機械工程測試技術基礎（第三版）段富海第四章信號調理與記錄課件

1、DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,1,第四章 信號調理與記錄,第一節(jié) 電橋 第二節(jié) 調制與解調 第三節(jié) 濾波器 第四節(jié) 信號的放大 第五節(jié) 測試信號的顯示與記錄,傳感器輸出的電信號，經過調理和處理，便于傳輸、接受、顯示和記錄。調理目的是將微弱的電壓信號放大、將非電壓信號轉換為電壓信號、抑制干擾噪聲、提高信噪比，以便于后續(xù)環(huán)節(jié)處理。,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,2,4-1 電橋,電橋是將電阻、電感、電容等參量的變化轉換為電壓或電流輸出的一種測量電路。 按激

2、勵電壓的性質分：直流電橋和交流電橋； 按輸出方式分：不平衡橋式電路和平衡橋式電路； 按工作原理分：偏值法和歸零法。,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,3,4-1 電橋,一、直流電橋,電橋平衡條件： R1R3 =R2 R4,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,4,4-1 電橋,以應變式電阻傳感器的布片與接橋為例：,1.半橋單臂,R1 工作應變片 R2 、R3、R4固定電阻,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調

3、理與記錄,5,4-1 電橋,R1 =R2 =R3 =R4 =R0 ， 電橋輸出電壓：,R1R,靈敏度：,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,6,4-1 電橋,2.半橋雙臂,R1 、R2為工作應變片 R3 、R4為固定標準電阻,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,7,4-1 電橋,R1 =R2 =R3 =R4 =R0 工作應變片的電阻增量|R1|=|R2|， 電橋輸出電壓： 靈敏度：,與半橋單臂相比，靈敏度提高了一倍，電橋的輸出與R/R0 成完全線性關系。,DATE

4、: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,8,4-1 電橋,3.全橋四臂,R1 、R2 、R3 、R4均為工作應變片,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,9,4-1 電橋,R1 =R2 =R3 =R4 =R0 ， 工作應變片的電阻增量|R1|=|R2|=|R3|=|R4| 電橋輸出電壓：,全橋輸出電壓高，有補償作用,靈敏度：,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,10,4-1 電橋,上述電橋是在不平衡條件下工作的，

5、缺點是：當電源電壓不穩(wěn)定，或者環(huán)境溫度有變化時，都會引起電橋輸出的變化，從而產生誤差。因此，在某些情況下采用平衡電橋。,電橋的和差特性： 若相鄰兩橋臂電阻同向變化（兩電阻同時增大或同時減?。a生的輸出電壓的變化將相互抵消； 若相鄰兩橋臂電阻反向變化（兩電阻一個增大一個減小），所產生的輸出電壓的變化將相互疊加。,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,11,4-1 電橋,設被測量等于零時，電橋處于平衡狀態(tài)，此時指示儀表G及可調電位器H指零。 當某一橋臂隨被測量變化時，電橋失去平衡，調節(jié)電位器H，改變電阻R5觸電位置，可使電橋重新平

6、衡，電表G指針回零。 電位器H上的標度與橋臂電阻值的變化成比例，故H的指示值可以直接表達被測量的數值。,平衡電橋,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,12,4-1 電橋,二、交流電橋,交流電橋采用交流激勵電壓。電橋的四個臂可為電感、電容或電阻。 電橋平衡條件 把各阻抗用指數式表示 代入上式,阻抗平衡,相位平衡,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,13,4-1 電橋,電容電橋,平衡條件：,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-

7、第四章 信號調理與記錄,14,4-1 電橋,電感電橋,平衡條件：,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,15,4-1 電橋,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,16,4-1 電橋,Q 兩位開關 R1 、R2 限流電阻 R3 電阻調節(jié)平衡電位器 C2電容調節(jié)平衡用差動可變電容器,具有電阻電容平衡的交流電阻電橋,電阻平衡調節(jié) 粗/微,電容平衡調節(jié),DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,17,4-1 電橋,用

