第四章_信號的調(diào)理與記錄

1、中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院第一節(jié) 電橋第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)第三節(jié) 濾波器第四節(jié) 信號的指示和記錄裝置第四章 信號調(diào)理、處理和記錄中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院 信號調(diào)理的作用信號調(diào)理的作用 對傳感器輸出的原始信號或系統(tǒng)中某一環(huán)節(jié)的輸出信號進行再對傳感器輸出的原始信號或系統(tǒng)中某一環(huán)節(jié)的輸出信號進行再加工，以滿足下一環(huán)節(jié)輸入要求的需要。加工，以滿足下一環(huán)節(jié)輸入要求的需要。 信號調(diào)理的原因信號調(diào)理的原因傳感器輸出的電信號非常微弱，需要放大和變換。傳感器輸出的電信號非常微弱，需要放大和變換。傳感器輸出的電參量需要轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芰?。傳感器輸出的電參量需要轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芰?。降噪?/p>

2、提高信噪比。降噪，提高信噪比。分離有用分量。分離有用分量。模數(shù)轉(zhuǎn)換。模數(shù)轉(zhuǎn)換。返回章目錄第四章 信號調(diào)理、處理和記錄概述中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院信號調(diào)理的種類信號調(diào)理的種類1. 參量變換型：常用于參量型傳感器，將電參量變換成電壓和電流量。被測量參量型傳感器電橋、諧振電路R, L, CV, I2. 阻抗變換、幅度調(diào)節(jié) U, I被測量發(fā)電型傳感器放大、衰減、阻抗匹配、變換V, I3. 調(diào)制、解調(diào)被測量傳感器解調(diào)調(diào)制放大、傳送調(diào)制波輸出4. 品質(zhì)調(diào)節(jié)： 線性化處理擴大測量范圍，減少非線性失真； 濾 波保持有用信號，消除干擾； 倍頻、細分提高測量精度；5. A/D、D/A轉(zhuǎn)換：與

3、計算機相聯(lián)系。第四章 信號調(diào)理、處理和記錄概述中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院 電橋是將電阻、電感、電容等參量的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出的一種測量電路。分類 ：按激勵電壓（1）直流電橋 （2）交流電橋 按輸出方式（1）不平衡橋式電路 （2）平衡橋式電路 按工作原理（1）偏值法 （2）歸零法U0abcdI1I2R1R2R3R4Uy圖4-1 直流電橋第一節(jié) 電橋中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院 圖4-1是直流電橋的基本形式。以電阻R1，R2，R3，R4作為四個橋臂，a、c兩端接入直流電源U0，在b、d兩端為輸出電壓Uy。當電橋輸出端后接較大輸入電阻的儀表或放大器時，可視

4、為開路，電流輸出為零，此時橋路電流為 2101RRUI4302RRUIa, b之間與a, d之間電位差為 021111URRRRIUab043442URRRRIUad輸出電壓為 04321423104340211)(URRRRRRRRURRRURRRUUUadabybU0acdI1I2R1R2R3R4Uy圖4-1 直流電橋（4-4）第一節(jié) 電橋中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院由此可知，若使電橋平衡，輸出為零，應(yīng)滿足 04231RRRR4231RRRR3421RRRR由式（4-4），如果適當選擇各橋臂電阻值，可使輸出電壓與被測量引起的電阻變化量有關(guān)。 R4R3R1R1dcbaR2U

5、yU0a)R4R3R1R1dcbaR2 R2UyU0b)R4 R4R3R3R1R1dcbaR2 R2U0c)圖4-2 直流電橋的連接方式a)半橋單臂 b)半橋雙臂 c)全橋第一節(jié) 電橋中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院在實際測試中，橋臂分為半橋式與全橋式聯(lián)接，見圖4-2，在圖a 中表示半橋聯(lián)接，工作中只有一個臂阻值隨被測的量而變化。設(shè)R1是電阻 R1 的電阻增量。根據(jù)式（4-3），此是輸出電壓為 043421111)(URRRRRRRRUy為了簡化橋路設(shè)計，令 R1= R2 = R3= R4= R0 ，則輸出電壓為 010124URRRUy因為R1 R0，所以 0014URRUy（

