第四章_信號(hào)的調(diào)理與記錄

1、中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院第一節(jié) 電橋第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)第三節(jié) 濾波器第四節(jié) 信號(hào)的指示和記錄裝置第四章 信號(hào)調(diào)理、處理和記錄中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院 信號(hào)調(diào)理的作用信號(hào)調(diào)理的作用 對(duì)傳感器輸出的原始信號(hào)或系統(tǒng)中某一環(huán)節(jié)的輸出信號(hào)進(jìn)行再對(duì)傳感器輸出的原始信號(hào)或系統(tǒng)中某一環(huán)節(jié)的輸出信號(hào)進(jìn)行再加工，以滿足下一環(huán)節(jié)輸入要求的需要。加工，以滿足下一環(huán)節(jié)輸入要求的需要。 信號(hào)調(diào)理的原因信號(hào)調(diào)理的原因傳感器輸出的電信號(hào)非常微弱，需要放大和變換。傳感器輸出的電信號(hào)非常微弱，需要放大和變換。傳感器輸出的電參量需要轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芰俊鞲衅鬏敵龅碾妳⒘啃枰D(zhuǎn)變?yōu)殡娔芰?。降噪?/p>

2、提高信噪比。降噪，提高信噪比。分離有用分量。分離有用分量。模數(shù)轉(zhuǎn)換。模數(shù)轉(zhuǎn)換。返回章目錄第四章 信號(hào)調(diào)理、處理和記錄概述中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院信號(hào)調(diào)理的種類(lèi)信號(hào)調(diào)理的種類(lèi)1. 參量變換型：常用于參量型傳感器，將電參量變換成電壓和電流量。被測(cè)量參量型傳感器電橋、諧振電路R, L, CV, I2. 阻抗變換、幅度調(diào)節(jié) U, I被測(cè)量發(fā)電型傳感器放大、衰減、阻抗匹配、變換V, I3. 調(diào)制、解調(diào)被測(cè)量傳感器解調(diào)調(diào)制放大、傳送調(diào)制波輸出4. 品質(zhì)調(diào)節(jié)： 線性化處理擴(kuò)大測(cè)量范圍，減少非線性失真； 濾 波保持有用信號(hào)，消除干擾； 倍頻、細(xì)分提高測(cè)量精度；5. A/D、D/A轉(zhuǎn)換：與

3、計(jì)算機(jī)相聯(lián)系。第四章 信號(hào)調(diào)理、處理和記錄概述中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院 電橋是將電阻、電感、電容等參量的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出的一種測(cè)量電路。分類(lèi) ：按激勵(lì)電壓（1）直流電橋 （2）交流電橋 按輸出方式（1）不平衡橋式電路 （2）平衡橋式電路 按工作原理（1）偏值法 （2）歸零法U0abcdI1I2R1R2R3R4Uy圖4-1 直流電橋第一節(jié) 電橋中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院 圖4-1是直流電橋的基本形式。以電阻R1，R2，R3，R4作為四個(gè)橋臂，a、c兩端接入直流電源U0，在b、d兩端為輸出電壓Uy。當(dāng)電橋輸出端后接較大輸入電阻的儀表或放大器時(shí)，可視

4、為開(kāi)路，電流輸出為零，此時(shí)橋路電流為 2101RRUI4302RRUIa, b之間與a, d之間電位差為 021111URRRRIUab043442URRRRIUad輸出電壓為 04321423104340211)(URRRRRRRRURRRURRRUUUadabybU0acdI1I2R1R2R3R4Uy圖4-1 直流電橋（4-4）第一節(jié) 電橋中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院由此可知，若使電橋平衡，輸出為零，應(yīng)滿足 04231RRRR4231RRRR3421RRRR由式（4-4），如果適當(dāng)選擇各橋臂電阻值，可使輸出電壓與被測(cè)量引起的電阻變化量有關(guān)。 R4R3R1R1dcbaR2U

5、yU0a)R4R3R1R1dcbaR2 R2UyU0b)R4 R4R3R3R1R1dcbaR2 R2U0c)圖4-2 直流電橋的連接方式a)半橋單臂 b)半橋雙臂 c)全橋第一節(jié) 電橋中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院在實(shí)際測(cè)試中，橋臂分為半橋式與全橋式聯(lián)接，見(jiàn)圖4-2，在圖a 中表示半橋聯(lián)接，工作中只有一個(gè)臂阻值隨被測(cè)的量而變化。設(shè)R1是電阻 R1 的電阻增量。根據(jù)式（4-3），此是輸出電壓為 043421111)(URRRRRRRRUy為了簡(jiǎn)化橋路設(shè)計(jì)，令 R1= R2 = R3= R4= R0 ，則輸出電壓為 010124URRRUy因?yàn)镽1 R0，所以 0014URRUy（

