第五章 信號調(diào)理電路ppt課件

1、第五章第五章 信號調(diào)理電路信號調(diào)理電路信號調(diào)理的意義何在？信號調(diào)理的意義何在？被測對象被測對象傳感器傳感器信號調(diào)理信號調(diào)理和處理和處理顯示記錄顯示記錄安裝安裝信息調(diào)理信息調(diào)理與提取與提取信號調(diào)理的目的是便于信號的傳輸與處理信號調(diào)理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)不能直接輸送到顯示、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(jìn)一步放大，有的還要進(jìn)行阻抗變記錄或分析儀器中去，需要進(jìn)一步放大，有的還要進(jìn)行阻抗變換。換。（放大電路）（放大電路）2.2.有些傳感器輸出的是電信號中混雜有干擾噪聲，需有些傳感器輸出的是電信號中混雜有干擾噪

2、聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。（濾波電路）要去掉噪聲，提高信噪比。（濾波電路）3.3.某些場合，為便于信號的遠(yuǎn)距離傳輸，需要某些場合，為便于信號的遠(yuǎn)距離傳輸，需要對傳感器測量信號進(jìn)行調(diào)制解調(diào)處理。（調(diào)制對傳感器測量信號進(jìn)行調(diào)制解調(diào)處理。（調(diào)制解調(diào)電路）解調(diào)電路） 本本 章章 內(nèi)內(nèi) 容容 調(diào)制與解調(diào)電路調(diào)制與解調(diào)電路 濾波器電路濾波器電路 電橋電路電橋電路電橋是將電阻、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。兼顧放大器的功能。出的一種測量電路。兼顧放大器的功能。按激勵電壓性質(zhì)按激勵電壓性質(zhì) 按輸出方式按輸出方式 直流電橋直流

3、電橋交流電橋交流電橋平衡電橋平衡電橋非平衡電橋非平衡電橋橋式測量電路簡單，具有較高的精確度和靈敏度，易于消除溫度和環(huán)境的影響。橋式測量電路簡單，具有較高的精確度和靈敏度，易于消除溫度和環(huán)境的影響。隨著集成電源電路的發(fā)展，直流電橋應(yīng)用日益廣泛。隨著集成電源電路的發(fā)展，直流電橋應(yīng)用日益廣泛。abcd1R2R3R4RyU0U1I2I04321423104340211URRRRRRRRURRRURRRUUUadbay若若R1R3=R2R4R1R3=R2R4，則輸出電壓必為零，則輸出電壓必為零，此時電橋處于平衡狀態(tài)，稱為平此時電橋處于平衡狀態(tài)，稱為平衡電橋。衡電橋。為簡化橋路設(shè)計，往往取四個橋臂初始阻值

4、相等。為簡化橋路設(shè)計，往往取四個橋臂初始阻值相等。當(dāng)電橋四個臂電阻均相等時，即當(dāng)電橋四個臂電阻均相等時，即 時，稱為等臂電橋。時，稱為等臂電橋。RRRRR4321當(dāng)四個橋臂均感受到不同程度的微小變化時，當(dāng)四個橋臂均感受到不同程度的微小變化時，)2)(2()()()()(432142314321044332211442233110RRRRRRRRRRRRRRRURRRRRRRRRRRRRRRRUUy一般情況下，一般情況下， ，化簡得到：，化簡得到：iRR)(443210RRRRRRRRUUy利用上式特點，可進(jìn)行溫度補(bǔ)償和提高測量利用上式特點，可進(jìn)行溫度補(bǔ)償和提高測量的靈敏度。的靈敏度。abcd1

5、R2R3R4RyU0U1I2I將將 作為輸入有的僅把作為輸入有的僅把 當(dāng)作當(dāng)作輸入），由此可以求得上述各種電橋輸入），由此可以求得上述各種電橋的靈敏度分別為的靈敏度分別為單臂：單臂：半橋：半橋：全橋：全橋：abcdyU0U1I2IR R1 1R R1 1R RR R4 44 4R RR R2 22 2R R3 3R R3 30014yRUUR0RRR1014SU0012yRUUR2012SU40SU00yRUUR顯然，電橋的接法不同，其靈敏度也不同。顯然，電橋的接法不同，其靈敏度也不同。0U根據(jù)工作中電阻值參與變化的橋臂的個數(shù)，根據(jù)工作中電阻值參與變化的橋臂的個數(shù)，將電橋分為：將電橋分為： 單

6、臂電橋、差動半橋、差動全橋單臂電橋、差動半橋、差動全橋直流電橋的加減特性與應(yīng)用直流電橋的加減特性與應(yīng)用1. 1. 橋路溫度補(bǔ)償橋路溫度補(bǔ)償2.2.在半橋測量中利用加減特性提高測量靈敏度、實現(xiàn)溫度補(bǔ)償在半橋測量中利用加減特性提高測量靈敏度、實現(xiàn)溫度補(bǔ)償3.3.全橋?qū)崿F(xiàn)溫度補(bǔ)償和提高測量靈敏度全橋?qū)崿F(xiàn)溫度補(bǔ)償和提高測量靈敏度采用交流激勵電壓。采用交流激勵電壓。四個橋臂可以是電感四個橋臂可以是電感L L、電容、電容C C或者電阻或者電阻R R，均用阻抗符號，均用阻抗符號Z Z表表示。示。jeZZ| 13241234()()yoZ ZZ ZUUZZZZ根據(jù)對直流電橋的討論可以寫出根據(jù)對直流電橋的討論可

