工程测试与信号处理-第5章 信号调理技术
信号调理措施
信号调理措施引言信号调理是指在收集或传输过程中对信号进行处理和优化的方法。
在实际应用中，信号往往会受到噪声、失真等干扰，需要通过调理措施对信号进行修正和改善，以提高信号的质量和可靠性。
本文将介绍几种常见的信号调理措施，包括滤波、放大、数字化和校正。
通过这些调理措施，可以使信号更好地适应后续处理、分析和应用的需求。
滤波滤波是一种常见的信号调理手段，用于去除信号中的噪声、干扰或不需要的频率分量。
常见的滤波器包括低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。
在信号调理中，我们可以根据具体的应用需求选择适当的滤波器类型和参数。
例如，如果信号中包含高频噪声，可以采用低通滤波器去除；如果需要提取特定频率成分，可以选择带通滤波器。
滤波器可以通过模拟方式或数字方式实现。
模拟滤波器一般采用电容、电感和运算放大器等元件构成，数字滤波器则利用数字信号处理技术对信号进行滤波。
放大放大是指对信号进行增益处理，以增加信号幅度或增强信号的强度。
放大器是实现放大功能的关键设备。
放大器可以根据需要调整幅度增益，以适应信号不同的幅度要求。
放大处理可以提高信号的噪声容限，增加信号的动态范围，使信号更易于处理和分析。
常见的放大器类型包括运算放大器、差分放大器、功率放大器等。
放大器的选择应根据信号的频率范围、幅度范围和功率要求来确定，并考虑放大器的线性度、噪声指标、带宽等性能指标。
数字化数字化是指将模拟信号转换为数字信号的过程。
在信号调理中，数字化允许对信号进行更精确的处理和分析，并便于信号的存储和传输。
数字化涉及采样和量化两个过程。
采样是指按照一定的时间间隔对信号进行采集，通常使用模数转换器（ADC）实现。
量化是指将连续的模拟信号离散化为一系列离散数值，通常使用模数转换器（ADC）实现。
在数字化过程中，需要考虑采样率和量化精度的选择。
采样率决定了数字信号中包含的频率范围，过低的采样率可能导致信号丢失和混淆；量化精度表示每个采样点的位数，决定了数字信号的动态范围和精确度。
【学习】第五章信号调理电路
一般采用音频交流电压（5～10kHZ）作为电桥电源。 这时，电桥输出将为调制波，外界工频干扰不易从线路 中引入，并且后接交流放大电路简单无零漂。
采用交流电桥时，必须注意影响测量误差的一些因素。
如：电桥中元件之间的互感影响；无感电阻的残余阻抗； 邻近交流电路对电桥的感应作用；泄漏电阻以及元件之间、 元件与地之间的分布电容等。
整理课件
33
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§2 调频与解调
（1）调频
调频（频率调制）是利用信号电 压的幅值控制一个振荡器，振荡 器输出的是等幅波，但其振荡频 率偏移量和信号电压成正比。
当信号电压为零时，调频波的频率等于中心频率（载波频 率）；信号电压为正值时频率提高，负值时则降低。所以调 频波是随信号而变化的疏密不等的等幅波。
-fm
fm
－f0
f0
时域分析
频域分析
由脉冲函数的卷积性质知：一个函数与单位脉冲函数卷积的结
果，就是将其以坐标原点为中心的频谱平移到该脉冲函数处。
即调制后的结果就相当于把原信号的频谱图形由原点平移至
载波频率 f 0 处，幅值减半。
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从调幅原理看，载波频率 f 0 必须高于原 信号中的最高频率 f m 才能使已调波仍 保持原信号的频谱图形，不致重叠。
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g(t)1 2x(t)1 2x(t)co4sf0t
据傅里叶变换性质可得：
G (f) 1 2X (f) 1 4X (f 2 f0 ) 1 4X (f 2 f0 )
若用一个低通滤波器滤去中心
频率为 2 f 0 的高频成分，那
么将可以复现原信号的频谱 （幅值减小为一半），若用放 大处理来补偿幅值减小，可得 到原调制信号。
华中科技大学工程测试与信息处理(08009650)作业与答案
1 请给出3种家用电器中的传感器及其功能。
洗衣机：水位传感器冰箱：温度传感器彩电：亮度传感器热水器：温度传感器空调：温度传感器2 请给出智能手机中用到的测试传感器。
重力传感器、三维陀螺仪、GPS、温度传感器、亮度传感器、摄像头等。
3 系统地提出（或介绍）你了解的（或设想的）与工程测试相关的某一（小）问题。
