傳感器第四章

1、傳感器第四章被測量經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成的電信號，通常需要進行某些調(diào)理和處理，以便提高被測量經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換成的電信號，通常需要進行某些調(diào)理和處理，以便提高信噪比，并把信號轉(zhuǎn)換成更便于處理、接收和顯示的形式，最終轉(zhuǎn)換為儀表信噪比，并把信號轉(zhuǎn)換成更便于處理、接收和顯示的形式，最終轉(zhuǎn)換為儀表示值，或被記錄，或輸入計算機、控制裝置，或供人觀察。示值，或被記錄，或輸入計算機、控制裝置，或供人觀察。信號調(diào)理的的目的是便于信號的傳輸與處理。信號調(diào)理的的目的是便于信號的傳輸與處理。 1.1.傳感器輸出的電信號很微弱，大多數(shù)不能直傳感器輸出的電信號很微弱，大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需要進接輸送到顯示、

2、記錄或分析儀器中去，需要進一步放大，有的還要進行阻抗變換。一步放大，有的還要進行阻抗變換。 2.2.有些傳感器輸出的是電信號中混雜有干擾噪有些傳感器輸出的是電信號中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。3.3.某些場合，為便于信號的遠距離傳輸，需要某些場合，為便于信號的遠距離傳輸，需要對傳感器測量信進行調(diào)制解調(diào)處理。對傳感器測量信進行調(diào)制解調(diào)處理。 信號放大信號放大 分類分類放大器放大器直流放大器直流放大器交流放大器交流放大器電荷放大器電荷放大器直流電橋直流電橋特點特點交流電橋交流電橋低頻保留低頻保留, ,高頻截止高頻截止高頻保留高頻保留, ,低頻截止低頻截止

3、5.1 5.1 電橋轉(zhuǎn)換原理電橋轉(zhuǎn)換原理 電橋是將電阻、電感、電容等參量的變化變?yōu)殡妷夯螂娏鬏敵鲭姌蚴菍㈦娮?、電感、電容等參量的變化變?yōu)殡妷夯螂娏鬏敵龅囊环N測量電路。其輸出既可用指示儀表直接測量，也可以送的一種測量電路。其輸出既可用指示儀表直接測量，也可以送入放大器進行放大。入放大器進行放大。轉(zhuǎn)換的實質(zhì)是一種信息的傳遞，即通過電轉(zhuǎn)換的實質(zhì)是一種信息的傳遞，即通過電參量來控制工作電壓的幅值變化，從而將參量來控制工作電壓的幅值變化，從而將電參量變化的信息加到輸出電壓信號上，電參量變化的信息加到輸出電壓信號上，其能量出工作電源提供。其能量出工作電源提供。一、電橋及其分類一、電橋及其分類 1. 什么是

4、電橋什么是電橋橋式電路簡單，并具有較高精確度和靈敏度橋式電路簡單，并具有較高精確度和靈敏度按照激勵電壓的性質(zhì)分：按照激勵電壓的性質(zhì)分：直流電橋和交流電橋直流電橋和交流電橋按照輸出方式按照輸出方式不平衡橋式電路和平衡橋式電路不平衡橋式電路和平衡橋式電路按橋臂接入的阻抗元件不同按橋臂接入的阻抗元件不同電阻電橋、電容電橋和電感電橋電阻電橋、電容電橋和電感電橋元件在橋臂上的接法元件在橋臂上的接法串聯(lián)接法、并聯(lián)接法串聯(lián)接法、并聯(lián)接法2、電橋的分類、電橋的分類二、電橋的平衡關(guān)系二、電橋的平衡關(guān)系 1. 直流電橋的平衡條件直流電橋的平衡條件直流電橋的平衡條件是兩相對橋臀電阻值的乘積相等。直流電橋的平衡條件是

5、兩相對橋臀電阻值的乘積相等。2. 交流電橋的平衡條件交流電橋的平衡條件平衡條件平衡條件各阻抗用指數(shù)式表示：各阻抗用指數(shù)式表示：必須同時滿足下列兩式：必須同時滿足下列兩式：交流電橋平衡必須滿足兩個條交流電橋平衡必須滿足兩個條件：相對兩臂阻抗之模的乘積件：相對兩臂阻抗之模的乘積應(yīng)相等，并且它們的阻抗角之應(yīng)相等，并且它們的阻抗角之和也必須相等。和也必須相等。三、電橋的聯(lián)接方式三、電橋的聯(lián)接方式 1.1.直流電橋的聯(lián)接方式直流電橋的聯(lián)接方式半橋半橋單臂單臂 半橋半橋雙臂雙臂全橋全橋電橋的靈敏度：電橋的靈敏度：令：令：0)()(UdRRRRRdRRRRRUyRdRE4半橋單臂聯(lián)接半橋單臂聯(lián)接半橋半橋單臂

6、單臂 令：令：半橋雙臂聯(lián)接（半橋雙臂聯(lián)接（R1與與R2反向變化）反向變化）半橋半橋雙臂雙臂全橋聯(lián)接全橋聯(lián)接令：令：全橋接法可以獲得最大的輸出全橋接法可以獲得最大的輸出全橋全橋2.2.交流電橋的聯(lián)接方式交流電橋的聯(lián)接方式半橋半橋單臂單臂半橋半橋雙臂雙臂全橋全橋（1） 電容電橋電容電橋（2） 電感電橋電感電橋（3） 純電阻交流電橋純電阻交流電橋 可變電容器可變電容器C可以使并聯(lián)到相鄰兩臂的電容值產(chǎn)生差動變化，可以使并聯(lián)到相鄰兩臂的電容值產(chǎn)生差動變化，以實現(xiàn)電容平衡；以實現(xiàn)電容平衡； 粗調(diào)電阻粗調(diào)電阻Rl、R2和微調(diào)電阻和微調(diào)電阻R3可以調(diào)節(jié)電阻平衡。可以調(diào)節(jié)電阻平衡。五、電橋的使用性能及特點五、電

