《機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)》配套PPT課件

《機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)》配套PPT課件,機(jī)械工程測(cè)試技術(shù),機(jī)械工程,測(cè)試,技術(shù),配套,PPT,課件 東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院（東北大學(xué)機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院（2012）Page 2學(xué)習(xí)導(dǎo)航學(xué)習(xí)導(dǎo)航6.1電橋電橋6.2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)6.3信號(hào)的放大與衰減信號(hào)的放大與衰減6.4濾波器濾波器6.5信號(hào)顯示與記錄信號(hào)顯示與記錄Page 3信號(hào)調(diào)理的的目的是便于信號(hào)的傳輸與處理。信號(hào)調(diào)理的的目的是便于信號(hào)的傳輸與處理。信號(hào)調(diào)理的目的信號(hào)調(diào)理的目的1.1.傳傳感感器器輸輸出出的的電電信信號(hào)號(hào)很很微微弱弱，大大多多數(shù)數(shù)不不能能直直接接輸輸送送到到顯顯示示、記記錄錄或或分分析析儀儀器器中中去去，需需要要進(jìn)進(jìn)一一步步放放大大，有有的的還還要進(jìn)行阻抗變換要進(jìn)行阻抗變換。2.2.有些傳感器輸出的是電信號(hào)中混雜有干擾噪聲，需有些傳感器輸出的是電信號(hào)中混雜有干擾噪聲，需要去掉噪聲，提高信噪比。要去掉噪聲，提高信噪比。3.3.某些場(chǎng)合，為便于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，需要對(duì)傳感某些場(chǎng)合，為便于信號(hào)的遠(yuǎn)距離傳輸，需要對(duì)傳感器測(cè)量信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)處理。器測(cè)量信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)處理。信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)有：電橋、放大器、濾波器、調(diào)制器與解調(diào)器。信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)有：電橋、放大器、濾波器、調(diào)制器與解調(diào)器。Page 4信號(hào)調(diào)理中常見(jiàn)的環(huán)節(jié)：電橋、信號(hào)放大、濾波、信號(hào)調(diào)制與信號(hào)調(diào)理中常見(jiàn)的環(huán)節(jié)：電橋、信號(hào)放大、濾波、信號(hào)調(diào)制與解調(diào)解調(diào)。傳感器交流測(cè)量直流測(cè)量直接測(cè)量調(diào) 制測(cè)量調(diào)幅電橋放大器解調(diào)器濾波器調(diào)頻器放大器鑒頻器濾波器顯示記錄裝置放大器直流電橋放大器濾波器圖6-1 信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)框圖Page 56.1 6.1 電橋電橋（bridge）電橋是將電阻、電感、電容等參量的變化變?yōu)殡妷夯螂娏鬏敵鲭姌蚴菍㈦娮?、電感、電容等參量的變化變?yōu)殡妷夯螂娏鬏敵龅囊环N測(cè)量電路。的一種測(cè)量電路。按照激勵(lì)電壓的性質(zhì)，分為直流和交流電橋；，分為直流和交流電橋；直流電橋直流電橋采用直流電源，橋臂為電阻采用直流電源，橋臂為電阻 交流電橋交流電橋采用交流電源，橋臂為電阻、電感、電容。采用交流電源，橋臂為電阻、電感、電容。按照傳輸條件：負(fù)載阻抗無(wú)窮大，負(fù)載阻抗無(wú)窮大，電壓橋電壓橋；輸出阻抗與內(nèi)電阻匹配，輸出阻抗與內(nèi)電阻匹配，功率橋或電流橋功率橋或電流橋Page 6電橋概念電橋概念在在A A、C C端端(輸輸入入端端，電電源源端端)接接入入直直流電源流電源在在B B、D D端端(輸輸出出端端，測(cè)測(cè)量量端端)輸輸出出電電壓壓U UBDBD。常常用用等等臂臂電電橋橋，即即R R1 1R R2 2R R3 3R R4 4，或或電電源源端端對(duì)對(duì)稱(chēng)稱(chēng)電電橋橋，即即R R1 1R R2 2，R R3 3R R4 4。6.1 6.1 電橋（bridgebridge）Page 76.1.1 6.1.1 直流電橋直流電橋橋臂，輸入端，輸出端。橋臂，輸入端，輸出端。求UBD=?電橋的平衡條件電橋的平衡條件I1I26.1電橋（bridge）Page 8加減特性：加減特性：相對(duì)加相對(duì)加相鄰減相鄰減6.1電橋（bridge）Page 92.2.三種典型橋路輸出特性三種典型橋路輸出特性直流電橋的聯(lián)接方式直流電橋的聯(lián)接方式 a)單臂單臂 b)半橋雙臂半橋雙臂 c)c)全橋全橋 6.1電橋（bridge）Page 103.3.應(yīng)變計(jì)串并聯(lián)組成橋臂應(yīng)變計(jì)串并聯(lián)組成橋臂(1)橋臂串聯(lián)橋臂串聯(lián)均等于 6.1電橋（bridge）Page 11(2)(2)橋臂并聯(lián)橋臂并聯(lián)對(duì)兩邊求導(dǎo)數(shù)，用增量代替微分并代入應(yīng)變計(jì)阻值，有對(duì)兩邊求導(dǎo)數(shù)，用增量代替微分并代入應(yīng)變計(jì)阻值，有采用橋臂串、并聯(lián)方法并不能增加輸出，但是可以在一個(gè)橋臂得采用橋臂串、并聯(lián)方法并不能增加輸出，但是可以在一個(gè)橋臂得到加減特性。到加減特性。6.1電橋（bridge）Page 12提高電橋輸出的措施提高電橋輸出的措施利用加減特性利用加減特性。提提高高供供橋橋電電壓壓。受受到到應(yīng)應(yīng)變變計(jì)計(jì)額額定定功功率率的的限限制制，實(shí)實(shí)用用中中可可選選用用串串聯(lián)聯(lián)方方法法增增加加橋橋臂臂阻阻值值以以提提高高供供橋橋電電壓壓。在在橋橋臂臂并并聯(lián)聯(lián)情情況況下下，并并聯(lián)聯(lián)電電阻阻愈愈多多，供供橋橋電電源源負(fù)負(fù)擔(dān)擔(dān)愈愈重重，使使用用中中應(yīng)應(yīng)適適可可而止。而止。使用不等臂電橋時(shí)，采用使用不等臂電橋時(shí)，采用電源端對(duì)稱(chēng)電橋電源端對(duì)稱(chēng)電橋。6.1電橋（bridge）Page 13=0.3=200 Page 144.4.電橋輸出的非線(xiàn)性電橋輸出的非線(xiàn)性半橋單臂，輸出電壓半橋單臂，輸出電壓 實(shí)際輸出電壓實(shí)際輸出電壓 線(xiàn)性化表達(dá)式線(xiàn)性化表達(dá)式 6.1電橋（bridge）Page 15雙臂工作雙臂工作若若 有有采采用用半半橋橋雙雙臂臂和和全全橋橋接接法法，不不僅僅消消除除線(xiàn)線(xiàn)性性誤誤差差，而而且且輸輸出出靈靈敏度也成倍提高。敏度也成倍提高。6.1電橋（bridge）Page 166.1.2 6.1.2 交流電橋交流電橋交流電橋輸入電源為交流電源。輸入電源為交流電源。平衡條件 6.1電橋（bridge）Page 17可可見(jiàn)見(jiàn)交交流流電電橋橋除除了了要要滿(mǎn)滿(mǎn)足足電電阻阻平平衡衡條條件件，還還必必須須滿(mǎn)滿(mǎn)足足電電容容平衡的要求。平衡的要求。這這些些平平衡衡條條件件是是針針對(duì)對(duì)供供橋橋電電源源只只有有一一個(gè)個(gè)頻頻率率的的情情況況推推出出的的。因因此此，交交流流電電橋橋?qū)?duì)供供橋橋電電源源要要求求具具有有良良好好的的電電壓壓波波形形和和頻頻率穩(wěn)定性率穩(wěn)定性。