6、4-5） 可見(jiàn)，電橋輸出 Uy 電壓與激勵(lì)電壓 U0 成正比，并且在R10電容性阻抗時(shí)電流滯后電壓0 第一節(jié) 電橋中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院式（4-10）表明，交流電橋平衡必須滿足兩個(gè)條件： （1）相對(duì)兩橋臂阻抗之模的乘積應(yīng)相等 （2）它們的阻抗角之和也必須相等 為了滿足上述平衡條件，交流電橋各臂可有不同的組合。常用的電容、電感電橋，其相鄰兩臂接入電阻（例如 Z02=R2, Z03=R3, 2=3 =0），而另外兩個(gè)橋臂接入相同性質(zhì)的阻抗，例如電容或電感，保持1=4 。 圖4-4是一種常用電容電橋，2、3兩相鄰為純電阻R2, R3，另外兩相鄰臂為電容C1,C4，可視為電容介

7、質(zhì)損耗的等效電阻。根據(jù)平衡條件有： 244311)1()1(RCjRRCjR42241331CjRRRCjRRR圖4-4 電容電橋U0abcdR1R2R3R4UyC1C4第一節(jié) 電橋中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院令上式實(shí)部、虛部分別相等，則有下面兩個(gè)平衡條件 （4-11） 4213CRCR（4-12） 由此可知，要使電橋達(dá)到平衡，必須同時(shí)調(diào)節(jié)電阻與電容兩個(gè)參數(shù)，達(dá)到電阻和電容都平衡。圖4-5是一種電感電橋，兩相鄰橋臂為電感L1, L4與電阻，根據(jù)式（4-10）平衡條件 244311)()(RLjRRLjR1 31 32442RRj LRRRj LR實(shí)、虛部分別相等 4231RR

8、RR（4-13） 2431RLRL（4-14） U0abcdR1R2R3R4Uy圖4-5 電感電橋L1L44231RRRR第一節(jié) 電橋中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院 對(duì)于純電阻交流電橋，即使各橋臂均為電阻，但由于導(dǎo)線間存在分布電容，相當(dāng)于在各橋臂上并聯(lián)一個(gè)電容（見(jiàn)圖4-6），為此除了電阻平衡外，還需要電容平衡。注意（1）一般情況下交流供橋電壓具有良好的電壓波形與頻率穩(wěn)定度，如果電壓波形畸變，基波易達(dá)到平衡，將有高次諧波電壓輸出。 （2）一般采用音頻交流電源（510kHz）作為電源。外工頻干擾不易介入，放大電路簡(jiǎn)單無(wú)零漂。 （3）采用交流電橋，必須注意一些影響測(cè)量誤差的因數(shù)。例如

9、元件間互感影響；無(wú)感電阻的殘余阻抗；鄰近交流電路對(duì)電橋感應(yīng)；泄漏電阻以及元件之間、元件與地間的分布電容。 第一節(jié) 電橋中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院 帶感應(yīng)耦合臂的電橋是將感應(yīng)耦合的兩個(gè)繞組作為橋臂而組成的電橋，一般有以下兩種形式：圖4-11 帶感應(yīng)耦合臂的電橋第一節(jié) 電橋中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院信號(hào)調(diào)制的作用：1、緩變電信號(hào)實(shí)現(xiàn)交流放大 ：消除放大器零漂的影響。（同頻信噪比）2、減小信號(hào)頻率的動(dòng)態(tài)范圍 ：減少信號(hào)傳輸過(guò)程的失真。3、單通道傳輸多路信號(hào)： 簡(jiǎn)化復(fù)雜系統(tǒng)的信號(hào)傳輸網(wǎng)絡(luò)。調(diào)制是一個(gè)信號(hào)的某些參數(shù)在另一個(gè)信號(hào)控制下而發(fā)生變化的過(guò)程。 前一信號(hào)稱(chēng)為