7、以寫出電橋達(dá)到平衡時電橋達(dá)到平衡時1324Z ZZ Z交流電橋的平衡條件：交流電橋的平衡條件： |Z1|Z3|ej|Z1|Z3|ej1+31+3）=|Z2|Z4|ej=|Z2|Z4|ej2+42+4）即：即：|Z1|Z3|=|Z2|Z4| |Z1|Z3|=|Z2|Z4| ， 1+3 = 2 1+3 = 2 +4 +4 交流電橋平衡要滿足兩個條件，即：兩相對橋臂的阻抗交流電橋平衡要滿足兩個條件，即：兩相對橋臂的阻抗模的乘積相等模值平衡條件）；其阻抗角的和相等模的乘積相等模值平衡條件）；其阻抗角的和相等相角平衡條件）。相角平衡條件）。常用的交流電橋有：電容電橋、電感電橋。常用的交流電橋有：電容電橋

8、、電感電橋。n若電橋中有一對相鄰橋臂為電阻，根據(jù)平衡若電橋中有一對相鄰橋臂為電阻，根據(jù)平衡條件，其余二橋臂一定為（？）類的阻抗；條件，其余二橋臂一定為（？）類的阻抗； n若電橋中有二對邊橋臂為電阻，根據(jù)平衡條若電橋中有二對邊橋臂為電阻，根據(jù)平衡條件，其余二橋臂一定具有（？）類的阻抗。件，其余二橋臂一定具有（？）類的阻抗。交流電橋特點交流電橋特點 n如果四個橋臂均為電阻時，如果四個橋臂均為電阻時，1=3 = 1=3 = 2 =4=02 =4=0，如果忽略其它因素影響，交，如果忽略其它因素影響，交流電橋的平衡條件與直流電橋是完全一樣流電橋的平衡條件與直流電橋是完全一樣的。但在交流電橋的實際使用過程

9、中，影的。但在交流電橋的實際使用過程中，影響交流電橋測量精度及誤差的因素較之直響交流電橋測量精度及誤差的因素較之直流電橋要多得多。流電橋要多得多。n由于交流電橋的平衡必須同時滿足幅值與由于交流電橋的平衡必須同時滿足幅值與阻抗兩個條件，因此較之直流電橋的平衡阻抗兩個條件，因此較之直流電橋的平衡調(diào)節(jié)要復(fù)雜得多。調(diào)節(jié)要復(fù)雜得多。交流電橋特點交流電橋特點 一般情況下，交流電橋的供橋電源必須具有良好的電壓一般情況下，交流電橋的供橋電源必須具有良好的電壓波形和頻率穩(wěn)定度。若電源電壓波形畸變包含高次諧波形和頻率穩(wěn)定度。若電源電壓波形畸變包含高次諧波），則對于基波而言電橋平衡時，對于高次諧波，電波），則對于基

10、波而言電橋平衡時，對于高次諧波，電橋不一定平衡，因而會有高次諧波電壓輸出。橋不一定平衡，因而會有高次諧波電壓輸出。一般采用音頻交流電壓一般采用音頻交流電壓5 510kHZ10kHZ作為電橋電源。作為電橋電源。這時，電橋輸出將為調(diào)制波，外界工頻干擾不易從線路這時，電橋輸出將為調(diào)制波，外界工頻干擾不易從線路中引入，并且后接交流放大電路簡單無零漂。中引入，并且后接交流放大電路簡單無零漂。采用交流電橋時，必須注意影響測量誤差的一些因素。采用交流電橋時，必須注意影響測量誤差的一些因素。如：電橋中元件之間的互感影響；無感電阻的殘余阻抗；如：電橋中元件之間的互感影響；無感電阻的殘余阻抗；鄰近交流電路對電橋的

11、感應(yīng)作用；泄漏電阻以及元件之間、鄰近交流電路對電橋的感應(yīng)作用；泄漏電阻以及元件之間、元件與地之間的分布電容等。元件與地之間的分布電容等。x(t)x(t)0 0t tVER1R3R2R4一般說來，需要進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸?shù)男盘柖贾徽紦?jù)有限的頻帶，一般說來，需要進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸?shù)男盘柖贾徽紦?jù)有限的頻帶，且都位于低頻或較低的頻段內(nèi)。且都位于低頻或較低的頻段內(nèi)。而在遠(yuǎn)程傳輸中，作為傳輸?shù)耐ǖ兰芸彰骶€、電纜、光纜而在遠(yuǎn)程傳輸中，作為傳輸?shù)耐ǖ兰芸彰骶€、電纜、光纜和自由空間等都有最適合用于傳輸信號的頻率范圍，并與和自由空間等都有最適合用于傳輸信號的頻率范圍，并與信號本身的頻帶相比，都位于高頻范圍內(nèi)，且實際信道的有信號

12、本身的頻帶相比，都位于高頻范圍內(nèi)，且實際信道的有用帶寬范圍通常要遠(yuǎn)寬于信號的帶寬。用帶寬范圍通常要遠(yuǎn)寬于信號的帶寬。為了解決信號與傳輸通路之間的不匹配的問題，一般利用調(diào)為了解決信號與傳輸通路之間的不匹配的問題，一般利用調(diào)制技術(shù)。制技術(shù)。n 借助于無線電通信的原理借助于無線電通信的原理n 概念是把調(diào)制信號如講話、音樂最高頻率達(dá)概念是把調(diào)制信號如講話、音樂最高頻率達(dá)20kHz20kHz調(diào)制到一個無線電臺發(fā)射的簡單載波信號如調(diào)制到一個無線電臺發(fā)射的簡單載波信號如104.3MHz104.3MHz上，上，n 這種調(diào)制的優(yōu)點之一是無線電臺可以利用不同的發(fā)射頻這種調(diào)制的優(yōu)點之一是無線電臺可以利用不同的發(fā)射頻

