第5章 信號調理

1、信號調理是對連續(xù)信號進行分析處理的過程，是利用信號調理是對連續(xù)信號進行分析處理的過程，是利用一定的數學模型所組成的運算網絡來實現的。一定的數學模型所組成的運算網絡來實現的。 由傳感器獲取的信號一般是微弱、緩變電信號，通常由傳感器獲取的信號一般是微弱、緩變電信號，通常需要通過調制、放大、解調、濾波等中間變換后再送記需要通過調制、放大、解調、濾波等中間變換后再送記錄儀器記錄或送計算機作信號處理。錄儀器記錄或送計算機作信號處理。 目的是目的是便于傳輸和分析，例如：遠距離傳輸、剔除干便于傳輸和分析，例如：遠距離傳輸、剔除干擾噪聲、頻譜分析。擾噪聲、頻譜分析。8563ASPECTRUM ANALYZER

2、 9 kHz - 26.5 GHz第五章第五章 信號調理信號調理幅度增加幅度增加(1)抗干擾抗干擾;(2)阻抗匹配阻抗匹配一、目的一、目的8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號放大信號放大二、性能二、性能1)足夠的放大倍數；足夠的放大倍數；2)高輸入阻抗，低輸出阻抗；高輸入阻抗，低輸出阻抗；3)高共模抑制能力；高共模抑制能力；4)低溫漂、低噪聲、低失調電壓和電流。低溫漂、低噪聲、低失調電壓和電流。一、反相放大器一、反相放大器 1RRAFv 反饋電阻反饋電阻RF值不能太大，否則會產生較大的噪聲及漂移，一般為值不能太大，否則會產生較大的噪聲

3、及漂移，一般為幾十千歐至幾百千歐。幾十千歐至幾百千歐。R1的取值應遠大于信號源的取值應遠大于信號源Ui的內阻。的內阻。 閉環(huán)電壓增益閉環(huán)電壓增益Av8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號放大信號放大二、同相放大器二、同相放大器 11RRAFv 同相放大器輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低，廣泛用于前置同相放大器輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低，廣泛用于前置放大級。放大級。 閉環(huán)電壓增益閉環(huán)電壓增益Av8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號放大信號放大四、交流放大電路四、交流放大電路 若只需

4、要放大交流信號，可采用集若只需要放大交流信號，可采用集成運放交流電壓同相放大器。其中成運放交流電壓同相放大器。其中C1、C2及及C3為隔直電容為隔直電容 11RRAFvR1一般取幾十千歐。耦合電容一般取幾十千歐。耦合電容C1、C3根據交流放大器的下限頻率根據交流放大器的下限頻率fL確定確定 )2/()103(31LLfRCC8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號放大信號放大 電容式傳感器、壓電式傳感器高阻抗輸出變換為低阻抗電容式傳感器、壓電式傳感器高阻抗輸出變換為低阻抗輸出；放大傳感器輸出的微弱信號。輸出；放大傳感器輸出的微弱信號。 電

5、壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓(即傳感器的輸出即傳感器的輸出)成成正比。正比。 電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。 (1)電壓放大器電壓放大器8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號放大信號放大 等效電阻等效電阻 R = Ra / Ri 等效電容等效電容 C = Ca + Cc + Ci 放大器輸入電壓放大器輸入電壓RCjRiUi1ii 假設作用在壓電元件上的力為假設作用在壓電元件上的力為F，F=Fmsint，壓，壓電元件產生電荷電元件產生電荷Q=dF8563A

6、SPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號放大信號放大tdFtQimcosd/dRCjRjFdUi1 寫成復數寫成復數FdjI 輸入電壓幅值輸入電壓幅值2)(1RCRdFUmi 測量靜態(tài)力測量靜態(tài)力(=0)，輸入電壓，輸入電壓=0不能測量靜態(tài)量不能測量靜態(tài)量8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號放大信號放大 傳感器傳感器電壓靈敏度電壓靈敏度CdCRdFUSmiV22)/1 ( 電纜長度對傳感器測量精度影響較大。電纜長度對傳感器測量精度影響較大。 解決辦法：解決辦法： 將放大器裝入傳感器中，組成

7、一體化傳感器。將放大器裝入傳感器中，組成一體化傳感器。8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號放大信號放大(2)電荷放大器電荷放大器 反饋電容折合到放大器輸入端的有效電容為反饋電容折合到放大器輸入端的有效電容為(1+K)Cf。當當Ri相當大時，放大器輸出電壓正比于輸入電荷相當大時，放大器輸出電壓正比于輸入電荷)1 (/0ficaCKCCCKQU8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號放大信號放大 K1 (1+K)CfCa + Cc + Ci，放大器輸出電壓放大器輸出電壓fCQU/0

8、當當(1+K)Cf10(Ca + Cc + Ci)時時，認為放大器靈敏度與認為放大器靈敏度與電纜電容無關。電纜電容無關。 實際電路中，實際電路中，K為為104106數量級，反饋電容一般不數量級，反饋電容一般不小于小于100pF。為減小零漂，提高放大器工作穩(wěn)定性，一。為減小零漂，提高放大器工作穩(wěn)定性，一般在反饋電容兩端并聯一大電阻般在反饋電容兩端并聯一大電阻Rf( 10101014)來提供來提供直流反饋。直流反饋。)1 (/0ficaCKCCCKQU8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號放大信號放大五、基本差動放大電路五、基本差動放大電路

