機(jī)械電子工程原理課件Ch08 第八章 信號處理

1、機(jī)械電子工程原理機(jī)械電子工程原理第八章第八章 信號處理信號處理 2信號處理的必要性、原則和方法信號處理的必要性、原則和方法n大多數(shù)情況下，從傳感器輸出的信號不能直接加以利用。大多數(shù)情況下，從傳感器輸出的信號不能直接加以利用。最基本的原因最基本的原因是傳感器輸入信號的幅度不適當(dāng)，需要引入是傳感器輸入信號的幅度不適當(dāng)，需要引入增益或者衰減使之與系統(tǒng)下一級匹配。在一些復(fù)雜環(huán)境中，增益或者衰減使之與系統(tǒng)下一級匹配。在一些復(fù)雜環(huán)境中，從傳感器得到的原始信號中往往含有其他成分，必須去除從傳感器得到的原始信號中往往含有其他成分，必須去除之后才能獲得所需信息。之后才能獲得所需信息。 n信號處理的原則信號處理的

2、原則是把所需信息從傳感器的輸出信號中分離是把所需信息從傳感器的輸出信號中分離出來，并以適當(dāng)?shù)男问絺魉徒o系統(tǒng)下一級。出來，并以適當(dāng)?shù)男问絺魉徒o系統(tǒng)下一級。 n目前日益廣泛的目前日益廣泛的做法做法是在傳感器上加上信號處理電路。有是在傳感器上加上信號處理電路。有的傳感器已具備對溫度等因素的自動補(bǔ)償能力，并帶有自的傳感器已具備對溫度等因素的自動補(bǔ)償能力，并帶有自檢功能和局部決策能力，這種新穎的設(shè)計(jì)是測量技術(shù)的重檢功能和局部決策能力，這種新穎的設(shè)計(jì)是測量技術(shù)的重大進(jìn)展。大進(jìn)展。 38.1 運(yùn)算放大器基本電路運(yùn)算放大器基本電路 n理想運(yùn)算放大器理想運(yùn)算放大器如圖示如圖示 n輸入端輸入端1是同相輸入端，輸入

3、端是同相輸入端，輸入端2是反相輸入端，是反相輸入端，3是輸出端。在輸入端口內(nèi)，輸入端是輸出端。在輸入端口內(nèi)，輸入端1和輸入端和輸入端2之之間存在的電阻稱為輸入電阻。間存在的電阻稱為輸入電阻。 n理想運(yùn)算放大器有兩個最重要的性質(zhì)，即輸入電理想運(yùn)算放大器有兩個最重要的性質(zhì)，即輸入電阻值無窮大和開環(huán)放大倍數(shù)無窮大。阻值無窮大和開環(huán)放大倍數(shù)無窮大。 4理想運(yùn)算放大器的特性理想運(yùn)算放大器的特性n因輸入電阻值無窮大，所以經(jīng)輸入端因輸入電阻值無窮大，所以經(jīng)輸入端1和輸入端和輸入端2的的電流無窮小，進(jìn)而輸入端電流無窮小，進(jìn)而輸入端1和輸入端和輸入端2之間沒有電壓之間沒有電壓降。因此，對于理想運(yùn)算放大器，有以下

4、三個關(guān)系降。因此，對于理想運(yùn)算放大器，有以下三個關(guān)系同時成立。同時成立。在輸入一側(cè)考慮電壓關(guān)系時，反相輸入端與同相輸在輸入一側(cè)考慮電壓關(guān)系時，反相輸入端與同相輸入端之間是入端之間是“虛通虛通”的，圖中用虛線表示。理想運(yùn)的，圖中用虛線表示。理想運(yùn)算放大器的兩個輸入端之間電壓總是為零。算放大器的兩個輸入端之間電壓總是為零。在輸入一側(cè)考慮電流關(guān)系時，反相輸入端與同相輸在輸入一側(cè)考慮電流關(guān)系時，反相輸入端與同相輸入端之間是入端之間是“虛斷虛斷”的，圖中用叉表示。進(jìn)入或流的，圖中用叉表示。進(jìn)入或流出理想運(yùn)算放大器兩個輸入端的電流總是為零。出理想運(yùn)算放大器兩個輸入端的電流總是為零。在輸出一側(cè)，輸出電壓在輸

5、出一側(cè)，輸出電壓Uo可以是電源電壓范圍內(nèi)的可以是電源電壓范圍內(nèi)的任何有限值。任何有限值。5實(shí)際運(yùn)算放大器的特性實(shí)際運(yùn)算放大器的特性n理想運(yùn)算放大器是實(shí)際運(yùn)算放大器的模型。理想運(yùn)算放大器是實(shí)際運(yùn)算放大器的模型。n實(shí)際的運(yùn)算放大器具有很高（上千倍，但不是任實(shí)際的運(yùn)算放大器具有很高（上千倍，但不是任意大）的開環(huán)放大倍數(shù)，輸入端口有很大的輸入意大）的開環(huán)放大倍數(shù)，輸入端口有很大的輸入電阻（兆歐以上，但不是無窮大）。由于運(yùn)算放電阻（兆歐以上，但不是無窮大）。由于運(yùn)算放大器本身的開環(huán)增益非常高，輸入電阻非常大，大器本身的開環(huán)增益非常高，輸入電阻非常大，許多場合下可以認(rèn)為它的輸入電流和輸入電壓都許多場合下可

