第四章 信號調(diào)理2(濾波) 090414.ppt

2 4信號的濾波 在通過傳感器獲得的信號中 常常混疊有許多其他頻率的干擾 由于這些干擾的存在 有時得不到正確的測量值 甚至有時有用的信號被淹沒在干擾噪聲中 為了突出有用信號 抑制噪聲干擾 我們就要對傳感器獲得的信號進行濾波 濾波器是一種選頻裝置 可以使信號中特定頻率成分通過 而極大地衰減其他頻率成分 構(gòu)成測試系統(tǒng)的任何一個環(huán)節(jié) 諸如機械系統(tǒng) 電氣網(wǎng)絡(luò) 儀器儀表甚至連接導(dǎo)線等等 都將在一定頻率范圍內(nèi) 按其頻域特性 對所通過的信號進行變換與處理 a 按功能分 根據(jù)濾波器的選頻作用分 低通 從0 f2頻率之間 幅頻特性平直 它可以使信號中低于f2的頻率成分幾乎不受衰減地通過 而高于f2的頻率成分受到極大地衰減 1 低通濾波器 2 4 1濾波器的分類 高通 2 高通濾波器 與低通濾波相反 從頻率f1 其幅頻特性平直 它使信號中高于f1的頻率成分幾乎不受衰減地通過 而低于f1的頻率成分將受到極大地衰減 帶通 3 帶通濾波器 它的通頻帶在f1 f2之間 它使信號中高于f1而低于f2的頻率成分可以不受衰減地通過 而其它成分受到衰減 帶阻 4 帶阻濾波器 與帶通濾波相反 阻帶在頻率f1 f2之間 它使信號中高于f1而低于f2的頻率成分受到衰減 其余頻率成分的信號幾乎不受衰減地通過 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 1 低通濾波器與高通濾波器的串聯(lián)構(gòu)成帶通濾波器 2 低通濾波器與高通濾波器的并聯(lián)構(gòu)成帶阻濾波器 b 按處理信號的方法分 模擬濾波器 數(shù)字濾波器模擬濾波器 由模擬器件組成 數(shù)字濾波器 由一定的算法在計算機上實現(xiàn) c 按處理信號的器件 或物理原理 分 電子濾波器 機械濾波器 光學(xué)濾波器 d 按是否帶有放大器分 有源濾波器 無源濾波器 2 4 2理想濾波器 理想濾波器是指能使通帶內(nèi)信號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 理想濾波器的物理不可實現(xiàn) 理想濾波器在時域內(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 給理想濾波器一個脈沖激勵 在t 0時刻 單位脈沖輸入濾波器之前 濾波器就已經(jīng)有響應(yīng)了 是一種非因果關(guān)系 故物理不可實現(xiàn) 實際濾波器 理想濾波器是不存在的 實際濾波器幅頻特性中通帶和阻帶間沒有嚴(yán)格界限 存在過渡帶 A 這說明在截止頻率處呈現(xiàn)直角銳變的幅頻特性 或者說在頻域內(nèi)用矩形窗函數(shù)描述的理想濾波器是不可能存在的 實際濾波器的頻域圖形不會在某個頻率上完全截止 而會逐漸衰減并延伸到 1 截止頻率fc 0 707A0所對應(yīng)的頻率 2 紋波幅度d 繞幅頻特性均值A(chǔ)0波動值 3 帶寬B和品質(zhì)因數(shù)Q 下兩截頻間的頻率范圍稱為帶寬 中心頻率和帶寬之比稱為品質(zhì)因數(shù) 2 4 3實際濾波器 4 倍頻程選擇性W指在上截止頻率fc2與2fc2之間幅頻特性的衰減值 即頻率變化一個倍頻程時的衰減量 倍頻程衰減量以dB oct表示 Octave 倍頻程 衰減越快 即W值越大 濾波器的選擇性越好 2 4 4RC無源濾波器 在測試系統(tǒng)中 常用RC濾波器 因為這一領(lǐng)域中信號頻率相對來說不高 而RC濾波器電路簡單 抗干擾強 有較好的低頻性能 并且選用標(biāo)準(zhǔn)阻容元件 1 一階RC低通濾波器 當(dāng) 2 一階RC高通濾波器 3 RC帶通濾波器 此時 較低和較高的頻率成分都完全被阻擋 不能通過 只有位于頻率帶寬內(nèi)的信號頻率能通過 串連后以高通的截至頻率為下截至頻率 以低通的截至頻率為上截至頻率 分別調(diào)節(jié)時間常數(shù) 1 2可得到不同的上下截至頻率和帶寬 2 4 5RC有源濾波器 RC無源濾波器都是低階系統(tǒng) 過渡帶衰減慢 因此選擇性差 雖然串連可以提高階次 但級間耦合的負載效應(yīng)會使信號逐級減弱 采用有源濾波器就可克服這些缺點 它由RC無源濾波器和運算放大器等有源器件組成 可放大信號 因具有高輸入阻抗可進行級間隔離 減小負載效應(yīng) 1 一階有源低通濾波器 ux 輸入電壓 uy 輸出電壓 u 放大器輸入端電壓 忽略通過放大器的電流 對反相輸入端 流經(jīng)R1和RF的電流相等 所以 對同相輸入端 流經(jīng)R和C的電流相等 所以 兩式相除 得輸出輸入關(guān)系 得頻率響應(yīng)函數(shù) a RC低通網(wǎng)絡(luò)接入放大器輸入端 與無源濾波器相比 信號放大了 倍 b RC高通網(wǎng)絡(luò)接入放大器負反饋通道 與無源濾波器相比 信號放大了 倍 2 二階有源濾波器 基爾霍夫定律 根據(jù)Y1到Y(jié)5取值及阻抗類型的不同組合 可以得到二階低 高 帶通及帶阻濾波器 以二階低通為例 式中 根據(jù)信號頻率確定R1 C2 R3 R4 C5 便可以將此濾波器的電路設(shè)計出來 同理可以設(shè)計出二階帶通 帶阻及高通濾波器 濾波器串接越多 階次越高 幅頻特性越逼近理想特性 但相頻特性非線性會增加 實際設(shè)計濾波器時 除考慮階次外 還考慮通頻帶外幅頻特性的波動情況和相頻特性 由案例提煉的典型實驗 鋼管無損探傷 濾除信號中的低頻晃動和高頻干擾 案例 機床軸心軌跡的濾波處理 案例 機床軸心軌跡的濾波處理 濾除信號中的高頻噪聲 以便