9、 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號放大信號放大設運算放大器的開環(huán)增益為設運算放大器的開環(huán)增益為A、輸入阻抗無限大、輸入阻抗無限大 1012iuuuuRR234iuuuRR0()uA uu8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號放大信號放大令令A=，有，有 12420213411iiRRRRuuuRRRR 如果電路具有抗共模干擾的能力，如果電路具有抗共模干擾的能力，ui2和和ui1前面的系數前面的系數必須一致必須一致 12423411RRRRKRRRR2413RRKRR021(

10、)iiuK uu8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號放大信號放大021()iiuK uu 按上式嚴格地調節(jié)電阻，也難以將按上式嚴格地調節(jié)電阻，也難以將uo中所包含的同相信中所包含的同相信號完全消除，因為集成運算放大器本身的共模抑制比號完全消除，因為集成運算放大器本身的共模抑制比CMMR就是一個有限值。就是一個有限值。 基本差動放大電路對共模信號的抑制能力：基本差動放大電路對共模信號的抑制能力： 1)運算放大器本身的共模抑制比運算放大器本身的共模抑制比CMMR； 2)外接的匹配電阻外接的匹配電阻R1、R2、R3和和R4。 若運算放大器本

11、身的若運算放大器本身的CMRR=時時,差動放大器對共模信差動放大器對共模信號的抑制能力主要取決于外接匹配電阻的匹配情況；若外號的抑制能力主要取決于外接匹配電阻的匹配情況；若外接匹配電阻匹配很好接匹配電阻匹配很好,差動放大電路對共模信號的抑制能差動放大電路對共模信號的抑制能力主要取決于集成運算放大器本身的力主要取決于集成運算放大器本身的CMRR。8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號放大信號放大六、高輸入阻抗放大電路六、高輸入阻抗放大電路 電容式或壓電式傳感器的輸出阻抗很高，要求其信號放電容式或壓電式傳感器的輸出阻抗很高，要求其信號放大電

12、路具有很高的輸入阻抗與之相匹配。大電路具有很高的輸入阻抗與之相匹配。 同相并聯或同相串聯型輸入的差動放大電路。同相并聯或同相串聯型輸入的差動放大電路。 由三個運算放大器構成的同相并聯型高輸入阻抗的差動放大電路由三個運算放大器構成的同相并聯型高輸入阻抗的差動放大電路 設運算放大器設運算放大器N1、N2、N3的輸入阻抗和開環(huán)增益均為無限大的輸入阻抗和開環(huán)增益均為無限大 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號放大信號放大由由N1、N2有有 022211012P1iiiiuuuuuuRRR202212P()iiiRuuuuR101211P(u)

13、iiiRuuuR 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號放大信號放大21020121P(1)()iiRRuuuuRN3構成基本差動放大電路，有構成基本差動放大電路，有 4002013()RuuuR4210213P(1)()iiRRRuuuRR8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號放大信號放大4210213P(1)()iiRRRuuuRR 如果運算放大器是理想的，輸入級的差動輸出及其差如果運算放大器是理想的，輸入級的差動輸出及其差模增益只與差模輸入電壓有關。模增益只與差模輸入電壓有

14、關。 由于實際運算放大器的非理想化，要求在選用時由于實際運算放大器的非理想化，要求在選用時N1和和N2的性能參數應嚴格一致，包括輸入阻抗、共模抑制比、的性能參數應嚴格一致，包括輸入阻抗、共模抑制比、開環(huán)增益及溫度系數等。同時為了盡量消除開環(huán)增益及溫度系數等。同時為了盡量消除N1、N2偏置偏置電流的影響，應當取電流的影響，應當取R1=R2。 N3周圍電阻的選取可參考基本差動放大電路。周圍電阻的選取可參考基本差動放大電路。8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號放大信號放大同相串聯高輸入阻抗差動放大電路同相串聯高輸入阻抗差動放大電路 設運算放

15、大器設運算放大器N1、N2的輸入阻抗和的輸入阻抗和開環(huán)增益為無限大開環(huán)增益為無限大 20111(1)iRuuR 輸出電壓輸出電壓uo組成：組成： ui1產生的輸出產生的輸出uo，ui2產生的輸出產生的輸出uo420131(1)iRRuuRR 4023(1)iRuuR8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 信號放大信號放大42400012313(1)(1)iiRRRuuuuuRRR 如果要求電路有較強的抑制共模信號能力如果要求電路有較強的抑制共模信號能力 424313(1)(1)RRRRRR3214RRRR10212(1)()iiRuuuR 同

16、相串聯差動放大器的共模抑制比取決于兩運算放大器同相串聯差動放大器的共模抑制比取決于兩運算放大器的的CMRR和電阻匹配精度。和電阻匹配精度。 解決微弱緩變信號的放大以及信號的傳解決微弱緩變信號的放大以及信號的傳輸問題。輸問題。 先將微弱的緩變信號加載到高頻交流信號中去，然后利先將微弱的緩變信號加載到高頻交流信號中去，然后利用交流放大器進行放大，最后再從放大器的輸出信號中取用交流放大器進行放大，最后再從放大器的輸出信號中取出放大了的緩變信號。出放大了的緩變信號。 第二節(jié)第二節(jié) 調制調制8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第五章第五章 信號調理信號調理1.為

