第5章信號(hào)調(diào)理

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(lái)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。目的是便于傳輸和分析，例如：遠(yuǎn)距離傳輸、剔除干擾噪聲、頻譜分析。8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第五章信號(hào)調(diào)理幅度增加(1)抗干擾;(2)阻抗匹配一、目的8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)信號(hào)放大二、性能1)足夠的放大倍數(shù)；2)高輸入阻抗，低輸出阻抗；3)高共模抑制能力；4)低溫漂、低噪聲、低失調(diào)電壓和電流。一、反相放大器

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，一般為幾十千歐至幾百千歐。R1的取值應(yīng)遠(yuǎn)大于信號(hào)源Ui的內(nèi)阻。

閉環(huán)電壓增益Av8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)信號(hào)放大二、同相放大器

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)。閉環(huán)電壓增益Av8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)信號(hào)放大四、交流放大電路

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C1、C2及C3為隔直電容R1一般取幾十千歐。耦合電容C1、C3根據(jù)交流放大器的下限頻率fL確定

8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)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輸出；放大傳感器輸出的微弱信號(hào)。

電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出)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8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)信號(hào)放大等效電阻R=Ra//Ri等效電容C=Ca+Cc+Ci

放大器輸入電壓ii假設(shè)作用在壓電元件上的力為F，F(xiàn)=Fmsinωt，壓電元件產(chǎn)生電荷Q=dF8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)信號(hào)放大寫成復(fù)數(shù)輸入電壓幅值測(cè)量靜態(tài)力(ω=0)，輸入電壓=0→不能測(cè)量靜態(tài)量8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)信號(hào)放大傳感器電壓靈敏度電纜長(zhǎng)度對(duì)傳感器測(cè)量精度影響較大。

解決辦法：將放大器裝入傳感器中，組成一體化傳感器。8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)信號(hào)放大(2)電荷放大器反饋電容折合到放大器輸入端的有效電容為(1+K)Cf。當(dāng)Ri相當(dāng)大時(shí)，放大器輸出電壓正比于輸入電荷8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)信號(hào)放大

K>>1→(1+K)Cf>>Ca+Cc+Ci，放大器輸出電壓當(dāng)(1+K)Cf>10(Ca+Cc+Ci)時(shí)，認(rèn)為放大器靈敏度與電纜電容無(wú)關(guān)。實(shí)際電路中，K為104～106數(shù)量級(jí)，反饋電容一般不小于100pF。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Rf(1010～1014Ω)來(lái)提供直流反饋。8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)信號(hào)放大五、基本差動(dòng)放大電路

8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)信號(hào)放大設(shè)運(yùn)算放大器的開環(huán)增益為A、輸入阻抗無(wú)限大

8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)信號(hào)放大令A(yù)=∞，有

如果電路具有抗共模干擾的能力，ui2和ui1前面的系數(shù)必須一致

8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)信號(hào)放大按上式嚴(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?；静顒?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CMMR；2)外接的匹配電阻R1、R2、R3和R4。若運(yùn)算放大器本身的CMRR=∞時(shí),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)的抑制能力主要取決于集成運(yùn)算放大器本身的CMRR。8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)信號(hào)放大六、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。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N1、N2、N3的輸入阻抗和開環(huán)增益均為無(wú)限大

8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)信號(hào)放大由N1、N2有

8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)信號(hào)放大N3構(gòu)成基本差動(dòng)放大電路，有

8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)信號(hào)放大如果運(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)。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、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。8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)信號(hào)放大同相串聯(lián)高輸入阻抗差動(dòng)放大電路

設(shè)運(yùn)算放大器N1、N2的輸入阻抗和開環(huán)增益為無(wú)限大輸出電壓uo組成：

ui1產(chǎn)生的輸出uo′，ui2產(chǎn)生的輸出uo″8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)信號(hào)放大如果要求電路有較強(qiáng)的抑制共模信號(hào)能力

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CMRR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，然后利用交流放大器進(jìn)行放大，最后再?gòu)姆糯笃鞯妮敵鲂盘?hào)中取出放大了的緩變信號(hào)。第二節(jié)調(diào)制8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第五章信號(hào)調(diào)理1.為什么調(diào)制？2.調(diào)制類型調(diào)制信號(hào)x(t)載波信號(hào)a)幅度調(diào)制(AM)b)頻率調(diào)制(FM)c)相位調(diào)制(PM)8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第二節(jié)調(diào)制(一)幅度調(diào)制

調(diào)幅是將一個(gè)高頻正弦信號(hào)(或稱載波)與測(cè)試信號(hào)相乘，使載波信號(hào)幅值隨測(cè)試信號(hào)的變化而變化。1.調(diào)幅原理一、幅度調(diào)制與解調(diào)8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)調(diào)制1)幅度調(diào)制(數(shù)學(xué)描述)乘法器放大器x(t)y(t)xm(t)

