機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)：第4章 信號(hào)的調(diào)理、處理和記錄

1、機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)-信號(hào)的調(diào)理與記錄C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-2/60引言信號(hào)調(diào)理的目的是便于信號(hào)的傳輸與處理。1)傳感器輸出的電信號(hào)很微弱，大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需要進(jìn)一步放大，有的還要進(jìn)行阻抗變換。2)傳感器輸出的是電信號(hào)中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。3)某些場(chǎng)合，為便于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，需要對(duì)傳感器測(cè)量信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)處理。C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-3/60第四章 信號(hào)的調(diào)理、處理和記錄本章學(xué)習(xí)要求1.模擬信號(hào)調(diào)制與解調(diào)原理2.模擬信號(hào)濾波器特性及工程應(yīng)用3.模擬信號(hào)的微分和積分電路C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-4/60第四章 信號(hào)的調(diào)理、

2、處理和記錄本章內(nèi)容4.1 信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)技術(shù) 4.2 濾波器特性、倍頻程濾波器 4.3 信號(hào)的模擬積分和微分4.1 信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)技術(shù) C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-5/604.1 信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)技術(shù)目的：解決微弱緩變信號(hào)的放大以及信號(hào)的傳輸問題。C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-6/604.1 信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)技術(shù)先將微弱的緩變信號(hào)加載到高頻交流信號(hào)中去，然后利用交流放大器進(jìn)行放大，最后再?gòu)姆糯笃鞯妮敵鲂盘?hào)中取出放大了的緩變信號(hào)。例：交流電橋VinVoR1R3R2R4C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-7/604.1 信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)技術(shù)調(diào)制技術(shù)的相關(guān)術(shù)語(yǔ) 調(diào)制信號(hào)被調(diào)制的緩變信號(hào)（測(cè)量信號(hào)）

3、載波信號(hào)傳送緩變信號(hào)的高頻振蕩信號(hào) 已調(diào)波 經(jīng)調(diào)制處理后的信號(hào) 解調(diào) 從已調(diào)頻波中恢復(fù)出調(diào)制信號(hào)的過程C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-8/604.1 信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)技術(shù)4.1.1模擬信號(hào)的調(diào)制分類 幅度調(diào)制(AM) 頻率調(diào)制(FM) 相位調(diào)制(PM)C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-9/604.1 信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)技術(shù)4.1.2幅值調(diào)制(AM)與解調(diào)原理 調(diào)幅是將一個(gè)高頻正弦信號(hào)(載波)與測(cè)量緩變信號(hào)相乘，使載波信號(hào)幅值包絡(luò)線為緩變調(diào)制信號(hào)。C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-10/604.1.2幅值調(diào)制(AM)與解調(diào)原理幅度調(diào)制與解調(diào)過程(波形分析)乘法器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器濾波器

4、z(t)x(t)C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-11/604.1.2幅值調(diào)制(AM)與解調(diào)原理幅度調(diào)制與解調(diào)過程(頻譜分析)乘法器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器濾波器z(t)x(t)C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-12/604.1.2幅值調(diào)制(AM)與解調(diào)原理幅度調(diào)制與解調(diào)過程(數(shù)學(xué)分析)乘法器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器濾波器z(t)x(t)C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-13/604.1.2幅值調(diào)制(AM)與解調(diào)原理小結(jié)1)此種調(diào)制方法，是將信號(hào)x(t)直接與載波z(t)相乘。這種調(diào)幅波具有極性變化，稱為抑制幅值調(diào)制。2)解調(diào)時(shí)由于所乘的信號(hào)與調(diào)制時(shí)的載波信號(hào)具有相同的頻率