6、4-5） 可見，電橋輸出 Uy 電壓與激勵電壓 U0 成正比，并且在R10電容性阻抗時電流滯后電壓0 第一節(jié) 電橋中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院式（4-10）表明，交流電橋平衡必須滿足兩個條件： （1）相對兩橋臂阻抗之模的乘積應(yīng)相等 （2）它們的阻抗角之和也必須相等 為了滿足上述平衡條件，交流電橋各臂可有不同的組合。常用的電容、電感電橋，其相鄰兩臂接入電阻（例如 Z02=R2, Z03=R3, 2=3 =0），而另外兩個橋臂接入相同性質(zhì)的阻抗，例如電容或電感，保持1=4 。 圖4-4是一種常用電容電橋，2、3兩相鄰為純電阻R2, R3，另外兩相鄰臂為電容C1,C4，可視為電容介

7、質(zhì)損耗的等效電阻。根據(jù)平衡條件有： 244311)1()1(RCjRRCjR42241331CjRRRCjRRR圖4-4 電容電橋U0abcdR1R2R3R4UyC1C4第一節(jié) 電橋中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院令上式實部、虛部分別相等，則有下面兩個平衡條件 （4-11） 4213CRCR（4-12） 由此可知，要使電橋達到平衡，必須同時調(diào)節(jié)電阻與電容兩個參數(shù)，達到電阻和電容都平衡。圖4-5是一種電感電橋，兩相鄰橋臂為電感L1, L4與電阻，根據(jù)式（4-10）平衡條件 244311)()(RLjRRLjR1 31 32442RRj LRRRj LR實、虛部分別相等 4231RR

8、RR（4-13） 2431RLRL（4-14） U0abcdR1R2R3R4Uy圖4-5 電感電橋L1L44231RRRR第一節(jié) 電橋中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院 對于純電阻交流電橋，即使各橋臂均為電阻，但由于導(dǎo)線間存在分布電容，相當于在各橋臂上并聯(lián)一個電容（見圖4-6），為此除了電阻平衡外，還需要電容平衡。注意（1）一般情況下交流供橋電壓具有良好的電壓波形與頻率穩(wěn)定度，如果電壓波形畸變，基波易達到平衡，將有高次諧波電壓輸出。 （2）一般采用音頻交流電源（510kHz）作為電源。外工頻干擾不易介入，放大電路簡單無零漂。 （3）采用交流電橋，必須注意一些影響測量誤差的因數(shù)。例如

9、元件間互感影響；無感電阻的殘余阻抗；鄰近交流電路對電橋感應(yīng)；泄漏電阻以及元件之間、元件與地間的分布電容。 第一節(jié) 電橋中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院 帶感應(yīng)耦合臂的電橋是將感應(yīng)耦合的兩個繞組作為橋臂而組成的電橋，一般有以下兩種形式：圖4-11 帶感應(yīng)耦合臂的電橋第一節(jié) 電橋中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院信號調(diào)制的作用：1、緩變電信號實現(xiàn)交流放大 ：消除放大器零漂的影響。（同頻信噪比）2、減小信號頻率的動態(tài)范圍 ：減少信號傳輸過程的失真。3、單通道傳輸多路信號： 簡化復(fù)雜系統(tǒng)的信號傳輸網(wǎng)絡(luò)。調(diào)制是一個信號的某些參數(shù)在另一個信號控制下而發(fā)生變化的過程。 前一信號稱為

