工程测试技术41

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,*,*,华中科技大学材料学院,工程测试技术,第四章,信号处理,本章学习要求：,了解模拟信号放大电路原理；,了解信号调制、解调原理；,了解信号滤波器工作原理；,了解信号模数转换和数模转换原理；,掌握信号采样定理，能正确选择采样频率；,了解数字信号处理中信号截断、能量泄露、栅栏效应等现象；,掌握常用的数字信号处理方法。,本章目录,4.1 概述（2学时）,4.2 信号放大,4.3 调制与解调,4.4 信号的滤波（4学时）,4.5 数字信号处理概述,4.6 模数(A/D)和数模(D/A)转换,4.7 数字信号处理中的基本理论（2学时）,4.8 数字滤波、数据压缩,4.9 信号的输出,2,4.1 概述,测试工作的目的是获取反映被测对象的状态和特征的信息。但是有用的信号总是和各种噪声混杂在一起的，有时本身也不明显、不突出，难于直接识别和利用。只有分离信、噪，并经过必要的处理和分析、消除和修正系统误差之后，才能比较准确地提取测得信号中所含的有用信息。因此，信号处理的目的是：,分离信号、噪声，提高信噪比；,从信号中提取有用的特征信号；,修正测试系统的某些误差，如传感器的线性误差、温度影响等。,3,1. 测试信号处理的基本步骤,测试信号处理流程图,物理信号,对象,传感器,电信号,放大调制,电信号,A/D,转换,数字信号,计算机,DSP,显示记录,D/A,转换,电信号,控制,物理信号,滤波,电信号,数字信号,4,2. 信号的前置（模拟信号）处理,把信号变成适于数字处理的形式，以减轻数字处理的困难。前置处理包括：,电压幅值调理，以便适宜于采样。总是希望信号电压峰峰,(V,P-P,),值足够大，以便充分利用,A/D,转换器的精确度；,必要的滤波，以提高信噪比，并滤去信号中的高频噪声；,隔离信号中的直流分量（如果所测信号中不应有直流分量）；,某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对测量信号进行调制，接收端要解调处理。,预处理环节应根据测试对象、信号特点和数字处理设备的能力妥善安排。,例：传感器输出信号多为mV级，而A/D能转换的的信号多为V级。一K型热电偶测温装置，测温范围01200,C，传感器输出：048.838mV。若采用一输入02V，14位的ADC，ADC的分辨率约为：0.122mV，有效的ADC位数为9位！,5,3. 模数转换(ADC),模数(A/D)转换是模拟信号经采样、量化并转化为二进制数的过程。,6,4. 数字信号处理(DSP),计算机,或,数字信号处理器(DSP),对离散的时间序列进行各种必要的运算处理。,计算机只能处理有限长度的数据，所以首先要把长时间的序列截断，对截取的数字序列有时还要人为地进行,加权,（乘以窗函数）以成为新的有限长的序列。,对数据中的奇异点（由于强干扰或信号丢失所引起的数据突变）应予以,剔除,。,对温漂、时漂等系统性干扰所引起的趋势项（周期大于记录长度的频率成分）也应予以,分离,。,如有必要，还可以设计专门的程序来进行,数字滤波,。然后把数据按给定的程序进行运算，完成各种分析。,7,5. 信号的后置处理,运算结果可以直接显示或打印。如果后接D/A和记录仪则可以绘图等。如有需要可将数字信号处理结果送入后接计算机或通过专门程序再做后续处理。,D/A,8,4.2 信号的放大,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。,9,放大器的分类,直流放大器,低频保留,高频截止,放大器,交流放大器,高频保留,低频截止,电荷放大器,高输入阻抗,反向放大器,电压跟随器,同向放大器,差动放大器,10,1.,反向放大器,结构特点：,负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。,放大倍数：,输入电阻：,r,i,=R,1,平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。,R,P,=,R,1,/,R,2,反馈电阻,R,2,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。,R,1,的取值应远大于信号源,U,i,的内阻。,11,2.,同向放大器,结构特点：,负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。,放大倍数：,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。,12,3.,电压跟随器,结构特点：,输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。,电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。,放大倍数：,U,0,/,U,i,=1,此电路是电压并联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。