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1、MEASUREMENT INFORMATION SIGNAL ANALYSIS IN MECHANICAL ENGINEERING 机械工程测试信息信号分析 机械科学与工程学院 机械电子信息工程系 李锡文 xiwenli 轩建平 jpxuan *1 第五章 模拟信号分析 本章内容 5-1 调制 幅度调制、频率调制、相位调制 5-2 滤波器 理想滤波器、因果滤波器 5-3 估值 (自学) Date 2 课件资料下载： 邮箱地址：jxgccs “机械工程测试”每个字拼音的第一个字母 密码：111111 注意下载时不要删除原始文件 *3 一、幅度调制 一、幅度调制 1 调幅与解调原理 调幅过程 正余
2、弦信号乘测试信号 FT变换性质 Date 4 调幅过程 单位冲激函数 的搬移特性 时域 频域 Date 5 同步解调 单位冲激函数 的搬移特性 低通滤波、放大 同步解调：解调 时所乘信号与载 波信号具有相同 的频率和相位 Date 6 抑制调幅 q抑制调幅：调制信号直接与载波信号相乘，具有极 性变化 信号过零线时，幅值由正到负突变，调幅波相位发生180 的相位变化 解调需用同步解调，可反映出原信号的幅值和极性 q非抑制调幅：调制信号偏置，叠加一个直流分量 Date 7 非抑制调幅：调制信号偏置 调幅波的非抑制调幅 正常调制 重叠失真过调失真 非抑制调幅 m1 载波频率f0较低 m1 可采用整流
3、、滤波或包络法检波，可恢复原始信号 Date 8 1、过调失真 直流偏置足够大，调幅指数m1，当m1时，x(t)取最大 负值时，可能使A1+mx0，相位发生180的相位变化 调幅波的波形失真 过调失真 非抑制调幅 m1 Date 9 2、重叠失真 载波频率较低时，正频端的下边带将与负频端的下边带 重叠，类似与频率混叠效应。 f0必须大于信号频率的最 高频率。工程上至少数倍、数十倍 调幅波的波形失真 重叠失真 载波频率f0较低 m1 Date 10 通过系统时的波形失真 调幅波通过系统时的波形失真 边带波被衰减 调幅深度变浅 边带波被放大 调幅深度变深. 理想情况 3、通过系统时的波形失真 调幅
4、波通过系统时，将受到系统频率特性的影响。 Date 11 典型调幅波及其频谱 余弦调制 余弦偏置调制 直流调制 Date 12 典型调幅波及其频谱 周期矩形脉冲调制 任意频限信号调制 矩形脉冲调制 Date 13 幅度调制应用-动态电阻应变仪 单臂电桥 差动半桥 差动全桥 Date 14 二、调频波及其频谱 q 调频：x(t) 幅值调制载波的频率。调频波是一种随信号x(t)的 电压幅值而变化的疏密不同的等幅波。 q 特点：改善了信噪比。 分析表明，调幅时，若干扰噪声与载波同频，则有效地条幅波对干扰 波的功率比(S/N)必须在35dB以上；但在调频时，性能指标相同， S/N 只要6dB。 原因：
5、调频波改善了信号传输过程中的信噪比，调频信号携带的信息 包含在频率变化之中，而干扰主要表现在振幅上。 Date 15 二、调频波及其频谱 q 调频缺点：要求很高的带宽，为调幅的20倍。系统复杂。是 非线性调制，不能运用叠加，分析困难；常近似分析。 q 下图为锯齿波和正弦波的调频。 q 调频波的频率应是一个随信号x(t)幅值变化(对应时间)的频率 。 Date 16 调频波频谱 调频波的频谱 频率调制就是利用瞬时频率d/dt来表示信号的调制； 0是载波中心频率，0 x(t)是载波被信号所调制部分，上 式表明瞬时频率是载波中心频率0与随信号x(t)幅值而变 化的频率0 x(t)之和。 对上式进行积
6、分，x(t)是单一余弦波，是调制信号 调频波的表达式为： Date 17 调频波频谱 q 上式中mf=A0/，称为调频指数，A0是实际变化的频 率幅度，称为最大频率偏移。 q 求得的调频波频谱为： q 调频波的频谱 单一频率调制时，调频波可用载波0与载波的边频(0+n)之和的 形式表示，间隔为； 每一个频率分量的幅值为GJn(mf)； 理论上，边频数目无穷多。有效边频数目为2 (mf+1) Date 18 一、作用与分类 1. 作用 频率分析：选频装置 抑制噪声 5-2 滤波器 图 滤波过程 Date 19 2. 分类 5-2 滤波器 按处理 方法分 硬件滤波 软件滤波 按构成 器件分 无源滤
7、波器 有源滤波器 按所处理 信号分 模拟滤波器 数字滤波器 按频率 特性分 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器 全通滤波器 按传递 函数分 一阶滤波器 二阶滤波器 N 阶滤波器 : Date 20 2. 分类 1) 根据滤波器的选频特性分 5-2 滤波器 低通滤波器幅频特性高通滤波器幅频特性 C是截止频率 低通滤波器(LPFLow Pass Filter)、 高通滤波器(HPFHigh Pass Filter) 带通滤波器(BPFBand Pass Filter)、带阻滤波器(BEFBand Elimination Filter) 全通滤波器(APFAll Pass Filter)
8、 过渡带 过渡带 Date 21 2. 分类 1) 根据滤波器的选频特性分 5-2 滤波器 带通滤波器幅频特性带阻滤波器幅频特性 CL、CH是上下截止频率， 0是中心频率 全通滤波器呢？ 过渡带过渡带 Date 22 2) 按构成元件和供给能量电路性质分 有源 无源 滤波器分类 Date 23 2)按构成元件和供给能量电路性质分 有源 无源 滤波器分类 Date 24 2) 有源、无源滤波器的区别 无源滤波器：由无源元件电阻器R、电抗器L和电容器C组成。 以对某次谐波或其以上次谐波形成低阻抗通路，以达到抑制高 次谐波的作用；滤波器与动态控制的电抗器一起并联，既满足 无功补偿、改善功率因数，又能
