【学习】第五章信号调理电路

1、整理课件1第五章第五章 信号调理电路信号调理电路整理课件2信号调理的意义何在？信号调理的意义何在？被测对象被测对象传感器传感器信号调理信号调理和处理和处理显示记录显示记录装置装置信息调理信息调理与提取与提取整理课件3信号调理的目的是便于信号调理的目的是便于信号的传输与处理信号的传输与处理1.1.传感器输出的传感器输出的电信号很微弱电信号很微弱，大多数不能直接输送，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。的还要进行阻抗变换。（放大电路）（放大电路）有干扰噪声有干扰噪声，需要去掉噪声，提高信噪比。，需要去掉噪

2、声，提高信噪比。（滤波电（滤波电路）路）整理课件43.3.某些场合，某些场合，为便于信号的远距离传输为便于信号的远距离传输，需要对传感，需要对传感器测量信号进行调制解调处理。器测量信号进行调制解调处理。（调制解调电路）（调制解调电路） 整理课件5本本 章章 内内 容容 调制与解调电路调制与解调电路 滤波器电路滤波器电路 电桥电路电桥电路整理课件6电桥是将电桥是将电阻、电感、电容电阻、电感、电容等参量的变化转换为等参量的变化转换为电压或电流电压或电流输输出的一种测量电路。兼顾放大器的功能。出的一种测量电路。兼顾放大器的功能。按激励电压性质按激励电压性质 按输出方式按输出方式 直流电桥直流电桥交流

3、电桥交流电桥平衡电桥平衡电桥非平衡电桥非平衡电桥桥式测量电路简单，具有较高的精确度和灵敏度，易于消除温度和环境的影响。桥式测量电路简单，具有较高的精确度和灵敏度，易于消除温度和环境的影响。随着集成电源电路的发展，直流电桥应用日益广泛。随着集成电源电路的发展，直流电桥应用日益广泛。整理课件7abcd1R2R3R4RyU0U1I2I04321423104340211URRRRRRRRURRRURRRUUUadbay若若R R1 1R R3 3= =R R2 2R R4 4，则输出电压必为零，则输出电压必为零，此时电桥处于平衡状态，称为此时电桥处于平衡状态，称为平平衡电桥衡电桥。为简化桥路设计，往往

4、取四个桥臂初始阻值相等。为简化桥路设计，往往取四个桥臂初始阻值相等。整理课件8当电桥四个臂电阻均相等时，即当电桥四个臂电阻均相等时，即 时，称为等臂电桥。时，称为等臂电桥。RRRRR4321当四个桥臂均感受到不同程度的微小变化时，当四个桥臂均感受到不同程度的微小变化时，)2)(2()()()()(432142314321044332211442233110RRRRRRRRRRRRRRRURRRRRRRRRRRRRRRRUUy一般情况下，一般情况下， ，化简得到：，化简得到：iRR)(443210RRRRRRRRUUy利用上式特点，可进行温度补偿和提高测量利用上式特点，可进行温度补偿和提高测量的

5、灵敏度。的灵敏度。abcd1R2R3R4RyU0U1I2I整理课件9将将 作为输入（有的仅把作为输入（有的仅把 当作当作输入），由此可以求得上述各种输入），由此可以求得上述各种电桥电桥的灵敏度的灵敏度分别为分别为单臂：单臂：半桥：半桥：全桥：全桥：abcdyU0U1I2IR R1 1R R1 1R RR R4 44 4R RR R2 22 2R R3 3R R3 30014yRUUR0RRR1014SU0012yRUUR2012SU40SU00yRUUR显然，电桥的接法不同，其灵敏度也不同。显然，电桥的接法不同，其灵敏度也不同。0U根据工作中电阻值参与变化的桥臂的个数，根据工作中电阻值参与变化

6、的桥臂的个数，将电桥分为：将电桥分为： 单臂电桥、差动半桥、差动全桥单臂电桥、差动半桥、差动全桥整理课件10直流电桥的加减特性与应用直流电桥的加减特性与应用1. 1. 桥路温度补偿桥路温度补偿2.2.在半桥测量中利用加减特性提高测量灵敏度、实现温度补偿在半桥测量中利用加减特性提高测量灵敏度、实现温度补偿整理课件11整理课件12采用交流激励电压。采用交流激励电压。四个桥臂可以是电感四个桥臂可以是电感L L、电容、电容C C或者电阻或者电阻R R，均用阻抗符号，均用阻抗符号Z Z表表示。示。jeZZ| 13241234()()yoZ ZZ ZUUZZZZ根据对直流电桥的讨论可以写出根据对直流电桥的

