张国雄版测控电路PPTChapter4-4

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1、第四章第四章 信号分离电路信号分离电路l 测量信号中，往往包含许多与被测量无关的信号，测量信号中，往往包含许多与被测量无关的信号，即即噪声噪声 l 测量信号在传输、放大、变换、运算及各种其他处测量信号在传输、放大、变换、运算及各种其他处理过程，也会混入各种不同形式的理过程，也会混入各种不同形式的噪声噪声， l 这些噪声的随机性很强，很难从时城中直接分离，这些噪声的随机性很强，很难从时城中直接分离，l 但限于其产生的机理，其但限于其产生的机理，其噪声功率是有限噪声功率是有限的，并按的，并按一定规律分布于频率域中某一一定规律分布于频率域中某一特定的频带特定的频带中。中。第四章第四章 信号分离电路信

2、号分离电路l 因此可以用频率选择的方法，对噪声进行抑制，因此可以用频率选择的方法，对噪声进行抑制，并分离提取出有用的信号信号分离电路可以实现并分离提取出有用的信号信号分离电路可以实现其功能。其功能。l 一般利用滤波器从频率域中实现对噪声的抑制，一般利用滤波器从频率域中实现对噪声的抑制，提取所需的测量信号，提取所需的测量信号， a)b)c)工件表面轮廓工件表面轮廓测量信号测量信号:轮廓轮廓+波动波动+噪声噪声用滤波器，滤除各种不需要的信号与用滤波器，滤除各种不需要的信号与噪声干扰噪声干扰测量表面粗糙度测量表面粗糙度第四章第四章 信号分离电路信号分离电路第一节第一节 滤波器的基本知识滤波器的基本知

3、识第二节第二节 RCRC有源滤波器有源滤波器第一节第一节 滤波器的基本知识滤波器的基本知识一、滤波器的功能和类型一、滤波器的功能和类型1 1、功能：、功能：滤波器是具有滤波器是具有的电路或运算处理系统，的电路或运算处理系统，具有滤除噪声和分离各种不同信号的功能。具有滤除噪声和分离各种不同信号的功能。第一节第一节 滤波器的基本知识滤波器的基本知识一、滤波器的功能和类型一、滤波器的功能和类型2、类型、类型l 按处理信号形式分：模拟滤波器和数字滤波器按处理信号形式分：模拟滤波器和数字滤波器l 按功能分：按功能分：低通、高通、带通、带阻低通、高通、带通、带阻l 按电路组成分：按电路组成分：LCLC无源

4、、无源、RCRC无源、由特殊元件构成的无源滤波器、无源、由特殊元件构成的无源滤波器、RCRC有源滤波器有源滤波器l 按传递函数的微分方程阶数分：按传递函数的微分方程阶数分：一阶、二阶、高阶一阶、二阶、高阶一、滤波器的功能和类型一、滤波器的功能和类型 rc)a)b)OA()OA()OA()rpKpKpKpKpKpKpcpc1rc12p1pd)OA()pKpK1pc11r2pc22rc22rLC无源滤波器无源滤波器 由电感由电感L L、电容、电容C C组成组成具有良好的频率选择特性，具有良好的频率选择特性，信号能量损耗小、噪声低、灵敏度低，曾广泛应用信号能量损耗小、噪声低、灵敏度低，曾广泛应用于通

5、信及电子测量仪器领域。于通信及电子测量仪器领域。主要缺点主要缺点电感元件体积大，电感元件体积大，低频及超低频频带范围品质因数低低频及超低频频带范围品质因数低( (即频率选择即频率选择性差性差) )，不便于集成化，不便于集成化，现在一般测控系统中应用不多。现在一般测控系统中应用不多。RCRC无源滤波器无源滤波器电阻R、电容C构成，频率选择特性较差，一般只用作低性能滤波器。由特殊元件构成的无源滤波器由特殊元件构成的无源滤波器主要有机械滤波器、压电陶瓷滤波器、晶体滤波器、声表面波滤波器等。 工作原理一般是通过电能与机械能、分子振动能的相互转换，并与器件固有频率谐振实现频率选择，多用作频率选择性能很高

