第四章 信号调理2(滤波) 090414.pptVIP

华中科技大学机械学院 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。 - fc H(f) f φ(f) -fc -fc fc A0 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。 fc H(f) 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。 0 f 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 。 0 f fc1 fc2 A0 0.707A0 d B Q=W0 / B 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 可以看作为高通滤波器和低通滤波器的串联 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τ1，τ2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 R1 R RF ux uy C u 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 R1 RF ux uy C 与无源滤波器相比，信号