測試與控制電路chapter4

1、第四章 信號分離電路 a)b)c)第四章第四章 信號分離電路信號分離電路第一節(jié) 濾波器的基本知識(shí)一、濾波器的功能和類型一、濾波器的功能和類型1、功能：、功能：濾波器是具有頻率選擇作用的電路或運(yùn)算處理系統(tǒng)，具有濾除噪聲和分離各種不同信號的功能。2、類型：、類型：按處理信號形式處理信號形式分：模擬濾波器和數(shù)字濾波器按功能功能分：低通、高通、帶通、帶阻按電路組成電路組成分：LC無源、RC無源、由特殊元件構(gòu)成的無源濾波器、RC有源濾波器按傳遞函數(shù)的微分方程階數(shù)微分方程階數(shù)分：一階、二階、高階第一節(jié) 濾波器的基本知識(shí) rc)a)b)OA()OA()OA()rpKpKpKpKpKpKpcpc1rc12p1

2、pd)OA()pKpK1pc11r2pc22rc22r第一節(jié) 濾波器的基本知識(shí)二、模擬濾波器的傳遞函數(shù)與頻率特性二、模擬濾波器的傳遞函數(shù)與頻率特性（一）模擬濾波器的傳遞函數(shù)模擬濾波電路的特性可由傳遞函數(shù)來描述。傳遞函數(shù)是輸出與輸入信號電壓或電流拉氏變換之比。經(jīng)分析，任意個(gè)互相隔離的線性網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)后，總的傳遞函數(shù)等于各網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)的乘積。這樣，任何復(fù)雜的濾波網(wǎng)絡(luò)，可由若干簡單的一階與二階濾波電路級聯(lián)構(gòu)成。第一節(jié) 濾波器的基本知識(shí)（二）模擬濾波器的頻率特性模擬濾波器的傳遞函數(shù)H(s)表達(dá)了濾波器的輸入與輸出間的傳遞關(guān)系。若濾波器的輸入信號Ui是角頻率為w的單位信號，濾波器的輸出Uo(jw)=H(jw

3、)表達(dá)了在單位信號輸入情況下的輸出信號隨頻率變化的關(guān)系，稱為濾波器的頻率特性函數(shù)，簡稱頻率特性頻率特性。頻率特性H(jw)是一個(gè)復(fù)函數(shù)，其幅值A(chǔ)(w)稱為幅頻特性幅頻特性，其幅角(w)表示輸出信號的相位相對于輸入信號相位的變化，稱為相頻特性相頻特性。 第一節(jié) 濾波器的基本知識(shí)（三）濾波器的主要特性指標(biāo)1、特征頻率：、特征頻率：通帶截頻通帶截頻fp=wp/(2)為通帶與過渡帶邊界點(diǎn)的頻率，在該點(diǎn)信號增益下降到一個(gè)人為規(guī)定的下限。阻帶截頻阻帶截頻fr=wr/(2)為阻帶與過渡帶邊界點(diǎn)的頻率，在該點(diǎn)信號衰耗(增益的倒數(shù))下降到一人為規(guī)定的下限。轉(zhuǎn)折頻率轉(zhuǎn)折頻率fc=wc/(2)為信號功率衰減到1/2

4、(約3dB)時(shí)的頻率，在很多情況下，常以fc作為通帶或阻帶截頻。固有頻率固有頻率f0=w0/(2)為電路沒有損耗時(shí)，濾波器的諧振頻率，復(fù)雜電路往往有多個(gè)固有頻率。 第一節(jié) 濾波器的基本知識(shí)2、增益與衰耗、增益與衰耗濾波器在通帶內(nèi)的增益并非常數(shù)。對低通濾波器通帶增益Kp一般指w=0時(shí)的增益；高通指w時(shí)的增益；帶通則指中心頻率處的增益。對帶阻濾波器，應(yīng)給出阻帶衰耗，衰耗定義為增益的倒數(shù)。通帶增益變化量Kp指通帶內(nèi)各點(diǎn)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。 第一節(jié) 濾波器的基本知識(shí)3、阻尼系數(shù)與品質(zhì)因數(shù)、阻尼系數(shù)與品質(zhì)因數(shù) 阻尼系數(shù)阻尼系數(shù)是表征濾波器對角頻率為w0信號的阻

