第5章 信號(hào)調(diào)理

1、信號(hào)調(diào)理是對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行分析處理的過程，是利用信號(hào)調(diào)理是對(duì)連續(xù)信號(hào)進(jìn)行分析處理的過程，是利用一定的數(shù)學(xué)模型所組成的運(yùn)算網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的。一定的數(shù)學(xué)模型所組成的運(yùn)算網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)的。 由傳感器獲取的信號(hào)一般是微弱、緩變電信號(hào)，通常由傳感器獲取的信號(hào)一般是微弱、緩變電信號(hào)，通常需要通過調(diào)制、放大、解調(diào)、濾波等中間變換后再送記需要通過調(diào)制、放大、解調(diào)、濾波等中間變換后再送記錄儀器記錄或送計(jì)算機(jī)作信號(hào)處理。錄儀器記錄或送計(jì)算機(jī)作信號(hào)處理。 目的是目的是便于傳輸和分析，例如：遠(yuǎn)距離傳輸、剔除干便于傳輸和分析，例如：遠(yuǎn)距離傳輸、剔除干擾噪聲、頻譜分析。擾噪聲、頻譜分析。8563ASPECTRUM ANALYZER

2、 9 kHz - 26.5 GHz第五章第五章 信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理幅度增加幅度增加(1)抗干擾抗干擾;(2)阻抗匹配阻抗匹配一、目的一、目的8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號(hào)放大信號(hào)放大二、性能二、性能1)足夠的放大倍數(shù)；足夠的放大倍數(shù)；2)高輸入阻抗，低輸出阻抗；高輸入阻抗，低輸出阻抗；3)高共模抑制能力；高共模抑制能力；4)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。一、反相放大器一、反相放大器 1RRAFv 反饋電阻反饋電阻RF值不能太大，否則會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲及漂移，一般為值不能太大，否則會(huì)產(chǎn)生較大的噪聲

3、及漂移，一般為幾十千歐至幾百千歐。幾十千歐至幾百千歐。R1的取值應(yīng)遠(yuǎn)大于信號(hào)源的取值應(yīng)遠(yuǎn)大于信號(hào)源Ui的內(nèi)阻。的內(nèi)阻。 閉環(huán)電壓增益閉環(huán)電壓增益Av8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號(hào)放大信號(hào)放大二、同相放大器二、同相放大器 11RRAFv 同相放大器輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低，廣泛用于前置同相放大器輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低，廣泛用于前置放大級(jí)。放大級(jí)。 閉環(huán)電壓增益閉環(huán)電壓增益Av8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號(hào)放大信號(hào)放大四、交流放大電路四、交流放大電路 若只需

4、要放大交流信號(hào)，可采用集若只需要放大交流信號(hào)，可采用集成運(yùn)放交流電壓同相放大器。其中成運(yùn)放交流電壓同相放大器。其中C1、C2及及C3為隔直電容為隔直電容 11RRAFvR1一般取幾十千歐。耦合電容一般取幾十千歐。耦合電容C1、C3根據(jù)交流放大器的下限頻率根據(jù)交流放大器的下限頻率fL確定確定 )2/()103(31LLfRCC8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號(hào)放大信號(hào)放大 電容式傳感器、壓電式傳感器高阻抗輸出變換為低阻抗電容式傳感器、壓電式傳感器高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。輸出；放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。 電

5、壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出即傳感器的輸出)成成正比。正比。 電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。 (1)電壓放大器電壓放大器8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號(hào)放大信號(hào)放大 等效電阻等效電阻 R = Ra / Ri 等效電容等效電容 C = Ca + Cc + Ci 放大器輸入電壓放大器輸入電壓RCjRiUi1ii 假設(shè)作用在壓電元件上的力為假設(shè)作用在壓電元件上的力為F，F(xiàn)=Fmsint，壓，壓電元件產(chǎn)生電荷電元件產(chǎn)生電荷Q=dF8563A

6、SPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號(hào)放大信號(hào)放大tdFtQimcosd/dRCjRjFdUi1 寫成復(fù)數(shù)寫成復(fù)數(shù)FdjI 輸入電壓幅值輸入電壓幅值2)(1RCRdFUmi 測(cè)量靜態(tài)力測(cè)量靜態(tài)力(=0)，輸入電壓，輸入電壓=0不能測(cè)量靜態(tài)量不能測(cè)量靜態(tài)量8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號(hào)放大信號(hào)放大 傳感器傳感器電壓靈敏度電壓靈敏度CdCRdFUSmiV22)/1 ( 電纜長(zhǎng)度對(duì)傳感器測(cè)量精度影響較大。電纜長(zhǎng)度對(duì)傳感器測(cè)量精度影響較大。 解決辦法：解決辦法： 將放大器裝入傳感器中，組成

7、一體化傳感器。將放大器裝入傳感器中，組成一體化傳感器。8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號(hào)放大信號(hào)放大(2)電荷放大器電荷放大器 反饋電容折合到放大器輸入端的有效電容為反饋電容折合到放大器輸入端的有效電容為(1+K)Cf。當(dāng)當(dāng)Ri相當(dāng)大時(shí)，放大器輸出電壓正比于輸入電荷相當(dāng)大時(shí)，放大器輸出電壓正比于輸入電荷)1 (/0ficaCKCCCKQU8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號(hào)放大信號(hào)放大 K1 (1+K)CfCa + Cc + Ci，放大器輸出電壓放大器輸出電壓fCQU/0

8、當(dāng)當(dāng)(1+K)Cf10(Ca + Cc + Ci)時(shí)時(shí)，認(rèn)為放大器靈敏度與認(rèn)為放大器靈敏度與電纜電容無關(guān)。電纜電容無關(guān)。 實(shí)際電路中，實(shí)際電路中，K為為104106數(shù)量級(jí)，反饋電容一般不數(shù)量級(jí)，反饋電容一般不小于小于100pF。為減小零漂，提高放大器工作穩(wěn)定性，一。為減小零漂，提高放大器工作穩(wěn)定性，一般在反饋電容兩端并聯(lián)一大電阻般在反饋電容兩端并聯(lián)一大電阻Rf( 10101014)來提供來提供直流反饋。直流反饋。)1 (/0ficaCKCCCKQU8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號(hào)放大信號(hào)放大五、基本差動(dòng)放大電路五、基本差動(dòng)放大電路

9、 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號(hào)放大信號(hào)放大設(shè)運(yùn)算放大器的開環(huán)增益為設(shè)運(yùn)算放大器的開環(huán)增益為A、輸入阻抗無限大、輸入阻抗無限大 1012iuuuuRR234iuuuRR0()uA uu8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號(hào)放大信號(hào)放大令令A(yù)=，有，有 12420213411iiRRRRuuuRRRR 如果電路具有抗共模干擾的能力，如果電路具有抗共模干擾的能力，ui2和和ui1前面的系數(shù)前面的系數(shù)必須一致必須一致 12423411RRRRKRRRR2413RRKRR021(

