測(cè)試技術(shù)第4章

第4章信號(hào)的調(diào)理與記錄教學(xué)內(nèi)容：§1電橋§2調(diào)制與解調(diào)§3信號(hào)的放大與衰減§4濾波器§5信號(hào)的顯示與記錄傳感器輸出的電信號(hào)大多數(shù)不能直接輸送到顯示、記錄或分析儀器中去，需要經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)理，使之轉(zhuǎn)換為便于處理、接收和顯示的形式。信號(hào)調(diào)理與記錄中常用環(huán)節(jié)：電橋、調(diào)制與解調(diào)、放大器、濾波器、記錄器等。4.1電橋定義：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(cè)量電路。其轉(zhuǎn)換的實(shí)質(zhì)是一種信息的傳遞，即通過(guò)電參量來(lái)控制工作電壓的幅度變化，從而將電參量變化的信息加到輸出電壓信號(hào)上，其能量由工作電源提供。電橋電路簡(jiǎn)單可靠，具有很高的精度和靈敏度。被廣泛的用作儀器測(cè)量電路。按激勵(lì)電源分為：直流電橋與交流電橋；按工作原理分為：平衡電橋和不平衡電橋；按橋臂接入的阻抗元件不同：電阻電橋、電容電橋、電感電橋。4.1.1直流電橋（適于靜態(tài)量的測(cè)量）以電阻R1、R2、R3、R4組成電橋四個(gè)橋臂當(dāng)輸入端后接輸入阻抗較大的儀表或放大電路時(shí)，可視為開(kāi)路，則直流電橋輸出電壓：直流電橋的平衡條件：常用的電橋連接形式：

半橋單臂半橋雙臂全橋連接

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?qū)τ趩伪垭姌颍诠ぷ鲿r(shí)僅有一個(gè)橋臂電阻值隨被測(cè)量變化，設(shè)該電阻為R1，其變化量為△R，則輸出電壓為：設(shè)則（4-6）半橋雙臂連接形式：工作時(shí)有兩個(gè)橋臂（一般為相鄰橋臂）電阻值隨被測(cè)量而變化，即：，則由式（4-4）可證明，當(dāng)R1=R2=R0，ΔR1＝－ΔR2＝ΔR，

R3=R4=R0，則電橋輸出（4-7）全橋連接法：四個(gè)橋臂的阻值均隨被測(cè)量而變化，即：

當(dāng)R1=R2=R3=R4=R0,且 輸出為：（4-8）結(jié)論：式（4－6）、（4－7）、（4－8）表明，電橋的輸出電壓與激勵(lì)電壓成正比，但比例系數(shù)不同。電橋的和差特性：1）若相鄰兩橋臂電阻同向變化，所產(chǎn)生輸出電壓的變化將相互抵消；2）若相鄰兩橋臂電阻反向變化，所產(chǎn)生的輸出電壓的變化將相互疊加。和差特性應(yīng)用實(shí)例：1）懸臂梁作敏感元件測(cè)力：為提高靈敏度，常在梁的上，下表面各貼一片應(yīng)變片，并將上述兩應(yīng)變片接入電橋的相鄰兩橋臂。2）柱形梁作敏感元件測(cè)力：四個(gè)縱向應(yīng)變片兩兩串聯(lián)，接入相對(duì)橋臂;橫向應(yīng)變片主要起溫度補(bǔ)償作用。結(jié)論：電橋接法不同，靈敏度不同，全橋接法可以獲得最大靈敏度。例題1：以阻值、靈敏度s=2的電阻絲應(yīng)變片與阻值為120的固定電阻組成電橋，供橋電壓為3V，并假定負(fù)載電阻為無(wú)窮大，當(dāng)應(yīng)變片的應(yīng)變?yōu)闀r(shí)，分別求出單臂、雙臂電橋的輸出電壓，并比較兩種情況下的靈敏度。圖4-3平衡電橋

