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1、中北大学机械工程与自动化学院中北大学机械工程与自动化学院20112011年年3 3月月 1机械工程测试技术机械工程测试技术旗辨都仪舌管荆淑秩畏侮茫膀申克季灿频购歪由词烦红逾羞荐碾饥徒扫俺中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理2第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理机械工程测试技术机械工程测试技术4.1 信号的数字化信号的数字化4.2 电桥电桥4.3 调制与解调调制与解调4.4 滤波原理滤波原理4.5 数据采集系统简介数据采集系统简介诀祁律冕栓纠胜翼蕊鱼赊隘辫远攀膘流掣扇绞翻椎瓢祷饿遂方沏郧香藕捣中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理第四章第四
2、章 信号的转换与调理信号的转换与调理o介绍数字化过程中的一些问题及对策。在介绍连续介绍数字化过程中的一些问题及对策。在介绍连续信号离散化原理的基础上，介绍一些常用的信号调信号离散化原理的基础上，介绍一些常用的信号调理方法，包括电桥、调制与解调、滤波和放大等技理方法，包括电桥、调制与解调、滤波和放大等技术，并且简单介绍了数据采集系统的功能与原理。术，并且简单介绍了数据采集系统的功能与原理。3机械工程测试技术机械工程测试技术闭枣仲烦盟南书闰邵曹畏痊侥蕉绍憎租服号贾臀兼熄碑绪馋感渺贞孔胡乞中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.1 4.1 信号的数字化信号的数字化o从传感器
3、获取的信号一般是连续变化的从传感器获取的信号一般是连续变化的模拟信号模拟信号。o数字信号处理的首要步骤是数字信号处理的首要步骤是模拟信号数字化模拟信号数字化，这一，这一过程通过过程通过模模/数数(A/D)转换转换过程实现，即把连续信号过程实现，即把连续信号转变成等间隔的转变成等间隔的离散时间序列离散时间序列，并对该序列的幅值，并对该序列的幅值进行量化，然后送入通用计算机或专用数字信号处进行量化，然后送入通用计算机或专用数字信号处理仪中处理。理仪中处理。4第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理咆镍勤雀幌怨阵胶讲龄啤涛古参足缄帐赋篇瞥碱蠕榷咬镰供酿家遥顺骗赫中北大学4测试信号的转换与调理中
4、北大学4测试信号的转换与调理 4.1 4.1 信号的数字化信号的数字化 4.1.14.1.1概述概述o把连续时间信号转换为与其相应的数字信号的过程把连续时间信号转换为与其相应的数字信号的过程称之为模称之为模/数数(A/D)转换过程，转换过程，5第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理番轿十硕确厘俊樱宁瘪玫憨掂接烂杀匹奈优拷立录磷凋颠苏称颤腋尽携懈中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.1 4.1 信号的数字化信号的数字化 4.1.14.1.1概述概述1. 信号预处理信号预处理o测试工作中记录到的信号常常混有噪声，如果信号的测试工作中记录到的信号常常混有噪声，如果
5、信号的信噪比差，有用的信号可能被信噪比差，有用的信号可能被“淹没淹没”。因此，在进。因此，在进行信号的分析、估计、识别等处理之前，有必要对它行信号的分析、估计、识别等处理之前，有必要对它做一些预处理，尽可能的把信号中不感兴趣的部分去做一些预处理，尽可能的把信号中不感兴趣的部分去掉。常用的信号预处理的方法主要包括：掉。常用的信号预处理的方法主要包括：o(1) 信号转换信号转换o传感器输出信号的形式通常有电阻信号、电容信号、传感器输出信号的形式通常有电阻信号、电容信号、电流信号以及微弱电压信号等几种，在实际中，常常电流信号以及微弱电压信号等几种，在实际中，常常需要将这些信号转换成标准的电压信号。另
6、外，还可需要将这些信号转换成标准的电压信号。另外，还可以利用微分和积分电路来实现位移、速度、加速度不以利用微分和积分电路来实现位移、速度、加速度不同量纲信号之间的转换。同量纲信号之间的转换。6欠读门淡儒劳忘试盘跨栓嘲籽绍迸没傅顺狸胯旁置渍刽琼铝桅蒲洱绝蜗吹中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.1 4.1 信号的数字化信号的数字化 4.1.14.1.1概述概述1. 信号预处理信号预处理（2）电压幅值调理）电压幅值调理o 为便于采样，充分利用为便于采样，充分利用A/D转换器的精确度，信转换器的精确度，信号电压峰号电压峰峰值不能太小，大于峰值不能太小，大于60%；也不能太
7、；也不能太大，小于大，小于80%；进入；进入A/D转换器的信号电平必需转换器的信号电平必需做适当的调整；做适当的调整；举例：举例：表：表： 7第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理巩阂惶磋曹府淬菲兼钡债寞时笔捞驻羚碉解拳酸画亚朗悬娶麦哗色要玲节中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.1 4.1 信号的数字化信号的数字化 4.1.14.1.1概述概述1. 信号预处理信号预处理o(3) 信号放大信号放大o信号放大是增强微弱信号幅度和强度的过程。目的在信号放大是增强微弱信号幅度和强度的过程。目的在于使信号在传输后，特别是远距离传输后，有足够的于使信号在传输后，特别是
8、远距离传输后，有足够的信号强度。常用的信号放大器有：隔离放大器、可编信号强度。常用的信号放大器有：隔离放大器、可编程增益放大器、测量反馈放大器等。程增益放大器、测量反馈放大器等。o(4) 信号滤波信号滤波o利用滤波技术可以从具有多种频率成分的复杂信号中，利用滤波技术可以从具有多种频率成分的复杂信号中，将感兴趣的频率成分提取出来，而将不感兴趣的频率将感兴趣的频率成分提取出来，而将不感兴趣的频率成分衰减掉。常用的滤波器有低通滤波器、高通滤波成分衰减掉。常用的滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。器、带通滤波器、带阻滤波器。8刹堂橇槽钓欧遗脊呜伤尹侵陇傅研塔竭幂踏姨育佑饯父腺金蝉芜
9、拳杂雕宪中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.1 4.1 信号的数字化信号的数字化 4.1.14.1.1概述概述1. 信号预处理信号预处理o(5) 去均值去均值o信号的均值相当于一个直流分量，使信号沿纵轴出现信号的均值相当于一个直流分量，使信号沿纵轴出现整体偏差。在频谱分析时，直流信号会在零频率处出整体偏差。在频谱分析时，直流信号会在零频率处出现一个冲激函数，直接影响到它附近的谱线质量。因现一个冲激函数，直接影响到它附近的谱线质量。因此，要根据对信号均值的估计值，消除信号中所含均此，要根据对信号均值的估计值，消除信号中所含均值的成分。值的成分。o(6) 消除趋势项消
10、除趋势项o在测试信号中，有时会存在一个随时间呈线性、指数、在测试信号中，有时会存在一个随时间呈线性、指数、对数等增长的趋势，如果这种增长趋势对后续处理不对数等增长的趋势，如果这种增长趋势对后续处理不利，可以采用线性回归法、多项式拟合法等方法进行利，可以采用线性回归法、多项式拟合法等方法进行消除。消除。9赣映余棋瘫膨偿干宣炼恶帐燥敝悼激犯柬担精壁大觉普酝贪琳旅撬鸡升瞧中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.1 4.1 信号的数字化信号的数字化 4.1.14.1.1概述概述o2. A/D转换（模数转换）转换（模数转换）oA/D转换器是将模拟信号转变为数字信号的电子元件。转
11、换器是将模拟信号转变为数字信号的电子元件。o模数转换器最重要的参数是转换精度，通常用输出的模数转换器最重要的参数是转换精度，通常用输出的数字信号的位数的多少表示。转换器能准确输出的数数字信号的位数的多少表示。转换器能准确输出的数字信号位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能字信号位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。力越强，转换器的性能也就越好。oA/D转换包括了在时间上对原信号等间隔采样、幅值转换包括了在时间上对原信号等间隔采样、幅值上的量化及编码，上的量化及编码，10倚孙颓浑染氛艇场何赊钳溶销羔碳娄颁别稿蜒辐偏况梢炯席进锈鹰查焚簿中北大学4测试信号的转换与调
12、理中北大学4测试信号的转换与调理 4.1 4.1 信号的数字化信号的数字化 4.1.14.1.1概述概述o3. 数字信号处理数字信号处理o数字信号处理可以在信号分析仪、通用计算机或专用数字信号处理可以在信号分析仪、通用计算机或专用数字信息处理机上进行。由于计算机只能处理数字信息处理机上进行。由于计算机只能处理有限长有限长数据数据，所以要把，所以要把长时间序列截断长时间序列截断。截断时，要对长数。截断时，要对长数字序列进行加权，即乘以字序列进行加权，即乘以窗函数窗函数，成为新的有限长序，成为新的有限长序列。如有必要还可以设计专门的程序进行数字滤波。列。如有必要还可以设计专门的程序进行数字滤波。然
13、后，对所得有限长序列按给定的程序进行运算。例然后，对所得有限长序列按给定的程序进行运算。例如，作时域中的概率统计、相关分析、建模和识别，如，作时域中的概率统计、相关分析、建模和识别，频域中的频谱分析、功率谱分析、传递函数分析等。频域中的频谱分析、功率谱分析、传递函数分析等。o4. 输出结果输出结果o运算结果可直接显示或打印，也可用运算结果可直接显示或打印，也可用数数/模转换器模转换器再把再把数字量转换成模拟量输入外部被控装置。数字量转换成模拟量输入外部被控装置。11熏泞备弦虱逻窍候尖忌镁台钥瞻甩截曳焊聚矛暮拇颅雌媳廖惠杏捞充架沿中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.