6、以認(rèn)為它的輸入電流和輸入電壓都為零，就是所謂理想運(yùn)算放大器。為零，就是所謂理想運(yùn)算放大器。 6單端輸入和雙端輸入單端輸入和雙端輸入n運(yùn)算放大器的輸入方式有單端輸入和雙端輸入兩種。運(yùn)算放大器的輸入方式有單端輸入和雙端輸入兩種。n在單端輸入的情況下，總是一端接輸入信號，而另一在單端輸入的情況下，總是一端接輸入信號，而另一端接地（或通過電阻接地）。當(dāng)信號從端接地（或通過電阻接地）。當(dāng)信號從1端輸入時，輸端輸入時，輸出信號與輸入信號同相，稱出信號與輸入信號同相，稱同相輸入同相輸入；而當(dāng)信號從；而當(dāng)信號從2端端輸入時，輸出信號與輸入信號反相，稱輸入時，輸出信號與輸入信號反相，稱反相輸入反相輸入。n在雙端

7、輸入（也稱為差動輸入）的情況下，輸入信號在雙端輸入（也稱為差動輸入）的情況下，輸入信號U1和和U2同時加在同相端同時加在同相端1和反相端和反相端2上，它的輸入是同上，它的輸入是同相輸入端電壓與反相輸入端電壓之差。相輸入端電壓與反相輸入端電壓之差。Ui=U1-U2n實(shí)際應(yīng)用中，運(yùn)算放大器很少開環(huán)使用，大都要加上實(shí)際應(yīng)用中，運(yùn)算放大器很少開環(huán)使用，大都要加上某種某種反饋反饋電路，構(gòu)成一種輸入電路，構(gòu)成一種輸入-輸出運(yùn)算關(guān)系。輸出運(yùn)算關(guān)系。 7運(yùn)算放大器的幾種基本應(yīng)用電路運(yùn)算放大器的幾種基本應(yīng)用電路 n反相放大器反相放大器n差動放大器差動放大器 n積分器積分器 n電荷放大器電荷放大器 n電流電流-電

8、壓轉(zhuǎn)換器電壓轉(zhuǎn)換器 n對數(shù)放大器對數(shù)放大器 n比較器比較器 n施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器 n同相放大器同相放大器 n微分器微分器 n電壓電壓-電流轉(zhuǎn)換器電流轉(zhuǎn)換器 8反相放大器反相放大器 n因?yàn)橐驗(yàn)閕a0，Ua0，a點(diǎn)是虛地點(diǎn)，而且點(diǎn)是虛地點(diǎn)，而且i1=-i2 n這種情況下這個放大器成為理想電壓源。如果阻抗這種情況下這個放大器成為理想電壓源。如果阻抗Z1和和Z2都是純電阻，那么輸出信號對于輸入信號的相移為都是純電阻，那么輸出信號對于輸入信號的相移為180 2oi1ZUUZ9同相放大器同相放大器n許多傳感器輸出電流的能力很有限，即帶負(fù)載能力很差，許多傳感器輸出電流的能力很有限，即帶負(fù)載能力很差，因

9、此必須配以高阻抗的負(fù)載。因此必須配以高阻抗的負(fù)載。n因?yàn)橐驗(yàn)?于是于是aiUU=1ao12RUURR2oi1(1)RUUR10電壓跟隨器電壓跟隨器 n在這種情況下在這種情況下Uo=Ui，而放大倍數(shù)為，而放大倍數(shù)為1，即輸出電，即輸出電壓與輸入電壓幅值相等且極性相同，因此稱之為壓與輸入電壓幅值相等且極性相同，因此稱之為電壓跟隨器。電壓跟隨器。 11差動放大器差動放大器 n如果令如果令R3=R1，R4=R2，則，則2oibia1RUUURiaibURRURRRRRU12434120112測量放大器測量放大器 n實(shí)際使用中，增益受到輸入阻抗即實(shí)際使用中，增益受到輸入阻抗即R1的限制，為的限制，為了保

10、證高共模抑制比，了保證高共模抑制比，R1的阻值要足夠大。具有的阻值要足夠大。具有高輸入阻抗的差動放大器又稱為測量放大器。高輸入阻抗的差動放大器又稱為測量放大器。整理得整理得 412oiaib312R RRUUURR13積分器積分器 n用電阻和電容就可以構(gòu)成一個簡單的積分電路，但隨用電阻和電容就可以構(gòu)成一個簡單的積分電路，但隨著電容上充電電壓的增加，流經(jīng)電阻的充電電流會隨著電容上充電電壓的增加，流經(jīng)電阻的充電電流會隨之變化。要實(shí)現(xiàn)理想的積分運(yùn)算，就需要在電容兩端之變化。要實(shí)現(xiàn)理想的積分運(yùn)算，就需要在電容兩端電壓增加時，流過它的電流保持不變。電壓增加時，流過它的電流保持不變。n進(jìn)一步推導(dǎo)，有進(jìn)一步

11、推導(dǎo)，有 i121UiiRoi11dUU tRC14微分器微分器 n由圖可列出由圖可列出 n因?yàn)橐驗(yàn)閁o=-ifRf=-i1Rf，故，故 n輸出電壓與輸入電壓對時間的一次微分成正比。輸出電壓與輸入電壓對時間的一次微分成正比。當(dāng)當(dāng)Ui為階躍電壓時，為階躍電壓時，Uo為尖脈沖電壓為尖脈沖電壓 ci1ddddUUiCCtti0fddUUR Ct15電荷放大器電荷放大器 n壓電傳感器的輸出形式是晶體材料某些表面上電荷的壓電傳感器的輸出形式是晶體材料某些表面上電荷的變化。電荷放大器用來把這些電荷變化轉(zhuǎn)換成電壓信變化。電荷放大器用來把這些電荷變化轉(zhuǎn)換成電壓信號。用運(yùn)算放大器組成的電荷放大器的典型結(jié)構(gòu)如圖號

