故障录波器范文第1篇
专业课程设计任务书
学生姓名
xx
专业班级
电信
学号
xxxx
题
目
用双线性变换法设计原型低通为巴特沃兹型的数字IIR高通滤波器
课题性质
其它
课题来源
自拟课题
指导教师
xxx
同组姓名
xxxx
主要内容
用双线性变换法设计原型低通为巴特沃兹型的数字IIR高通滤波器，要求通带边界频率为500Hz，阻带边界频率分别为400Hz，通带最大衰减1dB，阻带最小衰减40dB，抽样频率为2000Hz，用MATLAB画出幅频特性，画出并分析滤波器传输函数的零极点;
信号经过该滤波器，其中300Hz，600Hz，滤波器的输出是什么?用Matlab验证你的结论并给出的图形。
任务要求
1、掌握用双线性变换法设计原型低通为巴特沃兹型的数字IIR高通滤波器的原理和设计方法。
2、求出所设计滤波器的Z变换。
3、用MATLAB画出幅频特性图。
4、验证所设计的滤波器。
参考文献
1、程佩青著，《数字信号处理教程》，清华大学出版社，2001
2、Sanjit
K.
Mitra著，孙洪，余翔宇译，《数字信号处理实验指导书(MATLAB版)》，电子工业出版社，2005年1月
3、郭仕剑等，《MATLAB
7.x数字信号处理》，人民邮电出版社，2006年
4、胡广书，《数字信号处理
理论算法与实现》，清华大学出版社，2003年
审查意见
指导教师签字：
教研室主任签字：
年
月
日
说明：本表由指导教师填写，由教研室主任审核后下达给选题学生，装订在设计(论文)首页
1
需求分析
当今，数字信号处理(DSP：Digtal
Signal
Processing)技术正飞速发展，它不但自成一门学科，更是以不同形式影响和渗透到其他学科：它与国民经济息息相关，与国防建设紧密相连;它影响或改变着我们的生产、生活方式，因此受到人们普遍的关注。
数字化、智能化和网络化是当代信息技术发展的大趋势，而数字化是智能化和网络化的基础，实际生活中遇到的信号多种多样，例如广播信号、电视信号、雷达信号、通信信号、导航信号、射电天文信号、生物医学信号、控制信号、气象信号、地震勘探信号、机械振动信号、遥感遥测信号，等等。上述这些信号大部分是模拟信号，也有小部分是数字信号。模拟信号是自变量的连续函数，自变量可以是一维的，也可以是二维或多维的。大多数情况下一维模拟信号的自变量是时间，经过时间上的离散化(采样)和幅度上的离散化(量化)，这类模拟信号便成为一维数字信号。因此，数字信号实际上是用数字序列表示的信号，语音信号经采样和量化后，得到的数字信号是一个一维离散时间序列;而图像信号经采样和量化后，得到的数字信号是一个二维离散空间序列。数字信号处理，就是用数值计算的方法对数字序列进行各种处理，把信号变换成符合需要的某种形式。例如，对数字信号经行滤波以限制他的频带或滤除噪音和干扰，或将他们与其他信号进行分离;对信号进行频谱分析或功率谱分析以了解信号的频谱组成，进而对信号进行识别;对信号进行某种变换，使之更适合于传输，存储和应用;对信号进行编码以达到数据压缩的目的，等等。
数字滤波技术是数字信号分析、处理技术的重要分支[2-3]。无论是信号的获取、传输，还是信号的处理和交换都离不开滤波技术，它对信号安全可靠和有效灵活地传输是至关重要的。在所有的电子系统中，使用最多技术最复杂的要算数字滤波器了。数字滤波器的优劣直接决定产品的优劣。
本次课程设计的内容为用双线性变换法设计原型低通为巴特沃兹型的数字IIR高通滤波器，要求通带边界频率为500Hz，阻带边界频率分别为400Hz，通带最大衰减1dB，阻带最小衰减40dB，抽样频率为2000Hz，用MATLAB画出幅频特性，画出并分析滤波器传输函数的零极点;
信号经过该滤波器，其中300Hz，
600Hz，滤波器的输出是什么?用Matlab验证你的结论并给出的图形。
2
概要设计：
2.
1
数字滤波器介绍
数字滤波器是具有一定传输选择特性的数字信号处理装置,其输入、输出均为数字信号,实质上是一个由有限精度算法实现的线性时不变离散系统。它的基本工作原理是利用离散系统特性对系统输入信号进行加工和变换,改变输入序列的频谱或信号波形,让有用频率的信号分量通过,抑制无用的信号分量输出。数字滤波器和模拟滤波器有着相同的滤波概念,根据其频率响应特性可分为低通、高通、带通、带阻等类型,与模拟滤波器相比,数字滤波器除了具有数字信号处理的固有优点外,还有滤波精度高(与系统字长有关)、稳定性好(仅运行在0与l两个电平状态)、灵活性强等优点。
时域离散系统的频域特性:,其中、分别是数字滤波器的输出序列和输入序列的频域特性(或称为频谱特性),是数字滤波器的单位取样响应的频谱，又称为数字滤波器的频域响应。输入序列的频谱经过滤波后,因此，只要按照输入信号频谱的特点和处理信号的目的，
适当选择，使得滤波后的满足设计的要求，这就是数字滤波器的滤波原理。
2.