9、消除高次谐波的影响。种类有 ：各阶次单调谐滤波器、双调谐滤波器、二阶宽频带与三阶宽 频带高通滤波器等。 优点：投资少、效率高、结构简单及维护方便，广泛用于配电 网中。 缺点：滤波器特性受系统参数影响大，只能消除特定的几次谐 波，而对某些次谐波会产生放大作用，甚至谐振现象等因素。 滤波器分类 Date 25 2) 有源、无源滤波器的区别 有源滤波器(Active Power Filter, APF)：集成运放和R、C组成， 具有不用电感、体积小、重量轻等优点。集成运放的开环电压 增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还 具有一定的电压放大和缓冲作用。但集成运放带宽有限，故有 源滤波
10、电路的工作频率难以做得很高。 a. 能补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功; b. 滤波特性不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐 振的危险； c. 具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化的谐波，即具有高度 可控性和快速响应性。 滤波器分类 Date 26 滤波器分类 q3) RC调谐式滤波器 1阶RC低通滤波器 电路微分方程为： 令=RC，称为时间常数 傅立叶变换，频响函数： 当1/2RC时， ()-相频特性近似于一条通过原点的直线 当=1/2RC时， ， c2=1/2RC上截止频率: |H(j)|= A()1， A() =1/ Date 27 滤波器分类 q3) RC调谐式滤波器 1阶R
11、C高通滤波器 电路的微分方程为： 令RC=代入，作傅立叶变换，得频响函数 当=1/2，即 =1/2RC时， 当1/2RC时， 下截止频率： c1=1/2RC A() =1/ A() 1，()=0 Date 28 滤波器分类 q3) RC调谐式滤波器 RC带通滤波器 可以看成是低通和高通两个滤波器串联而成。 Date 29 高通 低通 频响函数 幅频特性和相频特性 c2=1/22=1/2R2C2 上截止频率: 下截止频率： c1=1/21=1/2R1C1 一阶RC带通滤波器 一阶RC带通滤波器 Date 30 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f0与带宽B之间的数值关系，可
12、以分为两种。 2) 恒宽比带通滤波器 1) 恒带宽带通滤波器 恒带宽、恒带宽比滤波器 Date 31 品质因素Q 相同Q值（恒宽比），中心频率n越大 ，带宽B越大 恒宽比带通滤波器 恒宽比带通滤波器 Date 32 n为倍频程数 若n=1为倍频程滤波器； 推导 c2=2n c1 n2=2n n1 Date 33 带宽越窄，分 辨力越高。 低频分辨力较高， 高频分辨力较低. 信号通带越宽，需要的恒带宽滤波器越多。 恒带宽滤波器：带宽为20Hz Date 34 例 ： 设有一信号是由幅值相同而频率分别为=940Hz和 =1060Hz的两正弦信号合成，其频谱如图所示 (a)实际信号 (b)用倍频程滤
13、波器分析结果 (c)用1/10倍频程滤波器分析结果 (d) 用恒带宽滤波器分析结果 举例 Date 35 案例：机床轴心轨迹的滤波处理 滤波器应用-机床轴心轨迹的滤波处理 Date 36 案例：机床轴心轨迹的滤波处理 滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律 滤波器应用-机床轴心轨迹的滤波处理 Date 37 钢管无损探伤实验 滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警 滤波器应用-钢管无损探伤实验 Date 38 滤波器分类 q4) 有源低通滤波器 主要技术指标 （1）通带增益Avp 通带增益是指滤波器在通频带内的 电压放大倍数，如图所示。性能良好的 LPF通带内的幅频特性曲线是平坦的，
14、阻带内的电压放大倍数基本为零。 （2）通带截止频率fp 其定义与放大电路的上限截止频 率相同。通带与阻带之间称为过渡带， 过渡带越窄，说明滤波器的选择性越好 。 图 LPF的幅频特性曲线 Date 39 滤波器分类 q4) 有源低通滤波器 一阶低通滤波器(LPF) 同相比例放大器的增益，即通 带增益为： 电路的传递函数为： 电路特点:具有较高输入电阻和 较低的输出电阻，还具有电压放 大作用。由于式中s为一次幂， 所以称一阶LPF。 uo u+ ui 电路由RC低通网络和同相比 例放大器组成， Date 40 在一阶LPF传递函数中，令s=j有 式中为低通截止频率。 其对数幅频特性为： 对数幅频
15、特性曲线如图所示 -3 -20dB/十倍频 一阶低通有源滤波器 图 一阶LPF的幅频特性曲线 优点：结构简单； 缺点：过渡区衰减太慢，衰减斜率仅为 -20dB/十倍频，故只能用于滤波要求不 高的场合 Date 41 q4) 有源低通滤波器 简单二阶低通有源滤波器 简单二阶低通有源滤波器 二级RC u+ uo 图 简单二阶LPF 一级RC 为使输出电压在高频段 以更快的速率下降，以改善 滤波效果，再加一阶RC低通 滤波环节，称为二阶有源滤 波器。它比一阶低通滤波器 的滤波效果更好，它能提供- 40dB/十倍频的衰减。二阶 LPF的电路图如图所示。 同相比例运 算电路 Date 42 （1）通带增益 当 f = 0, 或频率很低时，各电容器可视为开路，通带 内的增益为 （2）二阶低通有源滤波器传递函数 取C1=C2=C，根据