實(shí)實(shí)測(cè)測(cè)中中，應(yīng)應(yīng)盡盡量量減減少少分分布布電電容容，利利用用儀儀器器上上的的電電阻阻、電電容容平平衡衡裝裝置置調(diào)調(diào)好好初初始始平平衡衡，并并避避免免導(dǎo)導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)移移動(dòng)動(dòng)、溫溫度度變變化化、吸吸潮等使橋臂潮等使橋臂電容變化電容變化，以減少零漂及相移。，以減少零漂及相移。6.1電橋（bridge）Page 18交流電橋的平衡裝置交流電橋的平衡裝置電阻平衡裝置電路的等效變換為了減小橋臂初始阻值的變化，平衡電阻為了減小橋臂初始阻值的變化，平衡電阻R R5 5和和R R6 6應(yīng)取大阻值。應(yīng)取大阻值。6.1電橋（bridge）Page 19電容平衡裝置電阻電容式電容平衡裝置電路的Y-轉(zhuǎn)換6.1電橋（bridge）Page 206.2 6.2 調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)由于傳感器輸出的電信號(hào)一般頻率較低，當(dāng)被測(cè)量信號(hào)比由于傳感器輸出的電信號(hào)一般頻率較低，當(dāng)被測(cè)量信號(hào)比較弱時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸尤其是遠(yuǎn)距離傳輸，可以采較弱時(shí)，為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸尤其是遠(yuǎn)距離傳輸，可以采用直流放大或調(diào)制與解調(diào)。用直流放大或調(diào)制與解調(diào)。由于信號(hào)傳輸過(guò)程中容易受到工頻及其他信號(hào)的干擾，若由于信號(hào)傳輸過(guò)程中容易受到工頻及其他信號(hào)的干擾，若采用直流放大則在傳輸過(guò)程中必須采用有限措施抑制干擾采用直流放大則在傳輸過(guò)程中必須采用有限措施抑制干擾信號(hào)的影響。信號(hào)的影響。在實(shí)際中，往往采用更有效的先調(diào)制而后交流放大，將信在實(shí)際中，往往采用更有效的先調(diào)制而后交流放大，將信號(hào)從低頻區(qū)推移到高頻區(qū)，也可以提高電路的抗干擾能力號(hào)從低頻區(qū)推移到高頻區(qū)，也可以提高電路的抗干擾能力和信號(hào)的信噪比。和信號(hào)的信噪比。調(diào)制目的調(diào)制目的Page 21解決辦法1 1：將微弱的緩變信號(hào)加載到高頻交流信號(hào)中：將微弱的緩變信號(hào)加載到高頻交流信號(hào)中2 2：利用交流放大器進(jìn)行放大：利用交流放大器進(jìn)行放大3 3：從放大器的輸出信號(hào)中取出放大了的緩變信號(hào)：從放大器的輸出信號(hào)中取出放大了的緩變信號(hào)將信號(hào)從低頻區(qū)推移到高頻區(qū)，可以提高電路的抗干擾將信號(hào)從低頻區(qū)推移到高頻區(qū)，可以提高電路的抗干擾能力和信號(hào)的信噪比。能力和信號(hào)的信噪比。6.2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)Page 22調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào) 調(diào)制就是使一個(gè)信號(hào)的某些參數(shù)在另一個(gè)信號(hào)的控制下調(diào)制就是使一個(gè)信號(hào)的某些參數(shù)在另一個(gè)信號(hào)的控制下而發(fā)生變化的過(guò)程。前一信號(hào)稱(chēng)為載波，后一信號(hào)（控而發(fā)生變化的過(guò)程。前一信號(hào)稱(chēng)為載波，后一信號(hào)（控制信號(hào)）稱(chēng)為調(diào)制信號(hào)。制信號(hào)）稱(chēng)為調(diào)制信號(hào)。信號(hào)的三要素：幅值、頻率和相位信號(hào)的三要素：幅值、頻率和相位根據(jù)載波的幅值、頻率和相位隨調(diào)制信號(hào)而變化的過(guò)程，根據(jù)載波的幅值、頻率和相位隨調(diào)制信號(hào)而變化的過(guò)程，調(diào)制可以分為調(diào)制可以分為調(diào)幅調(diào)幅（AM)AM)、調(diào)頻調(diào)頻(FM)(FM)和和調(diào)相調(diào)相(PM)(PM)。其波形。其波形分別稱(chēng)為調(diào)幅波、調(diào)頻波和調(diào)相波。分別稱(chēng)為調(diào)幅波、調(diào)頻波和調(diào)相波。6.2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)Page 23圖圖 載波、調(diào)制信號(hào)及調(diào)幅、調(diào)頻波載波、調(diào)制信號(hào)及調(diào)幅、調(diào)頻波 a a)載波信號(hào)載波信號(hào) b b)調(diào)制信號(hào)調(diào)制信號(hào) c c)調(diào)幅波形調(diào)幅波形 d d)調(diào)頻波形調(diào)頻波形圖例說(shuō)明6.2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)Page 246.2.1 6.2.1 幅值調(diào)制與解調(diào)幅值調(diào)制與解調(diào) 幅值調(diào)制的工作原理幅值調(diào)制的工作原理 設(shè)調(diào)制信號(hào)為設(shè)調(diào)制信號(hào)為 ，其最高頻率成分為，其最高頻率成分為 ，載波信，載波信號(hào)為號(hào)為 ，。則有調(diào)幅波：。則有調(diào)幅波：調(diào)幅是將一個(gè)高頻簡(jiǎn)諧信號(hào)（載波信號(hào)）與測(cè)試信號(hào)調(diào)幅是將一個(gè)高頻簡(jiǎn)諧信號(hào)（載波信號(hào)）與測(cè)試信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）（調(diào)制信號(hào)）相乘相乘相乘相乘，使載波信號(hào)的幅值隨測(cè)試信號(hào)的變，使載波信號(hào)的幅值隨測(cè)試信號(hào)的變化而變化?；兓?.2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)Page 25則則而而原信號(hào)頻譜圖形由原點(diǎn)平移至載波頻率處，其幅值減原信號(hào)頻譜圖形由原點(diǎn)平移至載波頻率處，其幅值減半，調(diào)幅過(guò)程就相當(dāng)于頻率半，調(diào)幅過(guò)程就相當(dāng)于頻率“搬移搬移”過(guò)程過(guò)程由傅里葉變換的卷積性質(zhì)由傅里葉變換的卷積性質(zhì)幅值調(diào)制的工作原理幅值調(diào)制的工作原理6.2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)Page 26調(diào)幅過(guò)程時(shí)頻域圖形調(diào)幅過(guò)程時(shí)頻域圖形6.2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)Page 27為了減小放大電路可能引起的失真，信號(hào)的頻寬（為了減小放大電路可能引起的失真，信號(hào)的頻寬（2f2fm m）相對(duì)于中心頻率（載波頻率）應(yīng)越小越好，實(shí)際載波頻相對(duì)于中心頻率（載波頻率）應(yīng)越小越好，實(shí)際載波頻率率(f(f0 0)常大于調(diào)制信號(hào)頻率常大于調(diào)制信號(hào)頻率(f(fm m)數(shù)倍甚至數(shù)十倍。數(shù)倍甚至數(shù)十倍。調(diào)幅的目的是為了便于緩變信號(hào)的放大和傳送，而解調(diào)調(diào)幅的目的是為了便于緩變信號(hào)的放大和傳送，而解調(diào)的目的是為了恢復(fù)被調(diào)制的信號(hào)。