7、讨论可以写出电桥达到平衡时电桥达到平衡时1324Z ZZ Z整理课件13交流电桥的平衡条件：交流电桥的平衡条件： | |Z Z1 1|Z Z3 3|e|ej j（1+31+3）=|=|Z Z2 2|Z Z4 4|e|ej j（2+42+4）即：即：| |Z Z1 1|Z Z3 3|=|=|Z Z2 2|Z Z4 4| | ， 1 1+ +3 3 = = 2 2 + +4 4 交流电桥平衡要满足两个条件，即：两相对桥臂的阻抗交流电桥平衡要满足两个条件，即：两相对桥臂的阻抗模的乘积相等（模的乘积相等（模值平衡条件模值平衡条件）；其阻抗角的和相等）；其阻抗角的和相等（相角平衡条件相角平衡条件）。）。

8、常用的交流电桥有：常用的交流电桥有：电容电桥、电感电桥。电容电桥、电感电桥。整理课件14n若电桥中有一对相邻桥臂为电阻，根据平衡若电桥中有一对相邻桥臂为电阻，根据平衡条件，其余二桥臂一定为条件，其余二桥臂一定为（？）（？）类的阻抗；类的阻抗； n若电桥中有二对边桥臂为电阻，根据平衡条若电桥中有二对边桥臂为电阻，根据平衡条件，其余二桥臂一定具有件，其余二桥臂一定具有（？）（？）类的阻抗。类的阻抗。交流电桥特点交流电桥特点 整理课件15n如果四个桥臂均为电阻时，如果四个桥臂均为电阻时，1 1= =3 3 = = 2 2 = =4 4=0=0，如果忽略其它因素影响，交流电，如果忽略其它因素影响，交流

9、电桥的平衡条件与直流电桥是完全一样的。桥的平衡条件与直流电桥是完全一样的。但在交流电桥的实际使用过程中，影响交但在交流电桥的实际使用过程中，影响交流电桥测量精度及误差的因素较之直流电流电桥测量精度及误差的因素较之直流电桥要多得多。桥要多得多。n由于交流电桥的平衡必须同时满足幅值与由于交流电桥的平衡必须同时满足幅值与阻抗两个条件，因此较之直流电桥的平衡阻抗两个条件，因此较之直流电桥的平衡调节要复杂得多。调节要复杂得多。交流电桥特点交流电桥特点 整理课件16一般情况下，交流电桥的供桥电源必须具有良好的一般情况下，交流电桥的供桥电源必须具有良好的电压电压波形波形和和频率稳定度频率稳定度。若电源电压波

10、形畸变（包含高次谐。若电源电压波形畸变（包含高次谐波），则对于基波而言电桥平衡时，对于高次谐波，电波），则对于基波而言电桥平衡时，对于高次谐波，电桥不一定平衡，因而会有高次谐波电压输出。桥不一定平衡，因而会有高次谐波电压输出。一般采用一般采用音频交流电压（音频交流电压（5 510kHZ10kHZ）作为电桥电源。作为电桥电源。这时，电桥输出将为调制波，外界工频干扰不易从线路这时，电桥输出将为调制波，外界工频干扰不易从线路中引入，并且后接交流放大电路简单无零漂。中引入，并且后接交流放大电路简单无零漂。采用交流电桥时，必须注意采用交流电桥时，必须注意影响测量误差的一些因素影响测量误差的一些因素。如：

11、电桥中元件之间的互感影响；无感电阻的残余阻抗；如：电桥中元件之间的互感影响；无感电阻的残余阻抗；邻近交流电路对电桥的感应作用；泄漏电阻以及元件之间、邻近交流电路对电桥的感应作用；泄漏电阻以及元件之间、元件与地之间的分布电容等。元件与地之间的分布电容等。整理课件17x(t)x(t)0 0t tVER1R3R2R4一般说来，需要进行远程传输的信号一般说来，需要进行远程传输的信号都只占据有限的频带，都只占据有限的频带，且都位于低频或较低的频段内。且都位于低频或较低的频段内。整理课件18而在远程传输中，作为传输的通道（架空明线、电缆、光缆而在远程传输中，作为传输的通道（架空明线、电缆、光缆和自由空间等

12、）都有最适合用于传输信号的频率范围，并与和自由空间等）都有最适合用于传输信号的频率范围，并与信号本身的频带相比，都位于高频范围内，且实际信道的有信号本身的频带相比，都位于高频范围内，且实际信道的有用带宽范围通常要远宽于信号的带宽。用带宽范围通常要远宽于信号的带宽。为了解决信号与传输通路之间的不匹配的问题，一般利用调为了解决信号与传输通路之间的不匹配的问题，一般利用调制技术。制技术。整理课件19n 借助于无线电通信的原理借助于无线电通信的原理n 概念是把调制信号（如讲话、音乐最高频率达概念是把调制信号（如讲话、音乐最高频率达20kHz20kHz）调制到一个无线电台发射的简单载波信号（如）上，调制

