机械电子工程原理课件Ch08第八章信号处理

1、机械电子工程原理机械电子工程原理第八章第八章 信号处理信号处理 2信号处理的必要性、原则和方法信号处理的必要性、原则和方法n大多数情况下，从传感器输出的信号不能直接加以利用。大多数情况下，从传感器输出的信号不能直接加以利用。最基本的原因最基本的原因是传感器输入信号的幅度不适当，需要引入是传感器输入信号的幅度不适当，需要引入增益或者衰减使之与系统下一级匹配。在一些复杂环境中，增益或者衰减使之与系统下一级匹配。在一些复杂环境中，从传感器得到的原始信号中往往含有其他成分，必须去除从传感器得到的原始信号中往往含有其他成分，必须去除之后才能获得所需信息。之后才能获得所需信息。 n信号处理的原则信号处理的

2、原则是把所需信息从传感器的输出信号中分离是把所需信息从传感器的输出信号中分离出来，并以适当的形式传送给系统下一级。出来，并以适当的形式传送给系统下一级。 n目前日益广泛的目前日益广泛的做法做法是在传感器上加上信号处理电路。有是在传感器上加上信号处理电路。有的传感器已具备对温度等因素的自动补偿能力，并带有自的传感器已具备对温度等因素的自动补偿能力，并带有自检功能和局部决策能力，这种新颖的设计是测量技术的重检功能和局部决策能力，这种新颖的设计是测量技术的重大进展。大进展。 38.1 运算放大器基本电路运算放大器基本电路 n理想运算放大器理想运算放大器如图示如图示 n输入端输入端1是同相输入端，输入

3、端是同相输入端，输入端2是反相输入端，是反相输入端，3是输出端。在输入端口内，输入端是输出端。在输入端口内，输入端1和输入端和输入端2之之间存在的电阻称为输入电阻。间存在的电阻称为输入电阻。 n理想运算放大器有两个最重要的性质，即输入电理想运算放大器有两个最重要的性质，即输入电阻值无穷大和开环放大倍数无穷大。阻值无穷大和开环放大倍数无穷大。 4理想运算放大器的特性理想运算放大器的特性n因输入电阻值无穷大，所以经输入端因输入电阻值无穷大，所以经输入端1和输入端和输入端2的的电流无穷小，进而输入端电流无穷小，进而输入端1和输入端和输入端2之间没有电压之间没有电压降。因此，对于理想运算放大器，有以下

4、三个关系降。因此，对于理想运算放大器，有以下三个关系同时成立。同时成立。在输入一侧考虑电压关系时，反相输入端与同相输在输入一侧考虑电压关系时，反相输入端与同相输入端之间是入端之间是“虚通虚通”的，图中用虚线表示。理想运的，图中用虚线表示。理想运算放大器的两个输入端之间电压总是为零。算放大器的两个输入端之间电压总是为零。在输入一侧考虑电流关系时，反相输入端与同相输在输入一侧考虑电流关系时，反相输入端与同相输入端之间是入端之间是“虚断虚断”的，图中用叉表示。进入或流的，图中用叉表示。进入或流出理想运算放大器两个输入端的电流总是为零。出理想运算放大器两个输入端的电流总是为零。在输出一侧，输出电压在输

5、出一侧，输出电压Uo可以是电源电压范围内的可以是电源电压范围内的任何有限值。任何有限值。5实际运算放大器的特性实际运算放大器的特性n理想运算放大器是实际运算放大器的模型。理想运算放大器是实际运算放大器的模型。n实际的运算放大器具有很高（上千倍，但不是任实际的运算放大器具有很高（上千倍，但不是任意大）的开环放大倍数，输入端口有很大的输入意大）的开环放大倍数，输入端口有很大的输入电阻（兆欧以上，但不是无穷大）。由于运算放电阻（兆欧以上，但不是无穷大）。由于运算放大器本身的开环增益非常高，输入电阻非常大，大器本身的开环增益非常高，输入电阻非常大，许多场合下可以认为它的输入电流和输入电压都许多场合下可