5、和相位，故稱為“同步解調(diào)”。3)為保證頻移后的頻譜不失真，載波頻率fzfm(調(diào)制信號(hào)的最高頻率)，通常取數(shù)倍至數(shù)十倍于fm。C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-14/604.1.2幅值調(diào)制(AM)與解調(diào)原理非抑制幅值調(diào)制及整流檢波解調(diào)技術(shù) 若對(duì)信號(hào)x(t)進(jìn)行偏置，疊加一個(gè)直流分量D，使偏置后的信號(hào)都具有正電壓，之后再與載波相乘。此時(shí)，已調(diào)波信號(hào)不發(fā)生極性變化。直流偏置已調(diào)波C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-15/604.1.2幅值調(diào)制(AM)與解調(diào)原理整流檢波解調(diào)法 1)整流檢波是非抑制幅值調(diào)制波的常用解調(diào)方法。 2)對(duì)無極性調(diào)幅波作整流(半波或全波整流)、低通濾波及隔直處理即可復(fù)現(xiàn)原信號(hào)。 3)對(duì)于

6、非抑制調(diào)幅，要求其直流偏置必須足夠大，否則x(t)的相位將發(fā)生180變化。 C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-16/604.1.2幅值調(diào)制(AM)與解調(diào)原理調(diào)幅波的波形失真 a)過調(diào)失真：對(duì)于非抑制調(diào)幅，要求其直流偏置必須足夠大，否則x(t)的相位將發(fā)生180度變化。C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-17/604.1.2幅值調(diào)制(AM)與解調(diào)原理b)重疊失真 調(diào)幅波是由一對(duì)每邊為fm的雙邊帶信號(hào)組成。當(dāng)載波頻率fz較低時(shí)，正頻端的下邊帶將與負(fù)頻端的下邊帶相重疊，要求fzfm。C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-18/604.1 信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)技術(shù)4.1.3頻率調(diào)制(FM)與解調(diào)原理 調(diào)頻是利用信號(hào)x(t)

7、的幅值調(diào)制載波的頻率，或者說，調(diào)頻波是一種隨信號(hào)x(t)的電壓幅值而變化的疏密度不同的等幅波C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-19/604.1.3頻率調(diào)制(FM)與解調(diào)原理鑒頻T1T3fttT2T41/T11/T21/T31/T4C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-20/604.1.3頻率調(diào)制(FM)與解調(diào)原理優(yōu)點(diǎn) 抗干擾能力強(qiáng)，因?yàn)檎{(diào)頻信號(hào)所攜帶的信息全部包含在載波信號(hào)的變化頻率之中；而干擾信號(hào)的干擾作用主要表現(xiàn)為幅值干擾。缺點(diǎn) 占頻帶寬度大，復(fù)雜調(diào)頻波通常要求很寬的傳輸頻帶（通常為調(diào)幅所要求帶寬的20倍）；頻率調(diào)制信號(hào)通常采用鑒頻解調(diào)技術(shù)來還原調(diào)制信號(hào)。C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-21/604.1

8、 信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)技術(shù)4.1.4調(diào)制與解調(diào)技術(shù)的工程應(yīng)用調(diào)幅與解調(diào)技術(shù)用于對(duì)緩變信號(hào)的放大傳輸電路中（如動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀：交流電橋相當(dāng)于一個(gè)乘法器，測(cè)量應(yīng)變?yōu)楸徽{(diào)制信號(hào)，電橋高頻供橋電壓為載波，電橋的輸出為已調(diào)波）；調(diào)頻與解調(diào)技術(shù)主要用于電容、電感等電參量傳感器的調(diào)頻轉(zhuǎn)換測(cè)量電路中。C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-22/60第四章 信號(hào)的調(diào)理、處理和記錄本章內(nèi)容4.1 信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)技術(shù) 4.2 濾波器特性、倍頻程濾波器 4.3 信號(hào)的模擬積分和微分4.2 濾波器特性、倍頻程濾波器 C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-23/604.2濾波器特性、倍頻程濾波器濾波器是一種具有選頻功能測(cè)試系統(tǒng)，只允許輸入

9、信號(hào)中的某些頻率分量通過，抑制和極大的衰減其它分量。 C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-24/604.2濾波器特性、倍頻程濾波器4.2.1濾波器分類 按結(jié)構(gòu)分類，濾波器有電子式，機(jī)械式，聲學(xué)式等。 工程信號(hào)分析使用的濾波器主要是電子式的，它可以是模擬的也可以是數(shù)字的。模擬濾波器：由運(yùn)算放大器和阻容元件組成的電子裝置。數(shù)字濾波器：程序軟件。 C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-25/604.2.1濾波器分類通帶幅頻特性近似取常值A(chǔ)0的頻率范圍是濾波器的通帶。A0是通帶增益。阻帶幅頻特性極大衰減并趨于零的頻率范圍過渡帶通帶與阻帶之間有一個(gè)過渡帶。 C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-26/604.2.1濾波器分類