10、載波(較高頻率交變信號(hào))，后一信號(hào)(控制信號(hào))稱(chēng)為 調(diào)制信號(hào)，最后輸出已調(diào)制波，載波上達(dá)載了調(diào)制信號(hào)的信息。解調(diào)從已調(diào)制波中恢復(fù)出調(diào)制信號(hào)的過(guò)程。 載波調(diào)制分類(lèi)：（1）調(diào)幅(AM) （2）調(diào)頻(FM) （3）調(diào)相（PM）它們的已調(diào)波分別被稱(chēng)為 （1）調(diào)幅波 （2）調(diào)頻波 （3）調(diào)相波 圖4-9 表示了 載波、調(diào)制信號(hào)、調(diào)幅波和調(diào)頻波。第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院1. 幅值調(diào)制原理調(diào)幅高頻簡(jiǎn)諧信號(hào)(載波)與測(cè)試信號(hào)(調(diào)制信號(hào))相乘產(chǎn)生調(diào)幅信號(hào)。 y(t)=x(t)cos2f0 t 即高頻信號(hào)的幅值隨測(cè)試信號(hào)的變化而變化,如交流電橋。 0ty(t)=cos2f0

11、 t0tx(t)0txm(t)a)0ff0- f0Y (f)1/21/20ff0- f0Y (f)0ff0- f0Xm (f)=X(f)*Y(f)2fmb)圖4-13 調(diào)幅過(guò)程 a) 時(shí)域 b)頻域第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院載波為余弦信號(hào)，由函數(shù)的時(shí)移性質(zhì)可知，其頻譜是一對(duì)脈沖譜線 ：（4-21） 在頻域上，調(diào)幅過(guò)程就相當(dāng)于把調(diào)制信號(hào)頻譜移至載波信號(hào)頻率中心處的“搬移過(guò)程” 。00011cos2()()22ftffff調(diào)幅波：)()(21)()(212cos)(000fffXfffXtftx2. 調(diào)幅信號(hào)的頻譜分析調(diào)幅信號(hào)的頻譜分析調(diào)幅條件：調(diào)幅條件：（1

12、）載波頻率 f0 必須高于調(diào)制信號(hào)中最高頻率 fm，才能不產(chǎn)生混疊。 （2）信號(hào)頻寬 2 fm相對(duì)中心頻率（載波頻率）越小越有利于放大、濾波。 （3）須用濾波器濾除fm的高頻燥聲，避免高頻燥聲產(chǎn)生混疊。第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院 若把調(diào)幅波再次與原載波信號(hào)相乘，則頻域圖形將再一次進(jìn)行“搬移”，其結(jié)果如圖4-14所示。若用一個(gè)低通濾波器濾去中心頻率為 2f0 的高頻成分，那么將可以復(fù)現(xiàn)原信號(hào)的頻率（只是幅值減小一半，可以放大處理），這一過(guò)程叫做“同步解調(diào)”。“同步”是指解調(diào)時(shí)所乘的信號(hào)與調(diào)制時(shí)的載波信號(hào)具有相同的頻率和相位。0ff0- f0Y (f)1/21

13、/202f0 ffm fcfc - fmXm(f)*Y (f)0ff0- f0Xm (f)圖4-14 同步解調(diào)乘法器 低 通xm(f)調(diào)幅波載波y(t)x(t)-2f0低通3. 調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)方法調(diào)幅信號(hào)的解調(diào)方法 幅度調(diào)制的解調(diào)有多種方法，常用的有同步解調(diào)、包絡(luò)檢波和相敏檢波法。（1）同步解調(diào)第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院tftxtxtftxtftftx00004cos)(21)(21)4cos1 (21)(2cos2cos)(（4-22） 低通濾波器將頻率為 2f0 的高頻信號(hào)濾去，則得到 x(t)/2。調(diào)幅的目的是使緩變信號(hào)便于放大和傳輸。解調(diào)的目的是為

14、了恢復(fù)原信號(hào)。例如：把廣播中聲音信號(hào)調(diào)制到某一頻率，便于傳輸和放大，又可避免干擾。在時(shí)域中可看到：第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院 若把調(diào)制信號(hào)進(jìn)行偏置，疊加一個(gè)直流分量A，使偏置后信號(hào)都具有正電壓，那么調(diào)幅包絡(luò)線將具有原調(diào)制信號(hào)的形狀，如圖4-15a 所示。把該調(diào)幅波 xm(t) 簡(jiǎn)單整流、濾波，就可恢復(fù)原信號(hào)。如果原調(diào)制信號(hào)中有直流分量，則在整流后應(yīng)準(zhǔn)確減去所加偏置電壓。若所加偏置電壓未能使信號(hào)電壓恒大于零，則對(duì)調(diào)幅波作簡(jiǎn)單整流就不能恢復(fù)原信號(hào)，見(jiàn)圖4-15b，相敏技術(shù)就能解決這一問(wèn)題。 0 x(t)t0 x(t)t0 xm(t)t0 xm(t)t 圖4-1