10、載波(較高頻率交變信號)，后一信號(控制信號)稱為 調(diào)制信號，最后輸出已調(diào)制波，載波上達載了調(diào)制信號的信息。解調(diào)從已調(diào)制波中恢復(fù)出調(diào)制信號的過程。 載波調(diào)制分類：（1）調(diào)幅(AM) （2）調(diào)頻(FM) （3）調(diào)相（PM）它們的已調(diào)波分別被稱為 （1）調(diào)幅波 （2）調(diào)頻波 （3）調(diào)相波 圖4-9 表示了 載波、調(diào)制信號、調(diào)幅波和調(diào)頻波。第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院1. 幅值調(diào)制原理調(diào)幅高頻簡諧信號(載波)與測試信號(調(diào)制信號)相乘產(chǎn)生調(diào)幅信號。 y(t)=x(t)cos2f0 t 即高頻信號的幅值隨測試信號的變化而變化,如交流電橋。 0ty(t)=cos2f0

11、 t0tx(t)0txm(t)a)0ff0- f0Y (f)1/21/20ff0- f0Y (f)0ff0- f0Xm (f)=X(f)*Y(f)2fmb)圖4-13 調(diào)幅過程 a) 時域 b)頻域第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院載波為余弦信號，由函數(shù)的時移性質(zhì)可知，其頻譜是一對脈沖譜線 ：（4-21） 在頻域上，調(diào)幅過程就相當于把調(diào)制信號頻譜移至載波信號頻率中心處的“搬移過程” 。00011cos2()()22ftffff調(diào)幅波：)()(21)()(212cos)(000fffXfffXtftx2. 調(diào)幅信號的頻譜分析調(diào)幅信號的頻譜分析調(diào)幅條件：調(diào)幅條件：（1

12、）載波頻率 f0 必須高于調(diào)制信號中最高頻率 fm，才能不產(chǎn)生混疊。 （2）信號頻寬 2 fm相對中心頻率（載波頻率）越小越有利于放大、濾波。 （3）須用濾波器濾除fm的高頻燥聲，避免高頻燥聲產(chǎn)生混疊。第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院 若把調(diào)幅波再次與原載波信號相乘，則頻域圖形將再一次進行“搬移”，其結(jié)果如圖4-14所示。若用一個低通濾波器濾去中心頻率為 2f0 的高頻成分，那么將可以復(fù)現(xiàn)原信號的頻率（只是幅值減小一半，可以放大處理），這一過程叫做“同步解調(diào)”?！巴健笔侵附庹{(diào)時所乘的信號與調(diào)制時的載波信號具有相同的頻率和相位。0ff0- f0Y (f)1/21

13、/202f0 ffm fcfc - fmXm(f)*Y (f)0ff0- f0Xm (f)圖4-14 同步解調(diào)乘法器 低 通xm(f)調(diào)幅波載波y(t)x(t)-2f0低通3. 調(diào)幅信號的解調(diào)方法調(diào)幅信號的解調(diào)方法 幅度調(diào)制的解調(diào)有多種方法，常用的有同步解調(diào)、包絡(luò)檢波和相敏檢波法。（1）同步解調(diào)第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院tftxtxtftxtftftx00004cos)(21)(21)4cos1 (21)(2cos2cos)(（4-22） 低通濾波器將頻率為 2f0 的高頻信號濾去，則得到 x(t)/2。調(diào)幅的目的是使緩變信號便于放大和傳輸。解調(diào)的目的是為

14、了恢復(fù)原信號。例如：把廣播中聲音信號調(diào)制到某一頻率，便于傳輸和放大，又可避免干擾。在時域中可看到：第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院 若把調(diào)制信號進行偏置，疊加一個直流分量A，使偏置后信號都具有正電壓，那么調(diào)幅包絡(luò)線將具有原調(diào)制信號的形狀，如圖4-15a 所示。把該調(diào)幅波 xm(t) 簡單整流、濾波，就可恢復(fù)原信號。如果原調(diào)制信號中有直流分量，則在整流后應(yīng)準確減去所加偏置電壓。若所加偏置電壓未能使信號電壓恒大于零，則對調(diào)幅波作簡單整流就不能恢復(fù)原信號，見圖4-15b，相敏技術(shù)就能解決這一問題。 0 x(t)t0 x(t)t0 xm(t)t0 xm(t)t 圖4-1

