机械工程测试技术基础第三版段富海第四章信号调理与记录课件

1、date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录1第四章第四章 信号调理与记录信号调理与记录4 第一节第一节 电桥电桥4 第二节第二节 调制与解调调制与解调4 第三节第三节 滤波器滤波器4 第四节第四节 信号的放大信号的放大4 第五节第五节 测试信号的显示与记录测试信号的显示与记录 传感器输出的电信号，经过调理和处理，便于传输、接受、显传感器输出的电信号，经过调理和处理，便于传输、接受、显示和记录。调理目的是示和记录。调理目的是将微弱的电压信号放大将微弱的电压信号放大、将非电压信号转换将非电压信号转换为电压信号为电压信号、抑制干扰噪声抑制干扰噪

2、声、提高信噪比提高信噪比，以便于后续环节处理。，以便于后续环节处理。date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录24-1 4-1 电桥电桥 电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化转电桥是将电阻、电感、电容等参量的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。换为电压或电流输出的一种测量电路。按激励电压的性质分：直流电桥和交流电桥；按激励电压的性质分：直流电桥和交流电桥；按输出方式分：不平衡桥式电路和平衡桥式电路；按输出方式分：不平衡桥式电路和平衡桥式电路；按工作原理分：偏值法和归零法。按工作原理分：偏值法和归零法。date: 2021/3/19 星

3、期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录34-1 4-1 电桥电桥 一、直流电桥一、直流电桥电桥平衡条件：r1r3 =r2 r4 ooadabyurrrrrrrrurrrrrrririuuu)(432142314342114211date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录44-1 4-1 电桥电桥 fr1rr1r以应变式电阻传感器的布片与接桥为例：1.1.半桥单臂半桥单臂r1 工作应变片r2 、r3、r4固定电阻date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录54-

4、1 4-1 电桥电桥 r1 =r2 =r3 =r4 =r0 ，电桥输出电压： r1r01/4yusur r灵敏度：0000424yruurrrur 0rr132401234()()yr rr ruurrrrdate: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录64-1 4-1 电桥电桥 r1rr1( r2)r2 rf2.2.半桥双臂半桥双臂 r1 、r2为工作应变片r3 、r4为固定标准电阻date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录74-1 4-1 电桥电桥 r1 =r2 =r3 =r4 =r0

5、 工作应变片的电阻增量|r1|=|r2|，电桥输出电压：灵敏度：0012yruur 与半桥单臂相比，灵敏度提高了一倍，电桥与半桥单臂相比，灵敏度提高了一倍，电桥的输出与的输出与r/r0 成完全线性关系。成完全线性关系。001/2yusur rdate: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录84-1 4-1 电桥电桥 r1(r3)r3( r4)fr2(r4)r1( r2)3.3.全桥四臂全桥四臂 r1 、r2 、r3 、r4均为工作应变片均为工作应变片date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记

6、录94-1 4-1 电桥电桥 r1 =r2 =r3 =r4 =r0 ，工作应变片的电阻增量|r1|=|r2|=|r3|=|r4|电桥输出电压： 000yruur全桥输出电压高，有补偿作用全桥输出电压高，有补偿作用0/yusurr灵敏度： date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录104-1 4-1 电桥电桥 上述电桥是在不平衡条件下工作的，缺点是：当电源电上述电桥是在不平衡条件下工作的，缺点是：当电源电压不稳定，或者环境温度有变化时，都会引起电桥输出的变压不稳定，或者环境温度有变化时，都会引起电桥输出的变化，从而产生误差。因此，在某些情况

7、下采用平衡电桥。化，从而产生误差。因此，在某些情况下采用平衡电桥。电桥的和差特性：电桥的和差特性： 若相邻两桥臂电阻同向变化（两电阻同时增大或同时若相邻两桥臂电阻同向变化（两电阻同时增大或同时减小），所产生的输出电压的变化将相互抵消；减小），所产生的输出电压的变化将相互抵消； 若相邻两桥臂电阻反向变化（两电阻一个增大一个减若相邻两桥臂电阻反向变化（两电阻一个增大一个减小），所产生的输出电压的变化将相互叠加。小），所产生的输出电压的变化将相互叠加。date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录114-1 4-1 电桥电桥 设被测量等于零时，电桥

8、处于设被测量等于零时，电桥处于平衡状态，此时指示仪表平衡状态，此时指示仪表g g及可调及可调电位器电位器h h指零。指零。 当某一桥臂随被测量变化时，当某一桥臂随被测量变化时，电桥失去平衡，调节电位器电桥失去平衡，调节电位器h h，改，改变电阻变电阻r r5 5触电位置，可使电桥重新触电位置，可使电桥重新平衡，电表平衡，电表g g指针回零。指针回零。 电位器电位器h h上的标度与桥臂电阻上的标度与桥臂电阻值的变化成比例，故值的变化成比例，故h h的指示值可的指示值可以直接表达被测量的数值。以直接表达被测量的数值。平衡电桥平衡电桥date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版