7、橋的使用性能及特點電橋測量電路簡單，測量精度和靈敏度商，對各橋臂阻抗變化引起的電電橋測量電路簡單，測量精度和靈敏度商，對各橋臂阻抗變化引起的電壓變化值能自動加減輸出，在工程測試中用途廣泛。壓變化值能自動加減輸出，在工程測試中用途廣泛。直流電橋的優(yōu)點：直流電橋的優(yōu)點：（1）所需高穩(wěn)定直流電源易于獲得；）所需高穩(wěn)定直流電源易于獲得；（2）輸出直流量，可用直流電表測量，精度高；）輸出直流量，可用直流電表測量，精度高；（3）其連接導(dǎo)線要求低，不會引起分布參數(shù)；）其連接導(dǎo)線要求低，不會引起分布參數(shù)；（4）實現(xiàn)預(yù)調(diào)平衡時電路簡單，僅對純電阻加以調(diào)整。）實現(xiàn)預(yù)調(diào)平衡時電路簡單，僅對純電阻加以調(diào)整。直流電橋的

8、缺點：直流電橋的缺點：（1）容易引入工頻干擾；）容易引入工頻干擾；（2）后續(xù)采用直流放大器，易產(chǎn)生零漂，線路也較復(fù)雜。）后續(xù)采用直流放大器，易產(chǎn)生零漂，線路也較復(fù)雜。交流電橋的優(yōu)點：交流電橋的優(yōu)點：使不同頻率的動態(tài)信號的后續(xù)放大器所要求的特性易于實現(xiàn)。使不同頻率的動態(tài)信號的后續(xù)放大器所要求的特性易于實現(xiàn)。交流電橋的缺點：交流電橋的缺點：（1）電橋連接的分布參數(shù)會對電橋的平衡產(chǎn)生影響；）電橋連接的分布參數(shù)會對電橋的平衡產(chǎn)生影響；（2）必須保證激勵電源有良好的電壓與頻率的穩(wěn)定度。）必須保證激勵電源有良好的電壓與頻率的穩(wěn)定度。電壓影響輸出的靈敏度，頻率影響電橋的平衡電壓影響輸出的靈敏度，頻率影響電橋

9、的平衡在動態(tài)測量中，交流電橋應(yīng)用較多。在動態(tài)測量中，交流電橋應(yīng)用較多。5.2 5.2 信號的調(diào)制與解調(diào)信號的調(diào)制與解調(diào) 一、概述一、概述 調(diào)制主要是為了解決微弱緩變信號的調(diào)制主要是為了解決微弱緩變信號的放大以及信號的傳輸問題。放大以及信號的傳輸問題。 1.1.緩變信號的放大問題緩變信號的放大問題 工程中的一些物理量、如力、位移、溫度等，經(jīng)過傳感器變換后，常工程中的一些物理量、如力、位移、溫度等，經(jīng)過傳感器變換后，常常是微弱的直流或相對緩變的電信號。對這樣一類信號，直接送入直流放常是微弱的直流或相對緩變的電信號。對這樣一類信號，直接送入直流放大器或交流放大器放大會遇到因難。大器或交流放大器放大會

10、遇到因難。 (1)(1)采用級間直接耦合式的直流放大器放大，將會受到零點漂移的影響。當漂移信采用級間直接耦合式的直流放大器放大，將會受到零點漂移的影響。當漂移信號大小接近或超過被測信號時，經(jīng)過逐級放大后，被測信號會被零點漂移淹沒。號大小接近或超過被測信號時，經(jīng)過逐級放大后，被測信號會被零點漂移淹沒。 (2)(2)用阻容耦合式交流放大器放大，雖然可以抑制零點漂移，但交流放大用阻容耦合式交流放大器放大，雖然可以抑制零點漂移，但交流放大器的低頻特性不好，會導(dǎo)致被測信號失真。器的低頻特性不好，會導(dǎo)致被測信號失真。 2.2.調(diào)制式直流放大器調(diào)制式直流放大器 為了很好地解決緩變信號的放大問題，信息技術(shù)中采

11、用了一種對信號進行為了很好地解決緩變信號的放大問題，信息技術(shù)中采用了一種對信號進行調(diào)制的方法，即先將微弱的緩變信號加載到高頻交流信號中去，然后利用交流放調(diào)制的方法，即先將微弱的緩變信號加載到高頻交流信號中去，然后利用交流放大器進行放大，最后再從放大器的輸出信號中取出放大了的緩變信號。這種信號大器進行放大，最后再從放大器的輸出信號中取出放大了的緩變信號。這種信號傳輸中的變換過程稱為調(diào)制與解調(diào)。傳輸中的變換過程稱為調(diào)制與解調(diào)。 先將微弱的緩變信號加載到高頻交流信號中去，先將微弱的緩變信號加載到高頻交流信號中去，然后利用交流放大器進行放大，最后再從放大器的輸然后利用交流放大器進行放大，最后再從放大器