2
IIR数字滤波器的设计方法
IIR数字滤波器的基本结构
一个数字滤波器可以用系统函数表示为：
(2-1)
由这样的系统函数可以得到表示系统输入与输出关系的常系数线形差分程为：
(2-2)
可见数字滤波器的功能就是把输入序列x(n)通过一定的运算变换成输出序列y(n)。不同的运算处理方法决定了滤波器实现结构的不同。无限冲激响应滤波器的单位抽样响应h(n)是无限长的，其差分方程如(2-2)式所示，是递归式的，即结构上存在着输出信号到输入信号的反馈，其系统函数具有(2-1)式的形式，因此在z平面的有限区间(0<︱z︱<∞)有极点存在。
前面已经说明，对于一个给定的线形时不变系统的系统函数，有着各种不同的等效差分方程或网络结构。由于乘法是一种耗时运算，而每个延迟单元都要有一个存储寄存器，因此采用最少常熟乘法器和最少延迟支路的网络结构是通常的选择，以便提高运算速度和减少存储器。然而，当需要考虑有限寄存器长度的影响时，往往也采用并非最少乘法器和延迟单元的结构。
IIR滤波器实现的基本结构有：
(1)IIR滤波器的直接型结构;
优点：延迟线减少一半，变为N
个，可节省寄存器或存储单元;
缺点：其它缺点同直接I型。
通常在实际中很少采用上述两种结构实现高阶系统，而是把高阶变成一系列不同组合的低阶系统(一、二阶)来实现。
(2)IIR滤波器的级联型结构;
特点：系统实现简单，只需一个二阶节系统通过改变输入系数即可完成;
·
极点位置可单独调整;
·
运算速度快(可并行进行);
·
各二阶网络的误差互不影响，总的误差小，对字长要求低。
缺点：
不能直接调整零点，因多个二阶节的零点并不是整个系统函数的零点，当需要准确的传输零点时，级联型最合适。
(3)IIR滤波器的并联型结构。
优点：
·
简化实现，用一个二阶节，通过变换系数就可实现整个系统;
·
极、零点可单独控制、调整，调整α1i、α2i只单独调整了第i对零点，调整β1i、β2i则单独调整了第i对极点;
·
各二阶节零、极点的搭配可互换位置，优化组合以减小运算误差;
·
可流水线操作。
缺点：
·
二阶阶电平难控制，电平大易导致溢出，电平小则使信噪比减小。
a、直接型
b、并联型
c、串联型
2.
3
巴特沃兹滤波器
(Butterworth
滤波器)
特点：具有通带内最大平坦的振幅特性，且随f↗，幅频特性单调↘。
其幅度平方函数：
N为滤波器阶数，如图1
图1、
巴特沃斯滤波器振幅平方特性
通带：
使信号通过的频带
阻带：抑制噪声通过的频带
过渡带：通带到阻带间过渡的频率范围
Ωc
：截止频率。
过渡带为零
理想滤波器
阻带|H(jΩ
)|=0
通带内幅度|H(jΩ)|=cons.
H(jΩ)的相位是线性的
图3-1中，N增加，通带和阻带的近似性越好，过渡带越陡。
通带内，分母Ω/Ωc<1,
(
Ω/Ωc)2N<1，A(Ω2)→1。
过渡带和阻带，Ω/Ωc>1，
(
Ω/Ωc)2N>1,
Ω增加，
A(Ω2)
快速减小。
Ω=Ωc,
,,幅度衰减，相当于3db衰减点。
振幅平方函数的极点
可见，Butter
worth滤波器
的振幅平方函数有2N个极点，它们均匀对称地分布在|S|=Ωc的圆周上。
考虑到系统的稳定性，知DF的系统函数是由S平面左半部分的极点(SP3，SP4，SP5)组成的，它们分别为：
系统函数为
令
，得归一化的三阶BF：
如果要还原的话，则有
2.