13、率率n 選擇想得到的電臺后，接收器通過解調(diào)過程恢復(fù)基帶信選擇想得到的電臺后，接收器通過解調(diào)過程恢復(fù)基帶信號并傳給揚(yáng)聲器。號并傳給揚(yáng)聲器。調(diào)調(diào) 制制緩變信號變成高頻交變信號的過程緩變信號變成高頻交變信號的過程 解解 調(diào)調(diào)從高頻信號中恢復(fù)出原緩變信號的過程。從高頻信號中恢復(fù)出原緩變信號的過程。根據(jù)載波較高頻率的交變信號信號受調(diào)制的參數(shù)的不同，根據(jù)載波較高頻率的交變信號信號受調(diào)制的參數(shù)的不同，調(diào)制可分為調(diào)幅調(diào)制可分為調(diào)幅AM AM ）、調(diào)頻）、調(diào)頻FM FM ）、調(diào)相）、調(diào)相PM PM ） 。工程測試技術(shù)中常用以正余弦波為載波信號，用待傳輸處理工程測試技術(shù)中常用以正余弦波為載波信號，用待傳輸處理的信

14、號對其進(jìn)行幅值、頻率、相位調(diào)制。的信號對其進(jìn)行幅值、頻率、相位調(diào)制。調(diào)幅過程就是將測量信號調(diào)調(diào)幅過程就是將測量信號調(diào)制波與高頻正弦或余弦信號制波與高頻正弦或余弦信號載波相乘，使高頻載波的載波相乘，使高頻載波的幅值隨測量信號的變化而變化。幅值隨測量信號的變化而變化。時域分析時域分析調(diào)幅原理：高頻交變調(diào)幅原理：高頻交變載波信號與被測調(diào)制載波信號與被測調(diào)制信號在時域上進(jìn)行乘信號在時域上進(jìn)行乘法運(yùn)算。使高頻信號法運(yùn)算。使高頻信號的幅值隨測試信號的的幅值隨測試信號的變化而變化。變化而變化。 調(diào)制器調(diào)制器 （乘法器）（乘法器）調(diào)制調(diào)制信號信號載波載波調(diào)幅波調(diào)幅波)(txtfty02cos)(tftxtxm

15、02cos)()(由傅立葉變換的性質(zhì)知：在時域中兩個信號相乘，則對應(yīng)在由傅立葉變換的性質(zhì)知：在時域中兩個信號相乘，則對應(yīng)在頻域中這兩個信號進(jìn)行卷積，即頻域中這兩個信號進(jìn)行卷積，即 *x t y tXfYf00011cos222f tffff 00011cos2*22x tf tXfffXfff即調(diào)制后的結(jié)果就相當(dāng)于把原信號的頻譜圖形由原點平移至即調(diào)制后的結(jié)果就相當(dāng)于把原信號的頻譜圖形由原點平移至載波頻率載波頻率 處，幅值減半。處，幅值減半。 00011cos2*22x tf tXfffXfff0f由脈沖函數(shù)的卷積性質(zhì)知：一個函數(shù)與單位脈沖函數(shù)卷積的結(jié)由脈沖函數(shù)的卷積性質(zhì)知：一個函數(shù)與單位脈沖函

16、數(shù)卷積的結(jié)果，就是將其以坐標(biāo)原點為中心的頻譜平移到該脈沖函數(shù)處。果，就是將其以坐標(biāo)原點為中心的頻譜平移到該脈沖函數(shù)處。時域分析時域分析頻域分析頻域分析f0f0fm-fm)()()()()(000ffXf dffffXfffX從調(diào)幅原理看，載波頻率從調(diào)幅原理看，載波頻率 必須高于原必須高于原信號中的最高頻率信號中的最高頻率 才能使已調(diào)波仍才能使已調(diào)波仍保持原信號的頻譜圖形，不致重疊。保持原信號的頻譜圖形，不致重疊。 為了減小放大電路可能引起的失真，信為了減小放大電路可能引起的失真，信號的頻寬號的頻寬 相對中心頻率載波頻率相對中心頻率載波頻率 ）應(yīng)越小越好。應(yīng)越小越好。在實際應(yīng)用中，載波頻率在實際

17、應(yīng)用中，載波頻率 常常至少在常常至少在調(diào)制信號上限頻率調(diào)制信號上限頻率 的十倍以上。的十倍以上。但是載波頻率的提高也受到放大電路截但是載波頻率的提高也受到放大電路截止頻率的限制。止頻率的限制。0f2mf頻域分析頻域分析f0f0fm-fmmf0fmf0f調(diào)幅裝置實質(zhì)上是一個乘法器，現(xiàn)在已有性能良好的線性調(diào)幅裝置實質(zhì)上是一個乘法器，現(xiàn)在已有性能良好的線性乘法器組件。乘法器組件。電橋本質(zhì)上也是一個乘法器，當(dāng)單臂電橋工作時，設(shè)供橋電橋本質(zhì)上也是一個乘法器，當(dāng)單臂電橋工作時，設(shè)供橋電源電壓為高頻正弦波（電源電壓為高頻正弦波（ ），即載波），即載波kHzf100tfKUtfURRuy00002sin412

