CH 5 信號調(diào)理-處理和記錄

單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級1第5章信號調(diào)理和記錄SignalCondition,ProcessandRecord5.1電橋(BridgeCircuit)5.3調(diào)制與解調(diào)(ModulationandDemodulation)5.4濾波器(WaveFilter)5.5信號的指示和記錄裝置

(IndicationandRecordEquipmentsofSignal)返回5.2信號的放大與隔離5.1電橋

(BridgeCircuit)將電阻、電感、電容等參量的變化變?yōu)殡妷夯螂娏鬏敵龅囊环N測量電路。按照激勵電壓的性質(zhì)，分為直流電橋和交流電橋；按照輸出方式，分為不平衡橋式電路和平衡橋式電路。電橋:分類:1.直流電橋電橋(2/19)R1R3R4R2uiuoI1I2abdc(2)電橋的平衡條件

(1)電橋輸出電壓電橋(3/19)直流電橋的連接方式

(a)半橋單臂(b)半橋雙臂(c)全橋

電橋(4/19)R3R4R2uiuoI1I2abdcR3R4uiuoI1I2abdcuiuoI1I2abdc11RRD±11RRD±22RRDm11RRD±22RRDm44RRDm33RRD±342uu1234uu12u1211RRD±11RRD±22RRDm11RRD±22RRDm44RRDm33RRD±設(shè)R1為應(yīng)變片的阻值，工作時R1有一增量ΔR1，當(dāng)為拉伸應(yīng)變時，ΔR1為正；壓縮應(yīng)變時，ΔR1為負(fù)。(3)電橋的靈敏度實際使用中，為了簡化橋路設(shè)計，同時也為了得到電橋的最大靈敏度，往往取橋臂電阻相等，即

一般R很小，即R<<R，又由于電橋開始時平衡，即電橋(5/19)如電橋開始處于平衡狀態(tài),當(dāng)各橋臂電阻發(fā)生微小變化時電橋失去平衡,其輸出為實際使用中，為了簡化橋路設(shè)計，同時也為了得到電橋的最大靈敏度，往往取橋臂電阻相等，即

電橋(6/19)

半橋單臂接法:

半橋雙臂接法:

全橋接法

:

定義電橋的靈敏度

則三種接法的靈敏度比分別為1：2：4。電橋(7/19)注意：相鄰兩臂電阻增量符號相反；相對兩臂電阻增量符號相同。例:如圖所示，懸臂梁受力F作用，要求出F，并且要考慮溫度的影響。試畫出應(yīng)變片的粘貼位置與電橋的連接方式圖。電橋(8/19)F電橋(9/19)FR1R2R1R1R3R2R4eyex軸向粘貼位置如何考慮？解:力F使懸臂梁產(chǎn)生純彎曲變形，溫度使梁產(chǎn)生拉伸變形F電橋(10/19)電橋(11/19)R1R3R2R4eyexFR1R2R1如果上述測試靈敏度不夠,怎么辦?改成全橋。電橋(12/19)R1R3R2R4eyexFR1,3R2,4R1R3靈敏度是半橋接法的2倍。電橋(13/19)另外：軸向粘貼在變形最大的位置，可得到最大的靈敏度。由如下兩等式可以求出力F直流電橋平衡調(diào)節(jié)的配置方式電橋接線的補(bǔ)償方法（a）具有遠(yuǎn)距離連接傳感器的電橋（b）帶補(bǔ)償電纜的電橋2.交流電橋

在已知輸入電壓及電阻的情況下，電橋可以通過輸出電壓的變化測出電阻的變化值。當(dāng)輸入電源為交流電源時，上述等式仍舊成立。

把電容、電感寫成矢量形式時，電橋平衡條件式可改寫為寫成復(fù)指數(shù)形式

電橋平衡條件為(1)電橋平衡條件電橋(14/19)此式成立的條件為等式兩邊阻抗的模、阻抗角相等，即

因此，交流電橋需要兩只旋鈕調(diào)平衡，一只用于調(diào)整阻抗的模，一只用于調(diào)整阻抗角。

交流電橋有不同的組合，常用的有電容、電感電橋，其相鄰兩臂接入電阻，而另外兩臂接入相同性質(zhì)的阻抗，例如都是電容或電感。電橋(15/19)交流電橋圖1)電容電橋的平衡條件