上述電橋是在不平衡條件下工作的，它的缺點(diǎn)是當(dāng)電源電壓不穩(wěn)定，或者環(huán)境溫度有變化時(shí)，都會(huì)引起電橋輸出的變化，從而產(chǎn)生測(cè)量誤差。為此，在某些情況下采用平衡電橋(如圖4—3)。出于平衡電橋最終的輸出為零，因此測(cè)量誤差取決于可調(diào)電位器的精確度，而與電橋電源電壓無(wú)關(guān)。直流電橋適合于靜態(tài)量的測(cè)量。4.1.2交流電橋采用交流電源（5～10kHz）激勵(lì)。交流電橋達(dá)到平衡時(shí)必須滿足：各橋臂的復(fù)數(shù)阻抗為則上式成立的條件是圖4-7電容電橋若電橋平衡，則兩相鄰橋臂為純電阻R2、R3，另外相鄰兩臂為電容C1、C4。此時(shí)R1、R4可視為電容介質(zhì)損耗的等效電阻。圖4-8電感電橋若電橋平衡，則：圖4-9電阻交流電橋的分布電容圖4-10具有電阻電容平衡的交流電阻電橋?qū)Ь€間存在分布電容電容C2是一個(gè)差動(dòng)可變電容器影響交流電橋測(cè)量精度的因素：電橋各元件之間的互感耦合；泄漏電阻以及元件間、元件對(duì)地之間的分布電容；鄰近交流電路對(duì)電橋的感應(yīng)影響。交流電橋的激勵(lì)電源要求其電壓波形和頻率必須具有很好的穩(wěn)定性。一般采用音頻交流電源（5～10kHz）作為電橋電源。電橋輸出將為調(diào)制波，后接交流放大電路簡(jiǎn)單而無(wú)零漂，并且解調(diào)電路和濾波電路容易去除干擾而獲得有用信號(hào)。4.2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制：利用某種低頻信號(hào)來(lái)控制或改變一高頻振蕩信號(hào)的某個(gè)參數(shù)的過(guò)程。解調(diào)：是指從已調(diào)制信號(hào)中恢復(fù)出原低頻調(diào)制信號(hào)的過(guò)程。高頻振蕩信號(hào)稱為載波；控制高頻振蕩的低頻信號(hào)為調(diào)制信號(hào)；調(diào)制后的高頻振蕩信號(hào)為已調(diào)制信號(hào)（便于放大和傳輸）。調(diào)制分類：當(dāng)被控制的量是高頻振蕩信號(hào)的幅值時(shí)，稱為調(diào)幅(AM)；已調(diào)制信號(hào)為調(diào)幅波；當(dāng)被控制的量為高頻振蕩信號(hào)的頻率時(shí)，稱為調(diào)頻(FM)；已調(diào)制信號(hào)為調(diào)頻波；當(dāng)被控制的量為高頻振蕩信號(hào)的相位時(shí)，稱為調(diào)相(PM)；已調(diào)制信號(hào)為調(diào)相波；調(diào)制與解調(diào)的應(yīng)用：應(yīng)用分析：傳感器輸出的低頻微弱信號(hào)需要放大。直流放大，存在零漂和級(jí)間耦合，容易失真；交流放大，抗零漂，故一般先將低頻信號(hào)調(diào)制為高頻信號(hào)，再交流放大，最后解調(diào)。應(yīng)用實(shí)例：差動(dòng)變壓器式位移傳感器；交流電橋等。圖4-8載波、調(diào)制信號(hào)、調(diào)幅波和調(diào)頻波4.2.1調(diào)幅及其解調(diào)1、調(diào)幅原理將高頻載波信號(hào)與被測(cè)信號(hào)相乘，使高頻信號(hào)的幅值隨被測(cè)信號(hào)的變化而變化。調(diào)幅的過(guò)程如圖4-9。圖4-9調(diào)幅過(guò)程圖4-9調(diào)幅過(guò)程時(shí)域頻域總結(jié)：調(diào)幅的過(guò)程在頻域上就相當(dāng)于一個(gè)移頻的過(guò)程。載波頻率f0必須高于信號(hào)中的最高頻率fmax，才不會(huì)出現(xiàn)混疊現(xiàn)象。實(shí)際應(yīng)用中，載波頻率至少在調(diào)制信號(hào)上限頻率的十倍以上。注意：調(diào)幅波是否可以看作是載波與調(diào)制信號(hào)的迭加？否。因?yàn)檎{(diào)幅波是載波幅值隨調(diào)制信號(hào)大小成正比變化，只有相乘才能實(shí)現(xiàn)。幅值調(diào)制裝置實(shí)質(zhì)上是一個(gè)乘法器?，F(xiàn)在已有性能良好的線性乘法器組件?；魻栐彩且环N乘法器。電橋在本質(zhì)上也是一個(gè)乘法裝置，若以高頻振蕩電源供給電橋，則輸出uy為調(diào)幅波。500例2：已知調(diào)幅波試求：（1）所包含的各分量的頻率及幅值；（2）繪制調(diào)制信號(hào)與調(diào)幅波（已調(diào)制信號(hào)）的頻譜。2、整流檢波和相敏檢波調(diào)幅波解調(diào)（檢波）：從已調(diào)制信號(hào)中檢出調(diào)制信號(hào)的過(guò)程。