13、到一个无线电台发射的简单载波信号（如）上，n 这种调制的优点之一是无线电台可以利用不同的发射频这种调制的优点之一是无线电台可以利用不同的发射频率率n 选择想得到的电台后，接收器通过解调过程恢复基带信选择想得到的电台后，接收器通过解调过程恢复基带信号并传给扬声器。号并传给扬声器。整理课件20调调 制制缓变信号变成高频交变信号的过程缓变信号变成高频交变信号的过程 解解 调调从高频信号中恢复出原缓变信号的过程。从高频信号中恢复出原缓变信号的过程。通过某种方式将信号频率较低通过某种方式将信号频率较低的信号（即缓变信号）调制为适当频率的信号，便于放大传的信号（即缓变信号）调制为适当频率的信号，便于放大传

14、输。然后从调制后信号中再恢复缓变信号。输。然后从调制后信号中再恢复缓变信号。 整理课件21根据根据载波（较高频率的交变信号）载波（较高频率的交变信号）信号受调制的参数的不同，信号受调制的参数的不同，调制可分为调制可分为调幅（调幅（AM AM ）、调频（）、调频（FM FM ）、调相（）、调相（PM PM ） 。工程测试技术中常用以工程测试技术中常用以正余弦波为载波信号正余弦波为载波信号，用，用待传输处理待传输处理的信号的信号对其进行对其进行幅值、频率、相位调制。幅值、频率、相位调制。整理课件22调幅过程就是将调幅过程就是将测量信号测量信号（调调制波制波）与）与高频正弦或余弦信号高频正弦或余弦信

15、号（载波载波）相乘相乘，使高频载波的使高频载波的幅值随测量信号的变化而变化幅值随测量信号的变化而变化。时域分析时域分析整理课件23调幅原理：高频交变载调幅原理：高频交变载波信号与被测调制信号波信号与被测调制信号在时域上进行乘法运算。在时域上进行乘法运算。使高频信号的幅值随测使高频信号的幅值随测试信号的变化而变化。试信号的变化而变化。 调制器调制器 （乘法器）（乘法器）调制调制信号信号载波载波调幅波调幅波)(txtfty02cos)(tftxtxm02cos)()(由傅立叶变换的性质知：在时域中两个信号相乘，则对应在由傅立叶变换的性质知：在时域中两个信号相乘，则对应在频域中这两个信号进行卷积，即

16、频域中这两个信号进行卷积，即 *x t y tXfYf00011cos222f tffff 00011cos2*22x tf tXfffXfff整理课件24即调制后的结果就相当于把原信号的频谱图形由原点平移至即调制后的结果就相当于把原信号的频谱图形由原点平移至载波频率载波频率 处，幅值减半。处，幅值减半。 00011cos2*22x tf tXfffXfff0f由脉冲函数的卷积性质知：由脉冲函数的卷积性质知：一个函数与单位脉冲函数卷积的结一个函数与单位脉冲函数卷积的结果，就是将其以坐标原点为中心的频谱平移到该脉冲函数处果，就是将其以坐标原点为中心的频谱平移到该脉冲函数处。时域分析时域分析频域分

17、析频域分析f0f0fm-fm)()()()()(000ffXf dffffXfffX整理课件25从调幅原理看，载波频率从调幅原理看，载波频率 必须高于原必须高于原信号中的最高频率信号中的最高频率 才能使已调波仍才能使已调波仍保持原信号的频谱图形，不致重叠。保持原信号的频谱图形，不致重叠。 为了减小放大电路可能引起的失真，信号为了减小放大电路可能引起的失真，信号的频宽的频宽 相对中心频率（载波频率相对中心频率（载波频率 ）应越小越好。应越小越好。在实际应用中，载波频率在实际应用中，载波频率 常常至少在常常至少在调制信号上限频率调制信号上限频率 的十倍以上。的十倍以上。但是载波频率的提高也受到放大

18、电路截止但是载波频率的提高也受到放大电路截止频率的限制。频率的限制。0f2mf频域分析频域分析f0f0fm-fmmf0fmf0f整理课件26调幅装置实质上是一个乘法器，现在已有性能良好的线性乘调幅装置实质上是一个乘法器，现在已有性能良好的线性乘法器组件。法器组件。电桥本质上也是一个乘法器电桥本质上也是一个乘法器，当单臂电桥工作时，设供桥电，当单臂电桥工作时，设供桥电源电压为高频正弦波（源电压为高频正弦波（ ），即载波），即载波kHzf100tfKUtfURRuy00002sin412sin41可见，经过电桥调幅后，原载波信号的幅值被应变大小可见，经过电桥调幅后，原载波信号的幅值被应变大小 调调