5、尼作用，是濾波器中表示能量衰耗的一項(xiàng)指標(biāo)。阻尼系數(shù)的倒數(shù)稱為品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)，是評價(jià)帶通與帶阻濾波器頻率選擇特性的一個(gè)重要指標(biāo)，Q= w0/w。式中的w為帶通或帶阻濾波器的3dB帶寬， w0為中心頻率，在很多情況下中心頻率與固有頻率相等。 第一節(jié) 濾波器的基本知識(shí)4、靈敏度、靈敏度濾波電路由許多元件構(gòu)成，每個(gè)元件參數(shù)值的變化都會(huì)影響濾波器的性能。濾波器某一性能指標(biāo)y對某一元件參數(shù)x變化的靈敏度記作Sxy，定義為： Sxy=(dy/y)/(dx/x)。該靈敏度與測量儀器或電路系統(tǒng)靈敏度不是一個(gè)概念，該靈敏度越小，標(biāo)志著電路容錯(cuò)能力越強(qiáng)，穩(wěn)定性也越高。 第一節(jié) 濾波器的基本知識(shí)5、群時(shí)延函數(shù)、群時(shí)

6、延函數(shù)當(dāng)濾波器幅頻特性滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，為保證輸出信號失真度不超過允許范圍，對其相頻特性(w)也應(yīng)提出一定要求。在濾波器設(shè)計(jì)中，常用群時(shí)延函數(shù)d(w)/dw評價(jià)信號經(jīng)濾波后相位失真程度。群時(shí)延函數(shù)d(w)/dw越接近常數(shù)，信號相位失真越小。 第一節(jié) 濾波器的基本知識(shí)（四）二階濾波器1、二階低通濾波器、二階低通濾波器二階低通濾波器的傳遞函數(shù)的一般形式為它的固有頻率為a01/2，通帶增益Kp=b0/a0，阻尼系數(shù)為a1/w0。其幅頻特性與相頻特性為第一節(jié) 濾波器的基本知識(shí) 20lgA/dB-101-40-20020=2.5=1.67=1.25 =0.8=0.5=0.33=0.2=0.1lg(/0)-

7、60a) 幅頻特性=0.2=0.1-101-180o-90o=2.5=1.67=1.25=0.8=0.5=0.33lg(/0)/()0b) 相頻特性第一節(jié) 濾波器的基本知識(shí)2、二階高通濾波器、二階高通濾波器二階低通濾波器的傳遞函數(shù)的一般形式為其幅頻特性與相頻特性為第一節(jié) 濾波器的基本知識(shí) b)圖4-4lg(/0)=2.5-101090180=1.67=1.25 =0.8=0.5=0.33=0.2=0.1/()20lgA/dB)lg(/0)-20020=0.1=0.2=0.33=0.5=0.8=1.25=1.67=2.5-101-40a) 幅頻特性b) 相頻特性第一節(jié) 濾波器的基本知識(shí)3、二階帶

8、通濾波器、二階帶通濾波器二階帶通濾波器的傳遞函數(shù)的一般形式為其幅頻特性與相頻特性分別為第一節(jié) 濾波器的基本知識(shí) b) 相頻特性-10190oQ=100Q=40Q=20Q=10Q=5Q=2.5Q=1Q=0.5lg(/0)0o-90o/()20lgA/dBa) 幅頻特性lg(/0)-101-60-40-20Q=0.5 Q=1 Q=2.5Q=5Q=10Q=20Q=40Q=1000第一節(jié) 濾波器的基本知識(shí)4、二階帶阻濾波器、二階帶阻濾波器二階帶阻濾波器的傳遞函數(shù)的一般形式為其幅頻特性和相頻特性為第一節(jié) 濾波器的基本知識(shí) 01-20Q=5Q=2.5Q=1Q=0.1Q=0.2Q=0.5lg(/0)-40-

