機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)(第三版)第四章信號(hào)調(diào)理與記錄課件

1、機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)(第三版)第四章信號(hào)調(diào)理與記錄課件機(jī)械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)(第三版)第四章信號(hào)調(diào)理與記錄課件4-1 電橋 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。按激勵(lì)電壓的性質(zhì)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: 2022/9/112ifm electronic gmbh4-1 電橋 電橋是將電阻、電感、電容等4-1 電橋 一、直流電橋電橋平衡條件：R1R3 =R2 R4 DATE: 2022/9/113ifm electronic gmbh4-1 電橋 一、直流電橋電橋平衡條件：DATE

2、: 4-1 電橋 FR1RR1R以應(yīng)變式電阻傳感器的布片與接橋?yàn)槔?.半橋單臂R1 工作應(yīng)變片R2 、R3、R4固定電阻DATE: 2022/9/114ifm electronic gmbh4-1 電橋 FR1RR1R以應(yīng)變式電阻傳感4-1 電橋 R1 =R2 =R3 =R4 =R0 ，電橋輸出電壓： R1R靈敏度：DATE: 2022/9/115ifm electronic gmbh4-1 電橋 R1 =R2 =R3 =R4 =R04-1 電橋 R1RR1( R2)R2 RF2.半橋雙臂 R1 、R2為工作應(yīng)變片R3 、R4為固定標(biāo)準(zhǔn)電阻DATE: 2022/9/116ifm electr

3、onic gmbh4-1 電橋 R1RR1( R2)R2 R4-1 電橋 R1 =R2 =R3 =R4 =R0 工作應(yīng)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(guān)系。DATE: 2022/9/117ifm electronic gmbh4-1 電橋 R1 =R2 =R3 =R4 =R0 4-1 電橋 R1(R3)R3( R4)FR2(R4)R1( R2)3.全橋四臂 R1 、R2 、R3 、R4均為工作應(yīng)變片DATE: 2022/9/118ifm electronic gmbh4-1 電橋 R1(R3)R3( R

4、4)FR2(R4)R14-1 電橋 R1 =R2 =R3 =R4 =R0 ，工作應(yīng)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(bǔ)償作用靈敏度： DATE: 2022/9/119ifm electronic gmbh4-1 電橋R1 =R2 =R3 =R4 =R0 ，全橋輸4-1 電橋 上述電橋是在不平衡條件下工作的，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(shí)增大或同時(shí)減?。?，所產(chǎn)生的輸出電壓的變化將相互抵消； 若相鄰兩橋臂電

5、阻反向變化（兩電阻一個(gè)增大一個(gè)減?。?，所產(chǎn)生的輸出電壓的變化將相互疊加。DATE: 2022/9/1110ifm electronic gmbh4-1 電橋 上述電橋是在不平衡條件下4-1 電橋 設(shè)被測量等于零時(shí)，電橋處于平衡狀態(tài)，此時(shí)指示儀表G及可調(diào)電位器H指零。 當(dāng)某一橋臂隨被測量變化時(shí)，電橋失去平衡，調(diào)節(jié)電位器H，改變電阻R5觸電位置，可使電橋重新平衡，電表G指針回零。 電位器H上的標(biāo)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(dá)被測量的數(shù)值。平衡電橋DATE: 2022/9/1111ifm electronic gmbh4-1 電橋 設(shè)被測量等于零時(shí)，電橋處于平衡4-1 電橋 二

6、、交流電橋 交流電橋采用交流激勵(lì)電壓。電橋的四個(gè)臂可為電感、電容或電阻。電橋平衡條件把各阻抗用指數(shù)式表示代入上式阻抗平衡相位平衡DATE: 2022/9/1112ifm electronic gmbh4-1 電橋 二、交流電橋 交流電橋采4-1 電橋 電容電橋 平衡條件： DATE: 2022/9/1113ifm electronic gmbh4-1 電橋 電容電橋 平衡條件： DATE: 24-1 電橋 電感電橋 平衡條件： DATE: 2022/9/1114ifm electronic gmbh4-1 電橋 電感電橋 平衡條件： DATE: 24-1 電橋 DATE: 2022/9/111