6、以认为它的输入电流和输入电压都为零，就是所谓理想运算放大器。为零，就是所谓理想运算放大器。 6单端输入和双端输入单端输入和双端输入n运算放大器的输入方式有单端输入和双端输入两种。运算放大器的输入方式有单端输入和双端输入两种。n在单端输入的情况下，总是一端接输入信号，而另一在单端输入的情况下，总是一端接输入信号，而另一端接地（或通过电阻接地）。当信号从端接地（或通过电阻接地）。当信号从1端输入时，输端输入时，输出信号与输入信号同相，称出信号与输入信号同相，称同相输入同相输入；而当信号从；而当信号从2端端输入时，输出信号与输入信号反相，称输入时，输出信号与输入信号反相，称反相输入反相输入。n在双端

7、输入（也称为差动输入）的情况下，输入信号在双端输入（也称为差动输入）的情况下，输入信号U1和和U2同时加在同相端同时加在同相端1和反相端和反相端2上，它的输入是同上，它的输入是同相输入端电压与反相输入端电压之差。相输入端电压与反相输入端电压之差。Ui=U1-U2n实际应用中，运算放大器很少开环使用，大都要加上实际应用中，运算放大器很少开环使用，大都要加上某种某种反馈反馈电路，构成一种输入电路，构成一种输入-输出运算关系。输出运算关系。 7运算放大器的几种基本应用电路运算放大器的几种基本应用电路 n反相放大器反相放大器n差动放大器差动放大器 n积分器积分器 n电荷放大器电荷放大器 n电流电流-电

8、压转换器电压转换器 n对数放大器对数放大器 n比较器比较器 n施密特触发器施密特触发器 n同相放大器同相放大器 n微分器微分器 n电压电压-电流转换器电流转换器 8反相放大器反相放大器 n因为因为ia0，Ua0，a点是虚地点，而且点是虚地点，而且i1=-i2 n这种情况下这个放大器成为理想电压源。如果阻抗这种情况下这个放大器成为理想电压源。如果阻抗Z1和和Z2都是纯电阻，那么输出信号对于输入信号的相移为都是纯电阻，那么输出信号对于输入信号的相移为180 2oi1ZUUZ9同相放大器同相放大器n许多传感器输出电流的能力很有限，即带负载能力很差，许多传感器输出电流的能力很有限，即带负载能力很差，因

9、此必须配以高阻抗的负载。因此必须配以高阻抗的负载。n因为因为 于是于是aiUU=1ao12RUURR2oi1(1)RUUR10电压跟随器电压跟随器 n在这种情况下在这种情况下Uo=Ui，而放大倍数为，而放大倍数为1，即输出电，即输出电压与输入电压幅值相等且极性相同，因此称之为压与输入电压幅值相等且极性相同，因此称之为电压跟随器。电压跟随器。 11差动放大器差动放大器 n如果令如果令R3=R1，R4=R2，则，则2oibia1RUUURiaibURRURRRRRU12434120112测量放大器测量放大器 n实际使用中，增益受到输入阻抗即实际使用中，增益受到输入阻抗即R1的限制，为的限制，为了保

10、证高共模抑制比，了保证高共模抑制比，R1的阻值要足够大。具有的阻值要足够大。具有高输入阻抗的差动放大器又称为测量放大器。高输入阻抗的差动放大器又称为测量放大器。整理得整理得 412oiaib312R RRUUURR13积分器积分器 n用电阻和电容就可以构成一个简单的积分电路，但随用电阻和电容就可以构成一个简单的积分电路，但随着电容上充电电压的增加，流经电阻的充电电流会随着电容上充电电压的增加，流经电阻的充电电流会随之变化。要实现理想的积分运算，就需要在电容两端之变化。要实现理想的积分运算，就需要在电容两端电压增加时，流过它的电流保持不变。电压增加时，流过它的电流保持不变。n进一步推导，有进一步

11、推导，有 i121UiiRoi11dUU tRC14微分器微分器 n由图可列出由图可列出 n因为因为Uo=-ifRf=-i1Rf，故，故 n输出电压与输入电压对时间的一次微分成正比。输出电压与输入电压对时间的一次微分成正比。当当Ui为阶跃电压时，为阶跃电压时，Uo为尖脉冲电压为尖脉冲电压 ci1ddddUUiCCtti0fddUUR Ct15电荷放大器电荷放大器 n压电传感器的输出形式是晶体材料某些表面上电荷的压电传感器的输出形式是晶体材料某些表面上电荷的变化。电荷放大器用来把这些电荷变化转换成电压信变化。电荷放大器用来把这些电荷变化转换成电压信号。用运算放大器组成的电荷放大器的典型结构如图号

