华科 机械工程测试信息信号分析 课件 ch5 模拟信号分析

12:441MEASUREMENTINFORMATIONSIGNALANALYSISINMECHANICALENGINEERING机械工程测试•信息•信号分析机械科学与工程学院机械电子信息工程系12:442课件资料下载：邮箱地址：密码：注意下载时不要删除原始文件12:443第五章模拟信号分析本章内容5-1调制幅度调制、频率调制、相位调制5-2滤波器理想滤波器、因果滤波器5-3估值(自学)12:444一、幅度调制一、幅度调制1调幅与解调原理调幅过程正余弦信号乘测试信号)(*)()().(fZfXtztx)(*)(21)(*)(212cos)(000fffXfffXtftxFT变换性质12:445调幅过程单位冲激函数的搬移特性时域频域12:44600111[]()(2)(2)2(()4)4mFXfXfxtztfXff同步解调单位冲激函数的搬移特性低通滤波、放大同步解调：解调时所乘信号与载波信号具有相同的频率和相位12:447抑制调幅抑制调幅：调制信号直接与载波信号相乘，具有极性变化–信号过零线时，幅值由正到负突变，调幅波相位发生180°相位变化–解调需用同步解调，可反映出原信号的幅值和极性非抑制调幅：调制信号偏置，叠加一个直流分量00()[()]cos2A[1m()]cos2mxtAxtftxtft可采用整流、滤波或包络法检波，可恢复原始信号m1正常调制过调失真12:4481、过调失真直流偏置足够大，调幅指数m1，当m1时，x(t)取最大负值时，可能使A[1+mx]0，相位发生180的相位变化调幅波的波形失真00()[()]cos2A[1m()]cos2mxtAxtftxtftm1正常调制过调失真非抑制调幅12:4492、重叠失真载波频率较低时，正频端的下边带将与负频端的下边带重叠，类似与频率混叠效应。f0必须大于信号频率的最高频率。工程上至少数倍、数十倍调幅波的波形失真00()[()]cos2A[1m()]cos2mxtAxtftxtft重叠失真载波频率f0较低m112:4410通过系统时的波形失真调幅波通过系统时的波形失真边带波被衰减调幅深度变浅边带波被放大调幅深度变深.理想情况3、通过系统时的波形失真调幅波通过系统时，将受到系统频率特性的影响。00()[()]cos2A[1m()]cos2mxtAxtftxtft12:4411典型调幅波及其频谱余弦调制余弦偏置调制直流调制12:4412典型调幅波及其频谱周期矩形脉冲调制任意频限信号调制矩形脉冲调制12:4413幅度调制应用-动态电阻应变仪RdREU4●单臂电桥RdREU2●差动半桥RdREU●差动全桥12:4414二、调频波及其频谱调频：x(t)幅值调制载波的频率。调频波是一种随信号x(t)的电压幅值而变化的疏密不同的等幅波。特点：改善了信噪比。–分析表明，调幅时，若干扰噪声与载波同频，则有效地调幅波对干扰波的功率比(S/N)必须在35dB以上；但在调频时，性能指标相同，S/N只要6dB。–原因：调频波改善了信号传输过程中的信噪比，调频信号携带的信息包含在频率变化之中，而干扰主要表现在振幅上。12:4415二、调频波及其频谱调频缺点：要求很高的带宽，为调幅的20倍。系统复杂。是非线性调制，不能运用叠加，分析困难；常近似分析。下图为锯齿波和正弦波的调频。调频波的频率应是一个随信号x(t)幅值变化(对应时间)的频率。12:4416调频波频谱)](1[,)cos()cos()(0txdtdtAAtxdttxt)(00tAtxcos)(调频波的频谱–频率调制就是利用瞬时频率d/dt来表示信号的调制；–0是载波中心频率，0x(t)是载波被信号所调制部分，上式表明瞬时频率是载波中心频率0与随信号x(t)幅值而变化的频率[0x(t)]之和。–对上式进行积分，x(t)是单一余弦波，是调制信号调频波的表达式为：]sinsin[]sinsin[]cossin[])(sin[sin)(0000000tmtGtAtGtdtAtGdttxtGGtgf12:4417调频波频谱上式中mf=A0/，称为调频指数，A0是实际变化的频率幅度，称为最大频率偏移。求得的调频波频谱为：]sinsin[)(0tmtGtgf调频波的频谱–单一频率调制时，调频波可用载波0与载波的边频(0+n)之和的形式表示，间隔为；–每一个频率分量的幅值为GJn(mf)；–理论上，边频数目无穷多。有效边频数目为2(mf+1)12:4418一、作用与分类1.作用频率分析：选频装置抑制噪声5-2滤波器图滤波过程12:44192.分类5-2滤波器按处理方法分硬件滤波软件滤波按构成器件分无源滤波器有源滤波器按所处理信号分模拟滤波器数字滤波器按频率特性分低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器全通滤波器按传递函数分一阶滤波器二阶滤波器N阶滤波器:12:44202.分类1)根据滤波器的选频特性分5-2滤波器低通滤波器幅频特性高通滤波器幅频特性C是截止频率低通滤波器(LPF—LowPassFilter)、高通滤波器(HPF—HighPassFilter)带通滤波器(BPF—BandPassFilter)、带阻滤波器(BEF—BandEliminationFilter)全通滤波器(APF—AllPassFilter)过渡带过渡带12:44212.分类1)根据滤波器的选频特性分5-2滤波器带通滤波器幅频特性带阻滤波器幅频特性CL、CH是上下截止频率，0是中心频率全通滤波器呢？过渡带过渡带12:44222)按构成元件和供给能量电路性质分有源无源滤波器分类12:44232)按构成元件和供给能量电路性质分有源无源滤波器分类12:44242)有源、无源滤波器的区别无源滤波器：由无源元件电阻器R、电抗器L和电容器C组成。