中北大学4测试信号的转换与调理.ppt

中北大学机械工程与自动化学院2011年3月,1,机械工程测试技术,2,第四章 信号的转换与调理,机械工程测试技术,4.1 信号的数字化4.2 电桥4.3 调制与解调4.4 滤波原理4.5 数据采集系统简介,第四章 信号的转换与调理,介绍数字化过程中的一些问题及对策。在介绍连续信号离散化原理的基础上，介绍一些常用的信号调理方法，包括电桥、调制与解调、滤波和放大等技术，并且简单介绍了数据采集系统的功能与原理。,3,机械工程测试技术,4.1 信号的数字化,从传感器获取的信号一般是连续变化的模拟信号。数字信号处理的首要步骤是模拟信号数字化，这一过程通过模/数(A/D)转换过程实现，即把连续信号转变成等间隔的离散时间序列，并对该序列的幅值进行量化，然后送入通用计算机或专用数字信号处理仪中处理。,4,第四章 信号的转换与调理,4.1 信号的数字化 概述,把连续时间信号转换为与其相应的数字信号的过程称之为模/数(A/D)转换过程，,5,第四章 信号的转换与调理,4.1 信号的数字化 概述,1.信号预处理测试工作中记录到的信号常常混有噪声，如果信号的信噪比差，有用的信号可能被“淹没”。因此，在进行信号的分析、估计、识别等处理之前，有必要对它做一些预处理，尽可能的把信号中不感兴趣的部分去掉。常用的信号预处理的方法主要包括：(1)信号转换传感器输出信号的形式通常有电阻信号、电容信号、电流信号以及微弱电压信号等几种，在实际中，常常需要将这些信号转换成标准的电压信号。另外，还可以利用微分和积分电路来实现位移、速度、加速度不同量纲信号之间的转换。,6,4.1 信号的数字化 概述,1.信号预处理（2）电压幅值调理 为便于采样，充分利用A/D转换器的精确度，信号电压峰峰值不能太小，大于60%；也不能太大，小于80%；进入A/D转换器的信号电平必需做适当的调整；举例：表：,7,第四章 信号的转换与调理,4.1 信号的数字化 概述,1.信号预处理(3)信号放大信号放大是增强微弱信号幅度和强度的过程。目的在于使信号在传输后，特别是远距离传输后，有足够的信号强度。常用的信号放大器有：隔离放大器、可编程增益放大器、测量反馈放大器等。(4)信号滤波利用滤波技术可以从具有多种频率成分的复杂信号中，将感兴趣的频率成分提取出来，而将不感兴趣的频率成分衰减掉。常用的滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。,8,4.1 信号的数字化 概述,1.信号预处理(5)去均值信号的均值相当于一个直流分量，使信号沿纵轴出现整体偏差。在频谱分析时，直流信号会在零频率处出现一个冲激函数，直接影响到它附近的谱线质量。因此，要根据对信号均值的估计值，消除信号中所含均值的成分。(6)消除趋势项在测试信号中，有时会存在一个随时间呈线性、指数、对数等增长的趋势，如果这种增长趋势对后续处理不利，可以采用线性回归法、多项式拟合法等方法进行消除。,9,4.1 信号的数字化 概述,2.A/D转换（模数转换）A/D转换器是将模拟信号转变为数字信号的电子元件。模数转换器最重要的参数是转换精度，通常用输出的数字信号的位数的多少表示。转换器能准确输出的数字信号位数越多，表示转换器能够分辨输入信号的能力越强，转换器的性能也就越好。A/D转换包括了在时间上对原信号等间隔采样、幅值上的量化及编码，,10,4.1 信号的数字化 概述,3.数字信号处理数字信号处理可以在信号分析仪、通用计算机或专用数字信息处理机上进行。由于计算机只能处理有限长数据，所以要把长时间序列截断。截断时，要对长数字序列进行加权，即乘以窗函数，成为新的有限长序列。