電橋(16/19)cdbR3aR1uouiI1I2R4R2C1C2(a)電容電橋 cdbR3aR1uouiI1I2R4R2L1L2(b)電感電橋 2)電感電橋的平衡條件電橋(17/19)cdbR3aR1uouiI1I2R4R2L1L2

電感電橋 3)具有電阻、電容平衡的交流電阻電橋

調(diào)電阻平衡調(diào)電容平衡電橋(18/19)交流電橋的平衡條件針對供橋電源只有一個頻率的情況下推出的。當(dāng)供橋電源有多個頻率成分時，得不到平衡條件，也即電橋是不平衡的。因此，交流電橋?qū)螂娫匆缶哂辛己玫碾妷翰ㄐ魏皖l率穩(wěn)定性。采用交流電橋時，還要注意影響測量誤差的一些參數(shù)，如：電橋中元件之間的互感影響；無感電阻的殘余電抗；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。(2)交流電橋的特點電橋(19/19)若則對電感式差動傳感器對電容式差動傳感器變壓器式電橋由于是雙臂工作形式當(dāng)銜鐵下移時，Z1=Z-△Z，Z2=Z+△Z，則有：

同理，當(dāng)銜鐵上移時，則有：可見，輸出電壓反映了傳感器阻抗的變化。為了判別銜鐵或電容極板的位移方向，需在后續(xù)電路中接相敏檢波器來解決。Z1、Z2為差動自感傳感器兩個線圈的電感或電容傳感器兩個差動電容的阻抗，另兩臂為電源變壓器二次繞組的兩半。當(dāng)負(fù)載阻抗無窮大時輸出電壓為：特點：元件少、精確度高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點。放大器★集成運算放大器根據(jù)其性能可分為通用型、高輸入阻抗型、高速型、高精度型、低漂移型、低功耗型等，可根據(jù)不同要求選用。利用運算放大器可組成反相輸入、同相輸入和差動輸入放大器。5.2信號的放大與隔離1、同相放大器

RfRR//Rf

特點：同相放大器具有很高輸入阻抗，低輸出阻抗。廣泛用于前置放大級。開環(huán)增益A0很大（）

反饋電阻Rf值不能太大，否則會產(chǎn)生較大的噪聲及漂移，一般為幾十千歐至幾百千歐。R的取值應(yīng)遠(yuǎn)大于信號源Ui的內(nèi)阻。2、反相放大器

放大器的理想增益為：

3、差動放大器

0令R1=R2Rf=RP

測量放大器又稱儀表放大器,它的線性好、共模抑制比高、輸入阻抗高和噪聲低,是一種高性能的放大器。它由三個運算放大器組成。4、測量放大器

上述三種放大器一般僅適用于信號回路不受干擾或信噪比較大的場合。實際應(yīng)用中，傳感器所處的工作環(huán)境往往比較復(fù)雜、惡劣，傳感器輸出信號中含有較大的噪聲和共模干擾，這時需采用測量放大器。

★共模干擾——是指在傳感器的兩條傳輸線上產(chǎn)生的完全相同的干擾。

測量放大器是兩級串聯(lián)放大器，前級由兩個同相放大器組成，為對稱結(jié)構(gòu)，輸入阻抗高和抑制共模干擾能力強(qiáng)。后級是差動放大器，將雙端輸入變?yōu)閱味溯敵?，適應(yīng)對地負(fù)載的需要。A3=R5/R3★若兩個輸入信號為共模信號，因A1、A2相等，U01、U02也是共模相等。經(jīng)A3差動放大，兩共模信號被完全消除，總輸出信號U0等于零?！锶魞蓚€輸入信號為差模信號，經(jīng)A1、A2放大后仍為差模信號。因此，對于差模信號，兩級的增益為A?！锝M成測量放大器的運放須嚴(yán)格匹配，采用激光調(diào)整工藝的集成測量放大器可做到。后級前級A1=U01/Ui1=1+2R1/RWA2=U02/Ui2=1+2R2/RW總增益為：A=(1+2R2/RW)R5/R3

