信号的滤波
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
A(t ) V0 (t ) Vi (t ) A( s ) V0 ( s ) Vi ( s )
在频域内,
Vi(s)
滤波电路
V0(s)
------传递函数
燕山大学机械学院
滤波器的特点
LC无源滤波器
RC无源滤波器 RC有源滤波器 由特殊元件构成的无源滤波
ห้องสมุดไป่ตู้
燕山大学机械学院
LC无源滤波器
滤波器由电感L和电容C组成的无源电抗 网络。 优点：损耗小、噪声低、灵敏度低，有 良好的频率选择特性。 缺点:是电感元件体积大，品质因数低， 不便于小型化和集成化，因而较少应用。
燕山大学机械学院
RC无源滤波器
组成：滤波器由电阻R和电容C组成。 特点：
优点
电路简单，成本低，相对LC无源滤波器来说， 少了电感，易于集成。
燕山大学机械学院
由特殊元件构成的无源滤波器
这类滤波器主要有压电陶瓷滤波器、晶体滤波器和声表面 波滤波器等。 这些滤波利用特殊元件通过电能与机械能、分子振动能之 间的相互转换，并利用器件的固有谐振频率实现频率的选 择。 特点： 优点：这类滤波器多用于对某单一频率的带通或带 阻滤波，其品质因素高，稳定性也很高。
燕山大学机械学院
燕山大学机械学院
2、带宽
带通或带阻滤波器的带宽定义为：
B fC 2 fC1
用角频率表示：
C 2 C1
燕山大学机械学院
3、增益与衰减
对于低通滤波器，通带增益一般是指频率＝0处的增 益；
对于高通滤波器，通带增益一般是指频率时的增 益； 对于带通滤波器，通带增益一般是指中心频率处的增 益； 对于带阻滤波器，则给出的是阻带衰减，通常定义为 通带与阻带中心频率处增益之差。
燕山大学机械学院
RC有源滤波器
有源滤波电路: 用工作在线性区的集成运放 和RC网络 组成,实际 上是一种具有特定频率响应的放大器。
燕山大学机械学院
1.电路构成
组成：简单RC滤波器同相放大器 特点：│Avp │ >0，带负载能力强
缺点：阻带衰减太慢，选择性较差
燕山大学机械学院
2.性能分析 有源滤波电路的分析方法: (1).电路图
燕山大学机械学院
(2) 高通滤波器( HPF )
燕山大学机械学院
(3) 带通滤波器(BPF )
燕山大学机械学院
(4) 带阻滤波器(BEF )
燕山大学机械学院
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。
燕山大学机械学院
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。
燕山大学机械学院
二.信号滤波的概念
通过滤波器选频装置，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． 滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例如，有一个较 低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。滤波 过程如图所示。
燕山大学机械学院
滤波器概述
滤波器是一种对信号有处理作用的器件或电路。 主要作用是：让有用信号尽可能无衰减的通过， 对无用信号尽可能大的衰减。 滤波器一般有两个端口，一个输入信号、一个 输出信号 利用这个特性可以将通过滤波器的一个方波群 或复合噪波，而得到一个特定频率的正弦波。
燕山大学机械学院
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
燕山大学机械学院
2) 一阶RC高通滤波器
3) RC带通滤波器
可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联
缺点：但由于其品种系列有限，调整不便，仅能用 于少数几个频点。
燕山大学机械学院
滤波器的主要特性指标
特征频率
带宽 增益与衰减 阻尼系数与品质因素 灵敏度
燕山大学机械学院
1、特征频率
通带截止频率：ƒP=P/（2）
阻带截止频率：ƒr=r/（2） 转折频率：ƒc=c/（2） 中心频率（谐振频率）：ƒ0=0/（2）
d d
燕山大学机械学院
四、 滤波器的应用 案例：旅游索道钢缆检测
超门限报警
5.3 信号的滤波
燕山大学机械学院
由案例提炼的典型实验：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
5.3 信号的滤波 案例：机床轴心轨迹的滤波处理