如有必要还可以设计专门的程序进行数字滤波。然后，对所得有限长序列按给定的程序进行运算。例如，作时域中的概率统计、相关分析、建模和识别，频域中的频谱分析、功率谱分析、传递函数分析等。4.输出结果运算结果可直接显示或打印，也可用数/模转换器再把数字量转换成模拟量输入外部被控装置。,11,4.1.2 时域采样、混叠和采样定理,对连续信号按一定的时间间隔采样后转换为采样信号。以某个最小数量单位 的整数倍来度量采样信号称为量化。量化后再编码，转换成时间和幅值都离散的数字信号。,12,图4-3 模拟信号的数字化过程,4.1.2 时域采样、混叠和采样定理,13,4.1.2 时域采样、混叠和采样定理,1.时域采样原理根据 函数的筛选特性，采样过程可以看作用等间隔TS的单位脉冲序列g(t)去乘模拟信号x(t)。,14,2.采样过程的频域分析 根据卷积特性，两个时域信号乘积的频谱为两信号频谱的卷积，时域离散化导致频域周期化。采样频率f s=1/Ts。,15,3.混叠效应和采样定理在采样过程中，采样间隔的选择是一个重要的问题。采样间隔太小，则其数字序列就很长，使计算工作量增大；若采样间隔太大，采样时所丢掉的两采样点之间的信息较多，可能丢失有用的信息。,16,图4-7 不同采样频率对正弦信号采样的结果,3.混叠效应和采样定理（1）频率混迭效应,17,3.混叠效应和采样定理（2）采样定理,18,3.混叠效应和采样定理（2）采样定理,19,采用抗混滤波器，在采样前用一截止频率为fc的抗混滤波器，先将信号x(t)进行低通滤波，将不感兴趣或不需要的高频成分滤掉，然后再按照采样定理进行进行采样和数据处理。频谱的频率分辨率与频率成正比，而与采样长度成反比，工程中fc=fs/2，若fs=5000Hz，则fc=2500Hz,若采样点数N=1024,则频率分辨率f=fs/N=1/TsN=1/T=4.88,4.1.3 量化和量化误差,模拟信号经采样后在时间轴上已离散，但其幅值仍为连续的电压值。将采样信号的电压幅值经过舍入或截尾的方法转变为离散的二进制数码的过程，称为幅值量化，简称量化，量化后的二进制数码只能表达有限个相应的离散电平，称之为量化电平。,20,4.1.3 量化和量化误差,若信号x(t)可能出现的最大值为A，A/D转换器的位数为B，则两个量化电平的间隔为x=A/2B-1，称为量化增量或量化步长。经过舍入或者截尾的方法而变为有限值时，产生最大量化误差为x/2。下图简谐信号按6，8，18等分的量化曲线。从图中可知等分数越小，x 越大，量化误差越大。,21,4.1.4 截断、泄漏和窗函数,1.截断、泄漏和窗函数的概念用于信号截断的函数称为窗函数，简称为窗。信号的截断就是将无限长的信号乘以有限宽的窗函数。矩形窗的时域和傅立叶变换表达式,22,4.1.4 截断、泄漏和窗函数,1.截断、泄漏和窗函数的概念用矩形窗函数 将余弦信号 截断的情况,23,用上述矩形窗函数,（图4-13(a)）将图4-13(b)所示的余弦信号,截断时，,4.1.4 截断、泄漏和窗函数,1.截断、泄漏和窗函数的概念原来的信号被截断以后，其频谱发生了畸变，原来集中在 f0处的能量被分散到两个较宽的频带中，这种现象称之为频谱能量泄漏。虽然余弦信号是频域限带信号，被截断后也必然成为无限带宽函数，频谱泄漏是不可避免的。w(t)是一个无限带宽的sinc函数，所以，即使x(t)是带限信号，在截断后也必然成为无限带宽的信号，这种信号在频率轴分布扩展的现象，称为泄漏；因此，不论采样频率多高，信号截断必然导致一些误差。,24,截断时，,4.1.4 截断、泄漏和窗函数,2.