第四章 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0 f2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f1 f2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f1 f2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 4RC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 5RC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