17、什么調制？為什么調制？2. 調制類型調制類型調制信號調制信號x(t)載波信號載波信號)2cos()(ftAtza) 幅度調制幅度調制(AM)2cos()(*)(0fttxAtyb) 頻率調制頻率調制(FM)*)(2cos()(0ttxfAtyc) 相位調制相位調制(PM)(2cos()(0txftAty8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第二節(jié)第二節(jié) 調制調制(一一) 幅度調制幅度調制 0( )( )cos(2)y tA x tft 調幅是將一個高頻正弦信號調幅是將一個高頻正弦信號(或稱載波或稱載波)與測試信號與測試信號相乘，使載波信號幅值隨測試信號的

18、變化而變化。相乘，使載波信號幅值隨測試信號的變化而變化。1.調幅原理調幅原理一一 、幅度調制與解調、幅度調制與解調8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 調制調制1)幅度調制幅度調制(數學描述數學描述)乘法器乘法器放大器放大器x(t)y(t)x m(t)( )( )( )( )x ty tX fY f1100022( ) cos2()()y tf tffff)2cos()()(0tftxtxm)()(21)()(21)(00fffXfffXtxm 調幅過程相當于頻率調幅過程相當于頻率“搬移搬移”過程。過程。8563ASPECTRUM ANAL

19、YZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 調制調制2)幅度調制幅度調制(波形與頻譜分析波形與頻譜分析)乘法器乘法器放大器放大器x(t)y(t)x m(t)Y(f) f0f0 fm f0fmf08563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 調制調制2.非抑制調幅非抑制調幅 若把調制信號若把調制信號x(t)進行偏置，疊加一個直流分量進行偏置，疊加一個直流分量A，使偏置，使偏置后的信號都具有正電壓，調幅波表達式為后的信號都具有正電壓，調幅波表達式為0( )1( )cos2mxtAmx tf tm1調幅指數。這種調制方法稱為非抑制調幅，或偏置

20、調幅。其調幅波調幅指數。這種調制方法稱為非抑制調幅，或偏置調幅。其調幅波的包絡線具有原信號形狀。對于非抑制調幅波，一般采用整流、濾波的包絡線具有原信號形狀。對于非抑制調幅波，一般采用整流、濾波(或稱或稱包絡檢波整流包絡檢波整流)以后，就可以恢復原信號。以后，就可以恢復原信號。8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 調制調制(二二) 幅度解調幅度解調 00111() ()( )(2 )(2 )244mF x t ytX fX ffX ff 用低通濾波器濾除高頻成分，將可以復現用低通濾波器濾除高頻成分，將可以復現原信號的頻譜原信號的頻譜(只是幅值

21、減半只是幅值減半)同步解調同步解調1.幅度解調幅度解調(數學描述數學描述) 把調幅波把調幅波xm(t) 再次與再次與y(t)信號相乘，則頻域圖形將再一信號相乘，則頻域圖形將再一次進行次進行“搬移搬移”。乘法器乘法器濾波器濾波器y(t)x(t)xm(t)8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 調制調制2.幅度解調幅度解調(波形與頻譜分析波形與頻譜分析)乘法器乘法器濾波器濾波器y(t)x(t)xm(t) f0f0f0 2f02f0Y(f)Xm(f)Y(f)y(t)f08563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第

22、一節(jié)第一節(jié) 調制調制(三三) 調幅波的波形失真調幅波的波形失真 1.過調失真過調失真 對于非抑制調幅，其直流偏置必須足夠大，要求調對于非抑制調幅，其直流偏置必須足夠大，要求調幅指數幅指數m1。因為當。因為當m1時，當時，當x(t)取最大負值時，可取最大負值時，可能使能使A1+mx(t ) 0，這意味著，這意味著x(t)的相位將發(fā)生的相位將發(fā)生1800倒倒相，此稱為過調。此時，如果采用包絡法檢波，則檢相，此稱為過調。此時，如果采用包絡法檢波，則檢出的信號就會發(fā)生失真，而不能恢復原信號。出的信號就會發(fā)生失真，而不能恢復原信號。相敏檢波相敏檢波8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz

23、 - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 調制調制2.重疊失真重疊失真 調幅波是由一對每邊為調幅波是由一對每邊為fm的雙邊帶信號組成。當的雙邊帶信號組成。當載波頻率載波頻率f0較低時，正頻端的下邊帶將與負頻端的較低時，正頻端的下邊帶將與負頻端的下邊帶相重疊。要求下邊帶相重疊。要求: f0fm 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 調制調制3.相敏檢波相敏檢波 相敏檢波器是一種能根據調幅波和載波的相位差來判別調制相敏檢波器是一種能根據調幅波和載波的相位差來判別調制信號極性的解調器，它適合對各種類型的調幅波進行解調信號極性的解調器，它適合對各種類型的

24、調幅波進行解調應用實例應用實例: :動態(tài)應變儀動態(tài)應變儀同步調制同步調制與解調與解調 將信號將信號x(t)直接與載直接與載波波z(t)相乘。這種調幅相乘。這種調幅波具有極性變化，解調波具有極性變化，解調時必須再乘與時必須再乘與z(t)相位相位相同的相同的z(t) 方能復原出方能復原出原信號，故稱同步解調原信號，故稱同步解調 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 調制調制1.頻率調制頻率調制：用調制信號：用調制信號(低頻低頻)x(t)的幅值去控制載波信號的幅值去控制載波信號(高頻高頻)的頻率的過程的頻率的過程利用信號電壓的幅值去控制一個振蕩器