考虑通过本门课程的学习，你如何来解决这一问题。
（注意：本题的给出的答案将于课程最后的综合作业相关联，即通过本课程的学习，给出详细具体可行的解决方案）第二章普通作业1请写出信号的类型1)简单周期信号2)复杂周期信号3)瞬态信号准周期信号4)平稳噪声信号5) 非平稳噪声信号第二章 信号分析基础 测试题1. 设时域信号x(t)的频谱为X(f)，则时域信号（C ）的频谱为X(f ＋fo ）。
A . B. C. D.2. 周期信号截断后的频谱必是（A ）的。
A. 连续B. 离散C. 连续非周期D. 离散周期3. 不能用确定的数学公式表达的信号是 (D) 信号。
A 复杂周期B 非周期C 瞬态D 随机4. 信号的时域描述与频域描述通过 (C) 来建立关联。
A 拉氏变换B 卷积C 傅立叶变换D 相乘5. 以下 (B) 的频谱为连续频谱。
A 周期矩形脉冲B 矩形窗函数C 正弦函数D 周期方波6. 单位脉冲函数的采样特性表达式为（A ） 。
)(0t t x -)(0t t x +t f j e t x 02)(π-t f j e t x 02)(πA )(d)()(t xttttx=-⎰∞∞-δB )()(*)(ttxtttx-=-δC )()(*)(t xtt x=δ D 1)(⇔tδ2.6 思考题1) 从下面的信号波形图中读出其主要参数。
解答提示：峰值9.5V，负峰值-9.5V，双峰值19V，均值0V。
周期=0.06/3.5S2) 绘出信号的时域波形解答提示：3) 为什麽能用自相关分析消去周期信号中的白噪声信号干扰。
工程测试与信号处理
1．测试的基本概念测试是具有试验性质的测量，或者可以理解为测量和试验的综合。
2．测试技术的内容主要内容包括四个方面，即：测量原理.测量方法,测量系统,数据处理3. 测试技术的任务1)新产品设计；2)设备改造；3)工作和生活环境的净化及监测；4)工业自动化生产；5)科学规律的发现和新的定律、公式的诞生。
4. 测试方法的分类1) 按是否直接测定被测量的原则分类分为直接测量法和间接测量法。
2)按传感器是否与被测物接触的原则分类分为接触测量法与非接触测量法。
优缺点。
3) 按被测量是否随时间变化分类静态测量和动态测量5.信号是载有信息的物理变量，是传输信息的载体。
信息是事物存在状态或属性的反映。
区别与联系：信息蕴含于信号之中，信号中携带着人们所需要的有用信息。
6.信号的分类一、按所传递的信息的物理属性分类：机械量(如位移、速度、加速度、力、温度、流量等)、电学量(如电流、电压等)、声学量(如声乐、声强等)、光学量等等。
二、按照时间函数取值的连续性和离散性分类：分为连续时间信号和离散时间信号。
三、按照信号随时间变化变化的特点来分类：可分为确定性信号和非确定性信号两大类。
四、按照信号能否重复来分类：确定性信号（周期信号和非周期信号）和非确定性信号（平稳随机信号和非平稳随机信号）。
7.信号的描述与分类通常以四种变量域来描述信号，即时间域、幅值域、频率域、时频域对应的信号分析有时域分析、幅域分析、频域分析、时频分析。
一、时域分析（1）. 峰值和峰峰值峰峰值表示信号的动态范围，即信号大小的分布区间（2）均值表示信号大小的中心位置或常值分量，也称为固定分量或直流分量。
(3)方差和均方差表示了信号的分散程度或波动程度。
(4) 均方值和均方根值表示了信号的强度。
8.传感器的静态特性：静态特性是指传感器对不随时间变化得输入量得响应特性的指标：1.线性度2.灵敏度3.回程误差4.分辨力与分辨率5.确定度6.漂移动态特性：动态特性是指传感器对随时间变化得输入量得响应特性。
《测试技术与信号处理》课程教学大纲
《测试技术与信号处理》课程教学大纲课程代码：0806315008课程名称：测试技术与信号处理英文名称：Testing Technology and Signal Processing总学时：48 讲课学时：40 实验学时：8学分：3适用专业：机械设计制造及其自动化专业（汽车、城轨）先修课程：高等数学、工程数学、工程力学、机械设计基础、电工电子技术一、课程性质、目的和任务《测试技术与信号处理》是机械类专业的专业基础课和必修课程，也是机械大类专业的平台课程。
通过本课程的学习，要求学生初步掌握动态测试与信号处理的基本知识与技能，培养正确选用和分析测试装置及系统的能力，并掌握力、压力、噪声、振动等常见物理量的测量和应用方法，为进一步学习、研究和处理车辆工程技术中的测试问题打下基础。