15、5 調(diào)制信號(hào)加偏置的調(diào)幅波a) 偏置電壓足夠大 b) 偏置電壓不夠大a)b)（2）包絡(luò)檢波第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院 采用相敏檢波時(shí)，對(duì)原信號(hào)可不必再加偏置。注意交變信號(hào)在其過(guò)零線時(shí)符號(hào)（+，-）發(fā)生突變，調(diào)幅波的相位（與載波相比）也相應(yīng)發(fā)生1800的相應(yīng)跳變。利用載波 信號(hào)與之比相，既能反映出原信號(hào)的幅值，有能反映其極性。見(jiàn)圖4-17中，x (t)為原信號(hào)；y (t)為載波；xm(t)為調(diào)幅波。電路設(shè)計(jì)變壓器 B二次輸出電壓比 A二次輸出電壓大。 （3）相敏檢波因此，在負(fù)載 Rf 上所檢測(cè)的電壓 u f 就重現(xiàn) x (t) 的波形。 這種相敏檢波是利用二

16、極管單向?qū)ㄗ饔脤㈦娐份敵鰳O性換向。這種電路相當(dāng)于在 0a 段把 xm(t) 的零線以下的負(fù)部翻上去，而在 ab 段把正部翻下來(lái)，所檢測(cè)到的信號(hào) u f 是經(jīng)過(guò)“翻轉(zhuǎn)”后信號(hào)的包絡(luò)。 第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院圖4-17 相敏檢波1x (t)為正，xm(t)與 y (t) 同相，如圖 0-a 段所示。載波電壓為正時(shí),A,B極性不變,VD1導(dǎo)通,電流流向是d-1-VD1-2-5-c-負(fù)載-地-d。載波電壓為負(fù)時(shí),A,B極性同變,VD3導(dǎo)通,電流流向是d-3-VD3-4-5-c-負(fù)載-地-d。2x (t)為負(fù),xm(t)與 y (t) 異相,如圖 a-b 段所

17、示。y(t)為正時(shí),B不變A與圖相反,VD2導(dǎo)通，電流流向是d-地-負(fù)載-c-5-2-VD2-3-d。y(t)為負(fù)時(shí),B與圖相反A不變,VD4導(dǎo)通，電流流向是d-地-負(fù)載-c-5-4-VD4-1-d。第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院利用電阻應(yīng)變片作利用電阻應(yīng)變片作為傳感元件來(lái)測(cè)量應(yīng)為傳感元件來(lái)測(cè)量應(yīng)變的專(zhuān)用電子儀器稱(chēng)變的專(zhuān)用電子儀器稱(chēng)為電阻應(yīng)變儀。為電阻應(yīng)變儀。Resistance Strain Meter第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院圖4-18所示的動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀是電橋調(diào)幅與相敏檢波的典型實(shí)例。 圖418 動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀方框圖試件

18、電橋放大相敏檢波低通顯示記錄振蕩器t0t0t0t0t0第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院a)b)圖4-19 調(diào)頻波與調(diào)制嬉鬧幅值的關(guān)系 a) 鋸齒波信號(hào) b) 正弦信號(hào) 調(diào)頻是利用信號(hào)電壓的幅值控制一個(gè)振蕩器，振蕩器輸出的是等幅波，但其振蕩頻率偏移量和信號(hào)電壓成比例。當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)，調(diào)頻波頻率等于中心頻率，信號(hào)電壓為正值時(shí)頻率提高，負(fù)值時(shí)則降低。所以調(diào)頻波是隨信號(hào)而變化的疏密不等的等幅波，如圖4-15所示。調(diào)頻波的瞬時(shí)頻率可表示為 。如圖此時(shí)調(diào)頻信號(hào)可表示）變化，有（）隨調(diào)制信號(hào)（頻率為常數(shù)，讓載波瞬時(shí)角若保持振幅設(shè)載波194)(cos)(cos)(00000d