10、)iiuK uu8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號(hào)放大信號(hào)放大021()iiuK uu 按上式嚴(yán)格地調(diào)節(jié)電阻，也難以將按上式嚴(yán)格地調(diào)節(jié)電阻，也難以將uo中所包含的同相信中所包含的同相信號(hào)完全消除，因?yàn)榧蛇\(yùn)算放大器本身的共模抑制比號(hào)完全消除，因?yàn)榧蛇\(yùn)算放大器本身的共模抑制比CMMR就是一個(gè)有限值。就是一個(gè)有限值。 基本差動(dòng)放大電路對(duì)共模信號(hào)的抑制能力：基本差動(dòng)放大電路對(duì)共模信號(hào)的抑制能力： 1)運(yùn)算放大器本身的共模抑制比運(yùn)算放大器本身的共模抑制比CMMR； 2)外接的匹配電阻外接的匹配電阻R1、R2、R3和和R4。 若運(yùn)算放大器本

11、身的若運(yùn)算放大器本身的CMRR=時(shí)時(shí),差動(dòng)放大器對(duì)共模信差動(dòng)放大器對(duì)共模信號(hào)的抑制能力主要取決于外接匹配電阻的匹配情況；若外號(hào)的抑制能力主要取決于外接匹配電阻的匹配情況；若外接匹配電阻匹配很好接匹配電阻匹配很好,差動(dòng)放大電路對(duì)共模信號(hào)的抑制能差動(dòng)放大電路對(duì)共模信號(hào)的抑制能力主要取決于集成運(yùn)算放大器本身的力主要取決于集成運(yùn)算放大器本身的CMRR。8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號(hào)放大信號(hào)放大六、高輸入阻抗放大電路六、高輸入阻抗放大電路 電容式或壓電式傳感器的輸出阻抗很高，要求其信號(hào)放電容式或壓電式傳感器的輸出阻抗很高，要求其信號(hào)放大電

12、路具有很高的輸入阻抗與之相匹配。大電路具有很高的輸入阻抗與之相匹配。 同相并聯(lián)或同相串聯(lián)型輸入的差動(dòng)放大電路。同相并聯(lián)或同相串聯(lián)型輸入的差動(dòng)放大電路。 由三個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成的同相并聯(lián)型高輸入阻抗的差動(dòng)放大電路由三個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成的同相并聯(lián)型高輸入阻抗的差動(dòng)放大電路 設(shè)運(yùn)算放大器設(shè)運(yùn)算放大器N1、N2、N3的輸入阻抗和開環(huán)增益均為無限大的輸入阻抗和開環(huán)增益均為無限大 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號(hào)放大信號(hào)放大由由N1、N2有有 022211012P1iiiiuuuuuuRRR202212P()iiiRuuuuR101211P(u)

13、iiiRuuuR 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號(hào)放大信號(hào)放大21020121P(1)()iiRRuuuuRN3構(gòu)成基本差動(dòng)放大電路，有構(gòu)成基本差動(dòng)放大電路，有 4002013()RuuuR4210213P(1)()iiRRRuuuRR8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號(hào)放大信號(hào)放大4210213P(1)()iiRRRuuuRR 如果運(yùn)算放大器是理想的，輸入級(jí)的差動(dòng)輸出及其差如果運(yùn)算放大器是理想的，輸入級(jí)的差動(dòng)輸出及其差模增益只與差模輸入電壓有關(guān)。模增益只與差模輸入電壓有

14、關(guān)。 由于實(shí)際運(yùn)算放大器的非理想化，要求在選用時(shí)由于實(shí)際運(yùn)算放大器的非理想化，要求在選用時(shí)N1和和N2的性能參數(shù)應(yīng)嚴(yán)格一致，包括輸入阻抗、共模抑制比、的性能參數(shù)應(yīng)嚴(yán)格一致，包括輸入阻抗、共模抑制比、開環(huán)增益及溫度系數(shù)等。同時(shí)為了盡量消除開環(huán)增益及溫度系數(shù)等。同時(shí)為了盡量消除N1、N2偏置偏置電流的影響，應(yīng)當(dāng)取電流的影響，應(yīng)當(dāng)取R1=R2。 N3周圍電阻的選取可參考基本差動(dòng)放大電路。周圍電阻的選取可參考基本差動(dòng)放大電路。8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號(hào)放大信號(hào)放大同相串聯(lián)高輸入阻抗差動(dòng)放大電路同相串聯(lián)高輸入阻抗差動(dòng)放大電路 設(shè)運(yùn)算放

15、大器設(shè)運(yùn)算放大器N1、N2的輸入阻抗和的輸入阻抗和開環(huán)增益為無限大開環(huán)增益為無限大 20111(1)iRuuR 輸出電壓輸出電壓uo組成：組成： ui1產(chǎn)生的輸出產(chǎn)生的輸出uo，ui2產(chǎn)生的輸出產(chǎn)生的輸出uo420131(1)iRRuuRR 4023(1)iRuuR8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號(hào)放大信號(hào)放大42400012313(1)(1)iiRRRuuuuuRRR 如果要求電路有較強(qiáng)的抑制共模信號(hào)能力如果要求電路有較強(qiáng)的抑制共模信號(hào)能力 424313(1)(1)RRRRRR3214RRRR10212(1)()iiRuuuR 同

16、相串聯(lián)差動(dòng)放大器的共模抑制比取決于兩運(yùn)算放大器同相串聯(lián)差動(dòng)放大器的共模抑制比取決于兩運(yùn)算放大器的的CMRR和電阻匹配精度。和電阻匹配精度。 解決微弱緩變信號(hào)的放大以及信號(hào)的傳解決微弱緩變信號(hào)的放大以及信號(hào)的傳輸問題。輸問題。 先將微弱的緩變信號(hào)加載到高頻交流信號(hào)中去，然后利先將微弱的緩變信號(hào)加載到高頻交流信號(hào)中去，然后利用交流放大器進(jìn)行放大，最后再從放大器的輸出信號(hào)中取用交流放大器進(jìn)行放大，最后再從放大器的輸出信號(hào)中取出放大了的緩變信號(hào)。出放大了的緩變信號(hào)。 第二節(jié)第二節(jié) 調(diào)制調(diào)制8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第五章第五章 信號(hào)調(diào)理信號(hào)調(diào)理1.為

