有源滤波与惯性滤波方法的综合应用
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２Ｏ 年 第 ３期 （ Ｏ７ 总第 ３ 期 ８
邵 强 ，等 ：有 源 滤波 与惯 性滤 波 方 法 的 综 合 应 用
５ １ 月 ５日出版
有源滤波与惯性滤波方法的综合应用
邵 强 艾 莹
（ 大连 民族 学 院 ，辽 宁 大连
摘
１６０ ） １６５
要：针对无源滤波 、有源滤波方法对 噪声信号去 除能力 的不足 ，提 出一种新 的有源滤 波和惯性滤
波相结合 的滤波方法 ．分析了 由电器元 件组成 的无源 Ｒ Ｃ滤波器 和有源 Ｒ Ｃ滤波 器 ；阐述 了惯 性滤波
的方法及其 函数 ，进行 了对污染信号的仿真实验 ， 将无源 Ｒ 滤 波、有源 Ｒ 滤波及有源 Ｒ Ｃ Ｃ Ｃ滤波与惯
Ｍａ ，２ Ｏ ｙ Ｏ７
Ｒ Ｃ网络实现滤波作用 ， 运算放大器用于隔离负载 影 响 ， 高增益 和带负 载能力 ． 提
入 口
２ 惯性低通数字滤波方法
采用 上述方 法对 信 号 进 行初 级 滤 波 ， 同时 隔 离 负载 的影响 ， 由于采集 到 的信号 一般都是 微 弱 、
匝 匦 甄
作者简介 ：邵强 （９２一） １７ ，男 ，吉林 梨树人 ，大连 民族学 院机电信息工程学 院讲师 ．研究方 向：机电测试 ．
・
４５ ・
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Hale Waihona Puke Ｊ Ｕ Ｎ ＬＯ Ａ ＩＮＮ ＴＯ Ａ ＩＩＳＵ ＩＥ ＳＴ Ｏ Ｒ Ａ ＦＤ ＬＡ Ａ ＩＮ ＬＴＥ ＮＶ Ｒ ＩＹ
Ｕ ： ｉ ＋ Ｕ ： ＲＣ ｉ Ｏ ｄｏ ｕ
＋ 。
图 ３ 滤波程序流程 图
３ 结合滤波方法的效果验证
为了验证有源滤波和惯性低通数字滤波在信 号处理 中的效果 ， 事先设置一个无干扰的信号， 之 后对其进行噪声污染 ， 再分别采用无源滤波 、 有源 滤波 和有源 滤波 与惯性低 通数字 滤波 两种方 法结 合 的形 式对被 噪 声 污染 的信 号进 行 处 理 ， 得到 不 同的处 理结果 ， 图 ４～８ 如 所示 ．
性滤波结合 的方法进行了 比较 ．结果表 明 ，有源 Ｒ Ｃ滤 波与惯性滤波结 合的滤波方法 明显优于前 两种
滤波方法 ， 而且结构简单 ， 操作方便 ， 效果较好 ， 并降低 了算法复杂度 ，达到 比较理想的滤波效果 ．
关键词 ：无源滤波 ；有源滤波 ；惯性滤波 中图分类号 ：Ｉ，０ Ｖ ２ ６ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１０ —３５ （０７ ３ ０５ ３ ０９ １Ｘ ２０ ）０ —０４ —０
，
＼ ｊ ／
１ 低通滤波方法
图 ２ 有 源 滤 波 电路
消除干扰过程通常是设计低通滤波器， 通过 门 阈值滤除高频信号． 低通滤波器分为无源低通滤波
收 稿 日期 ：２Ｏ ～１ —１ ． Ｏ６ １ ９
将简单的 Ｒ 低通滤波器接到运算放大器的 ｃ 同相输入端而构成 的一 阶有源低通滤波器 ， 中 其
振动 检 测 实 验 是 工 程 中 常 见 的 一 种 检 测 方
和有源低通滤波 ．
式， 很多情况下 ， 通过对某装置的振动检测来获取 （） 源低通 滤波 ． １无 无源滤 波 电路如 图 １ 所示 ． 该装置的工作特性， 以便我们改进和利用 ． 在振动 无源 Ｒ 滤波器主要作为一阶滤波器使用， Ｃ 电路简 检测 中， 信号数 据处理是必不可少的一个组成部 单， 抗干扰能力强， 但缺点是频率选择性差． 若将 Ｒ Ｃ 分， 但一般的检测都 只是采用传感器把振动信号 串 联起来， 虽然可提高阶次， 但受级间耦合的影响， 提取 出来 ， 加以简单的数据分析（ Ｆ Ｔ 图象绘 效果也较差 ． 如 Ｆ、 为此， 考虑到使用有源低通滤波器 ． 制、 数据记录等）特别是在经济条件受限、 ， 实验设 备 比较简 陋 的情 况下 经 常 采用 这 种 办 法 ． 