12、的輸出信號中取出放大了的緩變信號。出信號中取出放大了的緩變信號。 調(diào)制：就是使一個信號的某些參數(shù)在另一個信號的控制下而發(fā)生調(diào)制：就是使一個信號的某些參數(shù)在另一個信號的控制下而發(fā)生變化的過程。變化的過程。前一信號稱為載波，一般為較高頻率的交變信號。前一信號稱為載波，一般為較高頻率的交變信號。后一信號（控制信號）稱為調(diào)制信號。后一信號（控制信號）稱為調(diào)制信號。調(diào)制信號調(diào)制信號x(t)x(t)0 0t t最后輸出的是調(diào)制波最后輸出的是調(diào)制波便于放大和傳輸。便于放大和傳輸。解調(diào)：從已調(diào)制波中恢復(fù)出調(diào)制信號的過程。解調(diào)：從已調(diào)制波中恢復(fù)出調(diào)制信號的過程。載波信號載波信號)2cos()(ftAtzz(t)

13、z(t)0 0t t3. 3. 調(diào)制的類型調(diào)制的類型根據(jù)載波受調(diào)制的參數(shù)的不同，根據(jù)載波受調(diào)制的參數(shù)的不同，調(diào)制可分為：調(diào)制可分為：調(diào)幅（調(diào)幅（AMAM）、調(diào)頻（）、調(diào)頻（FMFM）和調(diào)）和調(diào)相（相（PMPM）。）。使載波的幅值、頻率和相位隨調(diào)制使載波的幅值、頻率和相位隨調(diào)制信號而變化的過程分別稱為：調(diào)幅、信號而變化的過程分別稱為：調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。調(diào)頻和調(diào)相。被調(diào)制的波就稱為調(diào)幅波、調(diào)頻被調(diào)制的波就稱為調(diào)幅波、調(diào)頻波和調(diào)相波。波和調(diào)相波。 a) a) 幅度調(diào)制幅度調(diào)制(AM)(AM)b) b) 頻率調(diào)制頻率調(diào)制(FM)(FM)*)(2cos()(0ttxfAtyc) c) 相位調(diào)制相位調(diào)制(

14、PM(PM)(2cos()(0txftAty二、調(diào)幅及其解調(diào)二、調(diào)幅及其解調(diào)（1）原理）原理調(diào)幅是將一個高頻簡諧信號（載波）與測試信號（調(diào)制信號）相乘，調(diào)幅是將一個高頻簡諧信號（載波）與測試信號（調(diào)制信號）相乘，使高頻信號的幅值隨測試信號的變化而變化。使高頻信號的幅值隨測試信號的變化而變化。緩變信號緩變信號調(diào)制調(diào)制高頻信號高頻信號放大放大放大高放大高頻信號頻信號解調(diào)解調(diào)放大緩放大緩變信號變信號以頻率為以頻率為f0的余弦信號作為載波進行討論。的余弦信號作為載波進行討論。 由傅里葉變換的性質(zhì)知，在時域中兩個信號相乘，則對應(yīng)于在頻域中這由傅里葉變換的性質(zhì)知，在時域中兩個信號相乘，則對應(yīng)于在頻域中這兩

15、個信號進行卷積，即兩個信號進行卷積，即 余弦函數(shù)的頻域圖形是一對脈沖譜線，即余弦函數(shù)的頻域圖形是一對脈沖譜線，即 一個函數(shù)與單位脈沖函數(shù)卷積的結(jié)果，就是將其圖形由坐標一個函數(shù)與單位脈沖函數(shù)卷積的結(jié)果，就是將其圖形由坐標原點平移至該脈沖函數(shù)處。原點平移至該脈沖函數(shù)處。所以，若以高頻余弦信號作載波，把信號所以，若以高頻余弦信號作載波，把信號x(t)x(t)和載波信號和載波信號y(t)y(t)相乘，其結(jié)果就相當于把原信號頻譜圖形由原點平移至載相乘，其結(jié)果就相當于把原信號頻譜圖形由原點平移至載波頻率處，其幅值減半。因此調(diào)幅過程就相當于頻率波頻率處，其幅值減半。因此調(diào)幅過程就相當于頻率“搬搬移移”過程。

16、過程。 時域時域頻域頻域若把調(diào)幅波xm(t)再次與載波信號z(t)相乘，則頻域圖形將再一次進行“搬移”，即xm(t)與y(t)相乘積的傅里葉變換為 ：上述的調(diào)制方法，是將調(diào)制信號x(t)直接與載波信號y(t)相乘。這種調(diào)幅波具有極性變化，即在信號過零線時，其幅值發(fā)生由正到負（或由負到正）的突然變化，此時調(diào)幅波的相位（相對于載波）也相應(yīng)地發(fā)生180度的相位變化。此種調(diào)制方法稱為抑制調(diào)幅。抑制調(diào)幅波須采用同步解調(diào)或相敏檢波解調(diào)的方法，才能反映出原信號的幅值和極性。 若用一個低通濾波器濾除中心頻率為若用一個低通濾波器濾除中心頻率為2f0的高頻成分，那末將可以復(fù)現(xiàn)的高頻成分，那末將可以復(fù)現(xiàn)原信號的頻譜