17、什么調(diào)制？為什么調(diào)制？2. 調(diào)制類型調(diào)制類型調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào)x(t)載波信號(hào)載波信號(hào))2cos()(ftAtza) 幅度調(diào)制幅度調(diào)制(AM)2cos()(*)(0fttxAtyb) 頻率調(diào)制頻率調(diào)制(FM)*)(2cos()(0ttxfAtyc) 相位調(diào)制相位調(diào)制(PM)(2cos()(0txftAty8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第二節(jié)第二節(jié) 調(diào)制調(diào)制(一一) 幅度調(diào)制幅度調(diào)制 0( )( )cos(2)y tA x tft 調(diào)幅是將一個(gè)高頻正弦信號(hào)調(diào)幅是將一個(gè)高頻正弦信號(hào)(或稱載波或稱載波)與測(cè)試信號(hào)與測(cè)試信號(hào)相乘，使載波信號(hào)幅值隨測(cè)試信號(hào)的

18、變化而變化。相乘，使載波信號(hào)幅值隨測(cè)試信號(hào)的變化而變化。1.調(diào)幅原理調(diào)幅原理一一 、幅度調(diào)制與解調(diào)、幅度調(diào)制與解調(diào)8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 調(diào)制調(diào)制1)幅度調(diào)制幅度調(diào)制(數(shù)學(xué)描述數(shù)學(xué)描述)乘法器乘法器放大器放大器x(t)y(t)x m(t)( )( )( )( )x ty tX fY f1100022( ) cos2()()y tf tffff)2cos()()(0tftxtxm)()(21)()(21)(00fffXfffXtxm 調(diào)幅過程相當(dāng)于頻率調(diào)幅過程相當(dāng)于頻率“搬移搬移”過程。過程。8563ASPECTRUM ANAL

19、YZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 調(diào)制調(diào)制2)幅度調(diào)制幅度調(diào)制(波形與頻譜分析波形與頻譜分析)乘法器乘法器放大器放大器x(t)y(t)x m(t)Y(f) f0f0 fm f0fmf08563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 調(diào)制調(diào)制2.非抑制調(diào)幅非抑制調(diào)幅 若把調(diào)制信號(hào)若把調(diào)制信號(hào)x(t)進(jìn)行偏置，疊加一個(gè)直流分量進(jìn)行偏置，疊加一個(gè)直流分量A，使偏置，使偏置后的信號(hào)都具有正電壓，調(diào)幅波表達(dá)式為后的信號(hào)都具有正電壓，調(diào)幅波表達(dá)式為0( )1( )cos2mxtAmx tf tm1調(diào)幅指數(shù)。這種調(diào)制方法稱為非抑制調(diào)幅，或偏置

20、調(diào)幅。其調(diào)幅波調(diào)幅指數(shù)。這種調(diào)制方法稱為非抑制調(diào)幅，或偏置調(diào)幅。其調(diào)幅波的包絡(luò)線具有原信號(hào)形狀。對(duì)于非抑制調(diào)幅波，一般采用整流、濾波的包絡(luò)線具有原信號(hào)形狀。對(duì)于非抑制調(diào)幅波，一般采用整流、濾波(或稱或稱包絡(luò)檢波整流包絡(luò)檢波整流)以后，就可以恢復(fù)原信號(hào)。以后，就可以恢復(fù)原信號(hào)。8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 調(diào)制調(diào)制(二二) 幅度解調(diào)幅度解調(diào) 00111() ()( )(2 )(2 )244mF x t ytX fX ffX ff 用低通濾波器濾除高頻成分，將可以復(fù)現(xiàn)用低通濾波器濾除高頻成分，將可以復(fù)現(xiàn)原信號(hào)的頻譜原信號(hào)的頻譜(只是幅值

21、減半只是幅值減半)同步解調(diào)同步解調(diào)1.幅度解調(diào)幅度解調(diào)(數(shù)學(xué)描述數(shù)學(xué)描述) 把調(diào)幅波把調(diào)幅波xm(t) 再次與再次與y(t)信號(hào)相乘，則頻域圖形將再一信號(hào)相乘，則頻域圖形將再一次進(jìn)行次進(jìn)行“搬移搬移”。乘法器乘法器濾波器濾波器y(t)x(t)xm(t)8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 調(diào)制調(diào)制2.幅度解調(diào)幅度解調(diào)(波形與頻譜分析波形與頻譜分析)乘法器乘法器濾波器濾波器y(t)x(t)xm(t) f0f0f0 2f02f0Y(f)Xm(f)Y(f)y(t)f08563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第

22、一節(jié)第一節(jié) 調(diào)制調(diào)制(三三) 調(diào)幅波的波形失真調(diào)幅波的波形失真 1.過調(diào)失真過調(diào)失真 對(duì)于非抑制調(diào)幅，其直流偏置必須足夠大，要求調(diào)對(duì)于非抑制調(diào)幅，其直流偏置必須足夠大，要求調(diào)幅指數(shù)幅指數(shù)m1。因?yàn)楫?dāng)。因?yàn)楫?dāng)m1時(shí)，當(dāng)時(shí)，當(dāng)x(t)取最大負(fù)值時(shí)，可取最大負(fù)值時(shí)，可能使能使A1+mx(t ) 0，這意味著，這意味著x(t)的相位將發(fā)生的相位將發(fā)生1800倒倒相，此稱為過調(diào)。此時(shí)，如果采用包絡(luò)法檢波，則檢相，此稱為過調(diào)。此時(shí)，如果采用包絡(luò)法檢波，則檢出的信號(hào)就會(huì)發(fā)生失真，而不能恢復(fù)原信號(hào)。出的信號(hào)就會(huì)發(fā)生失真，而不能恢復(fù)原信號(hào)。相敏檢波相敏檢波8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz

23、 - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 調(diào)制調(diào)制2.重疊失真重疊失真 調(diào)幅波是由一對(duì)每邊為調(diào)幅波是由一對(duì)每邊為fm的雙邊帶信號(hào)組成。當(dāng)?shù)碾p邊帶信號(hào)組成。當(dāng)載波頻率載波頻率f0較低時(shí)，正頻端的下邊帶將與負(fù)頻端的較低時(shí)，正頻端的下邊帶將與負(fù)頻端的下邊帶相重疊。要求下邊帶相重疊。要求: f0fm 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 調(diào)制調(diào)制3.相敏檢波相敏檢波 相敏檢波器是一種能根據(jù)調(diào)幅波和載波的相位差來判別調(diào)制相敏檢波器是一種能根據(jù)調(diào)幅波和載波的相位差來判別調(diào)制信號(hào)極性的解調(diào)器，它適合對(duì)各種類型的調(diào)幅波進(jìn)行解調(diào)信號(hào)極性的解調(diào)器，它適合對(duì)各種類型的

