Measurement信号调理pych5english课件

单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

1Chapter5Modulation,ProcessandRecordofsignal第五章信号调理、处理和记录§5-1BridgeCircuit§5-1电桥

§5-2Modulationanddemodulation §5-2

调制与解调

§5-3Filter

§5-3滤波器

§5-4IndicationandRecordEquipmentsofSignal§5-4信号的指示和记录装置Return

返回单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

2§5-1Bridgecircuit

电桥Itisameasurementcircuitwhichconvertsvariationsofresistance,inductance,capacitance,andsoonintovariationofvoltageorelectricityasoutput.将电阻、电感、电容等参量的变化变为电压或电流输出的一种测量电路。Itisclassifiedintobridgecircuitofdirectcurrentandbridgecircuitofalternatingcurrentaccordingtocharactersofdrivingvoltage.Itisalsoclassifiedintobridgecircuitofimbalanceandbridgecircuitofbalance.按照激励电压的性质，分为直流电桥和交流电桥；按照输出方式，分为不平衡桥式电路和平衡桥式电路。Bridgecircuit电桥:Classification:分类:单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

31、bridgecircuitofdirectcurrent直流电桥Bridgecirciut电桥(2/23)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

5Diagramofconnectionwaysofbridgecircuitofdirectcurrent直流电桥的联接方式图

a)half-bridgesinglearm半桥单臂

b)half-bridgedoublearms

半桥双臂

c)fullbridge

全桥

Atbeginning,bridgecircuitisatbalancestate.whenresistanceofeacharmproducededasmallchange,bridgecircuitlosesitsbalance.itsoutputis:如电桥开始处于平衡状态,当各桥臂电阻发生微小变化时电桥失去平衡,其输出为:(3)Sensitivityofbridgecircuit电桥的灵敏度Bridgecirciut电桥(4/23)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

6Generally,R<<R.Besidesbridgecircuitisatbalancestateatbeginning.Thatis:

一般R很小,即R<<R,又电桥开始时平衡,即So:所以Bridgecirciut电桥(5/23)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

7Inactualuse,resistanceofeacharmofbridgecircuitisadoptedthesameinordertosimplifydesignofbridgecircuitandobtainthelargestsensitivityofbridgecircuit.实际使用中，为了简化桥路设计，同时也为了得到电桥的最大灵敏度，往往取桥臂电阻相等，即

Halfbridgesinglearm:半桥单臂接法:

Halfbridgedoublearms:半桥双臂接法:

Fullbridge:全桥接法:Bridgecirciut电桥(6/23)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

9(4)Sum-differencecharacteristicofbridgecircuit电桥的和差特性iouRRRRRRRRRRRRu)()(4433221122121D-D+D-D+=Forbridgeinwhichresistanceofeacharmisequal.对全等臂桥:Sou0canbesimplifiedas:所以:u0可以简化为:Bridgecirciut电桥(8/23)cdbR3±∆R3aR1±∆R1uouiI1I2▽±R4R4▽±R2R2单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

10Whenthereareresistanceincrementsintwooppositearms,outputofbridgecircuitreflectstheresultofsumofthetworesistanceincrementinthetwooppositearms.电桥相对桥臂有电阻增量时,电桥输出反映两桥臂电阻增量相加的结果;Whenthereareresistanceincrementsintwoconsecutivearms,outputofbridgecircuitreflectstheresultofdifferenceofthetworesistanceincrementinthetwoconsecutivearms.电桥相邻桥臂有电阻增量时,电桥输出反映两桥臂电阻增量相减的结果Bridgecirciut电桥(9/23)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

11Example:例:Asshowinfollowingfigure.Acantilever['kæntili:və]beamsuffersaforceF.PleaseconsiderinfluenceoftemperatureandfindF.Drawadiagramtoshowthefixedpositionsofstraingaugesandconnectionwayofbridgecircuit.如图所示悬臂梁受力F作用,要求出F,并且要考虑温度的影响.试画出应变片的粘贴位置与电桥的连接方式图。Bridgecirciut电桥(10/23)F单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

