《传感器与检测技术（第3版）》课件 第17章 调理电路系统设计

第17章调理电路系统设计17.1电源设计117.2传感器类型简介17.3传感器误差分析32417.4放大电路误差分析517.5前置放大器的低噪声技术第17章调理电路系统设计17.6前置放大器的设计、制作及评价617.7滤波器设计17.8滤波器的特性与种类87917.9滤波器频率响应与时间响应特性1017.10SAR型ADC驱动17.1电源设计

一款抗干扰、低噪声、低纹波、高效率的电源是系统稳定工作的基础，电源为包括放大器在内的全部芯片提供所需能量。图17-1是电源为系统提供能量示意图。17.1电源设计图17-1电源为系统提供能量示意图◆线性电源参数分析：线性电源是放大器等模拟芯片的首选供电方式，优势是自身噪声低，同时对外界噪声具有一定抑制能力。在选取线性电源时需注意以下几个参数：1）输入电压范围：线性电源输入的最大值与最小值；2）压差：指定负载电流条件下，输出电压不变时，最小输入电压与输出电压的电压差；3）电源抑制比：抑制电源输入端噪声，使其不影响输出电源的能力，见式17-1；

17.1电源设计4）静态电流：外部空载时线性电源内部工作所需的电流；5）输出电压噪声：在指定输出负载条件和指定范围（0.01~100kHz或0.1~100kHz)，当没有输入纹波时，电压噪声的RMS值。上述参数中，电源抑制比对放大器信号的影响最为直接。17.1电源设计◆开关电源设计方法：为计一款好的开关电源需要考虑的因素众多，不仅是输入电压范围、输出电压、输出电流，还有输出纹波、反馈环路的稳定性、电源效率、EMI等。

图17-2（a）所示为8823345B2开关电源磁抵消技术专利。使用右手定则判定，两个翻击路径产生的磁场方向相反，在空间中将形成一个闭合电磁场，由此减少能量向外界辐射。电路示意图如图17-2（b）所示，在PCB布板中将电容36、34对称分布与走线就能行实现低辐射。17.1电源设计17.1电源设计图17-2开关电源磁抵消技术专利和电路示意图17.2传感器类型简介

17.2传感器类型简介图17-3分压型电阻传感器电路

17.2传感器类型简介

图17-4电流源激励的电阻传感器17.2传感器类型简介

17.2传感器类型简介

图17-5惠斯通电桥电路17.2传感器类型简介

2：常见光电类传感器包括光敏电阻、光电二极管、光电倍增管、光电池传感器。光敏电阻类似于热敏电阻，应用可参照图17-3。

光电二极管、光电倍增管、光电池传感器以电流为输出，应用电路参照图17-6光电二极管传感（跨阻放大）电路，区别在于光电二极管需要反向偏压，通常小于10V；光电倍增管的反向偏压较高，通常在50V甚至数百伏；光电池不需要偏置电压。图17-6光电二极管传感电路图12-1为GettingStarted窗口1．测量与测量方法◆测量是人们借助专门的技术和设备，通过实验的方法，把被测量与作为单位的标准量进行比较，以确定被测量是标准量的多少倍数的过程。

常用的测量方法有：电测法、非电测法、直接测量，间接测量、静态测量、动态测量、接触式测量、非接触式测量、模拟式测量、数字式测量等。17.3传感器误差分析图12-1为GettingStarted窗口

17.3传感器误差分析*绝对误差是一个有符号、大小、量纲的物理量，它只表示测量值与真值之间的偏离程度和方向，而不能说明测量质量的好坏。图12-1为GettingStarted窗口

17.3传感器误差分析图12-1为GettingStarted窗口

17.3传感器误差分析图12-1为GettingStarted窗口3：测量误差的分类及来源按误差表现的规律划分为系统误差、随机误差、粗大误差和缓变误差。（1）系统误差：对同一被测量进行多次重复测量时，若误差固定不变或者按照一定规律变化，这种误差称为系统误差。按照所表现出来的规律，通常把系统误差划分为四类。①固定不变的系统误差：指在重复测量中，数值大小和符号均不变的系统误差。②线性变化的系统误差：是指随着测量次数或时间的增加，数值按照一定比例而不断增加（或减少）的系统误差。17.3传感器误差分析图12-1为GettingStarted窗口③周期性变化的系统误差：是指数值和符号循环交替、重复变化的系统误差。④复杂规律变化的系统误差：是指既不随时间做线性变化，也不做周期性变化，而是按照复杂规律变化的系统误差。线性、周期性或复杂规律变化的系统误差统称为变值系统误差。