共模抑制比CMRR(CommonModeRejectionRatio)常用共模抑制比來描述差動放大器抑制共模信號的能力。其定義為：放大器對差模信號的放大倍數(shù)AVD與對共模信號的放大倍數(shù)AVC之比，即差模放大倍數(shù)越大，共模放大倍數(shù)越小，則共模抑制能力越強(qiáng)，放大器的性能越優(yōu)良。共模抑制比有時也用分貝數(shù)來表示

常用的單片集成測量放大器有AD521、AD522、INA101、INA118

和LH0038等。其中的LH0038（美國國家半導(dǎo)體公司產(chǎn)品）是一種精密測量放大器，具有低失調(diào)（25μV）、低漂移0.25μV/℃）和高共模抑制比(120dB)等優(yōu)良特性。當(dāng)KCf>>(C+Cf)時,5、電荷放大器電荷放大器是一個高增益帶電容反饋的運算放大器。K=Uy/UiUyUi傳感器電容電纜電容放大器輸入電容電荷放大器：高增益帶電容反饋的運算放大器C即輸出電壓與傳感器的電荷量成正比6、隔離放大器★在有強(qiáng)電或強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境中，傳感器的輸出信號中混雜著許多干擾和噪聲。其原因是：地回路、靜電耦合以及電磁耦合。★為消除這些干擾和噪聲，除了將模擬信號進(jìn)行低通濾波，慮掉部分高頻干擾外，還必須合理處理接地問題，將放大器實行靜電和電磁屏蔽并浮置起來。這就是隔離放大器，其輸入和輸出電路之間沒有直接的電路連接，只有磁路或光路的聯(lián)系。★隔離放大器的應(yīng)用：高噪聲環(huán)境中的便攜式儀器和某些測試系統(tǒng)；醫(yī)學(xué)測量領(lǐng)域，確保人體不受10μA以上的漏電流和高壓危害；防止因故障而使電網(wǎng)電壓對低壓電路造成損壞。★隔離放大器由輸入放大器、輸出放大器、隔離器以及隔離電源等幾部分組成。由于采用浮置式（浮置電源、浮置放大器輸入端）設(shè)計，輸入、輸出端相互隔離，不存在公共地線的干擾，因此具有極高的共模抑制能力，能對信號進(jìn)行安全準(zhǔn)確的放大，有效防止高壓信號對低壓測試系統(tǒng)造成的破壞?！镙斎爰墶敵黾夐g的耦合變壓器耦合采用載波調(diào)制-解調(diào)技術(shù)，具有較高的線性度和隔離性能，共模抑制比高，技術(shù)較成熟，但通常帶寬較窄，約數(shù)KHz以下(高性能的變壓器耦合隔離放大器帶寬可達(dá)20KHz左右)，且體積大、工藝成本復(fù)雜。電容耦合采用數(shù)字調(diào)制技術(shù)(電壓-頻率變換或電壓-脈沖占空比變換)，將輸入信號以數(shù)字量的形式由差分耦合電容耦合到輸出側(cè)，可靠性好，帶寬較寬，具有良好的頻率特性。光電耦合結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、器件重量輕、頻帶寬，但光耦合器是非線性器件，尤其在信號較大時，將出現(xiàn)較大的非線性誤差。線性誤差：小于0.01%

輸入阻抗：1MΩ

隔離度：2500V/50Hz/1min

工作溫度：-10℃～+60℃精密隔離放大器舉例5.3調(diào)制與解調(diào)

(ModulationandDemodulation)傳感器輸出的電信號一般為較低頻率分量（在直流至幾十千赫茲之間），當(dāng)被測信號比較弱時，為了實現(xiàn)信號的傳輸尤其是遠(yuǎn)距離傳輸，可以采用直流放大或調(diào)制與解調(diào)。信號傳輸過程中容易受到工頻及其他信號的干擾，若采用直流放大則在傳輸過程中必須采用有限措施抑制干擾信號的影響。實際中往往采用更有效的先調(diào)制而后交流放大，將信號從低頻區(qū)推移到高頻區(qū)，也可以提高電路的抗干擾能力和信號的信噪比。調(diào)制就是使一個信號的某些參數(shù)在另一個信號的控制下而發(fā)生變化的過程。前一信號稱為載波，后一信號（控制信號）稱為調(diào)制信號。對應(yīng)于信號的三要素：幅值、頻率和相位，根據(jù)載波的幅值、頻率和相位隨調(diào)制信號而變化的過程，調(diào)制可以分為調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相，其波形分別稱為調(diào)幅波、調(diào)頻波和調(diào)相波。調(diào)制與解調(diào)(2/26)單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級載波、調(diào)制信號及調(diào)幅、調(diào)頻波圖(a)載波信號(b)調(diào)制信號(c)調(diào)幅波形(d)調(diào)頻波形調(diào)制與解調(diào)(3/26)(a)(b)(c)(d)1.幅值調(diào)制與解調(diào)

