工程測試技術第4章　模擬信號處理教學課件PPT

華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p1工程測試技術工程測試技術本章學習要點：本章學習要點：第第4章模擬信號處理章模擬信號處理1. 掌握模擬信號放大原理2. 掌握電橋原理及基本特性 3. 掌握信號調制及解調原理4. 掌握理想濾波器模型及特性5. 了解實際濾波器基本參數(shù)華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p2上講內容上講內容1. 信號調理的目的和內容2. 信號放大原理3. 電橋原理和基本特性 4. 幅度調制及解調原理1. 頻率調制及解調原理2. 理想濾波器模型3. 實際濾波器基本參數(shù)4. RC無源濾波器特性本講內容本講內容第第4章模擬信號處理章模擬信號處理華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p3頻率調制（調頻）是利用信號x(t)的幅值調制載波的頻率。)(2cos()(00ttxfAty4.4.2 頻率調制頻率調制調頻波是一種隨信號x(t)的電壓幅值而變化的疏密度不同的等幅波。第第4章模擬信號處理章模擬信號處理華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p4鑒頻：鑒頻：T1T2T3T4F4.4 調制調制華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p5優(yōu)點：改善了信噪比，抗干擾能力強。調頻波通常要求很寬的頻帶，甚至為調幅所要求帶寬的20倍。調頻系統(tǒng)較之調幅系統(tǒng)復雜，因為頻率調制是一種非線性調制。不能運用疊加原理，分析調頻波比分析調幅波困難。調頻信號所攜帶的信息包含在頻率變化之中，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：占頻帶寬度大，復雜。4.4 調制調制華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p6頻率調制的實現(xiàn)頻率調制是使載波頻率對應于調制信號x(t)的幅值的變化。信號x(t)幅值是一個隨時間而變化的函數(shù)。載波頻率應是一個“隨時間而變化的頻率”。)(2cos()(00ttxfAty4.4 調制調制華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p7頻率調制的實現(xiàn)角頻率ddt01( )dx tdtw0 x(t)是載波被信號所調制部分的瞬時頻率。載波信號頻率是載波中心頻率與隨信號幅值而變化的瞬時頻率之和。頻率調制就是利用瞬時頻率來表示信號的調制。cos)(Aty載波信號相位角調制頻率載波中心頻率00( )tx t dt調制信號4.4 調制調制0t華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p8案例：案例：旋轉機械扭距測量旋轉機械扭距測量4.4 調制調制華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p9遙測電路遙測電路4.4 調制調制華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p101. 傳感器信號經(jīng)過放大和濾波處理；2. 由壓頻轉換器(V/F)輸出與傳感器信號電壓成正比的調頻信號；3. 調頻信號經(jīng)功率放大后，驅動紅外二極管閃爍；4. 光電晶體管接收閃爍信號，并經(jīng)過放大、整形等環(huán)節(jié)處理；5. 由頻壓轉換器(F/V)還原為模擬電壓信號。案例：案例：旋轉探頭檢測中的紅外無線信號傳輸旋轉探頭檢測中的紅外無線信號傳輸4.4 調制調制華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p11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。4.5 濾波濾波第第4章模擬信號處理章模擬信號處理華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p124.5 濾波濾波華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 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）那可視為是一種濾波器 任何裝置的響應特性都是激勵頻率的函數(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(f) Y(f)4.5 濾波濾波)(*)()(txthty華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 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機械學院華中科技大學機械學院 p15帶通帶通帶阻帶阻4.5 濾波濾波華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 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))()()(21fHfHfH華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p17理想濾波器是指能使通帶內信號的幅值和相位都不失真，阻帶內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機械學院華中科技大學機械學院 p180222000( )( )2sin 2()jfjftjftcch tH f edfAeedfA fcf t 響應時間滯后于激勵時間：0為相時延。理想濾波器的脈沖響應理想濾波器的脈沖響應020)(fjeAfH4.5 濾波濾波華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p19理想濾波器的物理不可實現(xiàn)理想濾波器的物理不可實現(xiàn) 理想濾波器在時域內的脈沖響應函數(shù)h(t)為sinc函數(shù)。脈沖響應的波形沿橫坐標左、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)有響應了。故物理不可實現(xiàn)。