9、）段富海-第四章 信号调理与记录124-1 4-1 电桥电桥 二、交流电桥二、交流电桥 交流电桥采用交流激励电压。电桥的四个臂可为电感、交流电桥采用交流激励电压。电桥的四个臂可为电感、电容或电阻。电容或电阻。电桥平衡条件电桥平衡条件把各阻抗用指数式表示把各阻抗用指数式表示代入上式代入上式4231zzzz1011jezz 2022jezz 3033jezz 4044jezz 423104020301jjezzezzzzzz1234uu0y010302041324zzzz阻抗平衡阻抗平衡相位平衡相位平衡date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记

10、录134-1 4-1 电桥电桥 电容电桥电容电桥 )1()1(442311cjrrrcjr电容平衡电阻平衡42134231crcrrrrr平衡条件：平衡条件： date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录144-1 4-1 电桥电桥 电感电桥电感电桥 )()(442311ljrrrljr平衡条件：平衡条件： 电感平衡电阻平衡42134231lrlrrrrrdate: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录154-1 4-1 电桥电桥 date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（

11、第三版）段富海-第四章 信号调理与记录164-1 4-1 电桥电桥 q 两位开关两位开关r1 、r2 限流电限流电阻阻r3 电阻调节平电阻调节平衡电位器衡电位器c2电容调节平电容调节平衡用差动可变电衡用差动可变电容器容器具有电阻电容平衡的交流电阻电桥具有电阻电容平衡的交流电阻电桥 电阻平衡调节 粗/微 电容平衡调节date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录174-1 4-1 电桥电桥 用差动式三绕组电感传感器，铁心为敏感元件，将被测位移量转换为互用差动式三绕组电感传感器，铁心为敏感元件，将被测位移量转换为互感的变化，再通过电桥转换为电压或

12、电流的输出。具有较高的精确度，灵敏度感的变化，再通过电桥转换为电压或电流的输出。具有较高的精确度，灵敏度并且性能稳定。并且性能稳定。三、带感应耦合臂的电桥三、带感应耦合臂的电桥将感应耦合的两个绕组作为桥臂。将感应耦合的两个绕组作为桥臂。电桥平衡时：电桥平衡时：w1、w2激磁效激磁效应相互抵消，铁心无磁通，应相互抵消，铁心无磁通，g为为0变压器电桥变压器电桥电感比较仪电感比较仪date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录184-2 4-2 调制与解调调制与解调 测试系统测试系统调制与解调调制与解调目的：目的：4传感器输出的信号是低频的微弱信号

13、，需进行放大处传感器输出的信号是低频的微弱信号，需进行放大处理；理；4如果直接采取直流放大，存在零漂和级间耦合等问题如果直接采取直流放大，存在零漂和级间耦合等问题，造成信号失真；，造成信号失真；4交流放大器具有良好的抗零漂性能；交流放大器具有良好的抗零漂性能；4将低频信号通过调制的手段变为高频信号，然后采用将低频信号通过调制的手段变为高频信号，然后采用交流放大器放大，最终用解调的手段获取放大后的被交流放大器放大，最终用解调的手段获取放大后的被测信号。测信号。date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录194-2 4-2 调制与解调调制与解调

14、 调制：调制：使一个信号的某些参数在另一信号的控制下而使一个信号的某些参数在另一信号的控制下而发生变化的过程。发生变化的过程。 前一个信号称为前一个信号称为载波载波，一般为较高频率的交变信号。，一般为较高频率的交变信号。 后一信号（控制信号）称为后一信号（控制信号）称为调制信号，调制信号，一般为低频。一般为低频。 输出是输出是已调制波已调制波。 已调制波一般都便于已调制波一般都便于放大放大和和传输传输。 从已调制波中恢复出调制信号的过程，称为从已调制波中恢复出调制信号的过程，称为解调。解调。 调制和解调调制和解调是一对相反的信号变换过程。是一对相反的信号变换过程。date: 2021/3/19

15、 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录204-2 4-2 调制与解调调制与解调 根据载波受调制的参数根据载波受调制的参数不同，调制可分为：不同，调制可分为： 调幅调幅(am)(am)、调频、调频(fm)(fm)和和调相调相(pm)(pm)； 使载波的幅值、频率或使载波的幅值、频率或相位随调制信号而变化的相位随调制信号而变化的过程分别称为调幅、调频过程分别称为调幅、调频和调相。和调相。date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录214-2 4-2 调制与解调调制与解调 一、调幅及其解调一、调幅及其解调 调幅是将一