4
双线性变法法
目的：将模拟带通滤波器转换成数字高通滤波器
为了克服冲激响应法可能产生的频率响应的混叠失真，这是因为从S平面到Z平面是多值的映射关系所造成的。为了克服这一缺点，可以采用非线性频率压缩方法，将整个频率轴上的频率范围压缩到-π/T～π/T之间，再用z=esT转换到Z平面上。也就是说，第一步先将整个S平面压缩映射到S1平面的-π/T～π/T一条横带里;第二步再通过标准变换关系z=es1T将此横带变换到整个Z平面上去。这样就使S平面与Z平面建立了一一对应的单值关系，消除了多值变换性，也就消除了频谱混叠现象，映射关系如图2
图2双线性变换的映射关系
为了将S平面的整个虚轴jΩ压缩到S1平面jΩ1轴上的-π/T到π/T段上，可以通过以下的正切变换实现
式中,T仍是采样间隔。
当Ω1由-π/T经过0变化到π/T时，Ω由-∞经过0变化到+∞，也即映射了整个jΩ轴。将式写成
将此关系解析延拓到整个S平面和S1平面，令jΩ=s，jΩ1=s1，则得
再将S1平面通过以下标准变换关系映射到Z平面
z=es1T
从而得到S平面和Z平面的单值映射关系为：
首先,把z=ejω，可得
即S平面的虚轴映射到Z平面的单位圆。
其次，将s=σ+jΩ代入式，得
因此
由此看出，当σ<0时，|z|<1;当σ>0时，|z|>1。也就是说，S平面的左半平面映射到Z平面的单位圆内，S平面的右半平面映射到Z平面的单位圆外，S平面的虚轴映射到Z平面的单位圆上。因此，稳定的模拟滤波器经双线性变换后所得的数字滤波器也一定是稳定的。
双线性变换法优缺点：双线性变换法与脉冲响应不变法相比，其主要的优点是避免了频率响应的混叠现象。这是因为S平面与Z平面是单值的一一对应关系。S平面整个jΩ轴单值地对应于Z平面单位圆一周，即频率轴是单值变换关系。这个关系如式所示，重写如下：
上式表明，S平面上Ω与Z平面的ω成非线性的正切关系
由图3看出，在零频率附近，模拟角频率Ω与数字频率ω之间的变换关系接近于线性关系;但当Ω进一步增加时，ω增长得越来越慢，最后当Ω→∞时，ω终止在折叠频率ω=π处，因而双线性变换就不会出现由于高频部分超过折叠频率而混淆到低频部分去的现象，从而消除了频率混叠现象。
图3双线性变换法的频率变换关系
但是双线性变换的这个特点是靠频率的严重非线性关系而得到的，如式(及图4所示。由于这种频率之间的非线性变换关系，就产生了新的问题。首先，一个线性相位的模拟滤波器经双线性变换后得到非线性相位的数字滤波器，不再保持原有的线性相位了;其次，这种非线性关系要求模拟滤波器的幅频响应必须是分段常数型的，即某一频率段的幅频响应近似等于某一常数(这正是一般典型的低通、高通、带通、带阻型滤波器的响应特性)，不然变换所产生的数字滤波器幅频响应相对于原模拟滤波器的幅频响应会有畸变，如图5所示。
图5双线性变换法幅度和相位特性的非线性映射
对于分段常数的滤波器，双线性变换后，仍得到幅频特性为分段常数的滤波器，但是各个分段边缘的临界频率点产生了畸变，这种频率的畸变，可以通过频率的预畸来加以校正。也就是将临界模拟频率事先加以畸变，然后经变换后正好映射到所需要的数字频率上。
2.
5
设计步骤
根据以上FIR数字滤波器设计方法，下面运用双线性变换法基于MATLAB设计一个FIR高通滤波器，其中通带边界频率为500Hz，阻带边界频率分别为400Hz，通带最大衰减1dB，阻带最小衰减40dB，抽样频率为2000Hz
(1)确定性能指标
在设计高通滤波器之前,首先根据工程实际的需要确定滤波器的技术指标:
(2)频率预畸变
用Ω=2/T*tan(w/2)对高通数字滤波器H(z)的数字边界频率预畸变,得到高通模拟滤波器H(s)的边界频率主要是通带截止频率Wp1;阻带截止频率Ws1，的转换。
(3)模拟高通性能指标转换成模拟低通性能指标
WP=1;
%归一化处理
WS=WP*
Wp1/
Ws1;
(4)模拟低通滤波器的构造
借助巴特沃兹滤波器得到模拟低通滤波器的传输函数。
(5)模拟低通滤波器转换成模拟高通滤波器
调用lp2bp函数将模拟低通滤波器转化为模拟高通滤波器。
(6)模拟高通滤波器转换成数字高通滤波器
利用双线性变换法将模拟高通滤波器Ha(s)转换成数字高通滤波器H(z)。
(7)输入信号检验滤波器性能
输入不同频率的正弦波，观察输出波形，检验滤波器性能。
2.
6
程序流程图
开始
↓
读入数字滤波器技术指标
↓
将指标转换成归一化模拟低通滤波器的指标
↓
↓
模拟域频率变换，将G(P)变换成模拟高通滤波器H(s)
↓
用双线性变换法将H(s)转换成数字高通滤波器H(z)
↓
输入信号后显示相关结果
结束
2.