25、，振蕩利用信號電壓的幅值去控制一個振蕩器，振蕩器的輸出是等幅波，但其振蕩頻率的變化與信號電壓成比例器的輸出是等幅波，但其振蕩頻率的變化與信號電壓成比例 信號電壓為零時，調頻波的頻率等于中心頻率，信號電壓為正信號電壓為零時，調頻波的頻率等于中心頻率，信號電壓為正時頻率增加，負值時降低時頻率增加，負值時降低調頻波是隨信號調頻波是隨信號x(t)的電壓幅值而的電壓幅值而變化的疏密不等的等幅波變化的疏密不等的等幅波)*)(2cos()(0ttxfAty二、二、 頻率調制頻率調制8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 調制調制普通方法是將傳感器輸出的電壓

26、信號輸入到一個電壓普通方法是將傳感器輸出的電壓信號輸入到一個電壓/頻率頻率(V/F)變換器，變換器輸出的是一個被調制信號進行了頻率調制變換器，變換器輸出的是一個被調制信號進行了頻率調制的已調制波。的已調制波。 方法二是利用電抗元件組成調諧振蕩器。電抗元件方法二是利用電抗元件組成調諧振蕩器。電抗元件(電容或電容或電感電感)作為傳感器，檢取被測量，作為調制信號輸入，振蕩器作為傳感器，檢取被測量，作為調制信號輸入，振蕩器原有的信號為載波。當有調制信號輸入時振蕩器輸出即是被調原有的信號為載波。當有調制信號輸入時振蕩器輸出即是被調制了的已調制波制了的已調制波2.頻率調制器及工作原理頻率調制器及工作原理8

27、563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 調制調制串聯諧振串聯諧振電阻、電容、電感串聯，復阻抗電阻、電容、電感串聯，復阻抗 )1(1CLjRLjCjRZLC10電壓、電流同相，電路發(fā)生諧振電壓、電流同相，電路發(fā)生諧振 并聯諧振并聯諧振電容、電感并聯，復導納電容、電感并聯，復導納 )1(1LCjCjLjYLC10電壓、電流同相，電路發(fā)生諧振電壓、電流同相，電路發(fā)生諧振 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 調制調制回路中回路中L、C如果沒有衰減，是按如果沒有衰減，是按Asin0t作簡諧振動變化的

28、，作簡諧振動變化的，傳感器電傳感器電容容(或電感或電感)的變化使調頻振蕩器的振的變化使調頻振蕩器的振蕩頻率發(fā)生相應變化。蕩頻率發(fā)生相應變化。振蕩頻率為振蕩頻率為3. LC振蕩器振蕩器C0L001LC測量過程中，電容值由測量過程中，電容值由C0增增大大C，回路振蕩頻率變?yōu)?，回路振蕩頻率變?yōu)?(10CCL 變換為變換為0000/11)/1 (1CCCCLC8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 調制調制用級數將后項展開，并略去高次項，得用級數將后項展開，并略去高次項，得 表明：當被測物理量變化引起振蕩回路中的電容變表明：當被測物理量變化引起振蕩回

29、路中的電容變化時，振蕩回路的角頻率在原來化時，振蕩回路的角頻率在原來0疊加疊加頻率，頻率，是隨被測物理量變化而變化的是隨被測物理量變化而變化的振蕩器的角頻率振蕩器的角頻率受受控于被測物理量，被測物理量即是一個調制信號，這控于被測物理量，被測物理量即是一個調制信號，這就是一種調頻過程。就是一種調頻過程。 在小范圍內，振蕩器輸出頻率與被測信號呈近似線性關在小范圍內，振蕩器輸出頻率與被測信號呈近似線性關系，從而實現調頻。系，從而實現調頻。)2/1 (00CC設設得得0 002CC8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 調制調制4.頻率調制優(yōu)缺點頻率

30、調制優(yōu)缺點改善信噪比改善信噪比因為調頻信號所攜帶的信息包含在頻率變因為調頻信號所攜帶的信息包含在頻率變化之中并非振幅之中，而干擾波的干擾作用主要表現在振幅之化之中并非振幅之中，而干擾波的干擾作用主要表現在振幅之中中1)優(yōu)點：優(yōu)點：抗干擾能力強抗干擾能力強調頻波要求很寬的頻帶，甚至是調幅所要求帶寬的調頻波要求很寬的頻帶，甚至是調幅所要求帶寬的20倍倍調頻系統(tǒng)較調幅系統(tǒng)要復雜，分析要困難，而實調頻系統(tǒng)較調幅系統(tǒng)要復雜，分析要困難，而實際上調頻波的分析也只是近似的際上調頻波的分析也只是近似的2)缺點：缺點：占頻帶寬度大，復雜占頻帶寬度大，復雜8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz

31、- 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 調制調制(二二) 頻率解調頻率解調-鑒頻鑒頻 鑒頻是將頻率變化的等幅調頻鑒頻是將頻率變化的等幅調頻波，按其頻率變化復現調制信號波，按其頻率變化復現調制信號波形的過程波形的過程 圖示為變壓器耦合的諧振回路圖示為變壓器耦合的諧振回路鑒頻器。鑒頻器。a)鑒頻器鑒頻器 b) 頻率頻率-電壓電壓特性曲線特性曲線 L1和和L2是耦合變壓器的原、副邊線圈，分別與是耦合變壓器的原、副邊線圈，分別與C1、C2組成并聯諧振回路。組成并聯諧振回路。調頻波調頻波uf經經L1、L2耦合，加在耦合，加在L2、C2諧振回路上，在其兩端獲得諧振回路上，在其兩端獲得b圖所示圖所示的頻率的頻率電