几种常见的窗函数（1）矩形窗（2）三角窗主瓣宽约等于矩形窗的2倍，旁瓣小，且无负旁瓣。,25,4.1.4 截断、泄漏和窗函数,2.几种常见的窗函数（3）汉宁(Hanning)窗和矩形窗相比，汉宁窗的主瓣较宽，是矩形窗的2倍，汉宁窗的旁瓣小得多，因而泄漏也少得多。,26,4.1.4 截断、泄漏和窗函数,2.几种常见的窗函数（4）海明(Hamming)窗海明窗比汉宁窗消除旁瓣的效果要好一些，主瓣稍窄，旁瓣衰减较慢。对于窗函数的基本要求是主瓣窄且高，以提高分辨率；旁瓣应小且正负交替接近相等，以减少泄漏。实际选择窗函数时，应考虑被分析信号的性质与处理要求，如果仅要求精确读出主瓣频率，而不考虑幅值精度，则可选用主瓣宽度比较窄而便于分辨的矩形窗，例如测量物体的自振频率等；如果分析窄带信号，且有较强的干扰噪声，则应选用旁瓣幅度小的窗函数，如汉宁窗、三角窗等。,27,4.1.5 离散信号的频谱分析,连续信号的频谱分析是傅立叶变换；离散信号的频谱分析是进行离散傅立叶变换。1.傅立叶变换在时域和频域中的对称规律,28,4.1.5 离散信号的频谱分析,1.傅立叶变换在时域和频域中的对称规律,29,4.1.5 离散信号的频谱分析,2.离散傅立叶变换对有限长离散时域与频域信号序列进行傅立叶变换或逆变换，得到同样为有限长离散频域或时域信号序列的方法，称为离散傅立叶变换（DFT）或其逆变换（IDFT）。设离散信号x(nt)的频谱为X(kf)，其一个周期内用x(n)和X(k)描述。,30,4.1.5 离散信号的频谱分析,2.离散傅立叶变换,31,4.2 电桥,电桥是一种测量电路，它将电阻、电感、电容等参量的变化，转换为电压或电流。其输出，既可直接驱动指示仪表，也可送入放大器放大。桥式测量电路简单，并具有较高精确度和灵敏度。因而，应用广泛。电桥的分类：,32,第四章 信号的转换与调理,4.2 电桥 直流电桥,1.基本形式直流输入端也叫供桥电源Ue；四个桥臂电阻分别为：R1，R2，R3，R4，mo 输出端电压为 Uo。,33,第四章 信号的转换与调理,4.2 电桥 4.2.1 直流电桥,当电桥输出端接入电阻较大的仪表或放大器时，可视为开路，可以认为输出电流为零。此时，要使电桥平衡，输出电压为零，须满足根据电桥平衡条件，如果适当选择各桥臂电阻，可使输出电压只与被测量引起的电阻变化量有关。,34,第四章 信号的转换与调理,4.2 电桥 4.2.1 直流电桥,2.电桥连接常见的电桥连接形式，分半桥与全桥连接。,35,第四章 信号的转换与调理,（a）半桥单臂（b）半桥双臂（c）全桥,4.2 电桥 4.2.1 直流电桥,36,第四章 信号的转换与调理,单臂电桥电桥输出与电阻变化、供桥电源成正比，与R0成反比。,4.2 电桥 直流电桥,37,第四章 信号的转换与调理,双臂半桥,4.2 电桥 直流电桥,38,第四章 信号的转换与调理,全桥,4.2 电桥 4.2.1 直流电桥,电桥的灵敏度：S=Uo/(R/R)S单臂=Ue/4;S半桥=Ue/2;S全桥=Ue;显然，电桥连接方法不同，输出电压也不同，全桥接法可获得最大输出。不平衡电桥有以下缺点：当电源电压不稳定时，或者环境温度有变化时，都会引起电桥输出的变化，从而产生误差。平衡电桥可以克服上述缺点。全桥：和差特性 如果相邻两桥臂电阻同向变化，所产生的输出电压的变化将相互抵消。应用：温度补偿；如果相邻两桥臂电阻反向变化，所产生的输出电压的变化将相互叠加。应用：差动放大。,39,4.2 电桥 4.2.1 直流电桥 举例1,悬臂梁测力的电桥连接方法利用和差特性，当悬臂梁受载时，应变片阻值反向变化，其产生的输出电压相互叠加，电桥输出电压大，电路灵敏度高。