設(shè)調(diào)制信號為，其最高頻率成分為，載波信號為，。則有調(diào)幅波：

由傅里葉變換的卷積性質(zhì)調(diào)幅是將一個高頻簡諧信號（載波信號）與測試信號（調(diào)制信號）相乘，使載波信號的幅值隨測試信號的變化而變化。(1)幅值調(diào)制的工作原理調(diào)制與解調(diào)(4/26)而則調(diào)制與解調(diào)(5/26)調(diào)幅過程相當(dāng)于“頻譜”搬移過程。調(diào)幅的目的是為了便于緩變信號的放大和傳送。如在電話電纜、有線電視電纜中，由于不同的信號被調(diào)制到不同的頻段，因此在一根導(dǎo)線中可以傳輸多路信號。為了減小放大電路可能引起的失真，信號的頻寬相對于中心頻率（載波頻率）應(yīng)越小越好，實際載波頻率常至少數(shù)倍甚至數(shù)十倍于調(diào)制信號頻率。調(diào)制與解調(diào)(6/26)重疊失真：調(diào)幅波是由一對每邊為fm的雙邊帶信號組成。當(dāng)載波頻率f0較低時，正頻端的下邊帶將與負(fù)頻端的上邊帶相重疊。要求:f0＞fm

-f0f0振蕩器放大器檢波器濾波器xLC耦合電阻電渦流傳感器的分壓式調(diào)幅電路框圖(2)幅值調(diào)制信號的解調(diào)

1)同步解調(diào)解調(diào)的目的是為了恢復(fù)被調(diào)制的信號。調(diào)幅波載波調(diào)幅波與載波時域乘積，頻域卷積調(diào)制與解調(diào)(7/26)調(diào)幅與同步解調(diào)過程（波形分析）乘法器放大器x(t)y(t)xm(t)乘法器濾波器y(t)x(t)同步解調(diào)原理從時域看：

2)整流檢波解調(diào)對調(diào)制信號進(jìn)行偏置，使其大于零。將該調(diào)制波進(jìn)行整流（半波或全波）、濾波并消除直流偏置即可恢復(fù)原信號。調(diào)制與解調(diào)(8/26)

整流檢波解調(diào)(a)(b)(c)(d)(e)(f)調(diào)制與解調(diào)(9/26)3）相敏檢波原理：交變信號在其過零線時符號（＋，－）發(fā)生突變，調(diào)幅波的相位與載波比較也相應(yīng)地發(fā)生1800的跳變。利用載波信號與之比相，既能反映出原信號的幅值，也能反映其極性。二極管環(huán)行相敏檢波★變壓器A、B★4個平衡電阻★4個二極管順向串聯(lián)★電路設(shè)計使

u>um電路工作原理：1)當(dāng)x(t)>0，um極性與u極性相同①當(dāng)u為正半周期，VD1和VD2導(dǎo)通。由電路對稱性，ud=uf。檢波器輸出為中心抽頭e和f間的電位差，則輸出uef=ued，因此時um也為正半周，所以輸出為正極性。＋－＋－②當(dāng)u為負(fù)半周期，VD3和VD4導(dǎo)通。由電路對稱性，ub=uf。檢波器輸出為uef=ueb，因此時um也為負(fù)半周，所以輸出仍為正極性。2)當(dāng)x(t)<0，um極性與u極性相反＋＋－－+-+-①當(dāng)u為正半周期，輸出為負(fù)極性。②當(dāng)u為負(fù)半周期，輸出仍為負(fù)極性。＋＋－－低通濾波器4)調(diào)幅應(yīng)用——動態(tài)電阻應(yīng)變儀

調(diào)制與解調(diào)(16/26)電橋放大器相敏檢波低通濾波顯示記錄載波振蕩器x(t)x(t)0t0ty(t)電阻應(yīng)變片0tx’m(t)0tx’(t)0txm(t)2．調(diào)頻及其解調(diào)