二、教学基本要求本课程分为概论、信号描述、测试系统特性、常见传感器、信号的调理处理和记录、信号分析基础、常见物理量测量和计算机辅助测试几部分。
学完本课程应具有下列几方面的知识：(1) 掌握测量信号分析的主要方法，明白波形图、频谱图的含义，具备从示波器、频谱分析仪中读取解读测量信息的能力。
(2) 掌握测试系统的静态特性、动态特性，不失真测量的条件，测试系统特性的评定方法，减小负载效应的措施。
(3) 掌握传感器的种类和工作原理，能针对工程问题选用合适的传感器。
(4) 掌握信号的调理、处理和记录的方法和原理。
(5) 掌握信号的相关分析、频谱分析原理与应用。
(6) 掌握温度、压力、位移等常见物理量的测量方法，了解其在工业自动化、环境监测、楼宇控制、医疗、家庭和办公室自动化等领域的应用。
(7) 了解计算机测试系统的构成，用计算机测试系统进行测量的方法、步骤和应该注意的问题。
三、教学内容及要求1. 绪论介绍测试系统的基本概念，测试系统的组成。
及测试技术的工程意义：在工业自动化、环境监测、楼宇控制、医疗、家庭和办公室自动化等领域的应用情况和测试技术的发展趋势。
工程测试技术基础第五章信号调理
5.3调制与解调
动手做： 用个人测试实验室中数字 信号发生器、波形运算器 等软件芯片，设计一个非 抑制调幅与解调系统。
5.3调制与解调
4 频率调制
调频是利用信号x(t)的幅值调制载波的频 率，或者说，调频波是一种随信号x(t)的电压 幅值而变化的疏密度不同的等幅波.
y (t) A c2 o[f0 s x ( (t)* t ])
y (t) [A 0* x (t)c ]o 2 fs t()
调制
缓变信号
放大
高频信号
放大高 频信号
解调
放大缓 变信号
5.3调制与解调 幅度调制与解调过程（波形分析）
x(t) z(t)
乘法器
x m(t)
放大器
z(t)
乘法器
滤波器
x(t)
5.3调制与解调 幅度调制与解调过程（频谱分析）
x(t) z(t)
3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要 对传感器测量信进行调制解调处理。
第五章、测试信号调理技术
5.2 信号放大
分类
直流放大器
特点 低频保留,高频截止
放大器
交流放大器 直流电桥 交流电桥
高频保留,低频截止
电荷放大器
5.2 信号放大电路
1 直流放大电路
1) 反相放大器
电压增益:
Av
RF R1
t
5.3调制与解调
a) 幅度凋制(AM)
y (t) [A * x (t)c ]o 2 fs t( )
b) 频率调制(FM)
y (t) A c2 o[fs 0 x ((t)* t])
c) 相位调制(PM)
y(t)A co 2 fs t[(0 x(t)])
工程测试技术试题及答案
工程测试技术试题及答案章节测试题第一章信号及其描述（一）填空题1、测试的基本任务是获取有用的信息，而信息总是蕴涵在某些物理量之中，并依靠它们来传输的。
这些物理量就是，其中目前应用最广泛的是电信号。
2、信号的时域描述，以 $ 为独立变量；而信号的频域描述，以为独立变量。
3、周期信号的频谱具有三个特点：，，。
4、非周期信号包括信号和РРРРРРРРР 信号。
5、描述随机信号的时域特征参数有、、。
6、对信号的双边谱而言，实频谱（幅频谱）总是对称，虚频谱（相频谱）总是对称。
（二）判断对错题（用√或×表示）1、各态历经随机过程一定是平稳随机过程。
（）2、信号的时域描述与频域描述包含相同的信息量。
（）3、非周期信号的频谱一定是连续的。
（）4、非周期信号幅频谱与周期信号幅值谱的量纲一样。
（）5、随机信号的频域描述为功在sdfs 率谱。
（）（三）简答和计算题1、求正弦信号t x t x ωsin )(0=的绝对均值μ|x|和均方根值x rms 。
2、求正弦信号)sin()(0?ω+=t x t x 的均值x μ，均方值2x ψ，和概率密度函数p(x)。
3、求指数函数)0,0()(≥>=-t a Aet x at的频谱。
4、求被截断的余弦函数??≥<=Tt T t t t x ||0||cos )(0ω的傅立叶变换。
5、求指数衰减振荡信号)0,0(sin )(0≥>=-t a t e t x atω的频谱。
第二章测试装置的基本特性（一）填空题1、某一阶系统的频率响应函数为121)(+=ωωj j H ，输入信号2sin)(tt x =，则输出信号)(t y 的频率为=ω ，幅值=y ，相位=φ 。
2、试求传递函数分别为5.05.35.1+s 和2224.141nn n s s ωωω++的两个环节串联后组成的系统的总灵敏度。