13Key:forceFmakescantileverbeamproducebendingdeformationonly,temperaturemakesthecantileverbeamproducetensile拉伸['tensail]

deformation.解:力F使悬臂梁产生纯弯曲变形;温度使梁产生拉伸变形Bridgecirciut电桥(12/23)FUndertheroleofforceF:

R1→R1+ΔR1;R2→R2-ΔR2;And:|ΔR1|=|ΔR2|;Undertheroleoftemperature:

R1→R1+ΔR’1;

R2→R2+ΔR2’;|ΔR’1|=|ΔR2’|;单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

14Accordingtosum-differencecharacteristicofbridgecircuit

根据电桥和差特性:Bridgecirciut电桥(13/23)R1R3R2R4eyexFR1R2R1单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

15Ifsensitivityisnotlargeenough,howtosolvetheproblem?

如果上述测试灵敏度不够,怎么办?Choose4straingaugesinstead.Fullbridge.改成4片,全桥.Bridgecirciut电桥(14/23)R1R3R2R4eyexFR1,3R2,4R1R3单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

17HowtofindmagnitudeofFfromvariationofresistancemeasured?

测出的是电阻变化,怎么得到想求的力F?strain应变Sensitivityofstraingauge应变片灵敏度Accordingtooperationprincipleofresistancestraingauges:根据电阻应变片的工作原理:Alsoknownfrommechanicsofmaterials:又根据材料力学:Bridgecirciut电桥(16/23)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

18ForceFcanbefindfromformulasabove.

力F为:Bridgecirciut电桥(17/23)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

192.Bridgecircuitofalternatingcurrent交流电桥

Atsituationthatinputvoltageandresistancearealreadlyknown,bridgecircuitcanmeasurevariationofresistancebyvariationofoutputvoltage.Wheninputelectricalsourceisalternatingcurrent,equationaboveisstilltenable.在已知输入电压及电阻的情况下，电桥可以通过输出电压的变化测出电阻的变化值。当输入电源为交流电源时，上述等式仍旧成立。Whencapacitanceandinductancearewrittenasvectorforms,equationofbalanceconditionofbridgecircuitcanberewrittenas:把电容、电感写成矢量形式时，电桥平衡条件式可改写为：Writtenascomplexexponentialform:写成复指数形式

Balanceconditionsofbridgecircuit电桥平衡条件为(1)Balanceconditionsofbridgecircuit电桥平衡条件Bridgecirciut电桥(18/23)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

21Diagramofbridgecircuitofalternatingcurrent交流电桥图1)balanceconditionsofbridgecircuitofcapacitance电容电桥的平衡条件

Bridgecirciut电桥(20/23)cdbR3aR1uouiI1I2R4R2C1C2bridgecircuitofcapacitance电容电桥

cdbR3aR1uouiI1I2R4R2L1L2b)bridgecircuitofinductance电感电桥

Realpartsandimaginarypartsareequalrespectively.由实部虚部分别相等得到。单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

222)Balanceconditionsofbridgecircuitofinductance电感电桥的平衡条件

Bridgecirciut电桥(21/23)cdbR3aR1uouiI1I2R4R2L1L2b)bridgecircuitofinductance电感电桥

单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

233)bridgecircuitofalternatingcurrentwithresistanceandcapacitancebalances.具有电阻、电容平衡的交流电桥

Adjustresistancebalance调电阻平衡Adjustcapacitancebalance调电容平衡Bridgecirciut电桥(22/23)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

