工程測(cè)試技術(shù)第4章　模擬信號(hào)處理教學(xué)課件PPT

1、華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p1工程測(cè)試技術(shù)工程測(cè)試技術(shù)本章學(xué)習(xí)要點(diǎn)：本章學(xué)習(xí)要點(diǎn)：第第4章模擬信號(hào)處理章模擬信號(hào)處理1. 掌握模擬信號(hào)放大原理2. 掌握電橋原理及基本特性 3. 掌握信號(hào)調(diào)制及解調(diào)原理4. 掌握理想濾波器模型及特性5. 了解實(shí)際濾波器基本參數(shù)華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p2上講內(nèi)容上講內(nèi)容1. 信號(hào)調(diào)理的目的和內(nèi)容2. 信號(hào)放大原理3. 電橋原理和基本特性 4. 幅度調(diào)制及解調(diào)原理1. 頻率調(diào)制及解調(diào)原理2. 理想濾波器模型3. 實(shí)際濾波器基本參數(shù)4. RC無源濾波器特性本講內(nèi)容本講內(nèi)容第第4章模擬信號(hào)處理章模擬信號(hào)處理華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技

2、大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p3頻率調(diào)制（調(diào)頻）是利用信號(hào)x(t)的幅值調(diào)制載波的頻率。)(2cos()(00ttxfAty4.4.2 頻率調(diào)制頻率調(diào)制調(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。第第4章模擬信號(hào)處理章模擬信號(hào)處理華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p4鑒頻：鑒頻：T1T2T3T4F4.4 調(diào)制調(diào)制華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p5優(yōu)點(diǎn)：改善了信噪比，抗干擾能力強(qiáng)。調(diào)頻波通常要求很寬的頻帶，甚至為調(diào)幅所要求帶寬的20倍。調(diào)頻系統(tǒng)較之調(diào)幅系統(tǒng)復(fù)雜，因?yàn)轭l率調(diào)制是一種非線性調(diào)制。不能運(yùn)用疊加原理，分析調(diào)頻波比分析調(diào)幅波困難。調(diào)頻信號(hào)所攜帶的信息包含在頻率變化

3、之中，并非振幅之中。干擾波的干擾作用則主要表現(xiàn)在振幅之中。 缺點(diǎn)：占頻帶寬度大，復(fù)雜。4.4 調(diào)制調(diào)制華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p6頻率調(diào)制的實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制是使載波頻率對(duì)應(yīng)于調(diào)制信號(hào)x(t)的幅值的變化。信號(hào)x(t)幅值是一個(gè)隨時(shí)間而變化的函數(shù)。載波頻率應(yīng)是一個(gè)“隨時(shí)間而變化的頻率”。)(2cos()(00ttxfAty4.4 調(diào)制調(diào)制華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p7頻率調(diào)制的實(shí)現(xiàn)角頻率ddt01( )dx tdtw0 x(t)是載波被信號(hào)所調(diào)制部分的瞬時(shí)頻率。載波信號(hào)頻率是載波中心頻率與隨信號(hào)幅值而變化的瞬時(shí)頻率之和。頻率調(diào)制就是利用瞬時(shí)頻率來表示信號(hào)的調(diào)制。co

4、s)(Aty載波信號(hào)相位角調(diào)制頻率載波中心頻率00( )tx t dt調(diào)制信號(hào)4.4 調(diào)制調(diào)制0t華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p8案例：案例：旋轉(zhuǎn)機(jī)械扭距測(cè)量旋轉(zhuǎn)機(jī)械扭距測(cè)量4.4 調(diào)制調(diào)制華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p9遙測(cè)電路遙測(cè)電路4.4 調(diào)制調(diào)制華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p101. 傳感器信號(hào)經(jīng)過放大和濾波處理；2. 由壓頻轉(zhuǎn)換器(V/F)輸出與傳感器信號(hào)電壓成正比的調(diào)頻信號(hào)；3. 調(diào)頻信號(hào)經(jīng)功率放大后，驅(qū)動(dòng)紅外二極管閃爍；4. 光電晶體管接收閃爍信號(hào)，并經(jīng)過放大、整形等環(huán)節(jié)處理；5. 由頻壓轉(zhuǎn)換器(F/V)還原為模擬電壓信號(hào)。案例：案例：旋