8、差動式三繞組電感傳感器，鐵心為敏感元件，將被測位移量轉換為互感的變化，再通過電橋轉換為電壓或電流的輸出。具有較高的精確度，靈敏度并且性能穩(wěn)定。,三、帶感應耦合臂的電橋,將感應耦合的兩個繞組作為橋臂。,電橋平衡時：W1、W2激磁效應相互抵消，鐵心無磁通，G為0,變壓器電橋 電感比較儀,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,18,4-2 調制與解調,測試系統(tǒng)調制與解調目的： 傳感器輸出的信號是低頻的微弱信號，需進行放大處理； 如果直接采取直流放大，存在零漂和級間耦合等問題，造成信號失真； 交流放大器具有良好的抗零漂性能； 將低頻信號通

9、過調制的手段變?yōu)楦哳l信號，然后采用交流放大器放大，最終用解調的手段獲取放大后的被測信號。,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,19,4-2 調制與解調,調制：使一個信號的某些參數在另一信號的控制下而發(fā)生變化的過程。 前一個信號稱為載波，一般為較高頻率的交變信號。 后一信號（控制信號）稱為調制信號，一般為低頻。 輸出是已調制波。 已調制波一般都便于放大和傳輸。 從已調制波中恢復出調制信號的過程，稱為解調。 調制和解調是一對相反的信號變換過程。,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信

10、號調理與記錄,20,4-2 調制與解調,根據載波受調制的參數不同，調制可分為： 調幅(AM)、調頻(FM)和調相(PM)； 使載波的幅值、頻率或相位隨調制信號而變化的過程分別稱為調幅、調頻和調相。,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,21,4-2 調制與解調,一、調幅及其解調,調幅是將一個高頻簡諧信號（載波）與測試信號（調制信號）相乘，使高頻信號的幅值隨測試信號而變化。,由傅立葉變換的性質，在時域中兩個信號相乘，則對應在頻率域中這兩個信號進行卷積：,余弦信號頻率域圖形是一對脈沖譜線，一個函數與脈沖卷積的結果，就是將其圖形由坐標原

11、點平移至該脈沖函數（頻率f0）處，其幅值減半。 調幅過程相當于頻譜“搬移”過程。,1.幅值調制,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,22,4-2 調制與解調,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,23,4-2 調制與解調,若把調幅波與原載波信號相乘，則頻域圖形將再次進行“搬移”，如果用一個低通濾波器濾去中心頻率為2f0的高頻成分，那么將可以復現原信號的頻譜（只是幅值減小一半，可以用放大處理來補償），這個過程稱為同步解調。“同步”是指在解調過程中所乘的載波信號與調制時

12、的載波信號具有相同的頻率與相位。,時域中也可以看到：,2.同步解調,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,24,4-2 調制與解調,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,25,4-2 調制與解調,幅度調制與解調過程（波形分析）,乘法器,放大器,x(t),z(t),x m(t),乘法器,濾波器,z(t),x(t),DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,26,4-2 調制與解調,幅度調制與解調過程（頻譜分析）

13、,乘法器,放大器,x(t),z(t),x m(t),乘法器,濾波器,z(t),x(t),DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,27,4-2 調制與解調,幅度調制與解調過程（數學分析）,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,28,4-2 調制與解調,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,29,4-2 調制與解調,調幅的目的是使緩變信號便于放大和傳輸。解調的目的是為了恢復原信號。 載波頻率f0必須高于原信號中

14、最高頻率fm才能使已調制波仍保持原信號的頻譜圖形，不致重疊。實際載波頻率常常至少數倍甚至十倍于調制信號。 幅值調制裝置實質上是一個乘法器。電橋本質上也是一個乘法器。,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,30,4-2 調制與解調,以單臂電橋為例說明調幅過程：,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,31,4-2 調制與解調,3.整流檢波（包絡檢波）,整流檢波原理：若把調制信號進行偏置，疊加一個直流分量，使偏置后的信號都具有正電壓，那么調幅波的包絡線將具有原調制信號的形狀

