工程信號-5 信號變換

第五章、信號的變換5.1測量電橋5.2濾波器5.3信號調(diào)制與解調(diào)5.4模擬與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換工程測試與信號分析第五章、信號的變換5.1測量電橋

功能:按激勵電壓的不同可分為直流電橋交流電橋按工作方式不同可分為不平衡電橋平衡電橋一．直流電橋

1.電橋變換原理電橋平衡第五章、信號的變換單臂工作等臂電橋半橋雙臂第五章、信號的變換

2.電橋工作特性

(1)加減特性鄰臂相減、對臂相加進(jìn)行溫度補(bǔ)償，提高電橋靈敏度全橋第五章、信號的變換增加輸出第五章、信號的變換消除溫度影響熱輸出第五章、信號的變換

(2)電橋非線性雙臂差動工作時全橋差動工作時當(dāng)橋臂電阻成對差動工作時，電橋輸入輸出為線性關(guān)系；利用加減特性合理接橋，可以消除溫度影響，增加輸出。第五章、信號的變換

3.平衡電橋

被測量變化不平衡電壓輸出調(diào)節(jié)R5重新平衡

G回零

優(yōu)點(diǎn)：精度高（不受供橋電壓影響）第五章、信號的變換二．交流電橋1.交流電橋的結(jié)構(gòu)橋臂電阻

橋臂阻抗直流供橋電壓

交流電壓第五章、信號的變換2.交流電橋的平衡條件設(shè)：第五章、信號的變換例：交流電橋要滿足兩個平衡條件第五章、信號的變換濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分．在測試裝置中，利用濾波器的這種選頻作用，可以濾除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析．5.2濾波器

廣義地講，任何一種信息傳輸?shù)耐ǖ溃劫|(zhì)）都可視為是一種濾波器．因?yàn)?，任何裝置的響應(yīng)特性都是激勵頻率的函數(shù)，都可用頻域函數(shù)描述其傳輸特性．因此，構(gòu)成測試系統(tǒng)的任何一個環(huán)節(jié)，諸如機(jī)械系統(tǒng)、電氣網(wǎng)絡(luò)、儀器儀表、甚至連接導(dǎo)線等等，都將在一定頻率范圍內(nèi)，按其頻域特性，對所通過的信號進(jìn)行變換與處理．第五章、信號的變換例：用壓電式加速度計測量結(jié)構(gòu)的加速度時，如果只對較低頻率的振動成分感興趣，可以在結(jié)構(gòu)與加速度計的連接處加一個襯墊，以減少測量的高頻噪聲。這就是機(jī)械濾波器的例子。第五章、信號的變換一、濾波器分類

根據(jù)濾波器的選頻作用分為1.低通濾波器

從O～f2頻率之問，幅頻特性平直，它可以使信號中低于f2的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而高于f2的頻率成分受到極大地衰減幅頻特性第五章、信號的變換2.高通濾波器

與低通濾波相反，從頻率f1~∞，其幅頻特性平直．它使信號中高于f1的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而低于f1的頻率成分將受到極大地衰減。第五章、信號的變換3.帶通濾波器

如圖所示帶通濾波器，它的通頻帶在f1～f2之間．它使信號中高于f1而低于f2的頻率成分可以不受衰減地通過，而其他成分受到衰減。第五章、信號的變換4.帶阻濾波器

與帶通濾波相反，阻帶在頻率f1～f2之間．它使信號中高于f1而低于f2的頻率成分受到衰減，其余頻率成分的信號幾乎不受衰減地通過。第五章、信號的變換低通濾波器和高通濾波器是濾波器的兩種最基本的形式，其它的濾波器都可以由這兩種類型的濾波器組合而成。第五章、信號的變換第五章、信號的變換二、理想濾波器

理想濾波器是指能使通帶內(nèi)信號的幅值和相位都不失真，阻帶內(nèi)的頻率成分都衰減為零的濾波器，其通帶和阻帶之間有明顯的分界線。也就是說，理想濾波器在通帶內(nèi)的幅頻特性應(yīng)為常數(shù)，相頻特性的斜率為常值；在通帶外的幅頻特性應(yīng)為零。理想低通濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)為：

第五章、信號的變換第五章、信號的變換三、實(shí)際濾波器

理想濾波器是不存在的。在實(shí)際濾波器的幅頻特性圖中，通帶和阻帶之間沒有嚴(yán)格的界限。在通帶和阻帶之間存在一個過渡帶。在過渡帶內(nèi)的頻率成分不會被完全抑制，只會受到不同程度的衰減。希望過渡帶越窄越好，也就是希望對通帶外的頻率成分衰減得越快、越多越好。因此，在設(shè)計實(shí)際濾波器時，總是通過各種方法使其盡量逼近理想濾波器。