12、。用運(yùn)算放大器組成的電荷放大器的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。電阻所示。電阻Rf是為了防止反饋電容是為了防止反饋電容Cf上積累電荷。上積累電荷。n當(dāng)被測物理量的變化引起壓電傳感器等效電容當(dāng)被測物理量的變化引起壓電傳感器等效電容C上電上電荷的變化為荷的變化為q時，放大器的輸出為時，放大器的輸出為 Uo=-q/Cfn放大器上限頻率為放大器上限頻率為式中，式中，Rc和和Cc分別為連接電纜分別為連接電纜的等效電阻和等效電容。的等效電阻和等效電容。 n放大器下限頻率為放大器下限頻率為 h1=()2ccfR CCp1ff1=2fR Cp16電流電流-電壓轉(zhuǎn)換器電壓轉(zhuǎn)換器 n很多傳感器以電流方式輸出信號，往往需轉(zhuǎn)換成電

13、壓很多傳感器以電流方式輸出信號，往往需轉(zhuǎn)換成電壓信號。圖中所示的電流信號。圖中所示的電流-電壓轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)這種功電壓轉(zhuǎn)換器能夠?qū)崿F(xiàn)這種功能。設(shè)運(yùn)算放大器反相輸入端的電流為零，有能。設(shè)運(yùn)算放大器反相輸入端的電流為零，有 is+ir=0Uo=-isR17電壓電壓-電流轉(zhuǎn)換器電流轉(zhuǎn)換器 n有時反過來需要把電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號。如果負(fù)有時反過來需要把電壓信號轉(zhuǎn)換成電流信號。如果負(fù)載置于運(yùn)算放大器的反饋環(huán)路中，則負(fù)載電流為載置于運(yùn)算放大器的反饋環(huán)路中，則負(fù)載電流為n在這種模式下工作時，必須精心選擇有足夠帶負(fù)載能在這種模式下工作時，必須精心選擇有足夠帶負(fù)載能力的運(yùn)算放大器。力的運(yùn)算放大器。 18比較器

14、比較器 n圖中的工作方式用于兩個信號圖中的工作方式用于兩個信號U1和和U2的比較。因的比較。因?yàn)榉糯笃髟鲆婧芨撸斎胄盘栔钪恍铻榉糯笃髟鲆婧芨?，輸入信號之差只?.1V就能就能使輸出電壓極性翻轉(zhuǎn)。使輸出電壓極性翻轉(zhuǎn)。n實(shí)用中有專門設(shè)計(jì)的比較器集成電路芯片，具有實(shí)用中有專門設(shè)計(jì)的比較器集成電路芯片，具有快速響應(yīng)能力且誤差極小，無須再用通用運(yùn)算放快速響應(yīng)能力且誤差極小，無須再用通用運(yùn)算放大器。大器。 19分類分類n過零電壓比較器：典型的幅度比較電路過零電壓比較器：典型的幅度比較電路n電壓比較器：將過零比較器的一個輸入端從接地電壓比較器：將過零比較器的一個輸入端從接地改接到一個固定電壓值上，就得到

15、電壓比較器改接到一個固定電壓值上，就得到電壓比較器n窗口比較器：該比較器有兩個閾值，傳輸特性曲窗口比較器：該比較器有兩個閾值，傳輸特性曲線呈窗口狀，故稱為窗口比較器。線呈窗口狀，故稱為窗口比較器。n滯回比較器（施密特觸發(fā)器）：從輸出引一個電滯回比較器（施密特觸發(fā)器）：從輸出引一個電阻分壓支路到同相輸入端。當(dāng)輸入電壓阻分壓支路到同相輸入端。當(dāng)輸入電壓vI從零逐從零逐漸增大，且漸增大，且VI上限閥值（觸發(fā)）電平。當(dāng)輸入電上限閥值（觸發(fā)）電平。當(dāng)輸入電壓壓VIVT時，時，VT稱為下限閥值（觸發(fā)）電平。稱為下限閥值（觸發(fā)）電平。20施密特觸發(fā)器施密特觸發(fā)器 n翻轉(zhuǎn)點(diǎn)處的輸入電壓值由下式?jīng)Q定翻轉(zhuǎn)點(diǎn)處的輸

16、入電壓值由下式?jīng)Q定 ， Us為正為正 ， Us為負(fù)為負(fù) 2i1s12U RRUR2i2s12U RRUR21有參考電壓的施密特觸發(fā)器有參考電壓的施密特觸發(fā)器 n在在R2支路中加一個參考電壓支路中加一個參考電壓Vref，輸入輸出特性就，輸入輸出特性就會平移。翻轉(zhuǎn)電壓成為會平移。翻轉(zhuǎn)電壓成為 ， Us為正為正 ， Us為負(fù)為負(fù) 22簡介簡介n利用施密特觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的正反饋?zhàn)饔茫檬┟芴赜|發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程中的正反饋?zhàn)饔?，可以把邊沿變化緩慢的周期性信號變換為邊沿很可以把邊沿變化緩慢的周期性信號變換為邊沿很陡的矩形脈沖信號。輸入的信號只要幅度大于陡的矩形脈沖信號。輸入的信號只要幅度大于vt+，

17、即可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到同等頻率的矩即可在施密特觸發(fā)器的輸出端得到同等頻率的矩形脈沖信號。形脈沖信號。 n從從傳感器傳感器得到的矩形脈沖經(jīng)傳輸后往往發(fā)生波形得到的矩形脈沖經(jīng)傳輸后往往發(fā)生波形畸變，可以通過用施密特反相觸發(fā)器整形而得到畸變，可以通過用施密特反相觸發(fā)器整形而得到比較理想的矩形脈沖波形。只要施密特觸發(fā)器的比較理想的矩形脈沖波形。只要施密特觸發(fā)器的vt+和和vt-設(shè)置得合適，均能收到滿意的整形效果。設(shè)置得合適，均能收到滿意的整形效果。 238.2 實(shí)用運(yùn)算放大器實(shí)用運(yùn)算放大器 n實(shí)際使用中，運(yùn)算放大器會有誤差。誤差的起因?qū)嶋H使用中，運(yùn)算放大器會有誤差。誤差的起因有：有：輸入失調(diào)電