7
问题分析
(1)
在设计高通滤波器时，首先要将数据进行归一化这样可以提高设计的准确性。
(2)
在设计信号的输入时，课程中的数据f2如果是600HZ时，则复合信号通过滤波器时无法输出正常的信号X2，这说明频率太低，而被全被滤除，在将频率改至3000HZ之后则能输出符合设计要求的信号。
(3)
信号通过滤波器后输出的信号与x2的信号开始部分有点失真，这时因为信号并不是非常理想的通过滤波器的，在通过滤波器时受到滤波器的影响是从不稳定逐渐趋向稳定的。
3
运行环境
Windows
xp
4
开发工具和编程语言
Matlab
6.5
5
详细设计
clc;clear
all
Rp
=
1;
%
通带衰减/dB
Rs
=
40;
%阻带衰减/dB
OmegaP1_1=500;
%
通带边界频率
OmegaS1_1=400;
%
阻带边界频率
Fp=2000;
%
抽样频率
Wp1=2*pi*OmegaP1_1/Fp;
%
通带频率模数转换
Ws1=2*pi*OmegaS1_1/Fp;
%
阻带频率模数转换
OmegaP1=tan(Wp1/2);
%
通带频率非线性变换
OmegaS1=tan(Ws1/2);
%
阻带频率非线性变换
Eta_P=OmegaP1/OmegaP1;
%归一化
Eta_S=OmegaS1/OmegaP1;
%归一化
Lemta_P_EquivalentLowPass=1/Eta_P;
Lemta_S_EquivalentLowPass=1/Eta_S;
%
估计滤波器阶数
[N,
Wn]
=
buttord(Lemta_P_EquivalentLowPass,
Lemta_S_EquivalentLowPass,
Rp,
Rs,'s');
%设计滤波器
[num1,den1]
=
butter(N,Wn,'s');
[num2,den2]=lp2hp(num1,den1,OmegaP1);
[num,den]=bilinear(num2,den2,0.5);
[z,p,k]=tf2zp(num,den)
%显示传输函数
disp('分子系数是');disp(num);
disp('分母系数是');disp(den);
%
计算增益响应
w
=
0:pi/255:pi;
h
=
freqz(num,den,w);
g
=
20*log10(abs(h));
%
绘制增益响应
figure;
plot(w/pi,g);grid
%绘制巴特沃兹高通滤波器幅频特性
axis([0
1
-60
5]);
xlabel('omega
/pi');
ylabel('增益/
dB');
title('巴特沃兹高通滤波器');
figure;
zplane(z,p);%绘制传输函数零极点
title('传输函数的零极点');
f1=300,f2=3000;
n=0:600;t=n/10000;
x1=sin(2*pi*f1*t);
x2=sin(2*pi*f2*t);
x=x1+x2;
figure;
subplot(2,2,1)%绘制x1的波形
plot(x1);grid
on;
axis([0,50*pi,-3,3]);
xlabel('t');ylabel('x1(t)');
title('x1的波形');
subplot(2,2,2)%绘制x1的波形
plot(x2);grid
on;
axis([0,50*pi,-3,3]);
xlabel('t');ylabel('x2(t)');
title('x2的波形');
subplot(2,2,3)%绘制输入x的波形
plot(x);grid
on;
axis([0,50*pi,-3,3]);
xlabel('t');ylabel('x(t)');
title('输入信号x的波形')
y=filter(num,den,x);%数字滤波器输出
subplot(2,2,4);%绘制输出y的波形
plot(y);
grid
on;
axis([0,50*pi,-3,3]);
xlabel('t');ylabel('y');
title('滤波器输出y的波形')
6
调试分析
z
=
1.3186
+
0.0728i
1.3186
-
0.0728i
1.2471
+
0.1915i
1.2471
-
0.1915i
1.1460
+
0.2529i
1.1460
-
0.2529i
1.0478
+
0.2773i
1.0478
-
0.2773i
0.9460
+
0.2698i
0.9460
-
0.2698i
0.8580
+
0.2250i
0.8580
-
0.2250i
0.7968
+
0.1570i
0.7968
-
0.1570i
0.7632
+
0.0792i
0.7632
-
0.0792i
0.7531
p
=
0.0444
+
0.9106i
0.0444
-
0.9106i
0.0381
+
0.7545i
0.0381
-
0.7545i
0.0336
+
0.6187i
0.0336
-
0.6187i
0.0303
+
0.4976i
0.0303
-
0.4976i
0.0279
+
0.3871i
0.0279
-
0.3871i
0.0262
+
0.2843i
0.0262
-
0.2843i
0.0251
+
0.1868i
0.0251
-
0.1868i
0.0245
+
0.0926i
0.0245
-
0.0926i
0.0243
k
=
7.3789e-005
分子系数是
Columns
1
through
6
0.0001
-0.0013
0.0100
-0.0502
0.1756
-0.4566
Columns
7
through
12
0.9132
-1.4350
1.7938
-1.7938
1.4350
-0.9132
Columns
13
through
18
0.4566
-0.1756
0.0502
-0.0100
0.0013
-0.0001
分母系数是
Columns
1
through
6
1.0000
-0.5247
2.4322
-1.0556
2.2461
-0.7954
Columns
7
through
12
1.0097
-0.2858
0.2357
-0.0517
0.0283
-0.0046
Columns
13
through
18
0.0016
-0.0002
0.0000
-0.0000
0.0000
-0.0000
f1
=
300
7
测试结果
8
实验总结
通过此次课程设计我对数字信号处理有了进一步的认识，但是由于自己数字信号处理的理论课程没有达到很深的了解，对数字滤波器的设计缺少认识，因此在此次课程设计中我还是遇到了很多问题。在加上自己在matlab软件应用方面存在一些问题，所以比较吃力。因此在设计过程中，我是看了遍数字信号处理的教科书并且特别注重看了关于数字滤波器的设计的内容，再通过利用参考文献与网络，完成了用Matlab进行数字信号处理课程设计。
通过课程设计，不仅加深了对理论知识的了解,巩固了课堂上所学的理论知识,而且还增加了自己的动手能力，并且理解与掌握数字信号处理中的基本概念、基本原理、基本分析方法。与其他高级语言的程序设计相比，MATLAB环境下可以更方便、快捷地设计出具有严格线性相位的FIR滤波器，节省大量的编程时间，提高编程效率，且参数的修改也十分方便，还可以进一步进行优化设计。相信随着版本的不断提高，MATLAB在数字滤波器技术中必将发挥更大的作用。同时，用MATLAB计算有关数字滤波器的设计参数，如H(z)、h(n)等，对于数字滤波器的硬件实现也提供了一条简单而准确的途径和依据。
总之，这次课程设计设计不仅增强了自己的理论知识，加强了自己的动手能力，而且还培养了自己遇到问题之后如何去发现问题、解决问题的能力。此次课程设计对自己在许多方面都有了很大的帮助。最后还要感谢指导老师的辛勤知道和教育!