10、低通濾波器：可除去信號(hào)中的高頻噪聲，對(duì)信號(hào)進(jìn)行有限帶寬處理（這在數(shù)字信號(hào)分析中十分重要）等。高通濾波器：用于去直流分量，排除低頻干擾等。帶通濾波器：主要用于頻譜分析。帶阻濾波器：用于除去信號(hào)中的特定頻率干擾成分。 C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-27/604.2.1濾波器分類低通濾波器高通濾波器低通高通C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-28/604.2.1濾波器分類帶通濾波器帶阻濾波器帶通帶阻C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-29/604.2濾波器特性、倍頻程濾波器4.2.2濾波器的串/并聯(lián) 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分解為這兩種類型的濾波器。C.4 信號(hào)的調(diào)理

11、處理和記錄-30/604.2濾波器特性、倍頻程濾波器4.2.3理想濾波器 理想濾波器是指能使通帶內(nèi)信號(hào)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。fcH(f)fQ(f)C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-31/604.2.3理想濾波器理想濾波器在時(shí)域內(nèi)的脈沖響應(yīng)函數(shù) h(t)為 sinc函數(shù)，脈沖響應(yīng)的波形沿橫坐標(biāo)左、右無限延伸。給理想濾波器一個(gè)脈沖激勵(lì)，在t=0時(shí)刻單位脈沖輸入濾波器之前，濾波器就已經(jīng)有響應(yīng)了，故物理不可實(shí)現(xiàn)。C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-32/604.2濾波器特性、倍頻程濾波器4.2.4實(shí)際濾波器 理想濾波器是不存在的，實(shí)際濾波器幅頻特性中通帶和阻帶間沒有嚴(yán)格界限，

12、存在過渡帶。C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-33/604.2.4實(shí)際濾波器截止頻率fc幅頻特性衰減至 時(shí)的頻率，是名義上的通帶和阻帶的頻率分界線。 對(duì)應(yīng)于-3dB波紋幅度d(Ripple)在一定頻率范圍內(nèi)，實(shí)際濾波器的幅頻特性可能成波紋變化，繞幅頻特性均值A(chǔ)0波動(dòng)值。一般應(yīng)-3dBC.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-34/604.2.4實(shí)際濾波器帶寬B(BandWidth)決定分離信號(hào)中相鄰頻率成分的能力。中心頻率f0指上下兩截止頻率的幾何平均值。品質(zhì)因數(shù)QC.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-35/604.2.4實(shí)際濾波器波形因數(shù) 倍頻程選擇性C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-36/604.2濾波器特性、倍頻程

13、濾波器4.2.5 RC調(diào)諧式濾波器的基本特性 1)一階RC低通濾波器C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-37/604.2.5 RC調(diào)諧式濾波器的基本特性2)一階RC高通濾波器 C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-38/604.2.5 RC調(diào)諧式濾波器的基本特性3)一階RC帶通濾波器 可視為一階RC高通濾波器與一階RC低通濾波器在一定條件下級(jí)聯(lián)而成的電路。C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-39/604.2濾波器特性、倍頻程濾波器4.2.6模擬信號(hào)的頻譜濾波分析 工程中常采用一系列中心頻率不同、截止頻率彼此鄰接的帶通濾波器組進(jìn)行模擬信號(hào)的頻譜分析。C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-40/604.2.6模擬信號(hào)的頻譜濾

14、波分析恒帶寬濾波器其帶寬B是一常數(shù)，當(dāng)f0變化時(shí)，帶寬B保持不變。恒帶寬比濾波器(倍頻程濾波器)其帶寬B不是常數(shù)，B/f0的比值不變。C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-41/604.2.6模擬信號(hào)的頻譜濾波分析恒帶寬濾波器 恒帶寬比濾波器C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-42/604.2.6模擬信號(hào)的頻譜濾波分析恒帶寬濾波器 恒帶寬比濾波器Constant BandwidthConstant Percentage BandwidthC.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-43/604.2.6模擬信號(hào)的頻譜濾波分析倍頻程濾波器的中心頻率f0倍頻程濾波器的fc1與fc2滿足倍頻程關(guān)系式 倍頻程濾波器的中心頻率f0之