15、5 調(diào)制信號加偏置的調(diào)幅波a) 偏置電壓足夠大 b) 偏置電壓不夠大a)b)（2）包絡(luò)檢波第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院 采用相敏檢波時，對原信號可不必再加偏置。注意交變信號在其過零線時符號（+，-）發(fā)生突變，調(diào)幅波的相位（與載波相比）也相應(yīng)發(fā)生1800的相應(yīng)跳變。利用載波 信號與之比相，既能反映出原信號的幅值，有能反映其極性。見圖4-17中，x (t)為原信號；y (t)為載波；xm(t)為調(diào)幅波。電路設(shè)計變壓器 B二次輸出電壓比 A二次輸出電壓大。 （3）相敏檢波因此，在負載 Rf 上所檢測的電壓 u f 就重現(xiàn) x (t) 的波形。 這種相敏檢波是利用二

16、極管單向?qū)ㄗ饔脤㈦娐份敵鰳O性換向。這種電路相當于在 0a 段把 xm(t) 的零線以下的負部翻上去，而在 ab 段把正部翻下來，所檢測到的信號 u f 是經(jīng)過“翻轉(zhuǎn)”后信號的包絡(luò)。 第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院圖4-17 相敏檢波1x (t)為正，xm(t)與 y (t) 同相，如圖 0-a 段所示。載波電壓為正時,A,B極性不變,VD1導(dǎo)通,電流流向是d-1-VD1-2-5-c-負載-地-d。載波電壓為負時,A,B極性同變,VD3導(dǎo)通,電流流向是d-3-VD3-4-5-c-負載-地-d。2x (t)為負,xm(t)與 y (t) 異相,如圖 a-b 段所

17、示。y(t)為正時,B不變A與圖相反,VD2導(dǎo)通，電流流向是d-地-負載-c-5-2-VD2-3-d。y(t)為負時,B與圖相反A不變,VD4導(dǎo)通，電流流向是d-地-負載-c-5-4-VD4-1-d。第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院利用電阻應(yīng)變片作利用電阻應(yīng)變片作為傳感元件來測量應(yīng)為傳感元件來測量應(yīng)變的專用電子儀器稱變的專用電子儀器稱為電阻應(yīng)變儀。為電阻應(yīng)變儀。Resistance Strain Meter第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院圖4-18所示的動態(tài)應(yīng)變儀是電橋調(diào)幅與相敏檢波的典型實例。 圖418 動態(tài)電阻應(yīng)變儀方框圖試件

18、電橋放大相敏檢波低通顯示記錄振蕩器t0t0t0t0t0第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院a)b)圖4-19 調(diào)頻波與調(diào)制嬉鬧幅值的關(guān)系 a) 鋸齒波信號 b) 正弦信號 調(diào)頻是利用信號電壓的幅值控制一個振蕩器，振蕩器輸出的是等幅波，但其振蕩頻率偏移量和信號電壓成比例。當信號電壓為零時，調(diào)頻波頻率等于中心頻率，信號電壓為正值時頻率提高，負值時則降低。所以調(diào)頻波是隨信號而變化的疏密不等的等幅波，如圖4-15所示。調(diào)頻波的瞬時頻率可表示為 。如圖此時調(diào)頻信號可表示）變化，有（）隨調(diào)制信號（頻率為常數(shù)，讓載波瞬時角若保持振幅設(shè)載波194)(cos)(cos)(00000d