16、个高频简谐信号（载波）与测试信号（调调幅是将一个高频简谐信号（载波）与测试信号（调制信号）相乘，使高频信号的幅值随测试信号而变化。制信号）相乘，使高频信号的幅值随测试信号而变化。 由傅立叶变换的性质，在时域中两个信号相乘，则对应在频率域中这两个信号进行卷积：)()()()(fyfxtytx 余弦信号频率域图形是一对脉冲谱线，一个函数与脉冲卷积的结果，就是将其图形由坐标原点平移至该脉冲函数（频率f0）处，其幅值减半。 调幅过程相当于频谱“搬移”过程。1.1.幅值调制幅值调制date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录224-2 4-2 调制与

17、解调调制与解调 date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录234-2 4-2 调制与解调调制与解调 若把调幅波与原载波信号相乘，则频域图形将再次进若把调幅波与原载波信号相乘，则频域图形将再次进行行“搬移搬移”，如果用一个低通滤波器滤去中心频率为，如果用一个低通滤波器滤去中心频率为2f2f0 0的的高频成分，那么将可以复现原信号的频谱（只是幅值减小高频成分，那么将可以复现原信号的频谱（只是幅值减小一半，可以用放大处理来补偿），这个过程称为同步解调。一半，可以用放大处理来补偿），这个过程称为同步解调。“同步同步”是指在解调过程中所乘的载波信号

18、与调制时的载是指在解调过程中所乘的载波信号与调制时的载波信号具有相同的频率与相位。波信号具有相同的频率与相位。时域中也可以看到：时域中也可以看到：000( )cos2cos2( )1( )cos422x tf tf tx tx tf t2.2.同步解调同步解调date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录244-2 4-2 调制与解调调制与解调 date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录254-2 4-2 调制与解调调制与解调 幅度调制与解调过程（波形分析）幅度调制与解调过程（波形分析）

19、乘法器乘法器放大器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器乘法器滤波器滤波器z(t)x(t)date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录264-2 4-2 调制与解调调制与解调 幅度调制与解调过程（频谱分析）幅度调制与解调过程（频谱分析）乘法器乘法器放大器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器乘法器滤波器滤波器z(t)x(t)date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录274-2 4-2 调制与解调调制与解调 幅度调制与解调过程（数学分析）幅度调制与解调过程（数学分析）乘法器乘法器放大

20、器放大器x(t)z(t)x m(t)乘法器乘法器滤波器滤波器z(t)x(t)(tx)2cos()()(tftxtxzm)(tz)(tztftxtyzm2cos)()(21122( )( )cos(2 2)zx tx tf tdate: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录284-2 4-2 调制与解调调制与解调4 date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录294-2 4-2 调制与解调调制与解调 调幅的目的是使缓变信号便于放大和传输。解调调幅的目的是使缓变信号便于放大和传输。解调的目的是为

21、了恢复原信号。的目的是为了恢复原信号。载波频率载波频率f f0 0必须高于原信号中最高频率必须高于原信号中最高频率f fm m才能使已才能使已调制波仍保持原信号的频谱图形，不致重叠。实际调制波仍保持原信号的频谱图形，不致重叠。实际载波频率常常至少数倍甚至十倍于调制信号。载波频率常常至少数倍甚至十倍于调制信号。幅值调制装置实质上是一个乘法器。电桥本质上幅值调制装置实质上是一个乘法器。电桥本质上也是一个乘法器。也是一个乘法器。date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录304-2 4-2 调制与解调调制与解调 以单臂电桥为例说明调幅过程：以单臂

22、电桥为例说明调幅过程：fr1rr1r0000424yruurrrur date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录314-2 4-2 调制与解调调制与解调 3.整流检波（包络检波）整流检波（包络检波） 整流检波原理：若把调制信号进行偏置，叠整流检波原理：若把调制信号进行偏置，叠加一个直流分量，使偏置后的信号都具有正电压，加一个直流分量，使偏置后的信号都具有正电压，那么调幅波的包络线将具有原调制信号的形状，那么调幅波的包络线将具有原调制信号的形状，把该调幅波把该调幅波xm(t)简单地整流、滤波就可恢复原调简单地整流、滤波就可恢复原调制信号。制

23、信号。 整流后注意减去所加的偏置电压。整流后注意减去所加的偏置电压。 若所加偏置电压未能使信号电压都在零线一若所加偏置电压未能使信号电压都在零线一侧，就需要用相敏检波技术。侧，就需要用相敏检波技术。date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录324-2 4-2 调制与解调调制与解调 date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录334-2 4-2 调制与解调调制与解调 相敏检波利用交变信号在过零位时正、负极相敏检波利用交变信号在过零位时正、负极性发生突变，使性发生突变，使调幅波的相位（与载