有三種方法：同步解調(diào)、包絡(luò)檢波、相敏檢波。同步解調(diào)：已調(diào)制信號(hào)Xm(t)與載波y(t)再次相乘，經(jīng)低通濾波器，檢出調(diào)制信號(hào)。整流檢波（包絡(luò)檢波）：幅值調(diào)制就是讓已調(diào)信號(hào)的幅值隨調(diào)制信號(hào)的值變化，因此調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)線形狀與調(diào)制信號(hào)一致。只要能檢出調(diào)幅信號(hào)的包絡(luò)線即能實(shí)現(xiàn)解調(diào)。這種方法稱為整流檢波或包絡(luò)檢波。

圖4-10調(diào)制信號(hào)加偏置的調(diào)幅波a）偏置電壓足夠大b）偏置電壓不夠大相敏檢波為了使信號(hào)具有判別信號(hào)相位和選頻的能力，需采用相敏檢波電路。要實(shí)現(xiàn)正確的解調(diào)必須要求參考信號(hào)的幅值遠(yuǎn)大于調(diào)幅信號(hào)的幅值，使開(kāi)關(guān)器件的通斷完全由參考信號(hào)決定。其中x(t)為原信號(hào)；y(t)為載波，xm(t)為調(diào)幅波。電路設(shè)計(jì)使變壓器B二次邊的輸出電壓大于A二次邊的輸出電壓，即滿足參考信號(hào)的幅值大于調(diào)幅信號(hào)的幅值。