第五章、信號的變換1.實(shí)際濾波器的基本參數(shù)

（1）紋波幅度d

在一定頻率范圍內(nèi)，實(shí)際濾波器的幅頻特性可能呈波紋變化．其波動幅度d與幅頻特性的平均值A(chǔ)0相比，越小越好，一般應(yīng)遠(yuǎn)小于一3dB。（2）截止頻率fc

幅頻特性值等于0.707A0所對應(yīng)的頻率稱為濾波器的截止頻率．以A0為參考值，0.707A0對應(yīng)于一3dB點(diǎn)，即相對于A0衰減3dB．若以信號的幅值平方表示信號功率，則所對應(yīng)的點(diǎn)正好是半功率點(diǎn)。第五章、信號的變換（3）帶寬B和品質(zhì)因數(shù)Q值

上下兩截止頻率之間的頻率范圍稱為濾波器帶寬，或一3dB帶寬，單位為Hz．帶寬決定著濾波器分離信號中相鄰頻率成分的能力——頻率分辨力．

對于帶通濾波器，通常把中心頻率f0和帶寬B之比稱為濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q．例如一個中心頻率為500HZ的濾波器，若其中一3dB帶寬為10Hz，則稱其Q值為50．Q值越大，表明濾波器頻率分辨力越高．

第五章、信號的變換比值越小，通頻帶外衰減越快，濾波器的選擇性越好．（4）倍頻程選擇性

濾波器選擇性的一種描述，帶寬外頻率成分的衰減能力描述。在兩截止頻率外側(cè)，實(shí)際濾波器有一個過渡帶，這個過渡帶的幅頻曲線傾斜程度表明了幅頻特性衰減的快慢，它決定著濾波器對帶寬外頻率成分衰阻的能力．通常用倍頻程選擇性來表征．倍頻程：若兩頻率fa、fb滿足fb=2fa，則fa與fb之間為一個倍頻程；若fb=2nfa,則fa與fb之間為n個倍頻程.或第五章、信號的變換2.RC無源濾波器

1)一階RC低通濾波器

當(dāng)f很小時，A(f)=1，信號不受衰減的通過；當(dāng)f很大時，A(f)=0，信號完全被阻擋，不能通過。第五章、信號的變換2)一階RC高通濾波器

當(dāng)f很小時，A(f)=0，信號完全被阻擋，不能通過；當(dāng)f很大時，A(f)=1信號不受衰減的通過第五章、信號的變換3)RC帶通濾波器帶通濾波器可以看作為低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián)

極低和極高的頻率成分都完全被阻擋，不能通過；只有位于頻率通帶內(nèi)的信號頻率成分能通過。第五章、信號的變換

要注意，當(dāng)高、低通兩級串聯(lián)時，應(yīng)消除兩級耦合時的相互影響，因?yàn)楹笠患壋蔀榍耙患壍摹柏?fù)載”，而前一級又是后一級的信號源內(nèi)阻．實(shí)際上兩級間常用射極輸出器或者用運(yùn)算放大器進(jìn)行隔離．所以實(shí)際的帶通濾波器常常是有源的．有源濾波器由RC調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器組成．運(yùn)算放大器既可作為級間隔離作用，又可起信號幅值的放大作用

直接相連并非H1(S)H2(S)第五章、信號的變換5.3調(diào)制與解調(diào)在測試技術(shù)中，調(diào)制是工程測試信號在傳輸過程中常用的一種調(diào)理方法，主要是為了解決微弱緩變信號的放大以及信號的傳輸問題。調(diào)制：使一個信號的某些參數(shù)在另一信號的控制下發(fā)生變化的過程。解調(diào)：從已調(diào)制波中恢復(fù)出原調(diào)制信號的過程。第五章、信號的變換信號調(diào)制的類型：幅度凋制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制三種簡稱為調(diào)幅（AM）、調(diào)頻（FM）、調(diào)相（PM）。載波：等幅高頻振蕩

調(diào)制信號：帶有信息的低頻信號已調(diào)制波：調(diào)制后的高頻振蕩信號

一、調(diào)幅及其解調(diào)

1.調(diào)幅調(diào)幅是將一個高頻正弦信號（或稱載波）與測試信號相乘，使載波信號幅值隨測試信號的變化而變化．

第五章、信號的變換由卷積定理結(jié)論：調(diào)幅將一個高頻載波與調(diào)制信號相乘，在頻域相當(dāng)于頻譜“搬移”。設(shè)：第五章、信號的變換第五章、信號的變換2.解調(diào)（1）同步解調(diào)

將調(diào)幅波xm(t)