調(diào)幅過程相當(dāng)于頻率“搬移”過程。8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)調(diào)制2)幅度調(diào)制(波形與頻譜分析)乘法器放大器x(t)y(t)xm(t)Y(f)f0f0fmf0fmf08563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)調(diào)制2.非抑制調(diào)幅

若把調(diào)制信號(hào)x(t)進(jìn)行偏置，疊加一個(gè)直流分量A，使偏置后的信號(hào)都具有正電壓，調(diào)幅波表達(dá)式為m≤1——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(或稱包絡(luò)檢波整流)以后，就可以恢復(fù)原信號(hào)。8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)調(diào)制(二)幅度解調(diào)

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(只是幅值減半)——同步解調(diào)1.幅度解調(diào)(數(shù)學(xué)描述)

把調(diào)幅波xm(t)再次與y(t)信號(hào)相乘，則頻域圖形將再一次進(jìn)行“搬移”。乘法器濾波器y(t)x(t)xm(t)8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)調(diào)制2.幅度解調(diào)(波形與頻譜分析)乘法器濾波器y(t)x(t)xm(t)f0f0f02f02f0Y(f)Xm(f)Y(f)y(t)f08563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)調(diào)制(三)調(diào)幅波的波形失真

1.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)幅指數(shù)m≤1。因?yàn)楫?dāng)m>1時(shí)，當(dāng)x(t)取最大負(fù)值時(shí)，可能使A[1+mx(t)]<0，這意味著x(t)的相位將發(fā)生1800倒相，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)。相敏檢波8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)調(diào)制2.重疊失真

調(diào)幅波是由一對(duì)每邊為fm的雙邊帶信號(hào)組成。當(dāng)載波頻率f0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:f0＞fm

8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)調(diào)制3.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(lái)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)應(yīng)用實(shí)例:動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀同步調(diào)制與解調(diào)

將信號(hào)x(t)直接與載波z(t)相乘。這種調(diào)幅波具有極性變化，解調(diào)時(shí)必須再乘與z(t)相位相同的z’(t)方能復(fù)原出原信號(hào)，故稱同步解調(diào)

8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)調(diào)制1.頻率調(diào)制：用調(diào)制信號(hào)(低頻)x(t)的幅值去控制載波信號(hào)(高頻)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，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——調(diào)頻波是隨信號(hào)x(t)的電壓幅值而變化的疏密不等的等幅波二、頻率調(diào)制8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)調(diào)制

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(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(電容或電感)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2.頻率調(diào)制器及工作原理8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)調(diào)制串聯(lián)諧振電阻、電容、電感串聯(lián)，復(fù)阻抗

——電壓、電流同相，電路發(fā)生諧振

并聯(lián)諧振電容、電感并聯(lián)，復(fù)導(dǎo)納——電壓、電流同相，電路發(fā)生諧振

8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)調(diào)制

回路中L、C如果沒有衰減，是按Asinω0t作簡(jiǎn)諧振動(dòng)變化的，傳感器電容(或電感)的變化使調(diào)頻振蕩器的振蕩頻率發(fā)生相應(yīng)變化。振蕩頻率為3.LC振蕩器C0L

測(cè)量過程中，電容值由C0增大△C，回路振蕩頻率變?yōu)?/p>

變換為8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)調(diào)制用級(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化時(shí)，振蕩回路的角頻率在原來(lái)ω0疊加△ω頻率，△ω是隨被測(cè)物理量變化而變化的——振蕩器的角頻率ω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)系，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。設(shè)得8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)調(diào)制4.頻率調(diào)制優(yōu)缺點(diǎn)

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1)優(yōu)點(diǎn)：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20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)際上調(diào)頻波的分析也只是近似的2)缺點(diǎn)：占頻帶寬度大，復(fù)雜8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)調(diào)制(二)頻率解調(diào)-鑒頻

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)波形的過程圖示為變壓器耦合的諧振回路鑒頻器。a)鑒頻器b)頻率-電壓特性曲線

L1和L2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。調(diào)頻波uf經(jīng)L1、L2耦合，加在L2、C2諧振回路上，在其兩端獲得b圖所示的頻率―電壓特性曲線。在L2、C2回路的諧振頻率處，線圈L1和L2的耦合電流最大，副邊輸出電壓ua也最大。頻率偏離，ua值下降。ua與uf頻率一致，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)頻-調(diào)幅波。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)，復(fù)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)。8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第一節(jié)調(diào)制一、概述

1.什么是濾波器

濾波器是一種選頻裝置凡是可以使信號(hào)中特定頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分的裝置稱之為濾波器

濾除干擾噪聲或進(jìn)行頻譜分析2.濾波器分類(根據(jù)濾波器的選頻作用分)