相敏檢波過(guò)程：若原信號(hào)x(t)為正，調(diào)幅波xm(t)與載波y(t)同相，如圖中0－a段所示。當(dāng)載波電壓為正時(shí)，VD1、VD2導(dǎo)通，且V23>V12、i23>i12，電流的流向是5－2－VD2－3－d－地－負(fù)載－c－5。當(dāng)載波電壓為負(fù)時(shí)，變壓器A和B的極性同時(shí)改變，VD3、VD4導(dǎo)通，且V41>V34，i41>i34，電流的流向是5－4－VD4－1－d－地－負(fù)載－c－5。也就是，當(dāng)原信號(hào)為正時(shí)，相敏檢波電路的輸出為負(fù)，與原信號(hào)反相。若原信號(hào)x(t)為負(fù)，調(diào)幅波與載波異相，當(dāng)載波為正時(shí)，變壓器B的極性如圖中所示，變壓器A的極性與圖中相反。VD1、VD2導(dǎo)通，且V23<V12，i23<i12，電流的流向是d-1-VD1-2-5-c-負(fù)載-地-d。當(dāng)載波電壓為負(fù)時(shí)，VD3、VD4導(dǎo)通，且V41<V34、i41<i34，電流的流向是d-3-VD3-4-5-c-負(fù)載-地-d。也就是，當(dāng)原信號(hào)為負(fù)時(shí)，相敏檢波電路的輸出為正，與原信號(hào)反相。圖4-11相敏檢波相敏檢波是利用二極管的單向?qū)ㄗ饔脤㈦娐份敵鰳O性換向。在0-a段把xm(t)的零線上的正部翻下來(lái)，而在a-b段的負(fù)部翻上去。信號(hào)uf是經(jīng)過(guò)反轉(zhuǎn)后的相敏檢波的輸出，經(jīng)過(guò)電容C、Rf組成的低通濾波器后，輸出的信號(hào)uc能夠反應(yīng)調(diào)制信號(hào)的波形，經(jīng)過(guò)適當(dāng)放大倍數(shù)的反相放大器，能夠完全復(fù)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)。動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀為電橋調(diào)幅與相敏檢波的典型實(shí)例。振蕩器輸出等幅高頻振蕩電壓（一般頻率為10kHz或15kHz），一方面振蕩器為電橋提供電源，調(diào)制信號(hào)通過(guò)電橋調(diào)制振蕩器輸出的高頻信號(hào),并輸出調(diào)幅波；另一方面，為相敏檢波電路提供參考信號(hào)。調(diào)幅波經(jīng)過(guò)放大，最后經(jīng)相敏檢波與低通濾波獲得所測(cè)信號(hào)。其工作原理如圖4-12所示。圖4-12動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀框圖（10KHz-15kHz）4.2.2調(diào)頻及其解調(diào)1、調(diào)頻利用信號(hào)電壓的幅值控制一個(gè)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(hào)電壓成正比。當(dāng)信號(hào)電壓為零時(shí)，調(diào)頻波的頻率就等于中心頻率；信號(hào)電壓為正值時(shí)頻率提高，為負(fù)值時(shí)頻率降低。圖4-13調(diào)制信號(hào)為三角波時(shí)的調(diào)頻信號(hào)波形2、常用的頻率調(diào)制方法（1）直接調(diào)頻法被測(cè)參數(shù)的變化直接引起傳感器輸出信號(hào)頻率的改變。如振弦式傳感器,振蕩器式頻率傳感器。（2）參數(shù)調(diào)頻法其基本原理是首先將被測(cè)參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為傳感器的L、R或C的變化，將傳感器線圈、電容或電阻接在一定振蕩回路中，被測(cè)參數(shù)的變化將會(huì)引起振蕩器振蕩頻率的變化，輸出調(diào)頻信號(hào)。（例如：電渦流傳感器、電容式傳感器）（3）電壓調(diào)頻法基本原理是利用電壓變化來(lái)控制振蕩頻率的變化，壓控振蕩器是一種常用的調(diào)頻方法。其輸出瞬時(shí)頻率與輸入的控制電壓值成線性關(guān)系。文氏電橋正弦波發(fā)生器圖4-14采用乘法器的壓控振蕩器3、鑒頻電路調(diào)頻波的解調(diào)稱為鑒頻，是指將頻率變化恢復(fù)成調(diào)制信號(hào)電壓幅值變化的過(guò)程。圖4-15用變壓器耦合的失諧回路鑒頻（斜率鑒頻)a）鑒頻器b）頻率—電壓特性曲線圖4-16雙失諧回路鑒頻電路調(diào)諧回路幅頻特性輸入調(diào)頻信號(hào)回路1輸出回路2輸出輸出信號(hào)圖4-164.3信號(hào)的放大與衰減信號(hào)放大是為了將微弱的傳感器信號(hào)，放大到足以進(jìn)行各種轉(zhuǎn)換處理，或推動(dòng)指示器、記錄器以及各種控制機(jī)構(gòu)。為保證測(cè)量精度，要求放大電路具有如下：足夠的放大倍數(shù)；高輸入阻抗，低輸出阻抗；高共模抑制能力；低溫漂、低噪聲、低失調(diào)電壓和電流。差動(dòng)放大、電橋放大、電荷放大、高輸入阻抗放大、高共模抑制比放大、程控放大電路等。4.3.1基本放大器三種基本放大電路的基本形式如圖4-17所示。a）反相放大器b）同相放大器c）基本差動(dòng)放大器圖4-17基本放大電路運(yùn)算放大器理想模型：運(yùn)算放大器的輸入電流為零，即。運(yùn)算放大器的差動(dòng)輸入電壓為零，即1.反相比例放大器反相比例放大器的特點(diǎn)是：輸出與輸入信號(hào)反相；電壓放大倍數(shù)的絕對(duì)值或；放大器的輸入阻抗?。ǎ?/p>

