成的滤波器。 带载能力差，当负载变化时，其放大倍数和通带截止频率均发生变化，往往不能满足信号处理的要求。 (2) 有源滤波器 由有源器件（三极管、场效应管、集成运放）构成的滤波器。 广泛采用带有深度负反馈的集成运放。由于集成运放具有高输入阻抗、低输出阻抗的特性，使滤波器输出和输入间有良好的隔离，便于级联，以构
11、成滤波特性好或频率特性有特殊要求的滤波器。,在测试系统中信号频率相对不高，常用RC滤波器。RC滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且可选用标准阻容元件。,1) 一阶RC低通滤波器,6 滤波电路,6 滤波电路,1) 一阶RC低通滤波器,2) 一阶RC高通滤波器,6 滤波电路,3) RC带通滤波器,6 滤波电路,一阶有源低通滤波器,带载或不带载时都有：,6 滤波电路,7 滤波器的应用,案例：旅游索道钢缆检测,13.2 滤波,7 滤波器的应用,案例：旅游索道钢缆检测,13.2 滤波,典型案例：滤波在钢管无损探伤中应用,滤除信号中零漂和低频振动，便于门限报警,7 滤波器的应用,案例：机床轴心轨迹的滤波处理,7 滤波器的应用,案例：机床轴心轨迹的滤波处理,滤除信号中高频噪声，便于观察轴心运动规律,7 滤波器的应用,