25§5.2modulationanddemodulation调制与解调

Electricalsignalsoutputfromtransducersaregenerallylowfrequencycomponents(fromdirectcurrenttotensKHz).Whensignalsundertestareweak,inordertorealizesignalstransmissionespeciallyforlongdistance,directcurrentamplificationormodulationanddemodulationmaybeadopted.传感器输出的电信号一般为较低频率分量（在直流至几十千赫兹之间），当被测信号比较弱时，为了实现信号的传输尤其是远距离传输，可以采用直流放大或调制与解调。Signalssuffereasilydisturbancesfrompowerfrequencyandothersignalswhilebeingtransmitted.Ifdirectcurrentamplificationisused,effectivemeasurestorestrain抑制influencesofdisturbancesignalsmustbeadopted.信号传输过程中容易受到工频及其他信号的干扰，若采用直流放大则在传输过程中必须采用有效措施抑制干扰信号的影响。Actually,signalsareprocessedfromlowfrequencydomaintohighonebymodulationfirstlyandalternatingcurrentamplificationsecondly.Itcanalsoimproveanti-interference抗干扰abilityofcircuitandsignaltonoiseratioofsignals.实际中往往采用更有效的先调制而后交流放大，将信号从低频区推移到高频区，也可以提高电路的抗干扰能力和信号的信噪比。单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

26Modulationmeansaprocessthatsomeparametersofasignalarechangedundercontrolofothersignal.Aheadsignaliscalledcarrier,behindsignaliscalledmodulatingsignal.调制就是使一个信号的某些参数在另一个信号的控制下而发生变化的过程。前一信号称为载波，后一信号（控制信号）称为调制信号。Correspondingthreefactorsofsignal:magnitude,frequencyandphase.Modulationisclassifiedintomagnitudemodulation,frequencymodulationandphasemodulationaccordingtoprocessthatparameters(magnitude,frequency,phase)ofcarrierarechangedwithmodulatingsignal.Signalmodulatediscalledmagnitudemodulationwave,frequencymodulationwaveorphasemodulationwave.对应于信号的三要素：幅值、频率和相位，根据载波的幅值、频率和相位随调制信号而变化的过程，调制可以分为调幅、调频和调相。其波形分别称为调幅波、调频波和调相波。modulationanddemodulation

调制与解调

(2/26)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

27CarriermodulatingsignalMMwaveFMwave载波、调制信号及调幅、调频波图a)Carrier

载波信号

b)modulatingsignal调制信号

c)MMwave调幅波形

d)

FMwave调频波形modulationanddemodulation

调制与解调(3/26)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

29So:则Besides:而modulationanddemodulation

调制与解调(5/26)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

30Processofmagnitudemodulationissimilartothatoffrequencyspectrummoved.调幅过程相当于“频谱”搬移过程。Purposeofmagnitudemodulationistomakeamplificationandtransmissionofslowlychangingsignalseasily.调幅的目的是为了便于缓变信号的放大和传送.Forexample,intelephonecableandtelevisioncable,becausedifferentsignalsismodulatedtodifferentfrequencydomain,multichannelsignalscanbetransmittedinaconductingwire.如在电话电缆、有线电视电缆中，由于不同的信号被调制到不同的频段，因此，在一根导线中可以传输多路信号。Inordertoreducedistortionscausedbyamplificationcircuit,thesmallersignalbandcomparedtocentralfrequency(carrierfrequency)is,thebetter.Actually,carrierfrequencyoftenisseveraleventenstimesthatofmodulatingsignal.为了减小放大电路可能引起的失真，信号的频宽相对于中心频率（载波频率）应越小越好，实际载波频率常至少数倍甚至数十倍于调制信号频率。modulationanddemodulation

调制与解调(6/26)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

31(2)Demodulationofmagnitudemodulationsignal幅值调制信号的解调

synchronizationdemodulation同步解调

Purposeofdemodulationistorestoremodulatedsignal.解调的目的是为了恢复被调制的信号。Magnitudemodulationwave调幅波.Carrier载波.MMWandcarriermultiplyintimedomainandconvoluteinfrequencydomain.调幅波与载波时域乘积,频域卷积.modulationanddemodulation