3、为了获得测试信号的频谱，常用的信号分析方法有、和。
4、当测试系统的输出)(t y 与输入)(t x 之间的关系为)()(00t t x A t y -=时，该系统能实现测试。
机械工程测试技术要点
1测试系统包括传感器、信号调理、信号处理、显示与记录四个环节。
传感器：当接受测量的直接作用后，能按一定规律将被测量转换成同种或别种量值输出，其输出通常是电信号。
信号调理：对信号尽享转换、放大和滤波，即把来自传感器的信号转换成更适合进一步传输和处理的信号。
信号处理：接受来自信号调理环节的信号，并进行运算，滤波、分析，将结果输出值显示、记录混控制系统。
信号显示与记录：以观察着易于识别的形式显示测量结果，或将测量结果存储，供必要时使用。
2周期信号的频谱特点：1离散谱；2谱线仅出现在基波和各次谐波频率处；3幅值谱各频率分量的幅值岁频率升高而减小。
非周期信号频谱特点：1连续谱；2各频率分量的幅值随频率分量的升高而趋于无穷小，但保持一定比例关系。
3温度计是一阶惯性系统，其阶跃响应为y=1-e ,系统的输出值与稳态响应值仅相差2%当t越大，系统的处处志与稳态响应值的误差就越小。
4右图是一恒温电路，A 为比较器，当环境温度达到T℃时，输出信号实现自动调温控制。
同相端输入有RP、R1、R2、R3分压确定作比较电平，RP可调节比较器的比较电平，从而调节所需控制温度5测量是采集和表达被测量并与标准作比较的过程。
测量的前提1被测量必须有明确的定义2测量标准必须通过协议事先确定选取传感器原则：灵敏度，响应特性，线性范围，可靠性，精确度，测量方式及其他。
6差动变压器一二次绕组间的耦合能随衔铁移动变化，即绕组间的护肝随被测位移改变而变化7电感式传感器分为自感型和互感型，自感型分为可变磁阻型和涡流式8调幅波特点：1当调制信号x（t）>0时，调幅波xm（t）与载波y（t）同频同相，复制大小与x（t）大小有关2当x（t）<0时xm（t）与载波同频反相，幅值同上3调幅波是以高频，单骑包含络线和调制信号x（t）相似，其幅值受x（t）变化影响，y（t）频率越高，波形越宽，相似程度越好。
9电阻丝应变片与半导体应变片异同及优点：相同点都是将被测量的变化转化为电阻变化前者是几何尺寸引起阻值变化，后者是电阻率变化引起。
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本章学习要求：
1.了解模拟信号放大电路原理 2.了解信号调制解调原理 3.掌握信号滤波器工作原理
1
第六章 模拟信号的变换与处理 （模拟信号调理技术）
本章学习内容： §6.1 信号调理的目的 §6.2 信号的放大电路 §6.3 信号的调制与解调 §6.4 信号的滤波技术
的传输问题。
13
§6.3 调制与解调
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，最后再从放大器的 输出信号中取出放大了的缓变信号。
例：交流电桥
R1
R3
Vin
Vo
R4 R2
14
二、 分类 调制信号
§6.3 调制与解调
x(t)
0
t
载波信号 z(t) Acos(2ft )
2
§6.1 信号调理的目的
信号调理的目的是便于信号的传输与处理。 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.有些传感器输出的是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 对传感器测试信号进行调制解调处理。
V
R4 R2
V R1R3 R2R4 E (R1 R2 )(R3 R4 )
8
§6.2 信号的放大电路
令： R1 R R2 R R3 R R4 R dR
V RR R(R dR) E (R R)(R R dR)
E dR 4R
9
§6.2 信号的放大电路
四、 交流电桥
传感器
传感器
●平衡条件 Z1Z3 Z2Z4
电感
电容
10
§6.2 信号的放大电路
电桥的接法：
单臂
半桥
全桥
11
§6.2 信号的放大电路
五、 电荷放大器
q ei (Ca Cc Ci ) (ei ey )C f
F
+
ey
(C
Kq Cf )
KC f
12
§6.3 调制与解调
一、 目的 解决微弱缓变信号的放大以及信号
运放交流电压同相放大器。其中电容C1、C2及C3 为隔直电容。
Av
1
RF R1
R1一般取几十千欧。耦合电容C1 、 C3可根据交 流放大器的下限频率fL来确定。