如在電話(huà)電纜、有線(xiàn)的目的是為了恢復(fù)被調(diào)制的信號(hào)。如在電話(huà)電纜、有線(xiàn)電視電纜中，由于不同的信號(hào)被調(diào)制到不同的頻段，因電視電纜中，由于不同的信號(hào)被調(diào)制到不同的頻段，因此，在一根導(dǎo)線(xiàn)中可以傳輸多路信號(hào)。此，在一根導(dǎo)線(xiàn)中可以傳輸多路信號(hào)。幅值調(diào)制的說(shuō)明幅值調(diào)制的說(shuō)明6.2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)Page 28幅值調(diào)制信號(hào)的解調(diào)幅值調(diào)制信號(hào)的解調(diào)將調(diào)幅波再次與將調(diào)幅波再次與原載波信號(hào)相乘，原載波信號(hào)相乘，則頻域圖形將再則頻域圖形將再一次進(jìn)行一次進(jìn)行“搬移搬移”用一低通濾波器用一低通濾波器濾去頻率大于濾去頻率大于f fm m的成分的成分 ，則可恢，則可恢復(fù)出原來(lái)的調(diào)制復(fù)出原來(lái)的調(diào)制信號(hào)。信號(hào)。與原頻譜的區(qū)別與原頻譜的區(qū)別在于幅值為原來(lái)在于幅值為原來(lái)的一半。的一半。6.2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)Page 29從時(shí)域看：從時(shí)域看：解調(diào)解調(diào):解調(diào)時(shí)所乘的信號(hào)與調(diào)制時(shí)的載波信號(hào)具有相解調(diào)時(shí)所乘的信號(hào)與調(diào)制時(shí)的載波信號(hào)具有相同的頻率和相位同的頻率和相位。解調(diào)解調(diào)6.2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)Page 30整流檢波解調(diào)整流檢波解調(diào) a)b)c)d)e)f)整流檢波解調(diào)整流檢波解調(diào)對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行偏置，對(duì)調(diào)制信號(hào)進(jìn)行偏置，使其大于零使其大于零;對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制對(duì)載波進(jìn)行調(diào)制;將該調(diào)制波進(jìn)行整流將該調(diào)制波進(jìn)行整流（半波或全波）（半波或全波）濾波并消除直流偏置濾波并消除直流偏置可恢復(fù)原信號(hào)?？苫謴?fù)原信號(hào)。6.2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)Page 31偏置電壓不足相敏檢波相敏檢波整流檢波整流檢波同步解調(diào)同步解調(diào)6.2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)Page 32相敏檢波解調(diào)電路相敏檢波解調(diào)電路6.2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)Page 33 原原理理利用調(diào)制信號(hào)的幅值控制載波信號(hào)頻率的過(guò)程。調(diào)頻波利用調(diào)制信號(hào)的幅值控制載波信號(hào)頻率的過(guò)程。調(diào)頻波是等幅波，但頻率的變化量與調(diào)制信號(hào)幅值成正比。調(diào)是等幅波，但頻率的變化量與調(diào)制信號(hào)幅值成正比。調(diào)頻波的瞬時(shí)頻率可表示為：頻波的瞬時(shí)頻率可表示為：f f=f f0 0+f f=f f0 0+K xK x(t t)f f0 0為載波頻率，也稱(chēng)中心頻率。為載波頻率，也稱(chēng)中心頻率。f f為頻率偏移，與調(diào)制信號(hào)為頻率偏移，與調(diào)制信號(hào)x x(t t)幅值成正比。幅值成正比。6.2.2 6.2.2 頻率調(diào)制與解調(diào)頻率調(diào)制與解調(diào)定義定義:用調(diào)制信號(hào)去控制載波信號(hào)的頻率或相位，使其隨用調(diào)制信號(hào)去控制載波信號(hào)的頻率或相位，使其隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化，這一過(guò)程稱(chēng)為調(diào)制信號(hào)的變化而變化，這一過(guò)程稱(chēng)為頻率調(diào)制頻率調(diào)制或相位調(diào)或相位調(diào)制，簡(jiǎn)稱(chēng)制，簡(jiǎn)稱(chēng)調(diào)頻調(diào)頻或調(diào)相或調(diào)相 6.2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)Page 34調(diào)頻波與調(diào)制信號(hào)幅值的關(guān)系圖調(diào)頻波與調(diào)制信號(hào)幅值的關(guān)系圖6.2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)Page 35電參數(shù)調(diào)頻法電參數(shù)調(diào)頻法用用被被測(cè)測(cè)參參數(shù)數(shù)的的變變化化控控制制振振蕩蕩回回路路的的參參數(shù)數(shù)L L、C C或或R R，使使振振蕩蕩頻頻率率得得到調(diào)制。到調(diào)制。振振蕩蕩器器的的原原振振蕩蕩信信號(hào)號(hào)作作為為載載波波。調(diào)調(diào)制制信信號(hào)號(hào)輸輸入入時(shí)時(shí)，振振蕩蕩器器的的輸輸出即被調(diào)制的調(diào)頻波。出即被調(diào)制的調(diào)頻波。6.2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)Page 36當(dāng)電容當(dāng)電容C C和電感和電感L L并聯(lián)組成諧振回路時(shí)，電路的并聯(lián)組成諧振回路時(shí)，電路的諧振頻率諧振頻率：若以電容為調(diào)諧參數(shù)，對(duì)上式進(jìn)行微分，有：若以電容為調(diào)諧參數(shù)，對(duì)上式進(jìn)行微分，有：所以，在所以，在 f f0 0 附近有頻率偏移附近有頻率偏移6.2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)Page 37電壓調(diào)頻法電壓調(diào)頻法壓壓控控振振蕩蕩器器是是受受電電壓壓控控制制的的振振蕩蕩器器。圖圖中中，u uc c為為零零時(shí)時(shí)的的角角頻頻率率0 0稱(chēng)稱(chēng)為為自自由由振振蕩蕩角角頻頻率率；曲曲線(xiàn)線(xiàn)在在0 0處處的的斜斜率率K K0 0稱(chēng)稱(chēng)為為調(diào)調(diào)制制靈靈敏度敏度。用用信號(hào)的電壓控制振蕩回路的參數(shù)信號(hào)的電壓控制振蕩回路的參數(shù)L L、C C或或R R，從而控制振蕩頻率。，從而控制振蕩頻率。信信號(hào)號(hào)電電壓壓為為正正值值時(shí)時(shí)，調(diào)調(diào)頻頻波波的的頻頻率率升升高高；負(fù)負(fù)值值時(shí)時(shí)則則降降低低；信信號(hào)號(hào)電電壓為零時(shí)，調(diào)頻波的頻率等于中心頻率。壓為零時(shí)，調(diào)頻波的頻率等于中心頻率。壓控振蕩器的特性曲線(xiàn)6.2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)Page 38(2)(2)鑒頻器鑒頻器調(diào)頻波的解調(diào)器稱(chēng)為調(diào)頻波的解調(diào)器稱(chēng)為鑒頻器鑒頻器。