與原高頻載波z(t)信號再次相乘。

第五章、信號的變換頻譜搬移

頻譜搬移

原信號頻譜

若用一個低通濾波器濾除中心頻率為2fz的高頻成分，那末將可以復(fù)現(xiàn)原信號的頻譜（只是其幅值減少了一半，這可用放大處理來補(bǔ)償），這一過程稱為同步解調(diào)．“同步”指解調(diào)時所乘的信號與調(diào)制時的載波信號具有相同的頻率和相位．

濾波

濾波

保留

第五章、信號的變換第五章、信號的變換

上述的調(diào)制方法，是將調(diào)制信號x(t)直接與載波信號z(t)相乘．這種調(diào)幅波具有極性變化，即在信號過零線時，其幅值發(fā)生由正到負(fù)（或由負(fù)到正）的突然變化，此時調(diào)幅波的相位（相對于載波）也相應(yīng)地發(fā)生180°的相位變化．此種調(diào)制方法稱為抑制調(diào)幅．抑制調(diào)幅波須采用同步解調(diào)或相敏檢波解調(diào)的方法，方能反映出原信號的幅值和極性．（2）整流檢波

若把調(diào)制信號x(t)進(jìn)行偏置，疊加一個直流分量A，使偏置后的信號都具有正電壓.這種調(diào)制方法稱為偏置調(diào)幅．其調(diào)幅波的包絡(luò)線具有原信號形狀，如圖(a)所示．對于非抑制調(diào)幅波，一般采用整流、濾波（或稱包絡(luò)法檢波）以后，就可以恢復(fù)原信號.

第五章、信號的變換第五章、信號的變換二、頻率調(diào)制

調(diào)頻是利用信號x(t)的幅值調(diào)制載波的頻率，或者說，調(diào)頻波是一種隨信號x(t)的電壓幅值而變化的疏密度不同的等幅波第五章、信號的變換調(diào)頻波的瞬時頻率可表示為：f=f0+df

式中f0為載波信號頻率；df為頻率偏移，與調(diào)制信號x(t)的幅值成正比。鑒頻就是對調(diào)頻波進(jìn)行解調(diào)，將信號的頻率變化再變換為電壓幅值的變化。第五章、信號的變換

頻率調(diào)制較之幅度調(diào)制的一個重要的優(yōu)點(diǎn)是改善了信噪比．調(diào)頻波之所以改善了信號傳輸過程中的信噪比，是因?yàn)檎{(diào)頻信號所攜帶的信息包含在頻率變化之中，并非振幅之中，而干擾波的干擾作用則主要表現(xiàn)在振幅之中．

調(diào)頻方法也存在著嚴(yán)重缺點(diǎn)：調(diào)頻波通常要求很寬的頻帶，甚至為調(diào)幅所要求帶寬的20倍；調(diào)頻系統(tǒng)較之調(diào)幅系統(tǒng)復(fù)雜，因?yàn)轭l率調(diào)制是一種非線性調(diào)制，它不能運(yùn)用疊加原理．因此，分析調(diào)頻波要比分析調(diào)幅波困難，實(shí)際上，對調(diào)頻波的分析是近似的。第五章、信號的變換第五章、信號的變換5.4模擬與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換

在測試系統(tǒng)中，不僅需要將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量輸入計算機(jī)進(jìn)行信號處理，還要將計算機(jī)處理后的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量進(jìn)行模擬量顯示、記錄或者輸入到控制環(huán)節(jié)進(jìn)行系統(tǒng)控制等。因此模數(shù)與數(shù)模轉(zhuǎn)換在測試系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。

第五章、信號的變換一、數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器

1.基本結(jié)構(gòu)模擬電壓V

DN-1D0數(shù)字量B基本原理V=KB第五章、信號的變換2.工作原理例：二進(jìn)制加權(quán)網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器Di=1Si接通VR

Di=0Si接地

V=KB

第五章、信號的變換二、模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器

1.逐次比較式ADC一般原理輸入模擬量經(jīng)內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換為模擬量

N=81000000011000000?????????11000001第五章、信號的變換

例：逐次比較式ADC一般原理說明第五章、信號的變換2.雙積分式A/D轉(zhuǎn)換器原理（模擬量）（數(shù)字量）積分時間脈沖個數(shù)Vi第五章、信號的變換(1)準(zhǔn)備期:S1、S2斷開，S接通，積分電容被短路，輸出為0。

(2)采樣期:S1接通（S2、S斷開）對輸入電壓進(jìn)行固定時間T1（=t2-t1）的積分為Vi在T1內(nèi)的平均值第五章、信號的變換

(3)比較期:S2接通（S1斷開）對輸入基準(zhǔn)電壓進(jìn)行變動時間T2（=t3-t2）的積分當(dāng)t=t3時，VOUT