调制与解调(7/26)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

32Attimedomain:从时域看：

2)Rectificationdetectingdemodulation整流检波解调

Offsetmodulatedsignalabovezero.Rectifymagnitudemodulationwave(half-waveorfull-waverectification),filterwaveandeliminatedirectcurrentoffset.Originalsignalisrestored.对已调制信号进行偏置，使其大于零。将该调幅波进行整流（半波或全波）、滤波并消除直流偏置即可恢复原信号。modulationanddemodulation

调制与解调(8/26)整流检波解调a)b)c)d)e)f)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

33modulationanddemodulation

调制与解调(9/26)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

343)Phasesensitivedetectingdemodulation相敏检波解调

Phasesensitivedetectingisalsocalledphasesensitiverectification整流.Itscharacteristicsisthatoutputofphasesensitivedetectingdemodulationreflectsvoltagepolarity

[pəu'læriti]ofmodulatingsignalaswellasvoltagemagnitudeofmodulatingsignal.相敏检波又称相敏整流。其特点是相敏检波的解调输出既能反映调制信号电压的幅值，又能反映调制信号电压的极性。

modulationanddemodulation

调制与解调(10/26)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

35modulationanddemodulation

调制与解调(11/26)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

36SecondaryvoltageoftransformerBisrequiredlargerthanthatoftransformerAindesigningaphasesensitivedetector.相敏检波器设计时要求B的二次边的输出大于A的二次边输出。回路i1起点回路i2起点++Voltage:fromminustopositiveisminus.Load:Fromuppertolowerispositive.电压:从负正,为(-)负;负载从上下为(+)正modulationanddemodulation

调制与解调(12/26)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

37Knownfromtwofiguresabove,nomatterwhetherornotmodulatedsignalispositive,outputwaveofphasesensitivedetectorispositive.Theoutputhasthesamepolaritywiththatofmodulatingsignal.Thecircuitissimilartofull-waverectificationofxm(t)atrange0~a.Frequencyafterdemodulationistwiceasthatoforiginalmodulatingsignal.由上两图知，x(t)>0时，无论调制波是否为正，相敏检波器的输出波形均为正，即保持与调制信号极性相同。这种电路相当于在0~a段对xm(t)全波整流，解调后的频率比原调制波高一倍。modulationanddemodulation

调制与解调(13/26)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

38modulationanddemodulation

调制与解调(14/26)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

39Knownfromtwofiguresabove,whenx(t)<0,nomatterwhatpolaritymodulatedsignalis,outputwaveofphasesensitivedetectorkeptthesamewithx(t)isminus.Meanwhile,circuitissimilartoreversingxm(t)’sphaseafterfull-waverectification.Frequencyafterdemodulationistwiceofthatoforiginalmodulatingsingal.由上两图知，x(t)<0时，不管已调制波极性如何，相敏检波器的输出波形均为负，保持与x(t)一致。同时，电路在a~b段相当于对xm(t)全波整流后反相，解调后的频率为原调制波的二倍。modulationanddemodulation

调制与解调(15/26)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

404)applicationofmagnitudemodulation-dynamicresistancestraininstrument调幅应用——动态电阻应变仪

modulationanddemodulation

调制与解调(16/26)Bridge电桥Amplifier放大器DetectingLowpassfilter低通滤波Recorder显示记录Carrieroscillator载波振荡器x(t)X(t)0t0ty(t)Blockdiagramofdynamicresistancestraininstrument动态电阻应变仪方框图Straingauge电阻应变片0tX’m(t)0tX’(t)0tXm(t)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

412、Frequencymodulationanditsdemodulation调频及其解调

(1)

Principle原理

Frequencymodulationmeansaprocessthatcarrierfrequencyiscontroledbymodulatingsignal.Frequencymodulationwaveisapersistentwave.Variationoffrequencyisdirectlyproportionaltomagnitudeofmodulatingsignal.利用调制信号的幅值控制载波信号频率的过程。调频波是等幅波，但频率的变化量与调制信号幅值成正比。

