CH 3 信号的转换与调理 3节

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,测试技术基础,第四章 信号调理与记录,第,3,章 信号的转换与调理,3.1,电桥,3.2,调制与解调,3.3,滤波,3.4,模拟信号与数字信号转换,3.3,滤波器,滤波器是一种,选频装置,，只允许,一定频带范围,的信号通过，该频带范围之外的信号被极大地衰减。,滤波器的,选频功能,在测试技术中可以,消除干扰噪声,、,进行频谱分析,。,3.3.1,滤波器分类,低通滤波器：,通频带,0,f,2,高通滤波器：通频带,f,1,带通滤波器：通频带,f,1,f,2,带阻滤波器：通频带,0,f,1,与,f,2,（阻带：,f,1,f,2,）,(1),根据滤波器的,选频特性,分类,通带,和,阻带,之间都存在一个,过渡带,，其幅频特性是一条斜线。在过,渡带内，信号受到不同程度的衰减。,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。,低通滤波器与高通滤波器,串,联,构成,带,通,滤波器；,低通滤波器与高通滤波器,并联,构成,带阻,滤波器。,带阻滤波器,(2),根据滤波器的,元件类型,分类,RC,、,LC,、晶体谐振、开关电容滤波器,(3),根据滤波器的,电路性质,分类,有源滤波器、无源滤波器,(4),根据滤波器的,信号性质,分类,模拟滤波器、数字滤波器,3.3.2,理想滤波器,(1),理想滤波器模型,无过渡带且在通带内满足不失真测试条件的滤波器。,通带,内信号的幅值和相位都不失真，幅频特性为常数，相频特性的斜率为常值；,阻带,内的频率成分都衰减为零；通带和阻带之间有明显的分界线。,理想,低通,滤波器的,频率响应函数,为,其幅频及相频特性曲线为,理想低通滤波器的,脉冲响应函数,h,(,t,),为,sinc,函数，若无相角滞后（即,t,0,=0,），则：,理想低通滤波器是不存在的。理想高通、带通、带阻滤波器也是不存在的。,(2),理想低通滤波器的阶跃响应,1),单位阶跃激励,2),滤波器的阶跃响应,脉冲响应函数,3),阶跃响应波形图,理想,低通,滤波器对单位阶跃激励的响应,0,t,t,b,t,a,a,y,(,t,),A,0,0.5,A,0,b,(a),无相角滞后，时移,t,0,=0,0,t,y,(,t,),t,b,t,0,t,a,a,A,0,0.5,A,0,b,(b),有相角滞后，时移,t,0,0,输出从,0(,a,点,),到稳定值,A,0,(,b,点,),所需的时间称为建立时间。,4),建立时间,f,c,为低通滤波器的截止频率,如果按稳态响应值的,10%90%,作为计算建立时间的标准，则,滤波器,通频带越宽,(,即,f,c,越大,),，建立时间越短，,响应速度越快,。,0,t,t,b,t,a,a,y,(,t,),A,0,0.5,A,0,b,低通滤波器对阶跃响应的,建立时间,T,e,与,带宽,B,成反比，即：,BT,e,=,常数,滤波器带宽,B,也反映滤波器的,频率分辨力,，,带宽越窄，频率分辨力越高,。,显然，,高分辨力,与,快速响应,是互相矛盾的。如果要用滤波的方法从信号中提取某一很窄的频率成分（如作频谱分析），必须有足够的时间， 一般取,BT,e,= 510,。,5),高分辨力与响应速度的关系,该结论对,高通,、,带通,、,带阻,滤波器也成立。,3.3.3,实际滤波器,1.,实际滤波器的基本参数,理想,带通滤波器,与实际带通滤波器的幅频特性,d,d,A,(,f,),A,0,0.707,A,0,0,实际,理想,f,c1,f,c2,f,0,f,理想滤波器是不存在的，实际滤波器的幅频特性图中，,通带,和,阻带,之间应没有严格的界限，两者之间存在一个,过渡带,。