只能放大對(duì)地的單端信號(hào)。2.同相比例放大器圖11-6用同相比例放大器放大電橋信號(hào)圖11-5同相比例放大器同相比例放大器的特點(diǎn)為：輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同相；電壓放大器倍數(shù)大于等于1；放大器的輸入阻抗很大；只能放大單端信號(hào)。3.差動(dòng)放大器圖11-8差動(dòng)放大器圖11-9單臂電橋接差動(dòng)放大器特點(diǎn)：放大器的放大倍數(shù)與頻率有關(guān)，其頻帶寬度在f1和f2之間，因此在信號(hào)放大時(shí)，可以抑制直流漂移和高頻干擾電壓。反相放大電路性能穩(wěn)定，但輸入阻抗比較低，容易對(duì)傳感器形成負(fù)載效應(yīng)；同相放大電路輸入阻抗高，但易受干擾和精度低；差動(dòng)放大電路把兩個(gè)輸入信號(hào)分別輸入到運(yùn)算放大器的同相和反相輸入端，然后在輸出端取出兩個(gè)信號(hào)的差模成分，抑制兩個(gè)信號(hào)的共模成分的電路。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但輸入阻抗較低，增益調(diào)節(jié)困難，使其應(yīng)用受到很大限制；運(yùn)算放大器不論是作為同相放大器還是反相放大器，電路都是采用電壓負(fù)反饋的形式，電路的閉環(huán)輸出阻抗都非常小。4.3.2儀器放大器典型的儀器放大電路由三個(gè)集成運(yùn)放構(gòu)成的，如圖所示。兩個(gè)輸入端分別是兩個(gè)集成運(yùn)放Ａ１、Ａ２的同相輸入端，因此輸入電阻很高。Ａ３構(gòu)成差分放大電路，兩邊電阻對(duì)稱，可以消除上述遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)的共模干擾。同時(shí)當(dāng)Ａ１、Ａ２輸出端上產(chǎn)生的漂移電壓對(duì)稱時(shí)，在Ａ３輸出Vｏ中也被消除。因此該電路有很高的共模抑制能力和較低的輸出漂移電壓。圖4-18儀器放大器為提高電路的抗共模干擾能力和抑制漂移的影響，應(yīng)使電路上下對(duì)稱，即取R1＝R2，R4＝R6，R5＝R7。若A1、A2、A3都是理想運(yùn)放，則V1＝V4，V2=V5，故有：

該電路輸出電壓與差動(dòng)輸入電壓之間的關(guān)系，即增益可以用下式表示：若取Rl＝R2=R4＝R6=R5＝R7=10KΩ，即可以構(gòu)成一個(gè)Af=201倍的高輸入阻抗、高共模抑制比的放大器。世界許多公司都有自己的集成儀器放大器，如美國(guó)AD公司生產(chǎn)的AD612和AD614，美國(guó)BB公司推出的INA114等。都是根據(jù)儀器放大器原理設(shè)計(jì)的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)單片集成電路，其它型號(hào)的儀器放大器，雖然電路有所區(qū)別，但基本性能是一致的，如AD521、AD522等。圖4-19AD612集成儀器放大器圖4-20電橋與AD612組成的放大電路保護(hù)端經(jīng)緩沖器A與屏蔽層相連，可有效減小共模干擾4.3.3可編程增益放大器在多回路檢測(cè)系統(tǒng)中，由于各回路傳感器信號(hào)的變化范圍不同，只有通過(guò)不同量程的放大器，才能使放大后的信號(hào)幅值變化范圍一致（例如0～5V）。利用計(jì)算機(jī)編程改變?cè)鲆妫≒GA）的放大器為可編程增益放大器。可編程增益放大器為可編程增益的反相放大器。包括：電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開(kāi)關(guān)、譯碼器和儀器放大器。也可不用譯碼器，由計(jì)算機(jī)I/O口控制y1、y2、y3、y4，得到24個(gè)不同增益。圖4-21可編程增益放大器的基本原理

x1x2y1y2y3y4閉合開(kāi)關(guān)