18、壓和偏置電流的變化；輸入失調(diào)電壓和偏置電流的變化；增益隨時間發(fā)生變化；增益隨時間發(fā)生變化；帶寬和轉(zhuǎn)換速率（響應(yīng)速度）的限制等等。帶寬和轉(zhuǎn)換速率（響應(yīng)速度）的限制等等。n使用斬波穩(wěn)零放大器使用斬波穩(wěn)零放大器（低溫漂：溫度改變失調(diào)電（低溫漂：溫度改變失調(diào)電壓基本不變）壓基本不變）和自動調(diào)零放大器和自動調(diào)零放大器（消除輸入失調(diào)（消除輸入失調(diào)電壓，動態(tài)調(diào)零）電壓，動態(tài)調(diào)零）等低漂移、高穩(wěn)定性的器件能等低漂移、高穩(wěn)定性的器件能夠減少上述影響。但是要保持系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠夠減少上述影響。但是要保持系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠地工作，定期檢查和重新校準(zhǔn)仍然是必要的。地工作，定期檢查和重新校準(zhǔn)仍然是必要的。 24放大器的性

19、能指標(biāo)放大器的性能指標(biāo)n輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓n輸入偏置電流輸入偏置電流n漂移漂移n頻率響應(yīng)頻率響應(yīng) n上升速率上升速率 n同相、反相增益差同相、反相增益差 25放大器的性能指標(biāo)放大器的性能指標(biāo) n輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓 如果運(yùn)算放大器內(nèi)部電路不是理想對稱的，那么即使如果運(yùn)算放大器內(nèi)部電路不是理想對稱的，那么即使兩個輸入端連接起來共同接地，輸出電壓也不為零。兩個輸入端連接起來共同接地，輸出電壓也不為零。負(fù)反饋可以減少失調(diào)電壓，但要消除失調(diào)只能采用外負(fù)反饋可以減少失調(diào)電壓，但要消除失調(diào)只能采用外部補(bǔ)償電路。為了確保輸出電壓為零，必須在兩個輸部補(bǔ)償電路。為了確保輸出電壓為零，必須在兩個輸入端分

20、別加上微小的電壓，這兩個電壓之差就稱為輸入端分別加上微小的電壓，這兩個電壓之差就稱為輸入失調(diào)電壓。入失調(diào)電壓。 n輸入偏置電流輸入偏置電流 輸入偏置電流是對于雙極型晶體管輸入級而言的。輸輸入偏置電流是對于雙極型晶體管輸入級而言的。輸入偏置電流的存在使外部偏置電阻上產(chǎn)生偏置電壓，入偏置電流的存在使外部偏置電阻上產(chǎn)生偏置電壓，這兩個偏置電壓又成為輸入失調(diào)電壓。這兩個偏置電壓又成為輸入失調(diào)電壓。 26漂移漂移 n漂移是所有直流耦合放大器都存在的問題。漂移是所有直流耦合放大器都存在的問題。n輸出電壓漂移主要是由一些長期因素所致，譬如輸出電壓漂移主要是由一些長期因素所致，譬如元件老化，電源電壓變化等。元

21、件老化，電源電壓變化等。n要把輸出電壓漂移和輸入信號緩慢變化引起的輸要把輸出電壓漂移和輸入信號緩慢變化引起的輸出信號變化區(qū)分開是不可能的。出信號變化區(qū)分開是不可能的。n溫度引起的漂移用溫度引起的漂移用V/表示，電源電壓變化引表示，電源電壓變化引起的漂移用起的漂移用V/V表示，老化引起漂移用表示，老化引起漂移用V/月或月或V/年表示。年表示。 27頻率響應(yīng)頻率響應(yīng) n通常的運(yùn)算放大器頻率響應(yīng)如圖所示，其通常的運(yùn)算放大器頻率響應(yīng)如圖所示，其3dB帶帶寬在寬在10Hz左右，單位增益帶寬在幾千赫。左右，單位增益帶寬在幾千赫。 n加負(fù)反饋后有效增益加負(fù)反饋后有效增益Aeff減小到減小到 Aeff=A/(

22、1+A) 式中，式中，A為運(yùn)算放大器直流增益；為運(yùn)算放大器直流增益；為反饋系數(shù)。為反饋系數(shù)。n此時帶寬相應(yīng)增加到此時帶寬相應(yīng)增加到Beff=B/(1+A) 帶寬增益積是常數(shù)帶寬增益積是常數(shù)A 28上升速率上升速率 n響應(yīng)速度是指運(yùn)算放大器能響應(yīng)的輸入信號最大響應(yīng)速度是指運(yùn)算放大器能響應(yīng)的輸入信號最大變化率。變化率。n響應(yīng)速度的量綱為響應(yīng)速度的量綱為V/s，平時更常用的是，平時更常用的是V/s，典，典型值為型值為0.5V/s數(shù)量級。數(shù)量級。n響應(yīng)速度與運(yùn)算放大器全功率帶寬有關(guān)。全功率響應(yīng)速度與運(yùn)算放大器全功率帶寬有關(guān)。全功率帶寬的定義是：加在輸入端的正弦波幅度達(dá)到輸帶寬的定義是：加在輸入端的正弦