17、（只是其幅值減少了一半，這可用放大處理來補償），這一原信號的頻譜（只是其幅值減少了一半，這可用放大處理來補償），這一過程稱為同步解調(diào)。過程稱為同步解調(diào)。“同步同步”指解調(diào)時所乘的信號與調(diào)制時的載波信號具指解調(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。有相同的頻率和相位。 在時域分析中也可以看到：在時域分析中也可以看到：低通濾波器將頻率為低通濾波器將頻率為2f0的高頻信號濾去，得到的高頻信號濾去，得到)(21tx可見：調(diào)幅的目的是使緩變信號便于放大和傳輸?？梢姡赫{(diào)幅的目的是使緩變信號便于放大和傳輸。 解調(diào)的目的則是為了恢復(fù)原信號。解調(diào)的目的則是為了恢復(fù)原信號。 載波頻率載波頻率f0必須

18、高于原信號中的最高頻率必須高于原信號中的最高頻率fm才能使已調(diào)波仍才能使已調(diào)波仍保持原信號的頻率圖形，不致重疊。保持原信號的頻率圖形，不致重疊。幅值調(diào)制裝置實質(zhì)上是一個乘法器。幅值調(diào)制裝置實質(zhì)上是一個乘法器。（2）整流檢波和相敏檢波）整流檢波和相敏檢波若把調(diào)制信號x(t)進行偏置，疊加一個直流分量A，使偏置后的信號都具有正電壓，這種調(diào)制方法稱為非抑制調(diào)幅，或偏置調(diào)幅。調(diào)幅波的包絡(luò)線具有原調(diào)制信號形狀。對于非抑制調(diào)幅波，一般采用整流、濾波（或稱包絡(luò)法檢波）以后，就可以恢復(fù)原信號。 信號經(jīng)過調(diào)制以后，有下列情況可能出現(xiàn)波形失真現(xiàn)象。 （1）過調(diào)失真：對于非抑制調(diào)幅，要求其直流偏置必須足夠大，否則x

19、(t)的相位將發(fā)生180度倒相，如圖b所示，此稱為過調(diào)。此時，如果采用包絡(luò)法檢波，則檢出的信號就會產(chǎn)生失真，而不能恢復(fù)出原信號。 （2）重疊失真：調(diào)幅波是由一對每邊為fm的雙邊帶信號組成的。當載波頻率fz較低時，正頻端的下邊帶將與負頻端的下邊帶相重疊，這類似于采樣頻率較低時所發(fā)生的頻率混疊效應(yīng)。因此，要求載波頻率fz必須大于調(diào)制信號x(t)中的最高頻率，即fzfm。實際應(yīng)用中，往往選擇載波頻率至少數(shù)倍甚至數(shù)十倍于信號中的最高頻率。 （3）調(diào)幅波通過系統(tǒng)時的失真：調(diào)幅波通過系統(tǒng)時，還將受到系統(tǒng)頻率特性的影響。 幅度調(diào)制與解調(diào)過程（波形分析）幅度調(diào)制與解調(diào)過程（波形分析）乘法器乘法器放大器放大器x

20、(t)z(t)x m(t)乘法器乘法器濾波器濾波器z(t)x(t)幅度調(diào)制與解調(diào)過程（頻譜分析）幅度調(diào)制與解調(diào)過程（頻譜分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器乘法器濾波器濾波器z(t)x(t)幅度調(diào)制與解調(diào)過程（數(shù)學分析）幅度調(diào)制與解調(diào)過程（數(shù)學分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器乘法器濾波器濾波器z(t)x(t)(tz)(tz三、三、 調(diào)頻及其解調(diào)調(diào)頻及其解調(diào) 調(diào)頻是利用信號調(diào)頻是利用信號x(t)x(t)的幅值調(diào)制載波的頻率，或者說，調(diào)頻波的幅值調(diào)制載波的頻率，或者說，調(diào)頻波是一種隨信號是一種隨信號x(t)x(t)的電壓幅值而變化的疏密度

21、不同的等幅波的電壓幅值而變化的疏密度不同的等幅波. . 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，單調(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，單其振蕩頻率偏移量和信號電壓成正比。當信號電壓為零時，調(diào)頻波的頻率其振蕩頻率偏移量和信號電壓成正比。當信號電壓為零時，調(diào)頻波的頻率就等于中心頻率；信號電壓為正值時頻率提高，負值時則降低。所以調(diào)頻就等于中心頻率；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。波是隨信號而變化的疏密不等的等幅波。調(diào)頻波的瞬時頻率可表示為調(diào)頻波的瞬時頻率可表示為 ：式中：f0為載波信號頻率；f為頻率偏

22、移，與調(diào)制信號x(t)的幅值成正比。常用的頻率調(diào)制法有直接調(diào)頻法和間接調(diào)頻法。常用的頻率調(diào)制法有直接調(diào)頻法和間接調(diào)頻法。直接調(diào)頻法就是用調(diào)制信號x(t)對壓控振蕩器(VCO)進行電壓控制，利用其振蕩頻率與控制電壓成線性變化的特性，改變壓控振蕩器的輸出頻率，從而達到頻率調(diào)制的目的。（1）直接調(diào)頻測量電路）直接調(diào)頻測量電路例如：電容的一種測量電路圖例如：電容的一種測量電路圖5-20把電容作為自激振蕩器的諧振回路中的一個調(diào)諧參數(shù)，那么電路的把電容作為自激振蕩器的諧振回路中的一個調(diào)諧參數(shù)，那么電路的諧振頻率將是：諧振頻率將是：回路的振蕩頻率將和調(diào)諧參數(shù)的變化呈線性關(guān)系，即在小范圍內(nèi)，它和被回路的振蕩頻

