現(xiàn)代機(jī)械工程圖學(xué)題典答案

附錄資料：不需要的可以刪除濾波器

濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其它頻率成分。在測試裝置中，利用濾波器的這種選頻作用，可以濾除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析。

廣義地講，任何一種信息傳輸?shù)耐ǖ溃劫|(zhì)）都可視為是一種濾波器。因為，任何裝置的響應(yīng)特性都是激勵頻率的函數(shù)，都可用頻域函數(shù)描述其傳輸特性。因此，構(gòu)成測試系統(tǒng)的任何一個環(huán)節(jié)，諸如機(jī)械系統(tǒng)、電氣網(wǎng)絡(luò)、儀器儀表甚至連接導(dǎo)線等等，都將在一定頻率范圍內(nèi)，按其頻域特性，對所通過的信號進(jìn)行變換與處理。一、濾波器的分類

根據(jù)濾波器的選頻作用，可將濾波器分為以下四類：

（1）低通濾波器

從0～f2頻率之間，幅頻特性平直，它可以使信號中低于f2的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而高于f2的頻率成分受到極大地衰減。

（2）高通濾波器

與低通濾波相反，從頻率f1～∞，其幅頻特性平直。它使信號中高于f1的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而低于f1的頻率成分將受到極大地衰減。06三月2023一、濾波器的分類

（3）帶通濾波器

它的通頻帶在f1～f2之間。它使信號中高于f1而低于f2的頻率成分可以不受衰減地通過，而其它成分受到衰減。

（4）帶阻濾波器

與帶通濾波相反，阻頻帶在頻率f1～f2之間。它使信號中高于f1而低于f2的頻率成分受到衰減，其余頻率成分的信號幾乎不受衰減地通過。

06三月2023一、濾波器的分類

低通濾波器和高通濾波器是濾波器兩種最基本的形式，其它的濾波器都可以分解為這兩種類型的濾波器。例如：低通濾波器與高通濾波器的串聯(lián)為帶通濾波器，低通濾波器與高通濾波器的并聯(lián)為帶阻濾波器。

帶通濾波器低通與高通濾波器的串聯(lián)帶阻濾波器低通與高通濾波器的并聯(lián)

06三月2023二、理想濾波器

理想濾波器是指能使通頻帶內(nèi)信號的幅值和相位都不失真，阻帶內(nèi)的頻率成分都衰減為零的濾波器，其通帶和阻帶之間有明顯的分界線。也就是說，理想濾波器在通帶內(nèi)的幅頻特性應(yīng)為常數(shù)，相頻特性的斜率為常值；在通帶外的幅頻特性應(yīng)為零。

理想低通濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)及圖形為：

06三月2023二、理想濾波器

分析上式所表示的頻率特性可知，該濾波器在時域內(nèi)的脈沖響應(yīng)函數(shù)h(t)為sinc函數(shù)，圖形如下圖所示。脈沖響應(yīng)的波形沿橫坐標(biāo)左、右無限延伸，從圖中可以看出，在單位脈沖輸入濾波器之前，即在t＜0時，濾波器就已經(jīng)有響應(yīng)了。顯然，這是一種非因果關(guān)系，在物理上是不能實現(xiàn)的。由此知在截止頻率處呈現(xiàn)直角銳變的幅頻特性，或者說在頻域內(nèi)用矩形窗函數(shù)描述的理想濾波器是不可能存在的。實際濾波器的頻域圖形不會在某個頻率上完全截止，而會逐漸衰減并延伸到∞。三、實際濾波器

理想濾波器是不存在的，在實際濾波器的幅頻特性圖中，通帶和阻帶之間應(yīng)沒有嚴(yán)格的界限。在通帶和阻帶之間存在一個過渡帶。在過渡帶內(nèi)的頻率成分不會被完全抑制，只會受到不同程度的衰減。所以，當(dāng)一個信號經(jīng)過實際濾波器時，其帶寬B與響應(yīng)建立時間T之間存在一個反比關(guān)系，即：

B·T=常數(shù)

帶寬標(biāo)志著濾波器的分辨力，帶寬越窄，分辨力越高，但由上式可知濾波器達(dá)到穩(wěn)態(tài)輸出的時間會加長，反之，若想獲得較快的輸出，就要選擇帶寬較大的濾波器，但由此會導(dǎo)致濾波的精度下降。實際使用時，要綜合考慮這兩個因素。

06三月2023三、實際濾波器1、實際濾波器

實際濾波器描述的主要參數(shù)有紋波幅度、截止頻率、品質(zhì)因數(shù)等。下圖是一個典型的實際帶通濾波器：

品質(zhì)因數(shù)Q：對于帶通濾波器，通常把中心頻率f0和帶寬B之比稱為濾波器的品質(zhì)因數(shù)，其值越大，表明濾波器頻率分辨力越高。

06三月2023三、實際濾波器2、RC調(diào)諧式濾波器

在測試系統(tǒng)中，信號頻率相對來說不高，因此常用RC濾波器。RC濾波器電路簡單，抗干擾性強，有較好的低頻性能，并且選用標(biāo)準(zhǔn)的阻容元件易得，所以在工程測試的領(lǐng)域中經(jīng)常用到。

