測控電路第四章04信號分離電路(N)

2023/2/34.1濾波器的基本知識4.1.1

濾波器的功能和類型(1)功能：濾波器是具有頻率選擇作用的電路或運算處理系統，具有濾除噪聲和分離各種不同信號的功能。測量信號表面輪廓形狀誤差（準直流）波度（低頻）表面粗糙度（中頻）噪聲（高頻）4.1濾波器的基本知識4.1.1

濾波器的功能和類型(2)類型：按處理信號形式分：模擬濾波器和數字濾波器。按功能分：低通、高通、帶通、帶阻。按電路組成分：LC無源、RC無源、由特殊元件構成的濾波器、RC有源濾波器。按傳遞函數的微分方程階數分：一階、二階、高階。2023/2/34.1濾波器的基本知識c)a)b)OOOA()d)O高通低通帶通帶阻rw通帶通帶通帶通帶通帶阻帶阻帶阻帶阻帶阻帶A()A()A()2023/2/34.1濾波器的基本知識（三）濾波器的主要特性指標(1)

特征頻率：①通帶截止頻率

f

p

=ω

p/(2)為通帶與過渡帶邊界點的頻率，在該點信號增益下降到一個人為規(guī)定的下限。②阻帶截頻fr=ω

r/(2)為阻帶與過渡帶邊界點的頻率，在該點信號衰耗(增益的倒數)下降到一人為規(guī)定的下限。4.1.2

模擬濾波器的傳遞函數與頻率特性4.1濾波器的基本知識b)OA()d)OA()高通帶阻rw通帶通帶通帶阻帶阻帶a)OA()低通通帶阻帶過渡帶c)OA()帶通通帶阻帶阻帶過渡帶過渡帶過渡帶過渡帶4.1濾波器的基本知識（三）濾波器的主要特性指標(1)

特征頻率：③轉折頻率fc=ωc/(2)為信號功率衰減到1/2(約3dB)時的頻率，在很多情況下，常以fc作為通帶或阻帶截頻。④固有頻率f0=ω0/(2)為電路沒有損耗時，濾波器的諧振頻率，復雜電路往往有多個固有頻率。4.1.2

模擬濾波器的傳遞函數與頻率特性2023/2/34.1濾波器的基本知識(2)增益與衰耗濾波器在通帶內的增益并非常數。①對低通濾波器通帶增益Kp一般指ω=0時的增益；高通指ω→∞時的增益；帶通則指中心頻率處的增益。②對帶阻濾波器，應給出阻帶衰耗，其定義為增益的倒數。③通帶增益變化量△Kp指通帶內各點增益的最大變化量，如果△Kp以dB為單位，則指增益dB值的變化量。4.1.2

模擬濾波器的傳遞函數與頻率特性（三）濾波器的主要特性指標2023/2/3(3)

阻尼系數與品質因數

阻尼系數表征濾波器中能量衰耗的一項指標。阻尼系數的倒數稱為品質因數Q，是評價帶通與帶阻濾波器頻率選擇特性的一個重要指標式中

為帶通或帶阻濾波器的3dB帶寬，

為中心頻率，在很多情況下中心頻率與固有頻率相等。4.1濾波器的基本知識4.1.2

模擬濾波器的傳遞函數與頻率特性（三）濾波器的主要特性指標2023/2/34.1濾波器的基本知識(4)

靈敏度濾波電路由許多元件構成，每個元件參數值的變化都會影響濾波器的性能。濾波器某一性能指標y對某一元件參數x變化的靈敏度記作，定義為：該靈敏度與測量儀器或電路系統靈敏度不是一個概念，該靈敏度越小，標志著電路容錯能力越強，穩(wěn)定性也越高。4.1.2

模擬濾波器的傳遞函數與頻率特性（三）濾波器的主要特性指標2023/2/34.1濾波器的基本知識(5)群時延函數當濾波器幅頻特性滿足設計要求時，為保證輸出信號失真度不超過允許范圍，對其相頻特性也應提出一定要求。在濾波器設計中，常用群時延函數評價信號經濾波后相位保真性能。群時延函數越接近常數，信號相位失真越小。4.1.2

模擬濾波器的傳遞函數與頻率特性（三）濾波器的主要特性指標（一）一階濾波器一階濾波電路只能構成低通和高通濾波器，而不能構成帶通和帶阻濾波器。其傳遞函數為4.1濾波器的基本知識4.1.3