,40,4.2 电桥 4.2.1 直流电桥 举例2,柱形梁测力的电桥连接方法利用和差特性：沿圆周间隔90o 粘贴4个纵向工作应变片，提高灵敏度；与纵向应变片相间，再贴4个横向应变片，进行温度补偿。,41,4.2 电桥 4.2.1 直流电桥,42,第四章 信号的转换与调理,（a）差动串联平衡（b）差动并联平衡,平衡电桥 的零位调节,平衡电桥零位调节,被测量等于零时，电桥平衡，指示仪表G及可调电位计H均指零；当某一桥臂随被测量变化时，电桥失去平衡，调节H，使电桥重新平衡，电表G指针回零；电位计H上的标度，与桥臂电阻值的变化成比例；平衡电桥也叫做“零位测量法”，其特点是在读数时电表始终指零。因为平衡电桥最终的输出为零，所以测量误差取决于电位计的精度，而与电桥电源无关。受环境温度的影响也很小。,43,4.2 电桥 4.2.2 交流电桥,交流电桥：采用交流激励电源的电桥。电桥的四个臂，可以为电感、电容或电阻，统称为阻抗。如果阻抗、电流及电压都用复数表示，则，关于直流电桥的平衡关系式，在交流电桥中也可适用。即,44,第四章 信号的转换与调理,4.2 电桥 4.2.2 交流电桥,45,第四章 信号的转换与调理,4.2 电桥 4.2.2 交流电桥,46,第四章 信号的转换与调理,上式表明：交流电桥平衡，必须满足两个条件，即 相对两臂阻抗之模的乘积相等；它们的阻抗角之和也必须相等。,电容电桥,47,第四章 信号的转换与调理,4.2 电桥 4.2.2 交流电桥,4.2 电桥 4.2.2 交流电桥,要使电桥达到平衡，必须同时调节电阻达到电阻平衡，调节电容达到电容平衡。,48,第四章 信号的转换与调理,电容电桥,4.2 电桥 4.2.2 交流电桥,电感电桥两相邻桥臂的电感与电阻分别为：,49,第四章 信号的转换与调理,4.2 电桥 4.2.2 交流电桥,电阻交流电桥的分布电容 即使纯电阻交流电桥，由于导线之间存在分布电容，相当于在各桥臂上并联了一个电容。为此，除了有电阻平衡外，还需要有电容平衡。,50,第四章 信号的转换与调理,4.2 电桥 4.2.2 交流电桥,一种用于动态应变仪的电阻电容电桥。调整差动可变电容C，可实现分布电容的平衡。,51,第四章 信号的转换与调理,4.2 电桥 4.2.2 交流电桥,交流电桥的供桥电源 必须具有良好的电压波形与频率稳定度。如果电源电压发生奇变，即包含有高次谐波，对基波而言，电桥达到平衡；而对高次谐波，电桥未必能平衡；输出电压也将包含高次谐波。采用(510)kHz的音频交流电源，作为供桥电源，电桥输出将成为调制波。优点：有利于抑制外界工频干扰，后接交流放大电路简单而无零漂。,52,第四章 信号的转换与调理,4.2 电桥 4.2.3 变压器式电桥,常用于电感比较仪，电桥平衡，输出为零。,53,第四章 信号的转换与调理,4.3 调制与解调,为什么要调制？一般的被测量，如力、位移、应变等，经传感器检测变换后，常常是一些缓变的电信号。经过调制后，采用交流放大，比直接用直流放大，效果好；另外，调制波抗干扰能力强，也便于传输。调制解调技术，不仅在一般检测仪表中经常使用而且也是工程遥测技术的重要内容。实际上，许多传感器本身的输出信号就是一种调制信号，因此，调制解调技术在测试领域应用非常广泛。,54,第四章 信号的转换与调理,调制的用途,4.3 调制与解调,调制解调技术中经常使用的术语 调制信号，就是测试信号，也叫原信号，一般为低频缓变信号；载波信号，也叫工作信号，一般为高频简谐信号；调制波，就是已调制的信号，幅值调制时称为调幅波；频率调制时称为调频波。