低通高通帶通帶阻8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)濾波器

1.根據(jù)濾波器處理信號(hào)的性質(zhì)分：

數(shù)字濾波(數(shù)字信號(hào)分析)、模擬濾波(自動(dòng)檢測(cè)、控制)

2．根據(jù)濾波器的構(gòu)成元件類型分

——RC、LC、晶體諧振濾波器

3．根據(jù)構(gòu)成濾波器電路的性質(zhì)分

——有源濾波器、無(wú)源濾波器二、理想濾波器與實(shí)際濾波器

8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)濾波器(一)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，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)的頻率響應(yīng)函數(shù)是(A0和t0為常數(shù))理想濾波器的頻率響應(yīng)H(f)應(yīng)滿足|f|<f0|f|>f08563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)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)h(t)為sinc函數(shù)。脈沖響應(yīng)的波形沿橫坐標(biāo)左、右無(wú)限延伸。

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器之前，即在t＜0時(shí)，濾波器已經(jīng)有響應(yīng)——物理不可實(shí)現(xiàn)。波形8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)濾波器(二)實(shí)際濾波器

1)紋波幅度d：濾波器頂部幅值波動(dòng)量

波動(dòng)幅度d與幅頻特性平均值A(chǔ)0相比應(yīng)小于-3dB2)截止頻率fc：幅頻特性值等于0.707A0所對(duì)應(yīng)的頻率

理想和實(shí)際帶通濾波器的幅頻特性如圖。理想濾波器的特性只需用截止頻率描述，實(shí)際濾波器的特性曲線需用更多參數(shù)描述實(shí)際濾波器主要參數(shù)：紋波幅度、截止頻率、帶寬、品質(zhì)因數(shù)(Q值)、倍頻程選擇性8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)濾波器

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)A=0.707A0時(shí)，=1，=1/——截止頻率，取決于時(shí)間常數(shù)；二階系統(tǒng)，=0.707，當(dāng)A=0.707A0時(shí)，=n，取決于系統(tǒng)的固有頻率

3)帶寬B和品質(zhì)因數(shù)Q：上下兩截止頻率間的頻率范圍——帶寬

fc2－fc1——負(fù)三分貝帶寬，標(biāo)以B-3dB中心頻率fn和帶寬B之比稱為帶通濾波器的品質(zhì)因數(shù)QQ=fn/B8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)濾波器4)倍頻程選擇性W：在上截止頻率fc2與2fc2之間，或在下截止頻率fc1與0.5fc1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(倍頻程衰減量)，dB/oct5)濾波器因數(shù)λ：用濾波器幅頻特性圖上的橫坐標(biāo)值來(lái)定義，濾波器幅頻特性值為-60dB處的帶寬B-60dB和-3dB處的帶寬B-3dB比值Q=fn/BQ值越大，表明頻率分辨力越高(帶寬越窄)理想濾波器λ=1，實(shí)際濾波器λ=1～5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8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)濾波器(一)RC無(wú)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，并且選用標(biāo)準(zhǔn)阻容元件1.一階RC低通濾波器

三、RC模擬濾波器分析

8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)濾波器

輸入電壓e0，輸出電壓ey，建立微分方程

8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)濾波器幅頻相頻

①當(dāng)A(f)=1時(shí)，2πfRC<<1→f<<1/2πRC，信號(hào)幾乎不衰減，且φ(f)—f近似直線關(guān)系——不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)②當(dāng)f=1/2πRC，A(f)=0.707——濾波器的-3dB點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的頻率為上截止頻率③當(dāng)A(f)→0時(shí)，ey<<e0

——積分器

8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)濾波器2.一階RC高通濾波器

CRe0

ey

微分方程傳遞函數(shù)

頻響函數(shù)

8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)濾波器幅頻

相頻

①當(dāng)A(f)=1時(shí)，2πfRC>>1→f>>1/2πRC，信號(hào)幾乎不衰減，且φ(f)≈0——不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)②當(dāng)f=1/2πRC，A(f)=0.707——濾波器的-3dB點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的頻率為下截止頻率③當(dāng)A(f)→0時(shí)，ey<<e0

——微分器

8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)濾波器3.RC帶通濾波器

傳遞函數(shù)上截止頻率下截止頻率8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)濾波器(二)RC有源濾波器

有源濾波器由RC調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)和運(yùn)算放大器組成。運(yùn)算放大器既作為級(jí)間隔離又起信號(hào)放大作用。常見有源低通濾波器和有源帶通濾波器。圖示一階有源低通濾波器。頻率特性8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)濾波器——截止頻率

靈敏度

一階有源濾波器：隔離、放大方面優(yōu)于無(wú)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

8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)濾波器四、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寬之間的數(shù)值關(guān)系，分2.恒帶寬比帶通濾波器