15、，把該調幅波xm(t)簡單地整流、濾波就可恢復原調制信號。 整流后注意減去所加的偏置電壓。,若所加偏置電壓未能使信號電壓都在零線一側，就需要用相敏檢波技術。,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,32,4-2 調制與解調,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,33,4-2 調制與解調,相敏檢波利用交變信號在過零位時正、負極性發(fā)生突變，使調幅波的相位（與載波比較）也相應地發(fā)生1800的相位跳變。這樣既能反映調制信號的幅值，又能反映其極性。,4.相敏檢波,DATE: 20

16、21/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,34,4-2 調制與解調,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,35,4-2 調制與解調,0-a段，載波為正時，VD1導通，電流的流向是 d1VD125c負載地d,0-a段，載波為負時，變壓器A和B極性同時改變，電流的流向是 d3VD345c負載地d,a-b段，載波為正時，變壓器B極性如圖中所示，變壓器A與圖中相反，VD2導通，電流的流向是 52VD23d地負載c5,a-b段，載波為負時，電流的流向是 54VD4d地負載c5,DATE: 2021

17、/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,36,4-2 調制與解調,相敏檢波是利用二極管的單向導通作用，將電路輸出極性換向。 這種電路相當于在0a段把xm(t)的零線下的負部翻上去，而在ab段把正部翻下來，所檢測的信號uf是經過“翻轉”后信號的包絡。,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,37,4-2 調制與解調,動態(tài)電阻應變儀是電橋調幅與相敏檢波的典型實例。,動態(tài)電阻應變儀原理,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,38,4-

18、2 調制與解調,調頻是利用信號x(t)的幅值調制載波的頻率，或者說，調頻波是一種隨信號x(t)的電壓幅值而變化的疏密度不同的等幅波。,二、頻率調制與解調,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,39,4-2 調制與解調,調頻的方法： 一般用振蕩電路來實現，如LC振蕩電路、壓控振蕩器等。 LC振蕩電路振蕩頻率受控于被測物理量（如電容C），振蕩頻率f與調諧參數的變化呈線性關系。 壓控振蕩器（VCO）用調制信號的幅值來控制其振蕩頻率，使振蕩頻率隨控制電壓呈線性變化，從而達到頻率調制的目的。 調頻信號的解調： 調頻信號的解調亦稱鑒頻； 一般

19、采用鑒頻器和鎖相環(huán)解調器。,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,40,4-2 調制與解調,鑒頻,鑒頻器由一個高通濾波器（輸入頻率不同，輸出幅值不同，實現頻率電壓的轉換）和一個包絡檢波器構成。,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,41,4-2 調制與解調,調頻優(yōu)點：抗干擾能力強。,調頻波通常要求很寬的頻帶，甚至為調幅所要求帶寬的20倍；調頻系統(tǒng)較之調幅系統(tǒng)復雜，因為頻率調制是一種非線性調制。,因為調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

20、用則主要表現在振幅之中。,調頻缺點：占頻帶寬度大，復雜,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,42,本次課內容,調頻波通常要求很寬的頻帶，甚至為調幅所要求帶寬的20倍；調頻系統(tǒng)較之調幅系統(tǒng)復雜，因為頻率調制是一種非線性調制。,調頻缺點：占頻帶寬度大，復雜,第四章 信號的調理與記錄 第三節(jié) 濾波器 第四節(jié) 信號的放大 第五節(jié) 測試信號的顯示與記錄,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,43,4-3 濾波器,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