基本濾波器低通高通2023/2/34.1濾波器的基本知識（二）二階低通濾波器二階低通濾波器的傳遞函數的一般形式為

固有頻率：通帶增益：Kp=b0/a0，阻尼系數：4.1.3

基本濾波器a)OA()低通通帶阻帶過渡帶4.1濾波器的基本知識4.1.3

基本濾波器（二）二階低通濾波器頻率特性幅頻特性20lgA/dB-101-40-20020α=2.5α=1.67α=1.25α=0.8α=0.5α=0.33α=0.2α=0.1lg(ω/ω0)-60稱為臨界阻尼2023/2/34.1濾波器的基本知識lg(ω/ω0)α=0.2α=0.1-101-180o-90oα=2.5α=1.67α=1.25α=0.8α=0.5α=0.33/(°)0°4.1.3

基本濾波器（二）二階低通濾波器相頻特性實部負、虛部負：第三象限實部正、虛部負：第四象限2023/2/3(三)二階高通濾波器傳遞函數幅頻特性4.1濾波器的基本知識4.1.3

基本濾波器20lgA/dB)lg(ω/ω0)-20020α=0.1α=0.2α=0.33α=0.5α=0.8α=1.25α=1.67α=2.5-101-402023/2/34.1濾波器的基本知識lg(ω/ω0)α=2.5-1010°90°180°α=1.67α=1.25α=0.8α=0.5α=0.33α=0.2α=0.1/(°)(三)二階高通濾波器相頻特性4.1.3

基本濾波器實部負、虛部正：第二象限實部正、虛部正：第一象限2023/2/34.1濾波器的基本知識(四）二階帶通濾波器4.1.3

基本濾波器傳遞函數幅頻特性20lgA/dBlg(ω/ω0)-101-60-40-20Q=0.5Q=1Q=2.5Q=5Q=10Q=20Q=40Q=10004.1濾波器的基本知識4.1.3

基本濾波器(四）二階帶通濾波器當ω=0或當時，A(ω)=0；當ω=ω0時，A(ω)=Kp，達到極大值，具有帶通特性。

c)OA()帶通轉折頻率轉折頻率4.1濾波器的基本知識4.1.3

基本濾波器(四）二階帶通濾波器在轉折頻率fc=ωc/(2π)處，通帶增益下降3dB,也就是說ω=ωc時，A(ω)=Kp/

2023/2/34.1濾波器的基本知識4.1.3

基本濾波器(四）二階帶通濾波器相頻特性-10190oQ=100Q=40Q=20Q=10Q=5Q=2.5Q=1Q=0.5lg(ω/ω0)0o-90o/(°)2023/2/34.1濾波器的基本知識(五）二階帶阻濾波器4.1.3

基本濾波器傳遞函數幅頻特性-101-20Q=5Q=2.5Q=1Q=0.1Q=0.2Q=0.5lg(ω/ω0)0-40-6020lgA/dB2023/2/34.1濾波器的基本知識lg(ω/ω0)-101-90o0o90oQ=5Q=2.5Q=1Q=0.5Q=0.2Q=0.1/(°)4.1.3

基本濾波器相頻特性(五）二階帶阻濾波器2023/2/34.1濾波器的基本知識(6)

二階全通濾波電路傳遞函數幅頻特性相頻特性4.1.3

基本濾波器2023/2/34.1濾波器的基本知識理想濾波器要求幅頻特性A(ω)在通帶內為一常數，在阻帶內為零，沒有過渡帶，還要求群延時函數τ(ω)在通帶內為一常量，這在物理上是無法實現的。實踐中往往選擇適當逼近方法，實現對理想濾波器的最佳逼近。測控系統中常用的三種逼近方法為：

(一)巴特沃斯逼近 (二)切比雪夫逼近 (三)貝賽爾逼近4.1.4

濾波器特性的逼近2023/2/34.1濾波器的基本知識（一）巴特沃斯逼近4.1.4

濾波器特性的逼近保持幅頻特性單調變化的前提下，通帶內最為平坦

4.1濾波器的基本知識（一）巴特沃斯逼近4.1.4

濾波器特性的逼近將具有欠阻尼和過阻尼的二階環(huán)節(jié)組合在一起，以達到單調且最平坦要求。20lgA/dB-101-40-20020α=2.5α=1.67α=1.25α=0.8α=0.5α=0.33α=0.2α=0.1lg(ω/ω0)-602023/2/34.1濾波器的基本知識0.51.0ω/ω0n=2n=4n=5120A1-180°0ω/ω0n=5n=4n=2-360°2/(°)4.1.4

濾波器特性的逼近（一）巴特沃斯逼近2023/2/34.1濾波器的基本知識（二）切比雪夫逼近允許通帶增益Kp有一定的波動量ΔKp，故在電路階數一定的條件下，可使其過渡帶更陡峭，幅頻特性更接近矩形，但是其相頻特性也變得更差。4.1.4