12、。用运算放大器组成的电荷放大器的典型结构如图所示。电阻所示。电阻Rf是为了防止反馈电容是为了防止反馈电容Cf上积累电荷。上积累电荷。n当被测物理量的变化引起压电传感器等效电容当被测物理量的变化引起压电传感器等效电容C上电上电荷的变化为荷的变化为q时，放大器的输出为时，放大器的输出为 Uo=-q/Cfn放大器上限频率为放大器上限频率为式中，式中，Rc和和Cc分别为连接电缆分别为连接电缆的等效电阻和等效电容。的等效电阻和等效电容。 n放大器下限频率为放大器下限频率为 h1=()2ccfR CCp1ff1=2fR Cp16电流电流-电压转换器电压转换器 n很多传感器以电流方式输出信号，往往需转换成电

13、压很多传感器以电流方式输出信号，往往需转换成电压信号。图中所示的电流信号。图中所示的电流-电压转换器能够实现这种功电压转换器能够实现这种功能。设运算放大器反相输入端的电流为零，有能。设运算放大器反相输入端的电流为零，有 is+ir=0Uo=-isR17电压电压-电流转换器电流转换器 n有时反过来需要把电压信号转换成电流信号。如果负有时反过来需要把电压信号转换成电流信号。如果负载置于运算放大器的反馈环路中，则负载电流为载置于运算放大器的反馈环路中，则负载电流为n在这种模式下工作时，必须精心选择有足够带负载能在这种模式下工作时，必须精心选择有足够带负载能力的运算放大器。力的运算放大器。 18比较器

14、比较器 n图中的工作方式用于两个信号图中的工作方式用于两个信号U1和和U2的比较。因的比较。因为放大器增益很高，输入信号之差只需为放大器增益很高，输入信号之差只需0.1V就能就能使输出电压极性翻转。使输出电压极性翻转。n实用中有专门设计的比较器集成电路芯片，具有实用中有专门设计的比较器集成电路芯片，具有快速响应能力且误差极小，无须再用通用运算放快速响应能力且误差极小，无须再用通用运算放大器。大器。 19分类分类n过零电压比较器：典型的幅度比较电路过零电压比较器：典型的幅度比较电路n电压比较器：将过零比较器的一个输入端从接地电压比较器：将过零比较器的一个输入端从接地改接到一个固定电压值上，就得到

15、电压比较器改接到一个固定电压值上，就得到电压比较器n窗口比较器：该比较器有两个阈值，传输特性曲窗口比较器：该比较器有两个阈值，传输特性曲线呈窗口状，故称为窗口比较器。线呈窗口状，故称为窗口比较器。n滞回比较器（施密特触发器）：从输出引一个电滞回比较器（施密特触发器）：从输出引一个电阻分压支路到同相输入端。当输入电压阻分压支路到同相输入端。当输入电压vI从零逐从零逐渐增大，且渐增大，且VI上限阀值（触发）电平。当输入电上限阀值（触发）电平。当输入电压压VIVT时，时，VT称为下限阀值（触发）电平。称为下限阀值（触发）电平。20施密特触发器施密特触发器 n翻转点处的输入电压值由下式决定翻转点处的输

16、入电压值由下式决定 ， Us为正为正 ， Us为负为负 2i1s12U RRUR2i2s12U RRUR21有参考电压的施密特触发器有参考电压的施密特触发器 n在在R2支路中加一个参考电压支路中加一个参考电压Vref，输入输出特性就，输入输出特性就会平移。翻转电压成为会平移。翻转电压成为 ， Us为正为正 ， Us为负为负 22简介简介n利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，利用施密特触发器状态转换过程中的正反馈作用，可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很可以把边沿变化缓慢的周期性信号变换为边沿很陡的矩形脉冲信号。输入的信号只要幅度大于陡的矩形脉冲信号。输入的信号只要幅度大于vt+，

17、即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩即可在施密特触发器的输出端得到同等频率的矩形脉冲信号。形脉冲信号。 n从从传感器传感器得到的矩形脉冲经传输后往往发生波形得到的矩形脉冲经传输后往往发生波形畸变，可以通过用施密特反相触发器整形而得到畸变，可以通过用施密特反相触发器整形而得到比较理想的矩形脉冲波形。只要施密特触发器的比较理想的矩形脉冲波形。只要施密特触发器的vt+和和vt-设置得合适，均能收到满意的整形效果。设置得合适，均能收到满意的整形效果。 238.2 实用运算放大器实用运算放大器 n实际使用中，运算放大器会有误差。误差的起因实际使用中，运算放大器会有误差。误差的起因有：有：输入失调电