17.3传感器误差分析图12-1为GettingStarted窗口系统误差的发现：①实验比对法用仪器对同一被测量进行测量，通过分析测量结果的差异来判断系统误差是否存在。②残余误差观察法将一个测量列的残余误差（测量值与测量值平均值之差）与次数在坐标中依次连接后，通过观察误差曲线即可以判断有无系统误差的存在。③准则判别法。有许多准则可以方便地判断出系统误差的存在，如马利科夫准则可以判断测量列中是否存在线性变化系统误差；阿贝—赫梅特准则可以判断测量列中是否存在周期性变化系统误差等。17.3传感器误差分析图12-1为GettingStarted窗口系统误差的减小和消除方法：①替代法在测量条件不变的基础上，用标准量替代被测量，实现相同的测量效果，从而用标准量确定被测量。此法能有效地消除检测装置的系统误差。②零位式测量法测量时将被测量x与其已知的标准量A进行比较，调节标准量使两者的效应相抵消，系统达到平衡时，被测量等于标准量。③补偿法在传感器的结构设计中，常选用在同一干扰变量作用下所产生的误差数值相等而符号相反的零部件或元器件作为补偿元件。例如热电偶冷端温度补偿器的铜电阻。17.3传感器误差分析图12-1为GettingStarted窗口④修正法仪表的修正值已知时，将测量结果的指示值加上修正值，就可以得到被测量的实际值。此法可削弱测量中的系统误差。⑤对称观测法（交叉读数法）许多复杂变化的系统误差，在短时间内可近似看做线性系统误差。在测量过程中，合理设计测量步骤以获取对称的数据，配以相应的数据处理程序，从而得到与该影响无关的测量结果。这是消除线性系统误差的有效方法。⑥半周期偶数观测法周期性系统误差的特点是每隔半个周期所产生的误差大小相等、符号相反。17.3传感器误差分析图12-1为GettingStarted窗口（2）随机误差：

对同一被测量进行多次重复测量时，若误差的大小随机变化、不可预知，这种误差称为随机误差。

随机误差就单次测量而言是无规律的，其大小、方向均不可预知，既不能用实验的方法消除，也不能修正，但当测量次数无限增加时，该测量列中的各个测量误差出现的概率密度分布服从正态分布，随机误差的正态分布曲线如图17-7所示。17.3传感器误差分析图12-1为GettingStarted窗口17.3传感器误差分析图17-7随机误差的正态分布曲线图12-1为GettingStarted窗口17.4放大电路误差分析

误差包括两个概念，精度与精密。精度（Accuracy）是系统特性与绝对真实数值之间的差距。精密（Precision）是以数字形式表示的数值分布。以射击比赛为例，选手中靶位置与靶心的偏差可以理解为精度，所有中靶位置之间的分布距离表示为精密。本节将讨论的内容属于精度范畴。图12-1为GettingStarted窗口17.4放大电路误差分析

1．单级放大电路总输出误差：如图17-8所示，以同相放大电路为例，导致总输出误差的项目折算到输入端为式17-11。图17-8同相放大电路总输出误差分析电路

图12-1为GettingStarted窗口17.4放大电路误差分析

2．多级放大电路直流误差分析：首先查验电路架构，对直流噪声的影响最大因素是失调电压。

AD8221ARZ在25℃环境中，供电电源时，输入失调电压最大值为60μV，输出失调电压最大值为300μV。OP27GS在25℃环境中，供电电源时，输入失调电压典型值为30μV，最大值为100μV。AD8022ARZ在25℃环境中，供电电源，电路增益为1时，输入失调电压典型值为1.5mV，最大值为6mV。如果以最大值进行评估，可得AD8221增益为5倍，电路输出的最大失调误差为：图12-1为GettingStarted窗口17.4放大电路误差分析