(1)

原理利用調(diào)制信號的幅值控制載波信號頻率的過程。調(diào)頻波是等幅波，但頻率的變化量與調(diào)制信號幅值成正比。

調(diào)頻波的瞬時頻率可表示為

f=f0+f=f0+Kx(t)f0為載波頻率，也稱中心頻率。f為頻率偏移，與調(diào)制信號x(t)幅值成正比。

調(diào)制與解調(diào)(17/26)調(diào)頻波與調(diào)制信號幅值的關(guān)系圖

調(diào)制與解調(diào)(18/26)

在測量系統(tǒng)中，常利用電抗元件組成調(diào)諧振蕩器，以電抗元件（電感或電容）作為傳感器參量，以它感受被測量的變化，作為調(diào)制信號的輸入，振蕩器原有的信號振蕩信號作為載波。當(dāng)有調(diào)制信號輸入時，振蕩器輸出即為被調(diào)制了的調(diào)頻波。當(dāng)電容C和電感L并聯(lián)組成振蕩器的諧振回路時，電路的諧振頻率將為：

調(diào)制與解調(diào)(20/26)(2)調(diào)頻波的解調(diào)調(diào)頻波是以正弦波頻率的變化來反映被測信號的幅值變化。調(diào)頻波的解調(diào)是先將調(diào)頻波變換成調(diào)頻調(diào)幅波，然后進(jìn)行幅值檢波。調(diào)頻波的解調(diào)由鑒頻器完成。鑒頻器通常由線性變換電路與幅值檢波電路組成。調(diào)制與解調(diào)(25/26)鑒頻有多種方式，常用諧振回路鑒頻法。(a)

鑒頻器

(b)頻率-電壓特性曲線調(diào)制與解調(diào)(26/26)ufC1L1L2C2CRu0ua頻率電壓線性變換部分幅值檢波ua0

n0t?tua0uat05.4濾波器

(WaveFilter)濾波器是一種選頻裝置，它只允許一定頻帶范圍的信號通過，同時極大地衰減其他頻率成分。濾波器的這種篩選功能在測試技術(shù)中可以起到消除噪聲、干擾信號等作用，在自動檢測、自動控制、信號處理等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。1.濾波器的分類低通濾波器：通頻帶0~f2。高通濾波器：通頻帶f1~帶通濾波器：通頻帶f1~f2帶阻濾波器：通頻帶0~f1與f2~（阻帶：f1~f2）(1)

根據(jù)濾波器的選頻特性分類高通濾波器幅頻特性=1-低通濾波器幅頻特性帶阻濾波器是高通和低通的組合濾波器(2/23)低通濾波器和高通濾波器是濾波器的兩種最基本的形式，其它的濾波器都可以分解為這兩種類型的濾波器。低通截止頻率大于高通截止頻率低通截止頻率小于高通截止頻率(2)根據(jù)濾波器的元件類型分類RC、LC、晶體諧振及開關(guān)電容濾波器。(3)根據(jù)濾波器的電路性質(zhì)分類有源、無源濾波器。(4)根據(jù)濾波器的信號性質(zhì)分類模擬、數(shù)字濾波器。濾波器(3/23)2.理想濾波器

(1)理想濾波器模型及脈沖響應(yīng)

無過渡帶且在通頻帶內(nèi)滿足不失真測試條件的濾波器稱為理想濾波器。理想濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)為理想濾波器的脈沖響應(yīng)函數(shù)為sinc函數(shù)，若無相角滯后（t0=0）：濾波器(4/23)任何現(xiàn)實系統(tǒng)都不可能具有這種預(yù)知未來的能力在輸入(t)到來以前,濾波器有與輸入相對應(yīng)的輸出理想低通濾波器是不存在的.理想高通、帶通、帶阻濾波器也是不存在的濾波器(5/23)ffc0-fc(f)2t0A00ffc-fc|H(f)|(a)理想低通濾波器頻率特性t01/2fc1/fc-1/2fc-1/fc2A0fch(t)tt00h(t)(b)理想低通濾波器脈沖響應(yīng)函數(shù)(2)理想濾波器的階躍響應(yīng)1)單位階躍輸入

