第五章 信号调理电路ppt课件

1、第五章第五章 信号调理电路信号调理电路信号调理的意义何在？信号调理的意义何在？被测对象被测对象传感器传感器信号调理信号调理和处理和处理显示记录显示记录安装安装信息调理信息调理与提取与提取信号调理的目的是便于信号的传输与处理信号调理的目的是便于信号的传输与处理1.1.传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、传感器输出的电信号很微弱，大多数不能直接输送到显示、记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变记录或分析仪器中去，需要进一步放大，有的还要进行阻抗变换。换。（放大电路）（放大电路）2.2.有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪声，需有些传感器输出的是电信号中混杂有干扰噪

2、声，需要去掉噪声，提高信噪比。（滤波电路）要去掉噪声，提高信噪比。（滤波电路）3.3.某些场合，为便于信号的远距离传输，需要某些场合，为便于信号的远距离传输，需要对传感器测量信号进行调制解调处理。（调制对传感器测量信号进行调制解调处理。（调制解调电路）解调电路） 本本 章章 内内 容容 调制与解调电路调制与解调电路 滤波器电路滤波器电路 电桥电路电桥电路电桥是将电阻、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。兼顾放大器的功能。出的一种测量电路。兼顾放大器的功能。按激励电压性质按激励电压性质 按输出方式按输出方式 直流电桥直流

3、电桥交流电桥交流电桥平衡电桥平衡电桥非平衡电桥非平衡电桥桥式测量电路简单，具有较高的精确度和灵敏度，易于消除温度和环境的影响。桥式测量电路简单，具有较高的精确度和灵敏度，易于消除温度和环境的影响。随着集成电源电路的发展，直流电桥应用日益广泛。随着集成电源电路的发展，直流电桥应用日益广泛。abcd1R2R3R4RyU0U1I2I04321423104340211URRRRRRRRURRRURRRUUUadbay若若R1R3=R2R4R1R3=R2R4，则输出电压必为零，则输出电压必为零，此时电桥处于平衡状态，称为平此时电桥处于平衡状态，称为平衡电桥。衡电桥。为简化桥路设计，往往取四个桥臂初始阻值

4、相等。为简化桥路设计，往往取四个桥臂初始阻值相等。当电桥四个臂电阻均相等时，即当电桥四个臂电阻均相等时，即 时，称为等臂电桥。时，称为等臂电桥。RRRRR4321当四个桥臂均感受到不同程度的微小变化时，当四个桥臂均感受到不同程度的微小变化时，)2)(2()()()()(432142314321044332211442233110RRRRRRRRRRRRRRRURRRRRRRRRRRRRRRRUUy一般情况下，一般情况下， ，化简得到：，化简得到：iRR)(443210RRRRRRRRUUy利用上式特点，可进行温度补偿和提高测量利用上式特点，可进行温度补偿和提高测量的灵敏度。的灵敏度。abcd1

5、R2R3R4RyU0U1I2I将将 作为输入有的仅把作为输入有的仅把 当作当作输入），由此可以求得上述各种电桥输入），由此可以求得上述各种电桥的灵敏度分别为的灵敏度分别为单臂：单臂：半桥：半桥：全桥：全桥：abcdyU0U1I2IR R1 1R R1 1R RR R4 44 4R RR R2 22 2R R3 3R R3 30014yRUUR0RRR1014SU0012yRUUR2012SU40SU00yRUUR显然，电桥的接法不同，其灵敏度也不同。显然，电桥的接法不同，其灵敏度也不同。0U根据工作中电阻值参与变化的桥臂的个数，根据工作中电阻值参与变化的桥臂的个数，将电桥分为：将电桥分为： 单

6、臂电桥、差动半桥、差动全桥单臂电桥、差动半桥、差动全桥直流电桥的加减特性与应用直流电桥的加减特性与应用1. 1. 桥路温度补偿桥路温度补偿2.2.在半桥测量中利用加减特性提高测量灵敏度、实现温度补偿在半桥测量中利用加减特性提高测量灵敏度、实现温度补偿3.3.全桥实现温度补偿和提高测量灵敏度全桥实现温度补偿和提高测量灵敏度采用交流激励电压。采用交流激励电压。四个桥臂可以是电感四个桥臂可以是电感L L、电容、电容C C或者电阻或者电阻R R，均用阻抗符号，均用阻抗符号Z Z表表示。示。jeZZ| 13241234()()yoZ ZZ ZUUZZZZ根据对直流电桥的讨论可以写出根据对直流电桥的讨论可