,55,第四章 信号的转换与调理,概念和术语,4.3 调制与解调,所谓调制，就是在调制信号（测试信号）的控制下，使载波信号（工作信号）的某些参数（如幅值、频率、相位）发生变化的过程。所谓解调，就是从已调制波中恢复出调制信号的过程。,56,第四章 信号的转换与调理,概念和术语,4.3 调制与解调,调制处理的分类,57,第四章 信号的转换与调理,分类,4.3.1 调幅与解调 1.调幅原理,调幅的目的，使缓慢变化的测试信号便于放大和传输。解调的目的，恢复原来的测试信号。调幅是将一个高频简谐信号（载波信号）与测试信号相乘，使载波信号的幅值随测试信号的变化而变化。,58,第四章 信号的转换与调理,59,第四章 信号的转换与调理,4.3.1 调幅与解调 2.调幅信号的频谱,60,第四章 信号的转换与调理,4.3.1 调幅与解调 2.调幅信号的频谱,（a）时域波形（b）频域波形,61,第四章 信号的转换与调理,4.3.1 调幅与解调 3.解调方法,同步解调,62,第四章 信号的转换与调理,4.3.1 调幅与解调 3.解调方法,若用一个低通滤波器将位于中心频率2f0 处的高频成分滤去，便可复现原信号的频谱，至于幅值减小为一半的问题可以用放大器来补偿。由于在解调过程中所乘的高频信号与调制时的载波信号具有相同的频率与相位，因此这一方法被称为同步解调。,63,整流检波,4.3.1 调幅与解调 3.解调方法,如果把调制信号进行偏置，叠加一个直流分量，使偏置后的信号都具有正电压，那么调幅波的包络线将具有原调制信号的形状。,该调幅波 经整流后，减去所叠加的直流偏置电压，再滤波，就可以恢复原调制信号。,（a）直流偏置电压足够大（b）直流偏置电压不足,整流检波时，如果所加的偏置电压不够大，未能使信号电压都为正，则对调幅波简单地整流，就不能恢复原测试信号，如前图所示。相敏检波技术可以解决这一问题。相敏检波相敏检波的原理如下图4-33所示。,64,第四章 信号的转换与调理,4.3.1 调幅与解调 3.解调方法,（a）调幅波（b）参考信号,65,（c）检波电路,（d）相敏检波输出波形,（e）滤波后的波形,4.3.1 调幅与解调 3.解调方法,相敏检波：利用二极管的单向导通作用，将电路输出极性换向。考虑到交变信号在过零点时符号极性发生突变，调幅波的相位也相应地发生180o的相位跳变。利用载波信号与调幅波比相，便能既反映原信号的幅值又反映其极性。相敏检波电路，相当于在，把零线下的负部翻上去；而在，则把零线上的正部翻下来；所检测到的 信号是经过“翻转”后信号的包络。,66,第四章 信号的转换与调理,4.3.1 调幅与解调,举例,67,第四章 信号的转换与调理,图4-35 动态电阻应变仪方框图,4.3.1 调幅与解调,粘贴在试件上的电阻应变片，在应变作用下，产生相应的电阻变化，并接于交流电桥；振荡器产生高频正弦信号，一般频率为1020kHz，一方面作为电桥电源（载波信号），另一方面作为相敏检波的载波信号；携带有电阻应变片信息的电桥输出的调幅波，经放大、相敏检波、低通滤波，最后得到与原来极性相同但经过放大处理的信号，驱动显示记录仪表或接入后续仪器。,68,第四章 信号的转换与调理,举例说明,调频，也称为频率调制，是利用测试信号（调制信号）的幅值控制调频波的频率。调频波为等幅波，其瞬时频率和测试信号的幅值成正比。频率调制的优点：对噪声的幅度影响不太敏感，抗干扰能力强，信噪比高。调频波的瞬时频率、载波频率及总相角。,69,第四章 信号的转换与调理,4.3.2 调频与鉴频 1.频率调制原理,调频波的表达式为当信号电压为零时，调频波的频率就等于中心频率；当信号电压为正值时，频率偏移 增加，调频波的瞬时频率提高；当信号电压为负值时，频率偏移 减少，调频波的瞬时频率降低；调频波是频率随测试信号而变化的疏密不等的等幅波。