24、調(diào)幅波進(jìn)行解調(diào)應(yīng)用實(shí)例應(yīng)用實(shí)例: :動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀同步調(diào)制同步調(diào)制與解調(diào)與解調(diào) 將信號(hào)將信號(hào)x(t)直接與載直接與載波波z(t)相乘。這種調(diào)幅相乘。這種調(diào)幅波具有極性變化，解調(diào)波具有極性變化，解調(diào)時(shí)必須再乘與時(shí)必須再乘與z(t)相位相位相同的相同的z(t) 方能復(fù)原出方能復(fù)原出原信號(hào)，故稱同步解調(diào)原信號(hào)，故稱同步解調(diào) 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 調(diào)制調(diào)制1.頻率調(diào)制頻率調(diào)制：用調(diào)制信號(hào)：用調(diào)制信號(hào)(低頻低頻)x(t)的幅值去控制載波信號(hào)的幅值去控制載波信號(hào)(高頻高頻)的頻率的過程的頻率的過程利用信號(hào)電壓的幅值去控制一個(gè)振蕩器

25、，振蕩利用信號(hào)電壓的幅值去控制一個(gè)振蕩器，振蕩器的輸出是等幅波，但其振蕩頻率的變化與信號(hào)電壓成比例器的輸出是等幅波，但其振蕩頻率的變化與信號(hào)電壓成比例 信號(hào)電壓為零時(shí)，調(diào)頻波的頻率等于中心頻率，信號(hào)電壓為正信號(hào)電壓為零時(shí)，調(diào)頻波的頻率等于中心頻率，信號(hào)電壓為正時(shí)頻率增加，負(fù)值時(shí)降低時(shí)頻率增加，負(fù)值時(shí)降低調(diào)頻波是隨信號(hào)調(diào)頻波是隨信號(hào)x(t)的電壓幅值而的電壓幅值而變化的疏密不等的等幅波變化的疏密不等的等幅波)*)(2cos()(0ttxfAty二、二、 頻率調(diào)制頻率調(diào)制8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 調(diào)制調(diào)制普通方法是將傳感器輸出的電壓

26、信號(hào)輸入到一個(gè)電壓普通方法是將傳感器輸出的電壓信號(hào)輸入到一個(gè)電壓/頻率頻率(V/F)變換器，變換器輸出的是一個(gè)被調(diào)制信號(hào)進(jìn)行了頻率調(diào)制變換器，變換器輸出的是一個(gè)被調(diào)制信號(hào)進(jìn)行了頻率調(diào)制的已調(diào)制波。的已調(diào)制波。 方法二是利用電抗元件組成調(diào)諧振蕩器。電抗元件方法二是利用電抗元件組成調(diào)諧振蕩器。電抗元件(電容或電容或電感電感)作為傳感器，檢取被測(cè)量，作為調(diào)制信號(hào)輸入，振蕩器作為傳感器，檢取被測(cè)量，作為調(diào)制信號(hào)輸入，振蕩器原有的信號(hào)為載波。當(dāng)有調(diào)制信號(hào)輸入時(shí)振蕩器輸出即是被調(diào)原有的信號(hào)為載波。當(dāng)有調(diào)制信號(hào)輸入時(shí)振蕩器輸出即是被調(diào)制了的已調(diào)制波制了的已調(diào)制波2.頻率調(diào)制器及工作原理頻率調(diào)制器及工作原理8

27、563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 調(diào)制調(diào)制串聯(lián)諧振串聯(lián)諧振電阻、電容、電感串聯(lián)，復(fù)阻抗電阻、電容、電感串聯(lián)，復(fù)阻抗 )1(1CLjRLjCjRZLC10電壓、電流同相，電路發(fā)生諧振電壓、電流同相，電路發(fā)生諧振 并聯(lián)諧振并聯(lián)諧振電容、電感并聯(lián)，復(fù)導(dǎo)納電容、電感并聯(lián)，復(fù)導(dǎo)納 )1(1LCjCjLjYLC10電壓、電流同相，電路發(fā)生諧振電壓、電流同相，電路發(fā)生諧振 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 調(diào)制調(diào)制回路中回路中L、C如果沒有衰減，是按如果沒有衰減，是按Asin0t作簡(jiǎn)諧振動(dòng)變化的

28、，作簡(jiǎn)諧振動(dòng)變化的，傳感器電傳感器電容容(或電感或電感)的變化使調(diào)頻振蕩器的振的變化使調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率發(fā)生相應(yīng)變化。蕩頻率發(fā)生相應(yīng)變化。振蕩頻率為振蕩頻率為3. LC振蕩器振蕩器C0L001LC測(cè)量過程中，電容值由測(cè)量過程中，電容值由C0增增大大C，回路振蕩頻率變?yōu)?，回路振蕩頻率變?yōu)?(10CCL 變換為變換為0000/11)/1 (1CCCCLC8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 調(diào)制調(diào)制用級(jí)數(shù)將后項(xiàng)展開，并略去高次項(xiàng)，得用級(jí)數(shù)將后項(xiàng)展開，并略去高次項(xiàng)，得 表明：當(dāng)被測(cè)物理量變化引起振蕩回路中的電容變表明：當(dāng)被測(cè)物理量變化引起振蕩回

29、路中的電容變化時(shí)，振蕩回路的角頻率在原來化時(shí)，振蕩回路的角頻率在原來0疊加疊加頻率，頻率，是隨被測(cè)物理量變化而變化的是隨被測(cè)物理量變化而變化的振蕩器的角頻率振蕩器的角頻率受受控于被測(cè)物理量，被測(cè)物理量即是一個(gè)調(diào)制信號(hào)，這控于被測(cè)物理量，被測(cè)物理量即是一個(gè)調(diào)制信號(hào)，這就是一種調(diào)頻過程。就是一種調(diào)頻過程。 在小范圍內(nèi)，振蕩器輸出頻率與被測(cè)信號(hào)呈近似線性關(guān)在小范圍內(nèi)，振蕩器輸出頻率與被測(cè)信號(hào)呈近似線性關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。系，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。)2/1 (00CC設(shè)設(shè)得得0 002CC8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 調(diào)制調(diào)制4.頻率調(diào)制優(yōu)缺點(diǎn)頻率

30、調(diào)制優(yōu)缺點(diǎn)改善信噪比改善信噪比因?yàn)檎{(diào)頻信號(hào)所攜帶的信息包含在頻率變因?yàn)檎{(diào)頻信號(hào)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主要表現(xiàn)在振幅之化之中并非振幅之中，而干擾波的干擾作用主要表現(xiàn)在振幅之中中1)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)抗干擾能力強(qiáng)調(diào)頻波要求很寬的頻帶，甚至是調(diào)幅所要求帶寬的調(diào)頻波要求很寬的頻帶，甚至是調(diào)幅所要求帶寬的20倍倍調(diào)頻系統(tǒng)較調(diào)幅系統(tǒng)要復(fù)雜，分析要困難，而實(shí)調(diào)頻系統(tǒng)較調(diào)幅系統(tǒng)要復(fù)雜，分析要困難，而實(shí)際上調(diào)頻波的分析也只是近似的際上調(diào)頻波的分析也只是近似的2)缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：占頻帶寬度大，復(fù)雜占頻帶寬度大，復(fù)雜8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz

31、- 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 調(diào)制調(diào)制(二二) 頻率解調(diào)頻率解調(diào)-鑒頻鑒頻 鑒頻是將頻率變化的等幅調(diào)頻鑒頻是將頻率變化的等幅調(diào)頻波，按其頻率變化復(fù)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)波，按其頻率變化復(fù)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)波形的過程波形的過程 圖示為變壓器耦合的諧振回路圖示為變壓器耦合的諧振回路鑒頻器。鑒頻器。a)鑒頻器鑒頻器 b) 頻率頻率-電壓電壓特性曲線特性曲線 L1和和L2是耦合變壓器的原、副邊線圈，分別與是耦合變壓器的原、副邊線圈，分別與C1、C2組成并聯(lián)諧振回路。組成并聯(lián)諧振回路。調(diào)頻波調(diào)頻波uf經(jīng)經(jīng)L1、L2耦合，加在耦合，加在L2、C2諧振回路上，在其兩端獲得諧振回路上，在其兩端獲得b圖所示圖所示的頻率的頻率電

32、壓特性曲線。在電壓特性曲線。在L2、C2回路的諧振頻率處，線圈回路的諧振頻率處，線圈L1和和L2的耦合的耦合電流最大，副邊輸出電壓電流最大，副邊輸出電壓ua也最大。也最大。 頻率偏離，頻率偏離，ua值下降。值下降。ua與與uf頻率一頻率一致，但幅值隨致，但幅值隨uf的頻率變化而改變。通常利用特性曲線的亞諧振區(qū)近似直的頻率變化而改變。通常利用特性曲線的亞諧振區(qū)近似直線的一段實(shí)現(xiàn)頻率線的一段實(shí)現(xiàn)頻率電壓變換，使調(diào)頻波的中心頻率處于該近似直線段電壓變換，使調(diào)頻波的中心頻率處于該近似直線段的中點(diǎn)，從而使調(diào)頻波的振幅隨其頻率變化而基本呈線性變化，成為調(diào)的中點(diǎn)，從而使調(diào)頻波的振幅隨其頻率變化而基本呈線性變

33、化，成為調(diào)頻頻-調(diào)幅波。調(diào)幅波。 經(jīng)過線性變換后，調(diào)頻經(jīng)過線性變換后，調(diào)頻-調(diào)幅波再經(jīng)過幅值檢波、低通濾波后實(shí)現(xiàn)解調(diào)，調(diào)幅波再經(jīng)過幅值檢波、低通濾波后實(shí)現(xiàn)解調(diào)，復(fù)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)。復(fù)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)。8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 調(diào)制調(diào)制一、 概述概述 1. 什么是濾波器什么是濾波器 濾波器是一種選頻裝置濾波器是一種選頻裝置 凡是可以使信號(hào)中特定頻率成分通凡是可以使信號(hào)中特定頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分的裝過，而極大地衰減其他頻率成分的裝置稱之為濾波器置稱之為濾波器 濾除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析濾除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析2. 濾波器分類

34、濾波器分類(根據(jù)濾波根據(jù)濾波器的選頻作用分器的選頻作用分) 低低通通高通高通帶帶通通帶阻帶阻8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器 1.根據(jù)濾波器根據(jù)濾波器處理信號(hào)的性質(zhì)處理信號(hào)的性質(zhì)分：分： 數(shù)字濾波數(shù)字濾波(數(shù)字信號(hào)分析數(shù)字信號(hào)分析)、模擬濾波、模擬濾波(自動(dòng)檢測(cè)、控制自動(dòng)檢測(cè)、控制) 2根據(jù)濾波器的根據(jù)濾波器的構(gòu)成元件類型構(gòu)成元件類型分分 RC、LC、晶體諧振濾波器、晶體諧振濾波器 3根據(jù)構(gòu)成濾波器根據(jù)構(gòu)成濾波器電路的性質(zhì)電路的性質(zhì)分分 有源濾波器、無源濾波器有源濾波器、無源濾波器二、理想濾波器二、理想濾波器 與實(shí)際濾波器

35、與實(shí)際濾波器 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器(一一) 理想濾波器理想濾波器 理想濾波器是指能使通帶內(nèi)信號(hào)的幅值和相位都不失真，理想濾波器是指能使通帶內(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阻帶內(nèi)的頻率成分都衰減為零的濾波器 根據(jù)線性系統(tǒng)的不失真?zhèn)鬏敆l件，理想測(cè)量系統(tǒng)的頻率響根據(jù)線性系統(tǒng)的不失真?zhèn)鬏敆l件，理想測(cè)量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù)是應(yīng)函數(shù)是 02 0jf tH fA e(A0和和t0為常數(shù)為常數(shù) )理想濾波器的頻率響應(yīng)理想濾波器的頻率響應(yīng)H(f)應(yīng)滿足應(yīng)滿足02 00jftA eHf|f|f08563

36、ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器為什么理想濾波器是物理不可實(shí)現(xiàn)濾波器？為什么理想濾波器是物理不可實(shí)現(xiàn)濾波器？ 理想濾波器在時(shí)域內(nèi)的脈沖響應(yīng)函數(shù)理想濾波器在時(shí)域內(nèi)的脈沖響應(yīng)函數(shù) h(t)為為 sinc函數(shù)。脈沖函數(shù)。脈沖響應(yīng)的波形沿橫坐標(biāo)左、右無限延伸。響應(yīng)的波形沿橫坐標(biāo)左、右無限延伸。 給理想濾波器一個(gè)脈沖激勵(lì)，在給理想濾波器一個(gè)脈沖激勵(lì)，在t=0時(shí)刻單位脈沖輸入濾波時(shí)刻單位脈沖輸入濾波器之前，即在器之前，即在t0時(shí)，濾波器已經(jīng)有響應(yīng)時(shí)，濾波器已經(jīng)有響應(yīng)物理不可實(shí)現(xiàn)。物理不可實(shí)現(xiàn)。波波形形8563ASPECTRUM ANALYZE

37、R 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器(二二)實(shí)際濾波器實(shí)際濾波器 1)紋波幅度紋波幅度d ：濾波器頂部幅值波動(dòng)量濾波器頂部幅值波動(dòng)量 波動(dòng)幅度波動(dòng)幅度d與幅頻特性平均值與幅頻特性平均值A(chǔ)0相比應(yīng)小于相比應(yīng)小于-3dB 2)截止頻率截止頻率fc ：幅頻特性值等于：幅頻特性值等于0.707A0所對(duì)應(yīng)的頻率所對(duì)應(yīng)的頻率 理想和實(shí)際帶通濾波器的幅理想和實(shí)際帶通濾波器的幅頻特性如圖。理想濾波器的頻特性如圖。理想濾波器的特性只需用截止頻率描述，特性只需用截止頻率描述，實(shí)際濾波器的特性曲線需用實(shí)際濾波器的特性曲線需用更多參數(shù)描述更多參數(shù)描述實(shí)際濾波器主要參數(shù)：實(shí)際濾波器主要參數(shù)：紋