Instantaneousfrequencyoffrequencymodulationwaveisgivenbyfollowingequation:调频波的瞬时频率可表示为：f=f0+f=f0+Kx(t)Where,f0:carrierfrequency,alsocalledcentralfrequency.f0为载波频率，也称中心频率。f:frequencyoffset,directlyproportionaltomagnitudeofmodulatingx(t).f:为频率偏移，与调制信号x(t)幅值成正比。

modulationanddemodulation

调制与解调(17/26)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

42Diagramofrelationshipbetweenfrequencymodulationwaveandmagnitudeofmodulatingsignal调频波与调制信号幅值的关系图

modulationanddemodulation

调制与解调(18/26)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

43Modulatingsignal:设调制信号

Carriersignal:载波信号为

Whenmodulatingfrequency,carriermagnitudeandinitialphaseareinvariable.Instantaneousfrequencyf(t)isvariedlinearlyaroundf0whenmodulatingsignalchanges.调频时载波的幅度和初始相位角不变，瞬时频率f(t)围绕着f0随调制信号电压作线性的变化：Knownfromequationabove,frequencyoffsetisdirectlyproportionaltomagnitudeofmodulatingsignalandisnotrelatedtofrequencyofmodulatingsignal.Thisisoneofbasiccharactersoffrequencymodulationwave.由上式可见，频率偏移与调制信号的幅值成正比，与调制信号的频率无关，这是调频波的基本特征之一。

modulationanddemodulation

调制与解调(19/26)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

44Therearemanymethodstorealizemodulationanddemodulation.Inmeasurementsystem,reactanceelementsarecomposedastuningoscillator.Reactanceelementsareusedastransducers’parameterstosensevariationofquantityundertestandbecomemodulatingsignal.Oscillatingsignalofoscillatorisusedascarrier.Whenmodulatingsignalisinput,oscillatoroutputisfrequencymodulationwavemodulated.Ifresonancecircuitofoscillatoriscomposedbycapacitanceandinductancewhichareinparellelconnection.Resonancefrequencyofcircuitisasfollow:实现信号的调频和解调的方法甚多。在测量系统中，常利用电抗元件组成调谐振荡器，以电抗元件（电感或电容）作为传感器参量，以它感受被测量的变化，作为调制信号输入，振荡器原有的信号振荡信号作为载波。当有调制信号输入时，振荡器输出的即为被调制了的调频波。当电容C和电感L并联组成振荡器的谐振回路时，电路的谐振频率将为：

modulationanddemodulation

调制与解调(20/26)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

45Withoutsignalinput,x(t)=0,resonancefrequencyofcircuitisgivenby:无信号输入时,x(t)=0,谐振电路的谐振频率为:Withsignalinput,x(t)≠0,resonancefrequencyofcircuitisgivenby:有信号输入时,x(t)≠0,谐振电路的谐振频率为:modulationanddemodulation

调制与解调(21/26)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

46Tocalculatedifferentialofaboveequation,absolutevariationofresonancefrequencycanbefoundasfollowing:对上式求微分得谐振频率的绝对变换量:Nearcarrierfrequencyf0thereisC1=C0,So:在载波频率f0附近有C1=C0,所以modulationanddemodulation

调制与解调(22/26)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

47Expressionofresonancefrequencyisasfollow:谐振频率的表达式为DenoteitbyKf用Kf表示modulationanddemodulation

调制与解调(23/26)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

48Withoutinputsignal,outputvoltageofresonancecircuitis:无信号时,谐振电路的输出电压:Withinputsignal,outputvoltageofresonancecircuitis:有信号时,谐振电路的输出电压:Frequencyismodulatedbyx(t).频率受x(t)的调制modulationanddemodulation

调制与解调(24/26)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

49(2)Demodulationoffrequencymodulationwave调频波的解调Frequencymodulationwavereflectsmagnitudevariationofsignalundertestbyfrequencyvariationofsinewave.调频波是以正弦波频率的变化来反映被测信号的幅值变化。Demodulationoffrequencymodulationwave:Firstlyconvertfrequencymodulationwaveintofrequencymodulationsandmagnitudemodulationwave.Secondlyprocessmagnitudedetecting.调频波的解调是先将调频波变换成调频调幅波，然后进行幅值检波。Demodulationoffrequencymodulationwaveisfinishedbyfrequencydetector.Frequencydetectorisusuallycomposedoflineartransformcircuitandmagnitudedetectingcircuitshownasfollowingfigure.调频波的解调由鉴频器完成。鉴频器通常由线性变换电路与幅值检波电路组成，如图所示。modulationanddemodulation