图12-1为GettingStarted窗口17.4放大电路误差分析

在实际操作中，首先推荐使用ADA4522-2进行替换，ADA4522-2ARZ在25℃环境中，供电电压范围为30V时，失调电压典型值为1μV。

其次，推荐使用ADA4077-1替换0P27。在0P27官网页面标出“不推荐在新设计中使用”，不排除后续存在停产的风险。ADA4077-1ARZ在25℃环境中，供电电压为时，失调电压典型值为15μV。

另外，由于AD8221数据手册中没有输出失调电压参数典型值及分布，所以介绍管脚封装兼容AD8422BRZ进行评估。调整后电路的输出直流误差为：图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术

1．前置放大器应该具备的性能①前置放大器内部的噪声小，也不易受外来噪声的影响。②前置放大器的输入阻抗要比传感器的输出阻抗高得多。③增益-频率特性能够覆盖必要的频带。④具有必要的增益，当温度等因素变化时具有良好的稳定性。⑤具有良好的增益线性，失真小。⑥为了能够获得必要的输出电压，输岀阻抗要小，且不易受负载的影响。

图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术

在进行设计时应该满足以上各项要求。而且基于提高增益的稳定性、频率特性的平坦性和直线性的要求，还应该减少输入输出间的相位变化，减小输出阻抗，这就是图17-9所示的负反馈技术所承担的重要任务。图17-9负反馈的作用图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术

图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术

热噪声的性质：热噪声的波形是无规则的。但是不可思议的是当测量波形瞬时值的产生频度时，看到如图17-10所示的规则分布（高斯分布）。就是说热噪声的最大瞬时电压是没有限度的，不过电压越大出现的频度越小。图17-10热噪声的振幅几率密度呈高斯分布图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术

图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术

计算噪声电压时，只是说明了一定带宽范围内的噪声特性。但是在放大器振幅-频率特性的上限/下限附近的增益衰减斜率是各不相同的，因此一概规定为降低3dB的频率是不准确的，需要对衰减斜率进行修正。如图17-11所示，这被称为等效噪声带宽。图17-11等效噪声带宽与噪声带宽系数图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术3．OP放大器电路中产生的噪声

3.1非反转放大电路中产生的噪声

前面说明了噪声的基本考虑方法。对于OP放大器中发生的噪声来说，如图17-12所示，有输入换算噪声电压和输入噪声电流两种。在低噪声OP放大器参数表中提供这些数据。表17-1就是典型的低噪声OP放大器的数据。图17-12非反转放大电路中产生的噪声图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术表17-1主要的低噪声OP放大器图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术产生这两种噪声的五种因素：①信号源电阻Rs产生的热噪声。②决定增益的合成电阻值（Rfl//Rf2）产生的热噪声。③将OP放大器内部产生的噪声用输入换算噪声电压表示。④来自OP放大器的输入端的噪声电流流过信号源电阻Rs形成噪声电压加在输入端。⑤同样地，来自OP放大器输人端的噪声电流流过决定增益的电阻Rfl和Rf2形成噪声电压加在输入端。图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术

图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术

图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术

图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术3.3OP放大器噪声的三个频率范围

热噪声的频率特性是平坦的。不过OP放大器使用的半导体器件产生的输入换算噪声电压和输入噪声电流的频率特性却不是平坦的，通常表现出如图17-13所示的频率特性。

图17-13OP放大器产生噪声的一般分布图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术3.4噪声系数NF评价放大器的噪声

常用的对放大器的噪声进行评价的参数是噪声系数NF（NoiseFigure）。它用放大器输入信号中的S/N与输岀信号中的S/N表示为下式17-20：式中，Si为输入信号的振幅；So为放大器的输出振幅；Ni为输入信号中的噪声；No为放大器的输岀噪声。如果明确了信号源放大器的NF规格，就能够计算出放大器输出的噪声电压。例如，Rs为l,如果噪声系数NF=3dB，那么输入换算噪声电压为：图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术