38、波幅度、截止頻率、帶寬、品質(zhì)因紋波幅度、截止頻率、帶寬、品質(zhì)因數(shù)數(shù)(Q值值)、倍頻程選擇性、倍頻程選擇性8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器 截止頻率的大小取決于系統(tǒng)固有參數(shù)截止頻率的大小取決于系統(tǒng)固有參數(shù) 一階系統(tǒng)，當(dāng)一階系統(tǒng)，當(dāng)A=0.707A0時(shí)，時(shí)，=1， =1/ 截止頻截止頻率，取決于時(shí)間常數(shù)；二階系統(tǒng)，率，取決于時(shí)間常數(shù)；二階系統(tǒng)， =0.707，當(dāng)，當(dāng)A=0.707A0時(shí)，時(shí)， = n，取決于系統(tǒng)的固有頻率取決于系統(tǒng)的固有頻率 3)帶寬帶寬B和品質(zhì)因數(shù)和品質(zhì)因數(shù)Q：上下兩截止頻率間的頻率范圍上下兩截止頻率間的頻率

39、范圍帶寬帶寬 00/22 0 lg3Ad BA fc2fc1 負(fù)三分貝帶寬，標(biāo)以負(fù)三分貝帶寬，標(biāo)以B-3dB中心頻率中心頻率fn和帶寬和帶寬B之比稱為帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù)之比稱為帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù)QQ= fn/B8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器4)倍頻程選擇性倍頻程選擇性W：在上截止頻率在上截止頻率fc2與與2fc2之間，或在下截止之間，或在下截止頻率頻率fc1與與0.5fc1 之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個(gè)倍頻程之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個(gè)倍頻程時(shí)的衰減量時(shí)的衰減量(倍頻程衰減量倍頻程衰減量)，dB/oc

40、t5)濾波器因數(shù)濾波器因數(shù)：用濾波器幅頻特性圖上的橫坐標(biāo)值來定義，濾用濾波器幅頻特性圖上的橫坐標(biāo)值來定義，濾波器幅頻特性值為波器幅頻特性值為-60dB處的帶寬處的帶寬B-60dB和和-3dB處的帶寬處的帶寬B-3dB比值比值Q = fn / BQ值越大，表明頻率分辨力越高值越大，表明頻率分辨力越高(帶寬越窄帶寬越窄) 理想濾波器理想濾波器=1，實(shí)際濾波器，實(shí)際濾波器=15 濾波器阻帶衰減倍數(shù)達(dá)不到，以標(biāo)明的衰減倍數(shù)帶寬與濾波器阻帶衰減倍數(shù)達(dá)不到，以標(biāo)明的衰減倍數(shù)帶寬與-3dB處的帶寬之比表示處的帶寬之比表示8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三

41、節(jié) 濾波器濾波器(一一) RC無源濾波器無源濾波器 RC濾波器電路簡(jiǎn)單，抗干擾強(qiáng)，有較好的低頻性能，并且選濾波器電路簡(jiǎn)單，抗干擾強(qiáng)，有較好的低頻性能，并且選用標(biāo)準(zhǔn)阻容元件用標(biāo)準(zhǔn)阻容元件 1.一階一階RC低通濾波器低通濾波器 三、三、 RC模擬濾波器分析模擬濾波器分析 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器 輸入電壓輸入電壓e0，輸出電壓，輸出電壓ey，建立微分方程，建立微分方程 teeRCtiCeeycyd)(1d100ddeeteRCyyRCssH11)(jjH11)(8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz

42、- 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器幅頻幅頻22)2(11)(11)(fRCA相頻相頻 ( )arctan()arctan(2)fRC 當(dāng)當(dāng)A(f)=1時(shí)，時(shí)，2fRC1f1/2RC，信號(hào)幾乎不衰減，信號(hào)幾乎不衰減，且且(f)f近似直線關(guān)系近似直線關(guān)系不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)當(dāng)當(dāng)f=1/2RC，A(f)=0.707濾波器的濾波器的-3dB點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的頻率為頻率為上截止頻率上截止頻率當(dāng)當(dāng)A(f)0時(shí)，時(shí)，ey1f1/2RC，信號(hào)幾乎不衰減，信號(hào)幾乎不衰減，且且(f) 0不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)當(dāng)當(dāng)f=1/2RC，A(f)=0.707濾波器的濾波器的-3dB點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的頻點(diǎn)

43、，對(duì)應(yīng)的頻率為率為下截止頻率下截止頻率當(dāng)當(dāng)A(f)0時(shí)，時(shí)，eye0 0d1eteRCeyyteRCeydd0微分器微分器 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器3. RC帶通濾波器帶通濾波器 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)上截止頻率上截止頻率下截止頻率下截止頻率8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器(二二) 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)算放大器組成調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器組成。運(yùn)算放大器既。運(yùn)算放大器既作為級(jí)間隔離又起信號(hào)放大作用。常見有源低

44、通濾波器和有源作為級(jí)間隔離又起信號(hào)放大作用。常見有源低通濾波器和有源帶通濾波器。圖示一階帶通濾波器。圖示一階有源低通濾波器。有源低通濾波器。頻率特性頻率特性RCjeexc1RCjeRReRRexFFy1)1 ()1 (118563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器RC/1/10截止頻率截止頻率 靈敏度靈敏度 RCjRReeKFxy1/11201)/(1/1RRKF1/10RRKF2/110RRKF 一階有源濾波器：一階有源濾波器：隔離、放大方面優(yōu)于無源濾波器，仍隔離、放大方面優(yōu)于無源濾波器，仍存在過渡區(qū)域衰減緩慢缺點(diǎn)，尋求高階濾波器

45、存在過渡區(qū)域衰減緩慢缺點(diǎn)，尋求高階濾波器 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器四、四、 恒帶寬、恒帶寬比濾波器恒帶寬、恒帶寬比濾波器 實(shí)際濾波器頻率通帶可調(diào)，根據(jù)實(shí)際濾波器中心頻率與帶實(shí)際濾波器頻率通帶可調(diào)，根據(jù)實(shí)際濾波器中心頻率與帶寬之間的數(shù)值關(guān)系，分寬之間的數(shù)值關(guān)系，分2. 恒帶寬比帶通濾波器恒帶寬比帶通濾波器 1. 恒帶寬帶通濾波器恒帶寬帶通濾波器 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器3. 1/3倍頻程濾波器倍頻程濾波器8563ASPECTRUM ANA