(1)一階RC低通濾波器

RC低通濾波器的電路及其幅頻、相頻特性如下圖所示：06三月2023三、實際濾波器2、RC調(diào)諧式濾波器(2)一階RC高通濾波器

RC高通濾波器的電路及其幅頻、相頻特性如下圖所示：06三月2023三、實際濾波器2、RC調(diào)諧式濾波器(3)RC帶通濾波器

RC帶通濾波器的電路及其幅頻、相頻特性如下圖所示：06三月2023四、常用濾波器

頻譜分析：將信號通過中心頻率不同的多個帶通濾波器，則各個濾波器的輸出就反映了信號中在該通帶頻率范圍內(nèi)的量值，此過程稱為信號的頻譜分析，由此分析，也可摘取信號中某些特殊的頻率成分。頻譜分析時帶通濾波器的使用方法：（1）采用中心頻率可調(diào)的帶通濾波器。

（2）采用一組各自中心頻率固定、但又按一定規(guī)律相隔的濾波器組。06三月2023四、常用濾波器

用于頻譜分析裝置中的濾波器組，根據(jù)帶通濾波器中心頻率與帶寬之間的數(shù)值關(guān)系，可分為兩種：

1、恒帶寬比濾波器

中心頻率與帶寬的比值（品質(zhì)因數(shù)）是不變的，稱為恒帶寬比帶通濾波器，優(yōu)點是用較少的帶通濾波器個數(shù)就可以覆蓋較大的頻率范圍，缺點是中心頻率越高，帶寬也越寬，高頻濾波性能下降。

06三月2023四、常用濾波器1、恒帶寬比濾波器恒帶寬比帶通濾波器為使各個帶通濾波器組合起來后能覆蓋整個要分析的信號頻率范圍，其帶通濾波器組的中心頻率是倍頻程關(guān)系，同時帶寬是鄰接式的，通常的做法是使前一個濾波器的上截止頻率與后一個濾波器的下截止頻率相一致，如下圖所示。這樣的一組濾波器將覆蓋整個頻率范圍，稱之為“鄰接式”的。06三月2023四、常用濾波器2、恒帶寬濾波器

帶寬B不隨中心頻率而變化，稱為恒帶寬帶通濾波器，其優(yōu)點是不論帶通濾波器的中心頻率處在任何頻段上，帶寬都相同，即分辨力不隨頻率變化，缺點是在覆蓋頻率范圍相同的情況下，要比恒帶寬比濾波器使用較多的帶通濾波器。

06三月2023第四節(jié)信號的放大為保證測量精度，要求放大電路具有如下：足夠的放大倍數(shù)；高輸入阻抗，低輸出阻抗；高共模抑制能力；低溫漂、低噪聲、低失調(diào)電壓和電流。說明：集成運算放大器具備上述特點。一、基本放大電路反相放大器：輸入阻抗低、易對傳感器形成負(fù)載效應(yīng)；同相放大器：輸入阻抗高、易引入共模干擾；差分放大器：不能提供足夠的輸入阻抗和共模抑制比；二、儀器放大器典型的儀器放大電路由三個集成運放構(gòu)成的，如圖所示。兩個輸入端分別是兩個集成運放Ａ１、Ａ２的同相輸入端，因此輸入電阻很高。Ａ３構(gòu)成差分放大電路，兩邊電阻對稱，可以消除上述遠(yuǎn)距離測量時的共模干擾。同時當(dāng)Ａ１、Ａ２輸出端上產(chǎn)生的漂移電壓對稱時，在Ａ３輸出ｕｏ中也被消除。因此該電路有很高的共模抑制能力和較低的輸出漂移電壓。集成儀器放大器產(chǎn)品

美國BB公司的INA114三、可編程增益放大器多回路檢測系統(tǒng)，輸入信號變化范圍不同，要提供多量程放大器。利用計算機(jī)編程改變增益的放大器為可編程增益放大器?？删幊淘鲆娣糯笃鳛榭删幊淘鲆娴姆聪喾糯笃鳌０ǎ弘娮杈W(wǎng)絡(luò)、電子開關(guān)、譯碼器和運算放大器。也可不用譯碼器，由計算機(jī)I/O口控制y1、y2、y3、y4，得到24個不同增益。y1Uo

A80kΩ40kΩ10kΩ20kΩS4S3S2S1Uiy3y4y2x1x2Rf譯碼器x1x2y1y2y3y4閉合開關(guān)000111S1011011S2101101S3111110S4第五節(jié)測試信號的顯示與記錄測試信號的顯示和記錄是不可缺少的組成部分，其目的在于：1）測試人員通過顯示儀器觀察各路信號的大小和實時波形2）及時掌握測試系統(tǒng)的動態(tài)信息，必要時對參數(shù)調(diào)整。3）記錄信號的重現(xiàn)。4）對信號進(jìn)行后續(xù)的分析和處理。一、信號的顯示示波器是測試中最常用的顯示儀器，有模擬示波器、數(shù)字示波