24、波比较）也调幅波的相位（与载波比较）也相应地发生相应地发生1801800 0的相位跳变的相位跳变。这样既能反映调制。这样既能反映调制信号的信号的幅值幅值，又能反映其，又能反映其极性极性。4.相敏检波相敏检波date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录344-2 4-2 调制与解调调制与解调4 date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录354-2 4-2 调制与解调调制与解调 0-a段，载波为正时，vd1导通，电流的流向是d1vd125c负载地d0-a段，载波为负时，变压器a和b极性同时

25、改变，电流的流向是d3vd345c负载地da-b段，载波为正时，变压器b极性如图中所示，变压器a与图中相反，vd2导通，电流的流向是52vd23d地负载c5a-b段，载波为负时，电流的流向是54vd4d地负载c5date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录364-2 4-2 调制与解调调制与解调 相敏检波是利用二极管的单向导通作用，将相敏检波是利用二极管的单向导通作用，将电路输出极性换向。电路输出极性换向。 这种电路相当于在这种电路相当于在0a0a段把段把x xm m(t)(t)的零线下的的零线下的负部翻上去负部翻上去，而在，而在abab段

26、把段把正部翻下来正部翻下来，所检测的，所检测的信号信号u uf f是经过是经过“翻转翻转”后信号的包络。后信号的包络。date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录374-2 4-2 调制与解调调制与解调 动态电阻应变仪是电桥调幅与相敏检波的典型实例。动态电阻应变仪是电桥调幅与相敏检波的典型实例。动态电阻应变仪原理date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录384-2 4-2 调制与解调调制与解调 调频是利用信号调频是利用信号x(t)x(t)的幅值调制载波的频的幅值调制载波的频率，或者说，

27、调频波是一种随信号率，或者说，调频波是一种随信号x(t)x(t)的电压的电压幅值而变化的疏密度不同的等幅波。幅值而变化的疏密度不同的等幅波。 )*)(2cos()(0ttxfaty二、频率调制与解调二、频率调制与解调 date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录394-2 4-2 调制与解调调制与解调 调频的方法：调频的方法：一般用振荡电路来实现，如一般用振荡电路来实现，如lclc振荡电路、压控振荡器等。振荡电路、压控振荡器等。 lclc振荡电路振荡频率受控于被测物理量（如电容振荡电路振荡频率受控于被测物理量（如电容c c），振），振荡频率

28、荡频率f f与调谐参数的变化呈线性关系。与调谐参数的变化呈线性关系。压控振荡器（压控振荡器（vcovco）用调制信号的幅值来控制其振荡频率，）用调制信号的幅值来控制其振荡频率，使振荡频率随控制电压呈线性变化，从而达到频率调制的目使振荡频率随控制电压呈线性变化，从而达到频率调制的目的。的。调频信号的解调：调频信号的解调：调频信号的解调亦称鉴频；调频信号的解调亦称鉴频；一般采用鉴频器和锁相环解调器。一般采用鉴频器和锁相环解调器。date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录404-2 4-2 调制与解调调制与解调 鉴频鉴频t1t2t3t4f鉴频器

29、由一个高鉴频器由一个高通滤波器（输入通滤波器（输入频率不同，输出频率不同，输出幅值不同，实现幅值不同，实现频率电压的转换）频率电压的转换）和一个包络检波和一个包络检波器构成。器构成。date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录414-2 4-2 调制与解调调制与解调 调频优点：抗干扰能力强。调频优点：抗干扰能力强。 调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的所要求带宽的2020倍；调频系统较之调幅系统复倍；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率调制是一种非线性调制。杂，因为频率调制是一种非线性调制。 因

30、为调频信号所携带的信息包含在频率变化因为调频信号所携带的信息包含在频率变化之中，并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主之中，并非振幅之中，而干扰波的干扰作用则主要表现在振幅之中。要表现在振幅之中。 调频缺点：占频带宽度大，复杂调频缺点：占频带宽度大，复杂date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录42本次课内容本次课内容 调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的所要求带宽的2020倍；调频系统较之调幅系统复倍；调频系统较之调幅系统复杂，因为频率调制是一种非线性调制。杂，因为频率调制是一种非线性调制。

31、调频缺点：占频带宽度大，复杂调频缺点：占频带宽度大，复杂 第四章第四章 信号的调理与记录信号的调理与记录第三节第三节 滤波器滤波器第四节第四节 信号的放大信号的放大第五节第五节 测试信号的显示与记录测试信号的显示与记录date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录434-3 4-3 滤波器滤波器 滤波器是一种滤波器是一种选频选频装置，可以使信号中特定的装置，可以使信号中特定的频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。在频率成分通过，而极大地衰减其它频率成分。在测试装置中，利用滤波器的这种筛选作用，可以测试装置中，利用滤波器的这种筛选作用，可以滤