46、LYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器五、五、 濾波器應(yīng)用濾波器應(yīng)用應(yīng)用一：無損探傷應(yīng)用一：無損探傷濾除信號(hào)中的零漂和低頻晃動(dòng)，便于門限報(bào)警濾除信號(hào)中的零漂和低頻晃動(dòng)，便于門限報(bào)警8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器應(yīng)用二：機(jī)床軸心軌跡的濾波處理應(yīng)用二：機(jī)床軸心軌跡的濾波處理 濾除信號(hào)中的高頻噪聲，以便于觀察軸心運(yùn)動(dòng)規(guī)律濾除信號(hào)中的高頻噪聲，以便于觀察軸心運(yùn)動(dòng)規(guī)律8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器六、典型濾波器六、典型濾波器

47、傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)niimjjnnmmasbskasasabsbsbsXsYsH110101)()()()()( 實(shí)際濾波器在通頻帶內(nèi)不平坦；在過渡部分不陡直；實(shí)際濾波器在通頻帶內(nèi)不平坦；在過渡部分不陡直；阻帶部分不為零。阻帶部分不為零。 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器 最佳逼近特性標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)濾波器性能的不同需要確定。最佳逼近特性標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)濾波器性能的不同需要確定。 從幅頻特性提出要求從幅頻特性提出要求Butterworth濾波器、濾波器、濾波器；濾波器； 從相頻特性提出要求從相頻特性提出要求Bessel濾波器。濾波器。1.

48、Butterworth濾波器濾波器幅頻特性幅頻特性ncH2)/(1/1)(當(dāng)當(dāng)=0時(shí)，時(shí)，H()取得最大值；取得最大值；=c時(shí)，時(shí)，H()=0.707低通濾波器的截止頻率低通濾波器的截止頻率 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器ncH2)/(1/1)(當(dāng)當(dāng)=0時(shí)，時(shí)，H()取得最大值；取得最大值；=c時(shí)，時(shí)，H()=0.707低通濾波器的截止頻率低通濾波器的截止頻率隨隨n值增大，函數(shù)曲線與理想特性的近似程度改善值增大，函數(shù)曲線與理想特性的近似程度改善在在/c1范圍內(nèi)，范圍內(nèi)，n(/c)2n，H()0，衰減越，衰減越快?？?。85

49、63ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器2. 濾波器濾波器幅頻特性幅頻特性 )/(1/1)(22cnTH -決定通帶紋波大小的系數(shù)，波紋的產(chǎn)生是由于實(shí)決定通帶紋波大小的系數(shù)，波紋的產(chǎn)生是由于實(shí)際濾波網(wǎng)絡(luò)中含有電抗元件際濾波網(wǎng)絡(luò)中含有電抗元件 Tn-第一類切貝雪夫多項(xiàng)式，在通帶內(nèi)第一類切貝雪夫多項(xiàng)式，在通帶內(nèi)(/c1)， )arccoscos()/(ccnnT8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器通帶通帶/c1;通帶內(nèi)特性起伏，對(duì)于同樣通帶內(nèi)特性起伏，對(duì)于同樣n值進(jìn)入阻帶

50、后較值進(jìn)入阻帶后較Butterworth衰減陡峭衰減陡峭;截止頻率點(diǎn)截止頻率點(diǎn)/c=1處，衰減不是處，衰減不是-3dB，按，按1/ 21計(jì)算計(jì)算; 值小，通帶起伏小，截止頻率點(diǎn)衰減小，進(jìn)入阻帶值小，通帶起伏小，截止頻率點(diǎn)衰減小，進(jìn)入阻帶后衰減特性變化緩慢。后衰減特性變化緩慢。 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器3. Bessel濾波器濾波器最平時(shí)延最平時(shí)延/恒時(shí)延濾波器恒時(shí)延濾波器相移與頻率呈正比相移與頻率呈正比時(shí)移時(shí)移= -d()/d幅頻特性欠佳。幅頻特性欠佳。七、濾波器組合使用七、濾波器組合使用 串聯(lián)、并聯(lián)串聯(lián)、并聯(lián) 串

51、聯(lián)串聯(lián)加強(qiáng)濾波效果加強(qiáng)濾波效果 兩個(gè)中心頻率相等的濾波器串聯(lián)，其總幅頻特性兩個(gè)中心頻率相等的濾波器串聯(lián)，其總幅頻特性是兩濾波器幅頻特性的乘積是兩濾波器幅頻特性的乘積通帶外的頻率成分衰減通帶外的頻率成分衰減斜率更大；相頻特性是兩濾波器相頻特性的疊加斜率更大；相頻特性是兩濾波器相頻特性的疊加相相位變化加劇。位變化加劇。8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器并聯(lián)并聯(lián)頻譜分析，拾取特殊頻率成分頻譜分析，拾取特殊頻率成分放大倍數(shù)相同、中心頻率不同的濾波器通過信號(hào)放大倍數(shù)相同、中心頻率不同的濾波器通過信號(hào)帶通濾波器中心頻率可調(diào)帶通濾波器中心

52、頻率可調(diào)改變改變R，C參數(shù)參數(shù)調(diào)節(jié)范圍有限調(diào)節(jié)范圍有限(中心頻率改變，希望增益、品質(zhì)因數(shù)不變中心頻率改變，希望增益、品質(zhì)因數(shù)不變)濾波器組濾波器組中心頻率固定，按規(guī)律布置中心頻率固定，按規(guī)律布置nmnff21倍頻程，倍頻程，1/3倍頻程倍頻程各濾波器各濾波器Q值相同，濾波器組值相同，濾波器組由恒帶寬比的濾波器組成。由恒帶寬比的濾波器組成。 選用濾波器考慮：選用濾波器考慮：1)儀表的外接阻抗和放大器的輸入阻抗；儀表的外接阻抗和放大器的輸入阻抗；2)濾波器時(shí)間常數(shù)對(duì)儀表動(dòng)態(tài)性能的影響；濾波器時(shí)間常數(shù)對(duì)儀表動(dòng)態(tài)性能的影響；3)濾波器的頻率特性。濾波器的頻率特性。 8563ASPECTRUM ANAL

53、YZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器 八、數(shù)字濾波器八、數(shù)字濾波器 輸入、輸出為數(shù)字信號(hào)，通過一定運(yùn)算關(guān)系改變輸入輸入、輸出為數(shù)字信號(hào)，通過一定運(yùn)算關(guān)系改變輸入信號(hào)所含頻率成分的相對(duì)比例信號(hào)所含頻率成分的相對(duì)比例/濾除某些頻率成分的器件濾除某些頻率成分的器件 信號(hào)形式和實(shí)現(xiàn)濾波方法不同，數(shù)字濾波器精度高、信號(hào)形式和實(shí)現(xiàn)濾波方法不同，數(shù)字濾波器精度高、穩(wěn)定、體積小、靈活、不要求阻抗匹配以及實(shí)現(xiàn)模擬濾波穩(wěn)定、體積小、靈活、不要求阻抗匹配以及實(shí)現(xiàn)模擬濾波器無法實(shí)現(xiàn)的特殊濾波功能器無法實(shí)現(xiàn)的特殊濾波功能 1分類：分類： 經(jīng)典濾波器經(jīng)典濾波器(一般濾波器一般濾波器)： 輸