23、波幅度達(dá)到輸入電壓極限時，該正弦電壓能達(dá)到的最高頻率值。入電壓極限時，該正弦電壓能達(dá)到的最高頻率值。 29同相、反相增益差同相、反相增益差 n當(dāng)放大器以差模方式工作時，同相端增益和反向端當(dāng)放大器以差模方式工作時，同相端增益和反向端增益之間的差異會在輸出信號中加入誤差。增益之間的差異會在輸出信號中加入誤差。 記記 Gdm=A1+A2 Gcm=A2-A1式中，式中，Gdm是差模電壓增益，是差模電壓增益，Gcm是不需要的共模增益。是不需要的共模增益。共模抑制比定義為共模抑制比定義為CMRR= Gdm/ Gcm0dm12cm12()/2()/2uGuuGuu01 122uAuA u30斬波穩(wěn)零放大器斬

24、波穩(wěn)零放大器 n斬波穩(wěn)零放大器能把輸入信號的高頻分量和低頻分量分?jǐn)夭ǚ€(wěn)零放大器能把輸入信號的高頻分量和低頻分量分開，然后分別加以放大，最后在輸出端再合成一體。開，然后分別加以放大，最后在輸出端再合成一體。n高頻分量經(jīng)電容耦合至放大器輸出級，低頻分量和漂移高頻分量經(jīng)電容耦合至放大器輸出級，低頻分量和漂移信號則用來對斬波振蕩器的輸出作幅度調(diào)制，結(jié)果得到信號則用來對斬波振蕩器的輸出作幅度調(diào)制，結(jié)果得到一個交流信號，其幅度由原信號中的低頻分量決定。一個交流信號，其幅度由原信號中的低頻分量決定。31自動調(diào)零放大器自動調(diào)零放大器 n自動調(diào)零放大器是在斬波穩(wěn)零放大器基礎(chǔ)上發(fā)展自動調(diào)零放大器是在斬波穩(wěn)零放大器

25、基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它是專為從直流到起來的。它是專為從直流到10Hz范圍的低頻段使范圍的低頻段使用目的而開發(fā)的。用目的而開發(fā)的。 328.3 信號隔離信號隔離 n有些場合中傳感器對地存在一個電位差，這類情形有些場合中傳感器對地存在一個電位差，這類情形下需要在傳感器和其余電路之間采取電隔離措施。下需要在傳感器和其余電路之間采取電隔離措施。隔離放大器隔離放大器 隔離變壓器隔離變壓器 光隔離器光隔離器 33隔離放大器隔離放大器n隔離放大器是一種輸入電路和輸出電路之間電氣隔離放大器是一種輸入電路和輸出電路之間電氣絕緣的放大器，一般采用變壓器或光耦合傳遞信絕緣的放大器，一般采用變壓器或光耦合傳遞信號，在工

26、業(yè)控制、信號測量和醫(yī)療器械號，在工業(yè)控制、信號測量和醫(yī)療器械,信號放大信號放大等各個方面獲得廣泛應(yīng)用。實(shí)用于電信，電力，等各個方面獲得廣泛應(yīng)用。實(shí)用于電信，電力，石油，石化，環(huán)保，水處理，冶金，食品，暖通石油，石化，環(huán)保，水處理，冶金，食品，暖通空調(diào)等領(lǐng)域?？照{(diào)等領(lǐng)域。n隔離放大器作用是對模擬信號進(jìn)行隔離隔離放大器作用是對模擬信號進(jìn)行隔離,并按照一并按照一定的比例放大。在這個隔離、放大的過程中要保定的比例放大。在這個隔離、放大的過程中要保證輸出的信號失真要小，線性度、精度、帶寬、證輸出的信號失真要小，線性度、精度、帶寬、隔離耐壓等參數(shù)都要達(dá)到使用要求。對被測對象隔離耐壓等參數(shù)都要達(dá)到使用要求。

27、對被測對象和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)予以隔離和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)予以隔離,從而提高共模抑制比從而提高共模抑制比,同時保護(hù)電子儀器設(shè)備和人身安全。同時保護(hù)電子儀器設(shè)備和人身安全。34隔離變壓器隔離變壓器n隔離變壓器是指輸入繞組與輸出繞組在電氣隔離隔離變壓器是指輸入繞組與輸出繞組在電氣隔離的變壓器，隔離變壓器用以避免偶然同時觸及帶的變壓器，隔離變壓器用以避免偶然同時觸及帶電體變壓器的隔離是隔離原副邊繞線圈各自的電電體變壓器的隔離是隔離原副邊繞線圈各自的電流。早期為歐洲國家用在電力行業(yè)，廣泛用于電流。早期為歐洲國家用在電力行業(yè)，廣泛用于電子工業(yè)或工礦企業(yè)，機(jī)床和機(jī)械設(shè)備中一般電路子工業(yè)或工礦企業(yè)，機(jī)床和機(jī)械設(shè)備中一般

28、電路的控制電源，安全照明及指示燈的電源之用。的控制電源，安全照明及指示燈的電源之用。35光隔離器光隔離器n半導(dǎo)體激光器及光放大器等對來自連接器、熔接半導(dǎo)體激光器及光放大器等對來自連接器、熔接點(diǎn)、濾波器等的反射光非常敏感，并導(dǎo)致性能惡點(diǎn)、濾波器等的反射光非常敏感，并導(dǎo)致性能惡化。因此需要用光隔離器阻止反射光。光隔離器化。因此需要用光隔離器阻止反射光。光隔離器是一種只允許光沿一個方向通過而在相反方向阻是一種只允許光沿一個方向通過而在相反方向阻擋光通過的光無源器件。它通過光纖回波反射的擋光通過的光無源器件。它通過光纖回波反射的光能夠被光隔離器很好的隔離，隔離度代表了光光能夠被光隔離器很好的隔離，隔離