,70,第四章 信号的转换与调理,4.3.2 调频与鉴频 1.频率调制原理,4.3.2 调频与鉴频 1.频率调制原理 举例：,71,直接调频式频率调制一般使用LC振荡电路，常应用于电容、涡流、电感传感器的测试工程中。假设在被测量的小范围变化区间，电容或电感的变化规律接近线性；把该电容或电感作为自激振荡器的谐振回路中的一个调谐参数，那么，电路的谐振频率将是：,72,第四章 信号的转换与调理,4.3.2 调频与鉴频 2.频率调制方法,这种把被测量的变化直接转换为振荡频率变化的电路，称为直接调频式测量电路，其输出调频波也是等幅波。以电容传感器作为调谐参数为例，若C0的增量为C，对式（4-52）微分，可得,73,压控振荡器压控振荡器，也叫VF变换器，是另一种频率调制方法。输出的等幅方波信号的瞬时频率与输入的控制电压呈线性关系。,74,4.3.2 调频与鉴频 2.频率调制方法,对调频波的解调亦称鉴频。鉴频的原理是将调频信号频率的变化相应地复原为原来电压幅值的变化。鉴频有多种方法，一般采用鉴频器和锁相环解调器。前者结构简单，在测试技术中经常使用；后者解调性能优良，但结构复杂，一般用于要求较高的场合。一种测试技术中常用的振幅鉴频电路原理如图4-39所示。,75,第四章 信号的转换与调理,4.3.2 调频与鉴频 3.调频信号的解调,76,第四章 信号的转换与调理,(a)鉴频器电路(b)高通滤波器幅频特性(c)恢复出的调制信号,等幅的调频信号Uf(t)的瞬时频率正比于x(t);高通滤波器幅频特性H(f)过渡带线性区中点频率f0。Uf(t)经高通滤波器后变换为“调幅波”Ua(t);Ua(t)经二极管整流检波器检出包络信号Uo(t)=x(t);,4.3.2 调频与鉴频 3.调频信号的解调,4.4 滤波器 4.4.1 概述,滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频带的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。滤波是信号处理的重要内容，特别适合于过滤测试信号中的噪声。滤波器在自动检测、自动控制及电子测试仪器中被广泛应用。,77,第四章 信号的转换与调理,4.4 滤波器 4.4.1 概述,根据滤波器的选频作用，一般将滤波器分为以下四种，其幅频特性如图。滤波器过渡带是不希望的，但也是不可避免的。,78,第四章 信号的转换与调理,4.4 滤波器 4.4.1 概述,四种滤波器特性之间是的联系 是低通滤波器的特性，而高通滤波器的幅频特性可以看作是，所以，可以用低通滤波器作负反馈回路而获得高通滤波器；带阻滤波器，是低通和高通的组合；带通滤波器，可以用带阻滤波器作负反馈获得。,79,第四章 信号的转换与调理,4.4 滤波器 4.4.1 概述,滤波器的分类根据构成滤波器的元件分类：根据构成滤波器的电路性质：根据滤波器处理的信号性质：本节讲述模拟滤波器，而且仅限于讨论以电压为输入、输出的电路网络滤波器。,80,第四章 信号的转换与调理,4.4 滤波器 4.4.2 理想滤波器,理想滤波器是一个理想化的模型，物理上不可实现。但是，具有理论分析意义，对于深入理解滤波器的传输特性有帮助。1.理想滤波器的 数学模型,81,第四章 信号的转换与调理,4.4 滤波器 4.4.2 理想滤波器,2.理想滤波器的单位脉冲响应理想低通滤波器在频域为矩形窗函数，其对应的脉冲响应函数是xinc 函数，如图所示。,82,第四章 信号的转换与调理,(a)t0=0(b)to0,4.4 滤波器 4.4.2 理想滤波器,2.