在过渡带内的频率成分不会被完全抑制，只会受到不同程度的衰减。当然，,过渡带越窄越好,。在设计实际滤波器时，总是通过各种方法使其尽量逼近理想滤波器。,幅频特性值等于,0.707A,0,所对应的频率。,上截止频率,f,c2,、下截止频率,f,c1,以,A,0,为参考值，,0.707A,0,相对于,A,0,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,。,截止频率,上下截止频率之间的频率范围称为滤波器,带宽,或,-,3dB,带宽。,B,=,f,c2,f,c1,带宽,B,决定滤波器分离信号中,相邻频率成分,的能力,频率分辨力,，,带宽越窄，频率分辨力越高,。,带宽,B,中心频率,f,0,与带宽,B,之比， 。,品质因数,Q,（几何平均值）,中心频率,f,0,Q,越大，表明滤波器频率分辨力越高。,一个中心频率为,500Hz,的滤波器，若其,-,3dB,带宽为,25Hz,，则其品质因数,Q,为,20,。,纹波幅度d,在一定频率范围内，实际滤波器的幅频特性呈纹波变化，其,波动幅度,d,与幅频特性的稳定值,A,0,相比，越小越好，一般应远小于,-,3dB,，即,d,0.707,A,0,。,或,在两截止频率外侧，实际滤波器有一个,过渡带,，其幅频特性曲线,倾斜程度表明了幅频特性衰减的快慢,，它决定着滤波器对带宽外频率成分衰阻的能力。,通常用,f,c2,与,2,f,c2,之间，或者,f,c1,与,f,c1,/2,之间幅频特性的衰减量来表示，即频率变化一个倍频程时幅值的衰减量。,倍频程选择性,W,所谓,倍频程,是指工作频率,f,与基准频率,f,0,之比等于,2,的,n,次方，即,f,/,f,0,=2,n,，则,f,称 为,f,0,的,n,次倍频程。,衰减越快（即,W,值越大），滤波器的,倍频程,选择性越好。,时间常数,=,RC,2.,RC,无源滤波器,电路简单，抗干扰能力强，低频性能好。,（,1,）一阶,RC,低通滤波器,低频段近于不失真传输。,C,R,u,y,u,x,f,1/2,1,A,(,f,),0,f,-45,0,-90,0,0,(,f,),1/2,RC,低通滤波器,截止频率,高频段近于,积分器,，高频衰减率为,20dB/dec,。,当 时，,（,2,）一阶,RC,高通滤波器,低频段近于,微分器,。,高频段近于不失真传输。,u,y,u,x,RC,高通滤波器,时间常数,=,RC,截止频率,（,3,）,RC,带通滤波器,带通滤波器可由高通和低通滤波器,串联,组成。,为了消除串联时,负载效应,的影响，通常用,输出跟随器,或,运算放大器,实现隔离，,实际带通滤波器通常是,有源,的。,有源滤波器由,RC,调谐网络和运算放大器组成，运算放大器既起,级间隔离,作用，又起信号幅值放大作用。,不考虑负载效应时，带通滤波器传递函数为,C,1,R,2,C,2,R,1,u,y,u,x,H,1,(,s,),H,2,(,s,),X,(,s,),Y,(,s,),RC,带通滤波器,3.,滤波器特性的逼近,（,1,）巴特沃斯滤波器,从,幅频特性,提出要求，而不考虑相频特性。,巴特沃斯滤波器具有,最大平坦幅频特性,。,n,为滤波器阶数,其幅频表达式为,n,越大，通带内幅频特性越平坦，过渡带内衰减越快。,（,2,）切比雪夫滤波器,切比雪夫滤波器也是从,幅频特性,方面提出逼近要求的。,与,巴特沃斯,滤波器相比较，切比雪夫滤波器虽然在,通带内有纹波,，但对相同,n,值，在进入阻带以后，,衰减更陡峭,，更接近理想情况。