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1、华中科技大学材料学院工程测试技术42 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望华中科技大学材料学院本章目录本章目录4.1 概述（概述（2学时）学时）4.2 信号放大信号放大4.3 调制与解调调制与解调4.4 信号的滤波（信号的滤波（4学时）学时）4.5 数字信号处理概述数字信号处理概述4.6 模数模数(A/D)和数模和数模(D/A)转换转换4.7 数字信号处理中的基本理论（2学时）4.8 数字滤波、数据压缩4.9 信号的输出 2工程测试技术华中科技大学材料学
2、院4.4 信号的滤波信号的滤波4.4.1 概述概述4.4.2 滤波器的一般特性滤波器的一般特性4.4.3 滤波器类型介绍滤波器类型介绍4.4.4 滤波器综合运用滤波器综合运用 3工程测试技术华中科技大学材料学院4.4.1 概述概述滤波：选取信号中感兴趣的成分，而抑制或衰减掉其它不需要的成分。滤波器：能实施滤波功能的装置。滤波方式的分类：l对输入量滤波（简称输入滤波）；l对输出量滤波（简称输出滤波）。滤波器按供电方式的分类：l无源滤波l有源滤波 4工程测试技术华中科技大学材料学院l 根据其选频的方式分类：a)低通滤波低通滤波b)高通滤波高通滤波c)带通滤波带通滤波d)带阻滤波带阻滤波 5工程测试
3、技术华中科技大学材料学院4.4.2 滤波器的一般特性滤波器的一般特性对于一个理想的线性系统来说，若要满足不失真测试的条件，该系统的频率响应函数应为：若一个滤波器的频率响应函数H(f)具有如下形式：则该滤波器称为理想低通滤波器。理想低通滤波器的幅、相频特性 6工程测试技术华中科技大学材料学院1.理想低通滤波器对单位脉冲的响应理想低通滤波器对单位脉冲的响应将单位脉冲输入理想低通滤波器，则它的响应 若考虑t00，亦即有时延时，理想低通滤波器：脉冲响应函数其波形在整个时间轴上延伸，且其输出在输入到来之前，亦即t 2 fa 满足采样定理，只保证不发生频率混叠，而不能保满足采样定理，只保证不发生频率混叠，
4、而不能保证此时的采样信号能真实地反映原信号。工程实际证此时的采样信号能真实地反映原信号。工程实际中采样频率通常大于信号中最高频率成分的中采样频率通常大于信号中最高频率成分的3到到5倍倍奈氏奈氏(Nyquist)准则：准则：如果如果fs 2fa，那么将会将，那么将会将会发生会发生混叠混叠现象现象。2.香农采样定理和奈氏准则香农采样定理和奈氏准则 23工程测试技术华中科技大学材料学院若采样率过低即采样间隔大，则系列的离散时间序列可能不能真正反映原始信号的波形特征，在频域处理时会出现频率混淆现象。3.混叠混叠(aliasing)现象的时域效应现象的时域效应 24工程测试技术华中科技大学材料学院出现混
5、叠现象的临界点出现混叠现象的临界点2fa 25工程测试技术华中科技大学材料学院4.混叠现象的频域解释混叠现象的频域解释 26工程测试技术华中科技大学材料学院物理信号物理信号对象对象传传感感器器电信号电信号放放大大调调制制电信号电信号A/D转换转换数字信号数字信号展开展开低通滤波低通滤波(0-fs/2)放大放大5.A/D采样前的抗混叠滤波采样前的抗混叠滤波 27工程测试技术华中科技大学材料学院4.6.2 量化和量化误差量化和量化误差量化过程量化过程就是把这些采样值取整为最小单位的整数倍，就是把这些采样值取整为最小单位的整数倍，这个最小单位被称为量化单位这个最小单位被称为量化单位，也称作，也称作1
6、LSB。这是模数转换的一这是模数转换的一般关系式，模拟输入电般关系式，模拟输入电压压VxVx的范围为的范围为0V0VREFREF，数字输出数字输出D DN N的范围为：的范围为：0202n n-1-1。28工程测试技术华中科技大学材料学院4.6.3 模数转换器模数转换器(ADC)实现模数转换的方法很多，不同电路结构的A/D其工作原理也不同，性能上的差异也会很大。每一个A/D除了必备的转换电路，还需要适当的模拟输入信号处理电路、数字输出信号接口电路等。因此，A/D的种类非常多，分类问题也就比较复杂。根据工作原理大致可分为：l并行比较型并行比较型(Flash)ADCl分级型分级型(Subrangi