18、sin41可見，經(jīng)過電橋調(diào)幅后，原載波信號的幅值被應(yīng)變大小可見，經(jīng)過電橋調(diào)幅后，原載波信號的幅值被應(yīng)變大小 調(diào)調(diào)制并且相位也隨制并且相位也隨 的正負(fù)而變化。的正負(fù)而變化。tfUu0002sin等幅載波信號：等幅載波信號：電橋調(diào)幅后信號：電橋調(diào)幅后信號：乘法器乘法器低通低通載波載波y(t)調(diào)幅波調(diào)幅波 mxtn 同步解調(diào)法：用已調(diào)制波再與原載波信號相同步解調(diào)法：用已調(diào)制波再與原載波信號相乘一次乘一次 ，以復(fù)現(xiàn)原信號的頻譜幅值減小為一，以復(fù)現(xiàn)原信號的頻譜幅值減小為一半）半） ，“同步指解調(diào)時所乘的信號與調(diào)制時同步指解調(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。的載波信號具有相同的頻率和相

19、位。000( )( ) cos2( ) cos2cos2mg tx tf tx tf tf tg(t)tftxtxtg04cos)(21)(21)(00111( )( )(2 )(2 )244G fX fX ffX ff據(jù)傅里葉變換性質(zhì)可得：據(jù)傅里葉變換性質(zhì)可得：若用一個低通濾波器濾去中心若用一個低通濾波器濾去中心頻率為頻率為 的高頻成分，那的高頻成分，那么將可以復(fù)現(xiàn)原信號的頻譜么將可以復(fù)現(xiàn)原信號的頻譜幅值減小為一半），若用放幅值減小為一半），若用放大處理來補(bǔ)償幅值減小，可得大處理來補(bǔ)償幅值減小，可得到原調(diào)制信號。到原調(diào)制信號。02 f同步解調(diào)法，要使調(diào)幅波和載波相乘，乘后通過低通濾波器，同步

20、解調(diào)法，要使調(diào)幅波和載波相乘，乘后通過低通濾波器，這樣做需要線性良好的線性乘法器件。這樣做需要線性良好的線性乘法器件。n包絡(luò)檢波法整流檢波法）：若把調(diào)制信號包絡(luò)檢波法整流檢波法）：若把調(diào)制信號x(t)x(t)進(jìn)行偏置，疊加一個直流分量進(jìn)行偏置，疊加一個直流分量A A，使偏置，使偏置后的信號都具有正電壓，此時調(diào)幅波表達(dá)式為后的信號都具有正電壓，此時調(diào)幅波表達(dá)式為 0( )( )cos2mxtAx tf t其調(diào)幅波的包絡(luò)線具有原信號形其調(diào)幅波的包絡(luò)線具有原信號形狀。一般對于調(diào)幅波采用整流、狀。一般對于調(diào)幅波采用整流、濾波以后，就可以恢復(fù)原信號濾波以后，就可以恢復(fù)原信號若疊加了直流分量，則須準(zhǔn)確若疊

21、加了直流分量，則須準(zhǔn)確地減去該直流分量）。地減去該直流分量）。 需：準(zhǔn)確疊加偏置電壓直流電壓）。否則，需采用相敏檢波技術(shù)。需：準(zhǔn)確疊加偏置電壓直流電壓）。否則，需采用相敏檢波技術(shù)。包絡(luò)檢波就是建立在整流的原理基礎(chǔ)上的包絡(luò)檢波就是建立在整流的原理基礎(chǔ)上的若所加的偏置電壓未能使信號電壓都在零線的一側(cè)，則對調(diào)若所加的偏置電壓未能使信號電壓都在零線的一側(cè)，則對調(diào)幅波簡單地整流不能恢復(fù)原調(diào)制信號。相敏檢波技術(shù)可解決幅波簡單地整流不能恢復(fù)原調(diào)制信號。相敏檢波技術(shù)可解決此問題。此問題。相敏檢波的原理是：調(diào)制相敏檢波的原理是：調(diào)制信號在其過零線時符號信號在其過零線時符號（、）發(fā)生突變，調(diào)（、）發(fā)生突變，調(diào)幅波

22、的相位與載波比較也幅波的相位與載波比較也相應(yīng)地發(fā)生相應(yīng)地發(fā)生18001800的跳變。的跳變。利用載波信號為參考信號，利用載波信號為參考信號，與調(diào)幅波比相，這樣既能與調(diào)幅波比相，這樣既能反映出原信號的幅值又能反映出原信號的幅值又能反映其極性。反映其極性。n 相敏檢波法：相敏檢波法： 開關(guān)式全波相敏檢波電路開關(guān)式全波相敏檢波電路相敏檢波電路主要有：半波相敏檢波、全波相敏檢波。相敏檢波電路主要有：半波相敏檢波、全波相敏檢波。相敏檢波器是一種能根據(jù)調(diào)幅波和載波的相位差判別調(diào)制信號極性相敏檢波器是一種能根據(jù)調(diào)幅波和載波的相位差判別調(diào)制信號極性的解調(diào)器，它適合對各種類型的調(diào)幅波進(jìn)行解調(diào)。的解調(diào)器，它適合對

23、各種類型的調(diào)幅波進(jìn)行解調(diào)。 對于具有極性或方向性的被測量，經(jīng)調(diào)制后要想正確地恢復(fù)原有的對于具有極性或方向性的被測量，經(jīng)調(diào)制后要想正確地恢復(fù)原有的信號波形，必須采用相敏檢波的方法。信號波形，必須采用相敏檢波的方法。調(diào)頻頻率調(diào)制是利用信號電調(diào)頻頻率調(diào)制是利用信號電壓的幅值控制一個振蕩器，振蕩壓的幅值控制一個振蕩器，振蕩器輸出的是等幅波，但其振蕩頻器輸出的是等幅波，但其振蕩頻率偏移量和信號電壓成正比。率偏移量和信號電壓成正比。當(dāng)信號電壓為零時，調(diào)頻波的頻率等于中心頻率載波頻當(dāng)信號電壓為零時，調(diào)頻波的頻率等于中心頻率載波頻率）；信號電壓為正值時頻率提高，負(fù)值時則降低。所以調(diào)率）；信號電壓為正值時頻率提