調(diào)頻波的解調(diào)是先把調(diào)頻波變換成調(diào)頻波的解調(diào)是先把調(diào)頻波變換成調(diào)頻調(diào)幅波調(diào)頻調(diào)幅波，然后進(jìn)行幅值，然后進(jìn)行幅值檢波。檢波。鑒頻器的工作原理6.2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)Page 39失諧回路鑒頻器的頻率失諧回路鑒頻器的頻率-電壓特性曲線(xiàn)電壓特性曲線(xiàn)雙失諧回路鑒頻器 為了改善失諧回路鑒頻器的線(xiàn)性 6.2調(diào)制與解調(diào)調(diào)制與解調(diào)Page 40傳感器輸出的微弱電壓、電流或電荷信號(hào)，其幅值或傳感器輸出的微弱電壓、電流或電荷信號(hào)，其幅值或功率不足以進(jìn)行后續(xù)的轉(zhuǎn)換處理，或驅(qū)動(dòng)指示器、記功率不足以進(jìn)行后續(xù)的轉(zhuǎn)換處理，或驅(qū)動(dòng)指示器、記錄器以及各種控制機(jī)構(gòu)，因此需對(duì)其進(jìn)行放大處理。錄器以及各種控制機(jī)構(gòu)，因此需對(duì)其進(jìn)行放大處理。集成運(yùn)算放大器集成運(yùn)算放大器6.3 6.3 信號(hào)的放大與衰減信號(hào)的放大與衰減Page 416.3.1 6.3.1 信號(hào)放大器的主要特性信號(hào)放大器的主要特性放大倍數(shù)即放大倍數(shù)即增益增益表示靈敏度：表示靈敏度：對(duì)數(shù)分度對(duì)數(shù)分度增益接近于常數(shù)的頻率范增益接近于常數(shù)的頻率范圍被稱(chēng)為圍被稱(chēng)為帶寬帶寬。帶寬的高端頻率和低端頻帶寬的高端頻率和低端頻率被稱(chēng)為拐角頻率即率被稱(chēng)為拐角頻率即截止截止頻率頻率。截止頻率定義為增益減少截止頻率定義為增益減少3dB3dB時(shí)的頻率。時(shí)的頻率。6.3信號(hào)的放大與衰減信號(hào)的放大與衰減Page 42 方波由于高頻衰減而方波由于高頻衰減而產(chǎn)生的頻率失真產(chǎn)生的頻率失真頻率失真的影響頻率失真的影響 相位移動(dòng)對(duì)純正弦波形相位移動(dòng)對(duì)純正弦波形沒(méi)有影響；沒(méi)有影響；對(duì)于比較復(fù)雜的周期性對(duì)于比較復(fù)雜的周期性的波形，可能會(huì)出現(xiàn)的波形，可能會(huì)出現(xiàn)有有影響影響；如果相角隨頻率線(xiàn)性變?nèi)绻嘟请S頻率線(xiàn)性變化，相位將不會(huì)失真。化，相位將不會(huì)失真。相位失真的影響相位失真的影響 波形落后于輸入波形波形落后于輸入波形放大器影響信號(hào)：放大器影響信號(hào)：頻率失真頻率失真,相位失真相位失真,共模干擾共模干擾,電源負(fù)載電源負(fù)載 6.3信號(hào)的放大與衰減信號(hào)的放大與衰減Page 43共模抑制比的影響共模抑制比的影響當(dāng)大小相等極性不同的電壓加到兩個(gè)輸入端時(shí)，該電壓被稱(chēng)當(dāng)大小相等極性不同的電壓加到兩個(gè)輸入端時(shí)，該電壓被稱(chēng)為為差模電壓；差模電壓；當(dāng)相同的電壓（對(duì)地電壓）供給兩個(gè)輸入端時(shí)，該電壓被稱(chēng)當(dāng)相同的電壓（對(duì)地電壓）供給兩個(gè)輸入端時(shí)，該電壓被稱(chēng)為為共模電壓；共模電壓；理想的儀器放大器將對(duì)差模電壓產(chǎn)生輸出，對(duì)于共模電壓則理想的儀器放大器將對(duì)差模電壓產(chǎn)生輸出，對(duì)于共模電壓則沒(méi)有輸出。沒(méi)有輸出。信號(hào)通常產(chǎn)生差模輸入，噪聲一般產(chǎn)生共模輸入，所以信號(hào)通常產(chǎn)生差模輸入，噪聲一般產(chǎn)生共模輸入，所以CMRR()CMRR()。共模抑制比共模抑制比越大越好越大越好越大越好越大越好6.3信號(hào)的放大與衰減信號(hào)的放大與衰減Page 44輸入輸出阻抗的影響輸入輸出阻抗的影響電源裝置模擬成一個(gè)與電阻電源裝置模擬成一個(gè)與電阻R Rs s串連的電壓發(fā)生器串連的電壓發(fā)生器V Vs s 放大器的輸入模擬成輸入電阻放大器的輸入模擬成輸入電阻R Ri i輸出模擬成為與輸出電阻輸出模擬成為與輸出電阻R Ro o串連的電壓發(fā)生器串連的電壓發(fā)生器GVGVi i 電源放大器6.3信號(hào)的放大與衰減信號(hào)的放大與衰減Page 45理想情況理想情況V VL L=GVGVs s R RL LR Ro o并且并且R Ri iR Rs s 理想的放大器理想的放大器(或信號(hào)調(diào)理器或信號(hào)調(diào)理器)的輸入阻抗為無(wú)限大，輸出的輸入阻抗為無(wú)限大，輸出阻抗為零阻抗為零 6.3信號(hào)的放大與衰減信號(hào)的放大與衰減Page 466.3.2 6.3.2 使用運(yùn)算放大器的放大器使用運(yùn)算放大器的放大器A741CA741C的的輸輸入入阻阻抗抗r rd d約約為為2M2M，輸輸出出阻阻抗抗r ro o約約為為7575，增增益益g g可可達(dá)達(dá)200000200000，CMRRCMRR約為約為75dB75dB或更高?；蚋?。運(yùn)算放大器的符號(hào)和簡(jiǎn)化模型運(yùn)放開(kāi)環(huán)接線(xiàn)的輸出為運(yùn)放開(kāi)環(huán)接線(xiàn)的輸出為6.3信號(hào)的放大與衰減信號(hào)的放大與衰減Page 47(1)(1)同相放大器同相放大器輸出電壓相對(duì)地線(xiàn)的符號(hào)與輸入電壓的相同。輸出電壓相對(duì)地線(xiàn)的符號(hào)與輸入電壓的相同。同相放大器電路輸出飽和輸出飽和增益帶寬積（增益帶寬積（GBPGBP）放大器串聯(lián)放大器串聯(lián)6.3信號(hào)的放大與衰減信號(hào)的放大與衰減Page 48如果如果V Vi i足夠大以至于足夠大以至于V Vo o（=GVGVi i）接近電源電壓）接近電源電壓,那么再增加那么再增加V Vi i也不也不會(huì)增加輸出。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為輸出飽和。對(duì)于會(huì)增加輸出。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為輸出飽和。對(duì)于A741CA741C而言，若而言，若輸出電壓少于電源電壓輸出電壓少于電源電壓2V2V，就會(huì)產(chǎn)生飽和。，就會(huì)產(chǎn)生飽和。增益在高頻率時(shí)的下降是運(yùn)放的固有特性。對(duì)于大多數(shù)基于運(yùn)放增益在高頻率時(shí)的下降是運(yùn)放的固有特性。對(duì)于大多數(shù)基于運(yùn)放的運(yùn)算放大器，低頻增益和帶寬的乘積，即的運(yùn)算放大器，低頻增益和帶寬的乘積，即增益帶寬積增益帶寬積（GBPGBP）為常數(shù)。因?yàn)閹挼南孪奘橇?，所以高端截止頻率為常數(shù)。因?yàn)閹挼南孪奘橇?，所以高端截止頻率6.3信號(hào)的放大與衰減信號(hào)的放大與衰減Page 49兩個(gè)放大器串聯(lián)兩個(gè)放大器串聯(lián)串串聯(lián)聯(lián)兩兩個(gè)個(gè)放放大大器器，即即把把一一個(gè)個(gè)放放大大器器的的輸輸出出作作為為另另一一個(gè)個(gè)放放大大器器的的輸入。輸入。兩級(jí)兩級(jí)總增益提高而帶寬不變總增益提高而帶寬不變。盡盡管管在在整整個(gè)個(gè)帶帶寬寬的的增增益益是是常常數(shù)數(shù)，但但輸輸入入和和輸輸出出之之間間的的相相角角隨隨頻頻率變化率變化。對(duì)于上面的同相放大器，相角。對(duì)于上面的同相放大器，相角6.3信號(hào)的放大與衰減信號(hào)的放大與衰減Page 50(2)(2)反相放大器反相放大器輸輸入入電電阻阻近近似似為為R R1 1，輸輸出出電電阻阻趨趨于于0 0。與與傳傳感感器器配配合合使使用用時(shí)時(shí)，注意阻抗匹配的問(wèn)題。