,其幅频表达式为,（,3,）贝塞尔滤波器,满足,相频特性,逼近,而不关心幅频特性。,贝塞尔滤波器又称,最平时延,或,恒时延滤波器，,其,相移和频率成正比,，近似为线性关系。,幅频特性欠佳,，往往限制了它的应用。,3.3.4,恒带宽滤波器,、,恒带宽,比,滤波器,对信号做,频谱分析,或提取信号中某些频率成分时，可以通过多个,放大倍数相同,而,中心频率不同,的,带通滤波器,实现，各个滤波器的输出反映了信号在该通频带内的量值。,用,带通滤波,器实现频谱分析有两种方式：,恒带宽滤波器,带宽,B,不随中心频率的变化而变化，中心频率处在任何频段上时，带宽都相同。,恒带宽,比,滤波器,中心频率与带宽的比值,Q,不变，中心频率越高，带宽也越宽。,周期信号的分解实验,1.,恒带宽滤波器,为了使滤波器在,任意频段,都有相同的频率分辨力，可采用,恒带宽,带通滤波器（如收音机的选频）。,. . .,. . .,f,A,(,f,),0,100,200,400,600,800,1 000,所选带宽越窄，则频率分辨力越高，但为了覆盖所要检测的整个频率范围，所需要的,带通,滤波器数量就很大,。,很多时候，恒带宽带通滤波器不一定做成固定中心频率的，而是,由一个中心频率可调的带通滤波器独立构成,，利用一个参考信号，使该滤波器的中心频率跟随参考信号的频率而变化，参考信号由可作频率扫描的信号发生器供给。,2.,恒,带宽比,滤波器,特点：品质因数,Q,为常数。,Q,相同，中心频率,f,0,越高，带宽,B,越大，频率分辨力越低。,. . .,. . .,f,A,(,f,),0,100,200,400,600,800,1 000,恒,带宽比,带通滤波器是一种,具有不同中心频率,的,滤波器组,，为使各个带通滤波器组合起来后能覆盖整个要分析的信号频率范围，其中心频率与带宽按一定规律配置。,恒,带宽比,滤波器，在低频段内其通带甚窄，频率分辨力较高；在高频段内通带较宽，频率分辨力较低。,恒,带宽比,滤波器的,下截止频率,f,c1,与,上截止频率,f,c2,满足：,n,称为,倍频程数,。,n,=1,称为,1,倍频程滤波器；,n,=1/3,称为,1/3,倍频程滤波器。,从而有：,n,=1,时，,Q,=1.41,；,n,=1/3,时，,Q,=4.32,；,n,=1/5,时，,Q,=7.21,。,只要选定,n,值，即可设计覆盖给定频率范围的,邻接式,滤波器组。,倍频程数,n,越小，,Q,值越大，滤波器频率分辨力越高。,中心频率,/Hz,16,31.5,63,125,250,带宽,/Hz,11.31,22.27,44.55,88.39,176.78,中心频率,/Hz,12.5,16,20,25,31.5,40,50,63,带宽,/Hz,2.9,3.7,4.6,5.8,7.3,9.3,11.6,14.6,倍频程滤波器组,(,n,=1,时，,Q,=1.41),1/3,倍频程滤波器组,(,n,=1/3,时，,Q,=4.32,),为了使被分析信号的频率成分不致丢失，带通滤波器组的中心频率是,倍频程关系,，同时带宽又需是,邻接式,的，通常的做法是使,前一个滤波器的,-3dB,上截止频率等于后一个相邻滤波器的,-3dB,下截止频率,。这样的一组滤波器将覆盖整个感兴趣的频域范围。,邻接式倍频程滤波器,方框内数字表示各个带通滤波器的,中心频率,，被分析信号输入后，输入、输出波段开关顺序接通各滤波器，如果,信号频率成分正好落在某带通滤波器通频带内,，那么就可以在显示、记录仪器上观测到这一频率成分,。