工程測試技術(shù)42

工程測試技術(shù)

第四章

信號處理本章學(xué)習(xí)要求：了解模擬信號放大電路原理；了解信號調(diào)制、解調(diào)原理；了解信號濾波器工作原理；了解信號模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)模轉(zhuǎn)換原理；掌握信號采樣定理，能正確選擇采樣頻率；了解數(shù)字信號處理中信號截斷、能量泄露、柵欄效應(yīng)等現(xiàn)象；掌握常用的數(shù)字信號處理方法。工程測試技術(shù)本章目錄4.1概述（2學(xué)時）4.2信號放大4.3調(diào)制與解調(diào)4.4信號的濾波（4學(xué)時）4.5數(shù)字信號處理概述4.6模數(shù)(A/D)和數(shù)模(D/A)轉(zhuǎn)換4.7數(shù)字信號處理中的基本理論（2學(xué)時）4.8數(shù)字濾波、數(shù)據(jù)壓縮4.9信號的輸出2工程測試技術(shù)4.4信號的濾波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濾波器綜合運用3工程測試技術(shù)4.4.1概述濾波：選取信號中感興趣的成分，而抑制或衰減掉其它不需要的成分。濾波器：能實施濾波功能的裝置。濾波方式的分類：對輸入量濾波（簡稱輸入濾波）；對輸出量濾波（簡稱輸出濾波）。濾波器按供電方式的分類：無源濾波有源濾波4工程測試技術(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工程測試技術(shù)4.4.2濾波器的一般特性 對于一個理想的線性系統(tǒng)來說，若要滿足不失真測試的條件，該系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)應(yīng)為： 若一個濾波器的頻率響應(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工程測試技術(shù)1.理想低通濾波器對單位脈沖的響應(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，亦即有時延時， 理想低通濾波器：脈沖響應(yīng)函數(shù)其波形在整個時間軸上延伸，且其輸出在輸入到來之前，亦即t<0時便已經(jīng)出現(xiàn)。理想低通濾波器，在物理上是不可實現(xiàn)的。理想低通濾波器的脈沖響應(yīng)

7工程測試技術(shù)2.理想低通濾波器對單位階躍的響應(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：

理想低通濾波器對單位階躍輸入的響應(yīng)無相角滯后時移t0=0有相角滯后時移t0≠08工程測試技術(shù)3.實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：對于一個帶通濾波器，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：所對應(yīng)的頻率，也稱作-3dB頻率；9工程測試技術(shù)3.實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：對理想濾波器有λ=1。對普通使用的濾波器，λ一般為(1～5)。10工程測試技術(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放來構(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工程測試技術(shù)3.帶通濾波器 將一個低通和一個高通濾波器級聯(lián)便可獲得一個帶通濾波器特性，其傳遞函數(shù)為：

上、下截止頻率：

15工程測試技術(shù)4.帶阻濾波器 無源帶阻濾波器帶采用橋式T型或雙T網(wǎng)絡(luò)，前一種可看作一個低通和一個高通濾波器的并聯(lián)。16工程測試技術(shù)4.5數(shù)字信號處理概述MP3/VoiceRecorder-Player17工程測試技術(shù)1、數(shù)字信號處理的主要研究內(nèi)容 利用計算機或?qū)Ｓ眯盘柼幚碓O(shè)備，以數(shù)值計算的方法對信號作采集、變換、綜合、估值與識別等處理。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工程測試技術(shù)用數(shù)學(xué)計算和計算機顯示代替復(fù)雜的電路和機械結(jié)構(gòu)。數(shù)字信號電平只有高、低之分，在高、低電平之間有相當(dāng)大的抗干擾容限。在信號傳輸過程中雖然信號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)于模擬信號系統(tǒng)。2.數(shù)字信號處理的優(yōu)勢19工程測試技術(shù)只要簡單地增加二進(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)都無法達(dá)到的。數(shù)字信號處理電路是以邏輯電路為基礎(chǔ)的，電路結(jié)構(gòu)簡單、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)字信號處理的優(yōu)勢（續(xù)）20工程測試技術(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，從信號中抽取一系列離 散值，使之成為采樣信號x(nts)的過程。編碼―將經(jīng)過量化的值變?yōu)槎M(jìn)制數(shù)字的過程。

量化―把采樣信號經(jīng)過舍入變?yōu)橹挥杏邢迋€有效數(shù) 字的數(shù)，這一過程稱為量化。21工程測試技術(shù)4.6.1采樣頻率與采樣定理p(t)x(t)x(nt)1.采樣過程 采樣是將采樣脈沖序列p(t)與信號x(t)相乘，取離散點x(nt)的值的過程。首先假定信號的有用頻率分量從直流至fa對這樣的信號進(jìn)行采樣稱為奈氏采樣，或稱為基帶采樣。當(dāng)我們用離散的時間間隔對一個連續(xù)信號進(jìn)行采樣時，必須仔細(xì)地對采樣間隔加以選擇，以確保原始模擬信號的復(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導(dǎo)致信號關(guān)鍵信息的損失呢?香農(nóng)采樣定理和奈氏準(zhǔn)則回答了這個問題。22工程測試技術(shù)香農(nóng)(Shannon)采樣定理：為保證采樣后信號能真實地保留原始模擬信號信息，信號采樣頻率必須至少為原信號中最高頻率成分的2倍。fs>2fa