调制与解调(25/26)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

50a)frequencydetector鉴频器

frequency-voltagecharacteristiccurve频率-电压特性曲线modulationanddemodulation

调制与解调(26/26)ufC1L1L2C2CRu0ua频率电压线性变换部分幅值检波ua0ω

nωωω0t∆ωtua0uat0单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

51§

5.3Filter滤波器

Filterisafrequencyselectinginstrument.Itonlypermitssignalswithcertainbandpassmeanwhileattenuatesextremelyotherfrequencycomponents.滤波器是一种选频装置，它只允许一定频带范围的信号通过，同时极大地衰减其它频率成分。Selectingfunctionoffilterplaysrolesofeliminatingnoiseanddisturbancesignalsinmeasurementtechnology.Itisappliedwidelyinautomatictest,automaticcontrol,signalprocessingandsoon.滤波器的这种筛选功能在测试技术中可以起到消除噪声、干扰信号等作用，在自动检测、自动控制、信号处理等领域得到广泛的应用。单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

521、Classificationoffilter滤波器的分类Lowpassfilter:passband0~f2.低通滤波器：通频带0~f2。Highpassfilter:passbandf1~.高通滤波器：通频带f1~Bandpassfilter:passbandf1~f2.带通滤波器：通频带f1~f2Bandstopfilter:passband0~f3andf4~.带阻滤波器：通频带0~f3与f4~（stopband:阻带：f3~f4）(1)

classifiedaccordingtoselectingcharactersoffilter根据滤波器的选频特性分类Itexiststransitionbandbetweenpassbandandstopband.Signalsinthetransitionbandareattenuatedinvariousdegree.通（频）带与阻带之间存在过渡带.在此频带内信号受到不同程度的衰减Magnitudecharacteristicofhighpassfilter=1-Magnitudecharacteristicoflowpassfilter高通滤波器幅频特性=1-低通滤波器幅频特性Bandstopfilteriscomposedofhighpassfilterandlowpassfilter带阻滤波器是高通和低通的组合Filter滤波器(2/23)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

53(2)Classifiedbyelementstypeoffilter根据滤波器的元件类型分类RC、LC、crystalresonanceandswitchingcapacityfilter.RC、LC、晶体谐振及开关电容滤波器。(3)Classifiedbycircuitcharacteroffilter根据滤波器的电路性质分类Activefilter,passivefilter有源、无源滤波器。(4)Classifiedbysignalcharacteroffilter根据滤波器的信号性质分类Analogfilter,digitalfilter模拟、数字滤波器。Filter滤波器(3/23)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

542.Idealfilter理想滤波器

(1)Modelofidealfilteranditspulseresponse理想滤波器模型及脉冲响应

Filterwhichhasnotransitionbandandsatisfiestestingconditionswithoutdistortionsinpassbandiscalledidealfilter.Frequencyresponsefunctionofidealfilterisasfollow:无过渡带且在通频带内满足不失真测试条件的滤波器称为理想滤波器。理想滤波器的频率响应函数为：Pulseresponsefunctionissincfunction.Ifnophaselag(t0=0)理想滤波器的脉冲响应函数为sinc函数，若无相角滞后（t0=0）：Filter滤波器(4/23)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