假设放大器的增益是1000倍，等效噪声带宽为100kHz，那么放大器输出的噪声电压Von的值为：

图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术4．前置放大器的频率特性和失真特性

4.1放大电路的频率上限。

放大器的频率上限由所使用OP放大器的增益带宽积（GBP）和转换速率（SR）来决定。

OP放大器未加负反馈（开环时）时的增益频率特性（OpenLoopFrequencyResponse）示于图17-14。

图17-14OP放大器的开环增益的频率特性（以NJM5534为例）图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术

图17-14中间部分斜率为6dB/oct（频率为2倍时，增益下降1/2，20dB/oct也相同），所以在AB范围内的增益与频率之积是一定的，这就叫做增益带宽积GBP。如图17-15所示，通用OP放大器NJM5534无相位补偿的GBP是30MHz。而C点增益与频率之积比GBP小。

图17-15加负反馈时的增益频率特件（NJM5534在增益1000倍，C=0pF条件下使用）图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术4.2振幅增大时的频率特性放大电路的频率特性不仅指OP放大器的增益带宽积GBP，还必须考虑输出振幅所带来的影响。影响大振幅下振幅频率特性因素的是转换速率（SlewRate）。图17-16示出输出波形因转换速率变化的情况。SR规定为输出电压的变化不能超过某种斜率的特性，下式表示它与正弦波的最大输出频率的关系。式中Vp为正弦波的0-peak值。

图17-16放大器的转换速率SR图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术4.3线性度与失真率

除了噪声、频率特性之外，线性度和失真率也是放大器的重要特性。任何放大器的增益都会因输人电压而发生变化。一般来说，电路整体的增益可以用可变电阻器之类进行调整，但是线性度和失真率是不能调整的，所以在设计时必须充分注意。基本上还是反馈量越大，特性的改善越明显。

图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术

线性度主要针对直流而言。如图17-17所示，用增益偏离理想直线的最大值相对于输出满刻度的P-P值的百分率表示。

图17-17放大器的线性度图12-1为GettingStarted窗口17.5前置放大器的低噪声技术

失真率是针对交流信号规定的。如图17-18所示。为了进行测定，用陷波滤波器——一种将特定的频率成分去除掉的滤波器——除去基波成分，用电压表测定残留的谐波和噪声的有效值，用总电压的百分比（%）表示，即THD（TotalHarmonic

Distortion，总谐波失真）。

图17-18总谐波失真THD图12-1为GettingStarted窗口17.6前置放大器的设计、制作及评价

1.前置放大器的设计1.1前置放大器作为设计目标的参数要求列于表17-2。图17-19是制作的低噪声前置放大器的电路构成。表17-2制作的前置放大器的参数指标——目标值图12-1为GettingStarted窗口17.6前置放大器的设计、制作及评价

图17-19低噪声前置放大器的电路构成图12-1为GettingStarted窗口17.6前置放大器的设计、制作及评价

1.2OP放大器（NJM5S34）的噪声特性

前置放大器之类的噪声特性几乎都由初级电路决定。这里所说的通用前置放大器中，不能规定信号源电阻（信号源阻抗的值）。因此，在讨论输入短路的噪声时，其噪声由以下三部分合成：

①NJM5534的输人换算噪声。

②R2和R3并联电阻产生的热噪声。

③NJM5534的输入噪声电流流过R2和R3并联电阻时产生的噪声电压。

由于：所以，在R3>R2条件下产生热噪声的电阻值基本上就等于R2。

图12-1为GettingStarted窗口17.6前置放大器的设计、制作及评价

1.3消除失调漂移的电路

OP放大器X3是消除OP放大器X1和X2直流失调漂移的积分电路。电路中由开关S1实现ON/OFF的功能。当ON时成为

AC放大用，OFF时是DC用。DC放大功能可以认为是附加的。

现在讨论S1开关ON时，成为AC放大用的情况。图17-20所示，没有直流成分的AC信号实际进行无限积分时结果为0。

图17-20积分器的作用图12-1为GettingStarted窗口17.6前置放大器的设计、制作及评价

图12-1为GettingStarted窗口17.6前置放大器的设计、制作及评价

从式17-26可以看出，如果增大R5，就能够降低低频截止频率。但是X3的输出电压是由R5、R6分压的，修正电压的范围由于分压的结果变窄了，所以R5不能过大。图17-20的参数中，如果X3的输出最大设为±10V,那么失调修正电压最大为±323mV。根据以上结果，取R8、R9的值为200，因此，输人采用OP放大器X3输人偏置电流小的FET，这个输入偏置电流在R8、R9两端几乎不产生电压降，而且必须选择温度漂移比较小的器件。