24、高，負(fù)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。頻波是隨信號而變化的疏密不等的等幅波。調(diào)頻波的瞬時頻率為：調(diào)頻波的瞬時頻率為：0fff 載波頻率，也稱為中心頻率載波頻率，也稱為中心頻率頻率偏移，與調(diào)制信號的幅值成正比。頻率偏移，與調(diào)制信號的幅值成正比。0ff為了保證測量精度，對應(yīng)于零信號的載波中心頻率應(yīng)遠(yuǎn)高于為了保證測量精度，對應(yīng)于零信號的載波中心頻率應(yīng)遠(yuǎn)高于信號的最高頻率成分。信號的最高頻率成分。優(yōu)點：抗干擾能力強(qiáng)優(yōu)點：抗干擾能力強(qiáng) 因為調(diào)頻信號所攜帶的信息包含在頻率變化之中，并因為調(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。非

25、振幅之中，而干擾波的干擾作用則主要表現(xiàn)在振幅之中。缺陷：占頻帶寬度大，復(fù)雜缺陷：占頻帶寬度大，復(fù)雜 調(diào)頻波通常要求很寬的頻帶，甚至為調(diào)幅所要求帶寬調(diào)頻波通常要求很寬的頻帶，甚至為調(diào)幅所要求帶寬的的2020倍；調(diào)頻系統(tǒng)較之調(diào)幅系統(tǒng)復(fù)雜。倍；調(diào)頻系統(tǒng)較之調(diào)幅系統(tǒng)復(fù)雜。實現(xiàn)調(diào)頻的方法：（自學(xué)）實現(xiàn)調(diào)頻的方法：（自學(xué)）n 直接調(diào)頻測量電路直接調(diào)頻測量電路CL如圖為如圖為LCLC振蕩器原理圖。若把電容或振蕩器原理圖。若把電容或電感作為諧振回路中的一個調(diào)諧參數(shù)，電感作為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：那么電路的諧振頻率將是：12fLC設(shè)電容器初始電容為設(shè)電容器初始電容為 時，振蕩器頻率為

26、時，振蕩器頻率為 ，且電容變化，且電容變化量量 ，那么，那么 引起的頻率偏移引起的頻率偏移 000(1)2CffffC 0012ffCC 可見，在小范圍內(nèi)，回路的諧振頻率被測量的變化近似成線性關(guān)可見，在小范圍內(nèi)，回路的諧振頻率被測量的變化近似成線性關(guān)系。系。0C0f0CCC實現(xiàn)調(diào)頻的方法：（自學(xué)）實現(xiàn)調(diào)頻的方法：（自學(xué)）n 壓控振蕩器壓控振蕩器壓控振蕩器壓控振蕩器VCO(Voltage Controlled Oscillator) VCO(Voltage Controlled Oscillator) 是一種是一種將電平變換為相應(yīng)頻率的脈沖變換電路。將電平變換為相應(yīng)頻率的脈沖變換電路。它被廣泛地

27、應(yīng)用在自動控制，自動測量與檢測等技術(shù)領(lǐng)域。它被廣泛地應(yīng)用在自動控制，自動測量與檢測等技術(shù)領(lǐng)域。壓控振蕩器的輸出頻率與輸入的控制電壓值成線性關(guān)系。壓控振蕩器的輸出頻率與輸入的控制電壓值成線性關(guān)系。是將頻率變化恢復(fù)成調(diào)制信號電壓幅值變化的過程。是將頻率變化恢復(fù)成調(diào)制信號電壓幅值變化的過程。測試儀器常用的鑒頻方法是鑒頻法。測試儀器常用的鑒頻方法是鑒頻法。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濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定頻率成分通過，濾波器是一種選頻裝置，可以使信號中特定頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分。而極大地衰減其他頻率成分。 作用：選頻作用。作用：選頻作用。 濾除干

28、擾噪聲；濾除干擾噪聲； 對信號作頻譜分析對信號作頻譜分析機(jī)床軸心軌跡機(jī)床軸心軌跡的濾波處理的濾波處理按濾波器的選頻作用分類按濾波器的選頻作用分類2. 2. 分類：分類：按所處理信號的性質(zhì)：按所處理信號的性質(zhì)： 模擬濾波器模擬濾波器 數(shù)字濾波數(shù)字濾波器器按構(gòu)成電路性質(zhì)按構(gòu)成電路性質(zhì) 有源濾波器有源濾波器 無源濾波器無源濾波器 RC諧振濾波器諧振濾波器按構(gòu)成元件類型按構(gòu)成元件類型 LC諧振濾波器諧振濾波器 晶體諧振濾波器晶體諧振濾波器理想濾波器在物理上是不能實現(xiàn)的，但對深入了解濾波器的理想濾波器在物理上是不能實現(xiàn)的，但對深入了解濾波器的傳輸特性是有作用的。傳輸特性是有作用的。根據(jù)線性系統(tǒng)不失真?zhèn)鬏?/p>

29、條件，理想測量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函根據(jù)線性系統(tǒng)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：數(shù)應(yīng)是： 0200jftA eHfcff其它其它 020jftHfA e若濾波器的頻率響應(yīng)滿足下列條件若濾波器的頻率響應(yīng)滿足下列條件稱為理想低通濾波器。稱為理想低通濾波器。 0200jftA eHfcff其它其它理想低通濾波器：理想低通濾波器：理想低通濾波器的脈沖響應(yīng)理想低通濾波器的脈沖響應(yīng)由圖可知，理想低通濾波器是不能實現(xiàn)的。由圖可知，理想低通濾波器是不能實現(xiàn)的。可以推論，理想的高通、帶通、帶阻濾波器都是不存在的?？梢酝普?，理想的高通、帶通、帶阻濾波器都是不存在的。緣由：從緣由：從h(t)看，看，t0時