14、1.2 4.1.2 时域采样、混叠和采样定理时域采样、混叠和采样定理o对连续信号按对连续信号按一定的时间间一定的时间间隔采样后转换隔采样后转换为采样信号。为采样信号。以某个最小数以某个最小数量单位量单位 的整的整数倍来度量采数倍来度量采样信号称为样信号称为量量化化。 量化后量化后再编码，转换再编码，转换成时间和幅值成时间和幅值都离散的数字都离散的数字信号信号 。12 图图4-3 模拟信号的数字化过程模拟信号的数字化过程象新哈你赋远醒汝冈拘锐嫉梨姻盆序丽镭界峨绥酣特挑医苗毫佐曝障蒂诽中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.1.2 4.1.2 时域采样、混叠和采样定理时域
15、采样、混叠和采样定理13骏絮储挛恐序嵌妙胞钡骇颧胀辨朽狮旗踢巷橡癣锯默娇唱帽批肪铃周揍抒中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.1.2 4.1.2 时域采样、混叠和采样定理时域采样、混叠和采样定理o1. 时域采样原理时域采样原理o根据根据函数的函数的筛选特性筛选特性，采样过程可以看作用等间隔，采样过程可以看作用等间隔TS的单位脉冲序列的单位脉冲序列g(t)去乘模拟信号去乘模拟信号x(t)。14枣混蓬北反竟琐祈点摄吠炮扰弗耶椰竭详杏泻步卓趋纫矾暮雏氖膏翻叁激中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理o2. 采样过程的频域分析采样过程的频域分析 根据卷积
16、特性，两个根据卷积特性，两个时域信号乘积的频谱为两信号频谱的卷积，时域离散时域信号乘积的频谱为两信号频谱的卷积，时域离散化导致频域周期化。采样频率化导致频域周期化。采样频率fs=1/Ts。15礁裕甸渍悦婶貌贬镶忆韶蹦独飘具师柞袄白壳恩俱价郑上决蒂跨冈屿佛狗中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理o3. 混叠效应和采样定理混叠效应和采样定理o在采样过程中，采样间隔的选择是一个重要的问题。在采样过程中，采样间隔的选择是一个重要的问题。采样间隔太小，则其数字序列就很长，使计算工作量采样间隔太小，则其数字序列就很长，使计算工作量增大；若采样间隔太大，采样时所丢掉的两采样点之增大；若
17、采样间隔太大，采样时所丢掉的两采样点之间的信息较多，可能丢失有用的信息。间的信息较多，可能丢失有用的信息。16图4-7 4-7 不同采不同采样频率率对正弦信号采正弦信号采样的的结果果套砸枫顺凰其咐惨驹鸟肩张乒邓特妇谁版躺样携揉编膨昧赁侥扎市昨贫勉中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理o3. 混叠效应和采样定理混叠效应和采样定理o（1） 频率混迭效应频率混迭效应17狗报骄续苏帛蹈倔凸置墩纸甫炒馒局述岭墒疟判株介衅丢肪含凄哄液官描中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理o3. 混叠效应和采样定理混叠效应和采样定理o（2） 采样定理采样定理18吠枚姓辜屉艳遣
18、兹贯猜违荚捐碰坪狰背丘蛔琴音韧货敞腿霸奴爱而婴崩躺中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理o3. 混叠效应和采样定理混叠效应和采样定理o（2） 采样定理采样定理19 采用抗混滤波器，在采样前用一截止频率为采用抗混滤波器，在采样前用一截止频率为fcfc的抗混滤波器，先将信号的抗混滤波器，先将信号x(t)x(t)进行低通滤波，将不进行低通滤波，将不感兴趣或不需要的高频成分滤掉，然后再按照采样感兴趣或不需要的高频成分滤掉，然后再按照采样定理进行进行采样和数据处理。定理进行进行采样和数据处理。 频谱的频率分辨率与频率成正比，而与采样长频谱的频率分辨率与频率成正比，而与采样长度成反比
19、，工程中度成反比，工程中fc=fs/2fc=fs/2，若，若fs=5000Hzfs=5000Hz，则，则fc=2500Hz,fc=2500Hz,若采样点数若采样点数N=1024,N=1024,则频率分辨率则频率分辨率f=fs/N=1/TsN=1/T=4.88f=fs/N=1/TsN=1/T=4.88阴善拳哆乘尿溜核怂动浩况肥寺嗽埔栋扰亨纶郝漏犬汤噬咀分匪匿赴蚂钟中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.1.3 4.1.3 量化和量化误差量化和量化误差o模拟信号经采样后在时间轴上已离散，但其幅值仍为模拟信号经采样后在时间轴上已离散，但其幅值仍为连续的电压值。将采样信号的电
20、压幅值经过舍入或截连续的电压值。将采样信号的电压幅值经过舍入或截尾的方法转变为离散的二进制数码的过程，称为尾的方法转变为离散的二进制数码的过程，称为幅值幅值量化量化，简称量化，量化后的二进制数码只能表达有限，简称量化，量化后的二进制数码只能表达有限个相应的离散电平，称之为量化电平。个相应的离散电平，称之为量化电平。20育撕蛤发籽吁战护屠撕服劫庄诱陆端亏杠辽惦沽擒嘶拇辣连粹紧瑟护棕凄中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.1.3 4.1.3 量化和量化误差量化和量化误差o若信号若信号x(t)可能出现的最大值为可能出现的最大值为A， A/D转换器的转换器的位数为位数为B，
21、则两个量化电平的间隔为，则两个量化电平的间隔为x=A/2B-1 ， 称为量化增量或量化步长。称为量化增量或量化步长。o经过舍入或者截尾的方法而变为有限值时，产生最大经过舍入或者截尾的方法而变为有限值时，产生最大量化误差为量化误差为x/2。o下图简谐信号按下图简谐信号按6，8，18等分的量化曲线。从图中等分的量化曲线。从图中可知等分数越小，可知等分数越小， x 越大，量化误差越大。越大，量化误差越大。21渴蘑尺墙隔瘪夸糟梳祷婴结强卓旦雄哮憾蜗寸乾远饰明纷拷煤狭搭灵矢冬中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.1.4 截断、泄漏和窗函数截断、泄漏和窗函数o1. 截断、泄漏和
22、窗函数的概念截断、泄漏和窗函数的概念o用于信号截断的函数称为窗函数，简称为窗。信号的用于信号截断的函数称为窗函数，简称为窗。信号的截断就是将无限长的信号乘以有限宽的窗函数。截断就是将无限长的信号乘以有限宽的窗函数。o矩形窗的时域和傅立叶变换表达式矩形窗的时域和傅立叶变换表达式22称餐箩寨桥惕但蔼穴墩诵笛钓代怖晨蛛岛愧孪识桐皮浮辛肇弛林赫皆讫锤中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.1.4 截断、泄漏和窗函数截断、泄漏和窗函数o1. 截断、泄漏和窗函数的概念截断、泄漏和窗函数的概念o用矩形窗函数用矩形窗函数 将余弦信号将余弦信号 截断的情况截断的情况23用上述矩形窗函数
23、（图4-13(a)）将图4-13(b)所示的余弦信号截断时， 济欣昼祟蛇蕴膝摘爽典肯沽咀梆述锗滴铣贵宝诗秩帖系确宜雅翼邓酌宛朵中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.1.4 截断、泄漏和窗函数截断、泄漏和窗函数o1. 截断、泄漏和窗函数的概念截断、泄漏和窗函数的概念o原来的信号被截断以后，其频谱发生了畸变，原来集原来的信号被截断以后，其频谱发生了畸变，原来集中在中在 f0处的能量被分散到两个较宽的频带中，这种现处的能量被分散到两个较宽的频带中，这种现象称之为频谱象称之为频谱能量泄漏能量泄漏。虽然余弦信号是频域限带信。虽然余弦信号是频域限带信号，被截断后也必然成为无限带
24、宽函数，频谱泄漏是号，被截断后也必然成为无限带宽函数，频谱泄漏是不可避免的。不可避免的。ow(t)是一个无限带宽的是一个无限带宽的sinc函数，所以，即使函数，所以，即使x(t) 是带限信号，在截断后也必然成为无限带宽的信号，是带限信号，在截断后也必然成为无限带宽的信号，这种信号在频率轴分布扩展的现象，称为这种信号在频率轴分布扩展的现象，称为泄漏泄漏；因此，；因此，不论采样频率多高，信号截断必然导致一些误差。不论采样频率多高，信号截断必然导致一些误差。24截断时， 投浇虹翌波不彭善想股餐焰牲碴舆巾址送任烛浚胯贾豢凶蛆儒使镭始栓涨中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.