2)濾波器的階躍響應(yīng)：濾波器(6/23)若不考慮前、后皺波，輸出從0(a點)到應(yīng)有的穩(wěn)定值A(chǔ)0(b點)之間的所需建立時間為：上截止頻率3)階躍響應(yīng)波形圖

4)響應(yīng)時間濾波器(7/23)理想低通濾波器對單位階躍輸入的響應(yīng)0ttbtaay(t)A00.5A0b(a)無相角滯后，時移t0=00ty(t)tbt0taaA00.5A0b(b)有相角滯后，時移t0≠0如果按穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值的0.1~0.9作為計算建立時間的標(biāo)準(zhǔn)，則濾波器通頻帶越寬（fc越高），建立時間越短，響應(yīng)速度越快。其物理意義是：輸入信號突變處（間斷點）必然含有豐富的高頻分量。低通濾波器阻衰了高頻分量，結(jié)果將輸出波形“圓滑”。通帶越寬，阻衰的高頻分量越少，使信號能量更多更快地通過，故建立時間短，反之建立時間長。濾波器(8/23)低通濾波器對階躍響應(yīng)的建立時間Te與帶寬B成反比，即：

BTe=常數(shù)該結(jié)論對高通、帶通及帶阻濾波器均成立。濾波器帶寬表示其頻率分辨力，通帶越窄，分辨力越高，顯然，高分辨力與響應(yīng)速度是互相矛盾的。如果要用濾波的方法從信號中提取某一很窄的頻率成分（如作譜分析），必須有足夠的時間。5)高分辨力與響應(yīng)速度的關(guān)系:濾波器(9/23)3.實際濾波器

(1)實際濾波器的基本參數(shù)理想帶通濾波器（虛線）與實際帶通濾波器（實線）的幅頻特性圖濾波器(10/23)上、下兩截止頻率之間的頻率范圍稱為濾波器帶寬或-3dB帶寬。帶寬B決定頻率分辨力。將中心頻率f0（，幾何平均）與帶寬B之比稱為濾波器的品質(zhì)因素。f0確定，品質(zhì)因素Q越大，濾波器分辨力越高?；?/p>

指在上截止頻率fc2與2fc2之間，或者在下截止頻率fc1與fc1/2之間幅頻特性的衰減量，即頻率變化一個倍頻程的衰減量。帶寬B和品質(zhì)因素Q倍頻程選擇性W濾波器(11/23)截止頻率：幅頻特性值等于0.707A0所對應(yīng)的頻率。倍頻程選擇性用dB/oct表示，有時也采用10倍頻程選擇性用dB/dec表示。倍頻程選擇性表明濾波器過渡帶內(nèi)幅頻曲線的傾斜程度，它決定了濾波器對帶寬外頻率成分衰減的能力。顯然W越大，濾波器選擇性越好。濾波器(12/23)濾波器幅頻特性呈紋波變化的波動幅度d。與A0相比，一般應(yīng)遠(yuǎn)小于－3dB，即紋波幅度d(2)RC調(diào)諧式濾波器的基本參數(shù)

1)一階RC低通濾波器

濾波器(13/23)CRuyuxf1/2

1A(f)0f-450-9000φ(f)1/2RC低通濾波器優(yōu)點：電路簡單、抗干擾強(qiáng)、有較好的低頻性能、成本低。缺點：信號的能量會被電阻所損耗，而且選擇性差，多級串聯(lián)時輸入輸出阻抗不容易匹配。2)一階RC高通濾波器

低頻段近于微分器。高頻段近于不失真?zhèn)鬏敗?/p>

濾波器(14/23)uyuxRC高通濾波器電路微分方程為(3)RC帶通濾波器帶通濾波器可由低通和高通濾波器串聯(lián)組成。為了消除串聯(lián)時負(fù)載效應(yīng)的影響，通常用輸出跟隨器或運算放大器實現(xiàn)隔離。因此，實際帶通濾波器通常是有源的。不考慮負(fù)載效應(yīng)時，帶通濾波器傳遞函數(shù)為濾波器(15/23)C1R2C2R1uyuxH1(s)H2(s)X(s)Y(s)RC帶通濾波器4.恒帶寬比與恒帶寬濾波器