19、ttxktAtxtkxttxtAtAtyf1. 頻率調(diào)制的基本概念第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院LCf21（4-25） 若電容C0的變化量為 ，則式（4-25）變?yōu)槭街?02 CCff（4-27） 因此，回路的振蕩頻率和調(diào)諧參數(shù)的變化呈線性關(guān)系（小范圍內(nèi)），這種把被測(cè)量的變化直接轉(zhuǎn)換為振蕩頻率的變化稱(chēng)為直接調(diào)頻式測(cè)量電路，其輸出是等幅波。 000011)1 (21CCfCCLCf2. 頻率調(diào)制方法 頻率調(diào)制電路常用振蕩電路，如LC振蕩電路、壓控振蕩器。 LC振蕩電路：應(yīng)用于電容、渦流或電感等傳感器的測(cè)量電路。如果把電容（或電感）作為自激振蕩器的諧振回路中的一個(gè)

20、調(diào)諧參數(shù)，那么電路振蕩頻率為 C上式按泰勒級(jí)數(shù)展開(kāi)并忽略高階項(xiàng)得ffCCff000)21 (第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院壓控振蕩器：利用壓控振蕩器是一個(gè)常用的調(diào)頻方案。壓控振蕩器的輸出瞬時(shí)頻率與輸入的控制電壓成線性關(guān)系，從而達(dá)到頻率調(diào)制的目的。壓控振蕩電路有多種形式，現(xiàn)在已有集成化的壓控振蕩器芯片出售。 3. 調(diào)頻信號(hào)的解調(diào) 調(diào)頻波的解調(diào)又稱(chēng)為鑒頻，是將頻率變化恢復(fù)成調(diào)制信號(hào)電壓幅值變化的過(guò)程。一般采用鑒頻器和鎖相環(huán)解調(diào)器。前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在測(cè)試技術(shù)中常被使用，而后者解調(diào)性能優(yōu)良，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般用于要求較高的場(chǎng)合。第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息

21、商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院 信號(hào)分析：信號(hào)分析：被測(cè)信號(hào)一般由多個(gè)頻率分量組成，被測(cè)信號(hào)一般由多個(gè)頻率分量組成，檢測(cè)中得到的信號(hào)除包含有效信息外，還含有噪檢測(cè)中得到的信號(hào)除包含有效信息外，還含有噪聲和不希望的成分，會(huì)導(dǎo)致真實(shí)信號(hào)的畸變和失聲和不希望的成分，會(huì)導(dǎo)致真實(shí)信號(hào)的畸變和失真。真。 濾波：濾波：讓被測(cè)信號(hào)中的有效成分通過(guò)，而將其中讓被測(cè)信號(hào)中的有效成分通過(guò)，而將其中不需要的成分抑制或衰減掉。而抑制或衰減掉其不需要的成分抑制或衰減掉。而抑制或衰減掉其它不需要的頻率成分。它不需要的頻率成分。 濾波器：濾波器：能實(shí)施濾波功能的裝置。能實(shí)施濾波功能的裝置。第三節(jié) 濾波器中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)

22、院信息商務(wù)學(xué)院濾波器分類(lèi)（1）根據(jù)其選頻作用，可分為四類(lèi)： 低通濾波器； 高通濾波器； 帶通濾波器； 帶阻濾波器。 圖4-22 四類(lèi)濾波器的幅頻特性（a）低通 （b）高通 （c）帶通 （d）帶阻（2）根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式可分為兩類(lèi)： 有源濾波器：使用運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)； 無(wú)源濾波器：由RLC組合配置而成。第三節(jié) 濾波器中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院1、理想濾波器 特性理想化的濾波器。 理想低通濾波器：具有矩形幅頻特性和線性相頻特性。 其他0020ctfjffeAfH理想低通濾波器的幅、相頻特性理想低通濾波器的幅、相頻特性 第三節(jié) 濾波器中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院2、實(shí)

23、際濾波器的基本參數(shù)l 理想濾波器只需規(guī)定截止頻率即可說(shuō)明其特性，而實(shí)際濾波器的特性曲線無(wú)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，通帶中幅頻特性也非常數(shù)，需更多參數(shù)描述其性能。l 主要參數(shù)包括：紋波幅度、截止頻率、帶寬、品質(zhì)因數(shù)、倍頻程選擇性、濾波器因數(shù)。 圖4-24 理想和實(shí)際的帶通濾波器的幅頻特性理想濾波器實(shí)際濾波器A(f)A0A02dd0 fc1 fc2 f第三節(jié) 濾波器中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院截止頻率：幅頻特性值等于 所對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)；紋波幅度：通帶中幅頻特性值的起伏變化值；帶寬B：上下兩截止頻率之間的頻率范圍B=fc2-fc1，又稱(chēng)-3dB帶寬；品質(zhì)因子（Q值）：對(duì)于一個(gè)帶通濾波器，其品質(zhì)因子