30、已有值。時已有值。u 理想濾波器的階躍響應(yīng)理想濾波器的階躍響應(yīng)討論理想濾波器以樹立關(guān)于濾波器的通頻帶寬討論理想濾波器以樹立關(guān)于濾波器的通頻帶寬B B和建立比較穩(wěn)和建立比較穩(wěn)定的輸出所需要的時間定的輸出所需要的時間Te Te 之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。給理想低通濾波器以單位階躍輸入給理想低通濾波器以單位階躍輸入u(t)u(t)，濾波器的輸出，濾波器的輸出y(t)y(t)將是將是該輸入和脈沖響應(yīng)函數(shù)該輸入和脈沖響應(yīng)函數(shù)h(t)h(t)的卷積：的卷積：如果我們定義輸出由最小值到最大值如果我們定義輸出由最小值到最大值所需要的時間為建立時間：所需要的時間為建立時間： *y th tu t1ecTf低通濾波

31、器的帶寬：低通濾波器的帶寬：()2cccBfff 低通濾波器對階躍響應(yīng)建立時間：低通濾波器對階躍響應(yīng)建立時間：1ecTfeT濾波器的帶寬表示它的分辨能力，帶寬越窄則分辨力越高。濾波器的帶寬表示它的分辨能力，帶寬越窄則分辨力越高?？梢?，濾波器的高分辨力與測量時快速響應(yīng)的要求是互相矛可見，濾波器的高分辨力與測量時快速響應(yīng)的要求是互相矛盾的。盾的。低通濾波器對階躍響應(yīng)的建立時間低通濾波器對階躍響應(yīng)的建立時間 和帶寬和帶寬B B 成反比。成反比。這一結(jié)論對其它濾波器高通、帶通、帶阻也適用。這一結(jié)論對其它濾波器高通、帶通、帶阻也適用。u 1. 1. 實際濾波器的基本參數(shù)實際濾波器的基本參數(shù)1 1紋波幅度

32、紋波幅度d d：繞幅頻特性均：繞幅頻特性均值值A(chǔ)0A0波動值波動值0/2dA2 2截止頻率截止頻率fcfc：幅頻特性值等：幅頻特性值等于于 所對應(yīng)的頻率，即相所對應(yīng)的頻率，即相對于對于 衰減衰減-3dB -3dB 。若以信號的。若以信號的幅值平方表示信號功率，則該幅值平方表示信號功率，則該頻率對應(yīng)的點為半功率點。頻率對應(yīng)的點為半功率點。 02A0Au 1. 1. 實際濾波器的基本參數(shù)實際濾波器的基本參數(shù)3 3帶寬帶寬B B：上下截止頻率之間：上下截止頻率之間的頻率范圍的頻率范圍 ，又稱，又稱-3dB-3dB帶寬也稱半功率帶寬）。帶寬也稱半功率帶寬）。帶寬表示濾波器的分辨能力帶寬表示濾波器的分辨

33、能力 12ccffB4 4品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)Q Q：中心頻率和帶寬之比稱為品質(zhì)因數(shù)：中心頻率和帶寬之比稱為品質(zhì)因數(shù)其中中心頻率其中中心頻率品質(zhì)因數(shù)也用來衡量濾波器分離相鄰頻率成分的能力。品質(zhì)因數(shù)也用來衡量濾波器分離相鄰頻率成分的能力。 值越值越大，濾波器的分辨力越高。大，濾波器的分辨力越高。 BfQn21 ccnfff Q（5 5倍頻程選擇性：是指在上截止頻率倍頻程選擇性：是指在上截止頻率fc2fc2與與2fc22fc2之間，之間，或者在下截止頻率或者在下截止頻率fc1fc1與與fc1/2fc1/2之間幅頻特性的衰減量，即之間幅頻特性的衰減量，即頻率變化一個倍頻程時的衰減量。倍頻程選擇性是描述對

34、頻率變化一個倍頻程時的衰減量。倍頻程選擇性是描述對帶寬外頻率成分衰減的能力，以分貝數(shù)為單位。顯然，帶寬外頻率成分衰減的能力，以分貝數(shù)為單位。顯然， 衰衰減越快，濾波選擇性越好。減越快，濾波選擇性越好。 （6 6濾波器因數(shù)矩形因數(shù)）濾波器因數(shù)矩形因數(shù)） ：濾波器選擇性的另一：濾波器選擇性的另一種表示方法，是濾波器種表示方法，是濾波器-60dB-60dB處的帶寬處的帶寬B-60dBB-60dB與與-3dB-3dB處的處的帶寬帶寬B-3dBB-3dB的比值。理想濾波器的的比值。理想濾波器的 1 1；通常使用的濾波；通常使用的濾波器器11 55。 dBdBBB360)()21(lg20)()2(lg2

35、01122ccccfAfAfAfA或在測試系統(tǒng)中，常用在測試系統(tǒng)中，常用RCRC濾波器。因為這一領(lǐng)域中信號頻率相濾波器。因為這一領(lǐng)域中信號頻率相對來說不高。而對來說不高。而RCRC濾波器電路簡單，抗干擾強(qiáng)，有較好的低濾波器電路簡單，抗干擾強(qiáng)，有較好的低頻性能，并且選用標(biāo)準(zhǔn)阻容元件頻性能，并且選用標(biāo)準(zhǔn)阻容元件 。根據(jù)構(gòu)成濾波器的電路性質(zhì)，可分為無源濾波器和有源濾波根據(jù)構(gòu)成濾波器的電路性質(zhì)，可分為無源濾波器和有源濾波器。器。 u 2. RC 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yyxduRCuudt令令 =RC =RC，稱時間常數(shù)，稱時間常數(shù)fjfH211)(濾波器的傳遞函數(shù)為：