图12-1为GettingStarted窗口17.6前置放大器的设计、制作及评价

2.前置放大器的调整及特性的确认2.1直流失调电压及其调整进行电路调整时，首先从直流失调电压开始。OP放大器中，即使将输入短路也会有直流电压输出。这叫做直流失调电压Vos。直流失调电压Vos可以通过外接电位器调整到0。图17-19的电路中，VR1具有这个作用。直流失调电压还会因为环境温度等因素变化而发生变化，不过OP放大器的目的主要是交流放大，所以将超级伺服电路置于ON，将输出的直流电压控制为0。

之后进行OP放大器的调整。将输入短路，S1倒向DC一侧，调整VR1使OUT2为0（0mV）。这样就完成了OP放大器作为直流放大器使用时的直流失调电压的调整。

图12-1为GettingStarted窗口17.6前置放大器的设计、制作及评价

2.2增益频率特性的确认前置放大器的上限频率设计为100kHz，从使用的OP放大器NJM5534的数据表看到，当增益大于3时，即使没有外部相位补偿也不会发生不稳定的振荡。不过在650kHz附近产生约2.5dB的凸峰。因此需要改善。将数据表中提供的外部相位补偿用电容器Cc取为18pF。再次改变补偿的方法，把电容器并联到反馈电阻上，增益的频率特性变平坦了，最大输出振幅由于的补偿也得到改善。

图12-1为GettingStarted窗口17.6前置放大器的设计、制作及评价

图12-1为GettingStarted窗口17.6前置放大器的设计、制作及评价

2.4电路的噪声特性表17-3是用有效值型交流电压表测得制作的电路的输出。可以看出，由于频率特性和输入信号源阻抗的原因，输出噪声值有差异。表中的三种情况的增益都是60dB（1000倍），所以在高频范围出现的峰值当然是由于噪声大的缘故。

表17-3制作的前置放大器输出噪声的测量值图12-1为GettingStarted窗口17.6前置放大器的设计、制作及评价

图12-1为GettingStarted窗口17.6前置放大器的设计、制作及评价

2.6测置输入换算噪声电压密度的频率特性为了测量放大器在各频率下的噪声，需要使用专用的滤波器或锁相放大器。本电路在输入短路状态下以频率为参数时的噪声特性如图17-21所示。图17-21

输入换箅噪声电流密度的频率特性图12-1为GettingStarted窗口17.6前置放大器的设计、制作及评价

图17-22

失真率的测定法图12-1为GettingStarted窗口17.6前置放大器的设计、制作及评价

图17-23的特性是用失真率计测量的结果。这种失真率计也叫做音频分析器，除含有噪声的THD之外，还有指示出除去噪声后的失真成分的功能。图17-23

失真率的测定结果（用VP7722A测量)图12-1为GettingStarted窗口17.7滤波器设计

图12-1为GettingStarted窗口17.7滤波器设计

不论SAR型ADC输出速率为1Mbit/s还是10kbit/s，均不影响系统噪声。如图17-24（b）所示当电路增加一个增益为10倍、带宽为5MHz的放大器时，系统噪声RMS值变为式17-31所示：图17-24

未使用滤波器的采集电路图12-1为GettingStarted窗口17.7滤波器设计

如图17-25（a）当使用1MHz带宽的RC电路驱动SAR型ADC时，系统噪声RMS值为式17-32所示：图17-25

使用模拟滤波器的采集电路图12-1为GettingStarted窗口17.7滤波器设计

如图17-25（b）使用带宽为10kHz的二阶低通滤波器之后，系统噪声RMS值为式17-33所示：其中，1.22是二阶系统噪声带宽与信号带宽的系数。

由此可见，在SAR型ADC采集电路中，必须使用滤波器才能有效抑制电路噪声。图12-1为GettingStarted窗口17.7滤波器设计

2．Sallen-Key滤波器理论分析Sallen-Key滤波器是由R.P.Sallen与E.L.KeY，在1955年提出的一种由放大器、电阻、电容组成的滤波器。如图17-26（a）所示，Z表示电阻或电容，这种结构滤波器相比其他结构滤波器，对放大器的增益带宽积要求低，方便设计高频率滤波器。图17-26

