第四章 信號(hào)調(diào)理與記錄ppt課件

1、山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第第4章章 信號(hào)的調(diào)理與記錄信號(hào)的調(diào)理與記錄 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。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第一節(jié)第一節(jié) 電橋電橋電橋電橋 將電阻、電容、電感等參數(shù)的變將電阻、電容、電感等參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出的一種測(cè)量化轉(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幅

2、度變化，從而將電參量變化的信息加到輸出電壓信號(hào)上，其能量由工作加到輸出電壓信號(hào)上，其能量由工作電源提供。電源提供。電橋電路簡(jiǎn)單可靠，具有很高的精度電橋電路簡(jiǎn)單可靠，具有很高的精度和靈敏度和靈敏度被廣泛的用作儀器測(cè)量電路。被廣泛的用作儀器測(cè)量電路。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院電橋按其所使用的激勵(lì)電源類型 直流電橋交流電橋按其工作原理 平衡電橋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山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 一、直流電橋一、直流電橋圖圖41 直流電橋的基本結(jié)構(gòu)形式直流電橋的基本結(jié)構(gòu)形式 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 當(dāng)輸入端后接輸入阻抗較大的儀表或放大電路時(shí)，可視為開當(dāng)輸入端后接輸入阻抗較大的儀表或

3、放大電路時(shí)，可視為開路，其輸出電流為零，此時(shí)有路，其輸出電流為零，此時(shí)有 111012abRUI RURR0234UIRR0112UIRRa與b之間和a與d之間的電位差分別為424034adRUI RURR由此可得輸出電壓13241400012341234()()()yabadR RR RRRUUUUUURRRRRRRR（44） （43） （42） （41） 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 由式由式(44)可知，若要使輸出為零，亦即當(dāng)電橋平衡時(shí)，可知，若要使輸出為零，亦即當(dāng)電橋平衡時(shí)，則應(yīng)有則應(yīng)有4231RRRR （45） 討論：討論：式式4 45 5為直流電橋平衡條件。若電橋中任一個(gè)或數(shù)個(gè)電阻為直流電

4、橋平衡條件。若電橋中任一個(gè)或數(shù)個(gè)電阻發(fā)生變化，電橋輸出電壓變化。測(cè)量電橋就是基于上述原發(fā)生變化，電橋輸出電壓變化。測(cè)量電橋就是基于上述原理工作。理工作。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院圖圖42 直流電橋的連接方式直流電橋的連接方式 a半橋單臂半橋單臂 b半橋雙臂半橋雙臂 c全橋全橋電橋連接形式:半橋單臂，半橋雙臂和全橋連接 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院（1 1半橋單臂連接形式：工作時(shí)僅有一個(gè)橋臂電阻值隨半橋單臂連接形式：工作時(shí)僅有一個(gè)橋臂電阻值隨被測(cè)量而變化，設(shè)該電阻為被測(cè)量而變化，設(shè)該電阻為R1R1，變化量為，變化量為RR，則由式，則由式4-14-1可得：可得：設(shè)相鄰橋臂的阻值相等，亦即：設(shè)相鄰橋臂的阻值相等，

5、亦即：R1=R2=R0,R3=R4=R0,R1=R2=R0,R3=R4=R0,又若又若R0=R0,R0=R0,那么那么 若若RR0,R0 0 ； 若為電容性阻抗時(shí)，若為電容性阻抗時(shí)，0 V12、i23i12，電流的流向是，電流的流向是52VD23d地負(fù)載地負(fù)載c5。當(dāng)載波電壓。當(dāng)載波電壓為負(fù)時(shí)，變壓器為負(fù)時(shí)，變壓器A和和B的極性同時(shí)改變，的極性同時(shí)改變，VD3、VD4導(dǎo)通，且導(dǎo)通，且V41V34、i41i34，電流的流向是，電流的流向是54VD41d地負(fù)載地負(fù)載c5。也就是，當(dāng)。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。號(hào)反相。