18、压和偏置电流的变化；输入失调电压和偏置电流的变化；增益随时间发生变化；增益随时间发生变化；带宽和转换速率（响应速度）的限制等等。带宽和转换速率（响应速度）的限制等等。n使用斩波稳零放大器使用斩波稳零放大器（低温漂：温度改变失调电（低温漂：温度改变失调电压基本不变）压基本不变）和自动调零放大器和自动调零放大器（消除输入失调（消除输入失调电压，动态调零）电压，动态调零）等低漂移、高稳定性的器件能等低漂移、高稳定性的器件能够减少上述影响。但是要保持系统长期稳定可靠够减少上述影响。但是要保持系统长期稳定可靠地工作，定期检查和重新校准仍然是必要的。地工作，定期检查和重新校准仍然是必要的。 24放大器的性

19、能指标放大器的性能指标n输入失调电压输入失调电压n输入偏置电流输入偏置电流n漂移漂移n频率响应频率响应 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放大器的性能指标放大器的性能指标 n输入失调电压输入失调电压 如果运算放大器内部电路不是理想对称的，那么即使如果运算放大器内部电路不是理想对称的，那么即使两个输入端连接起来共同接地，输出电压也不为零。两个输入端连接起来共同接地，输出电压也不为零。负反馈可以减少失调电压，但要消除失调只能采用外负反馈可以减少失调电压，但要消除失调只能采用外部补偿电路。为了确保输出电压为零，必须在两个输部补偿电路。为了确保输出电压为零，必须在两个输入端分

20、别加上微小的电压，这两个电压之差就称为输入端分别加上微小的电压，这两个电压之差就称为输入失调电压。入失调电压。 n输入偏置电流输入偏置电流 输入偏置电流是对于双极型晶体管输入级而言的。输输入偏置电流是对于双极型晶体管输入级而言的。输入偏置电流的存在使外部偏置电阻上产生偏置电压，入偏置电流的存在使外部偏置电阻上产生偏置电压，这两个偏置电压又成为输入失调电压。这两个偏置电压又成为输入失调电压。 26漂移漂移 n漂移是所有直流耦合放大器都存在的问题。漂移是所有直流耦合放大器都存在的问题。n输出电压漂移主要是由一些长期因素所致，譬如输出电压漂移主要是由一些长期因素所致，譬如元件老化，电源电压变化等。元

21、件老化，电源电压变化等。n要把输出电压漂移和输入信号缓慢变化引起的输要把输出电压漂移和输入信号缓慢变化引起的输出信号变化区分开是不可能的。出信号变化区分开是不可能的。n温度引起的漂移用温度引起的漂移用V/表示，电源电压变化引表示，电源电压变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频率响应频率响应 n通常的运算放大器频率响应如图所示，其通常的运算放大器频率响应如图所示，其3dB带带宽在宽在10Hz左右，单位增益带宽在几千赫。左右，单位增益带宽在几千赫。 n加负反馈后有效增益加负反馈后有效增益Aeff减小到减小到 Aeff=A/(

22、1+A) 式中，式中，A为运算放大器直流增益；为运算放大器直流增益；为反馈系数。为反馈系数。n此时带宽相应增加到此时带宽相应增加到Beff=B/(1+A) 带宽增益积是常数带宽增益积是常数A 28上升速率上升速率 n响应速度是指运算放大器能响应的输入信号最大响应速度是指运算放大器能响应的输入信号最大变化率。变化率。n响应速度的量纲为响应速度的量纲为V/s，平时更常用的是，平时更常用的是V/s，典，典型值为型值为0.5V/s数量级。数量级。n响应速度与运算放大器全功率带宽有关。全功率响应速度与运算放大器全功率带宽有关。全功率带宽的定义是：加在输入端的正弦波幅度达到输带宽的定义是：加在输入端的正弦

23、波幅度达到输入电压极限时，该正弦电压能达到的最高频率值。入电压极限时，该正弦电压能达到的最高频率值。 29同相、反相增益差同相、反相增益差 n当放大器以差模方式工作时，同相端增益和反向端当放大器以差模方式工作时，同相端增益和反向端增益之间的差异会在输出信号中加入误差。增益之间的差异会在输出信号中加入误差。 记记 Gdm=A1+A2 Gcm=A2-A1式中，式中，Gdm是差模电压增益，是差模电压增益，Gcm是不需要的共模增益。是不需要的共模增益。共模抑制比定义为共模抑制比定义为CMRR= Gdm/ Gcm0dm12cm12()/2()/2uGuuGuu01 122uAuA u30斩波稳零放大器斩