19、制并且相位也随制并且相位也随 的正负而变化。的正负而变化。tfUu0002sin等幅载波信号：等幅载波信号：电桥调幅后信号：电桥调幅后信号：整理课件27乘法器乘法器低通低通载波载波y(t)调幅波调幅波 mxt幅值调制的解调过程是将已调制波恢复为原幅值调制的解调过程是将已调制波恢复为原 低频调制信号的过程。低频调制信号的过程。 n 同步解调法：同步解调法：用已调制波再与原载波信号相乘一次用已调制波再与原载波信号相乘一次 ，以复现原信号的频谱（幅值减小为一半）以复现原信号的频谱（幅值减小为一半） ，“同步同步”指解调指解调时所乘的信号与调制时的载波信号具有相同的频率和相位时所乘的信号与调制时的载波

20、信号具有相同的频率和相位。000( )( ) cos2( ) cos2cos2mg tx tf tx tf tf tg(t)整理课件28tftxtxtg04cos)(21)(21)(00111( )( )(2 )(2 )244G fX fX ffX ff据傅里叶变换性质可得：据傅里叶变换性质可得：若用一个低通滤波器滤去中心若用一个低通滤波器滤去中心频率为频率为 的高频成分，那的高频成分，那么将可以复现原信号的频谱么将可以复现原信号的频谱（幅值减小为一半），若用放（幅值减小为一半），若用放大处理来补偿幅值减小，可得大处理来补偿幅值减小，可得到原调制信号。到原调制信号。02 f同步解调法，要使调幅

21、波和载波相乘，乘后通过低通滤波器，同步解调法，要使调幅波和载波相乘，乘后通过低通滤波器，这样做需要这样做需要线性良好的线性乘法器件线性良好的线性乘法器件。整理课件29n包络检波法（整流检波法）：包络检波法（整流检波法）：若把调制信号若把调制信号x(t)x(t)进进行偏置，叠加一个直流分量行偏置，叠加一个直流分量A A，使偏置后的信号都具有正电压，使偏置后的信号都具有正电压，此时调幅波表达式为此时调幅波表达式为 0( )( )cos2mxtAx tf t其其调幅波调幅波的包络线具有原信号形的包络线具有原信号形状。状。一般对于调幅波采用整流、一般对于调幅波采用整流、滤波以后，就可以恢复原信号滤波以

22、后，就可以恢复原信号（若叠加了直流分量，则须准确（若叠加了直流分量，则须准确地减去该直流分量）。地减去该直流分量）。 需：准确叠加偏置电压（直流电压）。否则，需采用相敏检波技术。需：准确叠加偏置电压（直流电压）。否则，需采用相敏检波技术。整理课件30包络检波就是建立在整流的原理基础上的包络检波就是建立在整流的原理基础上的整理课件31若所加的偏置电压未能使信号电压都在零线的一侧，则对调幅若所加的偏置电压未能使信号电压都在零线的一侧，则对调幅波简单地整流不能恢复原调制信号。波简单地整流不能恢复原调制信号。相敏检波相敏检波技术可解决此问技术可解决此问题。题。相敏检波的原理是相敏检波的原理是：调制调制

23、信号在其过零线时符号信号在其过零线时符号（、）发生突变，调（、）发生突变，调幅波的相位与载波比较也幅波的相位与载波比较也相应地发生相应地发生1801800 0的跳变。的跳变。利用利用载波信号为参考信号，载波信号为参考信号，与调幅波比相与调幅波比相，这样既能，这样既能反映出原信号的幅值又能反映出原信号的幅值又能反映其极性。反映其极性。n 相敏检波法：相敏检波法： 整理课件32开关式全波相敏检波电路开关式全波相敏检波电路相敏检波电路主要有：相敏检波电路主要有：半波相敏检波、全波相敏检波半波相敏检波、全波相敏检波。整理课件33相敏检波器是一种能根据调幅波和载波的相位差判别调制信号极性相敏检波器是一种

24、能根据调幅波和载波的相位差判别调制信号极性的解调器，它适合对各种类型的调幅波进行解调。的解调器，它适合对各种类型的调幅波进行解调。 对于具有极性或方向性的被测量，经调制后要想正确地恢复原有的对于具有极性或方向性的被测量，经调制后要想正确地恢复原有的信号波形，必须采用相敏检波的方法。信号波形，必须采用相敏检波的方法。整理课件34整理课件35调频调频（频率调制）是利用信号电（频率调制）是利用信号电压的幅值控制一个振荡器，振荡压的幅值控制一个振荡器，振荡器输出的是等幅波，但其器输出的是等幅波，但其振荡频振荡频率偏移量和信号电压成正比率偏移量和信号电压成正比。当信号电压为零时，调频波的频率等于中心频率