6、山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院若原信號(hào)若原信號(hào)x(t)x(t)為負(fù)，調(diào)幅波為負(fù)，調(diào)幅波xm(t)xm(t)與載波與載波y(t)y(t)異相，如圖中異相，如圖中a-ba-b段所示。段所示。當(dāng)載波為正時(shí)，變壓器當(dāng)載波為正時(shí)，變壓器B B的極性如圖中所示，變壓器的極性如圖中所示，變壓器A A的極性卻與圖中相的極性卻與圖中相反。這時(shí)反。這時(shí)VD1VD1、VD2VD2導(dǎo)通，且導(dǎo)通，且V23V12V23V12、i23i12i23i12，電流的流向是，電流的流向是d d1 1VD1VD12 25 5c c負(fù)載地負(fù)載地d d。當(dāng)載波電壓為負(fù)時(shí)，。當(dāng)載波電壓為負(fù)時(shí)，VD3VD3、VD4VD4導(dǎo)通，且導(dǎo)通，且V41V34V

7、41V34、i41i34i41i34，電流的流向是，電流的流向是d d3 3VD3VD34 45 5c c負(fù)載地負(fù)載地d 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，也與原信號(hào)反相。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，也與原信號(hào)反相。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院圖圖411 相敏檢波相敏檢波正1. 52VD23d地負(fù)載c5 2. 54VD41d地負(fù)載c5 負(fù)1.d1VD125c負(fù)載地d2. d3VD345c負(fù)載地d山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 這種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

8、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)。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院動(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)。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院二、調(diào)頻及其解調(diào)二、調(diào)頻及其解調(diào) 1調(diào)頻調(diào)頻 (頻率調(diào)制頻率調(diào)制)是利用信號(hào)電壓的幅值控制一個(gè)振蕩器，是利用信號(hào)電壓的幅值控制一個(gè)振

9、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)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，負(fù)值時(shí)則降低。電壓為正值時(shí)頻率提高，負(fù)值時(shí)則降低。 00000( )cos( )cos( )fy tAtAtx ttkx txtAtk x t dt設(shè)載波若保持振幅 為常數(shù)，讓載波瞬時(shí)角頻率（）隨調(diào)制信號(hào)（）變化，有此時(shí)調(diào)頻信號(hào)可表示山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院常用的調(diào)頻方法 (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，

10、振弦式傳感器 (2)參數(shù)調(diào)頻法：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，這樣被測(cè)參數(shù)變化就會(huì)引起振蕩器振蕩頻率的變化，輸出調(diào)頻信號(hào)。 (3) 電壓調(diào)頻法：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。壓控振蕩器的輸出瞬時(shí)頻率與輸入的控制電壓值成線性關(guān)系。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院壓控振蕩器 輸出瞬時(shí)頻率與輸入控制電壓值成線性關(guān)系。由原理圖知，A1是一個(gè)正反饋放大器，其輸出電壓受穩(wěn)壓管Vw牽制，或+Vw或-Vw。M是乘法器，A2是積分器，假設(shè)開始時(shí)A1輸出處于+Vw，乘法器輸出uz是正電壓，A2的輸出端電壓將線性下降。 當(dāng)降到

11、比-Vw更低時(shí)，A1翻轉(zhuǎn)，其輸出將為-Vw。同時(shí)乘法器的輸出，A2的輸入也隨之變?yōu)樨?fù)電壓，其結(jié)果是A2的輸出將線性上升。當(dāng)A2輸出到達(dá)+Vw，A1又將翻轉(zhuǎn)，輸出+Vw，故在常值正電壓ux下，振蕩器的A2輸出頻率一定的三角波，A1則輸出同一頻率的方波uy。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 乘法器M的一個(gè)輸入端uy幅度為定值( )，改變另一個(gè)輸入值ux就可以線性地改變其輸出uz。因此積分器A2的輸入電壓也隨之改變。這將導(dǎo)致積分器由-Vw充電至+Vw，(或由+Vw放電至-Vw)所需時(shí)間的變化。所以振蕩器的振蕩頻率將和電壓ux成正比，改變ux值就達(dá)到控制振蕩頻率的目的。wV山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院2 2鑒頻電路鑒頻電