7、以写出电桥达到平衡时电桥达到平衡时1324Z ZZ Z交流电桥的平衡条件：交流电桥的平衡条件： |Z1|Z3|ej|Z1|Z3|ej1+31+3）=|Z2|Z4|ej=|Z2|Z4|ej2+42+4）即：即：|Z1|Z3|=|Z2|Z4| |Z1|Z3|=|Z2|Z4| ， 1+3 = 2 1+3 = 2 +4 +4 交流电桥平衡要满足两个条件，即：两相对桥臂的阻抗交流电桥平衡要满足两个条件，即：两相对桥臂的阻抗模的乘积相等模值平衡条件）；其阻抗角的和相等模的乘积相等模值平衡条件）；其阻抗角的和相等相角平衡条件）。相角平衡条件）。常用的交流电桥有：电容电桥、电感电桥。常用的交流电桥有：电容电桥

8、、电感电桥。n若电桥中有一对相邻桥臂为电阻，根据平衡若电桥中有一对相邻桥臂为电阻，根据平衡条件，其余二桥臂一定为（？）类的阻抗；条件，其余二桥臂一定为（？）类的阻抗； n若电桥中有二对边桥臂为电阻，根据平衡条若电桥中有二对边桥臂为电阻，根据平衡条件，其余二桥臂一定具有（？）类的阻抗。件，其余二桥臂一定具有（？）类的阻抗。交流电桥特点交流电桥特点 n如果四个桥臂均为电阻时，如果四个桥臂均为电阻时，1=3 = 1=3 = 2 =4=02 =4=0，如果忽略其它因素影响，交，如果忽略其它因素影响，交流电桥的平衡条件与直流电桥是完全一样流电桥的平衡条件与直流电桥是完全一样的。但在交流电桥的实际使用过程

9、中，影的。但在交流电桥的实际使用过程中，影响交流电桥测量精度及误差的因素较之直响交流电桥测量精度及误差的因素较之直流电桥要多得多。流电桥要多得多。n由于交流电桥的平衡必须同时满足幅值与由于交流电桥的平衡必须同时满足幅值与阻抗两个条件，因此较之直流电桥的平衡阻抗两个条件，因此较之直流电桥的平衡调节要复杂得多。调节要复杂得多。交流电桥特点交流电桥特点 一般情况下，交流电桥的供桥电源必须具有良好的电压一般情况下，交流电桥的供桥电源必须具有良好的电压波形和频率稳定度。若电源电压波形畸变包含高次谐波形和频率稳定度。若电源电压波形畸变包含高次谐波），则对于基波而言电桥平衡时，对于高次谐波，电波），则对于基

10、波而言电桥平衡时，对于高次谐波，电桥不一定平衡，因而会有高次谐波电压输出。桥不一定平衡，因而会有高次谐波电压输出。一般采用音频交流电压一般采用音频交流电压5 510kHZ10kHZ作为电桥电源。作为电桥电源。这时，电桥输出将为调制波，外界工频干扰不易从线路这时，电桥输出将为调制波，外界工频干扰不易从线路中引入，并且后接交流放大电路简单无零漂。中引入，并且后接交流放大电路简单无零漂。采用交流电桥时，必须注意影响测量误差的一些因素。采用交流电桥时，必须注意影响测量误差的一些因素。如：电桥中元件之间的互感影响；无感电阻的残余阻抗；如：电桥中元件之间的互感影响；无感电阻的残余阻抗；邻近交流电路对电桥的

11、感应作用；泄漏电阻以及元件之间、邻近交流电路对电桥的感应作用；泄漏电阻以及元件之间、元件与地之间的分布电容等。元件与地之间的分布电容等。x(t)x(t)0 0t tVER1R3R2R4一般说来，需要进行远程传输的信号都只占据有限的频带，一般说来，需要进行远程传输的信号都只占据有限的频带，且都位于低频或较低的频段内。且都位于低频或较低的频段内。而在远程传输中，作为传输的通道架空明线、电缆、光缆而在远程传输中，作为传输的通道架空明线、电缆、光缆和自由空间等都有最适合用于传输信号的频率范围，并与和自由空间等都有最适合用于传输信号的频率范围，并与信号本身的频带相比，都位于高频范围内，且实际信道的有信号

12、本身的频带相比，都位于高频范围内，且实际信道的有用带宽范围通常要远宽于信号的带宽。用带宽范围通常要远宽于信号的带宽。为了解决信号与传输通路之间的不匹配的问题，一般利用调为了解决信号与传输通路之间的不匹配的问题，一般利用调制技术。制技术。n 借助于无线电通信的原理借助于无线电通信的原理n 概念是把调制信号如讲话、音乐最高频率达概念是把调制信号如讲话、音乐最高频率达20kHz20kHz调制到一个无线电台发射的简单载波信号如调制到一个无线电台发射的简单载波信号如104.3MHz104.3MHz上，上，n 这种调制的优点之一是无线电台可以利用不同的发射频这种调制的优点之一是无线电台可以利用不同的发射频