注意阻抗匹配的問(wèn)題。輸入信號(hào)和反饋信號(hào)均加在運(yùn)放的反相輸入端。電壓增益：輸入信號(hào)和反饋信號(hào)均加在運(yùn)放的反相輸入端。電壓增益：反相放大器電路6.3信號(hào)的放大與衰減信號(hào)的放大與衰減Page 51反相放大器與同相放大器的不同特點(diǎn)：反相放大器與同相放大器的不同特點(diǎn)：同同相相放放大大器器的的輸輸入入阻阻抗抗達(dá)達(dá)幾幾百百兆兆歐歐姆姆，而而反反相相放放大大器器的的輸輸入入阻阻抗抗約約等等于于R R1 1，通通常常不不大大于于100 100 kk。這這可可能能對(duì)對(duì)一一些些輸輸入入裝裝置置帶帶來(lái)來(lái)負(fù)載問(wèn)題；負(fù)載問(wèn)題；同樣有同樣有低輸出阻抗低輸出阻抗的特性的特性,一般小于一般小于11；增益帶寬積不同增益帶寬積不同：6.3信號(hào)的放大與衰減信號(hào)的放大與衰減Page 52(3)(3)儀器（測(cè)量）放大器儀器（測(cè)量）放大器儀儀器器（測(cè)測(cè)量量）放放大大器器有有兩兩個(gè)個(gè)不不接接地地的的信信號(hào)號(hào)源源（平平衡衡差差動(dòng)動(dòng)輸輸入入），在在輸輸入入線(xiàn)線(xiàn)中中產(chǎn)產(chǎn)生生同同樣樣幅幅值值和和相相位位的的噪噪聲聲，這這是是共共模模信信號(hào)號(hào)。共共模模抑抑制比（制比（CMRRCMRR）很大。）很大。差動(dòng)儀器放大器電路6.3信號(hào)的放大與衰減信號(hào)的放大與衰減Page 536.3.3 6.3.3 信號(hào)衰減信號(hào)衰減若若輸輸出出電電壓壓的的幅幅值值高高于于下下一一級(jí)級(jí)元元件件輸輸入入電電壓壓的的范范圍圍，必必須須進(jìn)行衰減。最簡(jiǎn)單的方法是使用分壓網(wǎng)絡(luò)。進(jìn)行衰減。最簡(jiǎn)單的方法是使用分壓網(wǎng)絡(luò)。從分壓網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的輸出電壓是從分壓網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的輸出電壓是6.3信號(hào)的放大與衰減信號(hào)的放大與衰減Page 546.4 6.4 濾波器濾波器濾波濾波器是一種濾波濾波器是一種選頻裝置選頻裝置，可以使信號(hào)中特定頻率，可以使信號(hào)中特定頻率成分通過(guò)，而極大地衰減其他頻率成分。成分通過(guò)，而極大地衰減其他頻率成分。Page 55l根據(jù)濾波器的選頻特性根據(jù)濾波器的選頻特性低通濾波器：通頻帶低通濾波器：通頻帶0 0 f f2 2。高通濾波器：通頻帶高通濾波器：通頻帶f f1 1 帶通濾波器：通頻帶帶通濾波器：通頻帶f f1 1 f f2 2帶阻濾波器：通頻帶帶阻濾波器：通頻帶0 0 f f1 1與與f f2 2 （阻帶：（阻帶：f f1 1 f f2 2）6.4.1 6.4.1 濾波器的分類(lèi)濾波器的分類(lèi)低通低通高通高通帶通帶通帶阻帶阻6.4濾波器濾波器Page 56RC RC 調(diào)諧式濾波器的基本參數(shù)調(diào)諧式濾波器的基本參數(shù) 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：RCRC濾波器電路簡(jiǎn)單，抗濾波器電路簡(jiǎn)單，抗干擾強(qiáng)，有較好的低頻特性，干擾強(qiáng)，有較好的低頻特性，易于實(shí)現(xiàn)。易于實(shí)現(xiàn)。一階一階RC RC 低通濾波器低通濾波器 低頻段近于不失真?zhèn)鬏?。高低頻段近于不失真?zhèn)鬏?。高頻段近于積分器。高頻衰減頻段近于積分器。高頻衰減率率-20dB/dec-20dB/dec。RCRC決定截止頻率。決定截止頻率。6.4濾波器濾波器Page 57當(dāng)當(dāng) 時(shí)，其幅頻特性時(shí)，其幅頻特性 。信號(hào)不受衰。信號(hào)不受衰減通過(guò)；減通過(guò)；當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)，也即幅值比穩(wěn)定幅值降，也即幅值比穩(wěn)定幅值降了了-3dB-3dB。RCRC值決定著上截止頻率。改變值決定著上截止頻率。改變RCRC值就可以改變?yōu)V波值就可以改變?yōu)V波器的截止頻率；器的截止頻率；當(dāng)當(dāng) 時(shí)，輸出與輸入的積分成正比，即：時(shí)，輸出與輸入的積分成正比，即：對(duì)高頻成分的衰減率為對(duì)高頻成分的衰減率為-20dB/10-20dB/10倍頻程。如果要加大濾波器倍頻程。如果要加大濾波器的衰減率，可提高濾波器階數(shù)實(shí)現(xiàn)。的衰減率，可提高濾波器階數(shù)實(shí)現(xiàn)。低通濾波器的幅頻特性討論低通濾波器的幅頻特性討論6.4濾波器濾波器Page 58低頻段近于微分器。高低頻段近于微分器。高頻段近于不失真?zhèn)鬏敗ｎl段近于不失真?zhèn)鬏?。R CR C決定截止頻率。決定截止頻率。一階一階 RCRC 高通濾波器高通濾波器6.4濾波器濾波器Page 59當(dāng)當(dāng) 時(shí)，輸出時(shí)，輸出 與輸入與輸入 的微分成正比，的微分成正比，起著微分器的作用起著微分器的作用 ；當(dāng)當(dāng) 時(shí)，時(shí)，也即幅值比穩(wěn)定幅值，也即幅值比穩(wěn)定幅值降了降了-3dB-3dB。RCRC值決定著上截止頻率。改變值決定著上截止頻率。改變RCRC值就可以改變值就可以改變?yōu)V波器的截止頻率；濾波器的截止頻率；當(dāng)當(dāng) 時(shí)，其幅頻特性時(shí)，其幅頻特性 。信號(hào)不受。信號(hào)不受衰減通過(guò)。衰減通過(guò)。高通濾波器的幅頻特性討論高通濾波器的幅頻特性討論6.4濾波器濾波器Page 60帶通濾波器可由低通和高通帶通濾波器可由低通和高通濾波器串聯(lián)組成。為了消除濾波器串聯(lián)組成。為了消除串聯(lián)時(shí)負(fù)載效應(yīng)的影響，通串聯(lián)時(shí)負(fù)載效應(yīng)的影響，通常用輸出跟隨器或運(yùn)算放大常用輸出跟隨器或運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)隔離。因此，實(shí)際帶器實(shí)現(xiàn)隔離。因此，實(shí)際帶通濾波器通常是有源的。通濾波器通常是有源的。RC RC 帶通濾波器帶通濾波器思考思考：串聯(lián)所得的帶通濾波：串聯(lián)所得的帶通濾波器以原高通的截止頻率為（器以原高通的截止頻率為（），原低通的截止頻率為（），原低通的截止頻率為（）。）。下截止頻率下截止頻率上截止頻率上截止頻率6.4濾波器濾波器Page 612.2.濾波器的階次濾波器的階次實(shí)際濾波器的傳遞函數(shù)是有理函數(shù)，即實(shí)際濾波器的傳遞函數(shù)是有理函數(shù)，即 式中式中n n為濾波器的階為濾波器的階。對(duì)特定類(lèi)型濾波器，其階數(shù)越大，其阻頻。對(duì)特定類(lèi)型濾波器，其階數(shù)越大，其阻頻帶對(duì)信號(hào)的衰減能力越大。帶對(duì)信號(hào)的衰減能力越大。因?yàn)楦唠A傳遞函數(shù)可以寫(xiě)成若干一階、二階傳遞函數(shù)的乘積，因?yàn)楦唠A傳遞函數(shù)可以寫(xiě)成若干一階、二階傳遞函數(shù)的乘積，所以可以把高階濾波器的設(shè)計(jì)歸結(jié)為一階、二階濾波器的設(shè)計(jì)。所以可以把高階濾波器的設(shè)計(jì)歸結(jié)為一階、二階濾波器的設(shè)計(jì)。6.4濾波器濾波器Page 62理想濾波器模型及脈沖響應(yīng)理想濾波器模型及脈沖響應(yīng) 無(wú)過(guò)渡帶且在通頻帶內(nèi)滿(mǎn)足不失真測(cè)試條件的濾波器稱(chēng)為無(wú)過(guò)渡帶且在通頻帶內(nèi)滿(mǎn)足不失真測(cè)試條件的濾波器稱(chēng)為理想濾波器。