15、間的關(guān)系i為濾波器的序號(hào)， n為倍頻程(Octave)數(shù)；常取n=1(倍頻程)，n=1/3(1/3倍頻程)。C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-44/604.2.6模擬信號(hào)的頻譜濾波分析倍頻程濾波器的帶寬比為 可以看出，帶寬比由倍頻程數(shù)決定。1倍頻程濾波器帶寬比為0.71；1/3倍頻程濾波器帶寬比為0.23； C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-45/604.2.6模擬信號(hào)的頻譜濾波分析例4.1幾個(gè)相鄰的1/3倍頻程濾波器的參數(shù)(Hz)f02531.540506380fc1/fc222.4 / 2828/35.535.5/4545/5656/7171/90B5.67.59111519C.4 信號(hào)的調(diào)理處理

16、和記錄-46/604.2.6模擬信號(hào)的頻譜濾波分析例4.21倍頻程和1/3倍頻程的比較C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-47/604.2.6模擬信號(hào)的頻譜濾波分析例4.3并行式倍頻程譜分析 比串行式的速度快，可以實(shí)現(xiàn)“實(shí)時(shí)”譜分析。C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-48/604.2.6模擬信號(hào)的頻譜濾波分析例4.4倍頻程譜分析 C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-49/604.2.6模擬信號(hào)的頻譜濾波分析例4.5聲級(jí)分析C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-50/604.2.6模擬信號(hào)的頻譜濾波分析小結(jié)： 1)倍頻程頻譜是離散頻譜(f0不連續(xù))。 2)表示方式直方圖譜或折線譜； 3)倍頻程頻譜在各離散頻率點(diǎn)的值，是

17、相應(yīng)濾波器帶寬范圍內(nèi)的所有諧波分量的總功率(以RMS表示)，而不是該頻率點(diǎn)的諧波分量幅值。但由于倍頻程式濾波器的各個(gè)參數(shù)(f0、B等)均已標(biāo)準(zhǔn)化，所以用倍頻程式譜分析儀所得出的頻譜就具有規(guī)范性和可比性。很多工業(yè)技術(shù)部門都規(guī)定用倍頻程頻譜來評(píng)價(jià)振動(dòng)，噪聲等物理量。 4)倍頻程頻譜分析儀的分析速度很快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定可靠，是一種廣泛使用的模擬譜分析手段。 C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-51/604.2.6模擬信號(hào)的頻譜濾波分析頻譜濾波分析的說明 1)測(cè)不準(zhǔn)原理：如果選擇小的帶寬B，那么就需要一個(gè)長(zhǎng)的響應(yīng)時(shí)間T。C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-52/604.2.6模擬信號(hào)的頻譜濾波分析2)濾波器帶

18、寬的選擇實(shí)際分析中，帶寬的選擇往往需要在分析精度和分析時(shí)間之間作折中。C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-53/60第四章 信號(hào)的調(diào)理、處理和記錄本章內(nèi)容4.1 信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)技術(shù) 4.2 濾波器特性、倍頻程濾波器 C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-54/60作業(yè)4-1，4-2，4-3，4-9。C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-55/60參考文獻(xiàn)何嶺松等，工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)課件，華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院。伍星，機(jī)電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故展診斷技術(shù)課件，昆明理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院。李功宇，機(jī)械工程測(cè)試原理與技術(shù)課件，昆明理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院。郭瑜，機(jī)械工程測(cè)試原理與技術(shù)課件，昆明理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院。B&K公司技術(shù)資料。C.4 信號(hào)