000111

S1

011011

S2

101101

S3

111110

S4圖4-22LH0084集成可編程增益放大器經(jīng)傳感器轉(zhuǎn)換的電信號(hào)或其他被測(cè)電信號(hào)，通常是由多個(gè)頻率分量組合而成的，除了包含有效信息外，一般都混雜有不同頻率的干擾和其他不希望得到的成分。濾波：能抑制掉無(wú)用的、與信號(hào)頻率不同的噪聲，選出有用的頻率信號(hào)。濾波器：具有濾波功能的電路。濾波器的分類：根據(jù)其選頻方式不同，可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。4.4濾波器

圖4-23四類理想濾波器的幅頻特性a）低通b）高通c）帶通d）帶阻

通帶、阻帶、過(guò)渡帶的概念。

其他分類方法：按照濾波器的構(gòu)成形式，可分為有源濾波器和無(wú)源濾波器。4.4.1濾波器性能分析1、模型：理想濾波器能使通帶內(nèi)信號(hào)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。幅頻特性相頻特性圖4-24理想低通濾波器的幅頻和相頻特性

圖4-25理想低通濾波器的脈沖響應(yīng)函數(shù)傅立葉變換——時(shí)—頻對(duì)稱性2、濾波器參數(shù)理想濾波器只需規(guī)定截止頻率即可說(shuō)明其特性，而實(shí)際濾波器的特性曲線無(wú)明顯轉(zhuǎn)折點(diǎn)，通帶中幅頻特性也非常數(shù)，需更多參數(shù)描述其性能。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4-26實(shí)際低通濾波器的幅頻特性圖4-27理想和實(shí)際的帶通濾波器的幅頻特性（1）截止頻率：幅頻特性值等于所對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)；（2）帶寬B：上下兩截止頻率之間的頻率范圍B=ωc2-ωc1

，又稱-3dB帶寬；（3）紋波幅度δ：通帶中幅頻特性值的起伏變化值；（4）品質(zhì)因子（Q值）：對(duì)于一個(gè)帶通濾波器，其品質(zhì)因子Q則定義為中心頻率ω0與帶寬B之比，即Q=ω0/B。實(shí)際濾波器參數(shù)：（5）倍頻程選擇性：上截止頻率ωc2與2ωc2之間或下截止頻率ωc1

與ωc1

/2間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個(gè)倍頻程的衰減量，以dB表示。倍頻程選擇性表征過(guò)渡帶的幅頻曲線傾斜的程度，即幅頻特性衰減的快慢。（6）濾波器因數(shù)（矩形系數(shù)）λ：濾波器幅頻特性的-60dB帶寬與-3dB帶寬的比，即

對(duì)理想濾波器有λ=1。對(duì)普通使用的濾波器，λ一般為（1～5）。3、可實(shí)現(xiàn)的典型濾波網(wǎng)絡(luò)函數(shù)實(shí)際可實(shí)現(xiàn)濾波器的傳遞函數(shù)的一般表達(dá)式為式中，a、b為電路結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)值決定的實(shí)常數(shù)；S＝j(luò)ω；為保證線性網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，分母中的各系數(shù)均應(yīng)為正，且要求m<n，n為濾波器的階，反映了濾波器的復(fù)雜程度。濾波器的幅頻特性逼進(jìn)理想頻率特性的程度取決于傳遞函數(shù)的階數(shù)n。二階濾波器傳遞函數(shù)的形式為為了使其具有更明顯的物理意義，令為阻尼系數(shù)，為固有頻率，當(dāng)系數(shù)bk