燕山大学机械学院
5.3 信号的滤波
案例：机床轴心轨迹的滤波处理
燕山大学机械学院
实验 滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律
燕山大学机械学院
燕山大学机械学院
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。
波 形
给理想滤波器一个脉冲激励，从图中可以看出，在t=0时 刻单位脉冲输入滤波器之前，即在t＜0时，滤波器就已 经有响应了。故物理不可实现。
燕山大学机械学院
实际滤波器 理想滤波器是不存在的， 在实际滤波器的幅频特 性图中通带和阻带间应 没有严格的界限,，存在 一个过渡带。
燕山大学机械学院
恒带宽、恒带宽比滤波器 实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实际滤波器中 心频率与带宽之问的数值关系，可以分为两种。
1) 恒带宽带通滤波器
2) 恒带宽比带通滤波器
燕山大学机械学院
2、按滤波器的电路组成分类
RC无源滤波器
RC有源滤波器 LC无源滤波器 由特殊元件构成的无源滤波
)
n
-20dB/十倍频 程
| A( j ) |
| V0 ( j ) | | Vi ( j ) |
A0 1 (
-20
)
2
1
n
1 0
/n
------幅频响应
显然，这里的n就是-3dB截止角频率H。
燕山大学机械学院
2.性能分析 (1).传递函数 在时域内,
Vi(t)
滤波电路
V0(t)
燕山大学机械学院
滤波器
燕山大学机械学院
三、滤波器的分类
按滤波器的频率特性分类
按滤波器的电路组成分类
燕山大学机械学院
1、按滤波器的频率特性分类
．
低通 带通
高通
带阻
燕山大学机械学院
(1) 低通滤波器( LPF )
A0: 通带电压放大倍数
ωH: 通带截至频率
过渡带: 越窄表明选频性能越好,理想滤波器没有 过渡带。
燕山大学机械学院
信号的滤波
指导老师：孙登月 制 作：陈建坤 付宜进 齐雪兵 张建巧
燕山大学机械学院
信号滤波的原因 信号滤波的概念 滤波器的分类及工作原理 滤波器的应用
燕山大学机械学院
一.信号滤波的原因
有些传感器输出的是电信号中混杂有干 扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。
滤波是抑制或消除噪声的主要手段之一。
燕山大学机械学院
通带波纹
通带增益的变化量KP是指通带中各点增 益的最大变化量，常常称为通带波纹。
燕山大学机械学院
4、阻尼系数与品质因素
阻尼系数表征了滤波器对角频率为0 信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量 衰减的一项指标。 阻尼系数的倒数称为品质因素Q，是评 价带通和带阻滤波器的频率选择性的一 个重要指标。
1)纹波幅度d ：波动幅度d与幅频特性平均值A0相比应小于-3dB。 2)截止频率fc :幅频特性值等于0.707A0所对应的频率．
3)带宽B和品质因数Q:上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
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。
Q
0
f0 B
燕山大学机械学院
5、灵敏度
滤波器由若干元件构成，每个元件的参 数值的变化都会影响滤波器的性能。 把滤波器某一性能指标y对某一元件参数 x变化的灵敏度表示为：
S
y x
dy y dx x
燕山大学机械学院
6、群延时函数
有些场合则不仅滤波器的幅频特性有要 求，而且滤波器的相频特性也要满足一 定的要求。 在滤波器的设计中常用滤波器的群延时 函数来评价信号经滤波器后相位失真的 程度。 群延时函数定义为：
电路的传递函数Av(s)
频率特性Av(j) (2). 根据定义求出主要参数 (3). 画出电路的幅频特性
燕山大学机械学院
2.性能分析 (2).幅频响应
A( j ) V0 ( j ) Vi ( j ) A0 1 j(
20 lg |
A( j ) A0
| / dB
0 -3
缺点
带负载能力差，通常只用于要求不高的场合。
燕山大学机械学院
RC有源滤波器
组成：由电阻R和电容C和有源器件组成。
优点 和无源滤波器差不多，就是比无源滤波器多一个放大的 功能，电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小。 带负载能力强。