13、率率n 选择想得到的电台后，接收器通过解调过程恢复基带信选择想得到的电台后，接收器通过解调过程恢复基带信号并传给扬声器。号并传给扬声器。调调 制制缓变信号变成高频交变信号的过程缓变信号变成高频交变信号的过程 解解 调调从高频信号中恢复出原缓变信号的过程。从高频信号中恢复出原缓变信号的过程。根据载波较高频率的交变信号信号受调制的参数的不同，根据载波较高频率的交变信号信号受调制的参数的不同，调制可分为调幅调制可分为调幅AM AM ）、调频）、调频FM FM ）、调相）、调相PM PM ） 。工程测试技术中常用以正余弦波为载波信号，用待传输处理工程测试技术中常用以正余弦波为载波信号，用待传输处理的信

14、号对其进行幅值、频率、相位调制。的信号对其进行幅值、频率、相位调制。调幅过程就是将测量信号调调幅过程就是将测量信号调制波与高频正弦或余弦信号制波与高频正弦或余弦信号载波相乘，使高频载波的载波相乘，使高频载波的幅值随测量信号的变化而变化。幅值随测量信号的变化而变化。时域分析时域分析调幅原理：高频交变调幅原理：高频交变载波信号与被测调制载波信号与被测调制信号在时域上进行乘信号在时域上进行乘法运算。使高频信号法运算。使高频信号的幅值随测试信号的的幅值随测试信号的变化而变化。变化而变化。 调制器调制器 （乘法器）（乘法器）调制调制信号信号载波载波调幅波调幅波)(txtfty02cos)(tftxtxm

15、02cos)()(由傅立叶变换的性质知：在时域中两个信号相乘，则对应在由傅立叶变换的性质知：在时域中两个信号相乘，则对应在频域中这两个信号进行卷积，即频域中这两个信号进行卷积，即 *x t y tXfYf00011cos222f tffff 00011cos2*22x tf tXfffXfff即调制后的结果就相当于把原信号的频谱图形由原点平移至即调制后的结果就相当于把原信号的频谱图形由原点平移至载波频率载波频率 处，幅值减半。处，幅值减半。 00011cos2*22x tf tXfffXfff0f由脉冲函数的卷积性质知：一个函数与单位脉冲函数卷积的结由脉冲函数的卷积性质知：一个函数与单位脉冲函

16、数卷积的结果，就是将其以坐标原点为中心的频谱平移到该脉冲函数处。果，就是将其以坐标原点为中心的频谱平移到该脉冲函数处。时域分析时域分析频域分析频域分析f0f0fm-fm)()()()()(000ffXf dffffXfffX从调幅原理看，载波频率从调幅原理看，载波频率 必须高于原必须高于原信号中的最高频率信号中的最高频率 才能使已调波仍才能使已调波仍保持原信号的频谱图形，不致重叠。保持原信号的频谱图形，不致重叠。 为了减小放大电路可能引起的失真，信为了减小放大电路可能引起的失真，信号的频宽号的频宽 相对中心频率载波频率相对中心频率载波频率 ）应越小越好。应越小越好。在实际应用中，载波频率在实际

17、应用中，载波频率 常常至少在常常至少在调制信号上限频率调制信号上限频率 的十倍以上。的十倍以上。但是载波频率的提高也受到放大电路截但是载波频率的提高也受到放大电路截止频率的限制。止频率的限制。0f2mf频域分析频域分析f0f0fm-fmmf0fmf0f调幅装置实质上是一个乘法器，现在已有性能良好的线性调幅装置实质上是一个乘法器，现在已有性能良好的线性乘法器组件。乘法器组件。电桥本质上也是一个乘法器，当单臂电桥工作时，设供桥电桥本质上也是一个乘法器，当单臂电桥工作时，设供桥电源电压为高频正弦波（电源电压为高频正弦波（ ），即载波），即载波kHzf100tfKUtfURRuy00002sin412