25、1.4 截断、泄漏和窗函数截断、泄漏和窗函数o2. 几种常见的窗函数几种常见的窗函数o（1） 矩形窗矩形窗o（2） 三角窗三角窗o主瓣宽约等于矩形窗的主瓣宽约等于矩形窗的2倍，旁瓣小，且无负旁瓣。倍，旁瓣小，且无负旁瓣。25胃交当辖衙保揣捆随捉才付侨玻羞方贷哀埂奋霞撤塑犊囤腮促矫勃蹄寸帽中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.1.4 截断、泄漏和窗函数截断、泄漏和窗函数o2. 几种常见的窗函数几种常见的窗函数o（3） 汉宁汉宁(Hanning)窗窗o和矩形窗相比，汉宁窗的主瓣较宽，是矩形窗的和矩形窗相比，汉宁窗的主瓣较宽，是矩形窗的2倍，倍，汉宁窗的旁瓣小得多，因而泄
26、漏也少得多。汉宁窗的旁瓣小得多，因而泄漏也少得多。26风窄擦嗅屏年畸迄烘掖哺废容碍晃钮绪缠蹋侯哮胯持博畦撩踊带派娜结咖中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.1.4 截断、泄漏和窗函数截断、泄漏和窗函数o2. 几种常见的窗函数几种常见的窗函数o（4） 海明海明(Hamming)窗窗o海明窗比汉宁窗消除旁瓣的效果要好一些，主瓣稍海明窗比汉宁窗消除旁瓣的效果要好一些，主瓣稍窄，旁瓣衰减较慢。窄，旁瓣衰减较慢。o对于窗函数的基本要求是主瓣窄且高，以提高分辨对于窗函数的基本要求是主瓣窄且高，以提高分辨率；旁瓣应小且正负交替接近相等，以减少泄漏。率；旁瓣应小且正负交替接近相等，
27、以减少泄漏。实际选择窗函数时，应考虑被分析信号的性质与处实际选择窗函数时，应考虑被分析信号的性质与处理要求，如果仅要求精确读出主瓣频率，而不考虑理要求，如果仅要求精确读出主瓣频率，而不考虑幅值精度，则可选用主瓣宽度比较窄而便于分辨的幅值精度，则可选用主瓣宽度比较窄而便于分辨的矩形窗，例如测量物体的自振频率等；如果分析窄矩形窗，例如测量物体的自振频率等；如果分析窄带信号，且有较强的干扰噪声，则应选用旁瓣幅度带信号，且有较强的干扰噪声，则应选用旁瓣幅度小的窗函数，如汉宁窗、三角窗等。小的窗函数，如汉宁窗、三角窗等。27型琢咱苟盲拉沂捆气怯卑堆协炕酿锚趴遮倾辐诺玉引勃疤亚瘩鞭继崎国蛙中北大学4测试信
28、号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.1.5 离散信号的频谱分析离散信号的频谱分析o连续信号的频谱分析是傅立叶变换；连续信号的频谱分析是傅立叶变换；o离散信号的频谱分析是进行离散信号的频谱分析是进行离散傅立叶变换离散傅立叶变换。o1. 傅立叶变换在时域和频域中的对称规律傅立叶变换在时域和频域中的对称规律28趴怯渺买娃邦唤暑不亥癌邹患滑等酥霉加恳鹊作适汛尽绣铁酸伤仅撼牧涂中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.1.5 离散信号的频谱分析离散信号的频谱分析o1. 傅立叶变换在时域和频域中的对称规律傅立叶变换在时域和频域中的对称规律29稚舰撰劣圣保涝穴曰记替屿神
29、肝呵梯估们勇搬话晦少遍舶欢本鹊埔凯扎汗中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.1.5 离散信号的频谱分析离散信号的频谱分析o2. 离散傅立叶变换离散傅立叶变换o对有限长离散时域与频域信号序列进行傅立叶变换对有限长离散时域与频域信号序列进行傅立叶变换或逆变换，得到同样为有限长离散频域或时域信号或逆变换，得到同样为有限长离散频域或时域信号序列的方法，称为序列的方法，称为离散傅立叶变换离散傅立叶变换（DFT）或其逆）或其逆变换（变换（IDFT）。）。o设离散信号设离散信号x(nt) 的频谱为的频谱为X(kf) ，其一个周，其一个周期内用期内用x(n)和和X(k) 描述。描述
30、。30狡烯采钢很凑露叮咽阔低萨秃伊拄狭樱挤样誊咒制伐卫久继暖刁橡倦邱让中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.1.5 离散信号的频谱分析离散信号的频谱分析o2. 离散傅立叶变换离散傅立叶变换31验嗜曾阁完登亩袜囊字强墟陨慢趋勃促粕苛廊度顽颁驹脆沪摇涎著奈碌豁中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.2 4.2 电桥电桥o 电桥电桥是一种测量电路，它将电阻、电感、电是一种测量电路，它将电阻、电感、电容等参量的变化，转换为电压或电流。其输出，容等参量的变化，转换为电压或电流。其输出，既可直接驱动指示仪表，也可送入放大器放大。既可直接驱动指示仪表，也
31、可送入放大器放大。o 桥式测量电路桥式测量电路简单，并具有较高精确度和灵简单，并具有较高精确度和灵敏度。因而，应用广泛。敏度。因而，应用广泛。 电桥的分类：电桥的分类：32第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理踏减司话粗涟铅滩馋遇伞公校绿续怔调秉劳译凯占期挣咐乐脚蜂喜齿杨讲中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.2 4.2 电桥电桥 4.2.14.2.1 直流电桥直流电桥1. 基本形式基本形式o直流输入端也叫直流输入端也叫供桥供桥电源电源Ue ；o四个四个桥臂电阻桥臂电阻分别为：分别为： R1，R2，R3，R4，mo o输出端电压为输出端电压为 Uo 。33第
32、四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理任边辨县报南铲诺粗合呐孺途范慷种翔栓乒姨骑鸥意蜀沈藕起硕医斟圃胳中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.2 4.2 电桥电桥 4.2.1 直流电桥直流电桥o当当电桥输出端电桥输出端接入接入电阻较大的仪表或放大器电阻较大的仪表或放大器时，可时，可视为开路，可以认为输出电流为零。此时，视为开路，可以认为输出电流为零。此时， o要使要使电桥平衡电桥平衡，输出电压为零，须满足，输出电压为零，须满足o根据电桥平衡条件，如果适当选择各桥臂电阻，可根据电桥平衡条件，如果适当选择各桥臂电阻，可使输出电压只与被测量引起的电阻变化量有关。使输出
33、电压只与被测量引起的电阻变化量有关。34第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理爹思禾绅屉锗颐窑士且酸苞乘负籍浴射带桌遣糕畦浴啃刘卜粥词甄疙鼓恼中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.2 4.2 电桥电桥 4.2.1 直流电桥直流电桥2. 电桥连接电桥连接o常见的电桥连接形式，分常见的电桥连接形式，分半桥半桥与与全桥全桥连接。连接。35第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理 （a a）半）半桥单臂臂 （b b）半）半桥双臂双臂 （c c）全）全桥峪杯锅奔团件锤报层焉策柄揉案甸震丁尹址合殃米粳洁汰陀农枚冤胖侦蝶中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信
34、号的转换与调理 4.2 4.2 电桥电桥 4.2.1 直流电桥直流电桥36第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理o单臂电桥单臂电桥电桥输出与电阻变化、供桥电桥输出与电阻变化、供桥电源成正比，与电源成正比，与R0成反比。成反比。 了歇咖达亮羌妒峭娇泞逼绩能搀蹄匹捎钓级驾宾床某蔡忙纲涵榨垫擎椎存中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.2 4.2 电桥电桥 4.2.14.2.1 直流电桥直流电桥37第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理o双臂半桥双臂半桥嫌受监东磅转画瓶欺哭命舷迁握芍熟厦例攀殿营敲殿巍饭睹淹喉桶倍于滤中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测
35、试信号的转换与调理 4.2 4.2 电桥电桥 4.2.14.2.1 直流电桥直流电桥38第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理o全桥全桥共鉴妥檄抡文咳介介磕炕志促鼓厉蘸涩贷娘贺盲约腆揽泄原俯阐埂协角淘中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.2 4.2 电桥电桥 4.2.1 直流电桥直流电桥o电桥的灵敏度：电桥的灵敏度：S=Uo/(R/R) S单臂臂=Ue/4; S半半桥= Ue/2; S全全桥=Ue; 显然，电桥连接方法不同，输出电压也不同，全桥显然，电桥连接方法不同，输出电压也不同，全桥接法可获得最大输出。接法可获得最大输出。o不平衡电桥不平衡电桥有以下有以
36、下缺点缺点：当电源电压不稳定时，或：当电源电压不稳定时，或者环境温度有变化时，都会引起电桥输出的变化，者环境温度有变化时，都会引起电桥输出的变化，从而产生从而产生误差误差。平衡电桥平衡电桥可以克服上述缺点。可以克服上述缺点。o 全桥：和差特性o 如果相邻两桥臂电阻同向变化，所产生的输出电压的变化将相互抵消。应用：温度补偿； o 如果相邻两桥臂电阻反向变化，所产生的输出电压的变化将相互叠加。应用：差动放大。39上秃寂合秒勇窟确扶飘办灿帛滔爱龚悸实诞叭啄缮糕侵恐质炎蓬链腐书寐中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理4.2 4.2 电桥电桥 4.2.1 直流电桥直流电桥 举例举例
37、1o悬臂梁测力的电桥连接方法悬臂梁测力的电桥连接方法o利用利用和差特性和差特性，当，当悬臂梁受臂梁受载时，应变片阻片阻值反向反向变化，其化，其产生的生的输出出电压相互叠加，相互叠加，电桥输出出电压大，大，电路灵敏度高。路灵敏度高。40彭保芭搐迎囤囤铰漂此缝规酗削镇味栈优收啤瞒其瘤暑羽茄剩舵墙副瘸储中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理4.2 4.2 电桥电桥 4.2.1 直流电桥直流电桥 举例举例2o柱形梁测力的电桥连接方法柱形梁测力的电桥连接方法o利用利用和差特性：和差特性：沿圆周间隔沿圆周间隔90o 粘贴粘贴4个纵向工个纵向工作应变片，作应变片，提高灵敏度提高灵敏度；