32、壓特性曲線。在電壓特性曲線。在L2、C2回路的諧振頻率處，線圈回路的諧振頻率處，線圈L1和和L2的耦合的耦合電流最大，副邊輸出電壓電流最大，副邊輸出電壓ua也最大。也最大。 頻率偏離，頻率偏離，ua值下降。值下降。ua與與uf頻率一頻率一致，但幅值隨致，但幅值隨uf的頻率變化而改變。通常利用特性曲線的亞諧振區(qū)近似直的頻率變化而改變。通常利用特性曲線的亞諧振區(qū)近似直線的一段實現頻率線的一段實現頻率電壓變換，使調頻波的中心頻率處于該近似直線段電壓變換，使調頻波的中心頻率處于該近似直線段的中點，從而使調頻波的振幅隨其頻率變化而基本呈線性變化，成為調的中點，從而使調頻波的振幅隨其頻率變化而基本呈線性變

33、化，成為調頻頻-調幅波。調幅波。 經過線性變換后，調頻經過線性變換后，調頻-調幅波再經過幅值檢波、低通濾波后實現解調，調幅波再經過幅值檢波、低通濾波后實現解調，復現調制信號。復現調制信號。8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第一節(jié)第一節(jié) 調制調制一、 概述概述 1. 什么是濾波器什么是濾波器 濾波器是一種選頻裝置濾波器是一種選頻裝置 凡是可以使信號中特定頻率成分通凡是可以使信號中特定頻率成分通過，而極大地衰減其他頻率成分的裝過，而極大地衰減其他頻率成分的裝置稱之為濾波器置稱之為濾波器 濾除干擾噪聲或進行頻譜分析濾除干擾噪聲或進行頻譜分析2. 濾波器分類

34、濾波器分類(根據濾波根據濾波器的選頻作用分器的選頻作用分) 低低通通高通高通帶帶通通帶阻帶阻8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器 1.根據濾波器根據濾波器處理信號的性質處理信號的性質分：分： 數字濾波數字濾波(數字信號分析數字信號分析)、模擬濾波、模擬濾波(自動檢測、控制自動檢測、控制) 2根據濾波器的根據濾波器的構成元件類型構成元件類型分分 RC、LC、晶體諧振濾波器、晶體諧振濾波器 3根據構成濾波器根據構成濾波器電路的性質電路的性質分分 有源濾波器、無源濾波器有源濾波器、無源濾波器二、理想濾波器二、理想濾波器 與實際濾波器

35、與實際濾波器 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器(一一) 理想濾波器理想濾波器 理想濾波器是指能使通帶內信號的幅值和相位都不失真，理想濾波器是指能使通帶內信號的幅值和相位都不失真，阻帶內的頻率成分都衰減為零的濾波器阻帶內的頻率成分都衰減為零的濾波器 根據線性系統(tǒng)的不失真?zhèn)鬏敆l件，理想測量系統(tǒng)的頻率響根據線性系統(tǒng)的不失真?zhèn)鬏敆l件，理想測量系統(tǒng)的頻率響應函數是應函數是 02 0jf tH fA e(A0和和t0為常數為常數 )理想濾波器的頻率響應理想濾波器的頻率響應H(f)應滿足應滿足02 00jftA eHf|f|f08563

36、ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器為什么理想濾波器是物理不可實現濾波器？為什么理想濾波器是物理不可實現濾波器？ 理想濾波器在時域內的脈沖響應函數理想濾波器在時域內的脈沖響應函數 h(t)為為 sinc函數。脈沖函數。脈沖響應的波形沿橫坐標左、右無限延伸。響應的波形沿橫坐標左、右無限延伸。 給理想濾波器一個脈沖激勵，在給理想濾波器一個脈沖激勵，在t=0時刻單位脈沖輸入濾波時刻單位脈沖輸入濾波器之前，即在器之前，即在t0時，濾波器已經有響應時，濾波器已經有響應物理不可實現。物理不可實現。波波形形8563ASPECTRUM ANALYZE

37、R 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器(二二)實際濾波器實際濾波器 1)紋波幅度紋波幅度d ：濾波器頂部幅值波動量濾波器頂部幅值波動量 波動幅度波動幅度d與幅頻特性平均值與幅頻特性平均值A0相比應小于相比應小于-3dB 2)截止頻率截止頻率fc ：幅頻特性值等于：幅頻特性值等于0.707A0所對應的頻率所對應的頻率 理想和實際帶通濾波器的幅理想和實際帶通濾波器的幅頻特性如圖。理想濾波器的頻特性如圖。理想濾波器的特性只需用截止頻率描述，特性只需用截止頻率描述，實際濾波器的特性曲線需用實際濾波器的特性曲線需用更多參數描述更多參數描述實際濾波器主要參數：實際濾波器主要參數：紋

38、波幅度、截止頻率、帶寬、品質因紋波幅度、截止頻率、帶寬、品質因數數(Q值值)、倍頻程選擇性、倍頻程選擇性8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器 截止頻率的大小取決于系統(tǒng)固有參數截止頻率的大小取決于系統(tǒng)固有參數 一階系統(tǒng)，當一階系統(tǒng)，當A=0.707A0時，時，=1， =1/ 截止頻截止頻率，取決于時間常數；二階系統(tǒng)，率，取決于時間常數；二階系統(tǒng)， =0.707，當，當A=0.707A0時，時， = n，取決于系統(tǒng)的固有頻率取決于系統(tǒng)的固有頻率 3)帶寬帶寬B和品質因數和品質因數Q：上下兩截止頻率間的頻率范圍上下兩截止頻率間的頻率