18、sin41可见，经过电桥调幅后，原载波信号的幅值被应变大小可见，经过电桥调幅后，原载波信号的幅值被应变大小 调调制并且相位也随制并且相位也随 的正负而变化。的正负而变化。tfUu0002sin等幅载波信号：等幅载波信号：电桥调幅后信号：电桥调幅后信号：乘法器乘法器低通低通载波载波y(t)调幅波调幅波 mxtn 同步解调法：用已调制波再与原载波信号相同步解调法：用已调制波再与原载波信号相乘一次乘一次 ，以复现原信号的频谱幅值减小为一，以复现原信号的频谱幅值减小为一半）半） ，“同步指解调时所乘的信号与调制时同步指解调时所乘的信号与调制时的载波信号具有相同的频率和相位。的载波信号具有相同的频率和相

19、位。000( )( ) cos2( ) cos2cos2mg tx tf tx tf tf tg(t)tftxtxtg04cos)(21)(21)(00111( )( )(2 )(2 )244G fX fX ffX ff据傅里叶变换性质可得：据傅里叶变换性质可得：若用一个低通滤波器滤去中心若用一个低通滤波器滤去中心频率为频率为 的高频成分，那的高频成分，那么将可以复现原信号的频谱么将可以复现原信号的频谱幅值减小为一半），若用放幅值减小为一半），若用放大处理来补偿幅值减小，可得大处理来补偿幅值减小，可得到原调制信号。到原调制信号。02 f同步解调法，要使调幅波和载波相乘，乘后通过低通滤波器，同步

20、解调法，要使调幅波和载波相乘，乘后通过低通滤波器，这样做需要线性良好的线性乘法器件。这样做需要线性良好的线性乘法器件。n包络检波法整流检波法）：若把调制信号包络检波法整流检波法）：若把调制信号x(t)x(t)进行偏置，叠加一个直流分量进行偏置，叠加一个直流分量A A，使偏置，使偏置后的信号都具有正电压，此时调幅波表达式为后的信号都具有正电压，此时调幅波表达式为 0( )( )cos2mxtAx tf t其调幅波的包络线具有原信号形其调幅波的包络线具有原信号形状。一般对于调幅波采用整流、状。一般对于调幅波采用整流、滤波以后，就可以恢复原信号滤波以后，就可以恢复原信号若叠加了直流分量，则须准确若叠

21、加了直流分量，则须准确地减去该直流分量）。地减去该直流分量）。 需：准确叠加偏置电压直流电压）。否则，需采用相敏检波技术。需：准确叠加偏置电压直流电压）。否则，需采用相敏检波技术。包络检波就是建立在整流的原理基础上的包络检波就是建立在整流的原理基础上的若所加的偏置电压未能使信号电压都在零线的一侧，则对调若所加的偏置电压未能使信号电压都在零线的一侧，则对调幅波简单地整流不能恢复原调制信号。相敏检波技术可解决幅波简单地整流不能恢复原调制信号。相敏检波技术可解决此问题。此问题。相敏检波的原理是：调制相敏检波的原理是：调制信号在其过零线时符号信号在其过零线时符号（、）发生突变，调（、）发生突变，调幅波

22、的相位与载波比较也幅波的相位与载波比较也相应地发生相应地发生18001800的跳变。的跳变。利用载波信号为参考信号，利用载波信号为参考信号，与调幅波比相，这样既能与调幅波比相，这样既能反映出原信号的幅值又能反映出原信号的幅值又能反映其极性。反映其极性。n 相敏检波法：相敏检波法： 开关式全波相敏检波电路开关式全波相敏检波电路相敏检波电路主要有：半波相敏检波、全波相敏检波。相敏检波电路主要有：半波相敏检波、全波相敏检波。相敏检波器是一种能根据调幅波和载波的相位差判别调制信号极性相敏检波器是一种能根据调幅波和载波的相位差判别调制信号极性的解调器，它适合对各种类型的调幅波进行解调。的解调器，它适合对

23、各种类型的调幅波进行解调。 对于具有极性或方向性的被测量，经调制后要想正确地恢复原有的对于具有极性或方向性的被测量，经调制后要想正确地恢复原有的信号波形，必须采用相敏检波的方法。信号波形，必须采用相敏检波的方法。调频频率调制是利用信号电调频频率调制是利用信号电压的幅值控制一个振荡器，振荡压的幅值控制一个振荡器，振荡器输出的是等幅波，但其振荡频器输出的是等幅波，但其振荡频率偏移量和信号电压成正比。率偏移量和信号电压成正比。当信号电压为零时，调频波的频率等于中心频率载波频当信号电压为零时，调频波的频率等于中心频率载波频率）；信号电压为正值时频率提高，负值时则降低。所以调率）；信号电压为正值时频率提