36、濾波器的傳遞函數(shù)為： 11yxUsH sUssn 一階一階RCRC低通濾波器低通濾波器u RC RC無源濾波器無源濾波器2)2(11)(ffAfarctgf2)(RCf21 ：A(f)=1,(f)-f A(f)=1,(f)-f 近似于一條通過原點的直線。近似于一條通過原點的直線。 此時，此時，RCRC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)。 RCf21 21fARCfc212RCRC值決定著上截止頻率，適當(dāng)改變此值，可以改變?yōu)V波器的截止頻值決定著上截止頻率，適當(dāng)改變此值，可以改變?yōu)V波器的截止頻率率RCf21dtuRCuxy1RCRC低通濾波器起著積分器的作用低通濾波器起

37、著積分器的作用fjfH211)(n RC RC高通濾波器高通濾波器xyyudtuRCu1濾波器的傳遞函數(shù)為：濾波器的傳遞函數(shù)為：fjfjfH212)(A ffffarctgf( )()( )212122 令令 =RC =RC，稱時間常數(shù)，稱時間常數(shù) 1sH ssRC高通濾波器可視為不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)高通濾波器可視為不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng) 1fA 0fRC值決定著下截止頻率值決定著下截止頻率 21fARCfc211RCf21RCf21RC高通濾波器起著微分器的作用。高通濾波器起著微分器的作用。RCf21A ffffarctgf( )()( )212122 fjfjfH212)(n RC RC帶通濾波器帶通濾

38、波器帶通濾波器可看成是低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)組成。帶通濾波器可看成是低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)組成。串聯(lián)所得的帶通濾波器以原高通濾波器的截止頻率為下截止串聯(lián)所得的帶通濾波器以原高通濾波器的截止頻率為下截止頻率，即頻率，即 其上截止頻率為原低通的截止頻率，其上截止頻率為原低通的截止頻率，即即1112cf2212cf分別調(diào)節(jié)高、低通環(huán)節(jié)的時間常數(shù)（分別調(diào)節(jié)高、低通環(huán)節(jié)的時間常數(shù)（ 及及 ），就可得到），就可得到不同的上、下截止頻率和帶寬的帶通濾波器。不同的上、下截止頻率和帶寬的帶通濾波器。12n濾波器的級聯(lián)濾波器的級聯(lián)濾波器的級聯(lián)就是為了加強(qiáng)濾波效果。濾波器的級聯(lián)就是為了加強(qiáng)濾波效果。兩個中心

39、頻率相同的濾波器級聯(lián)，總幅頻特性是其各自幅頻兩個中心頻率相同的濾波器級聯(lián)，總幅頻特性是其各自幅頻特性的乘積，因此通帶外的頻率成分將有更大的衰減斜率。特性的乘積，因此通帶外的頻率成分將有更大的衰減斜率。高階濾波器就是低階濾波器級聯(lián)而成的。高階濾波器就是低階濾波器級聯(lián)而成的。但該方法會帶來明顯的負(fù)載效應(yīng)和相移增大等問題。但該方法會帶來明顯的負(fù)載效應(yīng)和相移增大等問題。為此，更有效地方法是采用有源濾波器。為此，更有效地方法是采用有源濾波器。u RC RC有源濾波器有源濾波器有源濾波器由有源濾波器由RC調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)放組成。運(yùn)放既可以起極間隔調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)放組成。運(yùn)放既可以起極間隔離作用，又可以起幅值放大作

40、用。離作用，又可以起幅值放大作用。隔離負(fù)載影響、隔離負(fù)載影響、提高增益和帶提高增益和帶負(fù)載能力負(fù)載能力為了對信號進(jìn)行頻譜分析，為了對信號進(jìn)行頻譜分析，或摘取信號中某些特殊頻率或摘取信號中某些特殊頻率成分，可將信號通過放大倍成分，可將信號通過放大倍數(shù)相同但中心頻率不同的多數(shù)相同但中心頻率不同的多個帶通濾波器，從而各濾波個帶通濾波器，從而各濾波器的輸出反映信號中在該通器的輸出反映信號中在該通帶頻率范圍內(nèi)的量值，因而帶頻率范圍內(nèi)的量值，因而可分析信號中所含的各頻率可分析信號中所含的各頻率成分。成分。 將圖中各個濾波器依次接通，各將圖中各個濾波器依次接通，各濾波器的輸出將反映瞬時獲得信濾波器的輸出將反

41、映瞬時獲得信號的頻譜結(jié)構(gòu)。從而稱為實時譜號的頻譜結(jié)構(gòu)。從而稱為實時譜分析。分析。對用于譜分析的濾波器組，各濾對用于譜分析的濾波器組，各濾波器的通帶應(yīng)該相互連接，覆蓋波器的通帶應(yīng)該相互連接，覆蓋整個感興趣的頻率范圍，這樣才整個感興趣的頻率范圍，這樣才不致使信號中的頻率成分不致使信號中的頻率成分“喪失喪失”。通常的做法是：前一個濾波器的上截止頻率高端就是后通常的做法是：前一個濾波器的上截止頻率高端就是后一個濾波器的下截止頻率低端），這樣一組濾波器將覆蓋一個濾波器的下截止頻率低端），這樣一組濾波器將覆蓋整個頻率范圍，也是鄰接的。當(dāng)然，濾波器組應(yīng)具有同樣的整個頻率范圍，也是鄰接的。當(dāng)然，濾波器組應(yīng)具有

