工程測(cè)試技術(shù)42

工程測(cè)試技術(shù)

第四章

信號(hào)處理本章學(xué)習(xí)要求：了解模擬信號(hào)放大電路原理；了解信號(hào)調(diào)制、解調(diào)原理；了解信號(hào)濾波器工作原理；了解信號(hào)模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換原理；掌握信號(hào)采樣定理，能正確選擇采樣頻率；了解數(shù)字信號(hào)處理中信號(hào)截?cái)?、能量泄露、柵欄效?yīng)等現(xiàn)象；掌握常用的數(shù)字信號(hào)處理方法。工程測(cè)試技術(shù)本章目錄4.1概述（2學(xué)時(shí)）4.2信號(hào)放大4.3調(diào)制與解調(diào)4.4信號(hào)的濾波（4學(xué)時(shí)）4.5數(shù)字信號(hào)處理概述4.6模數(shù)(A/D)和數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換4.7數(shù)字信號(hào)處理中的基本理論（2學(xué)時(shí)）4.8數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)壓縮4.9信號(hào)的輸出2工程測(cè)試技術(shù)4.4信號(hào)的濾波4.4.1概述4.4.2濾波器的一般特性4.4.3濾波器類型介紹4.4.4濾波器綜合運(yùn)用3工程測(cè)試技術(shù)4.4.1概述濾波：選取信號(hào)中感興趣的成分，而抑制或衰減掉其它不需要的成分。濾波器：能實(shí)施濾波功能的裝置。濾波方式的分類：對(duì)輸入量濾波（簡(jiǎn)稱輸入濾波）；對(duì)輸出量濾波（簡(jiǎn)稱輸出濾波）。濾波器按供電方式的分類：無(wú)源濾波有源濾波4工程測(cè)試技術(shù)根據(jù)其選頻的方式分類：低通濾波高通濾波帶通濾波帶阻濾波5工程測(cè)試技術(shù)4.4.2濾波器的一般特性 對(duì)于一個(gè)理想的線性系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，若要滿足不失真測(cè)試的條件，該系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)應(yīng)為： 若一個(gè)濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)H(f)具有如下形式： 則該濾波器稱為理想低通濾波器。理想低通濾波器的幅、相頻特性

6工程測(cè)試技術(shù)1.理想低通濾波器對(duì)單位脈沖的響應(yīng) 將單位脈沖輸入理想低通濾波器，則它的響應(yīng)

若考慮t0≠0，亦即有時(shí)延時(shí)， 理想低通濾波器：脈沖響應(yīng)函數(shù)其波形在整個(gè)時(shí)間軸上延伸，且其輸出在輸入到來(lái)之前，亦即t<0時(shí)便已經(jīng)出現(xiàn)。理想低通濾波器，在物理上是不可實(shí)現(xiàn)的。理想低通濾波器的脈沖響應(yīng)

7工程測(cè)試技術(shù)2.理想低通濾波器對(duì)單位階躍的響應(yīng) 給理想低通濾波器輸入一階躍函數(shù)：濾波器的響應(yīng)為：其中：

理想低通濾波器對(duì)單位階躍輸入的響應(yīng)無(wú)相角滯后時(shí)移t0=0有相角滯后時(shí)移t0≠08工程測(cè)試技術(shù)3.實(shí)際濾波器的特征參數(shù)0ffc1fc2A00.707A0dBQ=f0