12、路 調(diào)頻波的解調(diào)又稱為鑒頻，是將頻調(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(hào)電壓幅值變化的過(guò)率變化恢復(fù)成調(diào)制信號(hào)電壓幅值變化的過(guò)程。程。 實(shí)現(xiàn)鑒頻過(guò)程的方案很多，常用的實(shí)現(xiàn)鑒頻過(guò)程的方案很多，常用的鑒頻方法有采用變壓器耦合的失諧回路鑒鑒頻方法有采用變壓器耦合的失諧回路鑒頻方法，也稱斜率鑒頻，是測(cè)試儀器常用頻方法，也稱斜率鑒頻，是測(cè)試儀器常用的鑒頻方法。的鑒頻方法。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 L1、L2是一次、二次邊線圈，和C1、C2組成并聯(lián)諧振回路，調(diào)頻波經(jīng)過(guò)C1、L1耦合，加于C2、L2的諧振回路上。將等幅調(diào)頻波uf頻率輸入為諧振頻率fn時(shí)，線圈L1、L2中的耦合電流最大，二次邊輸出電壓u

13、a也最大。uf頻率離開fn，ua也隨之下降。ua的頻率和uf保持一致，但幅值ua卻是變化，幅值和頻率關(guān)系見圖。利用特性曲線的亞諧振區(qū)近似直線的一段實(shí)現(xiàn)頻率/電壓變換。被測(cè)量(如位移)為零時(shí)，f0為對(duì)應(yīng)特性曲線上升部分的中點(diǎn)。將ua經(jīng)由VD、R、C組成的包絡(luò)檢波電路，即可得到與被測(cè)信號(hào)x(t)成比例的輸出電壓uc。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 鑒頻電路缺點(diǎn)是線性鑒頻電路缺點(diǎn)是線性范圍較窄，可以采用范圍較窄，可以采用雙失諧回路鑒頻器。雙失諧回路鑒頻器。 二個(gè)諧振器回路的二個(gè)諧振器回路的f01f01和和f02f02分別比載波分別比載波頻率頻率fcfc高和低高和低 。隨著隨著usus頻率的變化，頻率的變化，回

14、路回路1 1的輸出的輸出us1us1與與回路回路2 2的輸出的輸出us2us2分分別如圖別如圖 d) d)和和 e) e)所示。所示?；芈坊芈穕 l的輸出靈敏度的輸出靈敏度單位頻率變化而引單位頻率變化而引起的輸出幅值變化起的輸出幅值變化隨著頻率升高而上升。隨著頻率升高而上升?；芈坊芈? 2的輸出靈敏度的輸出靈敏度隨著頻率升高而下降。隨著頻率升高而下降。總輸出為二者絕對(duì)值總輸出為二者絕對(duì)值之和。線性得到改善，之和。線性得到改善，靈敏度提高一倍靈敏度提高一倍 0f山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院信號(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

15、推動(dòng)指示器、記錄器以及各種控制機(jī)構(gòu)。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：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)；足夠的放大倍數(shù)；高輸入阻抗，低輸出阻抗；高輸入阻抗，低輸出阻抗；高共模抑制能力；高共模抑制能力；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(shuō)明：集成運(yùn)算放大器具備上述特點(diǎn)。說(shuō)明：集成運(yùn)算放大器具備上述特點(diǎn)。第三節(jié)第三節(jié) 信號(hào)的放大與衰減信號(hào)的放大與衰減 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 一、基本放大器 反相放大器(a)、同相放大器(b) 、基本差動(dòng)放大器(c)三種基本放大電路的基本形式。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院

16、 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。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院二、儀器放大器二、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，如下典型的儀器放大電路由三個(gè)集成運(yùn)放構(gòu)成的，如下圖。圖。兩個(gè)輸入端分別是兩個(gè)集成運(yùn)放、的同相兩個(gè)