特点：
缺点 集成运放带宽有限； 不适于高压大电流的负载，一般做信号处理 。 （注：高压大电流负载时应采用LC电路。）
在频域内,
Vi(s)
滤波电路
V0(s)
------传递函数
燕山大学机械学院
滤波器的特点
LC无源滤波器
RC无源滤波器 RC有源滤波器 由特殊元件构成的无源滤波
ห้องสมุดไป่ตู้
燕山大学机械学院
LC无源滤波器
滤波器由电感L和电容C组成的无源电抗 网络。 优点：损耗小、噪声低、灵敏度低，有 良好的频率选择特性。 缺点:是电感元件体积大，品质因数低， 不便于小型化和集成化，因而较少应用。
燕山大学机械学院
RC无源滤波器
组成：滤波器由电阻R和电容C组成。 特点：
优点
电路简单，成本低，相对LC无源滤波器来说， 少了电感，易于集成。
燕山大学机械学院
由特殊元件构成的无源滤波器
这类滤波器主要有压电陶瓷滤波器、晶体滤波器和声表面 波滤波器等。 这些滤波利用特殊元件通过电能与机械能、分子振动能之 间的相互转换，并利用器件的固有谐振频率实现频率的选 择。 特点： 优点：这类滤波器多用于对某单一频率的带通或带 阻滤波，其品质因素高，稳定性也很高。
燕山大学机械学院
燕山大学机械学院
2、带宽
带通或带阻滤波器的带宽定义为：
B fC 2 fC1
用角频率表示：
C 2 C1
燕山大学机械学院
3、增益与衰减
对于低通滤波器，通带增益一般是指频率＝0处的增 益；
对于高通滤波器，通带增益一般是指频率时的增 益； 对于带通滤波器，通带增益一般是指中心频率处的增 益； 对于带阻滤波器，则给出的是阻带衰减，通常定义为 通带与阻带中心频率处增益之差。
燕山大学机械学院
RC有源滤波器
有源滤波电路: 用工作在线性区的集成运放 和RC网络 组成,实际 上是一种具有特定频率响应的放大器。
燕山大学机械学院
1.电路构成
组成：简单RC滤波器同相放大器 特点：│Avp │ >0，带负载能力强
缺点：阻带衰减太慢，选择性较差
燕山大学机械学院
2.性能分析 有源滤波电路的分析方法: (1).电路图
燕山大学机械学院
(2) 高通滤波器( HPF )
燕山大学机械学院
(3) 带通滤波器(BPF )
燕山大学机械学院
(4) 带阻滤波器(BEF )
燕山大学机械学院
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。
燕山大学机械学院
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。
燕山大学机械学院
二.信号滤波的概念
通过滤波器选频装置，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． 滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例如，有一个较 低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。滤波 过程如图所示。
燕山大学机械学院
滤波器概述
滤波器是一种对信号有处理作用的器件或电路。 主要作用是：让有用信号尽可能无衰减的通过， 对无用信号尽可能大的衰减。 滤波器一般有两个端口，一个输入信号、一个 输出信号 利用这个特性可以将通过滤波器的一个方波群 或复合噪波，而得到一个特定频率的正弦波。
燕山大学机械学院
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
燕山大学机械学院
2) 一阶RC高通滤波器
3) RC带通滤波器
可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联
缺点：但由于其品种系列有限，调整不便，仅能用 于少数几个频点。
燕山大学机械学院
滤波器的主要特性指标
特征频率
带宽 增益与衰减 阻尼系数与品质因素 灵敏度
燕山大学机械学院
1、特征频率
通带截止频率：ƒP=P/（2）
阻带截止频率：ƒr=r/（2） 转折频率：ƒc=c/（2） 中心频率（谐振频率）：ƒ0=0/（2）
d d
燕山大学机械学院
四、 滤波器的应用 案例：旅游索道钢缆检测
超门限报警
5.3 信号的滤波
燕山大学机械学院
由案例提炼的典型实验：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
5.3 信号的滤波 案例：机床轴心轨迹的滤波处理
燕山大学机械学院
5.3 信号的滤波
