第13章 测试信号的转换与调理

3 理想滤波器
理想滤波器的单位阶跃响应
y (t )
A0
0 .5 A 0 a
b
y (t )
A0
0 .5 A 0
b
a
1 2fc
ta
0 tb
1 2fc
t
0
1 2fc
t0 t a tb
1 2fc
t
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。
-1 -5 1 0 5 1
0
0
-1
-5 0 5
-1
-5 0 5
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 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
x(t )
xt
0
t
x (t )
x' t D xt
e0
R 3 R e01
(c) 放大后调幅波 e01
(-) b
(d) 相敏检波后波形 e02=KR(t)
(e) 滤波后波形
典型相敏检波电路
6 幅值调制的失真 (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180º 变化。
x( t ) 0 y( t ) 0
t
t
6 幅值调制的失真
测试技术基础
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 本章内容：
○ 信号的调制与解调
○ 信号的滤波
前言
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）有些传感器输出的电信号中混杂有干扰噪声，需
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。
5 恒带宽、恒带宽比滤波器
1) 恒带宽带通滤波器
中心频率为上下截止频率的算术平均值。
f 0 ( f c1 f c 2 ) 2
A( f )
… 0 100 200 400 600 …… 800 1000 频率f (Hz)
t
0
t
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。
§13.1 调制与解调
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。
倍频程滤波器
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，以构成滤波特性 好或频率特性有特殊要求的滤波器。
6 滤波电路 2) 一阶RC高通滤波器
A( f )
ex C R
( f )
90 45
ey
11 2
0 1 2 f
0
1 2
f
1 ey e y d t ex RC
A f H f
2 f 1 2 f
2
1 f arctg 2 f
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
§13.1 调制与解调
3 种类
x(t)
调制信号
0
t
zt Acos2f 0t 0
z ( t) 载波信号 0
t
根据载波受调制参数不同，可分为三类。
§13.1 调制与解调 a) 幅度调制(AM)
yt A xt cos2f 0t 0
yt A xt cos2f 0t
调制 缓变信号 高频信号
放大
放大高频 信号
解调
放大缓变 信号
4 幅值调制 幅度调制与解调过程(波形分析)
1
x(t)
0
z(t)
-1 1 0 -1 1
乘法器
y(t)
放大器
0 -1 1 0
z(t)
-1 1 0 -1
乘法器
滤波器
x(t)
1
0
-1
y t Acos 2f 0t k xt dt 0


§13.1 调制与解调
8 频率调制与解调
锯齿波调频
正弦波调频
8 频率调制与解调
鉴频：调频波的解调称为鉴频或频率检波
变压器耦合的谐振回路鉴频
ef
C1
L1
L2
C2 e a
VD
C
R
ec
频率－电压线性变换部分
幅值检波部分
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;
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。
f0
b B f0
f c1 f c 2
b 1 Q
带宽与中心频率的比值称相对宽度。
A( f )
… 0 100 200 400 …… 600 800 1000 频率f (Hz)
5 恒带宽、恒带宽比滤波器
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。
5 幅值解调
解调：相敏检波
(-) (+)
R(t)
ex
c a A (+) 1 e0 (-) (+) R B (+) (-) R D1 D2 R 2 (+) 4 D4 D3 (-) d
(a) 调制信号 e x
(b) 载波
yt xt cos2πf 0t
放大器
z (t )
乘法器
z(t)
ym t xt cos2 2f 0t
xt 1 xt cos 4f 0t 2 2
滤波器
x(t)
5 幅值解调
解调方法之一：同步解调
1 0 1 -1 -5 1 -1 0 -5 0 5 0 5 0
(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 0＞f m
Y( f )
- f0
0
f0
7 幅值调制与解调的应用
动态电阻应变仪
xt
0
xm t
t
0
x0 t
t
0
t
试件
电桥
放大器
Hale Waihona Puke 相敏检波器低通滤波器
振荡器
显示记录仪表
y (t )
0
xt
4 幅值调制 幅度调制与解调过程(频谱分析)
x(t) z(t)
fm
f0 fm
乘法器
y(t)
f0
放大器
f0
f0
乘法器
z(t)
f0
f0
滤波器
x(t)
2 f0
fm
fm
2 f0
fm
fm
4 幅值调制 幅度调制与解调过程（数学分析）
x(t)
乘法器
y(t)
z(t)
x(t )
z (t )
6 滤波电路 3) RC带通滤波器
可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联
A f H f 1 2 f 1 2 f 1
2

1 1 2 f 2
2
1 f arctg 2 f arctg2 f 2 1
Krohn-Hite™ 滤波器
§13.2 滤波 1 滤波器分类（根据滤波器选频作用） 低通
高通
§13.2 滤波
1 滤波器分类（根据滤波器选频作用）
带通
带阻
§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串联为带通滤波器
例：交流电桥
R1 R4 V
Vin
~
R2
R3
§13.1 调制与解调
2 基本概念
调制：利用某种信号来控制或改变另一信号(高频的 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
正、余弦或方波)的某个参数(幅值、频率或相位)的过程。
低通滤波器与高通滤波器的并联为带阻滤波器
§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减为零的滤波器。
A0 e j 2f t 0 H( f ) 0
f fc 其它
h(t ) 2 A0 f c
sin 2 f c (t t 0) 2 f c (t t 0)
A
0
'
t
5 幅值解调 调幅
) y( tt xm