19、ttxktAtxtkxttxtAtAtyf1. 頻率調(diào)制的基本概念第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院LCf21（4-25） 若電容C0的變化量為 ，則式（4-25）變?yōu)槭街?02 CCff（4-27） 因此，回路的振蕩頻率和調(diào)諧參數(shù)的變化呈線性關(guān)系（小范圍內(nèi)），這種把被測量的變化直接轉(zhuǎn)換為振蕩頻率的變化稱為直接調(diào)頻式測量電路，其輸出是等幅波。 000011)1 (21CCfCCLCf2. 頻率調(diào)制方法 頻率調(diào)制電路常用振蕩電路，如LC振蕩電路、壓控振蕩器。 LC振蕩電路：應(yīng)用于電容、渦流或電感等傳感器的測量電路。如果把電容（或電感）作為自激振蕩器的諧振回路中的一個

20、調(diào)諧參數(shù)，那么電路振蕩頻率為 C上式按泰勒級數(shù)展開并忽略高階項得ffCCff000)21 (第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院壓控振蕩器：利用壓控振蕩器是一個常用的調(diào)頻方案。壓控振蕩器的輸出瞬時頻率與輸入的控制電壓成線性關(guān)系，從而達到頻率調(diào)制的目的。壓控振蕩電路有多種形式，現(xiàn)在已有集成化的壓控振蕩器芯片出售。 3. 調(diào)頻信號的解調(diào) 調(diào)頻波的解調(diào)又稱為鑒頻，是將頻率變化恢復(fù)成調(diào)制信號電壓幅值變化的過程。一般采用鑒頻器和鎖相環(huán)解調(diào)器。前者結(jié)構(gòu)簡單，在測試技術(shù)中常被使用，而后者解調(diào)性能優(yōu)良，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般用于要求較高的場合。第二節(jié) 調(diào)制與解調(diào)中原工學院中原工學院 信息

21、商務(wù)學院信息商務(wù)學院 信號分析：信號分析：被測信號一般由多個頻率分量組成，被測信號一般由多個頻率分量組成，檢測中得到的信號除包含有效信息外，還含有噪檢測中得到的信號除包含有效信息外，還含有噪聲和不希望的成分，會導(dǎo)致真實信號的畸變和失聲和不希望的成分，會導(dǎo)致真實信號的畸變和失真。真。 濾波：濾波：讓被測信號中的有效成分通過，而將其中讓被測信號中的有效成分通過，而將其中不需要的成分抑制或衰減掉。而抑制或衰減掉其不需要的成分抑制或衰減掉。而抑制或衰減掉其它不需要的頻率成分。它不需要的頻率成分。 濾波器：濾波器：能實施濾波功能的裝置。能實施濾波功能的裝置。第三節(jié) 濾波器中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學

22、院信息商務(wù)學院濾波器分類（1）根據(jù)其選頻作用，可分為四類： 低通濾波器； 高通濾波器； 帶通濾波器； 帶阻濾波器。 圖4-22 四類濾波器的幅頻特性（a）低通 （b）高通 （c）帶通 （d）帶阻（2）根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式可分為兩類： 有源濾波器：使用運算放大器結(jié)構(gòu)； 無源濾波器：由RLC組合配置而成。第三節(jié) 濾波器中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院1、理想濾波器 特性理想化的濾波器。 理想低通濾波器：具有矩形幅頻特性和線性相頻特性。 其他0020ctfjffeAfH理想低通濾波器的幅、相頻特性理想低通濾波器的幅、相頻特性 第三節(jié) 濾波器中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院2、實

23、際濾波器的基本參數(shù)l 理想濾波器只需規(guī)定截止頻率即可說明其特性，而實際濾波器的特性曲線無明顯轉(zhuǎn)折點，通帶中幅頻特性也非常數(shù)，需更多參數(shù)描述其性能。l 主要參數(shù)包括：紋波幅度、截止頻率、帶寬、品質(zhì)因數(shù)、倍頻程選擇性、濾波器因數(shù)。 圖4-24 理想和實際的帶通濾波器的幅頻特性理想濾波器實際濾波器A(f)A0A02dd0 fc1 fc2 f第三節(jié) 濾波器中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院截止頻率：幅頻特性值等于 所對應(yīng)的頻率點；紋波幅度：通帶中幅頻特性值的起伏變化值；帶寬B：上下兩截止頻率之間的頻率范圍B=fc2-fc1，又稱-3dB帶寬；品質(zhì)因子（Q值）：對于一個帶通濾波器，其品質(zhì)因子