24、波稳零放大器 n斩波稳零放大器能把输入信号的高频分量和低频分量分斩波稳零放大器能把输入信号的高频分量和低频分量分开，然后分别加以放大，最后在输出端再合成一体。开，然后分别加以放大，最后在输出端再合成一体。n高频分量经电容耦合至放大器输出级，低频分量和漂移高频分量经电容耦合至放大器输出级，低频分量和漂移信号则用来对斩波振荡器的输出作幅度调制，结果得到信号则用来对斩波振荡器的输出作幅度调制，结果得到一个交流信号，其幅度由原信号中的低频分量决定。一个交流信号，其幅度由原信号中的低频分量决定。31自动调零放大器自动调零放大器 n自动调零放大器是在斩波稳零放大器基础上发展自动调零放大器是在斩波稳零放大器

25、基础上发展起来的。它是专为从直流到起来的。它是专为从直流到10Hz范围的低频段使范围的低频段使用目的而开发的。用目的而开发的。 328.3 信号隔离信号隔离 n有些场合中传感器对地存在一个电位差，这类情形有些场合中传感器对地存在一个电位差，这类情形下需要在传感器和其余电路之间采取电隔离措施。下需要在传感器和其余电路之间采取电隔离措施。隔离放大器隔离放大器 隔离变压器隔离变压器 光隔离器光隔离器 33隔离放大器隔离放大器n隔离放大器是一种输入电路和输出电路之间电气隔离放大器是一种输入电路和输出电路之间电气绝缘的放大器，一般采用变压器或光耦合传递信绝缘的放大器，一般采用变压器或光耦合传递信号，在工

26、业控制、信号测量和医疗器械号，在工业控制、信号测量和医疗器械,信号放大信号放大等各个方面获得广泛应用。实用于电信，电力，等各个方面获得广泛应用。实用于电信，电力，石油，石化，环保，水处理，冶金，食品，暖通石油，石化，环保，水处理，冶金，食品，暖通空调等领域。空调等领域。n隔离放大器作用是对模拟信号进行隔离隔离放大器作用是对模拟信号进行隔离,并按照一并按照一定的比例放大。在这个隔离、放大的过程中要保定的比例放大。在这个隔离、放大的过程中要保证输出的信号失真要小，线性度、精度、带宽、证输出的信号失真要小，线性度、精度、带宽、隔离耐压等参数都要达到使用要求。对被测对象隔离耐压等参数都要达到使用要求。

27、对被测对象和数据采集系统予以隔离和数据采集系统予以隔离,从而提高共模抑制比从而提高共模抑制比,同时保护电子仪器设备和人身安全。同时保护电子仪器设备和人身安全。34隔离变压器隔离变压器n隔离变压器是指输入绕组与输出绕组在电气隔离隔离变压器是指输入绕组与输出绕组在电气隔离的变压器，隔离变压器用以避免偶然同时触及带的变压器，隔离变压器用以避免偶然同时触及带电体变压器的隔离是隔离原副边绕线圈各自的电电体变压器的隔离是隔离原副边绕线圈各自的电流。早期为欧洲国家用在电力行业，广泛用于电流。早期为欧洲国家用在电力行业，广泛用于电子工业或工矿企业，机床和机械设备中一般电路子工业或工矿企业，机床和机械设备中一般

28、电路的控制电源，安全照明及指示灯的电源之用。的控制电源，安全照明及指示灯的电源之用。35光隔离器光隔离器n半导体激光器及光放大器等对来自连接器、熔接半导体激光器及光放大器等对来自连接器、熔接点、滤波器等的反射光非常敏感，并导致性能恶点、滤波器等的反射光非常敏感，并导致性能恶化。因此需要用光隔离器阻止反射光。光隔离器化。因此需要用光隔离器阻止反射光。光隔离器是一种只允许光沿一个方向通过而在相反方向阻是一种只允许光沿一个方向通过而在相反方向阻挡光通过的光无源器件。它通过光纤回波反射的挡光通过的光无源器件。它通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离，隔离度代表了光光能够被光隔离器很好的隔离，隔离