29、度代表了光隔離器對回波隔離（阻擋）能力。光隔離器是一隔離器對回波隔離（阻擋）能力。光隔離器是一種非常有用的器件，通常被使用在光路中用來避種非常有用的器件，通常被使用在光路中用來避免光路中的回波對光源，泵浦源以及其他發(fā)光器免光路中的回波對光源，泵浦源以及其他發(fā)光器件造成的干擾和損害。包括偏振無關(guān)型在線式光件造成的干擾和損害。包括偏振無關(guān)型在線式光隔離器和偏振相關(guān)小型化光隔離器。隔離器和偏振相關(guān)小型化光隔離器。368.4 相敏檢波器和鎖相環(huán)相敏檢波器和鎖相環(huán) n相敏檢波器相敏檢波器相敏檢波器實(shí)際上是一個兩位開關(guān)。交替地輸出未反相敏檢波器實(shí)際上是一個兩位開關(guān)。交替地輸出未反相輸入信號和反相輸入信號相

30、輸入信號和反相輸入信號 開關(guān)動作的頻率由參考信號決定。結(jié)果是產(chǎn)生一個參開關(guān)動作的頻率由參考信號決定。結(jié)果是產(chǎn)生一個參考信號和輸入信號的乘積考信號和輸入信號的乘積 u0=uiur37相敏檢波器相敏檢波器n如果和都是正弦信號如果和都是正弦信號,則則 如果把輸出信號如果把輸出信號u0送到一個截止頻率近乎送到一個截止頻率近乎0Hz的低通濾的低通濾波器，由上式可見，波器，由上式可見，僅當(dāng)僅當(dāng)ui與與ur頻率相等時，濾波器才頻率相等時，濾波器才會有輸出，且含直流分量。會有輸出，且含直流分量。由上式還可看出，由上式還可看出，濾波器輸出信號的大小取決于輸入濾波器輸出信號的大小取決于輸入信號與參考信號的相位關(guān)系

31、信號與參考信號的相位關(guān)系。當(dāng)。當(dāng)i為為0或或180時，時，輸出信號最大，當(dāng)輸出信號最大，當(dāng)i為為90或或270時，輸出信號等于時，輸出信號等于零。由于這個原因，參考信號的移相能力要能保證輸零。由于這個原因，參考信號的移相能力要能保證輸出最大。出最大。 0iriiriririirisinsincoscos2uuuttuutt388.5 多路復(fù)用多路復(fù)用 n多路復(fù)用是為了使若干個數(shù)據(jù)源能共用一個信號多路復(fù)用是為了使若干個數(shù)據(jù)源能共用一個信號數(shù)據(jù)通道。數(shù)據(jù)通道。 n時分復(fù)用時分復(fù)用(TDM) :每個數(shù)據(jù)源依次與數(shù)據(jù)通道接每個數(shù)據(jù)源依次與數(shù)據(jù)通道接通，輪換著傳輸數(shù)據(jù)。通，輪換著傳輸數(shù)據(jù)。 TDM通常用

32、于數(shù)據(jù)量大而變化相對緩慢的系統(tǒng)通常用于數(shù)據(jù)量大而變化相對緩慢的系統(tǒng) 由于用了離散數(shù)據(jù)，由于用了離散數(shù)據(jù)，TDM尤適于數(shù)字信號處理。尤適于數(shù)字信號處理。 n頻分復(fù)用頻分復(fù)用 (FDM):用每一個數(shù)據(jù)源調(diào)制一個副載波用每一個數(shù)據(jù)源調(diào)制一個副載波頻率，然后把這些副載波混合起來調(diào)制另一個高頻率，然后把這些副載波混合起來調(diào)制另一個高頻載波，這個高頻載波就用于向接收裝置發(fā)送信頻載波，這個高頻載波就用于向接收裝置發(fā)送信息。在接收端，把高頻載波解調(diào)后，用濾波器分息。在接收端，把高頻載波解調(diào)后，用濾波器分離出各副載波，就能從各副載波中提取出信息。離出各副載波，就能從各副載波中提取出信息。FDM技術(shù)適用于模擬信號

33、處理技術(shù)適用于模擬信號處理 39鎖相環(huán)鎖相環(huán) n用相敏檢波器用相敏檢波器（僅當(dāng)僅當(dāng)ui與與ur頻率相等時，濾波器頻率相等時，濾波器才會有輸出才會有輸出）和壓控振蕩器和壓控振蕩器（指輸出頻率與輸入指輸出頻率與輸入控制電壓有對應(yīng)關(guān)系的振蕩電路控制電壓有對應(yīng)關(guān)系的振蕩電路(VCO)。）。）還可還可以構(gòu)成如圖所示的鎖相環(huán)，可用以跟蹤某個頻率以構(gòu)成如圖所示的鎖相環(huán)，可用以跟蹤某個頻率的信號而無需再用任何外部參考量。的信號而無需再用任何外部參考量。n相敏檢波器濾波級的輸出信號經(jīng)放大后用來做壓相敏檢波器濾波級的輸出信號經(jīng)放大后用來做壓控振蕩器的控制信號，壓控振蕩器的輸出又給相控振蕩器的控制信號，壓控振蕩器的

34、輸出又給相敏檢波器提供了參考信號。敏檢波器提供了參考信號。 408.6 濾波器濾波器 n濾波器用于阻止某些頻率的信號通過。濾波器用于阻止某些頻率的信號通過。n實(shí)際上要完全去除不需要的頻率分量是不可能的，實(shí)際上要完全去除不需要的頻率分量是不可能的，只能把它們衰減到一定程度。只能把它們衰減到一定程度。 41模擬濾波器模擬濾波器 n模擬濾波器可以用有源電路或無源電路實(shí)現(xiàn)模擬濾波器可以用有源電路或無源電路實(shí)現(xiàn) 。無源濾波器簡單，無需外加電源。制約無源濾波器性能的主無源濾波器簡單，無需外加電源。制約無源濾波器性能的主要因素是元件本身并非理想的要因素是元件本身并非理想的 。有源模擬濾波器使用了運(yùn)算放大器模