24、高，负值时则降低。所以调频波是随信号而变化的疏密不等的等幅波。频波是随信号而变化的疏密不等的等幅波。调频波的瞬时频率为：调频波的瞬时频率为：0fff 载波频率，也称为中心频率载波频率，也称为中心频率频率偏移，与调制信号的幅值成正比。频率偏移，与调制信号的幅值成正比。0ff为了保证测量精度，对应于零信号的载波中心频率应远高于为了保证测量精度，对应于零信号的载波中心频率应远高于信号的最高频率成分。信号的最高频率成分。优点：抗干扰能力强优点：抗干扰能力强 因为调频信号所携带的信息包含在频率变化之中，并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要表现在振幅之中。非

25、振幅之中，而干扰波的干扰作用则主要表现在振幅之中。缺陷：占频带宽度大，复杂缺陷：占频带宽度大，复杂 调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽调频波通常要求很宽的频带，甚至为调幅所要求带宽的的2020倍；调频系统较之调幅系统复杂。倍；调频系统较之调幅系统复杂。实现调频的方法：（自学）实现调频的方法：（自学）n 直接调频测量电路直接调频测量电路CL如图为如图为LCLC振荡器原理图。若把电容或振荡器原理图。若把电容或电感作为谐振回路中的一个调谐参数，电感作为谐振回路中的一个调谐参数，那么电路的谐振频率将是：那么电路的谐振频率将是：12fLC设电容器初始电容为设电容器初始电容为 时，振荡器频率为

26、时，振荡器频率为 ，且电容变化，且电容变化量量 ，那么，那么 引起的频率偏移引起的频率偏移 000(1)2CffffC 0012ffCC 可见，在小范围内，回路的谐振频率被测量的变化近似成线性关可见，在小范围内，回路的谐振频率被测量的变化近似成线性关系。系。0C0f0CCC实现调频的方法：（自学）实现调频的方法：（自学）n 压控振荡器压控振荡器压控振荡器压控振荡器VCO(Voltage Controlled Oscillator) VCO(Voltage Controlled Oscillator) 是一种是一种将电平变换为相应频率的脉冲变换电路。将电平变换为相应频率的脉冲变换电路。它被广泛地

27、应用在自动控制，自动测量与检测等技术领域。它被广泛地应用在自动控制，自动测量与检测等技术领域。压控振荡器的输出频率与输入的控制电压值成线性关系。压控振荡器的输出频率与输入的控制电压值成线性关系。是将频率变化恢复成调制信号电压幅值变化的过程。是将频率变化恢复成调制信号电压幅值变化的过程。测试仪器常用的鉴频方法是鉴频法。测试仪器常用的鉴频方法是鉴频法。变压器耦合的谐振回路鉴频法变压器耦合的谐振回路鉴频法滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。而极大地衰减其他频率成分。 作用：选频作用。作用：选频作用。 滤除干

28、扰噪声；滤除干扰噪声； 对信号作频谱分析对信号作频谱分析机床轴心轨迹机床轴心轨迹的滤波处理的滤波处理按滤波器的选频作用分类按滤波器的选频作用分类2. 2. 分类：分类：按所处理信号的性质：按所处理信号的性质： 模拟滤波器模拟滤波器 数字滤波数字滤波器器按构成电路性质按构成电路性质 有源滤波器有源滤波器 无源滤波器无源滤波器 RC谐振滤波器谐振滤波器按构成元件类型按构成元件类型 LC谐振滤波器谐振滤波器 晶体谐振滤波器晶体谐振滤波器理想滤波器在物理上是不能实现的，但对深入了解滤波器的理想滤波器在物理上是不能实现的，但对深入了解滤波器的传输特性是有作用的。传输特性是有作用的。根据线性系统不失真传输

29、条件，理想测量系统的频率响应函根据线性系统不失真传输条件，理想测量系统的频率响应函数应是：数应是： 0200jftA eHfcff其它其它 020jftHfA e若滤波器的频率响应满足下列条件若滤波器的频率响应满足下列条件称为理想低通滤波器。称为理想低通滤波器。 0200jftA eHfcff其它其它理想低通滤波器：理想低通滤波器：理想低通滤波器的脉冲响应理想低通滤波器的脉冲响应由图可知，理想低通滤波器是不能实现的。由图可知，理想低通滤波器是不能实现的。可以推论，理想的高通、带通、带阻滤波器都是不存在的。可以推论，理想的高通、带通、带阻滤波器都是不存在的。缘由：从缘由：从h(t)看，看，t0时