32、除干扰噪声或进行频谱分析。滤除干扰噪声或进行频谱分析。一、滤波器分类一、滤波器分类(1)低通滤波器低通滤波器(2)高通滤波器高通滤波器(3)带通滤波器带通滤波器(4)带阻滤波器带阻滤波器1.根据滤波器选频的作用分类根据滤波器选频的作用分类date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录444-3 4-3 滤波器滤波器 低通低通高通高通带通带通带阻带阻陷波陷波date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录454-3 4-3 滤波器滤波器4 四种滤波器的特性是互有联系的：四种滤波器的特性是互有联系

33、的：高通滤波器的幅频特性高通滤波器的幅频特性a a2 2(f)(f)可看作是可看作是1-a1-a1 1(f)(f)，a a1 1(f)(f)是低通滤波是低通滤波器的幅频特性，故可以用低通滤波器做负反馈回路而获得。器的幅频特性，故可以用低通滤波器做负反馈回路而获得。带阻滤波器是低通和高通的组合，而带通滤波器则可以是以带阻做负带阻滤波器是低通和高通的组合，而带通滤波器则可以是以带阻做负反馈而获得。反馈而获得。date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录464-3 4-3 滤波器滤波器 滤波器的串滤波器的串/ /并联并联 带阻滤波器带阻滤波器 d

34、ate: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录474-3 4-3 滤波器滤波器 根据构成滤波器的元件类型：根据构成滤波器的元件类型： 可分为可分为rcrc、lclc或晶体谐振滤波器或晶体谐振滤波器；根据构成滤波器的电路性质：根据构成滤波器的电路性质： 可分为可分为有源滤波器有源滤波器（运算放大器结构）和（运算放大器结构）和无源滤波无源滤波器器（rlcrlc组合配置）；组合配置）；根据滤波器所处理的信号性质：根据滤波器所处理的信号性质： 可分为可分为模拟滤波器模拟滤波器与与数字滤波器数字滤波器等等。等等。本节所述内容是属于模拟滤波器范围。本节所述

35、内容是属于模拟滤波器范围。2.其他分类方法其他分类方法date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录484-3 4-3 滤波器滤波器 二、理想滤波器二、理想滤波器 低通滤波器为例 根据线性系统的不失真传输条件，理想测量根据线性系统的不失真传输条件，理想测量系统的频率响应函数应是：系统的频率响应函数应是：020( )jfth fa e若滤波器的频率响应若滤波器的频率响应h(f)h(f)满足下列条件：满足下列条件：020|( )0jf tca effh f其它则称为则称为理想滤波器理想滤波器。如无相角滞后，即如无相角滞后，即t t0 0=0=0，

36、则时域脉冲响应函数：则时域脉冲响应函数：tftfafthccc2)2sin(2)(不失真条件不失真条件date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录494-3 4-3 滤波器滤波器4 date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录504-3 4-3 滤波器滤波器 说明：说明： 1.在输入在输入(t)到来之前，即到来之前，即t0，滤波器就有了与输入相，滤波器就有了与输入相对应的输出。违背因果关系，任何现实的滤波器不可能有对应的输出。违背因果关系，任何现实的滤波器不可能有这种预知未来的能力，所以

37、理想低通滤波器是不可能存在这种预知未来的能力，所以理想低通滤波器是不可能存在的。的。 2. 理想的高通、带通、带阻滤波器都是不存在的。实际理想的高通、带通、带阻滤波器都是不存在的。实际滤波器的频域图形不可能出现直角锐变，也不会在有限频滤波器的频域图形不可能出现直角锐变，也不会在有限频率上完全截止。率上完全截止。 3. 实际滤波器的频域图形将延伸到实际滤波器的频域图形将延伸到|f|。 4. 一个滤波器对信号中通带以外的频率成分只能极大地一个滤波器对信号中通带以外的频率成分只能极大地衰减，却不能完全阻止。衰减，却不能完全阻止。date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富

38、海-第四章 信号调理与记录514-3 4-3 滤波器滤波器 三、实际滤波器的特征参数三、实际滤波器的特征参数 以带通滤波器为例以带通滤波器为例 理想滤波器是不存在的，实际滤波器幅频特理想滤波器是不存在的，实际滤波器幅频特性中通带和阻带间没有严格界限，存在性中通带和阻带间没有严格界限，存在过渡带过渡带。 0fadate: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录524-3 4-3 滤波器滤波器 0ffc1fc2a00.707a01)1)截止频率截止频率fcfc：0.707a0.707a0 0所对应的频率所对应的频率fc1fc1和和fc2,fc2, （

39、-3db-3db或半功率点）。或半功率点）。22)2)纹波幅度纹波幅度：通带中：通带中绕绕幅频特性均值幅频特性均值a a0 0波动值波动值。 越小越好。越小越好。bq=f0 / bdate: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录534-3 4-3 滤波器滤波器 5)5)滤波器因数（矩形系数）滤波器因数（矩形系数） 定义为滤波器幅频特性的定义为滤波器幅频特性的-60db-60db带宽与带宽与-3db-3db带宽的比，即：带宽的比，即： 理想滤波器理想滤波器=1=1，对于普通使用的滤波器一般为，对于普通使用的滤波器一般为1-51-5。603dbdb