35、擬有源模擬濾波器使用了運(yùn)算放大器模擬“理想理想”元件，并且元件，并且在濾波器輸入輸出端可以實(shí)現(xiàn)正確的阻抗匹配。這使得有源在濾波器輸入輸出端可以實(shí)現(xiàn)正確的阻抗匹配。這使得有源濾波器的性能更接近理想特性，但是也更復(fù)雜，濾波器的性能更接近理想特性，但是也更復(fù)雜， n濾波器的主要特性指標(biāo)有濾波器的主要特性指標(biāo)有3dB帶寬帶寬有效噪聲帶寬有效噪聲帶寬波形因數(shù)波形因數(shù)選擇性選擇性響應(yīng)時間。響應(yīng)時間。 42濾波器的主要特性指標(biāo)濾波器的主要特性指標(biāo)1 1n3dB帶寬帶寬指濾波器通頻帶內(nèi)增益水平下降指濾波器通頻帶內(nèi)增益水平下降3dB時的帶寬時的帶寬n波形因數(shù)波形因數(shù)（信號在一個周期內(nèi)的有效值與絕對均值的比例）（

36、信號在一個周期內(nèi)的有效值與絕對均值的比例）用于表示濾波器的選擇性，是濾波器對不同頻率分量分辨用于表示濾波器的選擇性，是濾波器對不同頻率分量分辨能力的度量。波形因數(shù)定義為能力的度量。波形因數(shù)定義為60dB帶寬與帶寬與3dB帶寬之比，帶寬之比，若動態(tài)范圍小于若動態(tài)范圍小于60dB，則用，則用40dB帶寬與帶寬與3dB帶寬比。帶寬比。 43濾波器的主要特性指標(biāo)濾波器的主要特性指標(biāo)2 2n有效噪聲帶寬有效噪聲帶寬是把實(shí)際濾波器性能與一個理想濾是把實(shí)際濾波器性能與一個理想濾波器性能作比較，設(shè)一個理想濾波器與一個實(shí)際波器性能作比較，設(shè)一個理想濾波器與一個實(shí)際濾波器在各自通帶內(nèi)傳送白噪聲，并且兩個被傳濾波器

37、在各自通帶內(nèi)傳送白噪聲，并且兩個被傳送的白噪聲信號的幅度和功率都相同，這時該理送的白噪聲信號的幅度和功率都相同，這時該理想濾波器的帶寬就是該實(shí)際濾波器的有效噪聲帶想濾波器的帶寬就是該實(shí)際濾波器的有效噪聲帶寬。寬。 n濾波器并不是立刻對輸出信號電平做出響應(yīng)。濾波器并不是立刻對輸出信號電平做出響應(yīng)。響響應(yīng)時間應(yīng)時間即指出信號達(dá)到穩(wěn)定電平值實(shí)際所需的時即指出信號達(dá)到穩(wěn)定電平值實(shí)際所需的時間，是帶寬的倒數(shù)。間，是帶寬的倒數(shù)。 44無源濾波器的實(shí)現(xiàn)形式無源濾波器的實(shí)現(xiàn)形式45濾波器的梯形網(wǎng)絡(luò)濾波器的梯形網(wǎng)絡(luò) n要得到陡峭的頻率特性，可以把若干個相似級連要得到陡峭的頻率特性，可以把若干個相似級連接起來形成

38、梯形網(wǎng)絡(luò)，無源接起來形成梯形網(wǎng)絡(luò)，無源LC梯形濾波器具有非梯形濾波器具有非常好的可擴(kuò)展性，易于實(shí)現(xiàn)高階。但是電感元件常好的可擴(kuò)展性，易于實(shí)現(xiàn)高階。但是電感元件不易得到，可以采用有源阻抗變換電路模擬電感不易得到，可以采用有源阻抗變換電路模擬電感原件來實(shí)現(xiàn)。原件來實(shí)現(xiàn)。 46常用的濾波器常用的濾波器n巴特沃茲濾波器巴特沃茲濾波器 巴特沃茲濾波器的幅頻特性在巴特沃茲濾波器的幅頻特性在0時單調(diào)減，所以又時單調(diào)減，所以又稱為最平響應(yīng)濾波器。稱為最平響應(yīng)濾波器。n契比雪夫?yàn)V波器契比雪夫?yàn)V波器 契比雪夫?yàn)V波器又稱為等起伏濾波器，其幅頻特性在契比雪夫?yàn)V波器又稱為等起伏濾波器，其幅頻特性在通頻帶內(nèi)是等起伏函數(shù)，

39、而在通帶外和阻帶內(nèi)則為單通頻帶內(nèi)是等起伏函數(shù)，而在通帶外和阻帶內(nèi)則為單調(diào)減函數(shù)。調(diào)減函數(shù)。 n橢圓函數(shù)濾波器橢圓函數(shù)濾波器 橢圓函數(shù)濾波器的幅頻特性在通帶內(nèi)和阻帶內(nèi)都是起橢圓函數(shù)濾波器的幅頻特性在通帶內(nèi)和阻帶內(nèi)都是起伏函數(shù)。伏函數(shù)。 47巴特沃茲濾波器巴特沃茲濾波器（ 特點(diǎn)：具有通帶內(nèi)最大平特點(diǎn)：具有通帶內(nèi)最大平坦的振幅特性）坦的振幅特性）48契比雪夫?yàn)V波器契比雪夫?yàn)V波器n在通帶或阻帶上頻率響應(yīng)幅度等波紋波動的濾波在通帶或阻帶上頻率響應(yīng)幅度等波紋波動的濾波器。在通帶波動的為器。在通帶波動的為“I型切比雪夫?yàn)V波器型切比雪夫?yàn)V波器”，在，在阻帶波動的為阻帶波動的為“II型切比雪夫?yàn)V波器型切比雪夫?yàn)V