25、（载波频当信号电压为零时，调频波的频率等于中心频率（载波频率）；信号电压为正值时频率提高，负值时则降低。所以调率）；信号电压为正值时频率提高，负值时则降低。所以调频波是随信号而变化的疏密不等的等幅波。频波是随信号而变化的疏密不等的等幅波。调频波的瞬时频率为：调频波的瞬时频率为：0fff 载波频率，也称为中心频率载波频率，也称为中心频率频率偏移，与调制信号的幅值成正比。频率偏移，与调制信号的幅值成正比。0ff整理课件36为了保证测量精度，对应于零信号的载波中心频率应远高于为了保证测量精度，对应于零信号的载波中心频率应远高于信号的最高频率成分。信号的最高频率成分。整理课件37优点：抗干扰能力强优点

26、：抗干扰能力强 因为调频信号所携带的信息包含在频率变化之中，并因为调频信号所携带的信息包含在频率变化之中，并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主要表现在振幅之中。非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主要表现在振幅之中。缺点：占频带宽度大，复杂缺点：占频带宽度大，复杂 调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的的2020倍；调频系统较之调幅系统复杂。倍；调频系统较之调幅系统复杂。整理课件38实现调频的方法：（自学）实现调频的方法：（自学）n 直接调频测量电路直接调频测量电路CL如图为如图为LCLC振荡器原理图。振荡器原理图。若把电容（或若把电容（或电

27、感）作为谐振回路中的一个调谐参数电感）作为谐振回路中的一个调谐参数，那么电路的谐振频率将是：那么电路的谐振频率将是：12fLC设电容器初始电容为设电容器初始电容为 时，振荡器频率为时，振荡器频率为 ，且电容变化，且电容变化量量 ，则，则 引起的频率偏移引起的频率偏移 000(1)2CffffC 0012ffCC 可见，在小范围内，回路的谐振频率被测量的变化近似成线性关可见，在小范围内，回路的谐振频率被测量的变化近似成线性关系。系。0C0f0CCC整理课件39实现调频的方法：（自学）实现调频的方法：（自学）n 压控振荡器压控振荡器压控振荡器压控振荡器VCO(Voltage Controlled

28、Oscillator) VCO(Voltage Controlled Oscillator) 是一种是一种将电平变换为相应频率的脉冲变换电路将电平变换为相应频率的脉冲变换电路。它被广泛地应用在自动控制，自动测量与检测等技术领域。它被广泛地应用在自动控制，自动测量与检测等技术领域。压控振荡器压控振荡器的输出频率与输入的控制电压值成线性关系。的输出频率与输入的控制电压值成线性关系。整理课件40整理课件41是将频率变化恢复成调制信号电压幅值变化的过程。是将频率变化恢复成调制信号电压幅值变化的过程。测试仪器常用的鉴频方法是测试仪器常用的鉴频方法是鉴频法鉴频法。整理课件42变压器耦合的谐振回路鉴频法变压

29、器耦合的谐振回路鉴频法整理课件43滤波器是一种滤波器是一种选频选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。而极大地衰减其他频率成分。 作用：作用：选频作用选频作用。 滤除干扰噪声；滤除干扰噪声； 对信号作频谱分析对信号作频谱分析整理课件44机床轴心轨迹机床轴心轨迹的滤波处理的滤波处理整理课件45按滤波器的选频作用分类按滤波器的选频作用分类2. 2. 分类：分类：整理课件46按所处理信号的性质：按所处理信号的性质： 模拟滤波器模拟滤波器 数字滤波器数字滤波器按构成电路性质按构成电路性质 有源滤波器有源滤波器 无源滤波器无源滤波器 RCRC

30、谐振滤波器谐振滤波器按构成元件类型按构成元件类型 LCLC谐振滤波器谐振滤波器 晶体谐振滤波器晶体谐振滤波器整理课件47理想滤波器在物理上是不能实现的，但对深入了解滤波器的理想滤波器在物理上是不能实现的，但对深入了解滤波器的传输特性是有作用的。传输特性是有作用的。根据线性系统不失真传输条件，理想测量系统的频率响应函根据线性系统不失真传输条件，理想测量系统的频率响应函数应是：数应是： 0200jftA eHfcff其它其它 020jftHfA e若滤波器的频率响应满足下列条件若滤波器的频率响应满足下列条件称为理想低通滤波器。称为理想低通滤波器。整理课件48 0200jftA eHfcff其它其它