/B紋波幅度d：繞幅頻特性均值A(chǔ)0波動(dòng)值；帶寬B：上下兩截止頻率間的頻率范圍稱為帶寬，B=fc2-fc1，又稱-3dB帶寬；品質(zhì)因子Q：對(duì)于一個(gè)帶通濾波器，其品質(zhì)因子Q定義為中心頻率f0與帶寬B之比；截止頻率fc：所對(duì)應(yīng)的頻率，也稱作-3dB頻率；9工程測(cè)試技術(shù)3.實(shí)際濾波器的特征參數(shù)（續(xù)）倍頻程選擇性：上截止頻率fc2與2fc2之間或下截止頻率fc1與2fc1間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個(gè)倍頻程的衰減量，以dB表示。倍頻程衰減量以dB/oct表示（Octave，倍頻程）。衰減越快（即W值越大），濾波器的選擇性越好。濾波器因數(shù)（矩形系數(shù)）：濾波器幅頻特性的-60dB帶寬與-3dB帶寬的比，即：對(duì)理想濾波器有λ=1。對(duì)普通使用的濾波器，λ一般為(1～5)。10工程測(cè)試技術(shù)4.4.3濾波器類型介紹1.低通濾波器3.帶通濾波器4.帶阻濾波器2.高通濾波器11工程測(cè)試技術(shù)1.低通濾波器一階RC低通濾波器電路的微分方程為：令τ=RC，低通濾波器的上截止頻率：頻率衰減速度慢，亦即它的倍頻程選擇性差，僅為6dB/oct。12工程測(cè)試技術(shù)b.一階有源低通濾波器 解決負(fù)載效應(yīng)的最好辦法是采用運(yùn)放來(lái)構(gòu)造有源濾波器。截止頻率 放大倍數(shù)截止頻率 放大倍數(shù)13工程測(cè)試技術(shù)2.高通濾波器根據(jù)右圖有：濾波器的-3dB截止頻率為：頻率響應(yīng)函數(shù)為：令RC=τ，得傳遞函數(shù)：14工程測(cè)試技術(shù)3.帶通濾波器 將一個(gè)低通和一個(gè)高通濾波器級(jí)聯(lián)便可獲得一個(gè)帶通濾波器特性，其傳遞函數(shù)為：

上、下截止頻率：

15工程測(cè)試技術(shù)4.帶阻濾波器 無(wú)源帶阻濾波器帶采用橋式T型或雙T網(wǎng)絡(luò)，前一種可看作一個(gè)低通和一個(gè)高通濾波器的并聯(lián)。16工程測(cè)試技術(shù)4.5數(shù)字信號(hào)處理概述MP3/VoiceRecorder-Player17工程測(cè)試技術(shù)1、數(shù)字信號(hào)處理的主要研究?jī)?nèi)容 利用計(jì)算機(jī)或?qū)Ｓ眯盘?hào)處理設(shè)備，以數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)信號(hào)作采集、變換、綜合、估值與識(shí)別等處理。內(nèi)容包括數(shù)字波形分析、幅值分析、頻譜分析、數(shù)字濾波和數(shù)據(jù)壓縮等。0AtX(0)X(1)..X(N)18工程測(cè)試技術(shù)用數(shù)學(xué)計(jì)算和計(jì)算機(jī)顯示代替復(fù)雜的電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)。數(shù)字信號(hào)電平只有高、低之分，在高、低電平之間有相當(dāng)大的抗干擾容限。在信號(hào)傳輸過(guò)程中雖然信號(hào)電壓的幅度及波形可能產(chǎn)生一定程度的失真，但其表達(dá)的信號(hào)1，0并不因此受到影響，因此，數(shù)字系統(tǒng)的穩(wěn)定性、抗干擾能力等方面都優(yōu)于模擬信號(hào)系統(tǒng)。2.數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)勢(shì)19工程測(cè)試技術(shù)只要簡(jiǎn)單地增加二進(jìn)制位數(shù)就可以大大提高信息量和數(shù)值表達(dá)的精度，因此數(shù)字系統(tǒng)的數(shù)值處理精度是其他非數(shù)字處理系統(tǒng)都無(wú)法達(dá)到的。數(shù)字信號(hào)處理電路是以邏輯電路為基礎(chǔ)的，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于集成化。目前，數(shù)字電路的集成度遠(yuǎn)高于模擬電路，而制造成本卻很低。2.數(shù)字信號(hào)處理的優(yōu)勢(shì)（續(xù)）20工程測(cè)試技術(shù)4.6模數(shù)(A/D)和數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換采樣―利用采樣脈沖序列，從信號(hào)中抽取一系列離 散值，使之成為采樣信號(hào)x(nts)的過(guò)程。編碼―將經(jīng)過(guò)量化的值變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)字的過(guò)程。