滿足采樣定理，只保證不發(fā)生頻率混疊，而不能保證此時的采樣信號能真實地反映原信號。工程實際中采樣頻率通常大于信號中最高頻率成分的3到5倍奈氏(Nyquist)準(zhǔn)則：如果fs<2fa，那么將會將會發(fā)生混疊現(xiàn)象。2.香農(nóng)采樣定理和奈氏準(zhǔn)則23工程測試技術(shù) 若采樣率過低即采樣間隔大，則系列的離散時間序列可能不能真正反映原始信號的波形特征，在頻域處理時會出現(xiàn)頻率混淆現(xiàn)象。3.混疊(aliasing)現(xiàn)象的時域效應(yīng)24工程測試技術(shù)出現(xiàn)混疊現(xiàn)象的臨界點2fa25工程測試技術(shù)4.混疊現(xiàn)象的頻域解釋26工程測試技術(shù)物理信號對象傳感器電信號放大調(diào)制電信號A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字信號展開低通濾波(0-fs/2)放大5.A/D采樣前的抗混疊濾波27工程測試技術(shù)4.6.2量化和量化誤差量化過程就是把這些采樣值取整為最小單位的整數(shù)倍，這個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工程測試技術(shù)4.6.3模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 實現(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，性能上的差異也會很大。每一個A/D除了必備的轉(zhuǎn)換電路，還需要適當(dāng)?shù)哪M輸入信號處理電路、數(shù)字輸出信號接口電路等。因此，A/D的種類非常多，分類問題也就比較復(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工程測試技術(shù) 這種轉(zhuǎn)換器包含2n-1個電壓比較器，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個比較器的輸出(連同“零”有2n個輸出)經(jīng)過數(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單，轉(zhuǎn)換器中2n-1個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工程測試技術(shù) 分級(Subranging)型ADC把一個高分辨率的n位模數(shù)轉(zhuǎn)換分成兩級(或多級)較低分辨率的轉(zhuǎn)換，第一級用一個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；第二級用一個k(<n)位并行比較型轉(zhuǎn)換器對第一級轉(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.分級型(Subranging)ADC31工程測試技術(shù) 分級轉(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)個比較器；如果分成各6位分級轉(zhuǎn)換，則只需要26-1+26-1(=126)個比較器。這種分成兩級轉(zhuǎn)換的ADC稱為“半閃爍”ADC，分成三級或三級以上轉(zhuǎn)換的ADC稱為“多級(Multistep)”ADC。 分級轉(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保持器，第一級轉(zhuǎn)換余下的誤差電壓被保持在第二級保持器中，在第二級轉(zhuǎn)換同時，第一級就可以對輸入電壓進(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“分級流水(Pipeline)型”ADC。32工程測試技術(shù) 這種ADC是用一個電壓比較器將模擬輸入電壓與一個n位DAC的輸出電壓進(jìn)行比較，這個n位DAC的數(shù)字輸入是由一個逐次逼近寄存器(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工程測試技術(shù) 逐次逼近的過程類似于用天平和法碼稱量一個物體的質(zhì)量，從大法碼到小法碼逐一試稱的過程。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)用場合得到廣泛應(yīng)用。34工程測試技術(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間間隔，在這時間間隔內(nèi)一個n位計數(shù)器對頻率固定的時鐘脈沖計數(shù)，最終的計數(shù)值與時間間隔成正比，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)和參考電壓對積分精度的影響，通常要對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數(shù)字化，利用過采樣技術(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）信號處理場合得到了廣泛應(yīng)用，有取代雙積分型ADC的趨勢。36工程測試技術(shù)AD7705FEATURES:TwoFullyDifferentialInputChannelADCs16BitsNoMissingCodes0.003%NonlinearityProgrammableGainFrontEndGainsfrom1to128Three-WireSerialInterfaceSPI?,QSPI?,MICROWIRE?andDSPCompatibleSchmittTriggerInputonSCLKAbilitytoBuffertheAnalogInput2.7V-3.3Vor4.75V-5.25VOperationPowerDissipation1mWStandbyCurrent8mAmax37工程測試技術(shù)38工程測試技術(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，然后在單位時間內(nèi)用計數(shù)器對脈沖計數(shù)，計數(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，再與計數(shù)器配合可以構(gòu)成高分辨率、低成本的ADC。39工程測試技術(shù)7.各類ADC的比較類型并行比較分級逐次逼近Σ-Δ積分VFC主要特點超高速高速速度精度價格等綜合性價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)字儀表簡易ADC40工程測試技術(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)換時間和轉(zhuǎn)換速率(conversiontime&conversionrate)：ADC完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間稱為轉(zhuǎn)換時間(模數(shù)轉(zhuǎn)換從啟動到結(jié)束所用的時間)。對于大多數(shù)ADC來說，轉(zhuǎn)換時間的倒數(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)格地說指該代碼中點值)的實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工程測試技術(shù)4.6.4D/A轉(zhuǎn)換過程和原理

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