以对某次谐波或其以上次谐波形成低阻抗通路，以达到抑制高次谐波的作用；滤波器与动态控制的电抗器一起并联，既满足无功补偿、改善功率因数，又能消除高次谐波的影响。种类有：各阶次单调谐滤波器、双调谐滤波器、二阶宽频带与三阶宽频带高通滤波器等。优点：投资少、效率高、结构简单及维护方便，广泛用于配电网中。缺点：滤波器特性受系统参数影响大，只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波会产生放大作用，甚至谐振现象等因素。滤波器分类12:44252)有源、无源滤波器的区别有源滤波器(ActivePowerFilter,APF)：集成运放和R、C组成，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但集成运放带宽有限，故有源滤波电路的工作频率难以做得很高。a.能补偿各次谐波，还可抑制闪变，补偿无功;b.滤波特性不受系统阻抗等的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；c.具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化的谐波，即具有高度可控性和快速响应性。滤波器分类12:4426滤波器分类3)RC调谐式滤波器–1阶RC低通滤波器–电路微分方程为：xyyuudtduRC令τ=RC，称为时间常数11)(jjH2)2(11)(ffA)2()(farctgf傅立叶变换，频响函数：当ƒ«1/2πRC时，2)2(11)(fRCfA)2()(fRCarctgfφ(ƒ)-ƒ相频特性近似于一条通过原点的直线当ƒ=1/2πRC时，2，ƒc2=1/2πRC上截止频率:|H(jω)|=A(ƒ)≈1，A(ƒ)=1/12:4427滤波器分类3)RC调谐式滤波器–1阶RC高通滤波器–电路的微分方程为：021|)(|fH(a)RC高通滤波器0211f21(b)幅频特性f)(f(c)相频特性CRyuxuo45o90xyyudtuRCu1令RC=τ代入，作傅立叶变换，得频响函数1)()()(jjjH2)2(12)(fffA)21()(farctgf当ƒ=1/2πτ，即ƒ=1/2πRC时，2当ƒ»1/2πRC时，下截止频率：ƒc1=1/2πRCA(ƒ)=1/A(ƒ)≈1，φ(ƒ)=012:4428滤波器分类3)RC调谐式滤波器–RC带通滤波器0(a)低通12ff)(fH(b)高通01f)(fH1f)(fH01f1f2f(c)带通可以看成是低通和高通两个滤波器串联而成。12:4429)(tx)(ty1)()()(111jjjH11)(22jjH高通低通21高通低通1)()()(111jjjH11)(22jjH)()()(21jHjHjH)()()(21fAfAfA)()()(21fff频响函数幅频特性和相频特性ƒc2=1/2πτ2=1/2πR2C2上截止频率:下截止频率：ƒc1=1/2πτ1=1/2πR1C1一阶RC带通滤波器一阶RC带通滤波器12:4430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f0与带宽B之间的数值关系，可以分为两种。2)恒宽比带通滤波器1)恒带宽带通滤波器1200122ccccffffff21ccnfff恒带宽、恒带宽比滤波器12:4431品质因素QBfQn相同Q值（恒宽比），中心频率ƒn越大，带宽B越大恒宽比带通滤波器恒宽比带通滤波器21ccnfff12:44321631.563400020001000500125160008000检波放大BfQn22221nnn为倍频程数若n=1为倍频程滤波器；21ccnfff推导ƒc2=2nƒc1ƒn2=2nƒn112:4433102050100Hzmm带宽越窄，分辨力越高。低频分辨力较高，高频分辨力较低.信号通带越宽，需要的恒带宽滤波器越多。恒带宽滤波器：带宽为20Hz10205001000Hzmm.........01002000300400600800100010020003004006008001000（a)恒带宽比滤波器（b)恒带宽滤波器频率Hzf/频率Hzf/12:4434例：设有一信号是由幅值相同而频率分别为ƒ=940Hz和ƒ=1060Hz的两正弦信号合成，其频谱如图所示ff(Hz)9401060dB20402040dB9401060(Hz)(a)ff(Hz)1000800dB20402040dB9401060(Hz)(b)630125016000000(c)(d)(a)实际信号(b)用⅓倍频程滤波器分析结果(c)用1/10倍频程滤波器分析结果(d)用恒带宽滤波器分析结果举例12:4435案例：机床轴心轨迹的滤波处理滤波器应用-机床轴心轨迹的滤波处理12:4436案例：机床轴心轨迹的滤波处理滤除信号中的高频噪声，以便于观察轴心运动规律滤波器应用-机床轴心轨迹的滤波处理12:4437钢管无损探伤实验滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警滤波器应用-钢管无损探伤实验12:4438滤波器分类4)有源低通滤波器–主要技术指标（1）通带增益Avp通带增益是指滤波器在通频带内的电压放大倍数，如图所示。性能良好的LPF通带内的幅频特性曲线是平坦的，阻带内的电压放大倍数基本为零。（2）通带截止频率fp其定义与放大电路的上限截止频率相同。通带与阻带之间称为过渡带，过渡带越窄，说明滤波器的选择性越好。图LPF的幅频特性曲线12:4439滤波器分类4)有源低通滤波器–一阶低通滤波器(LPF)同相比例放大器的增益，即通带增益为：电路的传递函数为：电路特点:具有较高输入电阻和较低的输出电阻，还具有电压放大作用。由于式中s为一次幂，所以称一阶LPF。uou+ui电路由RC低通网络和同相比例放大器组成，12:4440在一阶LPF传递函数中，令s=j有式中为低通截止频率。其对数幅频特性为：对数幅