量化―把采樣信號(hào)經(jīng)過(guò)舍入變?yōu)橹挥杏邢迋€(gè)有效數(shù) 字的數(shù)，這一過(guò)程稱為量化。21工程測(cè)試技術(shù)4.6.1采樣頻率與采樣定理p(t)x(t)x(nt)1.采樣過(guò)程 采樣是將采樣脈沖序列p(t)與信號(hào)x(t)相乘，取離散點(diǎn)x(nt)的值的過(guò)程。首先假定信號(hào)的有用頻率分量從直流至fa對(duì)這樣的信號(hào)進(jìn)行采樣稱為奈氏采樣，或稱為基帶采樣。當(dāng)我們用離散的時(shí)間間隔對(duì)一個(gè)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行采樣時(shí)，必須仔細(xì)地對(duì)采樣間隔加以選擇，以確保原始模擬信號(hào)的復(fù)現(xiàn)精度。很顯然，采樣頻率fs越高。數(shù)據(jù)的復(fù)現(xiàn)精度也就越高。但是，采樣頻率低到什么程度會(huì)導(dǎo)致信號(hào)關(guān)鍵信息的損失呢?香農(nóng)采樣定理和奈氏準(zhǔn)則回答了這個(gè)問(wèn)題。22工程測(cè)試技術(shù)香農(nóng)(Shannon)采樣定理：為保證采樣后信號(hào)能真實(shí)地保留原始模擬信號(hào)信息，信號(hào)采樣頻率必須至少為原信號(hào)中最高頻率成分的2倍。fs>2fa