40、bb3)3)带宽带宽b b：上下两截频间的频率范围称为带宽上下两截频间的频率范围称为带宽b=fc2-fc1b=fc2-fc1。 -3db -3db带宽，带宽，hzhz。带宽表示滤波器的分辨能力，。带宽表示滤波器的分辨能力， 即滤波器分离信号中相邻频率成分的能力。即滤波器分离信号中相邻频率成分的能力。4)4)品质因数品质因数q q： 对带通滤波器，中心频率对带通滤波器，中心频率f0f0和带宽和带宽b b之比称为品质因数之比称为品质因数q q 。 q q越大，越大，则相对带宽越小，滤波器的选择性越好。则相对带宽越小，滤波器的选择性越好。date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第

41、三版）段富海-第四章 信号调理与记录544-3 4-3 滤波器滤波器 6)6)倍频程选择性倍频程选择性w w 从阻带到通带或从通带到阻带，实际滤波器有一个过从阻带到通带或从通带到阻带，实际滤波器有一个过渡带，过渡带的曲线倾斜度代表着幅频特性衰减程度，通渡带，过渡带的曲线倾斜度代表着幅频特性衰减程度，通常用倍频程选择性来表征。常用倍频程选择性来表征。 倍频程衰减量以倍频程衰减量以db/octdb/oct表示（表示（octave，倍频程）。，倍频程）。 衰减越快（即衰减越快（即w w值越大），滤波器的选择性越好。值越大），滤波器的选择性越好。22(2)20lg()ccafwa f 11(/2)20

42、lg()cca fwa f 倍频程选择性指在上截止频率倍频程选择性指在上截止频率fc2fc2与与2fc22fc2之间幅频特性之间幅频特性的衰减值，或下截止频率的衰减值，或下截止频率fc1fc1与与fc1/2fc1/2之间幅频特性的衰减之间幅频特性的衰减值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。值，即频率变化一个倍频程时的衰减量。 date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录554-3 4-3 滤波器滤波器 1.1.一阶一阶rcrc低通滤波器低通滤波器xyyuudtdurc拉氏变换，得传递函数拉氏变换，得传递函数11)()()(ssusushxy

43、当当f1/2rcf1/2rcf1/2rc时，时，rcrc起积分器作起积分器作用，对高频成分衰用，对高频成分衰减为减为-20db/10-20db/10倍频倍频（-6db/-6db/倍频程）。倍频程）。date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录574-3 4-3 滤波器滤波器 2.rc2.rc高通滤波器高通滤波器xyyudturcu1微分方程：传递函数：1)(sssh频率响应函数：jjh1)(幅频特性：2)(1)(a或2)2(12)(fffa相频特性：1)(arctg或farctgf21)(date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技

44、术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录584-3 4-3 滤波器滤波器4 21)(fa滤波器的-3db截止频率为rcfc211 a(f)=1; (f)0。即当f相当大时，幅频特性接近于1，相移趋于零，此时rc高通滤波器可视为不失真传输系统。21f当 时，rc高通滤波器的输出与输入的微分成正比，起着微分器的作用。12fdate: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录594-3 4-3 滤波器滤波器 3.rc3.rc带通滤波器带通滤波器 带通滤波器可以看成是低通滤波器和高通滤波器串联组成。一阶低通滤波器的传递函数为一阶高通滤波器的传递函数为

45、则串联后传递函数为h(s)=h1(s)h2(s)11)(11ssh1)(222sssh幅频特性为：相频特性为：12( )( )( )a fa f af12( )( )( )fffdate: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录604-3 4-3 滤波器滤波器4 低通滤波器和高通滤波器的串联低通滤波器和高通滤波器的串联 date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录614-3 4-3 滤波器滤波器 串联所得的带通滤波器以原高通的截止频率为下截止频率串联所得的带通滤波器以原低通的截止频率为上截止频

46、率1112cf2221cf分别调节高、低通环节的时间常数(1及2)，就可得到不同的上、下截止频率和带宽的带通滤波器。date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录624-3 4-3 滤波器滤波器 4.4.滤波器的实际使用滤波器的实际使用一阶一阶rcrc滤波器在过渡带内衰减速率非常慢，通带和阻带之间没有陡滤波器在过渡带内衰减速率非常慢，通带和阻带之间没有陡峭的界限，因此性能较差，常使用更复杂的滤波器。峭的界限，因此性能较差，常使用更复杂的滤波器。通过采用多个通过采用多个rcrc环节或环节或lclc环节串联的方式，可以使滤波器的性能得到环节串联的