理想滤波器的单位阶跃响应,83,第四章 信号的转换与调理,4.4 滤波器 4.4.2 理想滤波器,2.理想滤波器的单位阶跃响应tdB=1表明，低通滤波器阶跃响应的上升时间 与通 频带宽 成反比，或者说，上升时间与带宽之积为常数。物理意义：低通滤波器阻衰了高频分量，通带越宽，阻衰的高频分量越少，通过滤波器的信号能量越大，所以上升时间就短；反之，则长。,84,第四章 信号的转换与调理,4.4 滤波器 4.4.3 实际RC滤波器,理想带通滤波器的幅频特性：细实线实际带通滤波器的幅频特性：粗实线,85,第四章 信号的转换与调理,4.4 滤波器 4.4.3 实际RC滤波器,1.实际滤波器的基本参数上、下截止频率：fc2,fc1 带宽 B=fc2-fc1,表示滤波器的分辨力。波纹幅度 越小越好。品质因子 Q=f0/B 越大滤波器的选择性越好。倍频程选择性 fc2与2fc2之间过渡带频率衰减值。滤波器因数 一般为15。,86,第四章 信号的转换与调理,4.4 滤波器 4.4.3 实际RC滤波器,2.实际RC滤波器电路及其基本特性RC滤波器，电路简单、抗干扰性强；选用标准元件，容易实现，应用广泛。,87,第四章 信号的转换与调理,4.4.3 实际RC滤波器,2.实际RC滤波电路及其 基本特性一阶RC低通滤波器,88,4.4.3 实际RC滤波器,2.实际RC滤波电路及其 基本特性一阶RC高通滤波器,89,2.实际RC滤波电路及其基本特性 RC带通滤波器,90,4.4.3 实际RC滤波器 2.实际RC滤波电路及其基本特性 RC带阻滤波器,91,（a）T型网络（b）双T型网络,4.4.3 实际RC滤波器 2.实际RC滤波电路及其基本特性 高阶滤波器 滤波器在过渡带内的衰减速率非常慢，性能较差。如要加大衰减率、实现较为陡峭的滤波器边缘，应提高滤波器的阶数，将多个 RC环节或 LC环节级联，可以使滤波器的性能有显著的提高，使过渡带曲线的陡峭度得到改善。但同时也会带来负载效应或耦合影响。,92,4.4.3 实际RC滤波器 2.实际RC滤波电路及其基本特性 基于运算放大器的有源滤波器 有源滤波器具有很高的输入阻抗和很低的输出阻抗，有利于多级串联，参数调整更加容易，并能方便地在不同滤波器类型之间进行转换。有源低通滤波器的一个典型应用是在数字信号采集系统中用作抗混滤波。,93,4.4.4 可实现的典型滤波函数,实用中的滤波器特性，在通频带内不平坦；在过渡带内不陡直；阻带部分不为零。而滤波器的设计往往是在一定限度内对理想滤波器进行的逼近。由集中参数元件构成的滤波系统，其传递函数和频响函数的一般形式如下。,94,第四章 信号的转换与调理,4.4.4 可实现的典型滤波函数,滤波器阶次n 值影响着传递函数特性，对于同一类型的逼近函数，n 值越大，逼近特性越好，系统所需元件数量越多越复杂。对理想滤波器的“最佳逼近特性”的标准是根据滤波器性能的不同需要而规定的。可以从幅频特性提出较高的要求，而不考虑相频特性；最常用的滤波器有巴特沃思（Butterworth）、切比雪夫(Chebyshev)和椭圆（Elliptic）滤波器等；也可以只满足相频特性而不必关心幅频特性，贝塞尔(Bessel)滤波器等。,95,第四章 信号的转换与调理,4.4.4 可实现的典型滤波函数,1.巴特沃思滤波器巴特沃思滤波器具有最大平坦幅度特性，随着 n值的增大，巴特沃思滤波函数特性逼近理想滤波器。,96,4.4.4 可实现的典型滤波函数,2.切比雪夫滤波器通带内等波纹、阻带内单调的滤波器。波纹大小由系数 决定，值越小通带波纹越小，一般小于0.05dB。Tn 是第一类切比雪夫多项式。