取不同的值時(shí)，可以得到不同特性的濾波器。

（1）低通濾波器：

b0＝b1＝0，b2＝k0ω02

（2）高通濾波器：

b0＝k0，b1＝b2＝0（3）帶通濾波器：b0＝b2＝0，b1＝（4）帶阻濾波器：b0＝k0，b1＝0，b2

＝k0ω02根據(jù)不同的逼近準(zhǔn)則，可形成以下幾種濾波器：（1）巴特沃斯濾波器特點(diǎn)是在通帶內(nèi)具有最大平坦幅度特性，但阻帶衰減較為緩慢，選擇性較差。（2）切比雪夫?yàn)V波器幅頻特性在通帶內(nèi)有一定的波動(dòng)，在階數(shù)一定的情況下，其幅頻特性更接近理想的矩形。（3）貝塞爾濾波器相頻特性在通帶內(nèi)具有最高線形度，使濾波器的相頻特性引起的失真最小。1、五階貝塞爾濾波器2、五階巴特沃斯濾波器3、五階切比雪夫?yàn)V波器d=0.5dB4、五階切比雪夫?yàn)V波器（d=2dB）4.4.2實(shí)際濾波電路1、RC無(wú)源濾波器RC低通濾波器的典型電路和幅頻特性如圖4-29所示。設(shè)輸入和輸出信號(hào)電壓分別為ux和uy，電路時(shí)間常數(shù)分析：當(dāng)輸入信號(hào)頻率，A(w)為常數(shù)，信號(hào)可以不被衰減地通過(guò)濾波器；當(dāng)，信號(hào)衰減-3dB，因此RC值決定著上截止頻率。當(dāng)時(shí)，信號(hào)受到很大衰減，此時(shí)濾波器相當(dāng)于積分器的作用。圖4-29RC低通濾波器RC高通濾波器：時(shí)間常數(shù)，頻率響應(yīng)函數(shù)和幅頻特性分析：當(dāng)輸入信號(hào)頻率時(shí)，，信號(hào)可以不被衰減地通過(guò)濾波器；當(dāng)時(shí)，，信號(hào)衰減-3dB，即截止頻率為。當(dāng)時(shí)，信號(hào)受到很大衰減，此時(shí)，此時(shí)濾波器相當(dāng)于微分器的作用，對(duì)低頻成分的衰減率為-20dB/10倍頻程。RC帶通濾波器：將高通與低通濾波器串聯(lián)起來(lái)圖4-31RC帶通濾波器

兩個(gè)環(huán)節(jié)之間串入具有高輸入阻抗的放大器進(jìn)行隔離。RC帶阻濾波器：將兩者并聯(lián)起來(lái)

圖4-32RC帶阻濾波器2、RC有源濾波器僅由阻容元件組成的無(wú)源濾波器，具有線路簡(jiǎn)單、體積小、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但它們都是低階系統(tǒng)，由于過(guò)渡帶衰減緩慢,選擇性差。RC有源濾波器是用RC無(wú)源網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器等有源器件結(jié)合在一起構(gòu)成的。其特點(diǎn)：1)可以放大信號(hào)；2)具有高輸入阻抗的運(yùn)算放大器可以進(jìn)行級(jí)間隔離，消除或減小負(fù)載效應(yīng)的影響。有源濾波器可以多級(jí)串聯(lián)組成高階濾波器，明顯地提高了濾波器的選擇性。

圖4-33壓控電壓源型二階有源濾波電路低通高通帶通3、開(kāi)關(guān)電容濾波器開(kāi)關(guān)電容濾波器是一種新型的大規(guī)模集成器件，由MOS模擬開(kāi)關(guān)、電容和運(yùn)算放大器組成，MOS模擬開(kāi)關(guān)受時(shí)鐘脈沖信號(hào)的控制。其特點(diǎn)是利用開(kāi)關(guān)和電容代替電路中的電阻，屬于數(shù)字電路和模擬電路相結(jié)合的產(chǎn)物。利用集成電路技術(shù)可以精確而穩(wěn)定地保持電容比，同時(shí)可使開(kāi)關(guān)電容電路尺寸極小，在一個(gè)芯片上可集成多個(gè)濾波器。開(kāi)關(guān)電容等效于電阻的原理如圖4-34所示。圖4-34a電容C通過(guò)開(kāi)關(guān)Q交替接通A、B兩端。接通A時(shí)，電容C上儲(chǔ)存電荷為CuA

，當(dāng)Q接通B時(shí)則通過(guò)負(fù)載放電而形成電壓uB，這時(shí)電容C中儲(chǔ)存電荷為CuB。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T內(nèi)通過(guò)電容C由A傳送到B的電荷量△q其平均電流量若等效為圖4-34b中的電阻R，則其阻值圖4-34開(kāi)關(guān)電容的等效電阻原理圖4-35開(kāi)關(guān)電容的等效電阻電路