7、5ifm electronic gmbh4-1 電橋 DATE: 2022/9/917i4-1 電橋 Q 兩位開關(guān)R1 、R2 限流電阻R3 電阻調(diào)節(jié)平衡電位器C2電容調(diào)節(jié)平衡用差動(dòng)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(diào)節(jié) 粗/微 電容平衡調(diào)節(jié)DATE: 2022/9/1116ifm electronic gmbh4-1 電橋 Q 兩位開關(guān)具有電阻電容平衡的交流電4-1 電橋 用差動(dòng)式三繞組電感傳感器，鐵心為敏感元件，將被測位移量轉(zhuǎn)換為互感的變化，再通過電橋轉(zhuǎn)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(yīng)耦合臂的電橋?qū)⒏袘?yīng)耦合的兩個(gè)繞組作為橋臂。電橋平衡時(shí)

8、：W1、W2激磁效應(yīng)相互抵消，鐵心無磁通，G為0變壓器電橋電感比較儀DATE: 2022/9/1117ifm electronic gmbh4-1 電橋 用差動(dòng)式三繞組電感傳感4-2 調(diào)制與解調(diào) 測試系統(tǒng)調(diào)制與解調(diào)目的：傳感器輸出的信號(hào)是低頻的微弱信號(hào)，需進(jìn)行放大處理；如果直接采取直流放大，存在零漂和級(jí)間耦合等問題，造成信號(hào)失真；交流放大器具有良好的抗零漂性能；將低頻信號(hào)通過調(diào)制的手段變?yōu)楦哳l信號(hào)，然后采用交流放大器放大，最終用解調(diào)的手段獲取放大后的被測信號(hào)。DATE: 2022/9/1118ifm electronic gmbh4-2 調(diào)制與解調(diào) 測試系統(tǒng)調(diào)制與解調(diào)目的：DATE:4-2 調(diào)

9、制與解調(diào)調(diào)制：使一個(gè)信號(hào)的某些參數(shù)在另一信號(hào)的控制下而發(fā)生變化的過程。前一個(gè)信號(hào)稱為載波，一般為較高頻率的交變信號(hào)。后一信號(hào)（控制信號(hào)）稱為調(diào)制信號(hào)，一般為低頻。輸出是已調(diào)制波。已調(diào)制波一般都便于放大和傳輸。從已調(diào)制波中恢復(fù)出調(diào)制信號(hào)的過程，稱為解調(diào)。調(diào)制和解調(diào)是一對(duì)相反的信號(hào)變換過程。DATE: 2022/9/1119ifm electronic gmbh4-2 調(diào)制與解調(diào)調(diào)制：使一個(gè)信號(hào)的某些參數(shù)在另一信號(hào)的控4-2 調(diào)制與解調(diào) 根據(jù)載波受調(diào)制的參數(shù)不同，調(diào)制可分為： 調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)和調(diào)相(PM)； 使載波的幅值、頻率或相位隨調(diào)制信號(hào)而變化的過程分別稱為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相。DAT

10、E: 2022/9/1120ifm electronic gmbh4-2 調(diào)制與解調(diào) 根據(jù)載波受調(diào)制的參數(shù)4-2 調(diào)制與解調(diào) 一、調(diào)幅及其解調(diào) 調(diào)幅是將一個(gè)高頻簡諧信號(hào)（載波）與測試信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）相乘，使高頻信號(hào)的幅值隨測試信號(hào)而變化。 由傅立葉變換的性質(zhì)，在時(shí)域中兩個(gè)信號(hào)相乘，則對(duì)應(yīng)在頻率域中這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行卷積： 余弦信號(hào)頻率域圖形是一對(duì)脈沖譜線，一個(gè)函數(shù)與脈沖卷積的結(jié)果，就是將其圖形由坐標(biāo)原點(diǎn)平移至該脈沖函數(shù)（頻率f0）處，其幅值減半。 調(diào)幅過程相當(dāng)于頻譜“搬移”過程。1.幅值調(diào)制DATE: 2022/9/1121ifm electronic gmbh4-2 調(diào)制與解調(diào) 一、調(diào)幅及其解調(diào)