案例：机床轴心轨迹的滤波处理
燕山大学机械学院
实验 滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律
燕山大学机械学院
燕山大学机械学院
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。
波 形
给理想滤波器一个脉冲激励，从图中可以看出，在t=0时 刻单位脉冲输入滤波器之前，即在t＜0时，滤波器就已 经有响应了。故物理不可实现。
燕山大学机械学院
实际滤波器 理想滤波器是不存在的， 在实际滤波器的幅频特 性图中通带和阻带间应 没有严格的界限,，存在 一个过渡带。
燕山大学机械学院
恒带宽、恒带宽比滤波器 实际滤波器频率通带通常是可调的，根据实际滤波器中 心频率与带宽之问的数值关系，可以分为两种。
1) 恒带宽带通滤波器
2) 恒带宽比带通滤波器
燕山大学机械学院
2、按滤波器的电路组成分类
RC无源滤波器
RC有源滤波器 LC无源滤波器 由特殊元件构成的无源滤波
)
n
-20dB/十倍频 程
| A( j ) |
| V0 ( j ) | | Vi ( j ) |
A0 1 (
-20
)
2
1
n
1 0
/n
------幅频响应
显然，这里的n就是-3dB截止角频率H。
燕山大学机械学院
2.性能分析 (1).传递函数 在时域内,
Vi(t)
滤波电路
V0(t)
燕山大学机械学院
滤波器
燕山大学机械学院
三、滤波器的分类
按滤波器的频率特性分类
按滤波器的电路组成分类
燕山大学机械学院
1、按滤波器的频率特性分类
．
低通 带通
高通
带阻
燕山大学机械学院
(1) 低通滤波器( LPF )
A0: 通带电压放大倍数
ωH: 通带截至频率
过渡带: 越窄表明选频性能越好,理想滤波器没有 过渡带。
燕山大学机械学院
信号的滤波
指导老师：孙登月 制 作：陈建坤 付宜进 齐雪兵 张建巧
燕山大学机械学院
信号滤波的原因 信号滤波的概念 滤波器的分类及工作原理 滤波器的应用
燕山大学机械学院
一.信号滤波的原因
有些传感器输出的是电信号中混杂有干 扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。
滤波是抑制或消除噪声的主要手段之一。
燕山大学机械学院
通带波纹
通带增益的变化量KP是指通带中各点增 益的最大变化量，常常称为通带波纹。
燕山大学机械学院
4、阻尼系数与品质因素
阻尼系数表征了滤波器对角频率为0 信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量 衰减的一项指标。 阻尼系数的倒数称为品质因素Q，是评 价带通和带阻滤波器的频率选择性的一 个重要指标。
1)纹波幅度d ：波动幅度d与幅频特性平均值A0相比应小于-3dB。 2)截止频率fc :幅频特性值等于0.707A0所对应的频率．
3)带宽B和品质因数Q:上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
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。
Q
0
f0 B
燕山大学机械学院
5、灵敏度
滤波器由若干元件构成，每个元件的参 数值的变化都会影响滤波器的性能。 把滤波器某一性能指标y对某一元件参数 x变化的灵敏度表示为：
S
y x
dy y dx x
燕山大学机械学院
6、群延时函数
有些场合则不仅滤波器的幅频特性有要 求，而且滤波器的相频特性也要满足一 定的要求。 在滤波器的设计中常用滤波器的群延时 函数来评价信号经滤波器后相位失真的 程度。 群延时函数定义为：
电路的传递函数Av(s)
频率特性Av(j) (2). 根据定义求出主要参数 (3). 画出电路的幅频特性
燕山大学机械学院
2.性能分析 (2).幅频响应
A( j ) V0 ( j ) Vi ( j ) A0 1 j(
20 lg |
A( j ) A0
| / dB
0 -3
缺点
带负载能力差，通常只用于要求不高的场合。
燕山大学机械学院
RC有源滤波器
组成：由电阻R和电容C和有源器件组成。
优点 和无源滤波器差不多，就是比无源滤波器多一个放大的 功能，电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小。 带负载能力强。
特点：
缺点 集成运放带宽有限； 不适于高压大电流的负载，一般做信号处理 。 （注：高压大电流负载时应采用LC电路。）