31、理想低通滤波器：理想低通滤波器：整理课件49理想低通滤波器的脉冲响应理想低通滤波器的脉冲响应由图可知，理想低通滤波器是不能实现的。由图可知，理想低通滤波器是不能实现的。可以推论，理想的高通、带通、带阻滤波器都是不存在的。可以推论，理想的高通、带通、带阻滤波器都是不存在的。原因：从原因：从h(t)看，看，t0时已有值。时已有值。整理课件50u 理想滤波器的阶跃响应理想滤波器的阶跃响应讨论理想滤波器以树立关于讨论理想滤波器以树立关于滤波器的通频带宽滤波器的通频带宽B B和和建立比较稳建立比较稳定的输出所需要的时间定的输出所需要的时间T Te e 之间的关系。之间的关系。给理想低通滤波器以单位阶跃输

32、入给理想低通滤波器以单位阶跃输入u(t)u(t)，滤波器的输出，滤波器的输出y(t)y(t)将是将是该输入和脉冲响应函数该输入和脉冲响应函数h(t)h(t)的卷积：的卷积：如果我们定义输出由最小值到最大值如果我们定义输出由最小值到最大值所需要的时间为建立时间：所需要的时间为建立时间： *y th tu t1ecTf整理课件51低通滤波器的带宽低通滤波器的带宽：()2cccBfff 低通滤波器对阶跃响应建立时间：低通滤波器对阶跃响应建立时间：1ecTfeT滤波器的带宽表示它的分辨能力，带宽越窄则分辨力越高。滤波器的带宽表示它的分辨能力，带宽越窄则分辨力越高。可见，可见，滤波器的高分辨力与测量时快

33、速响应的要求是互相矛滤波器的高分辨力与测量时快速响应的要求是互相矛盾的盾的。低通滤波器对阶跃响应的建立时间低通滤波器对阶跃响应的建立时间 和带宽和带宽B B 成反比。成反比。这一结论对其它滤波器（高通、带通、带阻）也适用。这一结论对其它滤波器（高通、带通、带阻）也适用。整理课件52u 1. 1. 实际滤波器的基本参数实际滤波器的基本参数1 1）纹波幅度）纹波幅度d d：绕幅频特性均值：绕幅频特性均值A A0 0波动值波动值0/2dA2 2）截止频率）截止频率fcfc：幅频特性值等幅频特性值等于于 所对应的频率，即相所对应的频率，即相对于对于 衰减衰减-3dB-3dB 。若以信号的。若以信号的幅

34、值平方表示信号功率，则该频幅值平方表示信号功率，则该频率对应的点为半功率点。率对应的点为半功率点。 02A0A整理课件53u 1. 1. 实际滤波器的基本参数实际滤波器的基本参数3 3）带宽）带宽B B：上下截止频率之间上下截止频率之间的频率范围的频率范围 ，又称，又称-3dB-3dB带宽（也称半功率带宽）。带宽（也称半功率带宽）。带宽表示滤波器的分辨能力带宽表示滤波器的分辨能力 12ccffB4 4）品质因数）品质因数Q Q：中心频率和带宽之比称为品质因数：中心频率和带宽之比称为品质因数其中中心频率其中中心频率品质因数也用来衡量滤波器分离相邻频率成分的能力。品质因数也用来衡量滤波器分离相邻频

35、率成分的能力。 值越值越大，滤波器的分辨力越高。大，滤波器的分辨力越高。 BfQn21 ccnfff Q整理课件54（5 5）倍频程选择性）倍频程选择性：是指在上截止频率：是指在上截止频率fcfc2 2与与2fc2fc2 2之间，之间，或者在下截止频率或者在下截止频率fcfc1 1与与fcfc1 1/2/2之间幅频特性的衰减量，即之间幅频特性的衰减量，即频率变化一个倍频程时的衰减量频率变化一个倍频程时的衰减量。倍频程选择性是。倍频程选择性是描述对描述对带宽外频率成分衰减的能力带宽外频率成分衰减的能力，以分贝数为单位。显然，以分贝数为单位。显然， 衰衰减越快，减越快，滤波选择性越好滤波选择性越好

36、。 （6 6）滤波器因数（矩形因数）滤波器因数（矩形因数） ：滤波器选择性的另一滤波器选择性的另一种表示方法种表示方法，是滤波器是滤波器-60-60dBdB处的带宽处的带宽B B-60-60dBdB与与-3-3dBdB处的带处的带宽宽B B-3dB-3dB的比值。理想滤波器的的比值。理想滤波器的 1 1；通常使用的滤波器；通常使用的滤波器11 55。 dBdBBB360)()21(lg20)()2(lg201122ccccfAfAfAfA或整理课件55在测试系统中，常用在测试系统中，常用RCRC滤波器。因为这一领域中信号频率相滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而对来说不高。而RCRC

37、滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标准阻容元件频性能，并且选用标准阻容元件 。根据构成滤波器的电路性质，可分为无源滤波器和有源滤波根据构成滤波器的电路性质，可分为无源滤波器和有源滤波器。器。 u 2. RC 2. RC调谐式滤波器的基本特性调谐式滤波器的基本特性整理课件56yyxduRCuudt令令 =RC=RC，称时间常数，称时间常数fjfH211)(滤波器的传递函数为：滤波器的传递函数为： 11yxUsH sUssn 一阶一阶RCRC低通滤波器低通滤波器u RC RC无源滤波器无源滤波器整理课件572)2(11)(ffAfarctgf2

