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1、华中科技大学机械学院 p1工程测试技术本章学习要点：第4章 模拟信号处理1. 掌握模拟信号放大原理 2. 掌握电桥原理及基本特性 3. 掌握信号调制及解调原理4. 掌握理想滤波器模型及特性5. 了解实际滤波器基本参数华中科技大学机械学院 p2上讲内容1. 信号调理的目的和内容2. 信号放大原理3. 电桥原理和基本特性 4. 幅度调制及解调原理1. 频率调制及解调原理2. 理想滤波器模型3. 实际滤波器基本参数4. RC无源滤波器特性本讲内容第4章 模拟信号处理华中科技大学机械学院 p3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
2、幅值而变化的疏密度不同的等幅波。 第4章 模拟信号处理华中科技大学机械学院 p4鉴频：T1T2T3T4F4.4 调制华中科技大学机械学院 p5优点：改善了信噪比，抗干扰能力强。调频波通常要求很宽的频带，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 调制华中科技大学机械学院 p6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
3、数。载波频率应是一个“随时间而变化的频率”。4.4 调制华中科技大学机械学院 p7频率调制的实现角频率w0x(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 调制华中科技大学机械学院 p8案例：旋转机械扭距测量4.4 调制华中科技大学机械学院 p9遥测电路4.4 调制华中科技大学机械学院 p101. 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.
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 调制华中科技大学机械学院 p11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 模拟信号处理华中科技大学机械学院 p124.5 滤波华中科技大学机械学院 p13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 滤波华中科技
5、大学机械学院 p14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 滤波华中科技大学机械学院 p15带通带阻4.5 滤波华中科技大学机械学院 p16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华中科技大学机械学院 p17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。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
6、的频率成分则完全衰减掉。fc为截止频率华中科技大学机械学院 p18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 滤波华中科技大学机械学院 p19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时刻华中科技大学机械学院 p20滤波器输入：单位阶跃滤波器输出：该输入与脉冲响应函数的卷积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 滤波华中科技大学机械
7、学院 p21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为带宽华中科技大学机械学院 p224.4.3 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 滤波华中科技大学机械学院 p23截止频率fc： 幅频特性值等于0.707A0所
8、对应的频率。-3dB1) 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 滤波华中科技大学机械学院 p24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。-3dB2) 纹波幅度 d4.5 滤波华中科技大学机械学院 p253) 带宽B和品质因数QB = fc2 - fc1f0 = (fc1+fc2) / 2Q = f0 / B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。 带宽决定着滤波器分离信号中相
9、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504.5 滤波华中科技大学机械学院 p264) 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 滤波华中科技大学机械学院 p275) 滤波器因数（或矩形系数）理想滤波器=1，常用滤波器=
10、 (15)。定义为滤波器幅频特性的-60dB 带宽与-3dB 带宽的比值。-3dB, A = 0.707A0 -60dB, A = A0/10004.5 滤波华中科技大学机械学院 p28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 滤波华中科技大学机械学院 p29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 4.4.4 RC无源滤波器R=1
11、0kC=5nFfc=3185kHz4.5 滤波华中科技大学机械学院 p304.5 滤波微分环节华中科技大学机械学院 p312) 一阶RC高通滤波器 4.5 滤波积分环节华中科技大学机械学院 p323) RC带通滤波器 可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联 4.5 滤波华中科技大学机械学院 p33有源产品LineDa: LTC1564MAXIM: MAX74xx4.5 滤波华中科技大学机械学院 p344.5 滤波华中科技大学机械学院 p354.4.5 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
12、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 滤波华中科技大学机械学院 p36案例：旅游索道钢缆检测4.5 滤波超门限报警 华中科技大学机械学院 p37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194.5 滤波高通滤波！华中科技大学机械学院 p38案例：机床轴心轨迹的滤波处理 204.5 滤波华中科技大学机械学院 p39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214.5 滤波低通滤波！华中科技大学机械学院 p40动手做： 调节计算机mp3播放器等 软件中的声音均衡器，试 验其对音乐信号的滤波情 况。224.5 滤波