4.5 濾波濾波t=0時刻t=0時刻華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p20濾波器輸入：單位階躍10( )1/2000tu ttt濾波器輸出：該輸入與脈沖響應函數(shù)的卷積0sin yxsi ydxxsiy表示正弦積分表示正弦積分理想濾波器的階躍響應理想濾波器的階躍響應 u(t)h(t) yu(t)4.5 濾波濾波華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p21 理想濾波器的階躍響應理想濾波器的階躍響應005 . 0)(,Atytu0009. 1)(,21Atyftuc0為相時延d=1/fc為上升時間0009. 0)(,21Atyftuc4.5 濾波濾波B=fc=1/d為帶寬華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p224.4.3 實際濾波器實際濾波器在實際濾波器的幅頻特性圖中通帶和阻帶間沒有嚴格的界限,沒有明顯的轉折點，存在一個過渡帶。通頻帶中幅頻特性也并非常數(shù)，需用更多的參數(shù)來描述實際濾波器的性能： 截止頻率 fc 紋波幅度 d 帶寬 B 品質因數(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機械學院華中科技大學機械學院 p23截止頻率fc： 幅頻特性值等于0.707A0所對應的頻率。-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點即相對于A0衰減3dB。若以信號的幅值平方表示信號功率，則所對應的點正好是半功率點。4.5 濾波濾波00lg10lg20dB1PPAAdB33 . 0102lg1021lg20華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p24在一定頻率范圍內，實際濾波器的幅頻特性呈波紋變化。其波動幅度d 與幅頻特性的平均值A0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機械學院華中科技大學機械學院 p253) 帶寬帶寬B和品質因數(shù)和品質因數(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中相鄰頻率成分的能力，即頻率分辨力。對于帶通濾波器，通常把中心頻率f0和帶寬B之比稱為濾波器的品質因數(shù)Q。Q值越大，表明濾波器分辨力越高例如：一個中心頻率為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機械學院華中科技大學機械學院 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，即頻率變化一個倍頻程時的衰減量。 4.5 濾波濾波華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 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)）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機械學院華中科技大學機械學院 p28實際濾波器頻率通帶通常是可調的，根據(jù)實際濾波器中心頻率與帶寬之間的數(shù)值關系，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機械學院華中科技大學機械學院 p29在測試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因為這一領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，并且選用標準阻容元件 。 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機械學院華中科技大學機械學院 p304.5 濾波濾波微分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 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)華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 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 濾波濾波華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 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機械學院華中科技大學機械學院 p34 4.5 濾波濾波華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p354.4.5 濾波器的應用濾波器的應用模擬濾波器在測試系統(tǒng)或專用儀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)字信號分析系統(tǒng)中抗頻混濾波高通濾波器用于聲發(fā)射檢測儀中剔除低頻干擾噪聲帶阻濾波器用作電渦流測振儀中的限波器4.5 濾波濾波華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p36案例：案例：旅游索道鋼纜檢測旅游索道鋼纜檢測4.5 濾波濾波超門限報警超門限報警 華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p37由案例提煉的典型實驗：由案例提煉的典型實驗：鋼管無損探傷鋼管無損探傷濾除信號中的零漂和低頻晃動，便于門限報警濾除信號中的零漂和低頻晃動，便于門限報警194.5 濾波濾波高通濾波！高通濾波！華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p38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 204.5 濾波濾波華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p39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，以便于觀察軸心運動規(guī)律濾除信號中的高頻噪聲，以便于觀察軸心運動規(guī)律 214.5 濾波濾波低通濾波！低通濾波！華中科技大學機械學院華中科技大學機械學院 p40動手做：動手做：調節(jié)計算機調節(jié)計算機mp3播放器等播放器等軟件中的聲音均衡器，試軟件中的聲音均衡器，試驗其對音樂信號的濾波情驗其對音樂信號的濾波情況。況。224.5 濾波濾波