24、Q則定義為中心頻率f0與帶寬B之比，即Q=f0/B。)3(20dBA第三節(jié) 濾波器中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院倍頻程選擇性：上截止頻率fc2與2fc2之間或下截止頻率fc1與fc1/2間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個(gè)倍頻程的衰減量，以dB表示。倍頻程選擇性表征過(guò)渡帶的幅頻曲線傾斜的程度，即幅頻特性衰減的快慢。濾波器因數(shù)（矩形系數(shù)）：濾波器幅頻特性的 -60dB帶寬與-3dB帶寬的比，即 對(duì)理想濾波器有=1。對(duì)普通使用的濾波器，一般為（15）。dBdBBB360第三節(jié) 濾波器中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院一階RC低通濾波器 低通濾波器的典型電路如圖所 示。其頻

25、率響應(yīng)特性為： 率?？梢苑奖愕馗淖兘刂诡l所以調(diào)節(jié)點(diǎn)，因?qū)?yīng)截止頻率討論：RCRCfdBfffffffHcccc,213)(tan)(11)(12RuxuyCA(f)11/221/2f01/20(f)-450-900fRC低通濾波器 及其幅、相頻率特性第三節(jié) 濾波器中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院RC高通濾波器 RC高通濾波器的典型電路如圖所示。 RuxuyCA(f)11/221/2f01/20(f)450900fRC高通濾波器及其幅、相頻率特性 其頻率響應(yīng)特性為)(tan90)(1)(12cccffffffffH第三節(jié) 濾波器中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院各種濾波

26、器性能比較：l RC濾波器：過(guò)渡帶衰減速度慢（-6dB/倍頻程），通帶與阻帶間無(wú)陡峭界限，性能較差。如圖427所示。l LC濾波器過(guò)渡帶曲線的陡峭度優(yōu)于RC濾波器，如圖4-28所示。l 多個(gè)RC或LC環(huán)節(jié)級(jí)聯(lián)：極大地改善了過(guò)渡帶曲線的陡峭度，但具有明顯的負(fù)載效應(yīng)和相移增大的問(wèn)題。如圖4-29所示。l 有源濾波器：無(wú)源濾波網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)算放大器組合而成，性能更加優(yōu)良。如圖4-30、4-31所示。3、帶通濾波器 低通濾波器和高通濾波器的組合。圖4-26。第三節(jié) 濾波器中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院1 1、多路帶通濾波器的并聯(lián)形式、多路帶通濾波器的并聯(lián)形式主要應(yīng)用：主要應(yīng)用： 信號(hào)的頻譜分

27、析和信號(hào)中特定頻率成分提取。信號(hào)的頻譜分析和信號(hào)中特定頻率成分提取。具體要求：具體要求：l為保證帶通濾波器的帶寬覆蓋整個(gè)分析的頻帶，它們的為保證帶通濾波器的帶寬覆蓋整個(gè)分析的頻帶，它們的中心頻率能使相鄰的帶寬恰好互相銜接，即前一個(gè)濾波中心頻率能使相鄰的帶寬恰好互相銜接，即前一個(gè)濾波器的器的3dB3dB上截止頻率等于后一個(gè)濾波器的上截止頻率等于后一個(gè)濾波器的3dB3dB下截止下截止頻率；頻率；l濾波器組具有相同的放大倍數(shù)。濾波器組具有相同的放大倍數(shù)。第三節(jié) 濾波器中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院兩類(lèi)常用的帶通濾波器組：兩類(lèi)常用的帶通濾波器組：l 恒帶寬比濾波器（恒帶寬比濾波器（a圖

28、）圖）l 恒帶寬濾波器（恒帶寬濾波器（b圖）圖）第三節(jié) 濾波器中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院（1 1）恒帶寬比濾波器）恒帶寬比濾波器 恒帶寬濾波器是指濾波器的相對(duì)帶寬是常數(shù)，即恒帶寬濾波器是指濾波器的相對(duì)帶寬是常數(shù)，即 假若一個(gè)帶通濾波器的低端截止頻率為假若一個(gè)帶通濾波器的低端截止頻率為f fc1ic1i ，高端截，高端截止頻率為止頻率為f fc2ic2i ，二者的關(guān)系：，二者的關(guān)系： 式中式中n n稱(chēng)為稱(chēng)為倍頻程數(shù)倍頻程數(shù)。若。若n=1 n=1 ，則稱(chēng)為倍頻程濾波器；，則稱(chēng)為倍頻程濾波器；若若n=1/3 n=1/3 ，則稱(chēng)為，則稱(chēng)為1/31/3倍頻程濾波器。倍頻程濾波器。Cf