9、6020lgA/dB0-1 -101-90o0o90oQ=5Q=2.5Q=1 Q=0.5Q=0.2 Q=0.1lg(/0)/()a) 幅頻特性b) 相頻特性第一節(jié) 濾波器的基本知識(shí)5、二階全通濾波電路、二階全通濾波電路（移相電路）二階全通濾波電路的傳遞函數(shù)的一般形式為其幅頻特性為常數(shù)，相頻特性為第一節(jié) 濾波器的基本知識(shí)三、濾波器特性的逼近三、濾波器特性的逼近理想濾波器理想濾波器要求幅頻特性A(w)在通帶內(nèi)為一常數(shù)，在阻帶內(nèi)為零，沒有過渡帶，還要求群延時(shí)函數(shù)在通帶內(nèi)為一常量，這在物理上是無法實(shí)現(xiàn)的。實(shí)踐中往往選擇適當(dāng)逼近方法，實(shí)現(xiàn)對理想濾波器的最佳逼近。測控系統(tǒng)中常用的三種逼近方法為： 巴特沃斯

10、逼近切比雪夫逼近貝賽爾逼近第一節(jié) 濾波器的基本知識(shí)（一）巴特沃斯逼近這種逼近的基本原則是使幅頻特性在通帶內(nèi)最為平坦，并且單調(diào)變化。其幅頻特性為n階巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)為其中第一節(jié) 濾波器的基本知識(shí) 0.51.0/0n=2n=4n=5120A1-1800/0n=5n=4n=2-3602/()第一節(jié) 濾波器的基本知識(shí)（二）切比雪夫逼近這種逼近方法的基本原則是允許通帶內(nèi)有一定的波動(dòng)量Kp。其幅頻特性為（三）貝賽爾逼近這種逼近與前兩種不同，它主要側(cè)重于相頻特性，其基本原則是使通帶內(nèi)相頻特性線性度最高，群時(shí)延函數(shù)最接近于常量，從而使相頻特性引起的相位失真最小。 第一節(jié) 濾波器的基本知識(shí) /000

11、.51221341.0A-180-3600121234/0246800.20.40.60.81.0t/t0213uo(t)/ui第二節(jié) RC有源濾波電路一、壓控電壓源型濾波電路一、壓控電壓源型濾波電路該電路壓控增益Kf=1+R0/R ，傳遞函數(shù)為uo(t)Y2Y1Y4Y3Y5R0Rui(t)+-+N第二節(jié) RC有源濾波電路1、低通濾波電路、低通濾波電路濾波器參數(shù)為+-+NR0Ruo(t)ui(t)C1C2R2R1第二節(jié) RC有源濾波電路2、高通濾波器、高通濾波器uo(t)R0Rui(t)C2C1R1R2+-+N第二節(jié) RC有源濾波電路3、帶通濾波器、帶通濾波器ui(t)R0Ruo(t)C1C2

12、R1R2R3+-+N第二節(jié) RC有源濾波電路4、帶阻濾波器、帶阻濾波器R1C3R0Ruo(t)ui(t)C2C1R3R2+-+N第二節(jié) RC有源濾波電路二、無限增益多路反饋型濾波電路二、無限增益多路反饋型濾波電路-+NY4Y1Y3Y2Y5Rui(t)uo(t)第二節(jié) RC有源濾波電路1、低通濾波電路、低通濾波電路-+NC2R1R3R2C1Rui(t)uo(t)第二節(jié) RC有源濾波電路2、高通濾波器、高通濾波器-+NR2C1C3C2R1Ruo(t)ui(t)第二節(jié) RC有源濾波電路3、帶通濾波器、帶通濾波器-+NR3R1C2C1R2Rui(t)uo(t)第二節(jié) RC有源濾波電路三、雙二階環(huán)濾波電