7、ng)ADCl逐次比较型逐次比较型(SAR)ADCl双积分型双积分型(Dual-Slope)ADCl-型型ADCl压频转换型压频转换型(V/F)ADC 29工程测试技术华中科技大学材料学院这种转换器包含2n-1个电压比较器，参考电压VREF被分压成2n阶，VREF/2n，2VREF/2n，3VREF/2n，(2n-1)VREF/2n分别加到这些电压比较器的参考端，模拟输入电压同时加到所有电压比较器的输入端。输入端电压高于参考端电压的比较器输出为1，否则输出为0。2n-1个比较器的输出(连同“零”有2n个输出)经过数字编码获得n位二进制数、即数字输出值。这种转换器的工作原理十分简单，转换器中2n
8、-1个电压比较器完全是并行工作的，因此得名“并行比较型”，习惯上也称为“全并行”。这类ADC的转换速率可高达几十兆次每秒，是各类ADC中转换速度最高的，因此又有“闪烁(Flash)型”ADC之称。1.并行比较型并行比较型(Flash)ADC 30工程测试技术华中科技大学材料学院分级(Subranging)型ADC把一个高分辨率的n位模数转换分成两级(或多级)较低分辨率的转换，第一级用一个m(n)位并行比较型转换器完成粗转换，转换结果作为n位中的高m位，转换误差小于m位的最低有效位；第二级用一个k(n)位并行比较型转换器对第一级转换余下的误差电压再次转换，转换结果作为n位中的低位，其中用m+kn
9、。2.分级型分级型(Subranging)ADC 31工程测试技术华中科技大学材料学院分级转换可以大大减少电压比较器及分压电阻的数量，以12位ADC为例，并行比较型ADC需要2n-1(=4095)个比较器；如果分成各6位分级转换，则只需要26-1+26-1(=126)个比较器。这种分成两级转换的ADC称为“半闪烁”ADC，分成三级或三级以上转换的ADC称为“多级(Multistep)”ADC。分级转换必然影响转换速率。作为提高转换速率的方法是采用多级保持器，第一级转换余下的误差电压被保持在第二级保持器中，在第二级转换同时，第一级就可以对输入电压进行下一次采样和转换，这就大大提高了采样速率，这就
10、是“分级流水(Pipeline)型”ADC。32工程测试技术华中科技大学材料学院这种ADC是用一个电压比较器将模拟输入电压与一个n位DAC的输出电压进行比较，这个n位DAC的数字输入是由一个逐次逼近寄存器(SAR)提供的。SAR在转换器的控制电路控制下，从高位到低位逐位被置1或清0，使DAC的输出电压逐步逼近模拟输入电压，经过m次比较和逼近，最终SAR中的数字(即DAC的输入)就是模数转换的结果。3.逐次比较型逐次比较型(SAR)ADC 33工程测试技术华中科技大学材料学院逐次逼近的过程类似于用天平和法码称量一个物体的质量，从大法码到小法码逐一试称的过程。由于要经历m次比较，所以转换速度不如前
11、两种，但转换器包含的元件数量较少，能以较低的制造成本获得较高的分辨率因此在中、低速应用场合得到广泛应用。34工程测试技术华中科技大学材料学院积分型ADC属于间接转换型。转换器中的积分器把模拟输入电压转换成与之成比例的时间间隔，在这时间间隔内一个n位计数器对频率固定的时钟脉冲计数，最终的计数值与时间间隔成正比，反映了输入平均电压的大小。为了减小积分器的元件参数和参考电压对积分精度的影响，通常要对输入电压和参考电压各进行一次积分，因此又称为双积分型ADC。该ADC结构简单，成本低，能抑制高额噪声，但工作速度比较低，因此积分型ADC被广泛用于低频、高精度的数字仪表电路中。4.双积分型双积分型(Dua
12、l-Slope)ADC 35工程测试技术华中科技大学材料学院5.-型型ADC-型ADC以很低的采样分辨率(1位)和很高的采样速率将模拟信号数字化，利用过采样技术、噪声整形和数字滤波技术增加有效分辨率。近年来-模数转换技术发展很快，转换分辨率已高达24位，在各类模数转换器中分辨率是最高的，因此在低成本、高分辨率的低频（直流到音频）信号处理场合得到了广泛应用，有取代双积分型ADC的趋势。36工程测试技术华中科技大学材料学院AD7705FEATURES:Two Fully Differential Input Channel ADCs16 Bits No Missing Codes0.003%Non
13、linearityProgrammable Gain Front EndGains from 1 to 128Three-Wire Serial InterfaceSPI,QSPI,MICROWIRE and DSP CompatibleSchmitt Trigger Input on SCLKAbility to Buffer the Analog Input2.7 V-3.3 V or 4.75 V-5.25 V OperationPower Dissipation 1 mWStandby Current 8 mA max 37工程测试技术华中科技大学材料学院 38工程测试技术华中科技大学