29、度代表了光隔离器对回波隔离（阻挡）能力。光隔离器是一隔离器对回波隔离（阻挡）能力。光隔离器是一种非常有用的器件，通常被使用在光路中用来避种非常有用的器件，通常被使用在光路中用来避免光路中的回波对光源，泵浦源以及其他发光器免光路中的回波对光源，泵浦源以及其他发光器件造成的干扰和损害。包括偏振无关型在线式光件造成的干扰和损害。包括偏振无关型在线式光隔离器和偏振相关小型化光隔离器。隔离器和偏振相关小型化光隔离器。368.4 相敏检波器和锁相环相敏检波器和锁相环 n相敏检波器相敏检波器相敏检波器实际上是一个两位开关。交替地输出未反相敏检波器实际上是一个两位开关。交替地输出未反相输入信号和反相输入信号相

30、输入信号和反相输入信号 开关动作的频率由参考信号决定。结果是产生一个参开关动作的频率由参考信号决定。结果是产生一个参考信号和输入信号的乘积考信号和输入信号的乘积 u0=uiur37相敏检波器相敏检波器n如果和都是正弦信号如果和都是正弦信号,则则 如果把输出信号如果把输出信号u0送到一个截止频率近乎送到一个截止频率近乎0Hz的低通滤的低通滤波器，由上式可见，波器，由上式可见，仅当仅当ui与与ur频率相等时，滤波器才频率相等时，滤波器才会有输出，且含直流分量。会有输出，且含直流分量。由上式还可看出，由上式还可看出，滤波器输出信号的大小取决于输入滤波器输出信号的大小取决于输入信号与参考信号的相位关系

31、信号与参考信号的相位关系。当。当i为为0或或180时，时，输出信号最大，当输出信号最大，当i为为90或或270时，输出信号等于时，输出信号等于零。由于这个原因，参考信号的移相能力要能保证输零。由于这个原因，参考信号的移相能力要能保证输出最大。出最大。 0iriiriririirisinsincoscos2uuuttuutt388.5 多路复用多路复用 n多路复用是为了使若干个数据源能共用一个信号多路复用是为了使若干个数据源能共用一个信号数据通道。数据通道。 n时分复用时分复用(TDM) :每个数据源依次与数据通道接每个数据源依次与数据通道接通，轮换着传输数据。通，轮换着传输数据。 TDM通常用

32、于数据量大而变化相对缓慢的系统通常用于数据量大而变化相对缓慢的系统 由于用了离散数据，由于用了离散数据，TDM尤适于数字信号处理。尤适于数字信号处理。 n频分复用频分复用 (FDM):用每一个数据源调制一个副载波用每一个数据源调制一个副载波频率，然后把这些副载波混合起来调制另一个高频率，然后把这些副载波混合起来调制另一个高频载波，这个高频载波就用于向接收装置发送信频载波，这个高频载波就用于向接收装置发送信息。在接收端，把高频载波解调后，用滤波器分息。在接收端，把高频载波解调后，用滤波器分离出各副载波，就能从各副载波中提取出信息。离出各副载波，就能从各副载波中提取出信息。FDM技术适用于模拟信号

33、处理技术适用于模拟信号处理 39锁相环锁相环 n用相敏检波器用相敏检波器（仅当仅当ui与与ur频率相等时，滤波器频率相等时，滤波器才会有输出才会有输出）和压控振荡器和压控振荡器（指输出频率与输入指输出频率与输入控制电压有对应关系的振荡电路控制电压有对应关系的振荡电路(VCO)。）。）还可还可以构成如图所示的锁相环，可用以跟踪某个频率以构成如图所示的锁相环，可用以跟踪某个频率的信号而无需再用任何外部参考量。的信号而无需再用任何外部参考量。n相敏检波器滤波级的输出信号经放大后用来做压相敏检波器滤波级的输出信号经放大后用来做压控振荡器的控制信号，压控振荡器的输出又给相控振荡器的控制信号，压控振荡器的

34、输出又给相敏检波器提供了参考信号。敏检波器提供了参考信号。 408.6 滤波器滤波器 n滤波器用于阻止某些频率的信号通过。滤波器用于阻止某些频率的信号通过。n实际上要完全去除不需要的频率分量是不可能的，实际上要完全去除不需要的频率分量是不可能的，只能把它们衰减到一定程度。只能把它们衰减到一定程度。 41模拟滤波器模拟滤波器 n模拟滤波器可以用有源电路或无源电路实现模拟滤波器可以用有源电路或无源电路实现 。无源滤波器简单，无需外加电源。制约无源滤波器性能的主无源滤波器简单，无需外加电源。制约无源滤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 。有源模拟滤波器使用了运算放大器模

