信号调理2(滤波)090414.ppt

2.4信号的滤波,在通过传感器获得的信号中，常常混叠有许多其他频率的干扰。由于这些干扰的存在，有时得不到正确的测量值，甚至有时有用的信号被淹没在干扰噪声中。为了突出有用信号，抑制噪声干扰，我们就要对传感器获得的信号进行滤波。,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,构成测试系统的任何一个环节，诸如机械系统、电气网络、仪器仪表甚至连接导线等等，都将在一定频率范围内，按其频域特性，对所通过的信号进行变换与处理。,a. 按功能分：（根据滤波器的选频作用分）,低通,从0f2频率之间，幅频特性平直，它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过，而高于f2的频率成分受到极大地衰减。,1） 低通滤波器,2.4.1 滤波器的分类,高通,2） 高通滤波器,与低通滤波相反，从频率f1，其幅频特性平直。它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过，而低于f1的频率成分将受到极大地衰减。,带通,3） 带通滤波器,它的通频带在f1f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过，而其它成分受到衰减。,带阻,4） 带阻滤波器,与带通滤波相反，阻带在频率f1f2之间。它使信号中高于f1而低于f2的频率成分受到衰减，其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过。,滤波器的串/并联,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。,1）低通滤波器与高通滤波器的串联构成带通滤波器,2）低通滤波器与高通滤波器的并联构成带阻滤波器,b按处理信号的方法分：模拟滤波器，数字滤波器 模拟滤波器：由模拟器件组成。 数字滤波器：由一定的算法在计算机上实现。,c按处理信号的器件(或物理原理)分：电子滤波器，机械滤波器，光学滤波器,d按是否带有放大器分：有源滤波器，无源滤波器,2.4.2 理想滤波器,理想滤波器是指能使通带内信号的幅值和相位都不失真，阻带内的频率成分都衰减为零的滤波器。,-,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。是一种非因果关系，故物理不可实现。,实际滤波器,理想滤波器是不存在的，实际滤波器幅频特性中通带和阻带间没有严格界限，存在过渡带。,A,这说明在截止频率处呈现直角锐变的幅频特性，或者说在频域内用矩形窗函数描述的理想滤波器是不可能存在的。实际滤波器的频域图形不会在某个频率上完全截止，而会逐渐衰减并延伸到。,（1）截止频率fc：0.707A0所对应的频率,（2)纹波幅度d：绕幅频特性均值A0波动值,（3)带宽B和品质因数Q：下两截频间的频率范围称为带宽。中心频率和带宽之比称为品质因数 。,2.4.3 实际滤波器,（4)倍频程选择性W 指在上截止频率fc2与2fc2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。,倍频程衰减量以dB/oct表示（Octave，倍频程）。衰减越快（即W值越大），滤波器的选择性越好。,2.4.4 RC无源滤波器,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,当,（2) 一阶RC高通滤波器,（3) RC带通滤波器,此时，较低和较高的频率成分都完全被阻挡，不能通过，只有位于频率带宽内的信号频率能通过。,串连后以高通的截至频率为下截至频率，,以低通的截至频率为上截至频率，,分别调节时间常数1，2可得到不同的上下截至频率和带宽。,2.4.5 RC有源滤波器,RC无源滤波器都是低阶系统，过渡带衰减慢，因此选择性差，虽然串连可以提高阶次，但级间耦合的负载效应会使信号逐级减弱，采用有源滤波器就可克服这些缺点。它由RC无源滤波器和运算放大器等有源器件组成。 可放大信号， 因具有高输入阻抗可进行级间隔离，减小负载效应。,（1）一阶有源低通滤波器,ux:输入电压，uy:输出电压， u:放大器输入端电压， 忽略通过放大器的电流，对反相输入端，流经R1和RF的电流相等，所以,对同相输入端，流经R和C的电流相等，所以,两式相除，得输出输入关系：,得频率响应函数：,（a）RC低通网络接入放大器输入端,与无源滤波器相比，信号放大了,倍。,（b）RC高通网络接入放大器负反馈通道,与无源滤波器相比，信号放大了,倍。,(2)二阶有源滤波器,基尔霍夫定律,根据Y1到Y5取值及阻抗类型的不同组合，可以得到二阶低、高、带通及带阻滤波器，以二阶低通为例：,式中:,根据信号频率确定R1，C2，R3，R4，C5，便可以将此滤波器的电路设计出来。同理可以设计出二阶带通，带阻及高通滤波器。,滤波器串接越多，阶次越高，幅频特性越逼近理想特性，但相频特性非线性会增加。实际设计滤波器时，除考虑阶次外，还考虑通频带外幅频特性的波动情况和相频特性。,由案例提炼的典型实验：钢管无损探伤,滤除信号中的低频晃动和高频干扰,案例：机床轴心轨迹的滤波处理,案例：机床轴心轨迹的滤波处理,滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律,思考题：,1