Sallen-Key低通滤波器图12-1为GettingStarted窗口17.7滤波器设计

图12-1为GettingStarted窗口17.7滤波器设计

在根据虚短原则则有式17-37。其中，K为直流增益，将式17-37代入式17-36可得式17-38。图12-1为GettingStarted窗口17.7滤波器设计

整理获得式17-39。通过带入不同的阻抗可以实现低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。图12-1为GettingStarted窗口17.7滤波器设计

以Sallen-Key低通滤波器为例，电路如图17-27（b）所示，传递函数为式17-40。图12-1为GettingStarted窗口17.7滤波器设计

图12-1为GettingStarted窗口17.7滤波器设计

图17-28

真实放大器的Sallen-Key滤波器输出等效图图12-1为GettingStarted窗口17.7滤波器设计

3．有源低通滤波器设计工具在精密信号链设计工具窗口中单击“AnalogFilter”链接，并进入“LPF”低通滤波器窗口。如图17-29所示，在通带内配置增益、带宽、增益衰减，在阻带处配置预期截止频率及对应的信号衰减，另外，还可以选择滤波器响应的速度。图17-29

低通滤波器配置图12-1为GettingStarted窗口17.7滤波器设计

如图17-30所示，系统推荐ADA4096-2的Sallen-Key滤波器在40kHz处，衰减超过20dB，然而在频率超过200kHz会出现抑制能力变弱，这就是ADA4096-2开环输出阻抗的影响。图17-30

ADA4096-2Sallen-Key滤波器的频率响应图12-1为GettingStarted窗口17.7滤波器设计

进入“Tolerance”组件选择窗口，选择电阻、电容，如图17-31所示。还可以在“NextSteps”窗口下载包括LTspice仿真电路的全部设计资料。图17-31

ADA4096-2Sallen-Key滤波器电路图12-1为GettingStarted窗口17.8滤波器的特性与种类

17.8

滤波器的特性与种类1．各种各样的滤波器

在电气领域以外也存在着大量的过滤器（filter）。例如，在我们生活中过滤咖啡用的纸过滤器、阻挡紫外线的UV滤光片等。过滤器的作用就是除去不需要的成分,只选择需要的成分。

在电气领域滤波器不仅有频率意义上的滤波器，还有时间意义上的滤波器。例如，根据到达的时间选择信号，或者只在设定的时间工作的滤波器。本书主要介绍频率范围在1MHz以下的低频模拟滤波器。图12-1为GettingStarted窗口17.8滤波器的特性与种类

如图17-32所示，从选择频率成分的角度分类，滤波器主要有以下四种：（依次是：低通、高通、带通、带阻滤波器）图12-1为GettingStarted窗口17.8滤波器的特性与种类

图12-1为GettingStarted窗口17.8滤波器的特性与种类

图12-1为GettingStarted窗口17.8滤波器的特性与种类

对于带通滤波器（BPF）也可以作同样的考虑。带通滤波器的Q值如图17-33所示。BPF的带宽越窄，则Q值越大，除去噪声的效果越显著。图17-33

带通滤波器的Q值图12-1为GettingStarted窗口17.8滤波器的特性与种类

4．防混淆作用的低通滤波器

处理模拟信号时A/D转换器是必不可少的。在使用A/D转换器对模拟信号进行量化处理，即数字化时，如果信号中含有高于采样频率1/2以上的频率成分，那么如图17-34A/D转换中出现的混淆误差所示，就会产生完全不同的频率成分，从而发生量化误差，这种现象称为混淆效应（aliasingeffect），防止产生这种现象的装置有防混淆滤波器（anti-aliasingfilter），这种滤波器由LPF构成。图12-1为GettingStarted窗口17.8滤波器的特性与种类