23、率將和調(diào)諧參數(shù)的變化呈線性關(guān)系，即在小范圍內(nèi)，它和被測量的變化有線性關(guān)系。測量的變化有線性關(guān)系。直接調(diào)頻式測量電路就是把被測量的變化直接轉(zhuǎn)換為振蕩頻率的變化，直接調(diào)頻式測量電路就是把被測量的變化直接轉(zhuǎn)換為振蕩頻率的變化，其輸出也是等幅波。其輸出也是等幅波。在在f0附近有附近有CC0（2）壓空振蕩器）壓空振蕩器壓空振蕩器的輸出瞬時頻率與輸入壓空振蕩器的輸出瞬時頻率與輸入 的控制電壓值成線性關(guān)系。的控制電壓值成線性關(guān)系。（3）變壓器耦合的諧振回路鑒頻法）變壓器耦合的諧振回路鑒頻法鑒頻就是對調(diào)頻波進行解調(diào)，將信號的頻率變化再變換為電壓幅鑒頻就是對調(diào)頻波進行解調(diào)，將信號的頻率變化再變換為電壓幅值的變化

24、。鑒頻的方法也有許多，常用的有變壓器耦合的諧振回值的變化。鑒頻的方法也有許多，常用的有變壓器耦合的諧振回路法。路法。 頻率調(diào)制較之幅度調(diào)制的一個重要的優(yōu)點是改善了信噪比。分析頻率調(diào)制較之幅度調(diào)制的一個重要的優(yōu)點是改善了信噪比。分析表明，在調(diào)幅情況下，若干擾噪聲與載波同頻，則有效的調(diào)幅波對干表明，在調(diào)幅情況下，若干擾噪聲與載波同頻，則有效的調(diào)幅波對干擾波的功率比（擾波的功率比（SN），必須在），必須在 35dB以上。但在調(diào)頻的情況下，在以上。但在調(diào)頻的情況下，在滿足上述調(diào)幅情況下的相同性能指標時，有效的調(diào)頻波對干擾波的功滿足上述調(diào)幅情況下的相同性能指標時，有效的調(diào)頻波對干擾波的功率比只要率比只要

25、6dB即可。調(diào)頻波之所以改善了信號傳輸過程中的信噪比，即可。調(diào)頻波之所以改善了信號傳輸過程中的信噪比，是因為調(diào)頻信號所攜帶的信息包含在頻率變化之中，并非振幅之中，是因為調(diào)頻信號所攜帶的信息包含在頻率變化之中，并非振幅之中，而干擾波的干擾作用則主要表現(xiàn)在振幅之中。這種由干擾引起的幅度而干擾波的干擾作用則主要表現(xiàn)在振幅之中。這種由干擾引起的幅度變化，往往可以通過限幅器而有效地消除掉。變化，往往可以通過限幅器而有效地消除掉。 調(diào)頻方法也存在著嚴重缺點，調(diào)頻波通常要求很寬的頻帶，甚至調(diào)頻方法也存在著嚴重缺點，調(diào)頻波通常要求很寬的頻帶，甚至為調(diào)幅所要求帶寬的為調(diào)幅所要求帶寬的20倍；調(diào)頻系統(tǒng)較之調(diào)幅系統(tǒng)

26、復(fù)雜，因為頻率調(diào)倍；調(diào)頻系統(tǒng)較之調(diào)幅系統(tǒng)復(fù)雜，因為頻率調(diào)制是一種非線性調(diào)制，它不能運用疊加原理。因此，分析調(diào)頻波要比制是一種非線性調(diào)制，它不能運用疊加原理。因此，分析調(diào)頻波要比分析調(diào)幅波困難，實際上，對調(diào)頻波的分析是近似的。分析調(diào)幅波困難，實際上，對調(diào)頻波的分析是近似的。 5.3 5.3 濾波器原理濾波器原理 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

27、。因此，構(gòu)成測試系統(tǒng)的任何一個環(huán)節(jié)，諸如機械系統(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，對所通過的信號進行變換與處理。 5.3.1 濾波器分類濾波器分類（1）根據(jù)濾波器的選頻作用分類）根據(jù)濾波器的選頻作用分類1) 低通濾波器從從0f2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) 高通濾波器高通濾波器與低通濾波相反，從頻率與低通濾波相反，從頻率f1，其幅頻特性平直。它使信號，其幅頻特性平直。它使信號中高于中高于f1的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而低于的頻率成分幾乎不受衰減地通過，而低于f1

28、的頻率成分將受到極的頻率成分將受到極大地衰減。大地衰減。 3) 帶通濾波器帶通濾波器它的通頻帶在它的通頻帶在f1f2之間。它使信號中高于之間。它使信號中高于f1而低于而低于f2的頻率成分的頻率成分可以不受衰減地通過，而其它成分受到衰減?？梢圆皇芩p地通過，而其它成分受到衰減。 4) 帶阻濾波器帶阻濾波器 與帶通濾波相反，阻帶在頻率與帶通濾波相反，阻帶在頻率f1f2之間。它使信號中高于之間。它使信號中高于f1而而低于低于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。通過。 上述四種濾波器中，在通帶與阻帶之間存在一個過渡帶，其幅頻

29、特上述四種濾波器中，在通帶與阻帶之間存在一個過渡帶，其幅頻特性是一斜線，在此頻帶內(nèi)，信號受到不同程度的衰減。這個過渡帶性是一斜線，在此頻帶內(nèi)，信號受到不同程度的衰減。這個過渡帶是濾波器所不希望的，但也是不可避免的。是濾波器所不希望的，但也是不可避免的。高通濾波器的幅頻特性高通濾波器的幅頻特性A2（f）可看作是）可看作是1A1（f）， A1（f）是低通濾波器的幅頻特性，故可以用低通濾波器做負反饋回是低通濾波器的幅頻特性，故可以用低通濾波器做負反饋回路而獲得。帶阻濾波器是低通和高通的組合，而帶通濾波器路而獲得。帶阻濾波器是低通和高通的組合，而帶通濾波器則可以是以帶阻做負反饋而獲得的。則可以是以帶阻