17、輸入端分別是兩個(gè)集成運(yùn)放、的同相輸入端，因此輸入電阻很高。輸入端，因此輸入電阻很高。構(gòu)成差分放大電路，兩邊電阻對(duì)稱，可以消除構(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)、上述遠(yuǎn)距離測(cè)量時(shí)的共模干擾。同時(shí)當(dāng)、輸出端上產(chǎn)生的漂移電壓對(duì)稱時(shí)，在輸出輸出端上產(chǎn)生的漂移電壓對(duì)稱時(shí)，在輸出V中也被消除。因此該電路有很高的共模抑制中也被消除。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。能力和較低的輸出漂移電壓。山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院儀器放大器(儀用放大器)。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R1R2，R4R6，R5R7。

18、若A1、A2、A3都是理想運(yùn)放，則V1V4，V2=V5，故有： （4-23） （4-24） 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院該電路輸出電壓與差動(dòng)輸入電壓之間的關(guān)系可以下式表示該電路輸出電壓與差動(dòng)輸入電壓之間的關(guān)系可以下式表示 若取若取RlR2=R4R6=R5R7=10K，即可以構(gòu)成一個(gè)，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。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)世界許多公司都有自己的集成儀器放大器，如美國(guó)AD公公司生產(chǎn)的司生產(chǎn)的AD612和和AD614，美國(guó)，美國(guó)BB公司推出的公司推出的INA114等。等。都是根據(jù)儀器放大器原理設(shè)計(jì)

19、的三運(yùn)放結(jié)構(gòu)單片集成電路，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，如一致的，如AD521、AD522等等 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 世界許多公司都推出了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。它們都是根據(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。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院電橋與AD612組成的放大電路AD612集成測(cè)量放大器，具有高

20、精度、高速度山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院三、可編程增益放大器三、可編程增益放大器多回路檢測(cè)系統(tǒng)，輸入信號(hào)變化范圍不同，要提供多量程放多回路檢測(cè)系統(tǒng)，輸入信號(hào)變化范圍不同，要提供多量程放大器。利用計(jì)算機(jī)編程改變?cè)鲆娴姆糯笃鳛榭删幊淘鲆娣糯笃?。利用?jì)算機(jī)編程改變?cè)鲆娴姆糯笃鳛榭删幊淘鲆娣糯笃?。大器?？删幊淘鲆娣糯笃鳛榭删幊淘鲆娴姆聪喾糯笃?。包括：電阻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)、模擬開關(guān)、譯碼器和儀器放大器。網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)、譯碼器和儀器放大器。也可不用譯碼器，由計(jì)算機(jī)也可不用譯碼器，由計(jì)算機(jī)I/O口控制口控制y1、y2、y3、y4，得，得到到24個(gè)不同增益。個(gè)不同增益。山東理工

21、大學(xué)機(jī)械學(xué)院y1Uo A80k80k40k40k10k10k20k20kS4S3S2S1Uiy3y4y2x1x2Rf譯碼器山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 x1 x2y1 y2 y3 y4閉合開關(guān) 0 00 1 1 1 S1 0 11 0 1 1 S2 1 01 1 0 1 S3 1 11 1 1 0 S4山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院一、概述一、概述信號(hào)分析：被測(cè)信號(hào)一般由多個(gè)頻率分量組成，檢測(cè)中得到信號(hào)分析：被測(cè)信號(hào)一般由多個(gè)頻率分量組成，檢測(cè)中得到的信號(hào)除包含有效信息外，還含有噪聲和不希望的成分，的信號(hào)除包含有效信息外，還含有噪聲和不希望的成分，會(huì)導(dǎo)致真實(shí)信號(hào)的畸變和失真。需要有一種電路能選出會(huì)導(dǎo)致真實(shí)信號(hào)的