30、已有值。时已有值。u 理想滤波器的阶跃响应理想滤波器的阶跃响应讨论理想滤波器以树立关于滤波器的通频带宽讨论理想滤波器以树立关于滤波器的通频带宽B B和建立比较稳和建立比较稳定的输出所需要的时间定的输出所需要的时间Te Te 之间的关系。之间的关系。给理想低通滤波器以单位阶跃输入给理想低通滤波器以单位阶跃输入u(t)u(t)，滤波器的输出，滤波器的输出y(t)y(t)将是将是该输入和脉冲响应函数该输入和脉冲响应函数h(t)h(t)的卷积：的卷积：如果我们定义输出由最小值到最大值如果我们定义输出由最小值到最大值所需要的时间为建立时间：所需要的时间为建立时间： *y th tu t1ecTf低通滤波

31、器的带宽：低通滤波器的带宽：()2cccBfff 低通滤波器对阶跃响应建立时间：低通滤波器对阶跃响应建立时间：1ecTfeT滤波器的带宽表示它的分辨能力，带宽越窄则分辨力越高。滤波器的带宽表示它的分辨能力，带宽越窄则分辨力越高。可见，滤波器的高分辨力与测量时快速响应的要求是互相矛可见，滤波器的高分辨力与测量时快速响应的要求是互相矛盾的。盾的。低通滤波器对阶跃响应的建立时间低通滤波器对阶跃响应的建立时间 和带宽和带宽B B 成反比。成反比。这一结论对其它滤波器高通、带通、带阻也适用。这一结论对其它滤波器高通、带通、带阻也适用。u 1. 1. 实际滤波器的基本参数实际滤波器的基本参数1 1纹波幅度

32、纹波幅度d d：绕幅频特性均：绕幅频特性均值值A0A0波动值波动值0/2dA2 2截止频率截止频率fcfc：幅频特性值等：幅频特性值等于于 所对应的频率，即相所对应的频率，即相对于对于 衰减衰减-3dB -3dB 。若以信号的。若以信号的幅值平方表示信号功率，则该幅值平方表示信号功率，则该频率对应的点为半功率点。频率对应的点为半功率点。 02A0Au 1. 1. 实际滤波器的基本参数实际滤波器的基本参数3 3带宽带宽B B：上下截止频率之间：上下截止频率之间的频率范围的频率范围 ，又称，又称-3dB-3dB带宽也称半功率带宽）。带宽也称半功率带宽）。带宽表示滤波器的分辨能力带宽表示滤波器的分辨

33、能力 12ccffB4 4品质因数品质因数Q Q：中心频率和带宽之比称为品质因数：中心频率和带宽之比称为品质因数其中中心频率其中中心频率品质因数也用来衡量滤波器分离相邻频率成分的能力。品质因数也用来衡量滤波器分离相邻频率成分的能力。 值越值越大，滤波器的分辨力越高。大，滤波器的分辨力越高。 BfQn21 ccnfff Q（5 5倍频程选择性：是指在上截止频率倍频程选择性：是指在上截止频率fc2fc2与与2fc22fc2之间，之间，或者在下截止频率或者在下截止频率fc1fc1与与fc1/2fc1/2之间幅频特性的衰减量，即之间幅频特性的衰减量，即频率变化一个倍频程时的衰减量。倍频程选择性是描述对

34、频率变化一个倍频程时的衰减量。倍频程选择性是描述对带宽外频率成分衰减的能力，以分贝数为单位。显然，带宽外频率成分衰减的能力，以分贝数为单位。显然， 衰衰减越快，滤波选择性越好。减越快，滤波选择性越好。 （6 6滤波器因数矩形因数）滤波器因数矩形因数） ：滤波器选择性的另一：滤波器选择性的另一种表示方法，是滤波器种表示方法，是滤波器-60dB-60dB处的带宽处的带宽B-60dBB-60dB与与-3dB-3dB处的处的带宽带宽B-3dBB-3dB的比值。理想滤波器的的比值。理想滤波器的 1 1；通常使用的滤波；通常使用的滤波器器11 55。 dBdBBB360)()21(lg20)()2(lg2

35、01122ccccfAfAfAfA或在测试系统中，常用在测试系统中，常用RCRC滤波器。因为这一领域中信号频率相滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而对来说不高。而RCRC滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标准阻容元件频性能，并且选用标准阻容元件 。根据构成滤波器的电路性质，可分为无源滤波器和有源滤波根据构成滤波器的电路性质，可分为无源滤波器和有源滤波器。器。 u 2. RC 2. RC调谐式滤波器的基本特性调谐式滤波器的基本特性yyxduRCuudt令令 =RC =RC，称时间常数，称时间常数fjfH211)(滤波器的传递函数为：

