第四章信號(hào)調(diào)理2ppt課件

1、2.42.4信號(hào)的濾波信號(hào)的濾波 在通過傳感器獲得的信號(hào)中，常常混疊有許多其他頻率的在通過傳感器獲得的信號(hào)中，常?；殳B有許多其他頻率的干擾。由于這些干擾的存在，有時(shí)得不到正確的測量值，干擾。由于這些干擾的存在，有時(shí)得不到正確的測量值，甚至有時(shí)有用的信號(hào)被淹沒在干擾噪聲中。為了突出有用甚至有時(shí)有用的信號(hào)被淹沒在干擾噪聲中。為了突出有用信號(hào)，抑制噪聲干擾，我們就要對(duì)傳感器獲得的信號(hào)進(jìn)行信號(hào)，抑制噪聲干擾，我們就要對(duì)傳感器獲得的信號(hào)進(jìn)行濾波。濾波。 濾波器是一種選頻裝置，可以使濾波器是一種選頻裝置，可以使信號(hào)中特定頻率成分通過，而極大地信號(hào)中特定頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分衰減其他頻率成分

2、構(gòu)成測試系統(tǒng)的任何一個(gè)環(huán)節(jié)，諸如機(jī)械系統(tǒng)、電構(gòu)成測試系統(tǒng)的任何一個(gè)環(huán)節(jié)，諸如機(jī)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(duì)所通過的信號(hào)進(jìn)行頻率范圍內(nèi)，按其頻域特性，對(duì)所通過的信號(hào)進(jìn)行變換與處理。變換與處理。 a. a. 按功能分：（根據(jù)濾波器的選頻作用分）按功能分：（根據(jù)濾波器的選頻作用分） 低通低通從從0 0f2f2頻率之間，幅頻特性平直，它可以使信號(hào)頻率之間，幅頻特性平直，它可以使信號(hào)中低于中低于f2f2的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而高于的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而高于f2f2的頻率成分受到極大地衰減。

3、的頻率成分受到極大地衰減。1） 低通濾波器低通濾波器 2.4.1 2.4.1 濾波器的分類濾波器的分類高通高通2） 高通濾波器高通濾波器 與低通濾波相反，從頻率與低通濾波相反，從頻率f1f1，其幅頻特性平直。，其幅頻特性平直。它使信號(hào)中高于它使信號(hào)中高于f1f1的頻率成分幾乎不受衰減地通過，的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而低于而低于f1f1的頻率成分將受到極大地衰減。的頻率成分將受到極大地衰減。帶通帶通3） 帶通濾波器帶通濾波器 它的通頻帶在它的通頻帶在f1f1f2f2之間。它使信號(hào)中高于之間。它使信號(hào)中高于f1f1而低而低于于f2f2的頻率成分可以不受衰減地通過，而其它成分的頻率成分可以不受

4、衰減地通過，而其它成分受到衰減。受到衰減。帶阻帶阻4） 帶阻濾波器帶阻濾波器 與帶通濾波相反，阻帶在頻率與帶通濾波相反，阻帶在頻率f1f1f2f2之間。它使之間。它使信號(hào)中高于信號(hào)中高于f1f1而低于而低于f2f2的頻率成分受到衰減，其的頻率成分受到衰減，其余頻率成分的信號(hào)幾乎不受衰減地通過。余頻率成分的信號(hào)幾乎不受衰減地通過。濾波器的串濾波器的串/ /并聯(lián)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，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。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)成帶通濾波器低

5、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)成帶阻濾波器低通濾波器與高通濾波器的并聯(lián)構(gòu)成帶阻濾波器 b b按處理信號(hào)的方法分：模擬濾波器，數(shù)字濾波器按處理信號(hào)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。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(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。數(shù)字濾波器：由一定的算法在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)。c c按處理信號(hào)的器件按處理信號(hào)的器件( (或物理原理或物理原理) )分：電子濾波器，分：電子濾波器，機(jī)械濾波器，光學(xué)濾波器機(jī)械濾波器，光學(xué)濾波器 d d按是否帶有放大器分：有源濾波器，無源濾波器按是否帶有放大器分：有源濾波器，無源濾波器2.