理想濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)為：理想濾波器。理想濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)為：理想濾波器的脈沖響應(yīng)函數(shù)為理想濾波器的脈沖響應(yīng)函數(shù)為sincsinc函數(shù)，若無(wú)相角滯后函數(shù)，若無(wú)相角滯后（t t0 0=0=0）：）：6.4.2 6.4.2 理想濾波器與實(shí)際濾波器理想濾波器與實(shí)際濾波器6.4濾波器濾波器Page 63理想濾波器的特性與響應(yīng)理想濾波器的特性與響應(yīng)t t 0 0時(shí)，濾波器即有了與輸入相對(duì)應(yīng)的輸出時(shí)，濾波器即有了與輸入相對(duì)應(yīng)的輸出在有限頻率上完全截止在有限頻率上完全截止理想濾波器實(shí)現(xiàn)的不可能性理想濾波器實(shí)現(xiàn)的不可能性6.4濾波器濾波器Page 64由由h h(t t)圖形可見(jiàn)，在輸入圖形可見(jiàn)，在輸入(t t)到來(lái)以前，即到來(lái)以前，即t t 0 0時(shí)，濾波器時(shí)，濾波器即有了與輸入相對(duì)應(yīng)的輸出，顯然，這違背了因果關(guān)系，任即有了與輸入相對(duì)應(yīng)的輸出，顯然，這違背了因果關(guān)系，任何現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)都不可能具有這種預(yù)知未來(lái)的能力何現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)都不可能具有這種預(yù)知未來(lái)的能力。同樣，理想高通、帶通、帶阻濾波器也是不存在的。實(shí)際濾同樣，理想高通、帶通、帶阻濾波器也是不存在的。實(shí)際濾波器的頻域圖形不可能出現(xiàn)直角銳變，也不會(huì)在有限頻率上波器的頻域圖形不可能出現(xiàn)直角銳變，也不會(huì)在有限頻率上完全截止。理論上，實(shí)際濾波器的頻域圖形將延伸至完全截止。理論上，實(shí)際濾波器的頻域圖形將延伸至|f f|。即濾波器只能對(duì)通帶以外的頻率成分極大地衰減而不。即濾波器只能對(duì)通帶以外的頻率成分極大地衰減而不能完全阻止其通過(guò)。能完全阻止其通過(guò)。理想濾波器實(shí)現(xiàn)的不可能性理想濾波器實(shí)現(xiàn)的不可能性6.4濾波器濾波器Page 65 理想濾波器的階躍響應(yīng)理想濾波器的階躍響應(yīng)單位階躍輸入單位階躍輸入 濾波器的階躍響應(yīng)：濾波器的階躍響應(yīng)：低通濾波器在階躍信號(hào)下的響應(yīng)低通濾波器在階躍信號(hào)下的響應(yīng)6.4濾波器濾波器Page 66階躍響應(yīng)波形圖階躍響應(yīng)波形圖 0.1A00.9A05106.4濾波器濾波器Page 67式中式中,為低通濾波器的截止頻率，也稱(chēng)為濾波器的為低通濾波器的截止頻率，也稱(chēng)為濾波器的通頻帶?？梢?jiàn)，濾波器的通頻帶越寬，即通頻帶?？梢?jiàn)，濾波器的通頻帶越寬，即 越大，越大，則響應(yīng)的建立時(shí)間則響應(yīng)的建立時(shí)間 越小。越小。如果按穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值的如果按穩(wěn)態(tài)響應(yīng)值的0.10.1 0.90.9作為計(jì)算建立時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)，作為計(jì)算建立時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)，則：則：若不考慮前、后皺波，輸出從若不考慮前、后皺波，輸出從0(0(a a點(diǎn)點(diǎn))到應(yīng)有的穩(wěn)定值到應(yīng)有的穩(wěn)定值A(chǔ) A0 0(b b點(diǎn)點(diǎn))之間的所需建立時(shí)間為：之間的所需建立時(shí)間為：穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時(shí)間穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時(shí)間6.4濾波器濾波器Page 68低通濾波器帶寬低通濾波器帶寬B B因此，低通濾波器對(duì)階躍響應(yīng)的建立時(shí)間因此，低通濾波器對(duì)階躍響應(yīng)的建立時(shí)間 和帶寬和帶寬B B（通（通頻帶的寬度）成反比，即頻帶的寬度）成反比，即這一結(jié)論對(duì)其它濾波器（高通、帶通、帶阻）也適用。這一結(jié)論對(duì)其它濾波器（高通、帶通、帶阻）也適用。另一方面，濾波器的帶寬表示著它的頻率分辨力，通帶越窄另一方面，濾波器的帶寬表示著它的頻率分辨力，通帶越窄則分辨力越高。因此，濾波器的高分辨能力和測(cè)量時(shí)快速響則分辨力越高。因此，濾波器的高分辨能力和測(cè)量時(shí)快速響應(yīng)的要求是相互矛盾的。當(dāng)采用濾波器從信號(hào)中選取某一頻應(yīng)的要求是相互矛盾的。當(dāng)采用濾波器從信號(hào)中選取某一頻率成分時(shí)，就需要有足夠的時(shí)間。如果建立時(shí)間不夠，就會(huì)率成分時(shí)，就需要有足夠的時(shí)間。如果建立時(shí)間不夠，就會(huì)產(chǎn)生虛假的結(jié)果，而過(guò)長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間也是沒(méi)有必要的。一般產(chǎn)生虛假的結(jié)果，而過(guò)長(zhǎng)的測(cè)量時(shí)間也是沒(méi)有必要的。一般采用采用 1010。6.4濾波器濾波器Page 69濾波器濾波器通頻帶越寬通頻帶越寬（f fc c越高），越高），建立時(shí)間越短建立時(shí)間越短，響應(yīng)速度越快響應(yīng)速度越快。其物理意義是：其物理意義是：通帶越寬，阻衰的高頻分量越少，使信號(hào)能量更多更快地通過(guò)，通帶越寬，阻衰的高頻分量越少，使信號(hào)能量更多更快地通過(guò)，故建立時(shí)間短，反之建立時(shí)間長(zhǎng)。故建立時(shí)間短，反之建立時(shí)間長(zhǎng)。低通濾波器對(duì)階躍響應(yīng)的建立時(shí)間低通濾波器對(duì)階躍響應(yīng)的建立時(shí)間T Te e與帶寬與帶寬B B成反比，即：成反比，即：BTBTe e =常數(shù)常數(shù) 該結(jié)論對(duì)高通、帶通及帶阻濾波器均成立。該結(jié)論對(duì)高通、帶通及帶阻濾波器均成立。濾波器帶寬表示其頻率分辨力，通帶越窄，分辨力越高，顯然，濾波器帶寬表示其頻率分辨力，通帶越窄，分辨力越高，顯然，高分辨力與響應(yīng)速度是互相矛盾的高分辨力與響應(yīng)速度是互相矛盾的。如果要用濾波的方法從信號(hào)中提取某一很窄的頻率成分（如作如果要用濾波的方法從信號(hào)中提取某一很窄的頻率成分（如作譜分析），必須有足夠的時(shí)間。譜分析），必須有足夠的時(shí)間。BTBTe e5 5 1010。低通濾波器的特點(diǎn)歸納低通濾波器的特點(diǎn)歸納6.4濾波器濾波器Page 70截止頻率截止頻率f fc c :幅頻幅頻特性等于特性等于 所所對(duì)應(yīng)的頻率。對(duì)應(yīng)的頻率。帶寬帶寬B:B:上下兩截止上下兩截止頻率之間的頻率范頻率之間的頻率范圍圍實(shí)際濾波器參數(shù)（實(shí)際濾波器參數(shù)（1 1）圖為理想帶通濾波器（虛線(xiàn)）與實(shí)際帶通濾波器（實(shí)線(xiàn)）圖為理想帶通濾波器（虛線(xiàn)）與實(shí)際帶通濾波器（實(shí)線(xiàn)）的幅頻特性。的幅頻特性。6.4濾波器濾波器Page 71 品質(zhì)因素品質(zhì)因素Q Q 將中心頻率將中心頻率f fn n與帶寬與帶寬B B之比稱(chēng)為濾波器的品質(zhì)因素。