38、)(RCf21 ：A(f)=1,(f)-f A(f)=1,(f)-f 近似于一条通过原点的直线。近似于一条通过原点的直线。 此时，此时，RCRC低通滤波器是一个不失真传输系统。低通滤波器是一个不失真传输系统。 RCf21 21fARCfc212RCRC值决定着上截止频率，适当改变此值，可以改变滤波器的截止频值决定着上截止频率，适当改变此值，可以改变滤波器的截止频率率RCf21dtuRCuxy1RCRC低通滤波器起着积分器的作用低通滤波器起着积分器的作用fjfH211)(整理课件58n RC RC高通滤波器高通滤波器xyyudtuRCu1滤波器的传递函数为：滤波器的传递函数为：fjfjfH212

39、)(A ffffarctgf( )()( )212122 令令 =RC=RC，称时间常数，称时间常数 1sH ss整理课件59RCRC高通滤波器可视为不失真传输系统高通滤波器可视为不失真传输系统 1fA 0fRCRC值决定着下截止频率值决定着下截止频率 21fARCfc211RCf21RCf21RCRC高通滤波器起着微分器的作用。高通滤波器起着微分器的作用。RCf21A ffffarctgf( )()( )212122 fjfjfH212)(整理课件60n RC RC带通滤波器带通滤波器带通滤波器可看成是低通滤波器和高通滤波器串联组成。带通滤波器可看成是低通滤波器和高通滤波器串联组成。串联所得

40、的带通滤波器以原高通滤波器的截止频率为下截止串联所得的带通滤波器以原高通滤波器的截止频率为下截止频率，即频率，即 其上截止频率为原低通的截止频率，其上截止频率为原低通的截止频率，即即1112cf2212cf分别调节高、低通环节的时间常数（分别调节高、低通环节的时间常数（ 及及 ），就可得到），就可得到不同的上、下截止频率和带宽的带通滤波器。不同的上、下截止频率和带宽的带通滤波器。12整理课件61n滤波器的级联滤波器的级联滤波器的级联就是为了加强滤波效果。滤波器的级联就是为了加强滤波效果。两个中心频率相同的滤波器级联，总幅频特性是其各自幅频两个中心频率相同的滤波器级联，总幅频特性是其各自幅频特性

41、的乘积，因此通带外的频率成分将有更大的衰减斜率。特性的乘积，因此通带外的频率成分将有更大的衰减斜率。高阶滤波器就是低阶滤波器级联而成的。高阶滤波器就是低阶滤波器级联而成的。但该方法会带来明显的负载效应和相移增大等问题。但该方法会带来明显的负载效应和相移增大等问题。为此，更有效地方法是采用有源滤波器。为此，更有效地方法是采用有源滤波器。整理课件62u RC RC有源滤波器有源滤波器有源滤波器由有源滤波器由RC调谐网络和运放组成。运放既可以起极间隔调谐网络和运放组成。运放既可以起极间隔离作用，又可以起幅值放大作用。离作用，又可以起幅值放大作用。隔离负载影响、隔离负载影响、提高增益和带提高增益和带负

42、载能力负载能力整理课件63为了对信号进行频谱分析，为了对信号进行频谱分析，或摘取信号中某些特殊频率或摘取信号中某些特殊频率成分，可将信号通过放大倍成分，可将信号通过放大倍数相同但中心频率不同的多数相同但中心频率不同的多个带通滤波器，从而各滤波个带通滤波器，从而各滤波器的输出反映信号中在该通器的输出反映信号中在该通带频率范围内的量值，因而带频率范围内的量值，因而可分析信号中所含的各频率可分析信号中所含的各频率成分。成分。 整理课件64将图中各个滤波器依次接通，将图中各个滤波器依次接通，各各滤波器的输出将反映瞬时获得信滤波器的输出将反映瞬时获得信号的频谱结构号的频谱结构。从而称为实时谱。从而称为实

43、时谱分析。分析。对用于谱分析的滤波器组，对用于谱分析的滤波器组，各滤各滤波器的通带应该相互连接波器的通带应该相互连接，覆盖，覆盖整个感兴趣的频率范围，这样才整个感兴趣的频率范围，这样才不致使信号中的频率成分不致使信号中的频率成分“丢丢失失”。通常的做法是：通常的做法是：前一个滤波器的上截止频率（高端）就是后前一个滤波器的上截止频率（高端）就是后一个滤波器的下截止频率（低端），一个滤波器的下截止频率（低端），这样一组滤波器将覆盖这样一组滤波器将覆盖整个频率范围，也是邻接的。当然，滤波器组应具有同样的整个频率范围，也是邻接的。当然，滤波器组应具有同样的放大倍数（对其各个中心频率而言）。放大倍数（对