,13,4. 差动放大器,结构特点：,两输入电压分别引到反相和同相输入端。差动放大器是,加减运算电路,的特例。,输出电压：,高输入阻抗，高共模抑制比。,14,5. 同相交流放大器,若只需要放大交流信号，可采用图示的集成运放交流同相放大器。其中电容C,1,为隔直电容。,放大倍数：,输入阻抗：,r,i,=R,p,=R,1,/R,2,耦合电容C,1,：,15,6. 电荷放大器,F,+,16,4.3 调制与解调(MODEM),调制(Modulation),用,调制信号,的某一种或某几种参数控制高频信号的,参数,的改变过程。按照控制参数的不同，调制又可分为,调幅,、,调频,和,调相,。,将低频信号称,调制波,，载送低频信号的高频振荡信号称为,载波,，而将经过调制过程所得的高频振荡波称,已调制波,。,解调(Demodulation),则是从已调制波信号中恢复出原有低频信号的过程。,调制与解调是一对信号变换过程，在工程上常常结合在一起使用。从时域上讲，调制过程即是使载波的某一参量随调制波的变化而变化，而在频域上，调制过程则是一个移频的过程。,17,4.3.1 目的,解决微弱缓变信号的放大以及信号的传输问题。,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。,18,4.3.2 调制方法分类,幅度调制,(AM),当被控制的量是高频振荡信号的幅值时，称为,幅值调制或调幅,；,若调制波为：,X(t),载波信号通常采用正弦波：,19,4.3.2 调制方法分类（续）,2. 频率调制(FM),当被控制的量为高频振荡信号的频率时，称为,频率调制或调频,；,3.,相位调制(PM),当被控制的量为高频振荡信号的相位时，则称为,相位调制或调相,。,20,4.3.3 幅度调制,调幅是将一个载波信号与测试信号相乘，使载波信号幅值随测试信号的变化而变化。若载波为一余弦波，则有：,由傅里叶变换性质知：,则有,：,21,1. 图示幅度调制原理,调制器,调幅的过程在频域上就相当于一个移频的过程。,22,例：调制信号为正弦信号,设调制信号为：x(t)=A,S,sin,S,t，,载波信号为：y(t)=A,C,sin,C,t,则经调制后的已调制波为,采用三角积化和差公式：,将上式应用于公式得,23,已调制波信号的频谱是一个离散谱，仅仅位于频率,c,-,s,和,c,+,s,处，即以载波信号,c,为中心，以调制信号,s,为间隔的左右两频率（边频）处。其幅值大小则等于A,s,与A,c,乘积之半。,24,x(t)=sin(,t/2), y(t)=sin(100,t),25,幅值调制装置,幅值调制装置实质上是一个乘法器，经常采用电桥来作调制装置，其中以高频振荡电源供给电桥作为装置的载波信号，则电桥输出e,y,便为调幅波。,图例中电桥的电压为5V，频率为3000Hz。若测量的应变量其频率变化比如为010Hz，电桥输出信号的频谱在2990和3010Hz之间。,26,2. 调幅波的性质,已调制波信号的频谱是一个离散谱，仅仅位于频率,c,-,s,和,c,+,s,处，即以载波信号,c,为中心，以调制信号,s,为间隔的左右两频率（边频）处。其幅值大小则等于两函数幅值乘积之半。,幅值调制装置实质上是一个乘法器，通常采用电桥来作调制装置，其中以高频振荡电源供给电桥作为装置的载波信号，则电桥输出,e,y,便为调幅波。,27,3. 幅值调制的解调,同步解调法,原理,：,将调幅波再经一乘法器与原载波信号相乘，则调幅波的频谱在频域上将再次被进行移频。由于载波信号的频率仍为,f,c,，因此，再次移频的结果是使原信号的频谱图形出现在,0,和,2,f,c,频率处。由于在解调过程中所乘的信号与调制时的载波信号具有相同的频率与相位，因此这一解调的方法称为同步解调。时域分析上有：,28,同步解调原理,29,b. 整流检波,原理：,对调制信号偏置一个直流分量A，使偏置后的信号具有正电压值。对该信号作调幅后得到的已调制波x,m,(t)的包络线将具有原信号形状。对该调幅波x,m,(t)作简单的整流（全波或半波整流）和滤波便可恢复原调制信号。,调制信号加偏置的调幅波,（a）偏置电压足够大,（b）偏置电压不够大,30,解调,二极管检波,低通滤波,31,C. 相敏解调,原理：,相敏解调或相敏检波能用来鉴别调制信号的极性，利用交变信号在过零位时其正、负极性发生突变，使调幅波相位与载波信号相比较也相应地产生180,相位跳变，从而既能反映原信号的幅值又能反映其相位。,通过相敏检波可得到一个幅值和极性均随调制信号的幅值与极性改变的信号，它真正地重现了原被测信号。,32,相敏解调过程的波形转换情形,33,4.3.4 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。,34,1. 频率调制的实例,35,2. 调频波的解调-鉴频,T1,T2,T3,T4,F,36,3. 频率调制的优、缺点,优点：抗干扰能力强,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。,37,