濾波器特性的逼近常用的二階低通濾波器，只要阻尼α小于臨界阻尼均屬于切比雪夫逼近，不同的阻尼α對應不同的ΔKp值。切比雪夫逼近在通帶內ω≤ωp有[n/2]（[n/2]表示n/2取整）個等幅波動，通帶增益在1到之間變化。允許的波動幅度越大，其過渡帶越陡峭，但ΔKp所產生的幅度失真也越大，同時相頻特性也隨之變差。在通帶外ω>ωp,基本以指數規(guī)律衰減。4.1濾波器的基本知識4.1.4

濾波器特性的逼近（二）切比雪夫逼近4.1濾波器的基本知識4.1.4

濾波器特性的逼近（二）切比雪夫逼近β=[arcsinh(1/ε)]/n

4.1.4

濾波器特性的逼近4.1濾波器的基本知識(三）貝賽爾逼近它主要側重于相頻特性，其基本原則是使通帶內相頻特性線性度最高，群時延函數τ(ω)最接近于常量，從而使相頻特性引起的相位失真最小。對于常用的二階低通濾波器，取能滿足這一要求。2023/2/34.1濾波器的基本知識-180°-360°0121234ω/ω04.1.4

濾波器特性的逼近相頻特性ω/ω000.51221341.0A幅頻特性1-貝賽爾濾波器2-巴特沃斯濾波器3-通帶增益波動為0.5dB的切比雪夫濾波器4-通帶增益波動為2dB的切比雪夫濾波器4.1濾波器的基本知識4.1.4

濾波器特性的逼近246800.20.40.60.81.0t/t0213uo(t)/ui單位階躍響應

1-貝賽爾逼近2-巴特沃斯逼近3-通帶增益波動為2dB的切比雪夫逼近一階濾波電路只有低通和高通濾波器，性能較差。

4.2RC濾波電路a)低通濾波電路RCui(t)uo(t)b)高通濾波電路CRui(t)uo(t)4.2.1一階濾波電路4.2RC有源濾波電路4.2.1一階濾波電路一階有源濾波電路a)低通濾波電路b)高通濾波電路RCui(t)uo(t)∞-++NCRui(t)∞-++Nuo(t)2023/2/34.2RC有源濾波電路4.2.2壓控電壓源型濾波電路uo(t)Y2Y1Y4Y3Y5R0Rui(t)∞+-+N基爾霍夫定律2023/2/3(一）低通濾波電路a)低通濾波電路∞+-+NR0Ruo(t)ui(t)C1C2R2R14.2RC有源濾波電路4.2.2壓控電壓源型濾波電路R2、C2構成低通，R1、C1構成積分環(huán)節(jié)，起低通作用。2023/2/3（二）高通濾波器4.2RC有源濾波電路4.2.2壓控電壓源型濾波電路b)高通濾波電路uo(t)R0Rui(t)C2C1R1R2∞+-+NC2、R2構成高通，C1、R1構成微分環(huán)節(jié)，起高通作用。2023/2/3（三）帶通濾波器4.2RC有源濾波電路4.2.2壓控電壓源型濾波電路c)帶通濾波電路ui(t)R0Ruo(t)C1C2R1R2R3∞+-+N（三）帶通濾波器4.2RC有源濾波電路4.2.2壓控電壓源型濾波電路R1、C1構成低通，R2、C2構成高通低通高通帶通ui(t)R0Ruo(t)C1C2R1R2R3∞+-+N2023/2/3（四）帶阻濾波器4.2RC有源濾波電路4.2.2壓控電壓源型濾波電路R1C3R0Ruo(t)ui(t)C2C1R3R2∞+-+NR3=R1//R2,C1=C2=C3/2=C