参考文献
[1]、程佩青著，《数字信号处理教程》，清华大学出版社，2001
[2]、Sanjit
K.Mitra著，孙洪，余翔宇译，《数字信号处理实验指导书(MATLAB版)》，电子工业出版社，2005年1月
[3]、郭仕剑等，《matlab7.x数字信号处理》，人民邮电出版社，2006年
[4]、胡广书，《数字信号处理理论算法与实现》，清华大学出版社，2003
[5]、Sanjit
故障录波器范文第2篇
1 示波器的原理及组成
1.1 基本种类
常用的示波器按技术原理可分为模拟示波器和数字示波器, 模拟示波器可以分为通用示波器、多束示波器和取样示波器。而数字示波器可分为数字存储示波器和数字荧光示波器。
1.2 通用示波器的组成原理
通用示波器是示波器中应用最广泛的一种。通用示波器通常指采用单束示波管, 除取样及专用或特殊示波器外的各种示波器。它主要由示波管、垂直通道和水平通道组成。此外, 还包括电源电路, 以及由它产生示波管和仪器电路中需要的多种电源。通用示波器中还常附有校准信号发生器, 可以确定被测信号中任意两点间的电压或时间关系。
(1) 示波管。示波管是示波器的核心部件, 普通示波管的基本结构包括三部分:电子枪、偏转系统和显示部分 (荧光屏) 。这三部分被整个密封在玻璃壳内, 就其用途而言, 它是把电信号变成光信号的转换器。电子枪的作用是发射电子并形成很细的高速电子束。偏转系统是用电场来控制的, 通过所加电压的大小来控制电子束的偏转方向和大小。荧光屏一般为圆形曲面或矩形平面, 其内壁沉积有荧光物质, 形成荧光膜。它的受到电子轰击后, 将其动能转化为光能, 形成亮点。当电子束随信号电压偏转时, 这个亮点的移动就形成了信号的波形。
(2) Y通道。示波器的Y通道的任务是将被观测的信号尽量不失真地加到示波管Y偏转板上, 通常包括探头、输入衰减器、Y前置放大器、延迟线和Y输出放大器等部分。
(3) X通道。X通道包括扫描电路、触发同步电路及X轴放大电路等, 主要任务是形成、控制和放大锯齿波电压, 使屏幕上稳定而准确地显示出被测信号的波形。
2 示波器在信号测量中的应用
2.1 电压的测量
利用示波器测电压有它独特的特点, 除了可以测量各种波形的任何瞬时值 (如电压幅度, 包括测量脉冲和各种非正弦电压的幅度) , 还可以直接测量非正弦波形, 这是其他电压测量仪表无法做到的。如利用示波器, 可以测量一个脉冲电压波形的各部分的电压幅值, 例如上冲量、顶部下降量等。
使用示波器测量交流电压的最大优点是可以直接观测到波形的形状, 可看到波形是否失真, 还可读出其频率和相位。但是, 使用示波器只能测量交流电压的峰-峰值, 或任意两点间电位差值, 其有效值或平均值是无法直接示得的。
2.2 时间、周期和频率的测量
用示波器测量时间与用示波器测量电压的原理相同, 只不过测量所关注的是X轴系统。将扫描微调旋钮置于校准位置, 选用合适的Y轴输入耦合方式。
用示波器测量信号频率的方法基本上可分为两大类。一种是利用扫描工作方式;另一种是用示波器的X-Y工作方式。由于这种方式采用的是频率比, 因而它的测量准确度取决于标准信号发生器的频率准确度和稳定度。这种方法一般适用于被测信号频率和标准频率十分稳定的低频信号, 而且一般要求两频率比最大不超过10, 否则图形过于复杂而难以测量。
时间间隔的测量与周期的测量方法完全相同, 只不过X为波形两点 (根据被测定具体的两个点) 之间的水平距离。基于此方法, 利用双踪示波器可测出两输入信号之间的时间差。
2.3 脉冲的测量
在脉冲和数字电路中, 实际的脉冲 (或方波) 可能存在各种不完美的情况, 理论上脉冲应是矩形, 而在实际中并不完全如此。脉冲顶端并不完全平坦, 有些倾斜, 脉冲顶部的倾斜量叫做衰减 (或SAG) 。在波形中的电压陡变叫做尖脉冲, 这在数字电路中尤为普通。尖脉冲足以大到使数字信号进入未明确规定的区域, 严重时甚至使逻辑状态发生变化, 破坏电路正常工作。利用示波器可观察、测量脉冲的上升、下降时间、测量脉冲的上升时间和测量时间间隔, 可采用测量电压的方法进行, 需注意的是测量所用的示波器的带宽和上升时间必须足够, 以免影响测量脉冲。
2.4 频率响应的测量
