1、华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p1工程测试技术工程测试技术主讲教师：来五星博士、副教授李锡文博士、教授实验教师：黄弢高级工程师办公电话： 87557415 87559004移动电话：13349831325, 18971072799电子邮件： 办公地址：新大楼东楼B305 新大楼东楼C306华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p2工程测试技术工程测试技术课件资料下载：课件资料下载：邮箱地址：邮箱地址： “机械工程测试机械工程测试”每个字拼音的第一个字母每个字拼音的第一个字母 密码：密码：111111注意下载时不要删除原始文件注意下载时不要删除原始文件 华中科技大学机械学院华中科
2、技大学机械学院 p3工程测试技术工程测试技术本章学习要点：本章学习要点：第第4章模拟信号处理章模拟信号处理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华中科技大学机械学院 p4上讲内容上讲内容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本讲内容第第4章模拟信号处理章模拟信号处理华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p5频率调制
3、（调频）是利用信号x(t)的幅值调制载波的频率。)(2cos()(00ttxfAty4.4.2 频率调制频率调制调频波是一种随信号x(t)的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波。第第4章模拟信号处理章模拟信号处理华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p6鉴频：鉴频：T1T2T3T4F4.4 调制调制华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p7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
4、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 调制调制华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p8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数。载波频率应是一个“随时间而变化的频率”。)(2cos()(00ttxfAty4.4 调制调制华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p9频率调制的实现角频率ddt01( )dx tdtw0 x(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。cos)(Aty载波信号相位角
5、调制频率载波中心频率00( )tx t dt调制信号4.4 调制调制0t华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p10案例：案例：旋转机械扭距测量旋转机械扭距测量4.4 调制调制华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p11遥测电路遥测电路4.4 调制调制华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p121. 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. 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：案例：旋转探头检测中的红外无线
6、信号传输旋转探头检测中的红外无线信号传输4.4 调制调制华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p13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 滤波滤波第第4章模拟信号处理章模拟信号处理华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p144.5 滤波滤波华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p15滤波器的传递特性滤波器的传递特性 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。)()()(fXfHfYx(t)h(t) y(t)X(f)H(f) Y(f)4.5
7、 滤波滤波)(*)()(txthty华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p16低通低通高通高通4.5.1 滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）4.5 滤波滤波华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p17带通带通带阻带阻4.5 滤波滤波华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p18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。滤波器的串滤波器的串/并联并联)()()(21fHfHfH4.5 滤波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)()()(21fHfH
8、fH华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p19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 理想滤波器理想滤波器4.5 滤波滤波0200( ),( )0,jfccH fA eAfffH felse 0( )2ff 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华中科技大学机械学院 p200222000( )( )2sin 2()jfjftjftcch tH f edfAeedfA fcf t 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
9、应理想滤波器的脉冲响应020)(fjeAfH4.5 滤波滤波华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p21理想滤波器的物理不可实现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 滤波滤波t=0时刻t=0时刻华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p22滤波器输入：单位阶跃10( )1/2000tu ttt滤波器输出：该输入与脉冲响应函数的卷积0sin yxsi ydxxsiy表示正弦积分表示正弦积分理想滤波器的阶
10、跃响应理想滤波器的阶跃响应 u(t)h(t) yu(t)4.5 滤波滤波华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p23 理想滤波器的阶跃响应理想滤波器的阶跃响应005 . 0)(,Atytu0009. 1)(,21Atyftuc0为相时延d=1/fc为上升时间0009. 0)(,21Atyftuc4.5 滤波滤波B=fc=1/d为带宽华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p244.4.3 实际滤波器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
11、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 滤波滤波华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p25截止频率fc： 幅频特性值等于0.707A0所对应的频率。-3dB1) 截止频率截止频率 fc截止频率截止频率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 滤波滤波00lg10lg20dB1PPAAdB33 . 0102lg1021lg20华中科技大学机械学院华中科
12、技大学机械学院 p26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。2/0Ad -3dB2) 纹波幅度纹波幅度 d4.5 滤波滤波华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p273) 带宽带宽B和品质因数和品质因数Q B = fc2 - fc1 Q = f0 / B f0 = (fc1+fc2) / 2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
13、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 滤波滤波华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p284) 倍频程选择性倍频程选择性W)()2(lg20)()2(lg201122ccccfAfAWfAfAW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 滤波滤波华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p295) 滤波器因数（或矩形系数）滤波器因数（或矩形系数）dB3dB60BB理想
14、滤波器=1，常用滤波器= (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 滤波滤波华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p30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恒带宽比带通滤波器 1) 恒带宽带通滤波器恒带宽带通滤波器 恒带宽滤波器和恒带宽比滤波器恒带宽滤波器和恒带宽比滤波器4.5 滤波滤波华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p31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
15、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) 一阶一阶RC低通滤波器低通滤波器 4.4.4RC无源滤波器无源滤波器 R=10k C=5nF fc=3185kHz4.5 滤波滤波华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p324.5 滤波滤波微分环节微分环节华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p332) 一阶一阶RC高通滤波器高通滤波器 4.5 滤波滤波积分环节积分环节华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p343) RC带通滤波器带通滤波器 可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联 4.5 滤波滤波华中科技大学机械学院华
16、中科技大学机械学院 p35有源产品有源产品LineDa: LTC1564MAXIM: MAX74xx4.5 滤波滤波华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p36 4.5 滤波滤波华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p374.4.5 滤波器的应用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 滤波滤波华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p38案例：案例：旅游索道钢缆检测旅游索道钢缆检测4.5 滤
17、波滤波超门限报警超门限报警 华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p39由案例提炼的典型实验：由案例提炼的典型实验：钢管无损探伤钢管无损探伤滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警194.5 滤波滤波高通滤波！高通滤波！华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p40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 204.5 滤波滤波华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p41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 滤波滤波低通滤波！低通滤波！华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p42动手做：动手做：调节计算机调节计算机mp3播放器等播放器等软件中的声音均衡器，试软件中的声音均衡器，试验其对音乐信号的滤波情验其对音乐信号的滤波情况。况。224.5 滤波滤波华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院 p43作业：作业： 2008年12月10日上交 P188 第4章第6题 P189 第4章第10题 P188 第4章第3题 P188 第4章第9题上讲习题上讲习题本讲习题本讲习题第第4章模拟信号处理章模拟信号处理