21、減其它頻率成分。在測試裝置中，利用濾波器的這種篩選作用，可以濾除干擾噪聲或進行頻譜分析。,一、濾波器分類,(1)低通濾波器,(2)高通濾波器,(3)帶通濾波器,(4)帶阻濾波器,1.根據濾波器選頻的作用分類,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,44,4-3 濾波器,低通,高通,帶通,帶阻,陷波,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,45,4-3 濾波器,四種濾波器的特性是互有聯系的： 高通濾波器的幅頻特性A2(f)可看作是1-A1(f)，A1(f)是低通濾波器的幅頻

22、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，而帶通濾波器則可以是以帶阻做負反饋而獲得。,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,46,4-3 濾波器,濾波器的串/并聯,帶阻濾波器,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,47,4-3 濾波器,根據構成濾波器的元件類型： 可分為RC、LC或晶體諧振濾波器； 根據構成濾波器的電路性質： 可分為有源濾波器（運算放大器結構）和無源濾波器（RLC組合配置）； 根據濾波器所處理的信號性質： 可分為模擬濾

23、波器與數字濾波器等等。 本節(jié)所述內容是屬于模擬濾波器范圍。,2.其他分類方法,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,48,4-3 濾波器,二、理想濾波器 低通濾波器為例,根據線性系統(tǒng)的不失真?zhèn)鬏敆l件，理想測量系統(tǒng)的頻率響應函數應是：,若濾波器的頻率響應H(f)滿足下列條件：,則稱為理想濾波器。,如無相角滯后，即t0=0， 則時域脈沖響應函數：,不失真條件,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,49,4-3 濾波器,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技

24、術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,50,4-3 濾波器,說明：,1.在輸入(t)到來之前，即t0，濾波器就有了與輸入相對應的輸出。違背因果關系，任何現實的濾波器不可能有這種預知未來的能力，所以理想低通濾波器是不可能存在的。 2. 理想的高通、帶通、帶阻濾波器都是不存在的。實際濾波器的頻域圖形不可能出現直角銳變，也不會在有限頻率上完全截止。 3. 實際濾波器的頻域圖形將延伸到|f|。 4. 一個濾波器對信號中通帶以外的頻率成分只能極大地衰減，卻不能完全阻止。,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,51,4-3 濾波器,

25、三、實際濾波器的特征參數 以帶通濾波器為例,理想濾波器是不存在的，實際濾波器幅頻特性中通帶和阻帶間沒有嚴格界限，存在過渡帶。,0,f,A,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,52,4-3 濾波器,0,f,1)截止頻率fc：0.707A0所對應的頻率fc1和fc2, （-3dB或半功率點）。,2)紋波幅度：通帶中繞幅頻特性均值A0波動值。 越小越好。,Q=f0 / B,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,53,4-3 濾波器,5)濾波器因數（矩形系數） 定義為濾波器

26、幅頻特性的-60dB帶寬與-3dB帶寬的比，即：,理想濾波器=1，對于普通使用的濾波器一般為1-5。,3)帶寬B：上下兩截頻間的頻率范圍稱為帶寬B=fc2-fc1。 -3dB帶寬，Hz。帶寬表示濾波器的分辨能力， 即濾波器分離信號中相鄰頻率成分的能力。,4)品質因數Q： 對帶通濾波器，中心頻率f0和帶寬B之比稱為品質因數Q 。 Q越大，則相對帶寬越小，濾波器的選擇性越好。,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,54,4-3 濾波器,6)倍頻程選擇性W 從阻帶到通帶或從通帶到阻帶，實際濾波器有一個過渡帶，過渡帶的曲線傾斜度代表著幅頻

27、特性衰減程度，通常用倍頻程選擇性來表征。,倍頻程衰減量以dB/oct表示（Octave，倍頻程）。 衰減越快（即W值越大），濾波器的選擇性越好。,倍頻程選擇性指在上截止頻率fc2與2fc2之間幅頻特性的衰減值，或下截止頻率fc1與fc1/2之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個倍頻程時的衰減量。,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,55,4-3 濾波器,1.一階RC低通濾波器,拉氏變換，得傳遞函數,當f1/2RC時，A(f)=1，此時信號幾乎不受衰減地通過，并且(f)-f關系為近似于一條通過原點的直線。在此情況下，RC低通濾波器是