39、范圍帶寬帶寬 00/22 0 lg3Ad BA fc2fc1 負三分貝帶寬，標以負三分貝帶寬，標以B-3dB中心頻率中心頻率fn和帶寬和帶寬B之比稱為帶通濾波器的品質因數之比稱為帶通濾波器的品質因數QQ= fn/B8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器4)倍頻程選擇性倍頻程選擇性W：在上截止頻率在上截止頻率fc2與與2fc2之間，或在下截止之間，或在下截止頻率頻率fc1與與0.5fc1 之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個倍頻程之間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個倍頻程時的衰減量時的衰減量(倍頻程衰減量倍頻程衰減量)，dB/oc

40、t5)濾波器因數濾波器因數：用濾波器幅頻特性圖上的橫坐標值來定義，濾用濾波器幅頻特性圖上的橫坐標值來定義，濾波器幅頻特性值為波器幅頻特性值為-60dB處的帶寬處的帶寬B-60dB和和-3dB處的帶寬處的帶寬B-3dB比值比值Q = fn / BQ值越大，表明頻率分辨力越高值越大，表明頻率分辨力越高(帶寬越窄帶寬越窄) 理想濾波器理想濾波器=1，實際濾波器，實際濾波器=15 濾波器阻帶衰減倍數達不到，以標明的衰減倍數帶寬與濾波器阻帶衰減倍數達不到，以標明的衰減倍數帶寬與-3dB處的帶寬之比表示處的帶寬之比表示8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三

41、節(jié) 濾波器濾波器(一一) RC無源濾波器無源濾波器 RC濾波器電路簡單，抗干擾強，有較好的低頻性能，并且選濾波器電路簡單，抗干擾強，有較好的低頻性能，并且選用標準阻容元件用標準阻容元件 1.一階一階RC低通濾波器低通濾波器 三、三、 RC模擬濾波器分析模擬濾波器分析 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器 輸入電壓輸入電壓e0，輸出電壓，輸出電壓ey，建立微分方程，建立微分方程 teeRCtiCeeycyd)(1d100ddeeteRCyyRCssH11)(jjH11)(8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz

42、- 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器幅頻幅頻22)2(11)(11)(fRCA相頻相頻 ( )arctan()arctan(2)fRC 當當A(f)=1時，時，2fRC1f1/2RC，信號幾乎不衰減，信號幾乎不衰減，且且(f)f近似直線關系近似直線關系不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)當當f=1/2RC，A(f)=0.707濾波器的濾波器的-3dB點，對應的點，對應的頻率為頻率為上截止頻率上截止頻率當當A(f)0時，時，ey1f1/2RC，信號幾乎不衰減，信號幾乎不衰減，且且(f) 0不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)不失真?zhèn)鬏斚到y(tǒng)當當f=1/2RC，A(f)=0.707濾波器的濾波器的-3dB點，對應的頻點

43、，對應的頻率為率為下截止頻率下截止頻率當當A(f)0時，時，eye0 0d1eteRCeyyteRCeydd0微分器微分器 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器3. RC帶通濾波器帶通濾波器 傳遞函數傳遞函數上截止頻率上截止頻率下截止頻率下截止頻率8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器(二二) RC有源濾波器有源濾波器 有源濾波器由有源濾波器由RC調諧網絡和運算放大器組成調諧網絡和運算放大器組成。運算放大器既。運算放大器既作為級間隔離又起信號放大作用。常見有源低

44、通濾波器和有源作為級間隔離又起信號放大作用。常見有源低通濾波器和有源帶通濾波器。圖示一階帶通濾波器。圖示一階有源低通濾波器。有源低通濾波器。頻率特性頻率特性RCjeexc1RCjeRReRRexFFy1)1 ()1 (118563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器RC/1/10截止頻率截止頻率 靈敏度靈敏度 RCjRReeKFxy1/11201)/(1/1RRKF1/10RRKF2/110RRKF 一階有源濾波器：一階有源濾波器：隔離、放大方面優(yōu)于無源濾波器，仍隔離、放大方面優(yōu)于無源濾波器，仍存在過渡區(qū)域衰減緩慢缺點，尋求高階濾波器

45、存在過渡區(qū)域衰減緩慢缺點，尋求高階濾波器 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器四、四、 恒帶寬、恒帶寬比濾波器恒帶寬、恒帶寬比濾波器 實際濾波器頻率通帶可調，根據實際濾波器中心頻率與帶實際濾波器頻率通帶可調，根據實際濾波器中心頻率與帶寬之間的數值關系，分寬之間的數值關系，分2. 恒帶寬比帶通濾波器恒帶寬比帶通濾波器 1. 恒帶寬帶通濾波器恒帶寬帶通濾波器 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器3. 1/3倍頻程濾波器倍頻程濾波器8563ASPECTRUM ANA

46、LYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器五、五、 濾波器應用濾波器應用應用一：無損探傷應用一：無損探傷濾除信號中的零漂和低頻晃動，便于門限報警濾除信號中的零漂和低頻晃動，便于門限報警8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器應用二：機床軸心軌跡的濾波處理應用二：機床軸心軌跡的濾波處理 濾除信號中的高頻噪聲，以便于觀察軸心運動規(guī)律濾除信號中的高頻噪聲，以便于觀察軸心運動規(guī)律8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器六、典型濾波器六、典型濾波器