,设有一信号是由幅值相同而频率分别为,=940Hz,和,=1060Hz,的两正弦信号合成，其频谱如图所示：,(a),实际信号,(b),用倍频程滤波器分析结果,(c),用,1/10,倍频程滤波器分析结果,(d),用恒带宽滤波器分析结果,中心频率在不同频率时均有输出,3.,三种滤波器测量结果比较,0,40,20,幅值,/dB,940,1060,f,/Hz,(a),实际信号,0,40,20,幅值,/dB,630,800,1000,1250,1600,f,/Hz,(b)1/3,倍频程滤波器分析结果,f,/Hz,0,40,20,幅值,/dB,940,1060,(c)1/10,倍频程滤波器哦分析结果,(d),恒带宽,滤波器分析结果,940,1060,0,40,20,幅值,/dB,f,/Hz,倍频程数,n,越小，,Q,值越大，滤波器频率分辨力越高。,某信号由幅值相同而频率分别为,940Hz,和,1060Hz,的两正弦信号合成。,案例：机床轴心轨迹的滤波处理,涡流传感器,滤除信号中的高频噪声，便于观察轴心运动规律。,低通滤波器,BT,e,=C,3.4,模拟信号与数字信号转换,当采用数字式仪器、仪表和计算机时，模拟输出信号还要转换为数字信号等。,模数转换器是一种器件，它把采集到的采样模拟信号量化和编码后，转换成数字信号并输出。,ADC (Analog to Digital Converter),3.4.1 ADC,的分类,ADC,的品种很多，其分类方法也很多，可按速度、精度、位数等。,从“,量化是一种比较过程,”这个基本概念出发，,ADC,归根结底只有两种类型：,(1),直接比较型；,(2),间接比较型。,(1),直接比较型,即将输入的采样模拟量直接与作为标准的基准电压相比较，得到可按数字编码的离散量或直接得到数字量,。,包括连续比较、逐次逼近、斜波（或阶梯波）电压比较等,类型，最常用的是,逐次逼近型,。,特点：瞬时比较，抗干扰能力差，但转换速度较快。,(2),间接比较型,输入的采样模拟量不是直接与基准电压比较，而是将二者都变成中间物理量再进行比较，然后将比较得到的时间或频率进行数字编码。,“先转换后比较”,包括,双斜式、脉冲调宽型、积分型、三斜率型、自动校准积分型等,型。,特点：平均值响应，抗干扰能力较强，但速度较慢。,3.4.2 ADC,的主要技术指标,(1),分辨率,指,ADC,所能分辨模拟输入信号的,最小变化量,。,设,A/D,转换器的位数为,n,，满量程电压为,FSR,，则,A/D,转换器的分辨率为,相对分辨率,ADC,分辨率的高低取决于位数的多少，一般都简单地用,ADC,的位数,n,来间接代表分辨率，,位数越多，分辨率越高,。,(3),精度,ADC,的精度分为,绝对精度,和,相对精度,两种。,1,）绝对精度,对应于输出数码的,实际模拟输入电压,与,理想模拟输入电压,之差。,A/D,转换时，,量化带内,的任意模拟输入电压都能产生同一输出数码，此处限定为量化带,中点,对应的模拟输入电压值。,例如，一个,12,位,ADC,，理论上模拟输入电压为,5V1.2mV,时，对应的输出数码为,100000000000,。实际上，,4.9974.999V,范围内的模拟输入电压都产生这一输出数码，则,2,）相对精度,精度和分辨率是两个不同的概念。,精度是指转换后所得结果相对于实际值的准确度；,分辨率是指转换器所能分辨的模拟信号的,最小变化值,。,分辨率很高的,A/D,转换器，可能因为温度漂移、线性不良等原因，并不一定具有很高的精度。,绝对精度与满量程电压值之比的百分数。,3.4.5,单片集成转换器,（,1,）,8,位,A/D,转换器芯片,ADC0809,（,2,）,12,位,A/D,转换器芯片,AD574A,（,3,）,12,位带采样,/,保持的,A/D,转换芯片,AD678,