28、一個不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。,RC值決定著上截止頻率。適當改變RC數值時，就可以改變?yōu)V波器的截止頻率。,四、實際濾波電路,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,56,4-3 濾波器,當f1/2RC時，RC起積分器作用，對高頻成分衰減為-20dB/10倍頻（-6dB/倍頻程）。,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,57,4-3 濾波器,2.RC高通濾波器,微分方程：,傳遞函數：,頻率響應函數：,幅頻特性：,或,相頻特性：,或,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測

29、試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,58,4-3 濾波器,濾波器的-3dB截止頻率為,A(f)=1; (f)0。即當f相當大時，幅頻特性接近于1，相移趨于零，此時RC高通濾波器可視為不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。,當 時，RC高通濾波器的輸出與輸入的微分成正比，起著微分器的作用。,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,59,4-3 濾波器,3.RC帶通濾波器,帶通濾波器可以看成是低通濾波器和高通濾波器串聯組成。 一階低通濾波器的傳遞函數為 一階高通濾波器的傳遞函數為 則串聯后傳遞函數為H(s)=H1(s)H2(S),幅頻特性為：

30、,相頻特性為：,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,60,4-3 濾波器,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,61,4-3 濾波器,串聯所得的帶通濾波器以原高通的截止頻率為下截止頻率,串聯所得的帶通濾波器以原低通的截止頻率為上截止頻率,分別調節(jié)高、低通環(huán)節(jié)的時間常數(1及2)，就可得到不同的上、下截止頻率和帶寬的帶通濾波器。,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,62,4-3 濾波器,4.濾波器的實際

31、使用,一階RC濾波器在過渡帶內衰減速率非常慢，通帶和阻帶之間沒有陡峭的界限，因此性能較差，常使用更復雜的濾波器。,通過采用多個RC環(huán)節(jié)或LC環(huán)節(jié)串聯的方式，可以使濾波器的性能得到顯著提高，使過渡帶曲線的陡峭度得到改善。,注意多級串聯使用時，應消除級間的相互影響，因為后一級成為前一級的“負載”，而前一級又是后一級的信號源內阻。因此多個簡單濾波器的級聯能改善濾波器的過渡帶性能，卻又不可避免地帶來負載效應和相移增大等問題，采用有源濾波器解決。,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。,電容和電感一起使用的濾波器較一階RC濾波器有較為陡峭的邊緣，可構成LC

32、低通、高通和帶通濾波器，有L型、T型和型的濾波器。,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,63,4-3 濾波器,產品,LineDa: LTC1564,MAXIM: MAX74xx,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,64,4-3 濾波器,五、帶通濾波器在信號頻率分析中的應用 頻率分析儀,為了對信號做頻譜分析，或者摘取信號中某些特殊頻率成分，可將信號通過放大倍數相同而中心頻率各個不同的多個帶通濾波器，各個濾波器的輸出主要反映信號中在該通帶頻率范圍內的量值。,可以有兩種

33、做法：多路濾波器并聯式和中心頻率可調式 多路濾波器并聯式使用一組各自中心頻率固定的，但又按一定規(guī)律相隔的濾波器組。把該濾波器組并聯在信號源上，各濾波器的輸出同時顯示或記錄，這樣就能瞬時獲得信號的頻譜結構。這就成為“實時”的譜分析。 中心頻率可調式使帶通濾波器的中心頻率是可調的，通過改變RC調諧參數而使其中心頻率跟隨所需要量測的信號頻段。其可調范圍一般是有限的。,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,65,4-3 濾波器,對用于譜分析的濾波器組，各濾波器的通帶應該相互連接，覆蓋整個感興趣的頻率范圍，這樣才不致使信號中的頻率成分“丟失