30、做負反饋而獲得的。低通濾波器和高通濾波器是濾波器的兩種最基本的形式，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。 低通濾波器與高通濾波器的串聯(lián) 低通濾波器與高通濾波器的并聯(lián) 根據(jù)濾波器元件的類型可以分為：根據(jù)濾波器元件的類型可以分為：RC、LC或晶體諧振濾波器；或晶體諧振濾波器；根據(jù)構(gòu)成濾波器的電路性質(zhì)可分為：有源濾波器或無源濾波器。根據(jù)構(gòu)成濾波器的電路性質(zhì)可分為：有源濾波器或無源濾波器。根據(jù)濾波器所處理的信號性質(zhì)分為：模擬濾波器和數(shù)字濾波器等。根據(jù)濾波器所處理的信號性質(zhì)分為：模擬濾波器和數(shù)字濾波器等。5

31、.3.2 理想濾波器理想濾波器理想濾波器是一個理想化的模型，在物理上是不能實現(xiàn)的。理想濾波器是一個理想化的模型，在物理上是不能實現(xiàn)的。理想濾波器是指能使通帶內(nèi)信號的幅值和相位都不失真，阻帶內(nèi)的頻理想濾波器是指能使通帶內(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。為常值；在通帶外的幅頻特性應(yīng)為零。根據(jù)線性系統(tǒng)的不失真?zhèn)鬏敆l件，理想測量

32、系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)應(yīng)是：根據(jù)線性系統(tǒng)的不失真?zhèn)鬏敆l件，理想測量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)應(yīng)是：理想低通濾波器的頻率響應(yīng)函理想低通濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)為：數(shù)為： 其幅頻及相頻特性曲線為其幅頻及相頻特性曲線為 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)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）為為 sinc函數(shù)，圖形如下圖所示。脈沖響應(yīng)的波形沿橫坐標左、右無限延伸，函數(shù)，圖形如下圖所示。脈沖響應(yīng)的波形沿橫坐標左、右無限延伸，從圖中可以看出，在從圖中可以看出，在t=0時刻單位脈沖輸入濾波器之前，即在時刻單位脈沖輸入濾波器之前，即在t0時，濾波時，濾波器就已經(jīng)有響

33、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。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。這說明在截止頻率處呈現(xiàn)直角銳變的幅頻特性，或者說在頻域內(nèi)用矩形窗這說明在截止頻率處呈現(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個頻率上完全截止，而會逐漸衰減并延伸到。理想濾波器的理想濾波器的物理不可實現(xiàn)物理不可實現(xiàn) 理想濾波器在時域內(nèi)的脈沖響應(yīng)函數(shù)理想濾波器在時域內(nèi)的脈沖響應(yīng)函數(shù) h h（t t）為）為 sin

34、csinc函數(shù)。脈沖響應(yīng)的波形沿橫坐標左、右無限延伸。函數(shù)。脈沖響應(yīng)的波形沿橫坐標左、右無限延伸。 給理想濾波器一個脈沖激勵，在給理想濾波器一個脈沖激勵，在t=0t=0時刻單位脈沖時刻單位脈沖輸入濾波器之前，濾波器就已經(jīng)有響應(yīng)了。故物理不可輸入濾波器之前，濾波器就已經(jīng)有響應(yīng)了。故物理不可實現(xiàn)。實現(xiàn)。fcH(f)5.3.3 實際實際RC調(diào)諧式濾波器調(diào)諧式濾波器（1）實際濾波器的基本參數(shù)）實際濾波器的基本參數(shù)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)間應(yīng)沒

35、有嚴格的界限。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。當然，希望過的頻率成分不會被完全抑制，只會受到不同程度的衰減。當然，希望過渡帶越窄越好，也就是希望對通帶外的頻率成分衰減得越快、越多越好。渡帶越窄越好，也就是希望對通帶外的頻率成分衰減得越快、越多越好。因此，在設(shè)計實際濾波器時，總是通過各種方法使其盡量逼近理想濾波因此，在設(shè)計實際濾波器時，總是通過各種方法使其盡量逼近理想濾波器。器。 與理想濾波器相比，實際濾波器需要用更多的概念和參數(shù)去描述它，主要與理想濾波器相比，實際濾波器需要用更多的概念和參數(shù)去描述它，主要參數(shù)有波紋幅度、截止頻率則、帶

36、寬、品質(zhì)因數(shù)、倍頻程選擇性等。參數(shù)有波紋幅度、截止頻率則、帶寬、品質(zhì)因數(shù)、倍頻程選擇性等。典型的實際帶通濾波器典型的實際帶通濾波器 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)沒有嚴格的界限。阻帶之間應(yīng)沒有嚴格的界限。（1）波紋幅度）波紋幅度d 在一定頻率范圍內(nèi)，實際濾波器的幅頻特性可能呈波紋變化，其波動幅在一定頻率范圍內(nèi)，實際濾波器的幅頻特性可能呈波紋變化，其波動幅度度d與幅頻特性的平均值與幅頻特性的平均值A(chǔ)0相比，越小越好，一般應(yīng)遠小于相比，越小越好，一般應(yīng)遠小于-3dB，即即 。 （2）截止頻率）截止頻率fc