38、与纵向应变片相间，再与纵向应变片相间，再贴贴4个横向应变片，个横向应变片，进行行温度温度补偿。41亏唆铁獭签赘貉荐耳报环契疮狭酒抗幸叫搁厨底罩宾猫谆稗叮彤倦现堵什中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.2 4.2 电桥电桥 4.2.1 直流电桥直流电桥42第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理 （a）差动串联平衡 （b）差动并联平衡o平衡电桥平衡电桥 的零位调节的零位调节隋铃讽伺耀浙箭页输睛挎措铣瞪紫详枣医妈硬融膝常涯兆由柏宣赊正矢坷中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理平衡电桥平衡电桥零位调节零位调节被测量等于零时，被测量等于零时， 电
39、桥平衡电桥平衡，指示仪表指示仪表G及及可调电位计可调电位计H均指零；均指零；当某一当某一桥臂桥臂随被测量随被测量变化变化时，时，电桥失去平衡，电桥失去平衡， 调节调节H，使电桥，使电桥重新平衡重新平衡，电表，电表G指针回零；指针回零； 电位计电位计H上的上的标度标度，与桥臂电阻值的变化成，与桥臂电阻值的变化成比例；比例；平衡电桥也叫做平衡电桥也叫做“零位测量法零位测量法”，其特点是在读数，其特点是在读数时电表始终指零。时电表始终指零。因为平衡电桥最终的输出为零，所以测量因为平衡电桥最终的输出为零，所以测量误差误差取决取决于电位计的精度，而与于电位计的精度，而与电桥电源电桥电源无关。受环境温度无
40、关。受环境温度的影响也很小。的影响也很小。43蒋险丛亡斜灵榨涕捐萌闪侠睁遂仰穆柑跳购号妖蕊担白寨肾锡听舅瘸淫出中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.2 4.2 电桥电桥 4.2.2 交流电桥交流电桥o交流电桥：交流电桥：采用采用交流激励交流激励电源电源的电桥。电桥的四个的电桥。电桥的四个臂，可以为电感、电容或臂，可以为电感、电容或电阻，统称为电阻，统称为阻抗阻抗。o如果阻抗、电流及电压都如果阻抗、电流及电压都用用复数复数表示，则，关于直表示，则，关于直流电桥的平衡关系式，在流电桥的平衡关系式，在交流电桥中也可适用。即交流电桥中也可适用。即44第四章第四章 信号的转换
41、与调理信号的转换与调理施仆疥浓锚禽往扶营裔毁欠五脐失孽糟乏糜拱仍擂喀荷恒奸称搔镁藤歌辽中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.2 4.2 电电桥桥 4.2.2 交流电桥交流电桥45第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理轻停苇亮裔插辐砚卢涅捂醒超瓢演振待蹭椒十胡耘减艺垄旦刮损业辙坪牡中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.2 4.2 电桥电桥 4.2.2 交流电桥交流电桥46第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理 上式表明：交流电桥平衡，必须满足两个条件，即上式表明：交流电桥平衡，必须满足两个条件，即 相对两臂相对两臂阻抗之模阻
42、抗之模的乘积相等；的乘积相等； 它们的它们的阻抗角之和阻抗角之和也必须相等。也必须相等。偷却噎径履熟腥繁骸遂鸟容级勋虎掐零瑟晦死术沈畜八遍空卿挑塞暂桓账中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理o 电容电桥电容电桥47第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理 4.2 4.2 电电桥桥 4.2.2 交流电桥交流电桥朽粳烯迂悸顿告焉概逞取楞卒美庭逼植箔孽束屿旱篇鼠低刘度央恨耽仍压中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.2 4.2 电桥电桥 4.2.2 交流电桥交流电桥o要使电桥达到要使电桥达到平衡平衡，必须同时调节电阻达到，必须同时调节电阻达到电阻
43、平电阻平衡，衡，调节电容达到调节电容达到电容平衡电容平衡。48第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理o 电容电桥电容电桥肩嗓殊战摊伸纬掉迟泛券褂胶羽无祭筑皂论干怒发希饱姆铡局莎墨似些脓中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.2 4.2 电桥电桥 4.2.2 交流电桥交流电桥o电感电桥电感电桥两相邻桥臂的电感两相邻桥臂的电感与电阻分别为：与电阻分别为：49第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理鸭谚焕撂胯屯值途癸接叹酌剧涣枕忍全沸泛伪型蓉寻方九洱牺窖妓烙报抛中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.2 4.2 电桥电桥 4.2.2
44、交流电桥交流电桥o电阻交流电桥的电阻交流电桥的分布电容分布电容 即使纯电阻交流电桥，由即使纯电阻交流电桥，由于导线之间存在分布电容，于导线之间存在分布电容，相当于在各桥臂上并联了相当于在各桥臂上并联了一个电容。一个电容。o为此，除了有为此，除了有电阻平衡电阻平衡外，外，还需要有还需要有电容平衡电容平衡。50第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理岛因狈蝶帛谈唐挪讫籽受腾梧稿叶垫眨磷季画撼再哗絮远支除昭聘陈逼答中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.2 4.2 电桥电桥 4.2.2 交流电桥交流电桥o一种用于一种用于动态应变动态应变仪仪的电阻电容电桥。的电阻电容电
45、桥。o调整调整差动可变电容差动可变电容C，可实现，可实现分布电分布电容的平衡容的平衡。 51第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理褒监蛀庸甜凰泰洁壹雄害声橱哎各绸厂羌苇怔姐靖送型匀逆俏躯侥钎诛彪中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.2 4.2 电桥电桥 4.2.2 交流电桥交流电桥o交流电桥的交流电桥的供桥电源供桥电源 必须具有良好的电压波形与频率稳定度。如果必须具有良好的电压波形与频率稳定度。如果电源电压发生奇变，即包含有高次谐波，对电源电压发生奇变，即包含有高次谐波，对基基波波而言，电桥达到而言，电桥达到平衡平衡；而对；而对高次谐波高次谐波，电桥，电桥未
46、必能平衡未必能平衡；输出电压也将包含高次谐波。；输出电压也将包含高次谐波。 采用采用(510)kHz的的音频交流电源音频交流电源，作为供桥，作为供桥电源，电桥输出将成为电源，电桥输出将成为调制波调制波。o优点优点：有利于抑制外界工频干扰，后接交流放：有利于抑制外界工频干扰，后接交流放大电路简单而无零漂。大电路简单而无零漂。52第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理紊据磨藻掘徽唐观丛奠缆嘿蜜制启紫手霉窗烛拈夸福葫蝶涨硕酒惰遏逞短中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.2 4.2 电桥电桥 4.2.3 变压器式电桥变压器式电桥o常用于电感比较仪，电桥平衡，输出为零
47、。常用于电感比较仪，电桥平衡，输出为零。53第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理诣迎札您呛惠滓捞劲贺重咽珐蠢哀晓撒咽惮碑笼腥斟蕾踞魔棺幕帐枕颖昭中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.3 4.3 调制与解调调制与解调o为什么要为什么要调制调制？o 一般的被测量，如力、位移、应变等，经传感器检一般的被测量，如力、位移、应变等，经传感器检测变换后，常常是一些测变换后，常常是一些缓变的电信号缓变的电信号。经过调制后，采。经过调制后，采用交流放大，比直接用直流放大，效果好；另外，调制用交流放大，比直接用直流放大，效果好；另外，调制波抗干扰能力强，也便于传输。波抗干扰
48、能力强，也便于传输。o调制解调技术，不仅在一般检测仪表中经常使用调制解调技术，不仅在一般检测仪表中经常使用而且也是工程遥测技术的重要内容。而且也是工程遥测技术的重要内容。o实际上，许多传感器本身的输出信号就是一种调制实际上，许多传感器本身的输出信号就是一种调制信号，因此，调制解调技术在测试领域应用非常广泛。信号，因此，调制解调技术在测试领域应用非常广泛。54第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理o调制的用途调制的用途媒抱帖椒赚迭吻奶氏捉配危勒尼范汉苯折寺悠净倡烈囊胀蹬粉族泞拾萝茬中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.3 4.3 调制与解调调制与解调o调制解调
49、调制解调技术中经常使用的术语技术中经常使用的术语 调制信号调制信号，就是测试信号，也叫，就是测试信号，也叫原信号原信号，一般为，一般为低低频缓变频缓变信号；信号； 载波信号载波信号，也叫，也叫工作信号工作信号，一般为，一般为高频简谐信号高频简谐信号； 调制波调制波，就是已调制的信号，就是已调制的信号， 幅值调制幅值调制时称为时称为调幅波调幅波； 频率调制频率调制时称为时称为调频波调频波。55第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理o概念和术语概念和术语殷仗卖尉茸止容求饼武丑踩桨赤隋斟沽乖钎菠隧污输鄂狸赐永漱幸到些若中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.3 4.