1.恒帶寬帶通濾波器

8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)濾波器3.1/3倍頻程濾波器8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)濾波器五、濾波器應(yīng)用應(yīng)用一：無(wú)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8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)濾波器應(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8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)濾波器六、典型濾波器

傳遞函數(shù)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。8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)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。從幅頻特性提出要求——Butterworth濾波器、Чебыщев濾波器；從相頻特性提出要求——Bessel濾波器。1.Butterworth濾波器幅頻特性當(dāng)ω=0時(shí)，│H(ω)│取得最大值；ω=ωc時(shí)，│H(ω)│=0.707——低通濾波器的截止頻率8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)濾波器當(dāng)ω=0時(shí)，│H(ω)│取得最大值；ω=ωc時(shí)，│H(ω)│=0.707——低通濾波器的截止頻率隨n值增大，函數(shù)曲線與理想特性的近似程度改善在ω/ωc<1范圍內(nèi)，n↑→(ω/ωc)2n↓，曲線越平;在ω/ωc>1范圍內(nèi)，n↑→(ω/ωc)2n↑，│H(ω)│→0，衰減越快。8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)濾波器2.Чебыщев濾波器幅頻特性ε-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Tn-第一類切貝雪夫多項(xiàng)式，在通帶內(nèi)(ω/ωc<1)，8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)濾波器①通帶ω/ωc<1；阻帶ω/ωc>1;②通帶內(nèi)特性起伏，對(duì)于同樣n值進(jìn)入阻帶后較Butterworth衰減陡峭;③截止頻率點(diǎn)ω/ωc=1處，衰減不是-3dB，按1/計(jì)算;④ε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。8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)濾波器3.Bessel濾波器最平時(shí)延/恒時(shí)延濾波器——相移與頻率呈正比時(shí)移τ=-dφ(ω)/dω幅頻特性欠佳。七、濾波器組合使用串聯(lián)、并聯(lián)串聯(lián)——加強(qiáng)濾波效果兩個(gè)中心頻率相等的濾波器串聯(lián)，其總幅頻特性是兩濾波器幅頻特性的乘積→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→相位變化加劇。8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)濾波器并聯(lián)——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)①帶通濾波器中心頻率可調(diào)——改變R，C參數(shù)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)②濾波器組——中心頻率固定，按規(guī)律布置倍頻程，1/3倍頻程——各濾波器Q值相同，濾波器組由恒帶寬比的濾波器組成。選用濾波器考慮：1)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；3)濾波器的頻率特性。8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)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)模擬濾波器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的特殊濾波功能……

1．分類：

經(jīng)典濾波器(一般濾波器)：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。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)，采用現(xiàn)代濾波器。8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)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，從干擾中提取信號(hào)：維納濾波器、卡爾曼濾波器、自適應(yīng)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(wú)限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器、有限脈沖響應(yīng)(FIR)濾波器按可實(shí)現(xiàn)濾波的方法分：遞歸、非遞歸濾波器8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)濾波器2.數(shù)字濾波器技術(shù)要求傳輸函數(shù)

幅頻特性：信號(hào)通過濾波器各頻率成分衰減情況

相頻特性：頻率成分通過濾波器后在時(shí)間上的延時(shí)情況一般選頻濾波器的技術(shù)要求有幅頻特性給出，相頻特性不作要求語(yǔ)音合成、波形傳輸、圖像信號(hào)處理……需要考慮相頻特性技術(shù)指標(biāo)——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一定誤差容限：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8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)濾波器8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)濾波器數(shù)字濾波器的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)——Z變換

Z變換是通常用來(lái)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。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x(nT)或x(n)的Z變換

對(duì)函數(shù)x(n)求Z變換，定義為

z=ejωT為復(fù)變量3．?dāng)?shù)字濾波器設(shè)計(jì)方法概述

無(wú)限脈沖響應(yīng)(IIR)濾波器利用模擬濾波器來(lái)設(shè)計(jì)IIR濾波器的方法分：脈沖響應(yīng)不變法和雙線性變換法(1)脈沖響應(yīng)不變法準(zhǔn)則：使數(shù)字濾波器的單位采樣響應(yīng)與模擬濾波器的沖激響應(yīng)的采樣值完全一樣，即

h(n)=ha(nT)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)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H(z)之間關(guān)系8563ASPECTRUMANALYZER9kHz-26.5GHz第三節(jié)濾波器

脈沖響應(yīng)不變法(時(shí)域采樣法)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)模擬濾波器的脈沖響應(yīng)ha(t)作均勻采樣，求得數(shù)字濾波器的系統(tǒng)函數(shù)

設(shè)計(jì)過程根據(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

將模擬濾波器變?yōu)閿?shù)字濾波器時(shí)，就