24、Q則定義為中心頻率f0與帶寬B之比，即Q=f0/B。)3(20dBA第三節(jié) 濾波器中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院倍頻程選擇性：上截止頻率fc2與2fc2之間或下截止頻率fc1與fc1/2間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個倍頻程的衰減量，以dB表示。倍頻程選擇性表征過渡帶的幅頻曲線傾斜的程度，即幅頻特性衰減的快慢。濾波器因數(shù)（矩形系數(shù)）：濾波器幅頻特性的 -60dB帶寬與-3dB帶寬的比，即 對理想濾波器有=1。對普通使用的濾波器，一般為（15）。dBdBBB360第三節(jié) 濾波器中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院一階RC低通濾波器 低通濾波器的典型電路如圖所 示。其頻

25、率響應(yīng)特性為： 率?？梢苑奖愕馗淖兘刂诡l所以調(diào)節(jié)點，因?qū)?yīng)截止頻率討論：RCRCfdBfffffffHcccc,213)(tan)(11)(12RuxuyCA(f)11/221/2f01/20(f)-450-900fRC低通濾波器 及其幅、相頻率特性第三節(jié) 濾波器中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院RC高通濾波器 RC高通濾波器的典型電路如圖所示。 RuxuyCA(f)11/221/2f01/20(f)450900fRC高通濾波器及其幅、相頻率特性 其頻率響應(yīng)特性為)(tan90)(1)(12cccffffffffH第三節(jié) 濾波器中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院各種濾波

26、器性能比較：l RC濾波器：過渡帶衰減速度慢（-6dB/倍頻程），通帶與阻帶間無陡峭界限，性能較差。如圖427所示。l LC濾波器過渡帶曲線的陡峭度優(yōu)于RC濾波器，如圖4-28所示。l 多個RC或LC環(huán)節(jié)級聯(lián)：極大地改善了過渡帶曲線的陡峭度，但具有明顯的負載效應(yīng)和相移增大的問題。如圖4-29所示。l 有源濾波器：無源濾波網(wǎng)絡(luò)與運算放大器組合而成，性能更加優(yōu)良。如圖4-30、4-31所示。3、帶通濾波器 低通濾波器和高通濾波器的組合。圖4-26。第三節(jié) 濾波器中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院 1 1、多路帶通濾波器的并聯(lián)形式、多路帶通濾波器的并聯(lián)形式 主要應(yīng)用：主要應(yīng)用： 信號的頻

27、譜分析和信號中特定頻率成分提取。信號的頻譜分析和信號中特定頻率成分提取。 具體要求：具體要求：l為保證帶通濾波器的帶寬覆蓋整個分析的頻帶，為保證帶通濾波器的帶寬覆蓋整個分析的頻帶，它們的中心頻率能使相鄰的帶寬恰好互相銜接，它們的中心頻率能使相鄰的帶寬恰好互相銜接，即前一個濾波器的即前一個濾波器的3dB3dB上截止頻率等于后一上截止頻率等于后一個濾波器的個濾波器的3dB3dB下截止頻率；下截止頻率；l濾波器組具有相同的放大倍數(shù)。濾波器組具有相同的放大倍數(shù)。第三節(jié) 濾波器中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院兩類常用的帶通濾波器組：兩類常用的帶通濾波器組：l 恒帶寬比濾波器（恒帶寬比濾波器