對信號做頻譜分析或摘取信號中某些頻率成分時，可以通過多個中心頻率不同的帶通濾波器實現(xiàn)，各個濾波器的輸出反映了信號在該通頻帶內(nèi)的量值。帶通濾波器實現(xiàn)譜分析可有兩種方式：一是由一中心頻率可調(diào)的帶通濾波器獨立構(gòu)成；二是使用各自中心頻率固定，但又按一定規(guī)律相隔的濾波器組。顯然后者可以實現(xiàn)“實時”譜分析。對濾波器組，各濾波器的通帶應(yīng)相互鄰接，覆蓋整個感興趣的頻帶。即前一濾波器的﹣3dB上截止頻率為后一相鄰濾波器的﹣3dB下截止頻率。濾波器組具有相同的增益（對各中心頻率而言）。濾波器(16/23)

★在作信號頻譜分析時，要用一組中心頻率逐級可變的帶通濾波器，當(dāng)中心頻率變化時，各濾波器帶寬遵循一定的規(guī)則取值，通常用兩種方法構(gòu)成兩種不同的帶通濾波器：恒帶寬比濾波器和恒帶寬濾波器。1）恒帶寬比濾波器＝常數(shù)2）恒帶寬濾波器＝常數(shù)2)恒帶寬比帶通濾波器

1)恒帶寬帶通濾波器

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具有良好的頻率分辨特性，可使用恒帶寬濾波器。為提高分辨力，濾波器的帶寬可做的窄些，但由此在整個頻率分析范圍內(nèi)所使用的濾波器數(shù)量便增加。倍頻程濾波器倍頻程頻譜分析裝置恒帶寬比濾波器（恒定百分比帶通濾波器）特點：，即品質(zhì)因數(shù)恒定。顯然，中心頻率f0

越高，帶寬越大。恒帶寬比濾波器的低端截止頻率fc1與高端截止頻率fc2之間常滿足如下關(guān)系：n稱為倍頻程數(shù)。n=1稱為倍頻程濾波器；

n=1/3稱為1/3倍頻程濾波器。濾波器(18/23)由于：從而有：n=1時，Q=1.41；n=1/3時，Q=4.38；n=1/5時，Q=7.2。對鄰接的濾波器組，易得：。

只要選定n值，即可設(shè)計覆蓋給定頻率范圍的鄰接式濾波器。顯然，倍頻程數(shù)越小，Q值越大，濾波器分辨力越高。濾波器(19/23)中心頻率/Hz1631.563125250…帶寬/Hz11.3122.2744.5588.39176.78…中心頻率/Hz12.516202531.5405063…帶寬/Hz2.93.74.65.87.39.311.614.6…倍頻程濾波器

1/3倍頻程濾波器高頻段分辨率低濾波器(20/23)5有源濾波器定義：由運算放大器等有源器件組成的調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)

運算放大器既可作為級間隔離作用，又可起信號幅值的放大作用

一階低通濾波網(wǎng)絡(luò)RC低通輸入+運放：隔離負(fù)載影響、提高增益和提高帶負(fù)載能力截止頻率：fc1=1/(2πτ)放大倍數(shù)：k=1+Rf/R1一階低通濾波網(wǎng)絡(luò)RC高通反饋+運放：隔離負(fù)載影響、提高增益和提高帶負(fù)載能力截止頻率：fc1=1/(2πτ)放大倍數(shù)：k=Rf/R1多路負(fù)反饋型濾波器圖多路負(fù)反饋二階低通濾波器圖5.30

有限電壓放大型濾波器

圖5.31

有限電壓放大二階低通濾波器有限電壓放大型濾波器有限電壓放大二階低通濾波器二階有源低通濾波器R1壓控電壓源低通濾波電路C1C2R1R2二階低通濾波器的幅頻特性有源高通濾波器

將有源低通濾波器電路中的電容和電阻對換，便成為高通電路。其傳遞函數(shù)為：令截止角頻率等效品質(zhì)因數(shù)Q二階高通濾波器的幅頻特性3、有源帶通濾波器帶通濾波器＝低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián)。改善過渡帶曲線陡度的方法：將多個RC環(huán)節(jié)級聯(lián)；采用電感元件替代電阻元件的方式。在實際應(yīng)用中必須考慮各級聯(lián)環(huán)節(jié)之間的負(fù)載效應(yīng)。解決負(fù)載效應(yīng)的最好辦法是采用運放來構(gòu)造有源濾波器。巴特沃斯濾波器

