滤波器教案.ppt
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1、滤波器教案现在学习的是第1页,共55页 如何观测一个细小的昆虫的结构?如何观测一个细小的昆虫的结构?被测的量经过传感器变换后,已变为满足一定要求的电被测的量经过传感器变换后,已变为满足一定要求的电信号,但常常不能满足直接输出的要求。信号,但常常不能满足直接输出的要求。需利用一定的需利用一定的信号调理电路信号调理电路来对信号进行变换和处理。来对信号进行变换和处理。变换、处理后的信号,可由变换、处理后的信号,可由记录仪器记录仪器将其不失真地实时记将其不失真地实时记录、存贮下来,供观察研究、数据处理或信号再现。录、存贮下来,供观察研究、数据处理或信号再现。常见的有电桥转换常见的有电桥转换,信号放大信
2、号放大,硬件硬件滤波,滤波,ACDCACDC、VIVI、UFUF、调制、放大等。、调制、放大等。信号调理器部分仅介绍信号调理器部分仅介绍 ,其他如电荷放大器、,其他如电荷放大器、动态电阻应变仪将在后续章节中介绍。动态电阻应变仪将在后续章节中介绍。滤波器滤波器现在学习的是第2页,共55页7.1 滤波器滤波器 滤波器滤波器是一种选频装置,可使信号中特定的频是一种选频装置,可使信号中特定的频率成分通过,而率成分通过,而极大地衰减极大地衰减其它频率成分。在其它频率成分。在测试中利用滤波器的这种选频作用,可滤除干测试中利用滤波器的这种选频作用,可滤除干扰噪声或进行频谱分析。扰噪声或进行频谱分析。现在学习
3、的是第3页,共55页滤波器分类及定义滤波器分类及定义 根据滤波器的选频作用,一般分为根据滤波器的选频作用,一般分为低通低通、高通高通、带通带通、带阻滤带阻滤波器波器。处理信号的性质:数字、处理信号的性质:数字、模拟模拟(自动检测、自动控制、电子测量仪(自动检测、自动控制、电子测量仪器)器)是否含有有源器件:有源、无源是否含有有源器件:有源、无源何种逼近方法:巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔何种逼近方法:巴特沃斯、切比雪夫、贝塞尔电路特性:一阶、二阶电路特性:一阶、二阶 现在学习的是第4页,共55页低通滤波器低通滤波器 下图是低通滤波器,从下图是低通滤波器,从0-0-频率之间,幅频特性平直,它频率之间
4、,幅频特性平直,它可使信号中低于的可使信号中低于的频率成分几乎不受衰减地通过频率成分几乎不受衰减地通过,而高于,而高于 的的频率成分受到极大的衰减频率成分受到极大的衰减,通带通带阻带阻带截止频率截止频率现在学习的是第5页,共55页高通滤波器高通滤波器 与低通滤波器相反,从频率与低通滤波器相反,从频率 其幅频特性平直,其幅频特性平直,它使信号中高于它使信号中高于 的频率成分几乎不受衰减地通过,的频率成分几乎不受衰减地通过,而低于而低于 的频率成分将受到极大地衰减;的频率成分将受到极大地衰减;高通现在学习的是第6页,共55页带通滤波器带通滤波器 它的通频带在它的通频带在 之间,它使信号中高于之间,
5、它使信号中高于 而低于而低于 的频率成分可不受衰减地通过,而的频率成分可不受衰减地通过,而其它成分受到衰减;其它成分受到衰减;带通现在学习的是第7页,共55页带阻滤波器带阻滤波器带阻滤波器,特性与带通滤波器刚好相反。带阻滤波器,特性与带通滤波器刚好相反。带阻现在学习的是第8页,共55页说明:说明:在每种滤波器中,在通带与阻带之间都存在每种滤波器中,在通带与阻带之间都存在一在一过渡带过渡带,在此带内,信号受到不同程度,在此带内,信号受到不同程度的的衰减衰减,这个过渡带是实际滤波器不可避免,这个过渡带是实际滤波器不可避免的。的。滤波器滤波器现在学习的是第9页,共55页理想滤波器理想滤波器 理想滤波