37、幅頻特性值等于幅頻特性值等于0.707A0所對應(yīng)的頻率稱為濾波器的截止頻率。以所對應(yīng)的頻率稱為濾波器的截止頻率。以A0為為參考值，參考值，0.707A0對應(yīng)于對應(yīng)于-3dB點，即相對于點，即相對于A0衰減衰減3dB。若以信號的幅。若以信號的幅值平方表示信號功率，則所對應(yīng)的點正好是半功率點。值平方表示信號功率，則所對應(yīng)的點正好是半功率點。（3 3）帶寬）帶寬B B和品質(zhì)因數(shù)和品質(zhì)因數(shù)Q Q值值 上下兩截止頻率之間的頻率范圍稱為濾波器帶寬，或上下兩截止頻率之間的頻率范圍稱為濾波器帶寬，或-3dB-3dB帶寬，單位為帶寬，單位為HzHz。帶寬決定著濾波器分離信號中相鄰頻率成分。帶寬決定著濾波器分離信

38、號中相鄰頻率成分的能力的能力頻率分辨力。在電工學中，通常用頻率分辨力。在電工學中，通常用Q Q代表諧振回路的代表諧振回路的品質(zhì)因數(shù)。在二階振蕩環(huán)節(jié)中，品質(zhì)因數(shù)。在二階振蕩環(huán)節(jié)中，Q Q值相當于諧振點的幅值增益系值相當于諧振點的幅值增益系數(shù)，數(shù)， Q=1/2Q=1/2（阻尼率）。阻尼率）。對于帶通濾波器，通常把中心頻率對于帶通濾波器，通常把中心頻率f f0 0（ ）和帶寬和帶寬 B之比稱為之比稱為濾波器的品質(zhì)因數(shù)濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q。 例如一個中心頻率為例如一個中心頻率為500Hz的濾波器，若其中的濾波器，若其中-3dB帶寬為帶寬為10Hz，則稱其，則稱其Q值為值為50。Q值越大，表明濾波器頻率分

39、辨力越值越大，表明濾波器頻率分辨力越高。高。 （4）倍頻程選擇性）倍頻程選擇性W 在兩截止頻率外側(cè)，實際濾波器有一個過渡帶，這個過渡帶的幅頻曲在兩截止頻率外側(cè)，實際濾波器有一個過渡帶，這個過渡帶的幅頻曲線傾斜程度表明了幅頻特性衰減的快慢，它決定著濾波器對帶寬外頻率成線傾斜程度表明了幅頻特性衰減的快慢，它決定著濾波器對帶寬外頻率成分衰阻的能力。通常用倍頻程選擇性來表征。所謂倍頻程選擇性，是指在分衰阻的能力。通常用倍頻程選擇性來表征。所謂倍頻程選擇性，是指在上截止頻率上截止頻率fc2與與 2fc2之間，或者在下截止頻率之間，或者在下截止頻率fc1與與fc1/2之間幅頻特性的衰之間幅頻特性的衰減值，

40、即頻率變化一個倍頻程時的衰減量減值，即頻率變化一個倍頻程時的衰減量 倍頻程衰減量以倍頻程衰減量以dB/oct表示（表示（octave，倍頻程）。顯然，衰減越快（即，倍頻程）。顯然，衰減越快（即W值越大），濾波器的選擇性越好。對于遠離截止頻率的衰減率也可用值越大），濾波器的選擇性越好。對于遠離截止頻率的衰減率也可用10倍頻程衰減數(shù)表示之。即倍頻程衰減數(shù)表示之。即dB10oct。 （5）濾波器因數(shù)（或矩形系數(shù)）濾波器因數(shù)（或矩形系數(shù)）濾波器選擇性的另一種表示方法，是用濾波器幅頻特性的濾波器選擇性的另一種表示方法，是用濾波器幅頻特性的60dB帶寬與帶寬與-3dB帶寬的比值：帶寬的比值：理想濾波器理想

41、濾波器1，通常使用的濾波器，通常使用的濾波器1。越小，表明濾波器的選擇性越好。越小，表明濾波器的選擇性越好。有些濾波器因器件影響（例如電容漏阻等），阻帶衰減量達不到有些濾波器因器件影響（例如電容漏阻等），阻帶衰減量達不到-60dB，則以標明衰減量（如，則以標明衰減量（如-40dB或或-30dB）的帶寬與）的帶寬與3bB帶寬之帶寬之比來表示其選擇性。比來表示其選擇性。0ffc1fc2A00.707A0dBQ=W0 / B截止頻率截止頻率fcfc：0.707A0.707A0 0所對應(yīng)的頻率所對應(yīng)的頻率 紋波幅度紋波幅度d d：繞幅頻特性均值：繞幅頻特性均值A(chǔ) A0 0波動值波動值帶寬帶寬B B和品

42、質(zhì)因數(shù)和品質(zhì)因數(shù)Q Q：下兩截頻間的頻率范圍稱為帶寬。中：下兩截頻間的頻率范圍稱為帶寬。中心頻率和帶寬之比稱為品質(zhì)因數(shù)心頻率和帶寬之比稱為品質(zhì)因數(shù) 。 （2）RC調(diào)諧式濾波器的基本特性調(diào)諧式濾波器的基本特性在測試系統(tǒng)中，常用在測試系統(tǒng)中，常用RC濾波器。因為在這一領(lǐng)域中，信號頻率相對來說不高。濾波器。因為在這一領(lǐng)域中，信號頻率相對來說不高。而而RC濾波器電路簡單，抗干擾性強，有較好的低頻性能，并且選用標準的阻濾波器電路簡單，抗干擾性強，有較好的低頻性能，并且選用標準的阻容元件，所以在工程測試的領(lǐng)域中最經(jīng)常用到的濾波器是容元件，所以在工程測試的領(lǐng)域中最經(jīng)常用到的濾波器是RC濾波器。濾波器。 （1