切比雪夫濾波器

濾波器應(yīng)用：

超門限報警

案例：旅游索道鋼纜檢測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，便于門限報警案例：機(jī)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5.5信號的指示和記錄裝置

(IndicationandRecordEquipmentsofSignal)信號指示與記錄裝置是測試系統(tǒng)的最后一個環(huán)節(jié)，也是進(jìn)一步了解、分析和研究測量結(jié)果的重要環(huán)節(jié)。選擇指示與記錄裝置，首先關(guān)心的是其響應(yīng)能力，即能否正確地跟蹤測量信號的變化，并把它如實的記錄下來（隨動系統(tǒng)）。通常把記錄裝置對正弦信號的響應(yīng)能力稱為記錄裝置的頻率響應(yīng)特性，它決定了記錄裝置的工作頻率范圍。顯示和指示類輸出模擬指示：機(jī)械表頭、電流表頭數(shù)碼顯示：發(fā)光二極管LED、液晶顯示器LCD

圖視顯示：陰極射線管CRT（波形顯示、圖象顯示）液晶LCD圖視顯示可視化軟件技術(shù)信號成像技術(shù)目前常用的顯示器有：

模擬顯示、數(shù)字顯示、圖象顯示

模擬顯示的特點：直觀模擬指示早期的測試檢測儀器的信號輸出多為模擬輸出，通過機(jī)械表頭或電流表表頭進(jìn)行指示。模擬電信號輸出常采用安培計和伏特計進(jìn)行指示(圖5.1)。圖5.1電流計工作原理光柱也屬于模擬顯示光柱顯示的特點：一目了然數(shù)字式儀表數(shù)字式儀表的特點：準(zhǔn)確，但最后一位經(jīng)常跳動不止。LED亮度高、耐振動；

LCD耗電省、集成度高，但不利于夜間觀察。

LED、LCD的特點：帶背光板的LCD可以在夜間觀看數(shù)碼顯示數(shù)碼顯示常用的顯示器：發(fā)光二極管顯示器，簡稱LED（LightEmittingDiode）；液晶顯示器，簡稱LCD（LiquidCrystalDisplay）；熒光管顯示器。測試儀器信號以不同的形式輸出，首先需要用不同的轉(zhuǎn)換電路來轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，然后通過譯碼、鎖存、驅(qū)動電路，被數(shù)碼顯示器顯示出來。不同的數(shù)碼顯示器需要不同的驅(qū)動技術(shù)。CRT顯示技術(shù)的分類：CRT波形顯示器技術(shù)；CRT圖象顯示器技術(shù)。CRT波形顯示器工作原理圖視顯示CRT示波器波形顯示原理僅僅能顯示信號的波形，而很難顯示字符文字和圖象等信息。CRT圖象顯示器：如臺式計算機(jī)的顯示器、數(shù)字示波器、數(shù)字電視機(jī)等。圖象顯示器和波形顯示器區(qū)別：波形顯示器的電子束偏轉(zhuǎn)是靠偏轉(zhuǎn)電極形成的電場對帶電粒子形成的庫倫力來完成的；而圖象顯示器的電子束偏轉(zhuǎn)是靠偏轉(zhuǎn)線圈形成的磁場對電子束形成的洛倫茲力來完成的。對于波形顯示器，被顯示的信號電壓一般加在縱向偏轉(zhuǎn)電極上，同時在橫行電極上施加掃描鋸齒波電壓；對于圖象顯示器，縱向和橫行偏轉(zhuǎn)線圈中均通以特定波形的掃描電流（即：場掃描和行掃描信號），而被顯示信息的電壓信號加在灰度控制柵極上。波形顯示器一般只有一個電子槍，因此顯示的波形是單色的；而圖象顯示器可以由一個電子槍（單色）或三個電子槍構(gòu)成，可以顯示單色或真彩色圖象信息。波形顯示器只能顯示信號波形，而圖象顯示器可以顯示包括信號波形在內(nèi)的任何復(fù)雜的圖象和文字信息。CRT圖象顯示工作原理示意圖

圖像顯示

特點——能顯示復(fù)雜的圖形和曲線，但價格昂貴?？梢暬?/p>