47、方式，可以使滤波器的性能得到显著提高，使过渡带曲线的陡峭度得到改善。显著提高，使过渡带曲线的陡峭度得到改善。注意多级串联使用时，应消除级间的相互影响，因为后一级成为前注意多级串联使用时，应消除级间的相互影响，因为后一级成为前一级的一级的“负载负载”，而前一级又是后一级的信号源内阻。因此多个简单滤，而前一级又是后一级的信号源内阻。因此多个简单滤波器的级联能改善滤波器的过渡带性能，却又不可避免地带来负载效波器的级联能改善滤波器的过渡带性能，却又不可避免地带来负载效应和相移增大等问题，采用应和相移增大等问题，采用有源滤波器有源滤波器解决。解决。实际上两级间常用实际上两级间常用射极输出器或者用运算放大

48、器射极输出器或者用运算放大器进行隔离。所以实进行隔离。所以实际的带通滤波器常常是有源的。际的带通滤波器常常是有源的。电容和电感一起使用的滤波器较一阶电容和电感一起使用的滤波器较一阶rcrc滤波器有较为陡峭的边缘，滤波器有较为陡峭的边缘，可构成可构成lclc低通、高通和带通滤波器，有低通、高通和带通滤波器，有l l型、型、t t型和型和型的滤波器。型的滤波器。date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录634-3 4-3 滤波器滤波器4 产品产品lineda: ltc1564maxim: max74xxdate: 2021/3/19 星期五机

49、械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录644-3 4-3 滤波器滤波器五、带通滤波器在信号频率分析中的应用五、带通滤波器在信号频率分析中的应用 频率分析仪为了对信号做频谱分析，或者摘取信号中某些特殊频率成分，为了对信号做频谱分析，或者摘取信号中某些特殊频率成分，可将信号通过放大倍数相同而中心频率各个不同的多个带通滤波可将信号通过放大倍数相同而中心频率各个不同的多个带通滤波器，各个滤波器的输出主要反映信号中在该通带频率范围内的量器，各个滤波器的输出主要反映信号中在该通带频率范围内的量值。值。可以有两种做法：可以有两种做法：多路滤波器并联式和中心频率可调式多路滤波器并联式和中心

50、频率可调式多路滤波器并联式多路滤波器并联式使用一组各自中心频率固定的，但又按一定规使用一组各自中心频率固定的，但又按一定规律相隔的滤波器组。把该滤波器组并联在信号源上，各滤波器的输律相隔的滤波器组。把该滤波器组并联在信号源上，各滤波器的输出同时显示或记录，这样就能瞬时获得信号的频谱结构。这就成为出同时显示或记录，这样就能瞬时获得信号的频谱结构。这就成为“实时实时”的谱分析。的谱分析。中心频率可调式中心频率可调式使带通滤波器的中心频率是可调的，通过改变使带通滤波器的中心频率是可调的，通过改变rcrc调谐参数而使其中心频率调谐参数而使其中心频率跟随跟随所需要量测的信号频段。其可调范围所需要量测的信

51、号频段。其可调范围一般是有限的。一般是有限的。date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录654-3 4-3 滤波器滤波器 对用于谱分析的滤波器组，各滤波器的通带应该相互连接，覆盖整对用于谱分析的滤波器组，各滤波器的通带应该相互连接，覆盖整个感兴趣的频率范围，这样才不致使信号中的频率成分个感兴趣的频率范围，这样才不致使信号中的频率成分“丢失丢失”。通常的做法是前一个滤波器的通常的做法是前一个滤波器的-3db-3db上截止频率上截止频率( (高端高端) )就是后一个滤就是后一个滤波器的波器的-3db-3db下截止频率下截止频率( (低端低端)

52、 )。这样滤波器组将覆盖整个频率范围。这样滤波器组将覆盖整个频率范围。当然，滤波器组应具有同样的放大倍数当然，滤波器组应具有同样的放大倍数( (对其各个中心频率而言对其各个中心频率而言) )。恒带宽比滤波器恒带宽比滤波器 滤波器组是一些恒带宽比的滤波器构成的。恒带宽比是指带宽滤波器组是一些恒带宽比的滤波器构成的。恒带宽比是指带宽和中心频率之比值为常数，即滤波器的相对带宽是常数。和中心频率之比值为常数，即滤波器的相对带宽是常数。滤波器的中心频率越高，其带宽也越大。滤波器的中心频率越高，其带宽也越大。1.多路滤波器的并联形式多路滤波器的并联形式2100ic ic iiibffcffdate: 20

53、21/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录664-3 4-3 滤波器滤波器 恒带宽比带通滤波器恒带宽比带通滤波器 假设一个带通滤波器的低端截止频率为假设一个带通滤波器的低端截止频率为f fc1ic1i，高端截，高端截止频率为止频率为f fc2ic2i， f fc2ic2i和和 f fc1ic1i的关系总是可以用下式表示：的关系总是可以用下式表示：式中式中n n称为倍频程数。若称为倍频程数。若n=1n=1称为倍频程滤波器；若称为倍频程滤波器；若n=1/3n=1/3，则称为，则称为1/31/3倍频程滤波器。倍频程滤波器。212nc ic iffdate: 2