11、 調(diào)4-2 調(diào)制與解調(diào) DATE: 2022/9/1122ifm electronic gmbh4-2 調(diào)制與解調(diào) DATE: 2022/9/924-2 調(diào)制與解調(diào) 若把調(diào)幅波與原載波信號(hào)相乘，則頻域圖形將再次進(jìn)行“搬移”，如果用一個(gè)低通濾波器濾去中心頻率為2f0的高頻成分，那么將可以復(fù)現(xiàn)原信號(hào)的頻譜（只是幅值減小一半，可以用放大處理來補(bǔ)償），這個(gè)過程稱為同步解調(diào)?！巴健笔侵冈诮庹{(diào)過程中所乘的載波信號(hào)與調(diào)制時(shí)的載波信號(hào)具有相同的頻率與相位。時(shí)域中也可以看到：2.同步解調(diào)DATE: 2022/9/1123ifm electronic gmbh4-2 調(diào)制與解調(diào) 若把調(diào)幅波與原載波4-2 調(diào)制與

12、解調(diào) DATE: 2022/9/1124ifm electronic gmbh4-2 調(diào)制與解調(diào) DATE: 2022/9/924-2 調(diào)制與解調(diào) 幅度調(diào)制與解調(diào)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: 2022/9/1125ifm electronic gmbh4-2 調(diào)制與解調(diào) 幅度調(diào)制與解調(diào)過程（波形分析）乘法4-2 調(diào)制與解調(diào) 幅度調(diào)制與解調(diào)過程（頻譜分析）乘法器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器濾波器z(t)x(t)DATE: 2022/9/1126ifm electronic gmbh4-2 調(diào)制與解調(diào) 幅度調(diào)制與解調(diào)過程

13、（頻譜分析）4-2 調(diào)制與解調(diào) 幅度調(diào)制與解調(diào)過程（數(shù)學(xué)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: 2022/9/1127ifm electronic gmbh4-2 調(diào)制與解調(diào) 幅度調(diào)制與解調(diào)過程（數(shù)學(xué)分析）乘4-2 調(diào)制與解調(diào) DATE: 2022/9/1128ifm electronic gmbh4-2 調(diào)制與解調(diào) DATE: 2022/9/930if4-2 調(diào)制與解調(diào) 調(diào)幅的目的是使緩變信號(hào)便于放大和傳輸。解調(diào)的目的是為了恢復(fù)原信號(hào)。載波頻率f0必須高于原信號(hào)中最高頻率fm才能使已調(diào)制波仍保持原信號(hào)的頻譜圖形，不致重疊。實(shí)際載波頻率常常至少數(shù)倍

14、甚至十倍于調(diào)制信號(hào)。幅值調(diào)制裝置實(shí)質(zhì)上是一個(gè)乘法器。電橋本質(zhì)上也是一個(gè)乘法器。DATE: 2022/9/1129ifm electronic gmbh4-2 調(diào)制與解調(diào) 調(diào)幅的目的是使緩變信號(hào)便于放大和4-2 調(diào)制與解調(diào) 以單臂電橋?yàn)槔f明調(diào)幅過程：FR1RR1RDATE: 2022/9/1130ifm electronic gmbh4-2 調(diào)制與解調(diào) 以單臂電橋?yàn)槔f明調(diào)幅過程：F4-2 調(diào)制與解調(diào) 3.整流檢波（包絡(luò)檢波） 整流檢波原理：若把調(diào)制信號(hào)進(jìn)行偏置，疊加一個(gè)直流分量，使偏置后的信號(hào)都具有正電壓，那么調(diào)幅波的包絡(luò)線將具有原調(diào)制信號(hào)的形狀，把該調(diào)幅波xm(t)簡單地整流、濾波就可恢復(fù)