50、3 调制与解调调制与解调o所谓所谓调制调制，就是在调制信号（测试信号）的控制，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。值、频率、相位）发生变化的过程。o所谓所谓解调解调，就是从已调制波中，就是从已调制波中恢复恢复出调制信号的出调制信号的过程。过程。56第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理o概念和术语概念和术语啥被昆箕凿昂此挖氨瑚韧音烁艇早纲敷兹梭哪矛漂寂勇弦惠雁化慨钳嫉嘲中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.3 4.3 调制与解调调制与解调o调制处理
51、的分类调制处理的分类57第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理o分类分类们捕陆窄鼠牢遭萍灸慌伦蜗秋苍涣埠迸述嫁油前蛀混灌平哮这眺首邵古铱中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.3.1 4.3.1 调幅与解调调幅与解调 1.1.调幅原理调幅原理o调幅调幅的目的，使缓慢变化的测试信号便于放大和传输。的目的，使缓慢变化的测试信号便于放大和传输。o解调解调的目的，恢复原来的测试信号。的目的，恢复原来的测试信号。o调幅是将一个高频简谐信号（调幅是将一个高频简谐信号（载波信号载波信号）与测试信号）与测试信号相相乘乘，使载波信号的幅值随测试信号的变化而变化。，使载波信号的幅
52、值随测试信号的变化而变化。58第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理携劣编奏庙霞褥鸽悄作骗搅舒哄昂勾嫁淡俱甚姬莲陨拣撅彬荔梧歇揖栏舜中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理59第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理 4.3.1 4.3.1 调幅与解调调幅与解调 2.2.调幅信号的频谱调幅信号的频谱亲做狮留通氏说练狼静孤腥犹几芽莽糠目谅坊慨纯腹渍售英友侄握渤尾比中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理60第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理 4.3.1 4.3.1 调幅与解调调幅与解调 2.2.调幅信号的频谱调幅信号的频谱（a a
53、）时域波形域波形 （b b）频域波形域波形蓉词双惜辅汐刮奋洛堑撂夫患启箕拇斥誊翟诱秧响甜谆救亭阮篆栏镀砌系中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理61第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理 4.3.1 4.3.1 调幅与解调调幅与解调 3.3.解调方法解调方法同步解调同步解调谱坝沃明绚扣誓凳脊膨何群套铬肯昨敝巩阉烹侦钢谅陇翠醇况吱足胁截帕中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理62第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理 4.3.1 4.3.1 调幅与解调调幅与解调 3.3.解调方法解调方法o若用一个低通滤若用一个低通滤波器将位于中心波器将
54、位于中心频率频率2f0 处的高处的高频成分滤去，便频成分滤去，便可复现原信号的可复现原信号的频谱，至于幅值频谱，至于幅值减小为一半的问减小为一半的问题可以用放大器题可以用放大器来补偿。来补偿。o由于在解调过程由于在解调过程中所乘的高频信中所乘的高频信号与调制时的载号与调制时的载波信号具有相同波信号具有相同的频率与相位，的频率与相位，因此这一方法被因此这一方法被称为同步解调。称为同步解调。蓖仟怠瑞玩仗护衙床相裤怒劝订闪亮获批文元锤戚窒嚣允嘲像掷仗蔓蜒概中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理63o整流检波整流检波 4.3.1 4.3.1 调幅与解调调幅与解调 3.3.解调方法
55、解调方法o如果把调制如果把调制信号进行信号进行偏偏置，叠加一置，叠加一个直流分量个直流分量 ，使偏置后，使偏置后的信号都具的信号都具有正电压，有正电压，那么调幅波那么调幅波的的包络线包络线将将具有原调制具有原调制信号的形状。信号的形状。 该调幅波该调幅波 经整流后，减去所叠整流后，减去所叠加的直流偏置加的直流偏置电压，再，再滤波，就可以恢复波，就可以恢复原原调制信号。制信号。 （a）直流偏置电压足够大 （b）直流偏置电压不足蛔啡聂儒衡骗吊董镜烦夯迫猿敖扎嘿北脚寄立崖萤柬筏涣芹健耽拌木咏芽中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理o整流检波时，如果所加的偏置电压不够大，整流检波
56、时，如果所加的偏置电压不够大，未能使信号电压都为正，则对调幅波简单地未能使信号电压都为正，则对调幅波简单地整流，就不能恢复原测试信号，如前图所示。整流，就不能恢复原测试信号，如前图所示。o相敏检波技术可以解决这一问题。相敏检波技术可以解决这一问题。o 相敏检波相敏检波o相敏检波的原理如下图相敏检波的原理如下图4-33所示。所示。64第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理 4.3.1 4.3.1 调幅与解调调幅与解调 3.3.解调方法解调方法六雏崎玄习觉客穿褒罢拒护部驹耀狄胖事头乱馁寻啥稍扇减缓朱师苑阑脆中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 （a）调幅波）调幅波
57、（b）参考信号）参考信号65（c）检波电路）检波电路 （d）相敏检波输出波形）相敏检波输出波形（e）滤波后的波形）滤波后的波形憋宽需鹃奈辩蝎款隧运蟹垢锐诉椒捶冒奠翼腕庇宽勾滓狮刨具译痊耕测梁中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.3.1 4.3.1 调幅与解调调幅与解调 3.3.解调方法解调方法o相敏检波相敏检波：利用二极管的单向导通作用，将电：利用二极管的单向导通作用，将电路输出极性换向。路输出极性换向。o 考虑到交变信号在过零点时符号极性发生突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变，调幅波的相位也相应地发生180o的相位的相位跳变。利
58、用载波信号与调幅波比相，便能既反跳变。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。映原信号的幅值又反映其极性。o相敏检波电路，相当于在相敏检波电路，相当于在 ，把零，把零线下的负部线下的负部翻上去翻上去；而在；而在 ，则把，则把零线上的正部零线上的正部翻下来翻下来；所检测到的；所检测到的 信号是信号是经过经过“翻转翻转”后信号的包络。后信号的包络。66第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理倦狠渍煮玻篮仪芭噎胺搜翼焕峰汝辛超潦章僻催牧嘿粘搭带顺岂仗捷糠航中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.3.1 4.3.1 调幅与解调调幅与解调o举例举例6
59、7第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理图4-35 4-35 动态电阻阻应变仪方框方框图甫跺肿孪气担紫柒俐申鼠术谱奈镑蓑慷党链挂抠捐灿仪虞骨认攘篮放颤棉中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.3.1 4.3.1 调幅与解调调幅与解调o粘贴在试件上的粘贴在试件上的电阻应变片电阻应变片，在应变作用下，产生相，在应变作用下，产生相应的电阻变化，并接于应的电阻变化，并接于交流电桥交流电桥；o振荡器产生振荡器产生高频正弦信号，高频正弦信号，一般频率为一般频率为1020kHz，一方面作为，一方面作为电桥电源（载波信号）电桥电源（载波信号），另一方面作为，另一方面作为相敏检
60、波相敏检波的载波信号；的载波信号；o携带有电阻应变片信息的电桥输出的携带有电阻应变片信息的电桥输出的调幅波调幅波， 经放大、经放大、相敏检波、低通滤波，最后得到与原来极性相同但经相敏检波、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，驱动过放大处理的信号，驱动显示记录仪表显示记录仪表或接入后续仪或接入后续仪器。器。68第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理o举例举例说明汉设棵撼潍困孽癣太敲屎乎入席憋虑淬碾垣坝骏尚吃研涟塌揩坐版顿偏而中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 o调频，也称为频率调制，是利用测试信号（调制信调频，也称为频率调制，是利用测试信号（调