36、滤波器的传递函数为： 11yxUsH sUssn 一阶一阶RCRC低通滤波器低通滤波器u RC RC无源滤波器无源滤波器2)2(11)(ffAfarctgf2)(RCf21 ：A(f)=1,(f)-f A(f)=1,(f)-f 近似于一条通过原点的直线。近似于一条通过原点的直线。 此时，此时，RCRC低通滤波器是一个不失真传输系统。低通滤波器是一个不失真传输系统。 RCf21 21fARCfc212RCRC值决定着上截止频率，适当改变此值，可以改变滤波器的截止频值决定着上截止频率，适当改变此值，可以改变滤波器的截止频率率RCf21dtuRCuxy1RCRC低通滤波器起着积分器的作用低通滤波器起

37、着积分器的作用fjfH211)(n RC RC高通滤波器高通滤波器xyyudtuRCu1滤波器的传递函数为：滤波器的传递函数为：fjfjfH212)(A ffffarctgf( )()( )212122 令令 =RC =RC，称时间常数，称时间常数 1sH ssRC高通滤波器可视为不失真传输系统高通滤波器可视为不失真传输系统 1fA 0fRC值决定着下截止频率值决定着下截止频率 21fARCfc211RCf21RCf21RC高通滤波器起着微分器的作用。高通滤波器起着微分器的作用。RCf21A ffffarctgf( )()( )212122 fjfjfH212)(n RC RC带通滤波器带通滤

38、波器带通滤波器可看成是低通滤波器和高通滤波器串联组成。带通滤波器可看成是低通滤波器和高通滤波器串联组成。串联所得的带通滤波器以原高通滤波器的截止频率为下截止串联所得的带通滤波器以原高通滤波器的截止频率为下截止频率，即频率，即 其上截止频率为原低通的截止频率，其上截止频率为原低通的截止频率，即即1112cf2212cf分别调节高、低通环节的时间常数（分别调节高、低通环节的时间常数（ 及及 ），就可得到），就可得到不同的上、下截止频率和带宽的带通滤波器。不同的上、下截止频率和带宽的带通滤波器。12n滤波器的级联滤波器的级联滤波器的级联就是为了加强滤波效果。滤波器的级联就是为了加强滤波效果。两个中心

39、频率相同的滤波器级联，总幅频特性是其各自幅频两个中心频率相同的滤波器级联，总幅频特性是其各自幅频特性的乘积，因此通带外的频率成分将有更大的衰减斜率。特性的乘积，因此通带外的频率成分将有更大的衰减斜率。高阶滤波器就是低阶滤波器级联而成的。高阶滤波器就是低阶滤波器级联而成的。但该方法会带来明显的负载效应和相移增大等问题。但该方法会带来明显的负载效应和相移增大等问题。为此，更有效地方法是采用有源滤波器。为此，更有效地方法是采用有源滤波器。u RC RC有源滤波器有源滤波器有源滤波器由有源滤波器由RC调谐网络和运放组成。运放既可以起极间隔调谐网络和运放组成。运放既可以起极间隔离作用，又可以起幅值放大作

40、用。离作用，又可以起幅值放大作用。隔离负载影响、隔离负载影响、提高增益和带提高增益和带负载能力负载能力为了对信号进行频谱分析，为了对信号进行频谱分析，或摘取信号中某些特殊频率或摘取信号中某些特殊频率成分，可将信号通过放大倍成分，可将信号通过放大倍数相同但中心频率不同的多数相同但中心频率不同的多个带通滤波器，从而各滤波个带通滤波器，从而各滤波器的输出反映信号中在该通器的输出反映信号中在该通带频率范围内的量值，因而带频率范围内的量值，因而可分析信号中所含的各频率可分析信号中所含的各频率成分。成分。 将图中各个滤波器依次接通，各将图中各个滤波器依次接通，各滤波器的输出将反映瞬时获得信滤波器的输出将反

41、映瞬时获得信号的频谱结构。从而称为实时谱号的频谱结构。从而称为实时谱分析。分析。对用于谱分析的滤波器组，各滤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，这样才整个感兴趣的频率范围，这样才不致使信号中的频率成分不致使信号中的频率成分“丧失丧失”。通常的做法是：前一个滤波器的上截止频率高端就是后通常的做法是：前一个滤波器的上截止频率高端就是后一个滤波器的下截止频率低端），这样一组滤波器将覆盖一个滤波器的下截止频率低端），这样一组滤波器将覆盖整个频率范围，也是邻接的。当然，滤波器组应具有同样的整个频率范围，也是邻接的。当然，滤波器组应具有