5、轉(zhuǎn)探頭檢測(cè)中的紅外無線信號(hào)傳輸旋轉(zhuǎn)探頭檢測(cè)中的紅外無線信號(hào)傳輸4.4 調(diào)制調(diào)制華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p11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，而極大地衰減其他頻率成分。4.5 濾波濾波第第4章模擬信號(hào)處理章模擬信號(hào)處理華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p124.5 濾波濾波華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p13濾波器的傳遞特性濾波器的傳遞特性 廣義地講，任何一種信息傳輸通道（媒質(zhì)）那可視為是一種濾波器 任何裝置的響應(yīng)特性都是激勵(lì)頻率的函數(shù)，都可用頻域函數(shù)描述其傳輸特性，即傳遞函數(shù)。)()()(fXfHfYx(t)h(t) y(t)X(f)H

6、(f) Y(f)4.5 濾波濾波)(*)()(txthty華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p14低通低通高通高通4.5.1 濾波器分類（根據(jù)濾波器的選頻作用分）濾波器分類（根據(jù)濾波器的選頻作用分）4.5 濾波濾波華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p15帶通帶通帶阻帶阻4.5 濾波濾波華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p16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。濾波器的串濾波器的串/并聯(lián)并聯(lián))()()(21fHfHfH4.5 濾波濾波帶通濾波器是低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián)帶阻濾波器是低通濾波器和高通濾波器的并聯(lián))

7、()()(21fHfHfH華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p17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。4.5.2 理想濾波器理想濾波器4.5 濾波濾波0200( ),( )0,jfccH fA eAfffH felse 0( )2ff 這種理想低通濾波器，將信號(hào)中低于截止頻率的頻率成分予以傳輸，而無任何失真；將高于的頻率成分則完全衰減掉。fc為截止頻率華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p180222000( )( )2sin 2()jfjftjftcch tH f edfAeedfA fcf t 響應(yīng)時(shí)間滯后于激勵(lì)時(shí)間：0為相時(shí)

8、延。理想濾波器的脈沖響應(yīng)理想濾波器的脈沖響應(yīng)020)(fjeAfH4.5 濾波濾波華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p19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)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)。4.5 濾波濾波t=0時(shí)刻t=0時(shí)刻華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p20濾波器輸入：單位階躍10( )1/2000tu ttt濾波器輸出：該輸入與脈沖響應(yīng)函數(shù)的卷積0sin yxsi ydxxsiy表示正弦積分表示

9、正弦積分理想濾波器的階躍響應(yīng)理想濾波器的階躍響應(yīng) u(t)h(t) yu(t)4.5 濾波濾波華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p21 理想濾波器的階躍響應(yīng)理想濾波器的階躍響應(yīng)005 . 0)(,Atytu0009. 1)(,21Atyftuc0為相時(shí)延d=1/fc為上升時(shí)間0009. 0)(,21Atyftuc4.5 濾波濾波B=fc=1/d為帶寬華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p224.4.3 實(shí)際濾波器實(shí)際濾波器在實(shí)際濾波器的幅頻特性圖中通帶和阻帶間沒有嚴(yán)格的界限,沒有明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，存在一個(gè)過渡帶。通頻帶中幅頻特性也并非常數(shù)，需用更多的參數(shù)來描述實(shí)際濾波器的性能： 截止

10、頻率 fc 紋波幅度 d 帶寬 B 品質(zhì)因數(shù) Q 倍頻程選擇性 W理想濾波器，只需規(guī)定截止頻率fc就可以說明它的性能。在截止頻率之間的幅頻特性為常數(shù)A0，截止頻率以外則為零。理想濾波器是不存在的。4.5 濾波濾波華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p23截止頻率fc： 幅頻特性值等于0.707A0所對(duì)應(yīng)的頻率。-3dB1) 截止頻率截止頻率 fc截止頻率截止頻率A0為幅頻特性的平均值。以A0為參考值，-3dB點(diǎn)即相對(duì)于A0衰減3dB。若以信號(hào)的幅值平方表示信號(hào)功率，則所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)正好是半功率點(diǎn)。4.5 濾波濾波00lg10lg20dB1PPAAdB33 . 0102lg1021lg20華中