6、4.2 2.4.2 理想濾波器理想濾波器 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。都不失真，阻帶內(nèi)的頻率成分都衰減為零的濾波器。-fcH(f)f(f)-fc-fcfcA0理想濾波器的物理不可實(shí)現(xiàn)理想濾波器的物理不可實(shí)現(xiàn) 理想濾波器在時(shí)域內(nèi)的脈沖響應(yīng)函數(shù)理想濾波器在時(shí)域內(nèi)的脈沖響應(yīng)函數(shù) h ht t為為 sincsinc函數(shù)。脈沖響應(yīng)的波形沿橫坐標(biāo)左、右無函數(shù)。脈沖響應(yīng)的波形沿橫坐標(biāo)左、右無限延伸。限延伸。 給理想濾波器一個(gè)脈沖激勵(lì)，在給理想濾波器一個(gè)脈沖激勵(lì)，在t=0t=0時(shí)刻時(shí)刻, ,單位單位脈沖輸入濾波器

7、之前，濾波器就已經(jīng)有響應(yīng)了。是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(shí)現(xiàn)。一種非因果關(guān)系，故物理不可實(shí)現(xiàn)。fcH(f)實(shí)際濾波器實(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，存在過渡帶。帶和阻帶間沒有嚴(yán)格界限，存在過渡帶。 0fA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(shí)際濾波器的頻域圖形不會(huì)在某個(gè)頻率上完全截止，而會(huì)逐漸衰減并延伸到。 （1截止頻率截止頻率fc：0.707A0所對(duì)應(yīng)的頻率所對(duì)應(yīng)的頻率 （2)2)紋波幅度紋波幅

8、度d d：繞幅頻特性均值：繞幅頻特性均值A(chǔ)0A0波動(dòng)值波動(dòng)值（3)3)帶寬帶寬B B和品質(zhì)因數(shù)和品質(zhì)因數(shù)Q Q：下兩截頻間的頻率范圍稱：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)為帶寬。中心頻率和帶寬之比稱為品質(zhì)因數(shù) 。 0ffc1fc2A00.707A0dBQ=W0 / B2.4.3 2.4.3 實(shí)際濾波器實(shí)際濾波器 （4)4)倍頻程選擇性倍頻程選擇性W W 指在上截止頻率指在上截止頻率fc2fc2與與2fc22fc2之間幅頻特性的衰之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個(gè)倍頻程時(shí)的衰減量。減值，即頻率變化一個(gè)倍頻程時(shí)的衰減量。 倍頻程衰減量以倍頻程衰減量以dB/oct表示表示

9、Octave，倍頻程）。衰減越快即，倍頻程）。衰減越快即W值越大），濾波器的選擇性越好。值越大），濾波器的選擇性越好。2.4.4 RC2.4.4 RC無源濾波器無源濾波器 在測試系統(tǒng)中，常用在測試系統(tǒng)中，常用RCRC濾波器。因?yàn)檫@一領(lǐng)濾波器。因?yàn)檫@一領(lǐng)域中信號(hào)頻率相對(duì)來說不高。而域中信號(hào)頻率相對(duì)來說不高。而RCRC濾波器電路簡濾波器電路簡單，抗干擾強(qiáng)，有較好的低頻性能，并且選用標(biāo)單，抗干擾強(qiáng)，有較好的低頻性能，并且選用標(biāo)準(zhǔn)阻容元件準(zhǔn)阻容元件 。 （1) 1) 一階一階RCRC低通濾波器低通濾波器 當(dāng)當(dāng)積分器的作用比，起到輸出與輸入的積分成正近似等于時(shí)，決定著上截至頻率即，則時(shí)，系統(tǒng)，可認(rèn)為是不

10、失真測試信號(hào)幾乎不受衰減通過時(shí)，,21)(21,2121)(21, 1)(212fjfHRCfRCRCffARCffARCfcdteRCCdtReCidtCqexxy1（2) 2) 一階一階RCRC高通濾波器高通濾波器 微分器的作用比，起到輸出與輸入的微分成正時(shí)，統(tǒng)可認(rèn)為是不失真測試系時(shí)，決定著下截至頻率即，則時(shí)，,2)(21, 0)(, 1)(21,2121)(211fjfHRCfffARCfRCffAfcdtdeRCdteCdRdttdqRiRexxy)()(（3) RC3) RC帶通濾波器帶通濾波器 可以看作為高通濾波器和低通濾波器的串聯(lián)可以看作為高通濾波器和低通濾波器的串聯(lián) 此時(shí)，較低

11、和較高的頻率成分都完全被阻擋，不能此時(shí)，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(hào)頻率能通過。通過，只有位于頻率帶寬內(nèi)的信號(hào)頻率能通過。串連后以高通的截至頻率為下截至頻率，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，以低通的截至頻率為上截至頻率，1121cf2221cf分別調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)分別調(diào)節(jié)時(shí)間常數(shù)1，2可得到不同的上下截至頻率可得到不同的上下截至頻率和帶寬。和帶寬。2.4.5 RC2.4.5 RC有源濾波器有源濾波器 RCRC無源濾波器都是低階系統(tǒng)，過渡帶衰減慢，因此選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