35、拟有源模拟滤波器使用了运算放大器模拟“理想理想”元件，并且元件，并且在滤波器输入输出端可以实现正确的阻抗匹配。这使得有源在滤波器输入输出端可以实现正确的阻抗匹配。这使得有源滤波器的性能更接近理想特性，但是也更复杂，滤波器的性能更接近理想特性，但是也更复杂， n滤波器的主要特性指标有滤波器的主要特性指标有3dB带宽带宽有效噪声带宽有效噪声带宽波形因数波形因数选择性选择性响应时间。响应时间。 42滤波器的主要特性指标滤波器的主要特性指标1 1n3dB带宽带宽指滤波器通频带内增益水平下降指滤波器通频带内增益水平下降3dB时的带宽时的带宽n波形因数波形因数（信号在一个周期内的有效值与绝对均值的比例）（

36、信号在一个周期内的有效值与绝对均值的比例）用于表示滤波器的选择性，是滤波器对不同频率分量分辨用于表示滤波器的选择性，是滤波器对不同频率分量分辨能力的度量。波形因数定义为能力的度量。波形因数定义为60dB带宽与带宽与3dB带宽之比，带宽之比，若动态范围小于若动态范围小于60dB，则用，则用40dB带宽与带宽与3dB带宽比。带宽比。 43滤波器的主要特性指标滤波器的主要特性指标2 2n有效噪声带宽有效噪声带宽是把实际滤波器性能与一个理想滤是把实际滤波器性能与一个理想滤波器性能作比较，设一个理想滤波器与一个实际波器性能作比较，设一个理想滤波器与一个实际滤波器在各自通带内传送白噪声，并且两个被传滤波器

37、在各自通带内传送白噪声，并且两个被传送的白噪声信号的幅度和功率都相同，这时该理送的白噪声信号的幅度和功率都相同，这时该理想滤波器的带宽就是该实际滤波器的有效噪声带想滤波器的带宽就是该实际滤波器的有效噪声带宽。宽。 n滤波器并不是立刻对输出信号电平做出响应。滤波器并不是立刻对输出信号电平做出响应。响响应时间应时间即指出信号达到稳定电平值实际所需的时即指出信号达到稳定电平值实际所需的时间，是带宽的倒数。间，是带宽的倒数。 44无源滤波器的实现形式无源滤波器的实现形式45滤波器的梯形网络滤波器的梯形网络 n要得到陡峭的频率特性，可以把若干个相似级连要得到陡峭的频率特性，可以把若干个相似级连接起来形成

38、梯形网络，无源接起来形成梯形网络，无源LC梯形滤波器具有非梯形滤波器具有非常好的可扩展性，易于实现高阶。但是电感元件常好的可扩展性，易于实现高阶。但是电感元件不易得到，可以采用有源阻抗变换电路模拟电感不易得到，可以采用有源阻抗变换电路模拟电感原件来实现。原件来实现。 46常用的滤波器常用的滤波器n巴特沃兹滤波器巴特沃兹滤波器 巴特沃兹滤波器的幅频特性在巴特沃兹滤波器的幅频特性在0时单调减，所以又时单调减，所以又称为最平响应滤波器。称为最平响应滤波器。n契比雪夫滤波器契比雪夫滤波器 契比雪夫滤波器又称为等起伏滤波器，其幅频特性在契比雪夫滤波器又称为等起伏滤波器，其幅频特性在通频带内是等起伏函数，

39、而在通带外和阻带内则为单通频带内是等起伏函数，而在通带外和阻带内则为单调减函数。调减函数。 n椭圆函数滤波器椭圆函数滤波器 椭圆函数滤波器的幅频特性在通带内和阻带内都是起椭圆函数滤波器的幅频特性在通带内和阻带内都是起伏函数。伏函数。 47巴特沃兹滤波器巴特沃兹滤波器（ 特点：具有通带内最大平特点：具有通带内最大平坦的振幅特性）坦的振幅特性）48契比雪夫滤波器契比雪夫滤波器n在通带或阻带上频率响应幅度等波纹波动的滤波在通带或阻带上频率响应幅度等波纹波动的滤波器。在通带波动的为器。在通带波动的为“I型切比雪夫滤波器型切比雪夫滤波器”，在，在阻带波动的为阻带波动的为“II型切比雪夫滤波器型切比雪夫滤