样 的 这 数据分析有很多弊端 ， 如分析方法简单、 图象绘制 不细致、 分析结果不准确 ， 可能给实验结果造成错 误 的结论 和判 断 ， 响整体 测试效 果 和数据分 析 ， 影 甚 至影 响到后 续工作 ． 图 １ 无 源 滤 波 电路 在实际工程 中， 有用信号通常表现为低频部 （） 源低通 滤 波 ． ２有 有源 滤 波器 由 Ｒ Ｃ网络 和 分或是一些比较平稳 的信号 ， 而干扰信号通 常有 高频信号 ， 也有个别低频部分的信号ｕ ， ｊ所以消除 运算放大器组成 ， 中运算放大器即可以起到间 其 隔作用 ， 又可以起到对信号的放大作用 ， Ｒ 而 Ｃ网 干扰时需要对高频和个别低频信号都进行消除 ， 方能达到理想效果 ． 在简单的测试中， 去除干扰信 络则通常作为运算放大器的负反馈 网络 ． 有源滤 号的方法只是通过低通滤波器对干扰信号进行消 波 电路如 图 ２ 所示 除， 这样的装置结构简单 ， 便于携带、 安装与测量 ， 但是这种方法对低频干扰信号却难于处理 ． 本文 介绍了对低频和高频干扰分别进行消除的物理和 数学方法 ， 大大提高了信噪比， 不增加物理装置 ， 也不提高成本 ， 有很高的实用价值．
’
低功率电信 号， 不但有 高频干扰 ， 也存 在低频干 扰， 上述方法虽然可以理想地处理信号 中的高频 干扰 ， 是 对低 频 干扰 便 显得 无 能 为力 了 ． 但 而且 ， 时间常数 ｒ 越大 ， 必然要求 Ｒ 值越大， 大时间常数 及高精度的 Ｒ Ｃ网络不易制作 ， 漏电流也随之 且 增大 ， 对于微弱的采集信号还存在能量损耗 问题 ． 为此 ， 在采用 了有 源低通滤波器作为数据处理的 硬件结构之后 ， 在软件处理方 面再使用惯性滤波 法． 因为惯性 滤波 法 能 够很 好 地 消 除周 期 性 低频 干扰 ， 使信号得到更加有效的处理 ． 低 通滤 波 电路 的微分 方程 式 ＿为 ２
２Ｏ 年 第 ３期 （ Ｏ７ 总第 ３ 期 ８
邵 强 ，等 ：有 源 滤波 与惯 性滤 波 方 法 的 综 合 应 用
５ １ 月 ５日出版
有源滤波与惯性滤波方法的综合应用
邵 强 艾 莹
（ 大连 民族 学 院 ，辽 宁 大连
摘
１６０ ） １６５
要：针对无源滤波 、有源滤波方法对 噪声信号去 除能力 的不足 ，提 出一种新 的有源滤 波和惯性滤
波相结合 的滤波方法 ．分析了 由电器元 件组成 的无源 Ｒ Ｃ滤波器 和有源 Ｒ Ｃ滤波 器 ；阐述 了惯 性滤波
的方法及其 函数 ，进行 了对污染信号的仿真实验 ， 将无源 Ｒ 滤 波、有源 Ｒ 滤波及有源 Ｒ Ｃ Ｃ Ｃ滤波与惯
Ｍａ ，２ Ｏ ｙ Ｏ７
Ｒ Ｃ网络实现滤波作用 ， 运算放大器用于隔离负载 影 响 ， 高增益 和带负 载能力 ． 提
入 口
２ 惯性低通数字滤波方法
采用 上述方 法对 信 号 进 行初 级 滤 波 ， 同时 隔 离 负载 的影响 ， 由于采集 到 的信号 一般都是 微 弱 、
匝 匦 甄
作者简介 ：邵强 （９２一） １７ ，男 ，吉林 梨树人 ，大连 民族学 院机电信息工程学 院讲师 ．研究方 向：机电测试 ．
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Hale Waihona Puke Ｊ Ｕ Ｎ ＬＯ Ａ ＩＮＮ ＴＯ Ａ ＩＩＳＵ ＩＥ ＳＴ Ｏ Ｒ Ａ ＦＤ ＬＡ Ａ ＩＮ ＬＴＥ ＮＶ Ｒ ＩＹ
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图 ３ 滤波程序流程 图
３ 结合滤波方法的效果验证
为了验证有源滤波和惯性低通数字滤波在信 号处理 中的效果 ， 事先设置一个无干扰的信号， 之 后对其进行噪声污染 ， 再分别采用无源滤波 、 有源 滤波 和有源 滤波 与惯性低 通数字 滤波 两种方 法结 合 的形 式对被 噪 声 污染 的信 号进 行 处 理 ， 得到 不 同的处 理结果 ， 图 ４～８ 如 所示 ．