19、的調(diào)理處理和記錄-56/60謝謝Faculty of Mechanical & Electrical Engineering, Kunming University of Science & TechnologyC.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-57/60調(diào)幅廣播與調(diào)頻廣播AM稱為調(diào)幅廣播，分為長(zhǎng)波LW(300kHz以下)、中波MW(300kHz3MHz)和短波SW(330MHz)三種。調(diào)幅廣播的傳輸距離比調(diào)頻遠(yuǎn)，但聲音的還原度沒有調(diào)頻好。 FM稱為調(diào)頻廣播，這種廣播是超短波的一種。它的特點(diǎn)是音質(zhì)清晰，聲音還原度高，可以雙聲道立體聲傳輸，但傳播距離比較短，比較適合近距離的傳播，一般的城市廣播會(huì)選擇

20、調(diào)頻頻率播出。C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-58/60調(diào)幅廣播與調(diào)頻廣播而要傳送的廣播節(jié)目的頻率要比載波的頻率低得多，在 30 Hz15000Hz之間，稱為音頻信號(hào)或低頻信號(hào)。 廣播電臺(tái)發(fā)射的調(diào)幅波的頻帶寬度為音頻最高頻率的兩倍。在實(shí)際上，廣播電臺(tái)的頻帶寬度是沒有30 千赫的。我國(guó)中波調(diào)幅廣播的頻率范圍為 535 1605KHz。若按 30KHz計(jì)算，僅能設(shè)臺(tái)(1605-535)/3036(座)。對(duì)我們這樣大的一個(gè)國(guó)家來說，是不可能的。為了在有限的廣播頻率段中，既要防止臨近頻率電臺(tái)相互干擾，又要設(shè)置更多的電臺(tái)數(shù)目，只能壓縮每個(gè)電臺(tái)的頻帶寬度。C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-59/60調(diào)幅廣播與調(diào)

21、頻廣播國(guó)際上規(guī)定中波廣播的頻道間隔為9KHz。即每一電臺(tái)的頻帶寬度限制于9KHz之內(nèi)。故音頻信號(hào)中的高音頻率被限制在 4.5KHz以下。在收聽中波調(diào)幅廣播時(shí)，其高音成分感到欠缺。尤其是播送音樂節(jié)目時(shí)，更是明顯。這是調(diào)幅廣播的一大弱點(diǎn)。在調(diào)頻廣播中規(guī)定最高頻偏為75KHz，每個(gè)電臺(tái)所占頻帶寬寬為 200KHz 帶寬 = （頻偏 + 音頻）2 ，單聲道為180KHz，立體聲為198KHz 。比調(diào)幅廣播的20倍還多。因而在調(diào)頻廣播中，可將音頻信號(hào)的高音頻率擴(kuò)大至 15KHz。所以調(diào)頻電臺(tái)的節(jié)目聽起來要比調(diào)幅廣播高音豐富、清晰、逼真。特別是在聆聽立體聲高保真音樂節(jié)目時(shí)，更是調(diào)幅廣播無法比擬的。 C.4

22、 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-60/60長(zhǎng)波LW長(zhǎng)波(包括超長(zhǎng)波)是指頻率為300kHz以下的無線電波。由于大氣層中的電離層對(duì)長(zhǎng)波有強(qiáng)烈的吸收作用，長(zhǎng)波主要靠沿著地球表面的地波傳播，其傳播損耗小，繞射能力強(qiáng)。超長(zhǎng)波的頻率低于30kHz的，能繞地球作環(huán)球傳播。長(zhǎng)波傳播時(shí)，具有傳播穩(wěn)定，受核爆炸、大氣騷動(dòng)影響小等優(yōu)點(diǎn)。在海水和土壤中傳播，吸收損耗也較小。主要用于對(duì)潛艇的通信和遠(yuǎn)洋航行的艦艇通信等，由于長(zhǎng)波需要龐大的天線設(shè)備，所以只能建在陸地，因此只是單向廣播式的通信，如果潛艇要接收岸上指揮機(jī)構(gòu)的指令，必須按規(guī)定的時(shí)間和頻率接收。 C.4 信號(hào)的調(diào)理處理和記錄-61/60中波MW中波是指頻率為300kHz3MHz的無線電波。它可以靠電離層反射的天波形式傳播，也可靠沿地球表面的地波形式傳播。白天，由于電離層的