13、路三、雙二階環(huán)濾波電路1、低通與帶通濾波電路、低通與帶通濾波電路-+N1-+N2-+N3R1R0R2C1R3R4R5ui(t)C2u3(t)u2(t)u1(t)第二節(jié) RC有源濾波電路2、可實(shí)現(xiàn)高通、帶阻與全通濾波的雙二階環(huán)電、可實(shí)現(xiàn)高通、帶阻與全通濾波的雙二階環(huán)電路路-+N1-+N2-+N3uo(t)ui(t)R01R1R2C1R3R4R5R02R03C2第二節(jié) RC有源濾波電路 第二節(jié) RC有源濾波電路3、低通、高通、帶通、帶阻與全通濾波電路、低通、高通、帶通、帶阻與全通濾波電路-+N1-+N3-+N2-+N4ui(t)uh(t)ub(t)ul(t)ux(t)R01R02R04R03R1R

14、2R05R06R07R0C2C1第二節(jié) RC有源濾波電路四、有源濾波器設(shè)計(jì)四、有源濾波器設(shè)計(jì)有源濾波器的設(shè)計(jì)主要包括以下四個(gè)過程：w 確定傳遞函數(shù)確定傳遞函數(shù)w 選擇電路結(jié)構(gòu)選擇電路結(jié)構(gòu)w 選擇有源器件選擇有源器件w 計(jì)算無源元件參數(shù)計(jì)算無源元件參數(shù)以無限增益多路反饋二階巴特沃斯濾波器為例第二節(jié) RC有源濾波電路在給定的fc下，參考下表選擇電容C1;根據(jù)C1的實(shí)際值，按下式計(jì)算電阻換標(biāo)系數(shù)K;K=100/fcC1 由表確定C2及歸一化電阻值ri，再換算出Ri。-+NC2R1R3R2C1Rui(t)f/Hz100kC1/uF100.1 0.10.010.010.001(1000100)10-6(

15、10010) 10-6pKk/1rk/2rk/3rCC21/12610 3.1112.5651.6971.6254.0723.2924.9774.7233.1115.13010.180 16.252 0.20.150.050.033一、開關(guān)電容濾波原理一、開關(guān)電容濾波原理-+Nui(t)uo(t)C2R12a)ui(t)C2uo(t)-+N12C1V2V121b)Tc21c)-+N21C1uo(t)I1ui(t)C2d)C2-+Nuo(t)2I2e)第三節(jié) 集成有源濾波器第三節(jié) 集成有源濾波器二、集成有源濾波芯片介紹二、集成有源濾波芯片介紹1、單片集成五階巴特沃斯低通濾波器、單片集成五階巴特沃

16、斯低通濾波器MAX280內(nèi)部開關(guān)電容網(wǎng)絡(luò)RCRclkCclk(外部緩沖放大器)uo1(t)uo2(t)14632587-5v+5 v(33pF)內(nèi)部時(shí)鐘電路ui(t)第三節(jié) 集成有源濾波器2、單片集成通用有源濾波器、單片集成通用有源濾波器MAX263/264+-+ 分頻比編碼控制電路品質(zhì)因數(shù)編碼控制電路工作模式編碼控制電路S2S3S11S2S3qrrrr+INGNDM0M1Q0Q6CLKAOSCOUTLPBPN/HAF0F4求和節(jié)點(diǎn)同相積分器S1N1N2同相積分器N/HAAMAX263/26415141Q028Q1F1VGNDQ2Q3OSCOUT F2F0Q4Q6Q5N/HABBPBLPBF3F4V+M0M1BPALPAINBINACLKBCLKA第四節(jié) 跟蹤濾波器一、壓控跟蹤濾波器一、壓控跟蹤濾波器-+NR3R1C2C1R/2R2ui(t)uc(t)RR0uo(t)-+NR3R1C2C1R2Rui(t)uo(t)第四節(jié) 跟蹤濾波器二、變頻跟蹤濾波器被測信號源乘法器乘法器90O移相器乘法器加法器90O移相器乘法器晶體濾波器中心頻率0低通濾波器1/N分頻器e0e1e1e2e3e4e2e6e5e7e7e8e9e10e11帶通濾波器中心頻率0晶體振蕩器Nf0一、數(shù)字系統(tǒng)頻域分析