55Anyexistingsystemdoesn’thavetheabilityofpredictingfuture.任何现实系统都不可能具有这种预知未来的能力Beforeinput(t)coming,filterhasunexpectedlyoutputcorrepondingtotheinput.在输入(t)到来以前,滤波器竟有与输入相对应的输出Ideallowpassfilterdoesnotexist.理想低通滤波器是不存在的.Idealhighpass,bandpass,bandstopfilterdonotexist.理想高通、带通、带阻滤波器也是不存在的Filter滤波器(5/23)ffc0-fcф(f)2πt0A00ffc-fc|H(f)|

frequencycharacteristicofideallowpassfilter理想低通滤波器频率特性t01/2fc1/fc-1/2fc-1/fc2A0fch(t)tt00h(t)b)pulseresponsefunctionofideallowpassfilter理想低通滤波器脉冲响应函数单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

56(2)stepresponseofidealfilter理想滤波器的阶跃响应1)unitstepinput单位阶跃输入

2)stepresponseoffilter滤波器的阶跃响应：

Filter滤波器(6/23)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

57Itisthetimetakenforoutputupbuildingfrom0(pointa)toduestablevalueA0(pointb)withoutconsideringripplesinfrontandbehind.若不考虑前、后皱波，输出从0(a点)到应有的稳定值A0(b点)之间的所需建立时间为：Uppercutofffrequency上截止频率3)Figureofstepresponsewave阶跃响应波形图

4)Responsetime

响应时间Filter滤波器(7/23)Unitstepresponseofideallowpassfilter理想低通滤波器对单位阶跃输入的响应0ttbtaay(t)A00.5A0bnophaselag,timeshiftt0=0无相角滞后,时移t0=00ty(t)tbt0taaA00.5A0bb)withphaselag,timeshiftt0≠0.有相角滞后,时移t0≠0单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

58Oritisthetimetakenforoutputupbuildingfrom0.1~0.9ofitssteadyresponsevalue.Then:如果按稳态响应值的0.1~0.9作为计算建立时间的标准，则：

Thewiderfilterpassbandis,theshorterupbuildingtimewillbe,thefasterresponsespeedwillbe.Itsphysicalmeaningis:滤波器通频带越宽（fc越高），建立时间越短，响应速度越快。其物理意义是：Suddenchangepointofinput(interrupttedpoint)mustincludesabundanthighfrequencycomponents.输入信号突变处（间断点）必然含有丰富的高频分量。Lowpassfilterblocksandattenuateshighfrequencycomponents.Soitmakesoutputwavesmooth.低通滤波器阻衰了高频分量，结果将输出波形“圆滑”。Thewiderbandis,thelesshighfrequencycomponentswillbeblockedandattenuated,themoreandrapidelyitwillmakesignalspass.Soupbuildingtimeisshort.Whereasupbuildingtimeislong.通带越宽，阻衰的高频分量越少，使信号能更多更快地通过，故建立时间短，反之建立时间长。Filter滤波器(8/23)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

59UpbuildingtimeoflowpassfiltertowardstepresponseTeisinverselyproportionaltobandB.Thatis:低通滤波器对阶跃响应的建立时间Te与带宽B成反比，即： BTe=constant常数Thatconclusionisalltrueforhighpass,bandpassandbandstopfilters.该结论对高通、带通及带阻滤波器均成立。Bandoffilterexpressesitsfrequencyresolution.Themorenarrowbandis,thehigherresolutionwillbe.Obviously,highresolutionandresponsespeedareconflicting.Ifdrawingaverynarrowbandfrequencycomponentbyfiltering(suchasspectrumanalysis),enoughtimemustbetaken.滤波器带宽表示其频率分辨力，通带越窄，分辨力越高，显然，高分辨力与响应速度是互相矛盾的。如果要用滤波的方法从信号中提取某一很窄的频率成分（如作谱分析），必须有足够的时间。5)Relationshipbetweenhighresolutionandresponsespeed高分辨力与响应速度的关系:Filter滤波器(9/23)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

603、Actualfilter实际滤波器

Basicparametersofactualfilter实际滤波器的基本参数

Magnitudecharacteristicdiagramofidealbandpassfilter(dashed)andactualbandpassfilter(realline)理想带通滤波器（虚线）与实际带通滤波器（实线）的幅频特性图Ripplemagnituded纹波幅度dCutofffrequencyfc:截止频率fc:thefrequencyfcisthatitscorrespondingmadnitudecharacteristicequalsA0/√2幅频特性等于A0/√2所对应的频率Filter滤波器(10/23)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