图17-34

（d）不发生混淆时的滤波器特性图17-34

（c）存在高于1/2采样频率的信号成分，就会发生混淆误差；图17-34

（a）用时域表现混淆图17-34

（b）用频域表现混淆图12-1为GettingStarted窗口17.8滤波器的特性与种类

5．高通滤波器（HPF）的作用

在音频范围内，电话频率是300Hz~3kHz，HiFi频率是20Hz~20kHz。如果有意外的振动混入麦克风中变换为电信号，就会成为一种干扰声音，或者使声音失真。这时，高通滤波器（HPF）就能起到阻断意外低频的作用。高质量的音频放大器中，它使用次声滤波器等名称，HPF可以实现ON/OF。图12-1为GettingStarted窗口17.8滤波器的特性与种类

如图17-35耦合电容器也可以是高通滤波器所示，用电容器或变压器将放大器与放大器结合起来，就能够进行性能良好的HPF的动作。低频截止频率=1/（2πC1R4）=10Hz。图17-35

耦合电容器也可以是高通滤波器图12-1为GettingStarted窗口17.8滤波器的特性与种类

6．带通滤波器（BPF）的作用

我们常见的电视或收音机的频道选择功能就是利用带通滤波器来完成的。由于半导体器件制造技术的迅速发展，现在使用PLL电路简单地轻触开关就能够实现频道选择。

另外，在处理信号的过程中有时会要求选择特定的频率成分，以实现将多重化的信号解调，或者进行成分解析等。这就需要使用高精度的BPF。BPF检出的信号频带比较窄，使用于目的信号被淹没于多种无用信号中的场合。图12-1为GettingStarted窗口17.8滤波器的特性与种类

7．带阻滤波器（BEF）的作用

与带通滤波器相反，所谓带阻滤波器是将不需要的频率去除的滤波器，它还有一个名称叫做陷波滤波器。

在通信用接收机中，在需要除去特定的有害电波的场合，经常使用陷波滤波器。这时为了微调陷波频率需要在控制面板上设置调节旋钮。

测量音频失真的失真计也是一种陷波滤波器。在用频率标度盘将陷波频率与基波调谐并除去基波后，再测量谐波的振幅，就能够计算出失真率。

图12-1为GettingStarted窗口17.9滤波器频率响应与时间响应特性

1．滤波器的阶数与衰减陡度

按照频率响应的要求，可以从中选择：①巴特沃斯（Butterworth）特性；②贝塞尔（Bessel）特性；③切比雪夫（Chebyshev）特性；④椭圆（Elliptic）特性；图17-36简单表示出四种5阶低通滤波器的频率特性。

图17-36

低通滤波器的频率特性图12-1为GettingStarted窗口17.9滤波器频率响应与时间响应特性

图17-37简单表示出巴特沃斯特性滤波器各阶数中的衰减陡度（截止频率1kHz）。衰减陡度由阶数乘以6dB/oct（20dB/dec）的值决定。图17-37巴特沃斯特性滤波器各阶数中的衰减陡度图12-1为GettingStarted窗口17.9滤波器频率响应与时间响应特性

如图17-37中所看到的那样，平坦的通过区域的宽度（最大平坦型特性）称为巴特沃斯特性，是低通滤波器等滤波器中使用最多的特性。巴特沃斯特性的特征是通过区域中没有增益的起伏，衰减区域的倾斜就是截止频率附近开始的（阶数×6dB/oct）。它的振幅频率特性是没有凸峰的巴特沃斯特性。在相位的角频率微分特性，即群延迟特性方面有波动。图17-38简单表示出四种5阶低通滤波器的群延迟特性。图17-38四种5阶低通滤波器的群延迟特性图12-1为GettingStarted窗口17.9滤波器频率响应与时间响应特性

如上图17-38所示，贝塞尔特性滤波器的特征是群延迟特性没有波动。因此，对方波的阶跃响应过程中不产生上冲和波动（图17-39）与阶数相同的其他滤波器相比，阶跃响应达到最终稳定值的速度更快。贝塞尔特性滤波