利用示波器与信号发生器配合可以测量电路的频率响应。一种方法是利用示波器测量交流信号电压的方法逐点测出被测电路在不同频率点上的响应电压大小, 然后据此绘出被测电路的频率响应曲线, 这就是点频率测量法。它虽然是有效的, 但由于测量点不可能很多, 因而测量结果的细节不会很好, 特别是有可能正好漏掉某些关键的转折点, 并且测量时间较长, 不利于自动测量。另一种利用示波器测量频率响应的方法是, 运用扫频信号发生器加快测量速度。示波器以X-Y方式工作, 扫频信号发生器输出的扫频正弦波连接到被测电路的输入端, 被测电路的输出端被接到示波器的垂直信号道。扫频信号发生器的扫描电压驱动示波器的水平轴, 当扫频信号发生器进行频率扫描时, 该扫频信号发生器的扫描电压与频率成比例地迅速上升, 示波器即显示被测电路的输出。用这种方法可将电路的全部频率响应迅速地显示在示波器上。
3 结语
总的来说, 示波器在各种信号的测量上有着十分重要的地位。被广泛地应用于测量电压、同时、周期、频率、相位、脉冲、频率响应等方面, 有着不可替代的作用。随着科技的进步, 数字存储示波器也被广泛地用于测量, 与模拟示波器相比, 数字存储式示波器进行测量时不仅比较方便, 而且有许多测量内容是模拟示波器达不到的, 例如捕捉尖峰干扰信号, 测量被测信号的平均值、频谱, 测量和处理高速数字系统信号等。掌握示波器的使用, 对于电路中的各项指标的测量是十分重要的, 在电子测量中有着广泛的用途。
摘要：示波器是电子示波器的简称, 是一种基本的、应用最广泛的时域测量仪器。它能让人们观察到信号波形的全貌, 能测量信号的幅度、频率、周期等基本量, 能测量脉冲信号的脉宽、占上升、下降时间、上冲、振铃等参数, 还能测量两个信号的时间和相位关系。本文将分析电子示波器的工作原理、基本组成以及在信号测量中的应用。
关键词：示波器,幅度,频率,脉冲,相位
参考文献
[1] 梁驹.示波器的发展与合理选择[J].现代仪器, 2006 (6) .
[2] 邰贵江.示波器使用实验的教学探讨[J].硅谷, 2009 (16) .
[3] 王全宇.示波器扫描与触发方式的选择[J].物理大学实验, 2010 (23) .
[4] 祁丹.浅谈示波器幅度测量误差的校准[J].科协论坛, 2010 (11) .
故障录波器范文第3篇
在广播电视发射系统中, 不同频率的射频信号均是通过射频滤波器进行分离的, 射波滤波器将不需要的信号抑制在外, 只让系统所需的信号通过。滤波器是广播电视发射系统中不可或缺的重要设备之一。通常在发射机输出端与天线之间设置输出滤波器, 以抑制发射机所产生的带外信号, 从而对输出信号的频谱做进一步的规范。滤波器有很多种, 其分类方法也各不相同, 比如由实现选频功能进行分类, 可以分为低通、高通、带通以及带阻和全通等几种;按照滤波器函数近似方法又可以分为巴特沃斯滤波器、反切比雪夫滤波器以及切比雪夫滤波器和贝塞尔滤波器等几种;而按照处理输入模拟信号的方法又可以分为离散时间模拟及连续时间模拟两种。滤波器的设计思想是按照滤波器的相关指标要求选择低通原型滤波器和谐振腔数目, 在利用频率变换得出滤波器的理论模型后, 再结合实际的电路结构实现滤波器。
2 滤波器的典型结构
调频的发射频率为50MHz, 为VHF波段, 而电视的发射频率则为860MHz, 为UHF波段, 二者的发射频率均相对较高, 如果滤波功能通过集中参数元件来实现, 那么对于器件的损耗会非常大, 设备的功率容量就会受到局限, 并且无法保证稳定的性能。所以通常情况下, 高频率滤波器均是通过分布电容及分布电感的方式实现的。微波滤波器最常用的两种实现结构为同轴传输线及波导。按照信号频率通带范围可以将滤波器分为低通、高通以及带通和带阻几种, 在广播电视发射系统中这四种滤波器均会用到, 而这四种中, 带通滤波器的应用又是最广泛的。
2.1 低通和高通滤波器
低通滤波器一个非常典型的结构就是高低阻抗传输线的交替级联所组成的糖葫芦式滤波器, 其电感是采用高阻抗线进行等效串联的, 而电容则是通过低阻抗线实现等效并联的。通过对其高低阻抗值和长度的调整就能制造出性能好、结构简单的低通滤波器。而高通滤波器的一般结构是利用同轴短路短截线进行电感的并联, 电容的串联则是在内导体圆盘中铺垫聚四氟乙烯来实现, 最后构成梯形的高通滤波器。
2.2 带通和带阻滤波器
在广播电视发射系统中, 带阻滤波器通常用来衰减某些相对特殊的频率。通常带阻滤波器采用电容耦合短截线谐振器构成, 其中阻带中心频率中短截线的波长近似是1/4谐振器之间的间隔波长同样近似1/4。