15、原調(diào)制信號(hào)。 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(hào)電壓都在零線一側(cè)，就需要用相敏檢波技術(shù)。DATE: 2022/9/1131ifm electronic gmbh4-2 調(diào)制與解調(diào) 3.整流檢波（包絡(luò)檢波） 4-2 調(diào)制與解調(diào) DATE: 2022/9/1132ifm electronic gmbh4-2 調(diào)制與解調(diào) DATE: 2022/9/934-2 調(diào)制與解調(diào) 相敏檢波利用交變信號(hào)在過零位時(shí)正、負(fù)極性發(fā)生突變，使調(diào)幅波的相位（與載波比較）也相應(yīng)地發(fā)生1800的相位跳變。這樣既能反映調(diào)制信號(hào)的幅值，又能反映其極性。4.相敏檢波DATE: 2022/9/1133ifm e

16、lectronic gmbh4-2 調(diào)制與解調(diào) 相敏檢波利用交變信號(hào)在過零4-2 調(diào)制與解調(diào) DATE: 2022/9/1134ifm electronic gmbh4-2 調(diào)制與解調(diào) DATE: 2022/9/936if4-2 調(diào)制與解調(diào) 0-a段，載波為正時(shí)，VD1導(dǎo)通，電流的流向是d1VD125c負(fù)載地d0-a段，載波為負(fù)時(shí)，變壓器A和B極性同時(shí)改變，電流的流向是d3VD345c負(fù)載地da-b段，載波為正時(shí)，變壓器B極性如圖中所示，變壓器A與圖中相反，VD2導(dǎo)通，電流的流向是52VD23d地負(fù)載c5a-b段，載波為負(fù)時(shí)，電流的流向是54VD4d地負(fù)載c5DATE: 2022/9/1135

17、ifm electronic gmbh4-2 調(diào)制與解調(diào) 0-a段，載波為正時(shí)，VD1導(dǎo)通4-2 調(diào)制與解調(diào) 相敏檢波是利用二極管的單向?qū)ㄗ饔?，將電路輸出極性換向。 這種電路相當(dāng)于在0a段把xm(t)的零線下的負(fù)部翻上去，而在ab段把正部翻下來，所檢測的信號(hào)uf是經(jīng)過“翻轉(zhuǎn)”后信號(hào)的包絡(luò)。DATE: 2022/9/1136ifm electronic gmbh4-2 調(diào)制與解調(diào) 相敏檢波是利用二極管的單4-2 調(diào)制與解調(diào) 動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀是電橋調(diào)幅與相敏檢波的典型實(shí)例。動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀原理DATE: 2022/9/1137ifm electronic gmbh4-2 調(diào)制與解調(diào) 動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀是

18、電橋調(diào)幅與相敏4-2 調(diào)制與解調(diào) 調(diào)頻是利用信號(hào)x(t)的幅值調(diào)制載波的頻率，或者說，調(diào)頻波是一種隨信號(hào)x(t)的電壓幅值而變化的疏密度不同的等幅波。 二、頻率調(diào)制與解調(diào) DATE: 2022/9/1138ifm electronic gmbh4-2 調(diào)制與解調(diào) 調(diào)頻是利用信號(hào)x(t)的4-2 調(diào)制與解調(diào) 調(diào)頻的方法：一般用振蕩電路來實(shí)現(xiàn)，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(diào)諧參數(shù)的變化呈線性關(guān)系。壓控振蕩器（VCO）用調(diào)制信號(hào)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(dá)到頻率調(diào)制的目的。調(diào)頻信號(hào)的解調(diào)：調(diào)頻信號(hào)的解