44、其各个中心频率而言）。整理课件65在作信号频谱分析时，这组并联在作信号频谱分析时，这组并联的、增益相同而中心频率不同的的、增益相同而中心频率不同的带通滤波器的带宽遵循一定得规带通滤波器的带宽遵循一定得规则取值，通常用两种方法构成常则取值，通常用两种方法构成常见的带通滤波器组：见的带通滤波器组：（1）恒带宽比滤波器）恒带宽比滤波器（2）恒带宽滤波器）恒带宽滤波器整理课件66（一）恒带宽比滤波器（一）恒带宽比滤波器相对带宽为常数：相对带宽为常数： 为常数为常数滤波器的中心频率越高，其带宽越大。滤波器的中心频率越高，其带宽越大。2100iciciiiBffCff整理课件67实现恒带宽比滤波器的方式常

45、采用实现恒带宽比滤波器的方式常采用倍频程带通滤波器倍频程带通滤波器，它的上、下截止频率之间应满足以下关系：它的上、下截止频率之间应满足以下关系：122cncffn n为倍频程数，若为倍频程数，若n=1n=1，称倍频程滤波器；，称倍频程滤波器；n=1/3n=1/3，称，称1/31/3倍频程滤波器，依此类推。倍频程滤波器，依此类推。 滤波器的中心频率：滤波器的中心频率： 012ccff f整理课件68因此，只要根据分析的要求选定一个因此，只要根据分析的要求选定一个n n值，便可设计覆值，便可设计覆盖给定范围的邻接式滤波器组。盖给定范围的邻接式滤波器组。例：有一个例：有一个1/31/3倍频程带通滤波

46、器，其中心频率为倍频程带通滤波器，其中心频率为80Hz80Hz，求上、下截止频率。求上、下截止频率。例：试设计一个邻接式的例：试设计一个邻接式的1/31/3倍频程谱分析装置，其频倍频程谱分析装置，其频率覆盖范围为（率覆盖范围为（11Hz11Hz35Hz35Hz），求其中心频率和带宽。），求其中心频率和带宽。整理课件69DM5731DM5731型三分之一倍频程带通滤波器型三分之一倍频程带通滤波器适用于电声测量的测量滤波器，在适用于电声测量的测量滤波器，在20Hz至至20kHz的频率范围内的频率范围内具有具有31段按照段按照1/3倍频程频率点分布的带通滤波器倍频程频率点分布的带通滤波器，其性能要求

47、符合，其性能要求符合GB/T3241-1998倍频程倍频程和分数倍频程滤波器和分数倍频程滤波器及及IEC61260：1995倍频程和分数倍频程滤波器倍频程和分数倍频程滤波器(IEC61260:1995Electroacoustics-Octavebandandfractionaloctavebandfilters)标准的要求。标准的要求。该仪器具有线性、该仪器具有线性、A计权及中心频率为计权及中心频率为20Hz、25Hz、31.5Hz、40Hz、50Hz、63Hz、80Hz、100Hz、125Hz、160Hz、200Hz、250Hz、315Hz、400Hz、500Hz、630Hz、800Hz、

48、1000Hz、1250Hz、1600Hz、2000Hz、2500Hz、3150Hz、4000Hz、5000Hz、6300Hz、8000Hz、10000Hz、12500Hz、16000Hz、20000Hz的带通滤波器。的带通滤波器。该仪器采用三位该仪器采用三位LED数码管显示滤波器的中心频率，滤波器的选通按键为轻触型数码管显示滤波器的中心频率，滤波器的选通按键为轻触型开关，并有指示灯显示选中的滤波器，整机外形尺寸为开关，并有指示灯显示选中的滤波器，整机外形尺寸为420 x99x100(mm)。DM57311A型三分之一倍频程带通滤波器是型三分之一倍频程带通滤波器是DM5731型的经济型版，其性能指标型的经济型版，其性能指标要求和外形尺寸与要求和外形尺寸与DM5731型完全相同，不同的是型完全相同，不同的是5731A型滤波器选通开关采用型滤波器选通开关采用的是按键开关，并简化了仪器内部的逻辑控制电路，以适合不同的用户需求。的是按键开关，并简化了仪器内部的逻辑控制电路，以适合不同的用户需求。整理课件70恒带宽比滤波器的滤波性能在低频恒带宽比滤波器的滤波性能在低频段较好，但在高频段由于其带宽增段较好，但在高频段由于其带宽增大而变坏，使频率分辨力下降。大而变坏，使频率分辨力下降