而带通滤波器是目前在广播电视发射系统中应用范围比较广泛的一种, 可以按照通带相对的带宽将其分为窄带带通及宽带带通两种。通常窄带滤波器的相对带宽不大于20%, 而宽带滤波器的相对带宽则不小于40%, 对于广播电视系统来说, 比较常用窄带带通滤波器, 例如频道滤波器。窄带带通滤波器最典型的结构就是级联式耦合谐振腔结构。带通滤波器中最主要的部分就是谐振腔, 其在相应的体积内对电磁能量可以起到一定限定作用。滤波器性能的好坏是由谐振腔的好坏而决定的。评价谐振腔性能的主要指标共有两个, 分别为品质因数及谐振频率。所谓的谐振频率是指在谐振回路上电磁能量进行转换的频率它的大小受着回路形状和模式的影响;而谐振回路的损耗直接影响着品质因数, 即Q值, 它所指的是在谐振时广播电视发射系统中所储存的磁能或电能和一个周期内系统损耗能量比的二倍。谐振腔中的品质因数越高, 表明其谐振响应曲线就越尖锐。通常来说, 开路谐振腔或者同轴短路的典型无级品质因为大概为几千, 同轴谐振腔的品质因数要明显小于波导的品质因数会明显, 而矩形波导的品质因数又低于圆波导的品质因数。通常圆波导典型无载品质因数大概在20000~40000之间, 而矩形波导典型无载品质因数的值则在10000~20000之间。
比较常用的谐振腔有波导和同轴谐振腔两种, 其中VHF、UHF以及FM频段主要采用同轴谐振腔, 常见的同轴谐振腔为一端短路、一端加载的同轴腔。同轴线的内外导体长度、同轴线的特性阻抗议直接影响着腔内的谐振频率, 腔体的大小由功率容量来决定。而L波段及UHF高端等微波波段主要采用波导腔, 波导腔又有圆柱波导腔及矩形波导腔两种, 所谓的圆柱波导腔是一个封闭的圆柱金属筒, 其谐振频率的高低由腔体实际物理尺寸的大小及腔内电磁场模式来决定。所谓的矩形波导腔是一个长方体金属合, 同样的, 腔体实际物理尺寸的大小和腔内电磁场模式决定其谐振波的频率大小。把数个谐振频率一样的谐振腔按照一定的辐合方式级进行联接, 就组成了传统带通滤波器, 对其输入输出端和各谐振腔间的耦合做相应调整, 就能满足带通滤波器的相关性能要求。谐振腔间的耦合方式主要包括磁耦合、电耦合以及电耦合成磁耦合, 辐合环的位置、大小以及方向, 探针的位置、深度和粗细以及耦合缝的位置等参量决定了耦合量的大小。级联式耦合带通滤波器最大的优势就是技术相对成熟, 并且调试的过程相对简便, 对于腔体的排列方式基本没有特殊的要求, 带外衰减曲线不会出现波纹起伏。
3 输入模拟信号的处理方式
3.1 离散时间模拟滤波器
离散时间模拟滤波器最典型的代表即为开关电容滤波器, 时钟频率以及电容比例决定其滤波性能, 它的特征频率精度非常高, 通常可以达到±0.1%以下。经过开关电容滤波器所处理的电压信号没有被量化, 保持连续, 但是因为采样是在其时域范围内进行的, 所以采样频率要比输入信号频率至少大两倍以上才可以消除混叠。其实离散时间模拟滤波器的实现一般都会采用过采样技术, 所谓过采样即样的频率要大于输入信号最大频率两倍以上, 使得消除混叠滤波器的要求降低, 因此需要高带宽放大器与高速时钟互相配合, 所以只能在处理比较低频率时才会采用离散时间滤波器。
3.2 连续时间模拟滤波器
连续的模拟信号可以采用连续时间模拟滤波器进行直接处理, 无需对输入模拟信号做采样, 因此不用平滑滤波器以及抗混叠滤波器就能够实现较好的动态范围及较高频率的滤波。不过连续时间摸拟滤波器也存在一定的缺点, 因为它的跨导和电容的商以及电阻和电容的积决定其特征频率, 但是电阻电容以及跨导又受到比较大的工艺及温度的变化影响, 从而影响到连续时间模拟滤波器特征频率的精确度, 其精度通常在±20%~±30%之间。由此可以看出, 连读时间滤波器如果应用于带宽精度要求较高的场合中, 需要引入相应的校正技术才可以保证邻道抑制能力及抗混叠能力, 例如加入调谐电容, 可以利用自适应频率调整电中对滤波器的频率特做出调整。
摘要：在广播电视发射系统中, 射频滤波器的作用是将各种频率不同的射频信号进行分离, 将不需要的信号抑制在外, 只让广播电视发射系统需要的信号通过。因此, 在广播电视发射系统中, 滤波器是必备的设备之一。本文就针对滤波器的设计展开讨论。
关键词：广播电视发射系统,滤波器
参考文献
[1] 张欣.广播电视发射系统中滤波器的设计[J].硅谷, 2008 (2) .