19、調(diào)亦稱鑒頻；一般采用鑒頻器和鎖相環(huán)解調(diào)器。DATE: 2022/9/1139ifm electronic gmbh4-2 調(diào)制與解調(diào) 調(diào)頻的方法：DATE: 2022/4-2 調(diào)制與解調(diào) 鑒頻T1T2T3T4F鑒頻器由一個(gè)高通濾波器（輸入頻率不同，輸出幅值不同，實(shí)現(xiàn)頻率電壓的轉(zhuǎn)換）和一個(gè)包絡(luò)檢波器構(gòu)成。DATE: 2022/9/1140ifm electronic gmbh4-2 調(diào)制與解調(diào) 鑒頻T1T2T3T4F鑒頻器由一個(gè)高4-2 調(diào)制與解調(diào) 調(diào)頻優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)。 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20倍；調(diào)頻系統(tǒng)較之調(diào)幅系統(tǒng)復(fù)雜，因?yàn)轭l率調(diào)制是一種非線性調(diào)制。 因?yàn)檎{(diào)頻

20、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則主要表現(xiàn)在振幅之中。 調(diào)頻缺點(diǎn)：占頻帶寬度大，復(fù)雜DATE: 2022/9/1141ifm electronic gmbh4-2 調(diào)制與解調(diào) 調(diào)頻優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)。 調(diào)本次課內(nèi)容 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20倍；調(diào)頻系統(tǒng)較之調(diào)幅系統(tǒng)復(fù)雜，因?yàn)轭l率調(diào)制是一種非線性調(diào)制。調(diào)頻缺點(diǎn)：占頻帶寬度大，復(fù)雜 第四章 信號(hào)的調(diào)理與記錄第三節(jié) 濾波器第四節(jié) 信號(hào)的放大第五節(jié) 測試信號(hào)的顯示與記錄DATE: 2022/9/1142ifm electronic gmbh本次課內(nèi)容 調(diào)頻波通常要求很寬的頻帶，甚至為調(diào)幅所

21、要求4-3 濾波器 濾波器是一種選頻裝置，可以使信號(hào)中特定的頻率成分通過，而極大地衰減其它頻率成分。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(jìn)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(jù)濾波器選頻的作用分類DATE: 2022/9/1143ifm electronic gmbh4-3 濾波器 濾波器是一種選頻裝置4-3 濾波器 低通高通帶通帶阻陷波DATE: 2022/9/1144ifm electronic gmbh4-3 濾波器 低通高通帶通帶阻陷波DATE: 2024-3 濾波器 四種濾波器的特性是互有聯(lián)系的：高通濾

22、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特性，故可以用低通濾波器做負(fù)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(fù)反饋而獲得。DATE: 2022/9/1145ifm electronic gmbh4-3 濾波器 四種濾波器的特性是互有聯(lián)系的：DATE: 4-3 濾波器 濾波器的串/并聯(lián) 帶阻濾波器 DATE: 2022/9/1146ifm electronic gmbh4-3 濾波器 濾波器的串/并聯(lián) 帶阻濾波器 DA4-3 濾波器 根據(jù)構(gòu)成濾波器的元件類型： 可分為RC、LC或晶體諧振濾波器；根據(jù)構(gòu)成濾波器的電路性質(zhì)： 可分

23、為有源濾波器（運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)）和無源濾波器（RLC組合配置）；根據(jù)濾波器所處理的信號(hào)性質(zhì)： 可分為模擬濾波器與數(shù)字濾波器等等。本節(jié)所述內(nèi)容是屬于模擬濾波器范圍。2.其他分類方法DATE: 2022/9/1147ifm electronic gmbh4-3 濾波器 根據(jù)構(gòu)成濾波器的元件類型：2.其他分類4-3 濾波器 二、理想濾波器 低通濾波器為例 根據(jù)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(yīng)函數(shù)應(yīng)是：若濾波器的頻率響應(yīng)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(shí)域脈沖響應(yīng)函數(shù)：不失真條件DATE: 2022/9/1148ifm electronic gmbh4