28、（a圖）圖）l 恒帶寬濾波器（恒帶寬濾波器（b圖）圖）第三節(jié) 濾波器中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院（1 1）恒帶寬比濾波器）恒帶寬比濾波器 恒帶寬濾波器是指濾波器的相對帶寬是常數(shù)，即恒帶寬濾波器是指濾波器的相對帶寬是常數(shù)，即 假若一個帶通濾波器的低端截止頻率為假若一個帶通濾波器的低端截止頻率為f fc1ic1i ，高端截，高端截止頻率為止頻率為f fc2ic2i ，二者的關(guān)系：，二者的關(guān)系： 式中式中n n稱為稱為倍頻程數(shù)倍頻程數(shù)。若。若n=1 n=1 ，則稱為倍頻程濾波器；，則稱為倍頻程濾波器；若若n=1/3 n=1/3 ，則稱為，則稱為1/31/3倍頻程濾波器。倍頻程濾波器

29、。CffffBiicicii0120icnicff122第三節(jié) 濾波器中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院一個濾波器組中后一個濾波器的中心頻率一個濾波器組中后一個濾波器的中心頻率f f0i0i與前一個濾波與前一個濾波器的中心頻率器的中心頻率f f0(i-1)0(i-1)間滿足：間滿足：而且，濾波器的中心頻率與上下截止頻率間的關(guān)系為而且，濾波器的中心頻率與上下截止頻率間的關(guān)系為 )1(002inifficicifff210第三節(jié) 濾波器中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院n=1n=1的倍頻程濾波器（如下圖），有：的倍頻程濾波器（如下圖），有：(1)(1)中心頻率（中心頻率（H

30、zHz）16,31.5,63,125,250,16,31.5,63,125,250,(2)(2)帶寬（帶寬（HzHz ）11.31,22.27,44.55,88.39,176.78,11.31,22.27,44.55,88.39,176.78, n=1/3 n=1/3倍頻程濾波器組，有：倍頻程濾波器組，有：(1)(1)中心頻率中心頻率（HzHz） 12.5,16,20,25,31.5,40,50,63,12.5,16,20,25,31.5,40,50,63,(2)(2)帶寬帶寬（HzHz） 2.9,3.7,4.6,5.8,7.3,9.3,11.6,14.6,2.9,3.7,4.6,5.8,7.

31、3,9.3,11.6,14.6,第三節(jié) 濾波器中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院 倍頻程譜分析裝置倍頻程譜分析裝置 第三節(jié) 濾波器中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院（2 2）恒帶寬濾波器）恒帶寬濾波器l 恒帶寬比的濾波器的不足之處：恒帶寬比的濾波器的不足之處： 其通頻帶在低頻段內(nèi)甚窄，而在高頻段內(nèi)則較寬。因此，其通頻帶在低頻段內(nèi)甚窄，而在高頻段內(nèi)則較寬。因此，濾波器組的頻率分辨率在低頻段內(nèi)較好，在高頻段內(nèi)甚濾波器組的頻率分辨率在低頻段內(nèi)較好，在高頻段內(nèi)甚差。差。l 為了使濾波器組的分辨率在所有頻段都具有同樣良好的為了使濾波器組的分辨率在所有頻段都具有同樣良好的頻率分辨率

32、，可以采用頻率分辨率，可以采用恒帶寬的濾波器恒帶寬的濾波器。l 恒帶寬濾波器是指濾波器的絕對帶寬為常數(shù)：恒帶寬濾波器是指濾波器的絕對帶寬為常數(shù)：CffBicic12第三節(jié) 濾波器中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院l 為了提高濾波器的分辨率，其帶寬應(yīng)窄一些。但這樣為覆為了提高濾波器的分辨率，其帶寬應(yīng)窄一些。但這樣為覆蓋整個頻率范圍所需要的濾波器數(shù)量就很大。因此，蓋整個頻率范圍所需要的濾波器數(shù)量就很大。因此，恒帶恒帶寬濾波器不應(yīng)做成中心頻率為固定的。寬濾波器不應(yīng)做成中心頻率為固定的。l 實際中一般利用一個定帶寬的定中心頻率的濾波器加上實際中一般利用一個定帶寬的定中心頻率的濾波器加上可可