6、器是一个理想化的模型,理想滤波器是一个理想化的模型,是一种物理不是一种物理不可实现的系统。可实现的系统。理想滤波器具有矩形幅度特性和线性相移特性。理想滤波器具有矩形幅度特性和线性相移特性。其其频率响应函数频率响应函数、幅频特性幅频特性、相频特性相频特性分别为分别为为何要为何要讨论?讨论?现在学习的是第10页,共55页特点:特点:这种理想低通滤波器,将信号中低于截止频率这种理想低通滤波器,将信号中低于截止频率 的频率成的频率成分予以传输,无任何失真;而将高于分予以传输,无任何失真;而将高于 的频率成分的频率成分完全衰减完全衰减掉掉。理想滤波器理想滤波器理想模型现在学习的是第11页,共55页实际滤
7、波器实际滤波器理想滤波器:理想滤波器:在通带内是一在通带内是一条直线。条直线。实际滤波器:实际滤波器:通带中幅频特性通带中幅频特性也并非常数,所以其主要参数也并非常数,所以其主要参数有有纹波幅度、截止频率、带纹波幅度、截止频率、带宽、品质因素以及倍频程选宽、品质因素以及倍频程选择性择性等。等。对比现在学习的是第12页,共55页实际滤波器的主要参数实际滤波器的主要参数纹波幅度纹波幅度d d 在一定的频率范围内,实际在一定的频率范围内,实际滤波器的幅频特性可能呈波纹滤波器的幅频特性可能呈波纹变化,其波动幅度变化,其波动幅度d d与幅频特与幅频特性的平均值相比,越小越好,性的平均值相比,越小越好,一
8、般应远小于一般应远小于3dB3dB,即,即现在学习的是第13页,共55页截止频率截止频率 幅频特性值等于幅频特性值等于 所对所对应的频率称为滤波器的截止频应的频率称为滤波器的截止频率。以率。以 为参考值,为参考值,对应对应于于 点,即相对于点,即相对于 衰衰减减 。若以信号的幅值平方表示信若以信号的幅值平方表示信号功率,则所对应点正好是半号功率,则所对应点正好是半功率点。功率点。实际滤波器的主要参数实际滤波器的主要参数现在学习的是第14页,共55页带宽带宽B B与品质因素与品质因素Q Q值值 上、下两截止频率之间的频上、下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽,或率范围称为滤波器带宽,或 带宽
9、,单位为带宽,单位为HzHz,带宽决定着滤,带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的波器分离信号中相邻频率成分的能力能力频率分辨力。频率分辨力。把中心频率把中心频率 和带宽和带宽B B之比称之比称为滤波器的品质因素为滤波器的品质因素Q Q,Q Q值值越大,表明滤波器分辨力越高。越大,表明滤波器分辨力越高。实际滤波器的主要参数实际滤波器的主要参数现在学习的是第15页,共55页倍频程选择性倍频程选择性W 在两截止频率外侧,实际滤波器有在两截止频率外侧,实际滤波器有一个过渡带,这个过渡带的幅频曲线一个过渡带,这个过渡带的幅频曲线倾斜程度表明了幅频特性衰减的快慢。倾斜程度表明了幅频特性衰减的快慢。它决
10、定着滤波器对带宽外频率成分衰它决定着滤波器对带宽外频率成分衰阻的能力,通常用阻的能力,通常用倍频程选择性倍频程选择性来表来表征。征。所谓倍频程选择性是指在上截止频率所谓倍频程选择性是指在上截止频率fC2与与2 fC2之间,或者在下截止频率之间,或者在下截止频率fC1与与fC1/2之间幅频特性的衰减,即频之间幅频特性的衰减,即频率变化一个倍频程时的衰减量。以率变化一个倍频程时的衰减量。以dB表示。显然,衰减越快,滤波器表示。显然,衰减越快,滤波器选择性越好。对于远离截止频率的选择性越好。对于远离截止频率的衰减率也可用衰减率也可用10倍频程衰减数表示倍频程衰减数表示之。之。实际滤波器的主要参数实际