40、波器”。n切比雪夫?yàn)V波器在過渡帶比巴特沃斯濾波器的衰切比雪夫?yàn)V波器在過渡帶比巴特沃斯濾波器的衰減快，但頻率響應(yīng)的幅頻特性不如后者平坦。切減快，但頻率響應(yīng)的幅頻特性不如后者平坦。切比雪夫?yàn)V波器和理想濾波器的頻率響應(yīng)曲線之間比雪夫?yàn)V波器和理想濾波器的頻率響應(yīng)曲線之間的誤差最小，但是在通頻帶內(nèi)存在幅度波動。的誤差最小，但是在通頻帶內(nèi)存在幅度波動。49橢圓函數(shù)濾波器橢圓函數(shù)濾波器50相同階數(shù)時對比相同階數(shù)時對比n巴特沃斯濾波器通帶最平坦，阻帶下降慢。巴特沃斯濾波器通帶最平坦，阻帶下降慢。n切比雪夫?yàn)V波器通帶等紋波，阻帶下降較快。切比雪夫?yàn)V波器通帶等紋波，阻帶下降較快。n橢圓濾波器在通帶等紋波（阻帶平坦

41、或等紋波），橢圓濾波器在通帶等紋波（阻帶平坦或等紋波），阻帶下降最快。阻帶下降最快。51有源濾波器有源濾波器n有源模擬濾波器使用了運(yùn)算放大器模擬有源模擬濾波器使用了運(yùn)算放大器模擬“理想理想”元件，并且在濾波器輸入輸出端可以實(shí)現(xiàn)正確的元件，并且在濾波器輸入輸出端可以實(shí)現(xiàn)正確的阻抗匹配。這使得有源濾波器的性能更接近理想阻抗匹配。這使得有源濾波器的性能更接近理想特性，但是也更復(fù)雜，同時帶來一些新問題，比特性，但是也更復(fù)雜，同時帶來一些新問題，比如漂移。如漂移。 52數(shù)字濾波器數(shù)字濾波器n數(shù)字濾波器以一系列離散采樣值的方式采集數(shù)據(jù)，數(shù)字濾波器以一系列離散采樣值的方式采集數(shù)據(jù)，這一系列量化的電平經(jīng)處理后

42、輸出，處理的過程這一系列量化的電平經(jīng)處理后輸出，處理的過程就是濾波的過程。就是濾波的過程。n數(shù)字濾波器要滿足數(shù)字濾波器要滿足Shannon采樣定理的約束。為采樣定理的約束。為了完全重現(xiàn)被采樣的連續(xù)信號，采樣頻率必須至了完全重現(xiàn)被采樣的連續(xù)信號，采樣頻率必須至少高于原信號中最高頻率分量的頻率兩倍，即少高于原信號中最高頻率分量的頻率兩倍，即 fs2fmax 53數(shù)字濾波器的特性數(shù)字濾波器的特性n與許多比模擬濾波器相比，數(shù)字濾波器的頻率響與許多比模擬濾波器相比，數(shù)字濾波器的頻率響應(yīng)特性近乎理想；無零漂，很容易用于低頻信號；應(yīng)特性近乎理想；無零漂，很容易用于低頻信號；無插入損失，能實(shí)現(xiàn)線性相頻特性，而

43、且能做成無插入損失，能實(shí)現(xiàn)線性相頻特性，而且能做成自適應(yīng)濾波器。自適應(yīng)濾波器。54預(yù)處理濾波器和后處理濾波器預(yù)處理濾波器和后處理濾波器 n預(yù)處理濾波和后處理濾波能改善系統(tǒng)的噪聲性能，預(yù)處理濾波和后處理濾波能改善系統(tǒng)的噪聲性能，尤其是抑制高頻噪聲。尤其是抑制高頻噪聲。 558.7 數(shù)字信號的處理和分析數(shù)字信號的處理和分析 n數(shù)字信號處理是用微處理器的計(jì)算功能分析信號數(shù)字信號處理是用微處理器的計(jì)算功能分析信號數(shù)據(jù)。數(shù)字技術(shù)能做溫度補(bǔ)償、信號線性化、濾數(shù)據(jù)。數(shù)字技術(shù)能做溫度補(bǔ)償、信號線性化、濾波以及快速傅立葉變換（波以及快速傅立葉變換（FFT）這類復(fù)變函數(shù)分）這類復(fù)變函數(shù)分析運(yùn)算。析運(yùn)算。n數(shù)字系統(tǒng)

44、的長期穩(wěn)定性好，不受漂移等因素的影數(shù)字系統(tǒng)的長期穩(wěn)定性好，不受漂移等因素的影響。響。n但是比起同樣功能的模擬系統(tǒng)來，系統(tǒng)所需的運(yùn)但是比起同樣功能的模擬系統(tǒng)來，系統(tǒng)所需的運(yùn)算時間較長。另外，必須保證數(shù)字系統(tǒng)固有的延算時間較長。另外，必須保證數(shù)字系統(tǒng)固有的延時不會影響系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。時不會影響系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。 56離散傅立葉分析離散傅立葉分析 n傅立葉分析是強(qiáng)有力的分析工具，廣泛用于提取傅立葉分析是強(qiáng)有力的分析工具，廣泛用于提取關(guān)于系統(tǒng)行為的信息。用正變換和逆變換可以把關(guān)于系統(tǒng)行為的信息。用正變換和逆變換可以把信號從時域變換到頻域或反過來從頻域變換到時信號從時域變換到頻域或反過來從頻域變換到時域，在頻域里可以獲得功率譜密度等信息，可以域，在頻域里可以獲得功率譜密度等信