张国雄版测控电路PPTChapter4-4.pptx

第四章 信号分离电路测量信号中，往往包含许多与被测量无关的信号，即噪声测量信号在传输、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噪声这些噪声的随机性很强，很难从时域中直接分离但限于其产生的机理，其噪声功率是有限的，并按一定规律分布于频率域中某一特定的频带中第四章 信号分离电路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其功能一般利用滤波器从频率域中实现对噪声的抑制/分离，提取所需的测量信号 a)b)c)测量表面粗糙度工件表面轮廓测量信号:轮廓+波动+噪声用滤波器，滤除各种不需要的信号与噪声干扰第四章 信号分离电路第一节 滤波器的基本知识第二节 RC有源滤波器第一节 滤波器的基本知识一、滤波器的功能和类型1、功能：滤波器是具有频率选择作用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第一节 滤波器的基本知识一、滤波器的功能和类型2、类型按处理信号形式分：模拟滤波器和数字滤波器按功能分：低通、高通、带通、带阻按电路组成分：LC无源、RC无源、由特殊元件构成的无源滤波器、RC有源滤波器按传递函数的微分方程阶数分：一阶、二阶、高阶A(?)Oa)b)低通滤波器高通滤波器Oc)d)带通滤波器带阻滤波器A(?)OA(?)A(?)O一、滤波器的功能和类型 1. LC无源滤波器 由电感L、电容C组成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，曾广泛应用于通信及电子测量仪器领域主要缺点电感元件体积大低频及超低频频带范围品质因数低(即频率选择性差)不便于集成化现在一般测控系统中应用不多2. RC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3. 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4. RC有源滤波器RC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 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，补偿损失的能量， 可使RC网络像LC网络一样，获得良好的频率选择特性第一节 滤波器的基本知识二、模拟滤波器的传递函数与频率特性(一)模拟滤波器的传递函数传递函数是输出与输入信号电压或电流拉氏变换之比经分析，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二、模拟滤波器的传递函数与频率特性传递函数：输出与输入信号(电压，电流)的拉氏变换之比经因式分解后：? = σ + jω，拉式变量(二)模拟滤波器的频率特性若滤波器的输入信号Ui是角频率为ω的单位信号，滤波器的输出Uo(jω)=H(jω)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，称为滤波器的频率特性函数，简称频率特性频率特性H(jω)是一个复函数其幅值A(ω)称为幅频特性其幅角φ(ω)表示输出信号的相位相对于输入信号相位的变化，称为相频特性 A(?)Oa)b)Oc)d)A(?)OA(?)A(?)O四种滤波器类型通带截频fp=ωp/(2?)阻带截频fr=ωr/(2?)转折频率fc=ωc/(2?)固有频率f0=ω0/(2?) (三)滤波器的主要特性指标1、特征频率①通带截频fp=ωp/(2?)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②阻带截频fr=ωr/(2?)为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗(增益的倒数)下降到一人为规定的下限(三)滤波器的主要特性指标1、特征频率③转折频率fc=ωc/(2?)为信号功率衰减到1/2(约3dB)时的频率，在很多情况下，常以fc作为通带或阻带截频④固有频率f0=ω0/(2?)为电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率 (三)滤波器的主要特性指标2、增益与衰耗①低通滤波器通带增益Kp一般指ω=0时的增益高通指ω →∞时的增益带通则指中心频率处的增益②对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒数③通带增益变化量△Kp指通带内各点增益的最大变化量，如果△Kp以dB为单位，则指增益dB值的变化量(三)滤波器的主要特性指标3、阻尼系数与品质因数阻尼系数表征滤波器对角频率为ω0信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的一项指标品质因数阻尼系数的倒数称为品质因数是评价带通与带阻滤波器频率选择特性的一个重要指标，Q= ω0/△ω式中的△ω为带通或带阻滤波器的3dB带宽，ω0为中心频率