24、-3 濾波器 二、理想濾波器 4-3 濾波器 DATE: 2022/9/1149ifm electronic gmbh4-3 濾波器 DATE: 2022/9/951ifm 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(duì)應(yīng)的輸出。違背因果關(guān)系，任何現(xiàn)實(shí)的濾波器不可能有這種預(yù)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(shí)際濾波器的頻域圖形不可能出現(xiàn)直角銳變，也不會(huì)在有限頻率上完全截止。 3. 實(shí)際濾波器的頻域圖形將延伸到|f|。 4. 一個(gè)濾波器對(duì)信號(hào)中通帶以外的頻率成分只能極大地衰減，卻不能完全阻止。DAT

25、E: 2022/9/1150ifm electronic gmbh4-3 濾波器 說明： 1.在輸入(t)到來4-3 濾波器 三、實(shí)際濾波器的特征參數(shù) 以帶通濾波器為例 理想濾波器是不存在的，實(shí)際濾波器幅頻特性中通帶和阻帶間沒有嚴(yán)格界限，存在過渡帶。 0fADATE: 2022/9/1151ifm electronic gmbh4-3 濾波器 三、實(shí)際濾波器的特征參數(shù) 以帶通濾4-3 濾波器 0ffc1fc2A00.707A01)截止頻率fc：0.707A0所對(duì)應(yīng)的頻率fc1和fc2, （-3dB或半功率點(diǎn)）。22)紋波幅度：通帶中繞幅頻特性均值A(chǔ)0波動(dòng)值。 越小越好。BQ=f0 / BDAT

26、E: 2022/9/1152ifm electronic gmbh4-3 濾波器 0ffc1fc2A00.707A01)4-3 濾波器 5)濾波器因數(shù)（矩形系數(shù)） 定義為濾波器幅頻特性的-60dB帶寬與-3dB帶寬的比，即： 理想濾波器=1，對(duì)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(hào)中相鄰頻率成分的能力。4)品質(zhì)因數(shù)Q： 對(duì)帶通濾波器，中心頻率f0和帶寬B之比稱為品質(zhì)因數(shù)Q 。 Q越大，則相對(duì)帶寬越小，濾波器的選擇性越好。DATE: 2022/9/1153ifm electr

27、onic gmbh4-3 濾波器 5)濾波器因數(shù)（矩形系數(shù)）理想濾波器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(shí)際濾波器有一個(gè)過渡帶，過渡帶的曲線傾斜度代表著幅頻特性衰減程度，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(gè)倍頻程時(shí)的衰減量。 DATE: 2022/9/1154ifm electronic gmbh4-3 濾波器 6)倍頻程選擇性W 倍頻4-3

28、 濾波器 1.一階RC低通濾波器拉氏變換，得傳遞函數(shù) 當(dāng)f1/2RC時(shí)，RC起積分器作用，對(duì)高頻成分衰減為-20dB/10倍頻（-6dB/倍頻程）。DATE: 2022/9/1156ifm electronic gmbh4-3 濾波器 當(dāng)f1/2RC4-3 濾波器 2.RC高通濾波器微分方程：傳遞函數(shù)：頻率響應(yīng)函數(shù)：幅頻特性：或相頻特性：或DATE: 2022/9/1157ifm electronic gmbh4-3 濾波器 2.RC高通濾波器微分方程：傳遞函數(shù)4-3 濾波器 濾波器的-3dB截止頻率為 A(f)=1; (f)0。即當(dāng)f相當(dāng)大時(shí)，幅頻特性接近于1，相移趨于零，此時(shí)RC高通濾波器

29、可視為不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)。當(dāng) 時(shí)，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: 2022/9/1158ifm electronic gmbh4-3 濾波器 濾波器的-3dB截止頻率為 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(lián)組成。一階低通濾波器的傳遞函數(shù)為一階高通濾波器的傳遞函數(shù)為則串聯(lián)后傳遞函數(shù)為H(s)=H1(s)H2(S)幅頻特性為：相頻特性為：DATE: 2022/9/1159ifm electronic gmbh4-3 濾波器 3.RC帶通濾波器 帶通4-3 濾波器 低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián) DATE: 2022/9/