40、波器”。n切比雪夫滤波器在过渡带比巴特沃斯滤波器的衰切比雪夫滤波器在过渡带比巴特沃斯滤波器的衰减快，但频率响应的幅频特性不如后者平坦。切减快，但频率响应的幅频特性不如后者平坦。切比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响应曲线之间比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小，但是在通频带内存在幅度波动。的误差最小，但是在通频带内存在幅度波动。49椭圆函数滤波器椭圆函数滤波器50相同阶数时对比相同阶数时对比n巴特沃斯滤波器通带最平坦，阻带下降慢。巴特沃斯滤波器通带最平坦，阻带下降慢。n切比雪夫滤波器通带等纹波，阻带下降较快。切比雪夫滤波器通带等纹波，阻带下降较快。n椭圆滤波器在通带等纹波（阻带平坦

41、或等纹波），椭圆滤波器在通带等纹波（阻带平坦或等纹波），阻带下降最快。阻带下降最快。51有源滤波器有源滤波器n有源模拟滤波器使用了运算放大器模拟有源模拟滤波器使用了运算放大器模拟“理想理想”元件，并且在滤波器输入输出端可以实现正确的元件，并且在滤波器输入输出端可以实现正确的阻抗匹配。这使得有源滤波器的性能更接近理想阻抗匹配。这使得有源滤波器的性能更接近理想特性，但是也更复杂，同时带来一些新问题，比特性，但是也更复杂，同时带来一些新问题，比如漂移。如漂移。 52数字滤波器数字滤波器n数字滤波器以一系列离散采样值的方式采集数据，数字滤波器以一系列离散采样值的方式采集数据，这一系列量化的电平经处理后

42、输出，处理的过程这一系列量化的电平经处理后输出，处理的过程就是滤波的过程。就是滤波的过程。n数字滤波器要满足数字滤波器要满足Shannon采样定理的约束。为采样定理的约束。为了完全重现被采样的连续信号，采样频率必须至了完全重现被采样的连续信号，采样频率必须至少高于原信号中最高频率分量的频率两倍，即少高于原信号中最高频率分量的频率两倍，即 fs2fmax 53数字滤波器的特性数字滤波器的特性n与许多比模拟滤波器相比，数字滤波器的频率响与许多比模拟滤波器相比，数字滤波器的频率响应特性近乎理想；无零漂，很容易用于低频信号；应特性近乎理想；无零漂，很容易用于低频信号；无插入损失，能实现线性相频特性，而

43、且能做成无插入损失，能实现线性相频特性，而且能做成自适应滤波器。自适应滤波器。54预处理滤波器和后处理滤波器预处理滤波器和后处理滤波器 n预处理滤波和后处理滤波能改善系统的噪声性能，预处理滤波和后处理滤波能改善系统的噪声性能，尤其是抑制高频噪声。尤其是抑制高频噪声。 558.7 数字信号的处理和分析数字信号的处理和分析 n数字信号处理是用微处理器的计算功能分析信号数字信号处理是用微处理器的计算功能分析信号数据。数字技术能做温度补偿、信号线性化、滤数据。数字技术能做温度补偿、信号线性化、滤波以及快速傅立叶变换（波以及快速傅立叶变换（FFT）这类复变函数分）这类复变函数分析运算。析运算。n数字系统

44、的长期稳定性好，不受漂移等因素的影数字系统的长期稳定性好，不受漂移等因素的影响。响。n但是比起同样功能的模拟系统来，系统所需的运但是比起同样功能的模拟系统来，系统所需的运算时间较长。另外，必须保证数字系统固有的延算时间较长。另外，必须保证数字系统固有的延时不会影响系统的运行稳定性。时不会影响系统的运行稳定性。 56离散傅立叶分析离散傅立叶分析 n傅立叶分析是强有力的分析工具，广泛用于提取傅立叶分析是强有力的分析工具，广泛用于提取关于系统行为的信息。用正变换和逆变换可以把关于系统行为的信息。用正变换和逆变换可以把信号从时域变换到频域或反过来从频域变换到时信号从时域变换到频域或反过来从频域变换到时域，在频域里可以获得功率谱密度等信息，可以域，在频域里可以获得功率谱密度等信