34、”。 通常的做法是前一個濾波器的-3dB上截止頻率(高端)就是后一個濾波器的-3dB下截止頻率(低端)。這樣濾波器組將覆蓋整個頻率范圍。當然，濾波器組應具有同樣的放大倍數(對其各個中心頻率而言)。,恒帶寬比濾波器,濾波器組是一些恒帶寬比的濾波器構成的。恒帶寬比是指帶寬和中心頻率之比值為常數，即濾波器的相對帶寬是常數。 濾波器的中心頻率越高，其帶寬也越大。,1.多路濾波器的并聯形式,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,66,4-3 濾波器,恒帶寬比帶通濾波器,假設一個帶通濾波器的低端截止頻率為fc1i，高端截止頻率為fc2i， f

35、c2i和 fc1i的關系總是可以用下式表示：,式中n稱為倍頻程數。若n=1稱為倍頻程濾波器；若n=1/3，則稱為1/3倍頻程濾波器。,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,67,4-3 濾波器,濾波器關系式：,若為倍頻程濾波器，n=1，則Q=1.41； 若為1/3倍頻程濾波器， n=1/3，則Q=4.38； 若為1/5倍頻程濾波器， n=1/5，則Q=7.2。,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,68,4-3 濾波器,只要選定n值就可設計覆蓋給定頻率范圍的鄰接式濾波

36、器組。 例如對于n=1的倍頻程濾波器將是： 中心頻率(Hz) 16 31.5 63 125 250 帶寬(Hz) 11.05 22.09 44.19 88.36 176.75 又例如對于1/3倍頻程濾波器組將是： 中心頻率(Hz) 12.5 16 20 25 31.5 40 50 63 帶寬(Hz) 2.9 3.6 4.6 5.7 7.2 9.1 11. 5 14.5,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,69,4-3 濾波器,n=1的倍頻程濾波器組,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第

37、四章 信號調理與記錄,70,4-3 濾波器,恒帶寬濾波器,恒帶寬比濾波器，其通頻帶在低頻段內甚窄，而在高頻段內則較寬，因而濾波器組的頻率分辨力在低頻段較好，在高頻段則甚差。為使濾波器在所有頻段都具有同樣良好的頻率分辨力，可采用恒帶寬的濾波器。,為提高濾波器的分辨能力，帶寬應窄一些，這樣為覆蓋整個頻率范圍所需要的濾波器數量就很大。恒帶寬濾波器就不宜做成固定中心頻率的。,恒帶寬帶通濾波器,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,71,4-3 濾波器,2.中心頻率可調式 恒帶寬濾波器一般不用固定中心頻率與帶寬的并聯濾波器組實現，而是通過中

38、心頻率可調的掃描式帶通濾波器來實現。 掃描式頻率分析儀采用一個中心頻率可調的帶通濾波器，通過改變中心頻率使該濾波器的通帶跟隨所要分析的信號頻率范圍要求來變化。 調節(jié)方式可以是手動或外信號調節(jié)，如用于調節(jié)中心頻率的信號可由一個鋸齒波發(fā)生器來產生，用一個線性升高的電壓來控制中心頻率的連續(xù)變化。 由于在調節(jié)中心頻率過程中總希望不改變或不影響濾波器的增益及Q因子等參數，因此中心頻率的調節(jié)范圍是有限的。,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,72,4-3 濾波器,濾波器的應用,案例：旅游索道鋼纜檢測,DATE: 2021/3/19 星期五,

39、機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,73,4-3 濾波器,由案例提煉的典型實驗：鋼管無損探傷,濾除信號中的零漂和低頻晃動，便于門限報警,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,74,4-3 濾波器,案例：機床軸心軌跡的濾波處理,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章 信號調理與記錄,75,4-3 濾波器,案例：機床軸心軌跡的濾波處理,濾除信號中的高頻噪聲，以便于觀察軸心運動規(guī)律,DATE: 2021/3/19 星期五,機械工程測試技術基礎（第三版）段富海-第四章