54、021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录674-3 4-3 滤波器滤波器 滤波器关系式：滤波器关系式：012ic ic ifff/2202nc iiff/2102nc iiff021ic ic iiifffbq/2/20122nniiibqf若为倍频程滤波器，若为倍频程滤波器，n=1n=1，则，则q=1.41q=1.41；若为若为1/31/3倍频程滤波器，倍频程滤波器， n=1/3n=1/3，则，则q=4.38q=4.38；若为若为1/51/5倍频程滤波器，倍频程滤波器， n=1/5n=1/5，则，则q=7.2q=7.2。00(1)2niiffdat

55、e: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录684-3 4-3 滤波器滤波器 只要选定只要选定n值就可设计覆盖给定频率范围的邻接式滤值就可设计覆盖给定频率范围的邻接式滤波器组。波器组。 例如对于例如对于n=1的倍频程滤波器将是：的倍频程滤波器将是：中心频率中心频率(hz) 16 31.5 63 125 250带宽带宽(hz) 11.05 22.09 44.19 88.36 176.75 又例如对于又例如对于1/3倍频程滤波器组将是：倍频程滤波器组将是：中心频率中心频率(hz) 12.5 16 20 25 31.5 40 50 63带宽带宽(hz)

56、 2.9 3.6 4.6 5.7 7.2 9.1 11. 5 14.501.41fbqq4.38q date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录694-3 4-3 滤波器滤波器 n=1n=1的倍频程滤波器组的倍频程滤波器组date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录704-3 4-3 滤波器滤波器 恒带宽滤波器恒带宽滤波器 恒带宽比滤波器，其通频带在低频段内甚窄，而在高频段内则较恒带宽比滤波器，其通频带在低频段内甚窄，而在高频段内则较宽，因而滤波器组的频率分辨力在低频段较好，在高频段则甚

57、差。为宽，因而滤波器组的频率分辨力在低频段较好，在高频段则甚差。为使滤波器在所有频段都具有同样良好的频率分辨力，可采用恒带宽的使滤波器在所有频段都具有同样良好的频率分辨力，可采用恒带宽的滤波器。滤波器。 为提高滤波器的分辨能力，带宽应窄一些，这样为覆盖整个频率为提高滤波器的分辨能力，带宽应窄一些，这样为覆盖整个频率范围所需要的滤波器数量就很大。恒带宽滤波器就不宜做成固定中心范围所需要的滤波器数量就很大。恒带宽滤波器就不宜做成固定中心频率的。频率的。恒带宽带通滤波器恒带宽带通滤波器 date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录714-3 4-

58、3 滤波器滤波器 2.2.中心频率可调式中心频率可调式 恒带宽滤波器一般不用固定中心频率与带宽的并联滤波器组实现，恒带宽滤波器一般不用固定中心频率与带宽的并联滤波器组实现，而是通过而是通过中心频率可调的扫描式带通滤波器中心频率可调的扫描式带通滤波器来实现。来实现。扫描式频率分析仪扫描式频率分析仪采用一个中心频率可调的带通滤波器，通过改采用一个中心频率可调的带通滤波器，通过改变中心频率使该滤波器的通带跟随所要分析的信号频率范围要求来变中心频率使该滤波器的通带跟随所要分析的信号频率范围要求来变化。变化。调节方式可以是手动或外信号调节，如用于调节中心频率的信号调节方式可以是手动或外信号调节，如用于调

59、节中心频率的信号可由一个锯齿波发生器来产生，用一个线性升高的电压来控制中心可由一个锯齿波发生器来产生，用一个线性升高的电压来控制中心频率的连续变化。频率的连续变化。由于在调节中心频率过程中总希望不改变或不影响滤波器的增益由于在调节中心频率过程中总希望不改变或不影响滤波器的增益及及q q因子等参数，因此中心频率的调节范围是有限的。因子等参数，因此中心频率的调节范围是有限的。date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录724-3 4-3 滤波器滤波器4 滤波器的应用滤波器的应用超门限报警超门限报警 案例：案例：旅游索道钢缆检测旅游索道钢缆检测d

60、ate: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录734-3 4-3 滤波器滤波器4 由案例提炼的典型实验：由案例提炼的典型实验：钢管无损探伤钢管无损探伤滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警滤除信号中的零漂和低频晃动，便于门限报警date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录744-3 4-3 滤波器滤波器4 案例：机床轴心轨迹的滤波处理案例：机床轴心轨迹的滤波处理 date: 2021/3/19 星期五机械工程测试技术基础（第三版）段富海-第四章 信号调理与记录754-3 4-3 滤波器滤波