42、同样的放大倍数对其各个中心频率而言）。放大倍数对其各个中心频率而言）。在作信号频谱分析时，这组并联在作信号频谱分析时，这组并联的、增益相同而中心频率不同的的、增益相同而中心频率不同的带通滤波器的带宽遵循一定得规带通滤波器的带宽遵循一定得规则取值，通常用两种方法构成常则取值，通常用两种方法构成常见的带通滤波器组：见的带通滤波器组：（1恒带宽比滤波器恒带宽比滤波器（2恒带宽滤波器恒带宽滤波器（一恒带宽比滤波器（一恒带宽比滤波器相对带宽为常数：相对带宽为常数： 为常数为常数滤波器的中心频率越高，其带宽越大。滤波器的中心频率越高，其带宽越大。2100iciciiiBffCff实现恒带宽比滤波器的方式常

43、采用倍频程带通滤波器，实现恒带宽比滤波器的方式常采用倍频程带通滤波器，它的上、下截止频率之间应满足以下关系：它的上、下截止频率之间应满足以下关系：122cncffn n为倍频程数，若为倍频程数，若n=1n=1，称倍频程滤波器；，称倍频程滤波器；n=1/3n=1/3，称，称1/31/3倍频程滤波器，依此类推。倍频程滤波器，依此类推。 滤波器的中心频率：滤波器的中心频率： 012ccff f因此，只要根据分析的要求选定一个因此，只要根据分析的要求选定一个n n值，便可设计覆值，便可设计覆盖给定范围的邻接式滤波器组。盖给定范围的邻接式滤波器组。例：有一个例：有一个1/31/3倍频程带通滤波器，其中心

44、频率为倍频程带通滤波器，其中心频率为80Hz80Hz，求上、下截止频率。求上、下截止频率。例：试设计一个邻接式的例：试设计一个邻接式的1/31/3倍频程谱分析装置，其频倍频程谱分析装置，其频率覆盖范围为率覆盖范围为11Hz11Hz35Hz35Hz），求其中心频率和带宽。），求其中心频率和带宽。DM5731DM5731型三分之一倍频程带通滤波器型三分之一倍频程带通滤波器适用于电声测量的测量滤波器，在适用于电声测量的测量滤波器，在20Hz至至20kHz的频率范围内的频率范围内具有具有31段按照段按照1/3倍频程频率点分布的带通滤波器倍频程频率点分布的带通滤波器，其性能要求符合，其性能要求符合GB/

45、T3241-2019倍频程倍频程和分数倍频程滤波器和分数倍频程滤波器及及IEC61260：2019倍频程和分数倍频程滤波器倍频程和分数倍频程滤波器(IEC61260:2019Electroacoustics-Octavebandandfractionaloctavebandfilters)标准的要求。标准的要求。该仪器具有线性、该仪器具有线性、A计权及中心频率为计权及中心频率为20Hz、25Hz、31.5Hz、40Hz、50Hz、63Hz、80Hz、100Hz、125Hz、160Hz、200Hz、250Hz、315Hz、400Hz、500Hz、630Hz、800Hz、1000Hz、1250Hz

46、、1600Hz、2000Hz、2500Hz、3150Hz、4000Hz、5000Hz、6300Hz、8000Hz、10000Hz、12500Hz、16000Hz、20000Hz的带通滤波器。的带通滤波器。该仪器采用三位该仪器采用三位LED数码管显示滤波器的中心频率，滤波器的选通按键为轻触数码管显示滤波器的中心频率，滤波器的选通按键为轻触型开关，并有指示灯显示选中的滤波器，整机外形尺寸为型开关，并有指示灯显示选中的滤波器，整机外形尺寸为420 x99x100(mm)。DM57311A型三分之一倍频程带通滤波器是型三分之一倍频程带通滤波器是DM5731型的经济型版，其性能指标型的经济型版，其性能指标要求和外形尺寸与要求和外形尺寸与DM5731型完全相同，不同的是型完全相同，不同的是5731A型滤波器选通开关采用型滤波器选通开关采用的是按键开关，并简化了仪器内部的逻辑控制电路，以适合不同的用户需求。的是按键开关，并简化了仪器内部的逻辑控制电路，以适合不同的用户需求。恒带宽比滤波器的滤波性能在低频恒带宽比滤波器的滤波性能在低频段较好，但在高频段由于其带宽增段较好，但在高频段由于其带宽增大而变坏，使频率分辨力下降。大而变坏，使频率分辨力下降。因此，为使滤波器在所有频率段均因此，为使滤波器在所有频率段均具有良好的频率分辨