故障录波器范文第4篇
一、射频/微波的可调谐滤波器设计相关技术理论
(一) 可重构技术
可重构器件的不同工艺、材料和线性度决定了可重构系统的性能, 如:机械调谐元件体现出低插损、高功率容量的特性, 然而存在调谐速度慢、体积大的缺陷, 成为限制其在现代通信系统中应用的瓶颈;磁调谐技术则是利用铁磁材料的谐振器与回旋磁场的耦合方式, 使谐振器的频率、幅度处于可调的变化状态;电调谐元件体现出低功耗、高速调谐的特性, 如:变容二极管就成为本文设计应用的可重构滤波器的调谐元件。
(二) 可调滤波器去端口加载技术
它是在源/负载和滤波器之间嵌入传输线, 使之与源负载相匹配, 保持原有的传输反射幅度特性, 较好地去除加载效应, 避免加载效应对谐振器的谐振频率、耦合系数的干扰性影响。并且, 如果源/负载和滤波器嵌合的精度不足时, 则可以采用迭代嵌入的方式, 较好地提升其精度。
(三) 可调滤波器耦合矩阵提取技术
射频/微波的可调谐滤波器在实现了去加载效应之后, 耦合网络的互导纳、谐振器必然出现变化。因而要在射频/微波的可调谐滤波器设计中, 在各个谐振器节点设置端口, 以实现耦合网络多端口导纳矩阵的提取。
(四) 变容管参数提取技术
在射频/微波的可调谐滤波器设计中, 要运用到调谐元件的模型, 并测量变容二极管的基波和谐波谐振频率, 提取变容管相关参数[1]。
二、恒定绝对带宽及高选择性的可调谐滤波器设计分析
射频/微波的可调谐滤波器体现出小型化、高选择性、恒定带宽的特性, 关于这一方面的研究也不断发展和成熟, 如:补偿奇偶模式相位的耦合传输线设计;双模开环可调滤波器结构设计;电-磁混合耦合的谐振结构等。本文重点研究和探讨基于双路径电磁混合耦合结构的恒定绝对带宽可调谐滤波器, 设计选取新型的输入输出馈电结构, 利用高选择性、高抑制度的滤波器, 实现对耦合系数曲线斜率及截矩的有效控制。
(一) 双路径混合耦合谐振结构分析
双路径混合耦合谐振结构由两段均匀的传输线所构成, 传输线以分布式耦合的方式位于加载调谐元件位置, 并实现短路接地, 较好地控制双路径耦合系数曲线的变化, 确保谐振频率不会出现改变。
(二) 恒定带宽的可调谐滤波器设计
可以选取GaAs MA46H203的变容二极管为调谐元件, 并在谐振器和变容管之间串入适当的电容, 以较好地隔离变容管负极短路接地。同时, 还要采用一定的措施以减少射频/微波信号的泄漏, 如:串联两个180-kΩ的电阻, 使可调滤波器的绝对带宽恒定为100MHz。
(三) 双路径混合耦合结构双通带的可调谐滤波器设计
在双路径混合耦合结构的前提下, 确定第一通带恒定绝对带宽, 并基于双路径混合耦合结构设计第二可调通带, 使之满足双通带可调滤波器的设计要求。在设计中选取GaAs MA46H071的变容二极管作为调谐元件, 将Cb为10pF的电容串入谐振器和变容管之间, 以较好地隔离变容管负极短路接地。同时, 在双通带可调滤波器的电路结构设计中, 要选取最优化的耦合电感, 较好地控制两个通带的带宽。还要设计选取两个串联电阻以减少射频/微波信号的泄漏。在设计中要注意保持变容管的水平放置状态, 并保证各变容管之间的隔离, 避免变容二极管之间的磁耦合对带宽的干扰现象[2]。
(四) 双极点五传输零点高选择、高抑制性的可调谐滤波器设计
这是一种新型的可调滤波器馈电结构, 由输入输出耦合结构、源和负载耦合结构所组成, 包括有短路接地线、开路线、耦合线等, 耦合路径的内部耦合系数可以设计选取节点间相移为90°的磁耦合方式, 外部耦合系数则可以采用相移量为-90°或90°的电耦合或磁耦合方式, 由此可以形成多个传输零点, 增加可调谐滤波器的临道选择性, 使射频/微波的可调谐滤波器的频率保持在1.1GHz-1.35GHz之间。
三、小结
综上所述, 射频/微波的可调谐滤波器设计要基于相关的理论, 运用微波可重构技术、可调滤波器去端口加载技术、可调滤波器耦合矩阵提取技术、变容管参数提取技术, 动态、高可靠度地选取相关频段和信道, 进行双路径混合耦合结构双通带的可调谐滤波器设计, 能够灵活控制倍频程下的可调滤波器带宽, 实现高选择性、高抑制度的新型馈电结构设计, 有效抑制干扰信号, 并控制双路径混合耦合结构的耦合系数曲线大小及斜率。未来还要加强对带宽可调的滤波器的设计研究, 并能够运用广义复参考阻抗耦合矩阵综合技术, 设计无匹配结构的混频器与滤波器相级联的电路。
摘要：射频/微波中的可调谐滤波器设计要基于低损耗、高选择性的理念, 进行一定频率范围的可调谐滤波器设计, 要利用可重构射频收发模块和可重构射频滤波器, 运用弱非线性分析方法设计射频微波的可调谐滤波器, 并添加加传输零点调谐特性, 使之成为具有双路径电磁混合耦合结构的低损耗、恒定带宽的可调滤波器, 实现射频/微波的可调谐滤波器的微型化、宽带、低插入损耗应用。
关键词：射频/微波,可调谐滤波器,带宽,调谐
参考文献
[1] 高Q值可调滤波器设计[D].向飞龙.电子科技大学2018.