43、）一階）一階RC低通濾波器低通濾波器 RC低通濾波器的電路及其幅頻、相頻特性低通濾波器的電路及其幅頻、相頻特性 設(shè)濾波器的輸入電壓為設(shè)濾波器的輸入電壓為ex，輸出電壓為，輸出電壓為ey，電路的，電路的微分方程為微分方程為 ：這是一個典型的一階系統(tǒng)。令這是一個典型的一階系統(tǒng)。令=RC，稱為時間常數(shù)，對上式取拉氏變換，稱為時間常數(shù)，對上式取拉氏變換，有有 或或 其幅頻、相頻特性公式為其幅頻、相頻特性公式為 分析可知，當分析可知，當f很小時（很小時（ ），），A(f)=1，信號幾乎不，信號幾乎不受衰減地通過。此時受衰減地通過。此時RC低通濾波器是一個不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。低通濾波器是一個不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。R

44、Cf21當當f很大時，很大時，A(f)=0，信號完全被阻擋，不能通過。，信號完全被阻擋，不能通過。 RCf21當當 時，時， ，即：，即： 21)(fA此式表明，此式表明，RC值決定著上截止頻率。因此，適當改變值決定著上截止頻率。因此，適當改變RC數(shù)值時，就可以改變數(shù)值時，就可以改變?yōu)V波器的截止頻率。濾波器的截止頻率。當當 時，輸出與輸入的積分成正比，即：時，輸出與輸入的積分成正比，即：RCf21此時此時RC低通濾波器起著積分器的作用，對高頻成分的衰減為低通濾波器起著積分器的作用，對高頻成分的衰減為20dB/10倍頻程。如要倍頻程。如要加大衰減率，應(yīng)提高低通濾波器的階數(shù)加大衰減率，應(yīng)提高低通濾

45、波器的階數(shù)（2）RC高通濾波器高通濾波器 RC高通濾波器的電路及其幅頻、相頻特性 設(shè)濾波器的輸入電壓為ex輸出電壓為ey，電路的微分方程為: 對上式取拉氏變換，有 其幅頻、相頻特性公式為 當（當（ ）時，）時，A(f)=1，（f）0。此時。此時RC低通濾波低通濾波器是一個不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。器是一個不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。RCf21RCf21當當 時，時， ，濾波器的，濾波器的-3dB截止頻率為：截止頻率為： 21)(fA當當 時，輸出與輸入的微分成正比，起著微分器的作時，輸出與輸入的微分成正比，起著微分器的作用。用。RCf21（3）RC帶通濾波器帶通濾波器 帶通濾波器可以看作為低通濾波器和高通濾波器的串

46、聯(lián)帶通濾波器可以看作為低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián) 電路及其幅頻、相頻特性電路及其幅頻、相頻特性 一階高通濾波器的傳遞函數(shù)：一階高通濾波器的傳遞函數(shù)：一階低通濾波器的傳遞函數(shù)：一階低通濾波器的傳遞函數(shù)：串聯(lián)后傳遞函數(shù)為：串聯(lián)后傳遞函數(shù)為：幅頻特性和相頻特性分別為：幅頻特性和相頻特性分別為：串聯(lián)所得的帶通濾波器以原高通的截止頻率為下截止頻率，即串聯(lián)所得的帶通濾波器以原高通的截止頻率為下截止頻率，即相應(yīng)地其上截止頻率為原低通的截止頻率，即相應(yīng)地其上截止頻率為原低通的截止頻率，即分別調(diào)節(jié)高、低通環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，就可以得到不同的上下截止分別調(diào)節(jié)高、低通環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，就可以得到不同的上下截止頻率和帶寬

47、的濾波器。頻率和帶寬的濾波器。應(yīng)注意，當高、低通兩級串聯(lián)時，應(yīng)消除兩級耦合時的相互影響，因應(yīng)注意，當高、低通兩級串聯(lián)時，應(yīng)消除兩級耦合時的相互影響，因為后一級成為前一級的為后一級成為前一級的“負載負載”，而前一級又是后一級的信號源內(nèi)阻。，而前一級又是后一級的信號源內(nèi)阻。實際上兩級間常用射極輸出器或者用運算放大器進行隔離。所以實際實際上兩級間常用射極輸出器或者用運算放大器進行隔離。所以實際的帶通濾波器常常是有源的。有源濾波器由的帶通濾波器常常是有源的。有源濾波器由RC調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和運算放大器調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和運算放大器組成。運算放大器既可起級間隔離作用，又可起信號幅值的放大作用。組成。運算放大器既可起級間隔離作用，又可起信號幅值的放大作用。 5.3.4 恒帶寬比濾波器和恒帶寬濾波器恒帶寬比濾波器和恒帶寬濾波器 模擬濾波器在測試系統(tǒng)或?qū)Ｓ脙x器儀表中是一種常用的變換裝模擬濾波器在測試系統(tǒng)或?qū)Ｓ脙x器儀表中是一種常用的變換裝置。例如帶通濾波器