11、科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p24在一定頻率范圍內(nèi)，實(shí)際濾波器的幅頻特性呈波紋變化。其波動(dòng)幅度d 與幅頻特性的平均值A(chǔ)0相比，越小越好。2/0Ad -3dB2) 紋波幅度紋波幅度 d4.5 濾波濾波華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p253) 帶寬帶寬B和品質(zhì)因數(shù)和品質(zhì)因數(shù)Q B = fc2 - fc1 f0 = (fc1+fc2) / 2 Q = f0 / B上下兩截頻間的頻率范圍稱為濾波器帶寬B，或-3dB帶寬，單位為Hz。帶寬決定著濾波器分離信號(hào)中相鄰頻率成分的能力，即頻率分辨力。對(duì)于帶通濾波器，通常把中心頻率f0和帶寬B之比稱為濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q。Q值越大，表明濾波器

12、分辨力越高例如：一個(gè)中心頻率為500Hz的濾波器，若其中-3dB帶寬為10Hz，則稱其Q值為504.5 濾波濾波華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p264) 倍頻程選擇性倍頻程選擇性W)()2(lg20)()2(lg201122ccccfAfAWfAfAW倍頻程衰減量以dB/oct表示（Octave，倍頻程）。衰減越快(即W值越大)，濾波器選擇性越好!在上截止頻率fc2與2fc2、或者在下截止頻率fc1與fc1/2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。 4.5 濾波濾波華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p275) 濾波器因數(shù)（或矩形系數(shù)）濾波器因數(shù)（或矩形系數(shù)）

13、dB3dB60BB理想濾波器=1，常用濾波器= (15)。定義為濾波器幅頻特性的-60dB 帶寬與-3dB 帶寬的比值。-3dB, A = 0.707A0-60dB, A = A0/10004.5 濾波濾波華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p28實(shí)際濾波器頻率通帶通常是可調(diào)的，根據(jù)實(shí)際濾波器中心頻率與帶寬之間的數(shù)值關(guān)系，可以分為兩種。2) 恒帶寬比帶通濾波器恒帶寬比帶通濾波器 1) 恒帶寬帶通濾波器恒帶寬帶通濾波器 恒帶寬濾波器和恒帶寬比濾波器恒帶寬濾波器和恒帶寬比濾波器4.5 濾波濾波華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p29在測(cè)試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因?yàn)檫@一領(lǐng)域中信號(hào)頻率

14、相對(duì)來說不高。而RC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)準(zhǔn)阻容元件 。 1) 一階一階RC低通濾波器低通濾波器 4.4.4RC無源濾波器無源濾波器 R=10k C=5nF fc=3185kHz4.5 濾波濾波華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p304.5 濾波濾波微分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p312) 一階一階RC高通濾波器高通濾波器 4.5 濾波濾波積分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p323) RC帶通濾波器帶通濾波器 可以看作為低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián)可以看作為低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián) 4.5 濾波濾波

15、華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p33有源產(chǎn)品有源產(chǎn)品LineDa: LTC1564MAXIM: MAX74xx4.5 濾波濾波華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p34 4.5 濾波濾波華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p354.4.5 濾波器的應(yīng)用濾波器的應(yīng)用模擬濾波器在測(cè)試系統(tǒng)或?qū)Ｓ脙x器儀表中是一種常用的變換裝置：帶通濾波器用作頻譜分析儀中的選頻裝置低通濾波器用作數(shù)字信號(hào)分析系統(tǒng)中抗頻混濾波高通濾波器用于聲發(fā)射檢測(cè)儀中剔除低頻干擾噪聲帶阻濾波器用作電渦流測(cè)振儀中的限波器4.5 濾波濾波華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p36案例：案例：旅游索道鋼纜檢測(cè)旅游索道鋼纜檢測(cè)4.5 濾波濾波超門限報(bào)警超門限報(bào)警 華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p37由案例提煉的典型實(shí)驗(yàn)：由案例提煉的典型實(shí)驗(yàn)：鋼管無損探傷鋼管無損探傷濾除信號(hào)中的零漂和低頻晃動(dòng)，便于門限報(bào)警濾除信號(hào)中的零漂和低頻晃動(dòng)，便于門限報(bào)警194.5 濾波濾波高通濾波！高通濾波！華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院華中科技大學(xué)機(jī)械學(xué)院 p38案例：機(jī)床軸心軌跡的濾波處理案例：機(jī)床軸心軌