之比稱(chēng)為濾波器的品質(zhì)因素。f fn n由下式確定：由下式確定：思考：品質(zhì)因素思考：品質(zhì)因素Q Q 越大，濾波器分辨力越大，濾波器分辨力越高越高實(shí)際濾波器參數(shù)（實(shí)際濾波器參數(shù)（2 2）6.4濾波器濾波器Page 72 紋波幅度紋波幅度d d：實(shí)際濾波器的通頻帶內(nèi)幅頻特性可能呈波紋變化，最實(shí)際濾波器的通頻帶內(nèi)幅頻特性可能呈波紋變化，最大變化量稱(chēng)為紋波幅度。一般應(yīng)遠(yuǎn)小于大變化量稱(chēng)為紋波幅度。一般應(yīng)遠(yuǎn)小于-3dB-3dB。實(shí)際濾波器參數(shù)（實(shí)際濾波器參數(shù)（3 3）6.4濾波器濾波器Page 73倍頻程選擇性倍頻程選擇性W W指在上截止頻率指在上截止頻率f fc c2 2與與2 2f fc c2 2之間，或者在下截止頻率之間，或者在下截止頻率f fc c1 1與與f fc c1 1/2/2之間幅頻特性的衰減量，即頻率變化一個(gè)倍頻程的衰之間幅頻特性的衰減量，即頻率變化一個(gè)倍頻程的衰減量。減量?；蚧?倍頻程選擇性表明濾波器過(guò)渡帶內(nèi)幅頻曲線(xiàn)的傾斜程度，它倍頻程選擇性表明濾波器過(guò)渡帶內(nèi)幅頻曲線(xiàn)的傾斜程度，它決定了濾波器對(duì)帶寬外頻率成分衰減能力。決定了濾波器對(duì)帶寬外頻率成分衰減能力。思考思考：W W 越大，衰減（越大，衰減（），濾波器選擇性（），濾波器選擇性（）。）。越好越好越快越快實(shí)際濾波器參數(shù)（實(shí)際濾波器參數(shù)（4 4）6.4濾波器濾波器Page 74濾波器因數(shù)（矩形系數(shù)）濾波器因數(shù)（矩形系數(shù)）濾波器選擇性的另一種表示法。用濾波器幅頻特性的濾波器選擇性的另一種表示法。用濾波器幅頻特性的-60dB-60dB帶寬與帶寬與-3dB-3dB帶寬的比值表示。帶寬的比值表示。理想濾波器理想濾波器=1=1，通常，通常=1 15 5。有些濾波器因器件影響。有些濾波器因器件影響（如電容漏阻），阻帶衰減達(dá)不到（如電容漏阻），阻帶衰減達(dá)不到-60dB-60dB，可用，可用-40dB-40dB或或-30dB30dB帶寬與帶寬與-3dB-3dB帶寬的比值表示。帶寬的比值表示。實(shí)際濾波器參數(shù)（實(shí)際濾波器參數(shù)（5 5）6.4濾波器濾波器Page 75(3)(3)濾波器的逼近方式濾波器的逼近方式理想濾波器的性能只能用實(shí)際濾波器逼近，四種逼近方式的濾理想濾波器的性能只能用實(shí)際濾波器逼近，四種逼近方式的濾波器得到最廣泛的應(yīng)用：波器得到最廣泛的應(yīng)用：巴特沃斯、切比雪夫、橢圓巴特沃斯、切比雪夫、橢圓和和貝塞爾貝塞爾濾波器濾波器。低通巴特沃斯低通巴特沃斯濾波器的增益濾波器的增益6.4濾波器濾波器Page 76巴特沃斯，通帶增益穩(wěn)定；巴特沃斯，通帶增益穩(wěn)定；切比雪夫，過(guò)渡帶變化大，通帶增益波紋；切比雪夫，過(guò)渡帶變化大，通帶增益波紋；橢圓，過(guò)渡帶變化大，通帶、阻帶波紋；橢圓，過(guò)渡帶變化大，通帶、阻帶波紋；貝塞爾，衰減速度較低，相角變化線(xiàn)性較好。貝塞爾，衰減速度較低，相角變化線(xiàn)性較好。四種濾波器的比較四種濾波器的比較購(gòu)購(gòu)買(mǎi)買(mǎi)濾濾波波器器必必須須指指定定種種類(lèi)類(lèi) (例例如如，低低通通)、逼逼近近方方式式 (例例如如，巴巴特特沃沃斯斯)、階階數(shù)數(shù)(例例如如，8)8)和和截截止止頻頻率率。對(duì)對(duì)于于切切比比雪雪夫夫和和橢圓濾波器，必須指明通帶和阻帶的波紋。橢圓濾波器，必須指明通帶和阻帶的波紋。6.4濾波器濾波器Page 77對(duì)信號(hào)做頻譜分析或摘取其中某些頻率成分時(shí)，可以通過(guò)對(duì)信號(hào)做頻譜分析或摘取其中某些頻率成分時(shí)，可以通過(guò)多個(gè)中心頻率不同的帶通濾波器實(shí)現(xiàn)，各個(gè)濾波器的輸出多個(gè)中心頻率不同的帶通濾波器實(shí)現(xiàn)，各個(gè)濾波器的輸出反映了信號(hào)在該通頻帶內(nèi)的量值。反映了信號(hào)在該通頻帶內(nèi)的量值。帶通濾波器實(shí)現(xiàn)譜分析可有兩種方式：帶通濾波器實(shí)現(xiàn)譜分析可有兩種方式：一一是由一中心頻率是由一中心頻率可調(diào)的帶通濾波器獨(dú)立構(gòu)成；可調(diào)的帶通濾波器獨(dú)立構(gòu)成；二二是使用各自中心頻率固定，是使用各自中心頻率固定，但又按一定規(guī)律相隔的濾波器組。但又按一定規(guī)律相隔的濾波器組。對(duì)濾波器組，各濾波器的通帶應(yīng)相互鄰接，覆蓋整個(gè)感興對(duì)濾波器組，各濾波器的通帶應(yīng)相互鄰接，覆蓋整個(gè)感興趣的頻帶。即前一濾波器的趣的頻帶。即前一濾波器的-3dB-3dB上截止頻率為后一相鄰濾上截止頻率為后一相鄰濾波器的波器的-3dB-3dB下截止頻率。濾波器組具有相同的增益（對(duì)各下截止頻率。濾波器組具有相同的增益（對(duì)各中心頻率而言）。中心頻率而言）。6.4.3 6.4.3 恒帶寬比和恒帶寬濾波器恒帶寬比和恒帶寬濾波器6.4濾波器濾波器Page 78倍頻程譜分析裝置倍頻程譜分析裝置6.4濾波器濾波器Page 79恒帶寬比濾波器恒帶寬比濾波器（恒定百分比帶通濾波器）（恒定百分比帶通濾波器）特點(diǎn)：特點(diǎn)：品質(zhì)因素品質(zhì)因素Q=fQ=fn n/B/B。采用相同。采用相同Q Q值的調(diào)諧濾波器做成鄰接式濾波器值的調(diào)諧濾波器做成鄰接式濾波器恒帶寬比濾波器恒帶寬比濾波器。中心頻率越大，其帶寬。中心頻率越大，其帶寬B B也越大，頻率分辨也越大，頻率分辨率越低。率越低。恒帶寬比濾波器的低端截止頻率恒帶寬比濾波器的低端截止頻率f fc c1 1與高端截止頻率與高端截止頻率f fc c2 2之間滿(mǎn)之間滿(mǎn)足如下關(guān)系：足如下關(guān)系：式中，式中，n n稱(chēng)為倍頻程數(shù)，稱(chēng)為倍頻程數(shù)，n n=1=1稱(chēng)為倍頻程濾波器；稱(chēng)為倍頻程濾波器；n n=1/3=1/3稱(chēng)為稱(chēng)為1/31/3倍頻程濾波器。倍頻程濾波器。恒帶寬比濾波器（恒帶寬比濾波器（1 1）6.4濾波器濾波器Page 80代入代入 ，有，有后一個(gè)濾波器的中心頻率后一個(gè)濾波器的中心頻率 與前一個(gè)濾波器的中心頻率與前一個(gè)濾波器的中心頻率 之之間有間有 6.4濾波器濾波器Page 81表表1 1 倍頻程濾波器倍頻程濾波器 表表2 1/32 1/3倍頻程濾波器倍頻程濾波器 中心頻率中心頻率(Hz)12.516202531.5405063帶寬帶寬(Hz)2.93.64.65.77.29.111.514.5中心頻率中心頻率(HzHz)161631.531.56363125125250250帶寬帶寬(HzHz)11.0511.0522.0922.0944.1944.1988.3688.36176.75176.75不同倍頻程濾波器不同倍頻程濾波器6.4濾波器濾波器Page 82恒帶寬比（恒帶寬比（Q Q為常數(shù)）的濾波器，其通頻帶在低頻段內(nèi)甚窄，為常數(shù)）的濾波器，其通頻帶在低頻段內(nèi)甚窄，而在高頻段內(nèi)則較寬。因此，濾波器組的頻率分辨率在低頻而在高頻段內(nèi)則較寬。因此，濾波器組的頻率分辨率在低頻段內(nèi)較好，在高頻段內(nèi)甚差。段內(nèi)較好，在高頻段內(nèi)甚差。為了使濾波器組的分辨率在所有頻段都具有同樣良好的頻率為了使濾波器組的分辨率在所有頻段都具有同樣良好的頻率分辨率，可以采用恒帶寬的濾波器。分辨率，可以采用恒帶寬的濾波器。恒帶寬濾波器恒帶寬濾波器 6.4濾波器濾波器Page 83恒帶寬與恒帶寬比濾波器比較恒帶寬與恒帶寬比濾波器比較 6.4濾波器濾波器Page 846.5信號(hào)顯示與記錄信號(hào)顯示與記錄電測(cè)量的最后環(huán)節(jié)，記錄各種信號(hào)變化規(guī)律。