42、同樣的放大倍數(shù)對其各個中心頻率而言）。放大倍數(shù)對其各個中心頻率而言）。在作信號頻譜分析時，這組并聯(lián)在作信號頻譜分析時，這組并聯(lián)的、增益相同而中心頻率不同的的、增益相同而中心頻率不同的帶通濾波器的帶寬遵循一定得規(guī)帶通濾波器的帶寬遵循一定得規(guī)則取值，通常用兩種方法構(gòu)成常則取值，通常用兩種方法構(gòu)成常見的帶通濾波器組：見的帶通濾波器組：（1恒帶寬比濾波器恒帶寬比濾波器（2恒帶寬濾波器恒帶寬濾波器（一恒帶寬比濾波器（一恒帶寬比濾波器相對帶寬為常數(shù)：相對帶寬為常數(shù)： 為常數(shù)為常數(shù)濾波器的中心頻率越高，其帶寬越大。濾波器的中心頻率越高，其帶寬越大。2100iciciiiBffCff實現(xiàn)恒帶寬比濾波器的方式常

43、采用倍頻程帶通濾波器，實現(xiàn)恒帶寬比濾波器的方式常采用倍頻程帶通濾波器，它的上、下截止頻率之間應(yīng)滿足以下關(guān)系：它的上、下截止頻率之間應(yīng)滿足以下關(guān)系：122cncffn n為倍頻程數(shù)，若為倍頻程數(shù)，若n=1n=1，稱倍頻程濾波器；，稱倍頻程濾波器；n=1/3n=1/3，稱，稱1/31/3倍頻程濾波器，依此類推。倍頻程濾波器，依此類推。 濾波器的中心頻率：濾波器的中心頻率： 012ccff f因此，只要根據(jù)分析的要求選定一個因此，只要根據(jù)分析的要求選定一個n n值，便可設(shè)計覆值，便可設(shè)計覆蓋給定范圍的鄰接式濾波器組。蓋給定范圍的鄰接式濾波器組。例：有一個例：有一個1/31/3倍頻程帶通濾波器，其中心

44、頻率為倍頻程帶通濾波器，其中心頻率為80Hz80Hz，求上、下截止頻率。求上、下截止頻率。例：試設(shè)計一個鄰接式的例：試設(shè)計一個鄰接式的1/31/3倍頻程譜分析裝置，其頻倍頻程譜分析裝置，其頻率覆蓋范圍為率覆蓋范圍為11Hz11Hz35Hz35Hz），求其中心頻率和帶寬。），求其中心頻率和帶寬。DM5731DM5731型三分之一倍頻程帶通濾波器型三分之一倍頻程帶通濾波器適用于電聲測量的測量濾波器，在適用于電聲測量的測量濾波器，在20Hz至至20kHz的頻率范圍內(nèi)的頻率范圍內(nèi)具有具有31段按照段按照1/3倍頻程頻率點分布的帶通濾波器倍頻程頻率點分布的帶通濾波器，其性能要求符合，其性能要求符合GB/

45、T3241-2019倍頻程倍頻程和分?jǐn)?shù)倍頻程濾波器和分?jǐn)?shù)倍頻程濾波器及及IEC61260：2019倍頻程和分?jǐn)?shù)倍頻程濾波器倍頻程和分?jǐn)?shù)倍頻程濾波器(IEC61260:2019Electroacoustics-Octavebandandfractionaloctavebandfilters)標(biāo)準(zhǔn)的要求。標(biāo)準(zhǔn)的要求。該儀器具有線性、該儀器具有線性、A計權(quán)及中心頻率為計權(quán)及中心頻率為20Hz、25Hz、31.5Hz、40Hz、50Hz、63Hz、80Hz、100Hz、125Hz、160Hz、200Hz、250Hz、315Hz、400Hz、500Hz、630Hz、800Hz、1000Hz、1250Hz

46、、1600Hz、2000Hz、2500Hz、3150Hz、4000Hz、5000Hz、6300Hz、8000Hz、10000Hz、12500Hz、16000Hz、20000Hz的帶通濾波器。的帶通濾波器。該儀器采用三位該儀器采用三位LED數(shù)碼管顯示濾波器的中心頻率，濾波器的選通按鍵為輕觸數(shù)碼管顯示濾波器的中心頻率，濾波器的選通按鍵為輕觸型開關(guān)，并有指示燈顯示選中的濾波器，整機(jī)外形尺寸為型開關(guān)，并有指示燈顯示選中的濾波器，整機(jī)外形尺寸為420 x99x100(mm)。DM57311A型三分之一倍頻程帶通濾波器是型三分之一倍頻程帶通濾波器是DM5731型的經(jīng)濟(jì)型版，其性能指標(biāo)型的經(jīng)濟(jì)型版，其性能指標(biāo)要求和外形尺寸與要求和外形尺寸與DM5731型完全相同，不同的是型完全相同，不同的是5731A型濾波器選通開關(guān)采用型濾波器選通開關(guān)采用的是按鍵開關(guān)，并簡化了儀器內(nèi)部的邏輯控制電路，以適合不同的用戶需求。的是按鍵開關(guān)，并簡化了儀器內(nèi)部的邏輯控制電路，以適合不同的用戶需求。恒帶寬比濾波器的濾波性能在低頻恒帶寬比濾波器的濾波性能在低頻段較好，但在高頻段由于其帶寬增段較好，但在高頻段由于其帶寬增大而變壞，使頻率分辨力下降。大而變壞，使頻率分辨力下降。因此，為使濾波器在所有頻率段均因此，為使濾波器在所有頻率段均具有良好的頻率分辨