性滤波结合 的方法进行了 比较 ．结果表 明 ，有源 Ｒ Ｃ滤 波与惯性滤波结 合的滤波方法 明显优于前 两种
滤波方法 ， 而且结构简单 ， 操作方便 ， 效果较好 ， 并降低 了算法复杂度 ，达到 比较理想的滤波效果 ．
关键词 ：无源滤波 ；有源滤波 ；惯性滤波 中图分类号 ：Ｉ，０ Ｖ ２ ６ 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１０ —３５ （０７ ３ ０５ ３ ０９ １Ｘ ２０ ）０ —０４ —０
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１ 低通滤波方法
图 ２ 有 源 滤 波 电路
消除干扰过程通常是设计低通滤波器， 通过 门 阈值滤除高频信号． 低通滤波器分为无源低通滤波
收 稿 日期 ：２Ｏ ～１ —１ ． Ｏ６ １ ９
将简单的 Ｒ 低通滤波器接到运算放大器的 ｃ 同相输入端而构成 的一 阶有源低通滤波器 ， 中 其
振动 检 测 实 验 是 工 程 中 常 见 的 一 种 检 测 方
和有源低通滤波 ．
式， 很多情况下 ， 通过对某装置的振动检测来获取 （） 源低通 滤波 ． １无 无源滤 波 电路如 图 １ 所示 ． 该装置的工作特性， 以便我们改进和利用 ． 在振动 无源 Ｒ 滤波器主要作为一阶滤波器使用， Ｃ 电路简 检测 中， 信号数 据处理是必不可少的一个组成部 单， 抗干扰能力强， 但缺点是频率选择性差． 若将 Ｒ Ｃ 分， 但一般的检测都 只是采用传感器把振动信号 串 联起来， 虽然可提高阶次， 但受级间耦合的影响， 提取 出来 ， 加以简单的数据分析（ Ｆ Ｔ 图象绘 效果也较差 ． 如 Ｆ、 为此， 考虑到使用有源低通滤波器 ． 制、 数据记录等）特别是在经济条件受限、 ， 实验设 备 比较简 陋 的情 况下 经 常 采用 这 种 办 法 ． 样 的 这 数据分析有很多弊端 ， 如分析方法简单、 图象绘制 不细致、 分析结果不准确 ， 可能给实验结果造成错 误 的结论 和判 断 ， 响整体 测试效 果 和数据分 析 ， 影 甚 至影 响到后 续工作 ． 图 １ 无 源 滤 波 电路 在实际工程 中， 有用信号通常表现为低频部 （） 源低通 滤 波 ． ２有 有源 滤 波器 由 Ｒ Ｃ网络 和 分或是一些比较平稳 的信号 ， 而干扰信号通 常有 高频信号 ， 也有个别低频部分的信号ｕ ， ｊ所以消除 运算放大器组成 ， 中运算放大器即可以起到间 其 隔作用 ， 又可以起到对信号的放大作用 ， Ｒ 而 Ｃ网 干扰时需要对高频和个别低频信号都进行消除 ， 方能达到理想效果 ． 在简单的测试中， 去除干扰信 络则通常作为运算放大器的负反馈 网络 ． 有源滤 号的方法只是通过低通滤波器对干扰信号进行消 波 电路如 图 ２ 所示 除， 这样的装置结构简单 ， 便于携带、 安装与测量 ， 但是这种方法对低频干扰信号却难于处理 ． 本文 介绍了对低频和高频干扰分别进行消除的物理和 数学方法 ， 大大提高了信噪比， 不增加物理装置 ， 也不提高成本 ， 有很高的实用价值．
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低功率电信 号， 不但有 高频干扰 ， 也存 在低频干 扰， 上述方法虽然可以理想地处理信号 中的高频 干扰 ， 是 对低 频 干扰 便 显得 无 能 为力 了 ． 但 而且 ， 时间常数 ｒ 越大 ， 必然要求 Ｒ 值越大， 大时间常数 及高精度的 Ｒ Ｃ网络不易制作 ， 漏电流也随之 且 增大 ， 对于微弱的采集信号还存在能量损耗 问题 ． 为此 ， 在采用 了有 源低通滤波器作为数据处理的 硬件结构之后 ， 在软件处理方 面再使用惯性滤波 法． 因为惯性 滤波 法 能 够很 好 地 消 除周 期 性 低频 干扰 ， 使信号得到更加有效的处理 ． 低 通滤 波 电路 的微分 方程 式 ＿为 ２