54、入信號(hào)中有用的頻率成分和希望濾除的頻率成分各輸入信號(hào)中有用的頻率成分和希望濾除的頻率成分各占不同的頻帶，通過一個(gè)合適的選頻濾波器達(dá)到濾波目的。占不同的頻帶，通過一個(gè)合適的選頻濾波器達(dá)到濾波目的。 信號(hào)與干擾的頻帶互不干擾，濾除干擾得到信號(hào)；信信號(hào)與干擾的頻帶互不干擾，濾除干擾得到信號(hào)；信號(hào)與干擾的頻帶互相重疊，不能濾除干擾得到信號(hào)，采用號(hào)與干擾的頻帶互相重疊，不能濾除干擾得到信號(hào)，采用現(xiàn)代濾波器。現(xiàn)代濾波器。 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器現(xiàn)代濾波器：現(xiàn)代濾波器： 按照隨機(jī)信號(hào)內(nèi)部的一些統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，從干擾按照隨機(jī)信號(hào)內(nèi)

55、部的一些統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律，從干擾中提取信號(hào)：維納濾波器、卡爾曼濾波器、自適應(yīng)濾中提取信號(hào)：維納濾波器、卡爾曼濾波器、自適應(yīng)濾波器波器 按功能分：低通、高通、帶通、帶阻濾波器按功能分：低通、高通、帶通、帶阻濾波器 按單位脈沖響應(yīng)分：無限脈沖響應(yīng)按單位脈沖響應(yīng)分：無限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器、濾波器、有限脈沖響應(yīng)有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器濾波器 按可實(shí)現(xiàn)濾波的方法分：遞歸、非遞歸濾波器按可實(shí)現(xiàn)濾波的方法分：遞歸、非遞歸濾波器8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器2.數(shù)字濾波器技術(shù)要求數(shù)字濾波器技術(shù)要求傳輸函數(shù)傳輸函數(shù))()()(jeH

56、H 幅頻特性：幅頻特性：信號(hào)通過濾波器各頻率成分衰減情況信號(hào)通過濾波器各頻率成分衰減情況 相頻特性：相頻特性：頻率成分通過濾波器后在時(shí)間上的延時(shí)頻率成分通過濾波器后在時(shí)間上的延時(shí)情況情況 一般選頻濾波器的技術(shù)要求有幅頻特性給出，相頻一般選頻濾波器的技術(shù)要求有幅頻特性給出，相頻特性不作要求特性不作要求 語音合成、波形傳輸、圖像信號(hào)處理語音合成、波形傳輸、圖像信號(hào)處理需要考慮需要考慮相頻特性技術(shù)指標(biāo)相頻特性技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)線性相位濾波器設(shè)計(jì)線性相位濾波器 理想濾波器不能實(shí)現(xiàn)，實(shí)際濾波器通帶和阻帶允許理想濾波器不能實(shí)現(xiàn)，實(shí)際濾波器通帶和阻帶允許一定誤差容限：通帶不一定完全水平，阻帶不一定絕對(duì)一定誤差容限

57、：通帶不一定完全水平，阻帶不一定絕對(duì)衰減到零；在通帶和阻帶之間設(shè)置一定寬度的過渡帶衰減到零；在通帶和阻帶之間設(shè)置一定寬度的過渡帶8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器數(shù)字濾波器的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)數(shù)字濾波器的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)Z變換變換 Z變換變換是通常用來分析離散時(shí)間系統(tǒng)的數(shù)學(xué)工具，其作用與是通常用來分析離散時(shí)間系統(tǒng)的數(shù)學(xué)工具，其作用與拉氏變換在連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)中的作用類似。拉氏變換在連續(xù)時(shí)間系統(tǒng)中的作用類似。 在離散時(shí)間系統(tǒng)中，線性差分方程表征系

58、統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。在離散時(shí)間系統(tǒng)中，線性差分方程表征系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。 數(shù)值序列數(shù)值序列x(nT)或或x(n)的的Z變換變換 對(duì)函數(shù)對(duì)函數(shù)x(n)求求Z變換，定義為變換，定義為nnznxnxZnTxZzX)()()()( z=ejT為復(fù)變量為復(fù)變量j( )( )en TnX zx n3數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法概述數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法概述 無限脈沖響應(yīng)無限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器濾波器 利用模擬濾波器來設(shè)計(jì)利用模擬濾波器來設(shè)計(jì)IIR濾波器的方法分：脈沖濾波器的方法分：脈沖響應(yīng)不變法和雙線性變換法響應(yīng)不變法和雙線性變換法(1)脈沖響應(yīng)不變法脈沖響應(yīng)不變法準(zhǔn)則：準(zhǔn)則：使數(shù)字濾波器的單位采樣響應(yīng)與模擬濾波器的沖使數(shù)

59、字濾波器的單位采樣響應(yīng)與模擬濾波器的沖激響應(yīng)的采樣值完全一樣，即激響應(yīng)的采樣值完全一樣，即 h(n)=ha(nT)采樣周期采樣周期T由模擬濾波器轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的過程：建立模擬系統(tǒng)由模擬濾波器轉(zhuǎn)換成數(shù)字濾波器的過程：建立模擬系統(tǒng)函數(shù)與數(shù)字系統(tǒng)函數(shù)之間的關(guān)系，即建立函數(shù)與數(shù)字系統(tǒng)函數(shù)之間的關(guān)系，即建立Ha(s)與與H(z)之間之間關(guān)系關(guān)系8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器 脈沖響應(yīng)不變法脈沖響應(yīng)不變法(時(shí)域采樣法時(shí)域采樣法)基本思路基本思路: 根據(jù)給定的濾波指標(biāo)，設(shè)計(jì)模擬濾波器，對(duì)模擬濾根據(jù)給定的濾波指標(biāo)，設(shè)計(jì)模擬濾波器，對(duì)模擬濾波器的脈沖響應(yīng)波器的脈沖響應(yīng)ha(t)作均勻采樣，求得數(shù)字濾波器的作均勻采樣，求得數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)系統(tǒng)函數(shù) 設(shè)計(jì)過程設(shè)計(jì)過程)()()()(ZTILTzHnhthsHaa 采樣根據(jù)采樣序列的根據(jù)采樣序列的Z變換與模擬信號(hào)拉氏變換的關(guān)系，得到變換與模擬信號(hào)拉氏變換的關(guān)系，得到nazTjnsHTzHsT)2(1)(e