33、變參考頻率的差頻變換來適應(yīng)變參考頻率的差頻變換來適應(yīng)各種不同中心頻率的定帶寬各種不同中心頻率的定帶寬濾波器濾波器的需要。的需要。l 參考信號的掃描速度應(yīng)能夠滿足建立時間的要求，尤其是參考信號的掃描速度應(yīng)能夠滿足建立時間的要求，尤其是濾波器帶寬很窄的情況，參考頻率變化不能過快。常用的濾波器帶寬很窄的情況，參考頻率變化不能過快。常用的恒帶寬濾波器有恒帶寬濾波器有相關(guān)濾波和變頻跟蹤濾波相關(guān)濾波和變頻跟蹤濾波兩種。兩種。 第三節(jié) 濾波器中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院l為保證測量精度，要求放大電路具有如下：為保證測量精度，要求放大電路具有如下：l足夠的放大倍數(shù)；足夠的放大倍數(shù)；l高輸入阻

34、抗，低輸出阻抗；高輸入阻抗，低輸出阻抗；l高共模抑制能力；高共模抑制能力；l低溫漂、低噪聲、低失調(diào)電壓和電流。低溫漂、低噪聲、低失調(diào)電壓和電流。說明：說明：集成運算放大器集成運算放大器具備上述特點。具備上述特點。第四節(jié) 信號的放大中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院l 反相放大器：反相放大器：輸入阻抗低、易對傳感器形成負載效應(yīng)；輸入阻抗低、易對傳感器形成負載效應(yīng)；第四節(jié) 信號的放大中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院l 同相放大器：同相放大器：輸入阻抗高、易引入共模干擾；輸入阻抗高、易引入共模干擾；第四節(jié) 信號的放大中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院l 差分放大

35、器：差分放大器：不能提供足夠的輸入阻抗和共模抑制比；不能提供足夠的輸入阻抗和共模抑制比；第四節(jié) 信號的放大中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院l 典型的儀器放大電路由三個集成運放構(gòu)成的，如圖所示。典型的儀器放大電路由三個集成運放構(gòu)成的，如圖所示。l 兩個輸入端分別是兩個集成運放兩個輸入端分別是兩個集成運放、的同相輸入端，的同相輸入端，因此輸入電阻很高。因此輸入電阻很高。l 構(gòu)成差分放大電路，兩邊電阻對稱，可以消除上述遠構(gòu)成差分放大電路，兩邊電阻對稱，可以消除上述遠距離測量時的共模干擾。同時當距離測量時的共模干擾。同時當、輸出端上產(chǎn)生輸出端上產(chǎn)生的漂移電壓對稱時，在的漂移電壓對稱時，在

36、輸出輸出中也被消除。因此該中也被消除。因此該電路有電路有很高的共模抑制能力很高的共模抑制能力和和較低的輸出漂移電壓較低的輸出漂移電壓。第四節(jié) 信號的放大中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院第四節(jié) 信號的放大中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院第四節(jié) 信號的放大中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院l 集成儀器放大器產(chǎn)品集成儀器放大器產(chǎn)品 美國美國BB公司的公司的INA114第四節(jié) 信號的放大中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院第四節(jié) 信號的放大中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院第四節(jié) 信號的放大中原工學院中原工學院 信息商務(wù)學院信息商務(wù)學院l 多回路檢測系統(tǒng)，輸入信號變化范圍不同，要提供多量程多回路檢測系統(tǒng)，輸入信號變化范圍不同，要提供多量程放大器。利用計算機編程改變增益的放大器為可編程增益放大器。利用計算機編程改變增益的放大器為可編程增益放大器。放大器。l 可編程增益放大器為可編程增益的反相放大器。包括：可編程增益放大器為可編程增益的反