滿足采樣定理，只保證不發(fā)生頻率混疊，而不能保證此時(shí)的采樣信號(hào)能真實(shí)地反映原信號(hào)。工程實(shí)際中采樣頻率通常大于信號(hào)中最高頻率成分的3到5倍奈氏(Nyquist)準(zhǔn)則：如果fs<2fa，那么將會(huì)將會(huì)發(fā)生混疊現(xiàn)象。2.香農(nóng)采樣定理和奈氏準(zhǔn)則23工程測(cè)試技術(shù) 若采樣率過(guò)低即采樣間隔大，則系列的離散時(shí)間序列可能不能真正反映原始信號(hào)的波形特征，在頻域處理時(shí)會(huì)出現(xiàn)頻率混淆現(xiàn)象。3.混疊(aliasing)現(xiàn)象的時(shí)域效應(yīng)24工程測(cè)試技術(shù)出現(xiàn)混疊現(xiàn)象的臨界點(diǎn)2fa25工程測(cè)試技術(shù)4.混疊現(xiàn)象的頻域解釋26工程測(cè)試技術(shù)物理信號(hào)對(duì)象傳感器電信號(hào)放大調(diào)制電信號(hào)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號(hào)展開(kāi)低通濾波(0-fs/2)放大5.A/D采樣前的抗混疊濾波27工程測(cè)試技術(shù)4.6.2量化和量化誤差量化過(guò)程就是把這些采樣值取整為最小單位的整數(shù)倍，這個(gè)最小單位被稱為量化單位Δ，也稱作1LSB。 這是模數(shù)轉(zhuǎn)換的一般關(guān)系式，模擬輸入電壓Vx的范圍為0~VREF，數(shù)字輸出DN的范圍為：0~2n-1。28工程測(cè)試技術(shù)4.6.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換的方法很多，不同電路結(jié)構(gòu)的A/D其工作原理也不同，性能上的差異也會(huì)很大。每一個(gè)A/D除了必備的轉(zhuǎn)換電路，還需要適當(dāng)?shù)哪M輸入信號(hào)處理電路、數(shù)字輸出信號(hào)接口電路等。因此，A/D的種類非常多，分類問(wèn)題也就比較復(fù)雜。根據(jù)工作原理大致可分為：并行比較型(Flash)ADC分級(jí)型(Subranging)ADC逐次比較型(SAR)ADC雙積分型(Dual-Slope)ADCΣ-Δ型ADC壓頻轉(zhuǎn)換型(V/F)ADC29工程測(cè)試技術(shù) 這種轉(zhuǎn)換器包含2n-1個(gè)電壓比較器，參考電壓VREF被分壓成2n階，VREF/2n，2VREF/2n，3VREF/2n，…(2n-1)VREF/2n分別加到這些電壓比較器的參考端，模擬輸入電壓同時(shí)加到所有電壓比較器的輸入端。輸入端電壓高于參考端電壓的比較器輸出為1，否則輸出為0。2n-1個(gè)比較器的輸出(連同“零”有2n個(gè)輸出)經(jīng)過(guò)數(shù)字編碼獲得n位二進(jìn)制數(shù)、即數(shù)字輸出值。這種轉(zhuǎn)換器的工作原理十分簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換器中2n-1個(gè)電壓比較器完全是并行工作的，因此得名“并行比較型”，習(xí)慣上也稱為“全并行”。這類ADC的轉(zhuǎn)換速率可高達(dá)幾十兆次每秒，是各類ADC中轉(zhuǎn)換速度最高的，因此又有“閃爍(Flash)型”ADC之稱。1.并行比較型(Flash)ADC30工程測(cè)試技術(shù) 分級(jí)(Subranging)型ADC把一個(gè)高分辨率的n位模數(shù)轉(zhuǎn)換分成兩級(jí)(或多級(jí))較低分辨率的轉(zhuǎn)換，第一級(jí)用一個(gè)m(<n)位并行比較型轉(zhuǎn)換器完成粗轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果作為n位中的高m位，轉(zhuǎn)換誤差小于m位的最低有效位；第二級(jí)用一個(gè)k(<n)位并行比較型轉(zhuǎn)換器對(duì)第一級(jí)轉(zhuǎn)換余下的誤差電壓再次轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果作為n位中的低位，其中用m+k≥n。2.分級(jí)型(Subranging)ADC31工程測(cè)試技術(shù) 分級(jí)轉(zhuǎn)換可以大大減少電壓比較器及分壓電阻的數(shù)量，以12位ADC為例，并行比較型ADC需要2n-1(=4095)個(gè)比較器；如果分成各6位分級(jí)轉(zhuǎn)換，則只需要26-1+26-1(=126)個(gè)比較器。這種分成兩級(jí)轉(zhuǎn)換的ADC稱為“半閃爍”ADC，分成三級(jí)或三級(jí)以上轉(zhuǎn)換的ADC稱為“多級(jí)(Multistep)”ADC。 分級(jí)轉(zhuǎn)換必然影響轉(zhuǎn)換速率。作為提高轉(zhuǎn)換速率的方法是采用多級(jí)保持器，第一級(jí)轉(zhuǎn)換余下的誤差電壓被保持在第二級(jí)保持器中，在第二級(jí)轉(zhuǎn)換同時(shí)，第一級(jí)就可以對(duì)輸入電壓進(jìn)行下一次采樣和轉(zhuǎn)換，這就大大提高了采樣速率，這就是“分級(jí)流水(Pipeline)型”ADC。32工程測(cè)試技術(shù) 這種ADC是用一個(gè)電壓比較器將模擬輸入電壓與一個(gè)n位DAC的輸出電壓進(jìn)行比較，這個(gè)n位DAC的數(shù)字輸入是由一個(gè)逐次逼近寄存器(SAR)提供的。SAR在轉(zhuǎn)換器的控制電路控制下，從高位到低位逐位被置1或清0，使DAC的輸出電壓逐步逼近模擬輸入電壓，經(jīng)過(guò)m次比較和逼近，最終SAR中的數(shù)字(即DAC的輸入)就是模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果。3.逐次比較型(SAR)ADC33工程測(cè)試技術(shù) 逐次逼近的過(guò)程類似于用天平和法碼稱量一個(gè)物體的質(zhì)量，從大法碼到小法碼逐一試稱的過(guò)程。由于要經(jīng)歷m次比較，所以轉(zhuǎn)換速度不如前兩種，但轉(zhuǎn)換器包含的元件數(shù)量較少，能以較低的制造成本獲得較高的分辨率．因此在中、低速應(yīng)用場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。34工程測(cè)試技術(shù) 積分型ADC屬于間接轉(zhuǎn)換型。轉(zhuǎn)換器中的積分器把模擬輸入電壓轉(zhuǎn)換成與之成比例的時(shí)間間隔，在這時(shí)間間隔內(nèi)一個(gè)n位計(jì)數(shù)器對(duì)頻率固定的時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，最終的計(jì)數(shù)值與時(shí)間間隔成正比，反映了輸入平均電壓的大小。為了減小積分器的元件參數(shù)和參考電壓對(duì)積分精度的影響，通常要對(duì)輸入電壓和參考電壓各進(jìn)行一次積分，因此又稱為雙積分型ADC。該ADC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，能抑制高額噪聲，但工作速度比較低，因此積分型ADC被廣泛用于低頻、高精度的數(shù)字儀表電路中。4.雙積分型(Dual-Slope)ADC35工程測(cè)試技術(shù)5.Σ-Δ型ADC

