11 工程测试技术 第四章 模拟信号处理

1、工程测试技术,本章学习要点：,第4章模拟信号处理,掌握模拟信号放大原理 掌握电桥原理及基本特性 掌握信号调制及解调原理 掌握理想滤波器模型及特性 了解实际滤波器基本参数,上讲内容,信号调理的目的和内容 信号放大原理 电桥原理和基本特性 幅度调制及解调原理,频率调制及解调原理 理想滤波器模型 实际滤波器基本参数 RC无源滤波器特性,本讲内容,第4章模拟信号处理,频率调制（调频）是利用信号x(t)的幅值调制载波的频率。,4.4.2 频率调制,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。,第4章模拟信号处理,鉴频：,4.4 调制,优点：改善了信噪比，抗干扰能力强。,调频波通常要求

2、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。 不能运用叠加原理，分析调频波比分析调幅波困难。,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。 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。,4.4 调制,频率调制的实现,频率调制是使载波频率对应于调制信号x(t)的幅值的变化。 信号x(t)幅值是一个随时间而变化的函数。 载波频率应是一个“随时间而变化的频率”。,4.4 调制,频率调制的实现,角频率,w0 x(t)是载波被信号所调制部分的瞬时频率。 载波信号频率是载波中心频率与随信号幅值而变化的瞬时频率之和。 频

3、率调制就是利用瞬时频率来表示信号的调制。,载波信号,相位角,调制频率,载波中心频率,调制信号,4.4 调制,案例：旋转机械扭距测量,4.4 调制,遥测电路,4.4 调制,1. 传感器信号经过放大和滤波处理； 2. 由压频转换器(V/F)输出与传感器信号电压成正比的调频信号； 3. 调频信号经功率放大后，驱动红外二极管闪烁； 4. 光电晶体管接收闪烁信号，并经过放大、整形等环节处理； 5. 由频压转换器(F/V)还原为模拟电压信号。,案例：旋转探头检测中的红外无线信号传输,4.4 调制,滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。,4.5 滤波,第4章模拟信号处

4、理,4.5 滤波,滤波器的传递特性,广义地讲，任何一种信息传输通道（媒质）那可视为是一种滤波器 任何装置的响应特性都是激励频率的函数，都可用频域函数描述其传输特性，即传递函数。,x(t),h(t),y(t),X(f),H(f),Y(f),4.5 滤波,低通,高通,4.5.1 滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）,4.5 滤波,带通,带阻,4.5 滤波,低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。,滤波器的串/并联,4.5 滤波,带通滤波器是低通滤波器和高通滤波器的串联,带阻滤波器是低通滤波器和高通滤波器的并联,理想滤波器是指能使通带内信号的幅值

5、和相位都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。,4.5.2 理想滤波器,4.5 滤波,这种理想低通滤波器，将信号中低于截止频率的频率成分予以传输，而无任何失真；将高于的频率成分则完全衰减掉。,fc为截止频率,响应时间滞后于激励时间：0为相时延。,理想滤波器的脉冲响应,4.5 滤波,理想滤波器的物理不可实现,理想滤波器在时域内的脉冲响应函数h(t)为sinc函数。 脉冲响应的波形沿横坐标左、右无限延伸。,给理想滤波器一个脉冲激励，在t=0时刻单位脉冲输入滤波器之前，滤波器就已经有响应了。故物理不可实现。,4.5 滤波,t=0时刻,t=0时刻,滤波器输入：单位阶跃,滤波器输出：该输入与脉冲响

6、应函数的卷积,siy表示正弦积分,理想滤波器的阶跃响应,u(t),h(t),yu(t),4.5 滤波,理想滤波器的阶跃响应,0为相时延,d=1/fc为上升时间,4.5 滤波,B=fc=1/d为带宽,4.4.3 实际滤波器,在实际滤波器的幅频特性图中通带和阻带间没有严格的界限,没有明显的转折点，存在一个过渡带。 通频带中幅频特性也并非常数，需用更多的参数来描述实际滤波器的性能： 截止频率 fc 纹波幅度 d 带宽 B 品质因数 Q 倍频程选择性 W,理想滤波器，只需规定截止频率fc就可以说明它的性能。 在截止频率之间的幅频特性为常数A0，截止频率以外则为零。 理想滤波器是不存在的。,4.5 滤波

7、,截止频率fc： 幅频特性值等于0.707A0所对应的频率。,-3dB,1) 截止频率 fc,截止频率,A0为幅频特性的平均值。 以A0为参考值，-3dB点即相对于A0衰减3dB。 若以信号的幅值平方表示信号功率，则所对应的点正好是半功率点。,4.5 滤波,在一定频率范围内，实际滤波器的幅频特性呈波纹变化。 其波动幅度d 与幅频特性的平均值A0相比，越小越好。,-3dB,2) 纹波幅度 d,4.5 滤波,3) 带宽B和品质因数Q,B = fc2 - fc1 Q = f0 / B f0 = (fc1+fc2) / 2,上下两截频间的频率范围称为滤波器带宽B，或-3dB带宽，单位为Hz。带宽决定着

8、滤波器分离信号中相邻频率成分的能力，即频率分辨力。 对于带通滤波器，通常把中心频率f0和带宽B之比称为滤波器的品质因数Q。Q值越大，表明滤波器分辨力越高 例如：一个中心频率为500Hz的滤波器，若其中-3dB带宽为10Hz，则称其Q值为50,4.5 滤波,4) 倍频程选择性W,倍频程衰减量以dB/oct表示（Octave，倍频程）。 衰减越快(即W值越大)，滤波器选择性越好!,在上截止频率fc2与2fc2、或者在下截止频率fc1与fc1/2之间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。,4.5 滤波,5) 滤波器因数（或矩形系数）,理想滤波器=1，常用滤波器= (15)。,定义为滤波器

9、幅频特性的-60dB 带宽与-3dB 带宽的比值。,-3dB, A = 0.707A0 -60dB, A = A0/1000,4.5 滤波,实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实际滤波器中心频率与带宽之间的数值关系，可以分为两种。,2) 恒带宽比带通滤波器,1) 恒带宽带通滤波器,恒带宽滤波器和恒带宽比滤波器,4.5 滤波,在测试系统中，常用RC滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标准阻容元件 。,1) 一阶RC低通滤波器,4.4.4RC无源滤波器,R=10k C=5nF,fc=3185kHz,4.5 滤波,4.5 滤波,微分环

10、节,2) 一阶RC高通滤波器,4.5 滤波,积分环节,3) RC带通滤波器,4.5 滤波,有源产品,LineDa: LTC1564,MAXIM: MAX74xx,4.5 滤波,4.5 滤波,4.4.5 滤波器的应用,模拟滤波器在测试系统或专用仪器仪表中是一种常用的变换装置： 带通滤波器用作频谱分析仪中的选频装置 低通滤波器用作数字信号分析系统中抗频混滤波 高通滤波器用于声发射检测仪中剔除低频干扰噪声 带阻滤波器用作电涡流测振仪中的限波器,4.5 滤波,案例：旅游索道钢缆检测,4.5 滤波,由案例提炼的典型实验：钢管无损探伤,滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警,19,4.5 滤波,高通滤波！,案例：机床轴心轨迹的滤波处理,20,