圖4-36有源低通濾波器及相應(yīng)的開(kāi)關(guān)電容電路式（4-47）表明濾波器特性只取決于開(kāi)關(guān)頻率和網(wǎng)絡(luò)中的電容比。改變脈沖頻率就可改變開(kāi)關(guān)頻率，從而改變?yōu)V波器的時(shí)間常數(shù)和截止頻率。由于集成電路技術(shù)可以精確而穩(wěn)定地保持式（4-47）中的電容比，也能將電容值做得很小，使開(kāi)關(guān)電容電路尺寸極小，在一個(gè)芯片上可集成多個(gè)濾波器。例題：已知某RC低通濾波器，R=1k，C=1F，1）確定各函數(shù)式H(s)；H()；A()；()。2）當(dāng)輸入信號(hào)ui=10sin1000t時(shí)，求輸出信號(hào)uo，并比較其幅值及相位關(guān)系。解：

4.5信號(hào)的顯示與記錄信號(hào)顯示的作用是顯示信號(hào)的特征量(如幅值、頻率、相位角、峰峰值)、信號(hào)的波形，以及復(fù)雜信號(hào)的特定輸出狀態(tài)的顯示等。其特點(diǎn)是輸出信號(hào)直觀，并能充分反映測(cè)試與檢測(cè)信號(hào)的實(shí)時(shí)性。記錄儀器是用于記錄反映被測(cè)信號(hào)變化過(guò)程的輸出設(shè)備，可以將被測(cè)信號(hào)記錄存儲(chǔ)起來(lái)，供人或儀器做進(jìn)一步處理和分析。

4.5.1信號(hào)的顯示1、LED（lightEmittingDiode）顯示（發(fā)光二極管）LED數(shù)碼顯示器件分別有7段“8”字形數(shù)碼管、“米”字形數(shù)碼管、數(shù)碼點(diǎn)陣、數(shù)碼條柱等類型。7段LED顯示器的段排列結(jié)構(gòu)如圖4-37(a)所示，圖4-37(b)給出共陰極7段LED顯示電路，所有發(fā)光二極管的公共陰極接地。當(dāng)某個(gè)字段的陽(yáng)極為高電平時(shí)，相應(yīng)字段就被點(diǎn)亮。若陽(yáng)極為低電平，則該字段不亮。圖4-37(c)給出共陽(yáng)極7段LED顯示電路，所有發(fā)光二極管的公共陽(yáng)極接+5v，當(dāng)某個(gè)字段的陰極為低電平時(shí)，相應(yīng)字段就點(diǎn)亮。

圖4-377段LED顯示器a）段排列b）共陰極c）共陽(yáng)極圖4-39大寫(xiě)英文字母G的字形顯示G字形代碼由：3FH、21H、29H、79H、09H五個(gè)代碼組成點(diǎn)陣式LED顯示器工作原理：2、LCD(LiquidCrystalDisplay)顯示(液晶顯示）LCD的基本結(jié)構(gòu)及顯示原理如圖所示。由于液晶的四壁效應(yīng)，在定向膜的作用下，液晶分子在正、背玻璃電極上呈水平排列，但排列方向互為正交，而玻璃間的分子呈連續(xù)扭轉(zhuǎn)過(guò)渡。這樣的構(gòu)造能使液晶對(duì)光產(chǎn)生旋光作用，使光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°。當(dāng)外部光線通過(guò)上偏振片后形成偏振光，偏振方向成垂直方向，當(dāng)此偏振光通過(guò)液晶材料之后被旋轉(zhuǎn)90°，偏振方向成水平方向。此方向與下偏振片的偏振方向一致。因此，此光線能完全穿過(guò)下偏振片而到達(dá)反射板，經(jīng)反射后沿原路返回，從而呈現(xiàn)出透明狀態(tài)。當(dāng)在液晶盒的上下電極加上一定的電壓后，電極部分的液晶分子轉(zhuǎn)成垂直排列，從而失去放光性。因此，從上偏振片入射的偏振光不被旋轉(zhuǎn)，當(dāng)此偏振光到達(dá)下偏振片時(shí)，因其偏振方向與下偏振片的偏振方向垂育，因此被下偏振片吸收，無(wú)法到達(dá)反射板形成反射，所以呈現(xiàn)出黑色。圖4-40LCD顯示的基本結(jié)構(gòu)及顯示原理3