传感器响应时间与滤波器截止频率的关系

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传感器响应时间与滤波器截止频率的关系

2024-07-15 19:51| 来源: 网络整理| 查看: 265

文章目录 一、传感器的响应时间 二、传感器响应时间与滤波器截止频率的关系 2.1、信号的带宽计算公式 2.2、`0.35`是怎么来的 2.3、RC充电时间常数 三、Multisim仿真 3.1、信号的带宽 3.2、RC低通滤波器的截止频率 3.3、仿真结果-波形对比 四、总结

  以下内容是关于模拟信号,传感器输出数字量的请上滑,输出模拟量的请放心食用!所以输出模拟量传感器的优势在哪里(我理解的输出数字量的数据是将采样的过程封装到了传感器里面,并输出数字量信号)?敲黑板:此处的响应时间并非时间常数。,具体可以查看图2中 τ R \tau_{\mathrm{R}} τR​的定义。

一、传感器的响应时间

  以温度传感器和气压传感器为例,文档中要求的动态响应如图1所示。其中温度传感器的时间常数是 τ 1 ≤ 2.5 s \tau{1} \leq 2.5 \mathrm{s} τ1≤2.5s,气压传感器的时间常数是 τ 2 ≤ 0.08 s \tau{2} \leq 0.08 \mathrm{s} τ2≤0.08s。   传感器的响应时间的定义如下:假设某信号从0上升到最大值MAX,信号一共变化了MAX,那么从0.1MAX到0.9MAX的时间即为该传感器的响应时间,如果信号是下降的同理。其中信号上升时间即时间常数τ与带宽BW的关系公式是 B W = 0.35 / τ \mathrm{BW}=0.35 / \tau BW=0.35/τ。根据公式我们可以得到此信号带宽BW的最大值,为了保证信号通过滤波器不会影响该信号响应的快慢。所以滤波器的时间常数应该 ≤ \leq ≤ τ 1 \tau{1} τ1和 ≤ \leq ≤ τ 2 \tau{2} τ2。根据公式滤波器的带宽应该 ≥ \geq ≥ 0.35 / τ 1 0.35 / \tau{1} 0.35/τ1和 ≥ \geq ≥ 0.35 / τ 2 0.35 / \tau{2} 0.35/τ2。

  在示波器探头参数中,也有关于其上升时间(即时间常数)与示波器信号带宽的公式,和上面公式一致即:上升时间=0.35/带宽。其中示波器探头上升时间的定义为:从最终值的0.1上升到最终值的0.9所需要的时间。示波器的上升时间是示波器理论上可以显示的最快的瞬变的时间。

在这里插入图片描述

图1 传感器的动态响应时间 二、传感器响应时间与滤波器截止频率的关系

  传感器响应时间与滤波器截止频率的本质关系是求信号带宽信号与上升时间的关系,信号的带宽会影响后一级滤波器的截止频率。如果信号的上升边沿很陡峭,上升时间很短,那么该信号的带宽就很宽;上升时间越短,信号的带宽越宽。

2.1、信号的带宽计算公式

  通常为了提高传感器信号的准确测量,不仅需要对信号进行放大到ADC的量程范围最大化使用ADC的性能,还要对信号进行输入滤波和输出滤波,此时滤波器的截止频率和响应时间密切相关。如果某信号的上升时间不大于t,即小于等于t,那么该信号的带宽不会大于0.35/t,为了保证滤波器既可以滤除高频干扰,又可以不影响该信号的传输,所以滤波器的截止频率应该大于该信号的带宽,那么0.35/t将会是你设计滤波器时的重要参考。

  上面我们已经知道了信号的最大带宽,或者说最大频率,我们以无源滤波器为例,理论分析时间常数为1的信号通过不同截止频率的滤波器后的输出会是什么样子的?首先我们关注信号的幅度变化,其次通过滤波器前后的FFT变化,以及通过滤波器前后的响应时间有无变化,因为这个是传感器的一个重要参数,我们增加的滤波电路是不能影响处理后信号的响应时间。

2.2、0.35是怎么来的

  假设系统是一阶,根据RC滤波器的截止频率公式, f = 1 / 2 π R C \mathrm{f}=1 / 2 \pi \mathrm{RC} f=1/2πRC。传感器响应时间的定义:假设从0.1MAX到0.9MAX需要X个时间常数,上升时间=XRC,RC=上升时间/X,代入前面公式



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