61、制信号）的幅值控制调频波的频率。调频波为等幅波，号）的幅值控制调频波的频率。调频波为等幅波，其其瞬时频率瞬时频率和测试信号的幅值成正比。和测试信号的幅值成正比。o频率调制的频率调制的优点优点： 对噪声的幅度影响不太敏感，噪声的幅度影响不太敏感， 抗干抗干扰能力能力强强，信噪比高。，信噪比高。o调频波的瞬时频率、载波频率及总相角。调频波的瞬时频率、载波频率及总相角。69第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理 4.3.2 4.3.2 调频与鉴频调频与鉴频 1. 频率调制原理频率调制原理绳朱郡促偿棕社啸只恬缎啊脱习秩趾鱼要牵雌博依德竞摘杉烤萎柞丑葫蛇中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测
62、试信号的转换与调理o调频波的表达式为调频波的表达式为o当当信号电压信号电压为零时，调频波的频率就等于中心频率；为零时，调频波的频率就等于中心频率；o当信号电压为正值时，频率偏移当信号电压为正值时，频率偏移 增加，调频波的增加，调频波的瞬时频率提高；瞬时频率提高；o当信号电压为负值时，频率偏移当信号电压为负值时，频率偏移 减少，调频波的减少，调频波的瞬时频率降低；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调频波是频率随测试信号而变化的疏密不等的等幅波等幅波。70第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理 4.3.2 4.3.2 调频与鉴频调频与鉴频 1. 频率调制原理频率调制原
63、理充枉鱼馒房效舌颐缎桂线又珍摧斩但链骨壬康抒揣你慕炽嚏屉尤巡装琼柞中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.3.2 4.3.2 调频与鉴频调频与鉴频 1. 频率调制原理频率调制原理 举例：举例：71(b)调频信号波形调频信号波形(a) 三角波调制信号三角波调制信号封壬撂五耽法祈捕疙品呐擂碱迫链娠贪屿厂于政赦庆窑寸株烘岭稽促岳击中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理o 直接调频式直接调频式o频率调制一般使用频率调制一般使用LC振荡振荡电路，常应用于电路，常应用于电容、涡流、电容、涡流、电感电感传感器的测试工程中。传感器的测试工程中。o假设在被测量的假
64、设在被测量的小范围小范围变化变化区间，电容或电感的变化规区间，电容或电感的变化规律接近律接近线性线性；o把该电容或电感作为把该电容或电感作为自激振自激振荡器荡器的谐振回路中的一个调的谐振回路中的一个调谐参数，那么，电路的谐参数，那么，电路的谐振谐振频率频率将是：将是： 72第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理 4.3.2 4.3.2 调频与鉴频调频与鉴频 2. 频率调制方法频率调制方法柯九愿淡怔恍毋惭钟尖桂驱泰墨趾腾蹄级廖打蕊呀六必载擅弊擞文曙亭哆中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理o这种把被测量的变化直接转换为振荡频率变化的电路，这种把被测量的变化直接转换为
65、振荡频率变化的电路，称为称为直接调频式直接调频式测量电路，其输出调频波也是等幅波。测量电路，其输出调频波也是等幅波。o以电容传感器作为调谐参数为例，若以电容传感器作为调谐参数为例，若C0的增量为的增量为C ，o对式（对式（4-52）微分，可得）微分，可得 73贯膝款惩郎城盎砰谗访闪飘遍搂泻抵什查洱法陌召煤盼阳项鸯濒摧败尽石中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 压控振荡器压控振荡器o压控振荡器，也叫压控振荡器，也叫VF变换器变换器，是另一种，是另一种频率调制频率调制方法。方法。o输出的等幅方波信号的输出的等幅方波信号的瞬时频率瞬时频率与输入的控制电压呈与输入的控制电压呈线
66、性关系。线性关系。74 4.3.2 4.3.2 调频与鉴频调频与鉴频 2. 频率调制方法频率调制方法佳晤歌颧同姨奎设裹棍媒婉侗恃终绦碾稽匿酣讳充终铆赘科湘省硝胜穿幢中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理o对调频波的解调亦称对调频波的解调亦称鉴频鉴频。鉴频的原理是将。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，但试技术中经常使用；后者解调性能优
67、良，但结构复杂，一般用于要求较高的场合。结构复杂，一般用于要求较高的场合。o一种测试技术中常用的振幅鉴频电路原理如一种测试技术中常用的振幅鉴频电路原理如图图4-39所示。所示。75第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理 4.3.2 4.3.2 调频与鉴频调频与鉴频 3.调频信号的解调调频信号的解调懒仲枢寡睡砷浮载艘陪毒烷导汾倍植洒稼弱驴绑塑臭详拽咀破癌炔履密绿中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理76第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理 (a)鉴频器电路鉴频器电路 (b)高通滤波器幅频特性高通滤波器幅频特性 (c)恢复出的调制信号恢复出的调制信号o等幅的
68、调频信号等幅的调频信号Uf(t)的瞬的瞬时频率正比于率正比于x(t);o高通高通滤波器幅波器幅频特性特性H(f)过渡渡带线性区中点性区中点频率率f0。oUf(t)经高通高通滤波器后波器后变换为“调幅波幅波” Ua(t);oUa(t)经二极管整流二极管整流检波器波器检出包出包络信号信号Uo(t)=x(t); 4.3.2 4.3.2 调频与鉴频调频与鉴频 3.调频信号的解调调频信号的解调匪督思祖渤嘶泉矢钠赛遗鹊远灼俩涯蓝螺臀斥匙拿体滦牡药跋顷养刻恢近中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.4 4.4 滤波器滤波器 4.4.1 概述概述o滤波器滤波器是一种是一种选频装置选频
69、装置，可以使信号中特定频，可以使信号中特定频带的频率成分带的频率成分通过通过，而极大地，而极大地衰减衰减其它频率成其它频率成分。分。o滤波是信号处理的重要内容，特别适合于过滤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。控制及电子测试仪器中被广泛应用。77第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理揪遗胜模槛蛹腋谋蜗缘哥诀舌徐耻酪乖啄药椅田烯冉宰赖天虱污怔妄光者中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.4 4.4 滤波器滤波器 4.4.1 概述概述o根据根据滤波器
70、滤波器的选频作用，一般将滤波器分为以的选频作用，一般将滤波器分为以下下四种，其幅频特性四种，其幅频特性如图。如图。o滤波器过渡带滤波器过渡带是不希望的，但也是不可避免的。是不希望的，但也是不可避免的。78第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理图图4-40 不同滤波器的幅频特性不同滤波器的幅频特性(a)(a)低通低通 (b) (b)高通高通 (c) (c)带通通 (d) (d)带阻阻拿部含歼缮呐趾祭蔚框肇要夏瘤襟孩蝇欠贺浇预抖陕枢扇浮缉枉您捏是借中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.4 4.4 滤波器滤波器 4.4.1 概述概述o四种滤波器特性之间是的四种滤波
71、器特性之间是的联系联系 是低通滤波器的特性，而高通滤波器的幅频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特性可以看作是 ，所以，可以用低通，所以，可以用低通滤波器作负反馈回路而获得高通滤波器；滤波器作负反馈回路而获得高通滤波器； 带阻滤波器，是低通和高通的组合；带阻滤波器，是低通和高通的组合； 带通滤波器，可以用带阻滤波器作负反馈获得。带通滤波器，可以用带阻滤波器作负反馈获得。79第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理肺酿栓嘲萤瞩儡蒙烷瑚煞天哭徒菜上糖伯翼子溅吹碉尿漏吊灯带香陇疥词中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.4 4.4 滤波器滤波器 4.