Σ-Δ型ADC以很低的采樣分辨率(1位)和很高的采樣速率將模擬信號(hào)數(shù)字化，利用過(guò)采樣技術(shù)、噪聲整形和數(shù)字濾波技術(shù)增加有效分辨率。近年來(lái)Σ-Δ模數(shù)轉(zhuǎn)換技術(shù)發(fā)展很快，轉(zhuǎn)換分辨率已高達(dá)24位，在各類模數(shù)轉(zhuǎn)換器中分辨率是最高的，因此在低成本、高分辨率的低頻（直流到音頻）信號(hào)處理場(chǎng)合得到了廣泛應(yīng)用，有取代雙積分型ADC的趨勢(shì)。36工程測(cè)試技術(shù)AD7705FEATURES:TwoFullyDifferentialInputChannelADCs16BitsNoMissingCodes0.003%NonlinearityProgrammableGainFrontEndGainsfrom1to128Three-WireSerialInterfaceSPI?,QSPI?,MICROWIRE?andDSPCompatibleSchmittTriggerInputonSCLKAbilitytoBuffertheAnalogInput2.7V-3.3Vor4.75V-5.25VOperationPowerDissipation1mWStandbyCurrent8mAmax37工程測(cè)試技術(shù)38工程測(cè)試技術(shù)6.壓頻轉(zhuǎn)換型(V/F)ADC 壓頻轉(zhuǎn)換又稱V/F轉(zhuǎn)換。首先把模擬電壓轉(zhuǎn)換成頻率與該電壓成正比的脈沖信號(hào)，然后在單位時(shí)間內(nèi)用計(jì)數(shù)器對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值與頻率成正比，反映了模擬電壓的大小。V/F型也屬間接轉(zhuǎn)換型，中間變量是頻率。專用的V/F轉(zhuǎn)換芯片已非常成熟，再與計(jì)數(shù)器配合可以構(gòu)成高分辨率、低成本的ADC。39工程測(cè)試技術(shù)7.各類ADC的比較類型并行比較分級(jí)逐次逼近Σ-Δ積分VFC主要特點(diǎn)超高速高速速度精度價(jià)格等綜合性價(jià)比較高高分辨率高精度高精度低成本高抗干擾能力低成本高分辨率分辨率6~10b8~16b8~16b16~24b12~16b8~16b轉(zhuǎn)換時(shí)間幾十ns幾十~幾百ns幾~幾十μs幾~幾十ms幾十~幾百ms幾十~幾百ms采樣頻率幾十MSPS幾MSPS幾十~幾百KSPS幾十KSPS幾~幾十SPS幾~幾十SPS價(jià)格高高中中低低主要用途超高速視頻處理視頻處理高速數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集工業(yè)控制音頻處理數(shù)字儀表數(shù)字儀表數(shù)字儀表簡(jiǎn)易ADC40工程測(cè)試技術(shù)

8.A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)

分辨率(resolution)：指模數(shù)轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換中所能分辨的最小量，習(xí)慣上用轉(zhuǎn)換結(jié)果的位數(shù)表示。例如，稱12位ADC具有12位分辨率。轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率(conversiontime&conversionrate)：ADC完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間稱為轉(zhuǎn)換時(shí)間(模數(shù)轉(zhuǎn)換從啟動(dòng)到結(jié)束所用的時(shí)間)。對(duì)于大多數(shù)ADC來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)即為轉(zhuǎn)換速率(每秒轉(zhuǎn)換次數(shù))。精度(Accuracy)：產(chǎn)生各輸出代碼所需模擬量(嚴(yán)格地說(shuō)指該代碼中點(diǎn)值)的實(shí)際值與理論值之差的最大值稱為精度。精度是零位誤差、增益誤差、積分線性誤差、微分線性誤差，溫度漂移等綜合因素引起的總誤差。精度可用LSB的倍率表示，也可用相對(duì)于滿度范圍的百分比(％FSR)表示。積分線性誤差和微分線性誤差是影響轉(zhuǎn)換精度的主要因素。滿度范圍、量程、輸入范圍(full-scalerange,Span，Inputrange)：均指模擬輸入量的最大允許值與最小允許值之差，英文縮寫為FSR。41工程測(cè)試技術(shù)4.6.4D/A轉(zhuǎn)換過(guò)程和原理

D/A轉(zhuǎn)換器是把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)的裝置。