30、1160ifm electronic gmbh4-3 濾波器 低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián) DATE: 4-3 濾波器 串聯(lián)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(lián)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(diào)節(jié)高、低通環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)(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: 2022/9/1161ifm electronic gmbh4-3 濾波器 串聯(lián)所得的帶通濾波器以原高通的截止頻率4-3 濾波器 4.濾波器的實(shí)際使用一階RC濾波器在過渡帶內(nèi)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(fù)雜的濾波器。通過采用多個(gè)RC環(huán)節(jié)或

31、LC環(huán)節(jié)串聯(lián)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(jí)串聯(lián)使用時(shí)，應(yīng)消除級(jí)間的相互影響，因?yàn)楹笠患?jí)成為前一級(jí)的“負(fù)載”，而前一級(jí)又是后一級(jí)的信號(hào)源內(nèi)阻。因此多個(gè)簡單濾波器的級(jí)聯(lián)能改善濾波器的過渡帶性能，卻又不可避免地帶來負(fù)載效應(yīng)和相移增大等問題，采用有源濾波器解決。實(shí)際上兩級(jí)間常用射極輸出器或者用運(yùn)算放大器進(jìn)行隔離。所以實(shí)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(gòu)成LC低通、高通和帶通濾波器，有L型、T型和型的濾波器。DATE: 2022/9/1162ifm electronic gmbh4-3 濾波器 4.

32、濾波器的實(shí)際使用一階RC濾波器在過4-3 濾波器 產(chǎn)品LineDa: LTC1564MAXIM: MAX74xxDATE: 2022/9/1163ifm electronic gmbh4-3 濾波器 產(chǎn)品LineDa: LTC1564MAXI4-3 濾波器五、帶通濾波器在信號(hào)頻率分析中的應(yīng)用 頻率分析儀為了對(duì)信號(hào)做頻譜分析，或者摘取信號(hào)中某些特殊頻率成分，可將信號(hào)通過放大倍數(shù)相同而中心頻率各個(gè)不同的多個(gè)帶通濾波器，各個(gè)濾波器的輸出主要反映信號(hào)中在該通帶頻率范圍內(nèi)的量值?？梢杂袃煞N做法：多路濾波器并聯(lián)式和中心頻率可調(diào)式多路濾波器并聯(lián)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

33、濾波器組并聯(lián)在信號(hào)源上，各濾波器的輸出同時(shí)顯示或記錄，這樣就能瞬時(shí)獲得信號(hào)的頻譜結(jié)構(gòu)。這就成為“實(shí)時(shí)”的譜分析。中心頻率可調(diào)式使帶通濾波器的中心頻率是可調(diào)的，通過改變RC調(diào)諧參數(shù)而使其中心頻率跟隨所需要量測的信號(hào)頻段。其可調(diào)范圍一般是有限的。DATE: 2022/9/1164ifm electronic gmbh4-3 濾波器五、帶通濾波器在信號(hào)頻率分析中的應(yīng)用 4-3 濾波器 對(duì)用于譜分析的濾波器組，各濾波器的通帶應(yīng)該相互連接，覆蓋整個(gè)感興趣的頻率范圍，這樣才不致使信號(hào)中的頻率成分“丟失”。通常的做法是前一個(gè)濾波器的-3dB上截止頻率(高端)就是后一個(gè)濾波器的-3dB下截止頻率(低端)。這樣

34、濾波器組將覆蓋整個(gè)頻率范圍。當(dāng)然，濾波器組應(yīng)具有同樣的放大倍數(shù)(對(duì)其各個(gè)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(gòu)成的。恒帶寬比是指帶寬和中心頻率之比值為常數(shù)，即濾波器的相對(duì)帶寬是常數(shù)。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(lián)形式DATE: 2022/9/1165ifm electronic gmbh4-3 濾波器 對(duì)用于譜分析的濾波器組，各濾波器的4-3 濾波器 恒帶寬比帶通濾波器 假設(shè)一個(gè)帶通濾波器的低端截止頻率為fc1i，高端截止頻率為fc2i， fc2i和 fc1i的關(guān)系總是可以用下式表示：式中n稱為倍頻程數(shù)。若n=1稱為倍頻程濾波器；若n=1/3