29、fffBiicicii0120icnicff122第三節(jié) 濾波器中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院一個(gè)濾波器組中后一個(gè)濾波器的中心頻率一個(gè)濾波器組中后一個(gè)濾波器的中心頻率f f0i0i與前一個(gè)濾波與前一個(gè)濾波器的中心頻率器的中心頻率f f0(i-1)0(i-1)間滿足：間滿足：而且，濾波器的中心頻率與上下截止頻率間的關(guān)系為而且，濾波器的中心頻率與上下截止頻率間的關(guān)系為 )1(002inifficicifff210第三節(jié) 濾波器中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院n=1n=1的倍頻程濾波器（如下圖），有：的倍頻程濾波器（如下圖），有：(1)(1)中心頻率（中心頻率（HzHz

30、）16,31.5,63,125,250,16,31.5,63,125,250, ,(2)(2)帶寬（帶寬（HzHz ）11.31,22.27,44.55,88.39,176.78,11.31,22.27,44.55,88.39,176.78, , n=1/3 n=1/3倍頻程濾波器組，有：倍頻程濾波器組，有：(1)(1)中心頻率中心頻率（HzHz） 12.5,16,20,25,31.5,40,50,63,12.5,16,20,25,31.5,40,50,63, ,(2)(2)帶寬帶寬（HzHz） 2.9,3.7,4.6,5.8,7.3,9.3,11.6,14.62.9,3.7,4.6,5.8,

31、7.3,9.3,11.6,14.6, ,第三節(jié) 濾波器中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院 倍頻程譜分析裝置倍頻程譜分析裝置 第三節(jié) 濾波器中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院（2 2）恒帶寬濾波器）恒帶寬濾波器l 恒帶寬比的濾波器的不足之處：恒帶寬比的濾波器的不足之處： 其通頻帶在低頻段內(nèi)甚窄，而在高頻段內(nèi)則較寬。因此，其通頻帶在低頻段內(nèi)甚窄，而在高頻段內(nèi)則較寬。因此，濾波器組的頻率分辨率在低頻段內(nèi)較好，在高頻段內(nèi)甚濾波器組的頻率分辨率在低頻段內(nèi)較好，在高頻段內(nèi)甚差。差。l 為了使濾波器組的分辨率在所有頻段都具有同樣良好的為了使濾波器組的分辨率在所有頻段都具有同樣良好的頻

32、率分辨率，可以采用頻率分辨率，可以采用恒帶寬的濾波器恒帶寬的濾波器。l 恒帶寬濾波器是指濾波器的絕對(duì)帶寬為常數(shù)：恒帶寬濾波器是指濾波器的絕對(duì)帶寬為常數(shù)：CffBicic12第三節(jié) 濾波器中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院l 為了提高濾波器的分辨率，其帶寬應(yīng)窄一些。但這樣為覆為了提高濾波器的分辨率，其帶寬應(yīng)窄一些。但這樣為覆蓋整個(gè)頻率范圍所需要的濾波器數(shù)量就很大。因此，蓋整個(gè)頻率范圍所需要的濾波器數(shù)量就很大。因此，恒帶恒帶寬濾波器不應(yīng)做成中心頻率為固定的。寬濾波器不應(yīng)做成中心頻率為固定的。l 實(shí)際中一般利用一個(gè)定帶寬的定中心頻率的濾波器加上實(shí)際中一般利用一個(gè)定帶寬的定中心頻率的濾波器

33、加上可可變參考頻率的差頻變換來(lái)適應(yīng)變參考頻率的差頻變換來(lái)適應(yīng)各種不同中心頻率的定帶寬各種不同中心頻率的定帶寬濾波器濾波器的需要。的需要。l 參考信號(hào)的掃描速度應(yīng)能夠滿足建立時(shí)間的要求，尤其是參考信號(hào)的掃描速度應(yīng)能夠滿足建立時(shí)間的要求，尤其是濾波器帶寬很窄的情況，參考頻率變化不能過(guò)快。常用的濾波器帶寬很窄的情況，參考頻率變化不能過(guò)快。常用的恒帶寬濾波器有恒帶寬濾波器有相關(guān)濾波和變頻跟蹤濾波相關(guān)濾波和變頻跟蹤濾波兩種。兩種。 第三節(jié) 濾波器中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院l為保證測(cè)量精度，要求放大電路具有如下：為保證測(cè)量精度，要求放大電路具有如下：足夠的放大倍數(shù)；足夠的放大倍數(shù)；高輸