61Frequencyrangebetweenupperandlowercutofffrequencyiscalledbandwidthoffilteror-3dBbandwidth.BandwidthBdecidesfrequencyresolution.Theratioofcentralfrequencyf0(f0=√fc1fc2.geometricalaverageoffc1fc2)tobandwidthBiscalledqualityfactoroffilter.iff0isdefined,thelargerqualityfactoris,thehigherresolutionoffilterwillbe.

上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽或-3dB带宽。带宽B决定频率分辨力。将中心频率f0（f0=√fc1fc2，几何平均）与带宽B之比称为滤波器的品质因素。f0确定，品质因素Q越大，滤波器分辨力越高。Or或

Itmeansattenuationquantityofmagnitudecharacteristicbetweenuppercutofffrequencyfc2anddoublefc2orbetweenlowercutofffrequencyfc1andhalfoffc1.Itistheattenuationquantitywhichcorrespondingvariationoffrequencyisaoctave.指在上截止频率fc2与2fc2之间，或者在下截止频率fc1与fc1/2之间幅频特性的衰减量，即频率变化一个倍频程的衰减量。BandwidthBandqualityfactorQ带宽B和品质因素QOctaveselectivityW

倍频程选择性WFilter滤波器(11/23)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

62OctaveselectivityisdenotedbydB/dec.Sometimestenfoldoctaveselectivityisalsoadopted.Octaveselectivityindicatesslopedegreeofmagnitudecharacteristiccurveintransitionbandoffilter.Itdecidesattenuatingabilityoffiltertofrequencycomponentsoutsidebandwidth.Obviously,thelargerWis,thebetterselectivityoffilterwillbe.倍频程选择性用dB/oct表示。有时也采用10倍频程选择性dB/dec。倍频程选择性表明滤波器过渡带内幅频曲线的倾斜程度，它决定了滤波器对带宽外频率成分衰减的能力。显然W越大，滤波器选择性越好。Foridealfilter,=1,usually=1~5.Stopbandattenuationofsomefilterscouldn’treach-60dBbecausebeinginfluencedbydevices(forexample,capacitanceleaksresistance),ratioofbandwidthcorrepondingto-40dBor-30dBtothatof-3dBofmagnitudecharacteristicoffiltercanbeusedtoshowit.理想滤波器=1，通常=1~5。有些滤波器因器件影响（如电容漏阻），阻带衰减达不到-60dB，可用-40dB或-30dB带宽与-3dB带宽的比值表示。Filterfactor(rectanglecoefficient)

滤波器因数（矩形系数）Itisaanotherwaytodenoteselectivityoffilter.Ratioofbandwidthcorrepondingto-60dBtothatof-3dBofmagnitudecharacteristicoffilterisusedtoshowit.滤波器选择性的另一种表示法。用滤波器幅频特性的-60dB带宽与-3dB带宽的比值表示。Filter滤波器(12/23)单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

63(2)basicparametersofRCtuningfilterRC调谐式滤波器的基本参数

1)

lowpassfilteroffirstorderRCcircuit一阶RC低通滤波器

Itisapproxiamatelyundistortedtransmissionatlowfrequencydomain.Itisapproxiamatelyaintegraphathighfrequencydomain.Attenuationratioathighfrequencydomainis-20dB/dec（-6dB/oct).低频段近于不失真传输。高频段近于积分器。高频衰减率-20dB/dec（-6dB/oct）Filter滤波器(13/23)CRuyuxf1/2πτ1A(f)0f-450-9000φ(f)1/2πτRClowpassfilter

RC低通滤波器单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版标题样式单击此处编辑母版文本样式第二级第三级第四级第五级

642)highpassfilteroffirstorderRCcircuit

一阶RC高通滤波器