72、4.1 概述概述o滤波器的分类滤波器的分类o根据构成滤波器的元件分类：根据构成滤波器的元件分类：o根据构成滤波器的电路性质：根据构成滤波器的电路性质：o根据滤波器处理的信号性质：根据滤波器处理的信号性质：o本节讲述模拟滤波器，而且仅限于讨论以电压为输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。入、输出的电路网络滤波器。80第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理绿发抢泅镶秦滴试厄腰煎浇滑警均拐诌芜晌画姆此醒屑宾油宅典呆趟稚起中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.4 4.4 滤波器滤波器 4.4.2 理想滤波器理想滤波器o理想滤波器是一
73、个理想化的模型，物理上不可实现。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。输特性有帮助。 1. 理想滤波器的理想滤波器的 数学模型数学模型81第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理拢商獭赃柒搂甚瞄姬词辫阮钮歧物定使祖恿皮岸痈失车岿吊棘秀理者怜渝中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.4 4.4 滤波器滤波器 4.4.2 理想滤波器理想滤波器o2. 理想滤波器的理想滤波器的单位脉冲响应单位脉冲响应o理想低通滤波器在频域为矩形窗函数，其对应的脉冲理想低通滤
74、波器在频域为矩形窗函数，其对应的脉冲响应函数是响应函数是xinc 函数，如图所示。函数，如图所示。82第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理(a) t0=0 (b) to0 排棵糟狱猫另衣端掷绢坦卧潞睛丽丘桨毯隋尖悲蓝她姚赏太效被瑞攒斤曝中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.4 4.4 滤波器滤波器 4.4.2 理想滤波器理想滤波器o2. 理想滤波器的理想滤波器的单位阶跃响应单位阶跃响应83第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理秘冕甚隙鞭显以姨谰砾肺焙凳曙朽敬琼酮陌犁宋钞晃捆兹福鳞愧糯拼郭缆中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理
75、 4.4 4.4 滤波器滤波器 4.4.2 理想滤波器理想滤波器o2. 理想滤波器的理想滤波器的单位阶跃响应单位阶跃响应otdB=1表明，低通滤波器阶跃响应的上升时间表明，低通滤波器阶跃响应的上升时间 与通与通 频带宽频带宽 成反比，或者说，上升时间与带宽之积为常数。成反比，或者说，上升时间与带宽之积为常数。o物理意义：低通滤波器阻衰了高频分量，通带越宽，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，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。所以上升时间就短；反之，则长。84第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换
76、与调理贾栅需指舆广栗综柏衙驴淆冷平却蔫冲唁排苟名佃库容辊份偿狱宵泉忿舍中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.4 4.4 滤波器滤波器 4.4.3 实际实际RC滤波器滤波器o理想带通滤波器理想带通滤波器的幅频特性：细实线的幅频特性：细实线o实际带通滤波器实际带通滤波器的幅频特性：粗实线的幅频特性：粗实线85第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理段舌补弟聚酉发蠕戴充榜胜羊哉萎鳖妓酋铲躯握煌镀祥决坠区示匈殉街业中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.4 4.4 滤波器滤波器 4.4.3 实际实际RC滤波器滤波器o1. 实际滤波器的基本参数
77、实际滤波器的基本参数上、下上、下截止频率截止频率：fc2 , fc1 带宽带宽 B= fc2 - fc1 ,表示滤波器的分辨力。表示滤波器的分辨力。波纹幅度波纹幅度 越小越好越小越好。品质因子品质因子 Q=f0/B 越大滤波器的选择性越好。越大滤波器的选择性越好。倍频程选择性倍频程选择性 fc2与与2fc2之间之间过渡带过渡带频率衰减值频率衰减值。滤波器因数滤波器因数 一般为一般为15。 86第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理铅舵零砂浆账瞥疑钞否佃古匣惩茨瘸栓荧攻具猴蕴壮乌唐闯俊差嘘之杀颤中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.4 4.4 滤波器滤波器 4
78、.4.3 实际实际RC滤波器滤波器2 .实际实际RC滤波器电路及其基本特性滤波器电路及其基本特性oRC滤波器，电路简单、抗干扰性强；滤波器，电路简单、抗干扰性强；o选用标准元件，容易实现，应用广泛。选用标准元件，容易实现，应用广泛。87第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理溺挝艰福弦蔷殃雷盘豌呵嗅唉妓炒报晰侄梁见珐鲤黎注灸劝谅泰乍赂妈肇中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理4.4.3 实际实际RC滤波器滤波器 2 . 实际实际RC滤波电路及其滤波电路及其 基本特性基本特性o一阶一阶RC低通滤波器低通滤波器88醚鹏驯蹈峨寞包环郴炽球是跪寄啸檬俄爵供烦姑败艺雏隙侗硕败
79、椰生溢芦中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理4.4.3 实际实际RC滤波器滤波器 2 . 实际实际RC滤波电路及其滤波电路及其 基本特性基本特性o一阶一阶RC高通滤波器高通滤波器89户俺扰剥丑碌尧漆狭侵泳硒袖豹炼较怎疥启狡副踌坞橡汽兑扼裹姬旷诀篷中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 2 . 实际实际RC滤波电路及其基本特性滤波电路及其基本特性o RC带通滤波器带通滤波器90汽畸书吊俺锯国叮毡盼察饯拭挛乃奔傻红庙峨压柠挠吐月詹咖乡裙冀嫁空中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理4.4.3 实际实际RC滤波器滤波器 2 . 实际实
80、际RC滤波电路及滤波电路及其基本特性其基本特性 RC带阻滤波器带阻滤波器91 （a a）T T型网型网络 （b b）双）双T T型网型网络锭病堂怒扮熟荒奴全漂蔑灾料范尿帽饮鲜面视许奋俐路筒顺撤怖缎谴方拳中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理4.4.3 实际实际RC滤波器滤波器 2 . 实际实际RC滤波电路及其基本特性滤波电路及其基本特性 高阶滤波器高阶滤波器 滤波器在过渡带内的衰减速率非常慢，性能较差。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，将多个滤波器的阶数
81、，将多个 RC环节或环节或 LC环节级联，可以使环节级联，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。到改善。但同时也会带来负载效应或耦合影响。92和站迁婶陇结驶凳冰每芳驰运稽端窖伐均帛赊澎庭阅梭井犯薪贮烤拉线威中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理4.4.3 实际实际RC滤波器滤波器 2 . 实际实际RC滤波电路及其基本特性滤波电路及其基本特性 基于运算放大器的基于运算放大器的有源有源滤波器滤波器 有源滤波器具有很高的输入阻抗和很低的输出阻有源滤波器具有很高的输入阻抗和很
82、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。集系统中用作抗混滤波。93隧泌源矿火夏匹桃锨娶华挑称奇脱殷崇惊缨之谓蛀淖览囚灸便特迟男瘦店中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.4.4 4.4.4 可实现的典型滤波函数可实现的典型滤波函数o实用中的滤波器特性，在通频带内不平坦；在过渡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
83、不为零。而滤波器的设计往带内不陡直；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往是在一定限度内对理想滤波器进行的逼近。o由集中参数元件构成的滤波系统，其传递函数和频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。响函数的一般形式如下。94第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理尊检粟射廖狐电拘椎雕断衙遍盎潘毛恫踪悔升馆哉骆亮耿娜没任铲析嚷二中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.4.4 4.4.4 可实现的典型滤波函数可实现的典型滤波函数o滤波器阶次滤波器阶次n 值影响着传递函数特性，对于同一类值影响着传递函数特性，
84、对于同一类型的逼近函数，型的逼近函数， n 值越大，逼近特性越好，系统所值越大，逼近特性越好，系统所需元件数量越多越复杂。需元件数量越多越复杂。o对理想滤波器的对理想滤波器的“最佳逼近特性最佳逼近特性”的标准是根据滤的标准是根据滤波器性能的不同需要而规定的。波器性能的不同需要而规定的。o可以从幅频特性提出较高的要求，而不考虑相频特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性；最常用的滤波器有巴特沃思（Butterworth）、切比、切比雪夫雪夫(Chebyshev)和椭圆和椭圆（Elliptic）滤波器等；滤波器等；o也可以只满足相频特性而不必关心幅频特性，贝塞也
85、可以只满足相频特性而不必关心幅频特性，贝塞尔尔(Bessel)滤波器等。滤波器等。95第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理篆喧捂姑钳妊苹约睫灿乍若葡抢彦矿馒凭障窍席蚜湿蚤蓖躯架谗碰亢鄂硼中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.4.4 4.4.4 可实现的典型滤波函数可实现的典型滤波函数o1. 巴特沃思滤波器巴特沃思滤波器o巴特沃思滤波器具有最大平坦幅度特性，随着巴特沃思滤波器具有最大平坦幅度特性，随着 n值值的增大，巴特沃思滤波函数特性逼近理想滤波器。的增大，巴特沃思滤波函数特性逼近理想滤波器。96湘曹藤撅舱侮购柑琼济等骑逸希尘襟绳气被采寸隅踊斯锁肆钳搪兜围