22、畸變和失真。需要有一種電路能選出有用的頻率信號(hào)，抑制掉無(wú)用的與信號(hào)頻率不同的噪聲。有用的頻率信號(hào)，抑制掉無(wú)用的與信號(hào)頻率不同的噪聲。濾波：讓被測(cè)信號(hào)中的有效成分通過(guò)而將其中不需要的成分濾波：讓被測(cè)信號(hào)中的有效成分通過(guò)而將其中不需要的成分抑制或衰減掉的一種過(guò)程。抑制或衰減掉的一種過(guò)程。 濾波器：能實(shí)施濾波功能的裝置濾波器：能實(shí)施濾波功能的裝置第四節(jié)第四節(jié) 濾波器濾波器 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 濾波器分類濾波器分類 （1根據(jù)其選頻作用，可分為四類：根據(jù)其選頻作用，可分為四類： 低通濾波器；低通濾波器； 高通濾波器；高通濾波器； 帶通濾波器；帶通濾波器； 帶阻濾波器。帶阻濾波器。 四類濾波器的幅頻特性

23、四類濾波器的幅頻特性（a a低通低通 （b b高通高通 （c c帶通帶通 （d d帶阻帶阻山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院二、濾波器性能分析二、濾波器性能分析1 1、模型、模型 理想低通濾波器：能使通帶內(nèi)信號(hào)的幅值和相位都不失真，理想低通濾波器：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。有明顯的分界線。 即具有矩形幅頻特性和線性相頻特性。即具有矩形幅頻特性和線性相頻特性。 其他0ffeAfHctf2j00山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院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 山東理工大學(xué)

24、機(jī)械學(xué)院 由頻率特性可知，該濾波器函數(shù)在時(shí)域內(nèi)的脈沖響應(yīng)函數(shù)h(t)為 函數(shù)， 圖形4-25所示。脈沖響應(yīng)的波形沿橫坐標(biāo)左、右無(wú)限延伸，在t0時(shí)刻，單位脈沖輸入濾波器之前，即在t0時(shí)，濾波器就已經(jīng)有響應(yīng)了。顯然，這是非因果關(guān)系，是不能實(shí)現(xiàn)的。這說(shuō)明在截止頻率處呈現(xiàn)直角銳變的幅頻特性，或者在頻域內(nèi)用矩形窗函數(shù)描述的理想濾波器是不可能存在的。實(shí)際濾波器的頻域圖形不會(huì)在某個(gè)頻率上完全截止，而會(huì)逐漸衰減并延伸到 。4-25 理想低通濾波器的頻率響應(yīng)理想低通濾波器的頻率響應(yīng)sinc山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院2、濾波器參數(shù)、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，而理想濾波器只需規(guī)定截止頻率即可說(shuō)明

25、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。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)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)。因數(shù)、倍頻程選擇性、濾波器因數(shù)。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院圖圖4-24 4-24 理想和實(shí)際的帶通濾波器的幅頻特性理想和實(shí)際的帶通濾波器的幅頻特性山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院截止頻率：幅頻特性值等于截止頻率：幅頻特性值等于 所對(duì)應(yīng)的所對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)；頻率點(diǎn)；紋波幅度紋波幅度：通帶中幅頻特性值的起伏變化值；：通帶中幅頻特性值

26、的起伏變化值；帶寬帶寬B B：上下兩截止頻率之間的頻率范圍：上下兩截止頻率之間的頻率范圍B= c2-c1 B= c2-c1 ，又稱，又稱-3dB-3dB帶寬；帶寬；品質(zhì)因子品質(zhì)因子Q Q值）：對(duì)于一個(gè)帶通濾波器，其品質(zhì)因子值）：對(duì)于一個(gè)帶通濾波器，其品質(zhì)因子Q Q則定義為中心頻率則定義為中心頻率00與帶寬與帶寬B B之比，即之比，即Q= 0/BQ= 0/B。)3(20dBA山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院倍頻程選擇性：上截止頻率倍頻程選擇性：上截止頻率c2c2與與2c22c2之間或下截止頻之間或下截止頻率率c1 c1 與與c1 /2c1 /2間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一