電測(cè)量的最后環(huán)節(jié)，記錄各種信號(hào)變化規(guī)律。模擬顯示設(shè)備模擬顯示設(shè)備數(shù)字顯示設(shè)備數(shù)字顯示設(shè)備圖像顯示設(shè)備圖像顯示設(shè)備磁帶記錄器磁帶記錄器存儲(chǔ)示波器存儲(chǔ)示波器基于通用設(shè)備及媒體的數(shù)字記錄技術(shù)基于通用設(shè)備及媒體的數(shù)字記錄技術(shù)顯顯示示記記錄錄Page 856.5.1 6.5.1 模擬指示儀表模擬指示儀表通過(guò)機(jī)械表頭或電流表表頭進(jìn)行指示。通過(guò)機(jī)械表頭或電流表表頭進(jìn)行指示。千分表和百分表。千分表和百分表。測(cè)試結(jié)果是通過(guò)一組精密齒條測(cè)試結(jié)果是通過(guò)一組精密齒條-齒輪副和機(jī)械表頭來(lái)指示的。齒輪副和機(jī)械表頭來(lái)指示的。6.5信號(hào)顯示與記錄信號(hào)顯示與記錄Page 86千分表結(jié)構(gòu)千分表結(jié)構(gòu)6.5信號(hào)顯示與記錄信號(hào)顯示與記錄Page 876.5.2數(shù)碼顯示儀表數(shù)碼顯示儀表大多數(shù)測(cè)試儀器都采用數(shù)碼顯示方式輸出測(cè)試結(jié)果大多數(shù)測(cè)試儀器都采用數(shù)碼顯示方式輸出測(cè)試結(jié)果。發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LightEmittingDiode,LED）、液晶顯示器）、液晶顯示器（LiquidCrystalDisplay,LCD）和熒光管顯示器（）和熒光管顯示器（VacuumFluorescentDisplay，VFD）。）。6.5信號(hào)顯示與記錄信號(hào)顯示與記錄Page 88各種測(cè)試信號(hào)輸戶(hù)與數(shù)碼顯示器的接口原理各種測(cè)試信號(hào)輸戶(hù)與數(shù)碼顯示器的接口原理6.5信號(hào)顯示與記錄信號(hào)顯示與記錄Page 89發(fā)光二極管（發(fā)光二極管（LED）數(shù)碼顯示）數(shù)碼顯示靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示 6.5信號(hào)顯示與記錄信號(hào)顯示與記錄Page 90液晶液晶(LCD)數(shù)碼顯示數(shù)碼顯示功耗極低、驅(qū)動(dòng)電壓也極低、集成度高、體積特小的數(shù)碼顯示功耗極低、驅(qū)動(dòng)電壓也極低、集成度高、體積特小的數(shù)碼顯示器。器。LCD的基本結(jié)構(gòu)及顯示原理 6.5信號(hào)顯示與記錄信號(hào)顯示與記錄Page 916.5.3圖像顯示儀表圖像顯示儀表現(xiàn)代測(cè)試儀器需要輸出的信息越來(lái)越多，越來(lái)越復(fù)雜，要求輸現(xiàn)代測(cè)試儀器需要輸出的信息越來(lái)越多，越來(lái)越復(fù)雜，要求輸出信號(hào)的實(shí)際波形出信號(hào)的實(shí)際波形圖像顯示技術(shù)圖像顯示技術(shù)。圖像顯示是點(diǎn)陣圖形顯示和視頻圖像顯示的總稱(chēng)。圖像顯示是點(diǎn)陣圖形顯示和視頻圖像顯示的總稱(chēng)。示波器（示波器（oscilloscope）適于顯示動(dòng)態(tài)信號(hào)的圖像。）適于顯示動(dòng)態(tài)信號(hào)的圖像。6.5信號(hào)顯示與記錄信號(hào)顯示與記錄Page 92工作原理：陰極產(chǎn)生自由電子、陽(yáng)極加速電子束、若偏轉(zhuǎn)板上工作原理：陰極產(chǎn)生自由電子、陽(yáng)極加速電子束、若偏轉(zhuǎn)板上有適當(dāng)幅值的電壓，電子束就會(huì)偏轉(zhuǎn)，使顯示器的特定位置的有適當(dāng)幅值的電壓，電子束就會(huì)偏轉(zhuǎn)，使顯示器的特定位置的磷發(fā)光。磷發(fā)光。示波器示波器陰極射線(xiàn)管的示意圖 6.5信號(hào)顯示與記錄信號(hào)顯示與記錄Page 93模擬示波器模擬示波器6.5信號(hào)顯示與記錄信號(hào)顯示與記錄Page 946.5.4信號(hào)記錄和存儲(chǔ)信號(hào)記錄和存儲(chǔ)可以記錄整個(gè)測(cè)試過(guò)程中所有的信號(hào)波形、參數(shù)及結(jié)果變化過(guò)可以記錄整個(gè)測(cè)試過(guò)程中所有的信號(hào)波形、參數(shù)及結(jié)果變化過(guò)程。程。磁帶記錄器：利用鐵磁性材料的磁化現(xiàn)象進(jìn)行模擬信號(hào)記錄的磁帶記錄器：利用鐵磁性材料的磁化現(xiàn)象進(jìn)行模擬信號(hào)記錄的儀器。儀器。1-磁帶 2-記錄磁頭 3-重放磁頭磁帶記錄器結(jié)構(gòu)示意圖 記錄過(guò)程記錄過(guò)程重放過(guò)程重放過(guò)程6.5信號(hào)顯示與記錄信號(hào)顯示與記錄Page 95記錄方式記錄方式直接記錄直接記錄頻率調(diào)制記錄頻率調(diào)制記錄6.5信號(hào)顯示與記錄信號(hào)顯示與記錄Page 96特點(diǎn)特點(diǎn)儲(chǔ)存在磁帶中的信息便于與數(shù)據(jù)處理設(shè)備及計(jì)算機(jī)連接。儲(chǔ)存在磁帶中的信息便于與數(shù)據(jù)處理設(shè)備及計(jì)算機(jī)連接。磁帶中的信息可以多次重放而不消失。磁帶中的信息可以多次重放而不消失。可以記錄從直流直到兆赫的交流信號(hào)，信噪比高，線(xiàn)性好，零可以記錄從直流直到兆赫的交流信號(hào)，信噪比高，線(xiàn)性好，零點(diǎn)漂移小，比較容易進(jìn)行多線(xiàn)記錄。點(diǎn)漂移小，比較容易進(jìn)行多線(xiàn)記錄。磁帶記錄可以快錄慢放，也可以慢錄快放，這在數(shù)據(jù)處理中是磁帶記錄可以快錄慢放，也可以慢錄快放，這在數(shù)據(jù)處理中是十分有用的。十分有用的。6.5信號(hào)顯示與記錄信號(hào)顯示與記錄Page 97數(shù)字存儲(chǔ)設(shè)備（數(shù)字存儲(chǔ)設(shè)備（1）（1）數(shù)字存儲(chǔ)示波器）數(shù)字存儲(chǔ)示波器6.5信號(hào)顯示與記錄信號(hào)顯示與記錄Page 98數(shù)字存儲(chǔ)設(shè)備（數(shù)字存儲(chǔ)設(shè)備（2）（2）通用數(shù)字記錄設(shè)備）通用數(shù)字記錄設(shè)備任何一臺(tái)通用的計(jì)算機(jī)，配上滿(mǎn)足信號(hào)采集要求的數(shù)據(jù)采集卡，任何一臺(tái)通用的計(jì)算機(jī)，配上滿(mǎn)足信號(hào)采集要求的數(shù)據(jù)采集卡，再輔以其它外設(shè)數(shù)字存儲(chǔ)媒體：磁帶、磁盤(pán)、光盤(pán)、新型的固再輔以其它外設(shè)數(shù)字存儲(chǔ)媒體：磁帶、磁盤(pán)、光盤(pán)、新型的固態(tài)半導(dǎo)體存儲(chǔ)盤(pán)等，就可以構(gòu)成一臺(tái)通用的測(cè)試信號(hào)數(shù)字記錄態(tài)半導(dǎo)體存儲(chǔ)盤(pán)等，就可以構(gòu)成一臺(tái)通用的測(cè)試信號(hào)數(shù)字記錄設(shè)備。設(shè)備。6.5信號(hào)顯示與記錄信號(hào)顯示與記錄Page 993.3.信號(hào)記錄和存儲(chǔ)的發(fā)展趨勢(shì)信號(hào)記錄和存儲(chǔ)的發(fā)展趨勢(shì)用數(shù)據(jù)采集儀器進(jìn)行信號(hào)的記錄；用數(shù)據(jù)采集儀器進(jìn)行信號(hào)的記錄；與計(jì)算機(jī)內(nèi)插與計(jì)算機(jī)內(nèi)插A/D卡的形式進(jìn)行信號(hào)記錄卡的形式進(jìn)行信號(hào)記錄；利用新型儀器前端直接數(shù)據(jù)采集與記錄功能利用新型儀器前端直接數(shù)據(jù)采集與記錄功能。6.5信號(hào)顯示與記錄信號(hào)顯示與記錄