（四）帶阻濾波電路4.2RC有源濾波電路4.2.2壓控電壓源型濾波電路低通高通帶阻過渡帶通過信號相位相反R1C3R0Ruo(t)ui(t)C2C1R3R2∞+-+N壓控電壓源型濾波電路對有源器件特性理想程度要求較低，結構簡單，調整方便。但壓控電壓源電路利用正反饋補償RC網絡中能量損耗，反饋過強將降低電路穩(wěn)定性。Q值表達式均包含-Kf項，Kf過大，可能會使Q值變負，導致電路自激振蕩。4.2RC有源濾波電路4.2.2壓控電壓源型濾波電路2023/2/34.2.3無限增益多路反饋型濾波電路4.2RC有源濾波電路∞-++NY5Y1Y3Y2Y4Rui(t)uo(t)無限增益多路反饋型濾波電路不存在正反饋，因而總是穩(wěn)定的。其不足之處在于這種電路對運算放大器理想程度要求比較高，調整也不方便。器件工作在放大器狀態(tài)，而非跟隨器狀態(tài)2023/2/3（一）低通濾波電路4.2RC有源濾波電路4.2.3無限增益多路反饋型濾波電路∞-++NC2R1R3R2C1Rui(t)uo(t)R1、C1構成低通，R2、C2構成積分環(huán)節(jié)，起低通作用2023/2/3（二）高通濾波電路4.2RC有源濾波電路4.2.3無限增益多路反饋型濾波電路∞-++NR2C1C3C2R1Rui(t)uo(t)C1、R1構成高通，C2、R2構成高通，C1

、

C3構成放大環(huán)節(jié)2023/2/3（三）帶通濾波電路4.2RC有源濾波電路4.2.3無限增益多路反饋型濾波電路∞-++NR3R1C2C1R2Rui(t)uo(t)R1、C2構成低通，C1、R3構成高通2023/2/3可實現低通、高通、帶阻與全通濾波的雙二階環(huán)電路4.2RC有源濾波電路4.2.4雙二階環(huán)濾波電路改變參數或連接，可以獲得不同濾波輸出。∞-++N1∞-++N2∞-++N3u0(t)ui(t)R01R1R2C1R3R4R5R02R03C2u1(t)1)

R03開路、R01=R02R2/R3，高通濾波電路；2)R01=R02R2/R3，R03=R02R5/R4，帶阻濾波電路；3)2R01=R02R2/R3，R03=R02R5/R4，全通濾波電路；4)

R01、R02開路，低通濾波電路；5)R03開路、R01=R02R2/R3，u1(t)處輸出，帶通濾波電路集成后使用方便。4.2RC有源濾波電路4.2.4雙二階環(huán)濾波電路可實現低通、高通、帶通、帶阻與全通濾波的雙二階環(huán)電路濾波電路特征參數4.2RC有源濾波電路4.2.4雙二階環(huán)濾波電路高通、帶通、帶阻參數便于獨立調整。2023/2/3有源濾波器的設計主要包括以下四個過程：1、確定傳遞函數低通、高通、帶通、帶阻特征頻率：固有頻率、轉折頻率、截止頻率巴特沃斯、切比雪夫、貝賽爾逼近2、選擇電路結構壓控電壓源、無限增益多路反饋、雙二階環(huán)3、選擇有源器件4、計算無源元件參數4.2RC有源濾波電路4.2.5有源濾波器設計2023/2/3在給定的fc下，由表4-2選擇電容C1;4.2RC有源濾波電路4.2.5有源濾波器設計fc/

Hz<100100~10001k~10k10k~100k>100kC1/μF10~0.10.1~0.010.01~0.001（1000~100）×10-6（100~10）×10-6表4-2二階有源濾波器設計電容選擇用表∞-++NC2R1R3R2C1Rui(t)uo(t)4.2RC有源濾波電路4.2.5有源濾波器設計(2)根據C1的實際值，計算電阻換標系數K;

K=100/(fcC1)(3)由表4-3確定C2及歸一化電阻值ri，算出Ri=Kri

。表4-3

二階無限增益多路反饋巴特沃斯低通濾波器設計用表Kp12610r1/kΩ3.1112.5651.6971.625r2/kΩ4.0723.2924.9774.723r3/kΩ3.1115.13010.18016.252C2/C10.20.150.050.0334.3集成有源濾波器集成有源濾波器有兩類：（1）將若干運算放大器和無源元件集成到一起，構成雙二階環(huán)濾波電路的框架，通過外接無源元件調整濾波參數或改變?yōu)V波器類型；（2）采用開關電容技術，改變等效時間常數。4.3集成有源濾波器4.3.1開關電容濾波原理a)有源積分器c)驅動時鐘脈沖與的波形C2∞-++N21C1uo(t)I1ui(t)d)充電過程(為高電平)網絡∞-++NC2uo(t)2I2C1e)轉移過程(為低電平)b)運放與開關電容網絡Tc21∞-++Nui(t)uo(t)C2R12uo(t)C2∞-++Nui(t)1C1V2V1212在時鐘脈沖Φ1與Φ2驅動下，信號源ui(t)向電容C1充電，又將存儲在C1的電荷轉移到C2。流過節(jié)點1、2的平均電流iav(t)=C1ui(t)/Tc，兩節(jié)點1、2之間構成一