47、傳遞函數傳遞函數niimjjnnmmasbskasasabsbsbsXsYsH110101)()()()()( 實際濾波器在通頻帶內不平坦；在過渡部分不陡直；實際濾波器在通頻帶內不平坦；在過渡部分不陡直；阻帶部分不為零。阻帶部分不為零。 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器 最佳逼近特性標準根據濾波器性能的不同需要確定。最佳逼近特性標準根據濾波器性能的不同需要確定。 從幅頻特性提出要求從幅頻特性提出要求Butterworth濾波器、濾波器、濾波器；濾波器； 從相頻特性提出要求從相頻特性提出要求Bessel濾波器。濾波器。1.

48、Butterworth濾波器濾波器幅頻特性幅頻特性ncH2)/(1/1)(當當=0時，時，H()取得最大值；取得最大值；=c時，時，H()=0.707低通濾波器的截止頻率低通濾波器的截止頻率 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器ncH2)/(1/1)(當當=0時，時，H()取得最大值；取得最大值；=c時，時，H()=0.707低通濾波器的截止頻率低通濾波器的截止頻率隨隨n值增大，函數曲線與理想特性的近似程度改善值增大，函數曲線與理想特性的近似程度改善在在/c1范圍內，范圍內，n(/c)2n，H()0，衰減越，衰減越快。快。85

49、63ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器2. 濾波器濾波器幅頻特性幅頻特性 )/(1/1)(22cnTH -決定通帶紋波大小的系數，波紋的產生是由于實決定通帶紋波大小的系數，波紋的產生是由于實際濾波網絡中含有電抗元件際濾波網絡中含有電抗元件 Tn-第一類切貝雪夫多項式，在通帶內第一類切貝雪夫多項式，在通帶內(/c1)， )arccoscos()/(ccnnT8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器通帶通帶/c1;通帶內特性起伏，對于同樣通帶內特性起伏，對于同樣n值進入阻帶

50、后較值進入阻帶后較Butterworth衰減陡峭衰減陡峭;截止頻率點截止頻率點/c=1處，衰減不是處，衰減不是-3dB，按，按1/ 21計算計算; 值小，通帶起伏小，截止頻率點衰減小，進入阻帶值小，通帶起伏小，截止頻率點衰減小，進入阻帶后衰減特性變化緩慢。后衰減特性變化緩慢。 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器3. Bessel濾波器濾波器最平時延最平時延/恒時延濾波器恒時延濾波器相移與頻率呈正比相移與頻率呈正比時移時移= -d()/d幅頻特性欠佳。幅頻特性欠佳。七、濾波器組合使用七、濾波器組合使用 串聯、并聯串聯、并聯 串

51、聯串聯加強濾波效果加強濾波效果 兩個中心頻率相等的濾波器串聯，其總幅頻特性兩個中心頻率相等的濾波器串聯，其總幅頻特性是兩濾波器幅頻特性的乘積是兩濾波器幅頻特性的乘積通帶外的頻率成分衰減通帶外的頻率成分衰減斜率更大；相頻特性是兩濾波器相頻特性的疊加斜率更大；相頻特性是兩濾波器相頻特性的疊加相相位變化加劇。位變化加劇。8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器并聯并聯頻譜分析，拾取特殊頻率成分頻譜分析，拾取特殊頻率成分放大倍數相同、中心頻率不同的濾波器通過信號放大倍數相同、中心頻率不同的濾波器通過信號帶通濾波器中心頻率可調帶通濾波器中心

52、頻率可調改變改變R，C參數參數調節(jié)范圍有限調節(jié)范圍有限(中心頻率改變，希望增益、品質因數不變中心頻率改變，希望增益、品質因數不變)濾波器組濾波器組中心頻率固定，按規(guī)律布置中心頻率固定，按規(guī)律布置nmnff21倍頻程，倍頻程，1/3倍頻程倍頻程各濾波器各濾波器Q值相同，濾波器組值相同，濾波器組由恒帶寬比的濾波器組成。由恒帶寬比的濾波器組成。 選用濾波器考慮：選用濾波器考慮：1)儀表的外接阻抗和放大器的輸入阻抗；儀表的外接阻抗和放大器的輸入阻抗；2)濾波器時間常數對儀表動態(tài)性能的影響；濾波器時間常數對儀表動態(tài)性能的影響；3)濾波器的頻率特性。濾波器的頻率特性。 8563ASPECTRUM ANAL

53、YZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器 八、數字濾波器八、數字濾波器 輸入、輸出為數字信號，通過一定運算關系改變輸入輸入、輸出為數字信號，通過一定運算關系改變輸入信號所含頻率成分的相對比例信號所含頻率成分的相對比例/濾除某些頻率成分的器件濾除某些頻率成分的器件 信號形式和實現濾波方法不同，數字濾波器精度高、信號形式和實現濾波方法不同，數字濾波器精度高、穩(wěn)定、體積小、靈活、不要求阻抗匹配以及實現模擬濾波穩(wěn)定、體積小、靈活、不要求阻抗匹配以及實現模擬濾波器無法實現的特殊濾波功能器無法實現的特殊濾波功能 1分類：分類： 經典濾波器經典濾波器(一般濾波器一般濾波器)： 輸