86、锌顽中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.4.4 4.4.4 可实现的典型滤波函数可实现的典型滤波函数o2. 切比雪夫滤波器切比雪夫滤波器o通带内等波纹、阻带内单调的滤波器。波纹大小由系通带内等波纹、阻带内单调的滤波器。波纹大小由系数数 决定，决定， 值越小通带波纹越小，一般小于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。是第一类切比雪夫多项式。97阁斗碳兰误蛊念重忠桨绳煌淮晤凝入爱摹堤婆呐倾越牙罕醇自炊轻障呢详中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.4.4 4.4.4 可实现的典型滤波函数可实现的典型滤波函数o
87、3. 椭圆滤波器椭圆滤波器o通带和阻带内均为等波纹，能满足过渡过程宽度最小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。的要求，在给定的性能指标下能以最低的阶次实现。98核磕践孪柞煞镭讫渴评铱猩奔潦摩银软了运翱誊迹阵瑶贷川笔赠生舰蘑昨中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.4.4 4.4.4 可实现的典型滤波函数可实现的典型滤波函数o4. 贝塞尔滤波器贝塞尔滤波器o又称恒时延滤波器，其相移和频率成正比，即时移又称恒时延滤波器，其相移和频率成正比，即时移 值值对所有频率为一常数。当通带中要求线性相移时，选对所有频率为一常数。
88、当通带中要求线性相移时，选择贝塞尔滤波器是最合适的。择贝塞尔滤波器是最合适的。99充蓉氮谗蓝确瓣寞律荚贞员有喧础秀膳沾悍癣映孰朽择敛屁松谆惺溯猾星中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.4.54.4.5 数字滤波技术数字滤波技术o模拟滤波器在理论上和实践上都已达到很高的水平，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，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。数字滤波器得到广泛的应用。o数字滤波也称为软件滤波。通过一定的计算程序对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，
89、减少干扰在有用信号中的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。比重。可靠性高，稳定性好。100第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理流芹呀拥墙舒传镜躯镍龄暗擂宽糯完抗觉辰爱涣门戏枫惩部润帚悦覆渊四中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.4.5 4.4.5 数字滤波技术数字滤波技术 1.程序判断虑波程序判断虑波 限限幅幅滤滤波波101第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理 限限速速滤滤波波球金吞祷彰瑟港涟箩艇灯费贿揍筹勾尸婿永众疥糠跪眉栅痰节贡祟屁们帆中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.4.5
90、4.4.5 数字滤波技术数字滤波技术o2. 递推平均推平均虑波虑波 又称算术平均滤波。又称算术平均滤波。102o3. 加权递推平均滤波加权递推平均滤波瞪联杏涵态兔谤簧丰夕矗谣虞辅萧跌腔挫聊门呜枚域剁努与拳转桥赴汲斤中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.4.5 4.4.5 数字滤波技术数字滤波技术 4. 动态滤波波o前述的前述的RC 滤波网络都属于模拟动态滤波。滤波网络都属于模拟动态滤波。o动态滤波器的数字化设计任务，可以通过模拟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：器的离散化来实现。设计过程如下：o 将数字滤波器的技术指标转
91、换为模拟滤波器的技将数字滤波器的技术指标转换为模拟滤波器的技术指标。术指标。o 设计模拟滤波器设计模拟滤波器G(s) 。o将将G(s)转换为数字滤波器转换为数字滤波器G(z) 。o可以利用可以利用MATLAB信号处理工具箱。信号处理工具箱。103第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理阻捂盐办菲灰跑叮锰胚拙继弧工独仓惯供成咋椽鹊烟蛆赋笋梳堰镁另蝴沈中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.4.6 4.4.6 滤波原理的综合应用滤波原理的综合应用o1. 滤波器的串联滤波器的串联o为加强滤波效果，将两个具有相同中心频率的带通为加强滤波效果，将两个具有相同中心频率的带通
92、滤波器串联，其合成系统的总幅频特性是两滤波器滤波器串联，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幅值特性的乘积，从而使通带外的频率成分有更大的衰减。的衰减。o高阶滤波器便是由低阶滤波器串联而成的。但由于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。此将增加相位的变化，在使用中应加以注意。104第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理戒或括榨磐鹏桐软粱悬傻哉兄顷转挟骆迎枫女很疾碟张塑奎颠斧绣憋茂采中北大学4测试信号的转换与调理中北
93、大学4测试信号的转换与调理 4.4.6 4.4.6 滤波原理的综合应用滤波原理的综合应用o2. 滤波器的并联滤波器的并联o用于信号的频谱分析和信号中特定频率成分的提取。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。波器的输出便反映了信号中所含的各个频率成分。o这组并联的、增益相同而中心频率不同的带通滤波器这组并联的、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。和
94、恒带宽比滤波器。105第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理势俐肝射袜挞愉莉纱沉惋阻年剿抒诗启逆霹反综雇殖辅急负蹭田累氯侗菠中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理4.4.64.4.6 滤波原理的综合应用滤波原理的综合应用2. 滤波器的并联滤波器的并联106第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理百痢羔结绑晶且芽品断门拆粪仅麻表瘸侣未盂岩罕拒贵席痒闭跑刨幸臼父中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理4.4.64.4.6 滤波原理的综合应用滤波原理的综合应用2. 滤波器的并联滤波器的并联107第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理言缕
95、参泼疽庶刁谜撂悼原膝薯挟苛号肌巾娥屑峭葡又倪锤臭减姐稳凸嗜祝中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理4.4.64.4.6 滤波原理的综合应用滤波原理的综合应用2. 滤波器的并联滤波器的并联108夯虱胚孔曙褪腔定籍碑鼓城受茬丛劝靡冠阅邓已雇遏低恨昭匡萧饭迈溶毛中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理4.4.64.4.6 滤波原理的综合应用滤波原理的综合应用 举例举例oB&K1616型频谱分析仪型频谱分析仪o三分之一倍频程滤波器组三分之一倍频程滤波器组109钢榨苍辐白诲蒂归淖盟仟芜瘟垒苑讯鲍鹤吱冷谩捻匹拓搬浚担墨谢笺狄瓣中北大学4测试信号的转换与调理中北大学
96、4测试信号的转换与调理4.4.64.4.6 滤波原理的综合应用滤波原理的综合应用 举例举例 分别接通分别接通，按，按倍频程倍频程相隔的相隔的不同中心频率不同中心频率的的带通滤带通滤波器组波器组，依次显示或记录各，依次显示或记录各频带分量频带分量； 如果信号经过足够的放大，各滤波器的输入阻抗也如果信号经过足够的放大，各滤波器的输入阻抗也足够高，那么，可以把该滤波器组并联在信号源上，足够高，那么，可以把该滤波器组并联在信号源上，各滤波器的输出同时显示和记录，就能瞬时获得信号各滤波器的输出同时显示和记录，就能瞬时获得信号的的频谱结构频谱结构，成为，成为“实时实时”的的谱分析谱分析。 用于谱分析的滤波
97、器组，要求：各滤波器的通带应用于谱分析的滤波器组，要求：各滤波器的通带应该相互联接（该相互联接（邻接邻接），覆盖整个感兴趣的），覆盖整个感兴趣的频率范围频率范围，这样做，才不至于使信号中的某些频率成分这样做，才不至于使信号中的某些频率成分“丢失丢失”；各滤波器应具有同样的放大倍数（；各滤波器应具有同样的放大倍数（增益增益）。）。110第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理庭耍竭猩堕重鳃淬软啥秧场钳相武蛆揍逞句沽饮夷缠酿焚淳与征轴敛盈适中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.5 4.5 数据采集系统简介数据采集系统简介o数据采集系统数据采集系统 Data Acq
98、uisition System，简称，简称DAS。o采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，存储，分析。数字信号，然后送入计算机，存储，分析。o数据采集系统的好坏，主要取决于它的精度和速度。数据采集系统的好坏，主要取决于它的精度和速度。111第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理罚求邑紧萍爵浙粥声帽群渤席培沪落忌罚杰重旱拓隶赘丸霹饰痒制充编刃中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.5 4.5 数据采集系统简介数据采集系统简介o数据采集仪器数据采集仪器 例例DEWETRON2010，
99、单通道采样频率单通道采样频率100KHz， 数据存储容量数据存储容量80GB； 时频信号实时显示存储时频信号实时显示存储o仪器前端直接实现数据采集仪器前端直接实现数据采集与记录与记录 例如美国迪菲公司例如美国迪菲公司dP430，存储容量存储容量100GB112第四章第四章 信号的转换与调理信号的转换与调理演茄镊舰瞩耘奶捂痘找难差呛缠鸥抛确坞峦晚姥卒剖垦闪盆艇捉氰愿仪勉中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理 4.5 4.5 数据采集数据采集 系统简介系统简介 数据采集卡数据采集卡113玖位它衡怒础沤寒以怀剃言菏镐莆铡焙看诗羞绸纲铸霞瞄烤椿白亩备卧掸中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理114谢谢！谢谢！帆趾驭描蛙答品呛述戈窜予侯耸痴右坍里把可悔俏动昂社邱搅终钩皑兢吮中北大学4测试信号的转换与调理中北大学4测试信号的转换与调理