35、，則稱為1/3倍頻程濾波器。DATE: 2022/9/1166ifm electronic gmbh4-3 濾波器 恒帶寬比帶通濾波器 4-3 濾波器 濾波器關(guān)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: 2022/9/1167ifm electronic gmbh4-3 濾波器 濾波器關(guān)系式：若為倍頻程濾波器，n=14-3 濾波器 只要選定n值就可設(shè)計(jì)覆蓋給定頻率范圍的鄰接式濾波器組。 例如對(duì)于n=1的倍頻程濾波器將是：中心頻率(Hz) 16 31.5 63 125 250

36、帶寬(Hz) 11.05 22.09 44.19 88.36 176.75 又例如對(duì)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 14.5DATE: 2022/9/1168ifm electronic gmbh4-3 濾波器 只要選定n值就可設(shè)計(jì)覆4-3 濾波器 n=1的倍頻程濾波器組DATE: 2022/9/1169ifm electronic gmbh4-3 濾波器 n=1的倍頻程濾波器組DATE: 24-3 濾波器 恒帶寬濾波器 恒帶寬比濾波器，其通頻帶在低頻段

37、內(nèi)甚窄，而在高頻段內(nèi)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(yīng)窄一些，這樣為覆蓋整個(gè)頻率范圍所需要的濾波器數(shù)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: 2022/9/1170ifm electronic gmbh4-3 濾波器 恒帶寬濾波器 恒帶寬比4-3 濾波器 2.中心頻率可調(diào)式 恒帶寬濾波器一般不用固定中心頻率與帶寬的并聯(lián)濾波器組實(shí)現(xiàn)，而是通過中心頻率可調(diào)的掃描式帶通濾波器來實(shí)現(xiàn)。掃描式頻率分析儀采用一個(gè)中心頻率可調(diào)的帶通濾波器，通過

38、改變中心頻率使該濾波器的通帶跟隨所要分析的信號(hào)頻率范圍要求來變化。調(diào)節(jié)方式可以是手動(dòng)或外信號(hào)調(diào)節(jié)，如用于調(diào)節(jié)中心頻率的信號(hào)可由一個(gè)鋸齒波發(fā)生器來產(chǎn)生，用一個(gè)線性升高的電壓來控制中心頻率的連續(xù)變化。由于在調(diào)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(shù)，因此中心頻率的調(diào)節(jié)范圍是有限的。DATE: 2022/9/1171ifm electronic gmbh4-3 濾波器 2.中心頻率可調(diào)式 DATE: 204-3 濾波器 濾波器的應(yīng)用超門限報(bào)警 案例：旅游索道鋼纜檢測DATE: 2022/9/1172ifm electronic gmbh4-3 濾波器 濾波器的應(yīng)用超門限報(bào)警 案

39、例：旅游索道鋼纜4-3 濾波器 由案例提煉的典型實(shí)驗(yàn)：鋼管無損探傷濾除信號(hào)中的零漂和低頻晃動(dòng)，便于門限報(bào)警DATE: 2022/9/1173ifm electronic gmbh4-3 濾波器 由案例提煉的典型實(shí)驗(yàn)：鋼管無損探傷濾除信號(hào)4-3 濾波器 案例：機(jī)床軸心軌跡的濾波處理 DATE: 2022/9/1174ifm electronic gmbh4-3 濾波器 案例：機(jī)床軸心軌跡的濾波處理 DATE: 4-3 濾波器 案例：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DATE: 2022/9/1175ifm electronic gmbh4-3 濾波器 案例：機(jī)床軸心軌跡的濾波處理 濾除信號(hào)中的4-4 信號(hào)的放大采用線性運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)對(duì)放大電路的要求：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、低噪音、