54、入信號中有用的頻率成分和希望濾除的頻率成分各輸入信號中有用的頻率成分和希望濾除的頻率成分各占不同的頻帶，通過一個合適的選頻濾波器達到濾波目的。占不同的頻帶，通過一個合適的選頻濾波器達到濾波目的。 信號與干擾的頻帶互不干擾，濾除干擾得到信號；信信號與干擾的頻帶互不干擾，濾除干擾得到信號；信號與干擾的頻帶互相重疊，不能濾除干擾得到信號，采用號與干擾的頻帶互相重疊，不能濾除干擾得到信號，采用現代濾波器?，F代濾波器。 8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器現代濾波器：現代濾波器： 按照隨機信號內部的一些統(tǒng)計分布規(guī)律，從干擾按照隨機信號內

55、部的一些統(tǒng)計分布規(guī)律，從干擾中提取信號：維納濾波器、卡爾曼濾波器、自適應濾中提取信號：維納濾波器、卡爾曼濾波器、自適應濾波器波器 按功能分：低通、高通、帶通、帶阻濾波器按功能分：低通、高通、帶通、帶阻濾波器 按單位脈沖響應分：無限脈沖響應按單位脈沖響應分：無限脈沖響應(IIR)濾波器、濾波器、有限脈沖響應有限脈沖響應(FIR)濾波器濾波器 按可實現濾波的方法分：遞歸、非遞歸濾波器按可實現濾波的方法分：遞歸、非遞歸濾波器8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器2.數字濾波器技術要求數字濾波器技術要求傳輸函數傳輸函數)()()(jeH

56、H 幅頻特性：幅頻特性：信號通過濾波器各頻率成分衰減情況信號通過濾波器各頻率成分衰減情況 相頻特性：相頻特性：頻率成分通過濾波器后在時間上的延時頻率成分通過濾波器后在時間上的延時情況情況 一般選頻濾波器的技術要求有幅頻特性給出，相頻一般選頻濾波器的技術要求有幅頻特性給出，相頻特性不作要求特性不作要求 語音合成、波形傳輸、圖像信號處理語音合成、波形傳輸、圖像信號處理需要考慮需要考慮相頻特性技術指標相頻特性技術指標設計線性相位濾波器設計線性相位濾波器 理想濾波器不能實現，實際濾波器通帶和阻帶允許理想濾波器不能實現，實際濾波器通帶和阻帶允許一定誤差容限：通帶不一定完全水平，阻帶不一定絕對一定誤差容限

57、：通帶不一定完全水平，阻帶不一定絕對衰減到零；在通帶和阻帶之間設置一定寬度的過渡帶衰減到零；在通帶和阻帶之間設置一定寬度的過渡帶8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器數字濾波器的數學基礎數字濾波器的數學基礎Z變換變換 Z變換變換是通常用來分析離散時間系統(tǒng)的數學工具，其作用與是通常用來分析離散時間系統(tǒng)的數學工具，其作用與拉氏變換在連續(xù)時間系統(tǒng)中的作用類似。拉氏變換在連續(xù)時間系統(tǒng)中的作用類似。 在離散時間系統(tǒng)中，線性差分方程表征系

58、統(tǒng)動力學性質。在離散時間系統(tǒng)中，線性差分方程表征系統(tǒng)動力學性質。 數值序列數值序列x(nT)或或x(n)的的Z變換變換 對函數對函數x(n)求求Z變換，定義為變換，定義為nnznxnxZnTxZzX)()()()( z=ejT為復變量為復變量j( )( )en TnX zx n3數字濾波器設計方法概述數字濾波器設計方法概述 無限脈沖響應無限脈沖響應(IIR)濾波器濾波器 利用模擬濾波器來設計利用模擬濾波器來設計IIR濾波器的方法分：脈沖濾波器的方法分：脈沖響應不變法和雙線性變換法響應不變法和雙線性變換法(1)脈沖響應不變法脈沖響應不變法準則：準則：使數字濾波器的單位采樣響應與模擬濾波器的沖使數

59、字濾波器的單位采樣響應與模擬濾波器的沖激響應的采樣值完全一樣，即激響應的采樣值完全一樣，即 h(n)=ha(nT)采樣周期采樣周期T由模擬濾波器轉換成數字濾波器的過程：建立模擬系統(tǒng)由模擬濾波器轉換成數字濾波器的過程：建立模擬系統(tǒng)函數與數字系統(tǒng)函數之間的關系，即建立函數與數字系統(tǒng)函數之間的關系，即建立Ha(s)與與H(z)之間之間關系關系8563ASPECTRUM ANALYZER 9 kHz - 26.5 GHz第三節(jié)第三節(jié) 濾波器濾波器 脈沖響應不變法脈沖響應不變法(時域采樣法時域采樣法)基本思路基本思路: 根據給定的濾波指標，設計模擬濾波器，對模擬濾根據給定的濾波指標，設計模擬濾波器，對模擬濾波器的脈沖響應波器的脈沖響應ha(t)作均勻采樣，求得數字濾波器的作均勻采樣，求得數字濾波器的系統(tǒng)函數系統(tǒng)函數 設計過程設計過程)()()()(ZTILTzHnhthsHaa 采樣根據采樣序列的根據采樣序列的Z變換與模擬信號拉氏變換的關系，得到變換與模擬信號拉氏變換的關系，得到nazTjnsHTzHsT)2(1)(e