34、入阻抗，低輸出阻抗；高輸入阻抗，低輸出阻抗；高共模抑制能力；高共模抑制能力；低溫漂、低噪聲、低失調(diào)電壓和電流。低溫漂、低噪聲、低失調(diào)電壓和電流。說(shuō)明：說(shuō)明：集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器具備上述特點(diǎn)。具備上述特點(diǎn)。第四節(jié) 信號(hào)的放大中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院l 反相放大器：反相放大器：輸入阻抗低、易對(duì)傳感器形成負(fù)載效應(yīng)；輸入阻抗低、易對(duì)傳感器形成負(fù)載效應(yīng)；第四節(jié) 信號(hào)的放大中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院l 同相放大器：同相放大器：輸入阻抗高、易引入共模干擾；輸入阻抗高、易引入共模干擾；第四節(jié) 信號(hào)的放大中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院l 差分放大

35、器：差分放大器：不能提供足夠的輸入阻抗和共模抑制比；不能提供足夠的輸入阻抗和共模抑制比；第四節(jié) 信號(hào)的放大中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院l 典型的儀器放大電路由三個(gè)集成運(yùn)放構(gòu)成的，如圖所示。典型的儀器放大電路由三個(gè)集成運(yùn)放構(gòu)成的，如圖所示。l 兩個(gè)輸入端分別是兩個(gè)集成運(yùn)放兩個(gè)輸入端分別是兩個(gè)集成運(yùn)放、的同相輸入端，的同相輸入端，因此輸入電阻很高。因此輸入電阻很高。l 構(gòu)成差分放大電路，兩邊電阻對(duì)稱(chēng)，可以消除上述遠(yuǎn)構(gòu)成差分放大電路，兩邊電阻對(duì)稱(chēng)，可以消除上述遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)的共模干擾。同時(shí)當(dāng)距離測(cè)量時(shí)的共模干擾。同時(shí)當(dāng)、輸出端上產(chǎn)生輸出端上產(chǎn)生的漂移電壓對(duì)稱(chēng)時(shí)，在的漂移電壓對(duì)稱(chēng)時(shí)，在

36、輸出輸出中也被消除。因此該中也被消除。因此該電路有電路有很高的共模抑制能力很高的共模抑制能力和和較低的輸出漂移電壓較低的輸出漂移電壓。第四節(jié) 信號(hào)的放大中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院第四節(jié) 信號(hào)的放大中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院第四節(jié) 信號(hào)的放大中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院l 集成儀器放大器產(chǎn)品集成儀器放大器產(chǎn)品 美國(guó)美國(guó)BB公司的公司的INA114第四節(jié) 信號(hào)的放大中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院第四節(jié) 信號(hào)的放大中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院第四節(jié) 信號(hào)的放大中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院l

37、多回路檢測(cè)系統(tǒng)，輸入信號(hào)變化范圍不同，要提供多量程多回路檢測(cè)系統(tǒng)，輸入信號(hào)變化范圍不同，要提供多量程放大器。利用計(jì)算機(jī)編程改變?cè)鲆娴姆糯笃鳛榭删幊淘鲆娣糯笃?。利用?jì)算機(jī)編程改變?cè)鲆娴姆糯笃鳛榭删幊淘鲆娣糯笃?。放大器。l 可編程增益放大器為可編程增益的反相放大器。包括：可編程增益放大器為可編程增益的反相放大器。包括：電電阻網(wǎng)絡(luò)阻網(wǎng)絡(luò)、電子開(kāi)關(guān)電子開(kāi)關(guān)、譯碼器譯碼器和和運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器。l 也可不用譯碼器，由計(jì)算機(jī)也可不用譯碼器，由計(jì)算機(jī)I/O口控制口控制y1、y2、y3、y4，得，得到到24個(gè)不同增益。個(gè)不同增益。第四節(jié) 信號(hào)的放大中原工學(xué)院中原工學(xué)院 信息商務(wù)學(xué)院信息商務(wù)學(xué)院y1Uo A80k80k40k40k10k10k20k20kS4S3S2S1Uiy3y4y2x1