12、，但級(jí)間耦合的負(fù)載擇性差，雖然串連可以提高階次，但級(jí)間耦合的負(fù)載效應(yīng)會(huì)使信號(hào)逐級(jí)減弱，采用有源濾波器就可克服這效應(yīng)會(huì)使信號(hào)逐級(jí)減弱，采用有源濾波器就可克服這些缺點(diǎn)。它由些缺點(diǎn)。它由RCRC無源濾波器和運(yùn)算放大器等有源器件無源濾波器和運(yùn)算放大器等有源器件組成。組成?？煞糯笮盘?hào)，可放大信號(hào)，因具有高輸入阻抗可進(jìn)行級(jí)間隔離，減小負(fù)載效應(yīng)。因具有高輸入阻抗可進(jìn)行級(jí)間隔離，減小負(fù)載效應(yīng)。（1 1一階有源低通濾波器一階有源低通濾波器R1RRFuxuyCuux:輸入電壓，輸入電壓，uy:輸出電壓，輸出電壓，u:放大器輸入端電壓，放大器輸入端電壓，忽略通過放大器的電流，對(duì)反相輸入忽略通過放大器的電流，對(duì)反相輸

13、入端，流經(jīng)端，流經(jīng)R1和和RF的電流相等，所以的電流相等，所以11RuRRuFy對(duì)同相輸入端，流經(jīng)對(duì)同相輸入端，流經(jīng)R和和C的電流相等，所以的電流相等，所以ccxZuZRu兩式相除，得輸出輸入關(guān)系：兩式相除，得輸出輸入關(guān)系：xccFyuZRZRRu)1 (1CjZc1得頻率響應(yīng)函數(shù)：得頻率響應(yīng)函數(shù)：RCjRRjHF11)1 ()(1（aRC低通網(wǎng)絡(luò)接入放大器輸入端低通網(wǎng)絡(luò)接入放大器輸入端)1 (1RRF與無源濾波器相比，信號(hào)放大了與無源濾波器相比，信號(hào)放大了倍。倍。（bRC高通網(wǎng)絡(luò)接入放大器負(fù)反饋通道高通網(wǎng)絡(luò)接入放大器負(fù)反饋通道R1RFuxuyC1RZuuFxyCRjRRZRZZFFFCFcF

14、1而CRjRRjHFF11)(1故1RRF與無源濾波器相比，信號(hào)放大了與無源濾波器相比，信號(hào)放大了倍。倍。(2)二階有源濾波器二階有源濾波器2111041231 3050()()()iVVV YVV YV YYVYV Y 01 31234534( )( )( )()iV sYYH sV sYYYY YYY 基爾霍夫定律基爾霍夫定律根據(jù)根據(jù)Y1Y1到到Y(jié)5Y5取值及阻抗類型的不同組合，可以得到二階低、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：高、帶通及帶阻濾波器，以二階低通為例：131311.Y YRR55YC S441YR22YC /p>

15、251341314345111.( )1111 1()()RRH sC SC SRRRR RRC C R R R SR RR RR R C SR01 31234534( )( )( )()iV sYYH sV sYYYY YYY 4125342134225342221( )1111()2nnnRR C C R RH sSSRRRCC C R RASS2534534213411111()2nC C R RC R RCRRR式中式中:根據(jù)信號(hào)頻率確定根據(jù)信號(hào)頻率確定R1R1，C2C2，R3R3，R4R4，C5C5，便可以將，便可以將此濾波器的電路設(shè)計(jì)出來。同理可以設(shè)計(jì)出二階帶此濾波器的電路設(shè)計(jì)出來

16、。同理可以設(shè)計(jì)出二階帶通，帶阻及高通濾波器。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(huì)增加。實(shí)際設(shè)計(jì)濾波器特性，但相頻特性非線性會(huì)增加。實(shí)際設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，除考慮階次外，還考慮通頻帶外幅頻特性的波時(shí)，除考慮階次外，還考慮通頻帶外幅頻特性的波動(dòng)情況和相頻特性。動(dòng)情況和相頻特性。由案例提煉的典型實(shí)驗(yàn)：鋼管無損探傷由案例提煉的典型實(shí)驗(yàn)：鋼管無損探傷濾除信號(hào)中的低頻晃動(dòng)和高頻干擾濾除信號(hào)中的低頻晃動(dòng)和高頻干擾案例：機(jī)床軸心軌跡的濾波處理案例：機(jī)床軸心軌跡的濾波處理 案例：機(jī)床軸心軌跡的濾波處理案例：機(jī)床軸心軌跡的濾波處理 濾除信號(hào)中的