14、材料学院6.压频转换型压频转换型(V/F)ADC压频转换又称V/F转换。首先把模拟电压转换成频率与该电压成正比的脉冲信号，然后在单位时间内用计数器对脉冲计数，计数值与频率成正比，反映了模拟电压的大小。V/F型也属间接转换型，中间变量是频率。专用的V/F转换芯片已非常成熟，再与计数器配合可以构成高分辨率、低成本的ADC。39工程测试技术华中科技大学材料学院7.各类各类ADC的比较的比较类型类型并行比较并行比较分级分级逐次逼近逐次逼近-积分积分VFC主要主要特点特点超高速高速速度精度价格等综合性价比较高高分辨率高精度高精度低成本高抗干扰能力低成本高分辨率分辨率分辨率610b816b816b1624
15、b1216b816b转换转换时间时间几十ns几十几百ns几几十s几几十ms几十几百ms几十几百ms采样采样频率频率几十MSPS几MSPS几十几百KSPS几十KSPS几几十SPS几几十SPS价格价格高高中中低低主要主要用途用途超高速视频处理视频处理高速数据采集数据采集工业控制音频处理数字仪表数字仪表数字仪表简易ADC 40工程测试技术华中科技大学材料学院 8.A/D转换器的主要技术指标转换器的主要技术指标 1.分辨率(resolution)：指模数转换器在转换中所能分辨的最小量，习惯上用转换结果的位数表示。例如，称12位ADC具有12位分辨率。2.转换时间和转换速率(conversion tim
16、e&conversion rate)：ADC完成一次转换所需的时间称为转换时间(模数转换从启动到结束所用的时间)。对于大多数ADC来说，转换时间的倒数即为转换速率(每秒转换次数)。3.精度(Accuracy)：产生各输出代码所需模拟量(严格地说指该代码中点值)的实际值与理论值之差的最大值称为精度。精度是零位误差、增益误差、积分线性误差、微分线性误差，温度漂移等综合因素引起的总误差。精度可用LSB的倍率表示，也可用相对于满度范围的百分比(FSR)表示。积分线性误差和微分线性误差是影响转换精度的主要因素。4.满度范围、量程、输入范围(full-scale range,Span，Input rang
17、e)：均指模拟输入量的最大允许值与最小允许值之差，英文缩写为FSR。41工程测试技术华中科技大学材料学院4.6.4 D/A转换过程和原理转换过程和原理D/A转换器转换器是把数字信号转换为电压或电流信是把数字信号转换为电压或电流信号的装置。号的装置。D/A转换器的主要技术指标有：转换器的主要技术指标有：分辨率分辨率;转换速度转换速度;模拟信号的输出范围。模拟信号的输出范围。42工程测试技术华中科技大学材料学院1.D/A转换器的组成基准电压（电流）模拟二进制数的位切换开关产生二进制权电压（电流）的精密电阻网络提供电压（电流）相加输出的运算放大器 43工程测试技术华中科技大学材料学院2.D/A转换器
18、的原理转换原理可以归纳为“按权展开，然后相加”。因此，D/A转换器内部必须要有一个解码网络，以实现按权值分别进行D/A转换。解码网络通常有两种：二进制加权电阻网络和T型电阻网络。44工程测试技术华中科技大学材料学院4位权电阻网络D/A转换器原理图E为基准电压S1S4为晶体管位切换开关，受二进制各位状态控制 相应位为“0”，开关接地 相应位为“1”，开关接E2nR为权电阻网络，其阻值与各位权相对应，权越大，电阻越大(电流越小)，以保证一定权的数字信号产生相应的模拟电流 45工程测试技术华中科技大学材料学院设输入数字量为D，采用定点二进制小数编码，D可表示为：当ai=1时，开关接基准电压E，相应支路产生的电流为 当ai=0时，开关接地，相应支路中没有电流。因此，各支路电流可以表示为：这里 46工程测试技术华中科技大学材料学院运算放大器输出的模拟电压为可见，D/A转换器的输出电压 U 正比于输入数字量 D 缺点：位数越多，阻值差异越大 47工程测试技术华中科技大学材料学院T型电阻网络(R-2R)D/A转换器原理图 48工程测试技术华中科技大学材料学院T型电阻网络支路电流的等效电路 49工程测试技术华中科技大学材料学院3.DAC的典型应用DAC0808的电路结构框图 50工程测试技术华中科技大学材料学院DAC0808的典型应用 51工程测试技术