27、個(gè)倍頻程的衰減量，以個(gè)倍頻程的衰減量，以dBdB表示。倍頻程選擇性表征過(guò)渡表示。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。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)濾波器因數(shù)矩形系數(shù)：濾波器幅頻特性的：濾波器幅頻特性的 -60dB -60dB帶寬與帶寬與-3dB-3dB帶寬的比，即帶寬的比，即 對(duì)理想濾波器有對(duì)理想濾波器有=1=1。對(duì)普通使用的濾波器，對(duì)普通使用的濾波器，一般為一般為1 15 5）。）。dBdBBB360山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院3 3可實(shí)現(xiàn)的典型濾波網(wǎng)絡(luò)函數(shù)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： （4-29

28、） 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)；Sj；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mn，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。，山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 二階濾波器傳遞函數(shù)的形式2012212( )b sbsbk ssa sa10a220a為了使其具有更明顯的物理意義，令20122200( )b sbsbk sss（4-30） （4-31） 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。0山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 （1低通濾波器： b0b10，b2k002 2002200( )k

29、k sss（2高通濾波器： b0k0，b1b20202200( )k sk sss（3帶通濾波器：b0b20，b200k002200( )ksk sss（4帶阻濾波器：b0k0，b10， b2 k00222002200()( )k sk sss山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院二、二、 實(shí)際濾波電路實(shí)際濾波電路 1. RC1. RC無(wú)源濾波器無(wú)源濾波器 RC低通濾波器。電路時(shí)間常低通濾波器。電路時(shí)間常數(shù)數(shù) RC。濾波器為一階系統(tǒng)。濾波器為一階系統(tǒng).1()1H jj21( )1 ()A山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 RC高通濾波器: 時(shí)間常數(shù) RC，頻率響應(yīng)函數(shù)和幅頻特性分別為()1jH jj2( )1 ()A山東理工

30、大學(xué)機(jī)械學(xué)院 RC帶通濾波器 將兩者串聯(lián)起來(lái)1121()11jH jKjj111RC222R C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 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 RC帶阻濾波器:將兩者并聯(lián)起來(lái) 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 2. RC2. RC有源濾波器有源濾波器 由阻容元件組成的無(wú)源濾波器，具有線路由阻容元件組成的無(wú)源濾波器，具有線路簡(jiǎn)單、體積小、成本低簡(jiǎn)單、體積小、成本低, ,但它們都是低階系但它們都是低階系統(tǒng)，由于過(guò)渡帶衰減緩慢統(tǒng)，由于過(guò)渡帶衰減緩慢, ,選擇性差。選擇性差。 RCRC有源濾波器用有源濾波器用RCRC無(wú)源網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器無(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。等有源器

31、件結(jié)合在一起構(gòu)成的。 其特點(diǎn)：其特點(diǎn)： 1) 1) 可以放大信號(hào)；可以放大信號(hào)； 2) 2) 具有高輸入阻抗的運(yùn)算放大器可以進(jìn)行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。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，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。明顯地提高了濾波器的選擇性。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院a) 低通 b) 高通 c)帶通 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院3. 3. 開關(guān)電容濾波器開關(guān)電容濾波器 AC uBuBC uq 開關(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)開關(guān)Q交替接通A、B兩端

32、。接通A時(shí)，電容C上儲(chǔ)存電荷為 ，當(dāng)Q接通B時(shí)則通過(guò)負(fù)載放電而形成電壓 ，這時(shí)電容C中儲(chǔ)存電荷為 。在一個(gè)開關(guān)周期T內(nèi)通過(guò)電容C由A傳送到B的電荷量 為ABqCuCu 其平均電流量IABCuCuIT山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院 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： 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院第五節(jié)第五節(jié) 信號(hào)的顯示與記錄信號(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

33、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。 山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院一、一、 信號(hào)的顯示信號(hào)的顯示 1. LED1. LED顯示發(fā)光二極管）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

34、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。 圖圖437 7段段LED顯示器顯示器山東理工大學(xué)機(jī)械學(xué)院2.LCD2.LCD顯示液晶顯示器）（液晶層能使光線發(fā)生扭轉(zhuǎn)）顯示液晶顯示器）（液晶層能使光線發(fā)生扭轉(zhuǎn)） 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。因而，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。因而，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