C1 C3 (3 ~ 10) /(2RL fL )
7
§6.2 信号的放大电路
三、 直流电桥
●平衡条件
R1
R3
R1R3 R2 R4
E
20
§6.3 调制与解调
幅度调制与解调过程（3. 数学分析）
x(t) z(t)
乘法器
x m(t)
放大器
x(t) z(t)
xm (t) x(t) cos(2fzt)
z(t)
乘法器 z(t) ym (t) x(t) cos2 2fzt
滤波器
x(t)
x(t)
1 2
x(t)
cos(2
2
f
zt)
21
§6.3 调制与解调
测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变 化而变化．
y(t) [A0 * x(t)]cos(2ft )
调制
缓变信号
放大
高频信号
放大高 频信号
解调
放大缓 变信号
17
§6.3 调制与解调
幅度调制与解调过程（1. 波形分析）
x(t) z(t)
乘法器
x m(t)
放大器
z(t)
乘法.3 调制与解调
4. 非抑制调幅（或称偏置调幅） 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。
x(t)
x(t)
x ′ (t)
x'(t) D x(t)
xm (t) [D x(t)]cos(2ft)
22
调幅:
§6.3 调制与解调
23
解调:
§6.3 调制与解调
二极管检波
低通滤波
24
§6.3 调制与解调
5. 调幅波的波形失真
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.
25
§6.3 调制与解调
b)重叠失真：调幅波是由一对每边为fm的双边带信号组 成．当载波频率fz较低时，正频端的下边带将与负频端的下 边带相重叠．所以要求: fz ＞fm
幅度调制与解调过程（2.频谱分析 ） 参P171
x(t) z(t)
乘法器
x m(t)
放大器
z(t)
乘法器
2
滤波器
x(t)
19
§6.3 调制与解调
实验：同步调制与解调实上验述调制方法，将信号x(t)
直接与载波z(t)相乘．这种 调幅波具有极性变化，解调 时必须再乘与z(t)相位相同 的z’(t) 方能复原出原信号， 故称同步解调．
因为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，而干扰波的干扰作用则主 要表现在振幅之中．
缺点：占频带宽度大，复杂
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；调频系统较之调幅系统复 杂，因为频率调制是一种非线性调制。
烟雾报警器
酒精传感器
二氧化碳传感器
5
§6.2 信号的放大电路
2)同相放大器
同相放大器也是最基 本的电路 ，其闭环电压 增益Av为:
Av
1
RF R1
同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻 抗很低的特点，广泛用于前置放大级。
6
§6.2 信号的放大电路
二、 交流放大器 若只需要放大交流信号，可采用图示的集成
26
§6.3 调制与解调
四、频率调制 调频是利用信号x(t)的幅值调制载波的频
率，或者说，调频波是一种随信号x(t)的电压 幅值而变化的疏密度不同的等幅波.
y(t) Acos(2[ f0 x(t)]t )
27
§6.3 调制与解调
28
鉴频：
§6.3 调制与解调
T2
T4
T1
T3
F
29
§6.3 调制与解调 优点：抗干扰能力强
z(t)
0
t
15
§6.3 调制与解调
a) 幅度凋制(AM)
y(t) [A x(t)]cos(2ft )
b) 频率调制(FM)
y(t) Acos(2[ f0 x(t)]*t )
c) 相位调制(PM)
y(t) Acos(2ft [0 x(t)])
16
§6.3 调制与解调
三、幅度调制 调幅是将一个高频正弦信号（或称载波）与
3
§6.2 信号的放大电路
分类：
直流放大器
放大器
交流放大器 直流电桥 交流电桥
电荷放大器
特点： 低频保留,高频截止 高频保留,低频截止
4
§6.2 信号的放大电路
一、 直流放大器
1) 反相放大器
电压增益:
Av
RF R1
反馈电阻RF值不能太大，否则会产生较大的噪声及 漂移，一般为几十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于 信号源Ui的内阻。