,97,4.4.4 可实现的典型滤波函数,3.椭圆滤波器通带和阻带内均为等波纹，能满足过渡过程宽度最小的要求，在给定的性能指标下能以最低的阶次实现。,98,4.4.4 可实现的典型滤波函数,4.贝塞尔滤波器又称恒时延滤波器，其相移和频率成正比，即时移 值对所有频率为一常数。当通带中要求线性相移时，选择贝塞尔滤波器是最合适的。,99,数字滤波技术,模拟滤波器在理论上和实践上都已达到很高的水平，但是在需要更多更灵活以及程序可控制性的场合，数字滤波器得到广泛的应用。数字滤波也称为软件滤波。通过一定的计算程序对采样信号进行平滑加工，减少干扰在有用信号中的比重。可靠性高，稳定性好。,100,第四章 信号的转换与调理,数字滤波技术 1.程序判断虑波,限幅滤波,101,第四章 信号的转换与调理,限速滤波,数字滤波技术,2.递推平均虑波 又称算术平均滤波。,102,3.加权递推平均滤波,数字滤波技术 4.动态滤波,前述的RC 滤波网络都属于模拟动态滤波。动态滤波器的数字化设计任务，可以通过模拟滤波器的离散化来实现。设计过程如下：将数字滤波器的技术指标转换为模拟滤波器的技术指标。设计模拟滤波器G(s)。将G(s)转换为数字滤波器G(z)。可以利用MATLAB信号处理工具箱。,103,第四章 信号的转换与调理,滤波原理的综合应用,1.滤波器的串联为加强滤波效果，将两个具有相同中心频率的带通滤波器串联，其合成系统的总幅频特性是两滤波器幅值特性的乘积，从而使通带外的频率成分有更大的衰减。高阶滤波器便是由低阶滤波器串联而成的。但由于串联系统的相频特性是各环节相频特性的相加，因此将增加相位的变化，在使用中应加以注意。,104,第四章 信号的转换与调理,滤波原理的综合应用,2.滤波器的并联用于信号的频谱分析和信号中特定频率成分的提取。将被分析信号输入一组中心频率不同的滤波器，各滤波器的输出便反映了信号中所含的各个频率成分。这组并联的、增益相同而中心频率不同的带通滤波器的带宽，通常有两种不同的构成方法：恒带宽滤波器和恒带宽比滤波器。,105,第四章 信号的转换与调理,滤波原理的综合应用2.滤波器的并联,106,第四章 信号的转换与调理,滤波原理的综合应用2.滤波器的并联,107,第四章 信号的转换与调理,滤波原理的综合应用2.滤波器的并联,108,滤波原理的综合应用 举例,B&K1616型频谱分析仪三分之一倍频程滤波器组,109,滤波原理的综合应用 举例,分别接通，按倍频程相隔的不同中心频率的带通滤波器组，依次显示或记录各频带分量；如果信号经过足够的放大，各滤波器的输入阻抗也足够高，那么，可以把该滤波器组并联在信号源上，各滤波器的输出同时显示和记录，就能瞬时获得信号的频谱结构，成为“实时”的谱分析。用于谱分析的滤波器组，要求：各滤波器的通带应该相互联接（邻接），覆盖整个感兴趣的频率范围，这样做，才不至于使信号中的某些频率成分“丢失”；各滤波器应具有同样的放大倍数（增益）。,110,第四章 信号的转换与调理,4.5 数据采集系统简介,数据采集系统 Data Acquisition System，简称DAS。采集传感器输出的模拟信号并转换成计算机能识别的数字信号，然后送入计算机，存储，分析。数据采集系统的好坏，主要取决于它的精度和速度。,111,第四章 信号的转换与调理,4.5 数据采集系统简介,数据采集仪器 例DEWETRON2010，单通道采样频率100KHz，数据存储容量80GB；时频信号实时显示存储仪器前端直接实现数据采集与记录 例如美国迪菲公司dP430，存储容量100GB,112,第四章 信号的转换与调理,4.5 数据采集 系统简介 数据采集卡,113,114,谢谢！,