11、滤波器的主要参数现在学习的是第16页,共55页实际滤波器的主要参数实际滤波器的主要参数滤波器因素(或矩形系数)滤波器因素(或矩形系数)滤波器选择性的另一种表示方法,是滤波器选择性的另一种表示方法,是用滤波器幅频特性的用滤波器幅频特性的-60dB-60dB带宽与带宽与-3dB-3dB带带宽的比值宽的比值 来表示。来表示。理想滤波器理想滤波器=1=1,通常使用的滤波器,通常使用的滤波器=(1-5)=(1-5)。有些滤波器因器件影响(如电。有些滤波器因器件影响(如电容漏阻等),阻带衰减倍数达不到容漏阻等),阻带衰减倍数达不到-60dB-60dB,则以标明的衰减倍数(如,则以标明的衰减倍数(如-40d
12、B-40dB或或-30dB30dB)带宽与)带宽与-3dB-3dB带宽之比来表示其选带宽之比来表示其选择性。择性。现在学习的是第17页,共55页2RC调谐式滤波器的基本特性调谐式滤波器的基本特性在测试系统中,常用在测试系统中,常用RCRC滤波器滤波器。因为在这一领域。因为在这一领域中,信号频率相对讲是不高的,而中,信号频率相对讲是不高的,而RCRC滤波电路简单,滤波电路简单,抗干扰性强,有较好的低频性能,且易通过标准阻抗干扰性强,有较好的低频性能,且易通过标准阻容元件来实现。容元件来实现。现在学习的是第18页,共55页 R Ce xe y0f1A(f)-900-4500f图7-5 RC低通滤波
13、器及其幅频、相频特性(f)现在学习的是第19页,共55页CRex图7-6 RC高通滤波器及其幅频、相频特性9004500 f0 f1A(f)(f)ey现在学习的是第20页,共55页R2e xe yC2C1R1Y(S)X(s)H1(s)H2(s)C1(f)图7-7 RC带通滤波器及其幅频、相频特性0 fA(f)-4504500 f1现在学习的是第21页,共55页3可实现的典型滤波网络函数可实现的典型滤波网络函数实用中的滤波器,在通频带内不平坦;在过渡部实用中的滤波器,在通频带内不平坦;在过渡部分不陡直;阻带部分不为零。而滤波器的设计是分不陡直;阻带部分不为零。而滤波器的设计是在一定限度内进行逼近
14、的。在一定限度内进行逼近的。“最佳逼近特性最佳逼近特性”的的标准是根据滤波器的不同应用要求而定出的。如标准是根据滤波器的不同应用要求而定出的。如可只考虑幅频特性,而不考虑相频特性,如巴特可只考虑幅频特性,而不考虑相频特性,如巴特沃斯、切比雪夫滤波器等,也可以提出相频特性沃斯、切比雪夫滤波器等,也可以提出相频特性而不关心幅频特性,如贝塞尔滤波器等。而不关心幅频特性,如贝塞尔滤波器等。现在学习的是第22页,共55页 信号调制的类型,一般正(余)弦调制可分为信号调制的类型,一般正(余)弦调制可分为幅度调幅度调制制、频率调制频率调制、相位调制相位调制三种,简称为三种,简称为调幅调幅、调频调频、调调相相
15、。本节讨论幅度调制及其解调。本节讨论幅度调制及其解调。调幅解调调幅解调现在学习的是第23页,共55页调幅与解调原理调幅与解调原理调幅:调幅:是将一个高频正弦信号(载波)与测试信号是将一个高频正弦信号(载波)与测试信号相乘,使载波信号幅值随测试信号的变化而变化,相乘,使载波信号幅值随测试信号的变化而变化,现以频率为的余弦信号作为载波进行讨论。现以频率为的余弦信号作为载波进行讨论。由傅里叶变换的性质知,时域中两信号相乘,则对应由傅里叶变换的性质知,时域中两信号相乘,则对应在频域这两个信号进行卷积,即在频域这两个信号进行卷积,即 现在学习的是第24页,共55页 一个函数与单位脉冲函数卷积的结果,就是
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