6、的带通或带阻滤波器， 其品质因数可达数千至数万，并且稳定性也很高， 有许多其他种类滤波器无法实现的特性。品种系列有限，调整不便，一般仅应用于某些特殊场合。l RC无源滤波器特性不够理想的根本原因是电阻元件无源滤波器特性不够理想的根本原因是电阻元件对信号功率的消耗，对信号功率的消耗， l 如在电路中引入具有能量放大作用的有源器件，如在电路中引入具有能量放大作用的有源器件，如电子管、晶体管、运算放大器等，补偿损失的能如电子管、晶体管、运算放大器等，补偿损失的能量，量， 可使可使RC网络像网络像LC网络一样，获得良好的频率网络一样，获得良好的频率选择特性，选择特性，第一节第一节 滤波器的基本知识滤波

7、器的基本知识二、模拟滤波器的传递函数与频率特性二、模拟滤波器的传递函数与频率特性(一一)模拟滤波器的传递函数模拟滤波器的传递函数l 传递函数是输出与输入信号电压或电流拉氏变换传递函数是输出与输入信号电压或电流拉氏变换之比。之比。l 经分析，任意个互相隔离的线性网络级联后，总经分析，任意个互相隔离的线性网络级联后，总的传递函数等于各网络传递函数的乘积。的传递函数等于各网络传递函数的乘积。l 这样，任何复杂的滤波网络，可由若干简单的一这样，任何复杂的滤波网络，可由若干简单的一阶与二阶滤波电路级联构成。阶与二阶滤波电路级联构成。二、模拟滤波器的传递函数与频率特性二、模拟滤波器的传递函数与频率特性on

8、nnnommmmioasasasabsbsbsbsUsUsH 111111.)()()().()().()()(2121nmpspspszszszsKsH 经因式分解后：经因式分解后：传递函数：传递函数：输出与输入信号输出与输入信号(电压，电流电压，电流)的拉氏变换之比的拉氏变换之比(二二)模拟滤波器的频率特性模拟滤波器的频率特性l 若滤波器的输入信号若滤波器的输入信号Ui是角频率为是角频率为的单位信的单位信号，滤波器的输出号，滤波器的输出Uo(j)=H(j)表达了在单位表达了在单位信号输入情况下的输出信号随频率变化的关系，信号输入情况下的输出信号随频率变化的关系，称为滤波器的频率特性函数，简

9、称称为滤波器的频率特性函数，简称l 频率特性频率特性H(j)是一个复函数，是一个复函数，其幅值其幅值A()称为称为，其幅角其幅角 ()表示输出信号的相位相对于输入表示输出信号的相位相对于输入信号相位的变化，称为信号相位的变化，称为。 四种滤波器类型四种滤波器类型 rc)a)b)OA()OA()OA()rpKpKpKpKpKpKpcpc1rc12p1pd)OA()pKpK1pc11r2pc22rc22r通带截频fp=p/(2)阻带截频fr=r/(2)转折频率fc=c/(2)固有频率f0=0/(2)(三三)滤波器的主要特性指标滤波器的主要特性指标1 1、特征频率、特征频率通带截频通带截频fp=p/

10、(2 )为通带与过渡带边界点的频率，在该点信号增益下降为通带与过渡带边界点的频率，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限。到一个人为规定的下限。阻带截频阻带截频fr=r/(2 )为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗(增增益的倒数益的倒数)下降到一人为规定的下限。下降到一人为规定的下限。(三三)滤波器的主要特性指标滤波器的主要特性指标1 1、特征频率、特征频率转折频率转折频率fc=c/(2 )为信号功率衰减到为信号功率衰减到1/2(约约3dB)时的频率，在很多情况时的频率，在很多情况下，常以下，常以fc作为通带或阻带截频。作为通带或阻带截频。固有频

11、率固有频率f0=0/(2 )为为电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，复杂电路往电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率。往有多个固有频率。 (三三)滤波器的主要特性指标滤波器的主要特性指标2、增益与衰耗、增益与衰耗低通滤波器通带增益低通滤波器通带增益Kp一般指一般指=0时的增益时的增益高通指高通指 时的增益时的增益带通则指中心频率处的增益带通则指中心频率处的增益对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定义为增对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒数益的倒数通带增益变化量通带增益变化量Kp指通带内各点增益的最大变化指通带内各点增益的最大变化量，如果量，如果Kp以以dB为单位