第4章　机械信号的预处理.ppt

机械信号处理与应用Mechanical Signal Processing(MSP) 教师：郝旺身 TelE_mail:hws@zzu.edu.cn 4.1　信号的放大 　　4.1.1　运算放大器 　　4.1.2　测量放大器 　　4.1.3　电荷放大器 4.2　信号的滤波 　　 4.2.1　理想模拟滤波器 　　4.2.2　实际模拟滤波器及其基本参数 　　4.2.3　模拟滤波器的设计 根据信号的不同特性，消除或减弱干扰噪声，提取有用信号的过程称为滤波，而把实现滤波功能的系统称之为滤波器。经典滤波器是一种具有选频特性的电路，当噪声和有用信号处于不同的频带时，噪声通过滤波器将被极大地衰减或消除，而有用信号得以保留。 　　4.2.1　理想模拟滤波器 从理想滤波器得出的概念对实际滤波器都有普遍意义；而另一方面，我们也可以利用一些方法来改善实际滤波器的特性，从而达到逼近理想滤波器的目的。理想模拟滤波器的幅频特性曲线如图所示。 4.2.2　实际模拟滤波器及其基本参数 理想的滤波器是物理不可实现的系统，工程上用的滤波器都不是理想滤波器。但是按照一定规则构成的实际滤波器，如Butterworth 滤波器、Chebyshev 滤波器和椭圆滤波器等，其幅频特性可以逼近于理想滤波器的幅频特性。 滤波器的参数除了截止频率外，还有波纹幅度、带宽、品质因数和倍频程选择性等，它们共同决定了模拟滤波器的特性曲线。 4)品质因数Q 在二阶振荡环节中,品质因数相当于谐振点的幅值增益系数即Q = 1 /2ξ (ξ为阻尼比).对于带通滤波器通常把中心频率0 f 和带宽B 之比称为滤波器的品质因数. 5)倍频程选择性 在两截止频率的外侧,实际滤波器有一个过渡带,这个过渡带的幅频特性曲线倾斜程度反映了幅频特性衰减的快慢,它决定着滤波器对带宽外频率成分衰减的能力,通常用倍频程选择性表征.倍频程选择性,就是上截止频率 f c2和 2f c2之间,或者是下截止频率 f c1和f c1 /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,以dB 表示.衰减越快,滤波器选择性越好.而对于远离截止频率的衰减性可以用10 倍频程衰减数来表示. 4.2.3　模拟滤波器的设计 1. 巴特沃思滤波器 巴特沃思滤波器是常用的模拟滤波器.对于N 阶的巴特沃思滤波器的平方振幅函数可写成: 例 设计一巴特沃思滤波器,要求通带的波动为1dB,通带边频为0.1Hz ,阻带边频为0.15Hz ,阻带的衰减为15dB. 4.3　信号的调制与解调 　　4.3.1　幅度调制 　　4.3.2　频率调制 4.4　信号的数字化方法 4.4.1　采样、混频和采样定理 4.4.2　量化和量化误差 4.4.3　截断、泄漏和窗函数 4.4.4　选择模数转换模块的基本技术指标 4.5　Matlab编程实验 4.5.1　模拟滤波器设计 4.5.2　振幅调制信号的产生 4.4.2　量化和量化误差 4.4.4　选择模数转换模块的基本技术指标 * * 第4章　机械信号的预处理 　　4.1　信号的放大 　　4.2　信号的滤波 　　4.3　信号的调制与解调 　　4.4　信号的数字化方法 　　4.5　Matlab编程实验　 信号的预处理就是对测量信号进行某种量值变换去除测量信号中由电压漂移高频干扰或非平稳的趋势等项产生的误差因素并将其转换为计算机系统能够接收的数据形式例如实际测量中传感器输出的信号可能是电阻信号电容信号电流信号微弱电压信号等这些信号在使用前往往需要进行转换放大滤波如将电阻电容电流信号转换成标准的电压信号频率信号。 信号预处理包括以下几个方面： （1）电压幅值处理 （2）过滤高频噪声 （3）直流分量隔除 （4）信号类型转换 （5）信号解调 幅频特性的通带 和阻带的范围 低通 高通 带通 带阻 全通 处理信号的性质 模拟滤波器 数字滤波器 1)波纹幅度d 在一定的频率 范围内，实际滤波器的幅频特性 可能会出现波纹状变化，其波动 幅度d 与幅频特性平均值A 的比 值越小越好，一般情况下应远小于 -3dB，也就是说要有 20 lg ( d A ) - 3dB 即d A / sqrt(2). 2)截止频率 幅频特性值等于A / sqrt(2) 所对应的频率称为滤波器的截止频率,若以信号幅值的平方表示信号功率,则该点正好是半功率点. 3)带宽B 上下截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽,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,即频率分辨率. 对于N 阶的巴特沃思滤波器,平方振幅在Ω = 0 时有2N ?1阶的导数为0. 从而使巴特沃思滤波器有最大的平坦响应特性.随着