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抗混濾波器介紹及其作用

抗混濾波器介紹及其作用

        我們知道:在進行動態信號測試中必須考慮抗混濾波器,根據“奈奎斯特采樣定律”: 在對模擬信號進行離散化時,采樣頻率f2至少應2倍于被分析的信號的最高頻率f1,即: f2≥2 f1;否則可能出現因采樣頻率不夠高,模擬信號中的高頻信號折疊到低頻段,出現虛假頻率成分的現象(如下圖所示),稱之為:混疊。
見圖

  
        但工程測量中采樣頻率不成能無限高也不需要無限高,因為我們一般只關心一定頻率范圍內的信號成分。為解決頻率混疊,在對模擬信號進行離散化收集前,采取低通濾波器濾除高于1/2采樣頻率的頻率成分。實際儀器設計中,這個低通濾波器的截止頻率(fc) 為: 

截止頻率(fc)= 采樣頻率(fz) / 2.56 

        在進行動態信號測試中測量儀器必須具有抗混濾波功能,例如:在大型橋梁、高樓、機械設備等動態應變、振動測試及模態分析中,信號所包含的頻率成分理論上是無窮的。例如:橋梁的模態理論上有無限多個,但我們只關心對振動貢獻最大的前幾階模態。如果不對振動的模擬信號進行低通抗混濾波,高階模態頻率很可能會混疊到低頻段,形成虛假的模態頻率,給模態參數識別帶來困難.

        抗混濾波器一般指低通濾波器,但濾波器有低通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器、高通濾波器、高阻濾波器。濾波器的主要性能指標以低通濾波器為例,理想的低通濾波器為矩形,但實際中是不成能實現的。衡量低通濾波器性能的指標主要包含以下幾方面:

(1)、帶內波紋度:通帶的幅值精度指標,例如:帶內波紋度為±0.1dB時,對幅值精度的影響約為±1%(這正是為什么一般的數采器幅值精度可以做到千分之幾,一般的數采器用 很高的采樣頻率進行收集,不加低通濾波器。

(2)、阻帶下降斜率:濾波器在截至頻率開始下降,下降斜率越大越好。一般采取每個倍頻程的下降分貝數衡量,例如:滿足工程測量需要的阻帶下降斜率約為-80dB/oct。

(3)、濾波器落差:帶通到帶阻差值的分貝數dB。

         值得一提的是:隨著DSP數字信號處理芯片的出現,現代測試儀器中已采取模擬濾波加數字濾波,使濾波器性能指標突飛猛進。例如:帶內波紋度可達±0.05dB,阻帶下降斜率可達到約-200dB/oct.大大好于純模擬濾波器。