《勘查仪器原理》PPT课件.ppt

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1、勘勘 查查 仪仪 器器 原原 理理教师：教师：王旭王旭Email：第三章第三章测量系统基本部件测量系统基本部件 在利用物探仪器进行野外数据采集中在利用物探仪器进行野外数据采集中,经常经常会遇到被检测的物理量经过传感器转换成很微会遇到被检测的物理量经过传感器转换成很微弱的微伏级模拟信号弱的微伏级模拟信号,需要用放大器加以放大，需要用放大器加以放大，此放大器也称为此放大器也称为前置放大器前置放大器,其作用有两点：其作用有两点：一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；二是将传感器输出的模拟信号放大到二是将传感器输出的模拟信号放大到A/D转换器转换器的量程范

2、围之内。的量程范围之内。上一节上一节,我们学习了集成运放我们学习了集成运放,知道了集成知道了集成运放是组成模拟集成电路的最基本运放是组成模拟集成电路的最基本“积木块积木块”,”,而且集成运放种类繁多而且集成运放种类繁多,特别是通用运放特别是通用运放,价格价格便宜便宜,用途广泛用途广泛,那么那么,能不能用作测量微弱信能不能用作测量微弱信号的前置放大器号的前置放大器?回答是回答是否定否定的的。因为。因为,在实际在实际工程中工程中,来自生产现场的传感器信号往往带有来自生产现场的传感器信号往往带有较大的共模干扰较大的共模干扰(任何载流导体与参考地之间任何载流导体与参考地之间不希望的电位差不希望的电位差

3、),),并且并且,通用运放一般都具有通用运放一般都具有毫伏级的失调电压及数微伏毫伏级的失调电压及数微伏/C/C的温度漂移的温度漂移,所以不能直接用于放大微弱信号。所以不能直接用于放大微弱信号。常采用一常采用一组运放构成的组运放构成的测量放大器测量放大器,也称也称仪表放大器仪表放大器来来担任此处的前置放大器。担任此处的前置放大器。第三节第三节测量放大器测量放大器3.3.1 3.3.1 概述概述问题：问题：在数据采集中在数据采集中,经常会遇到一些微经常会遇到一些微弱的微伏级信号，例如热电偶的输弱的微伏级信号，例如热电偶的输出信号，检波器输出信号等需要用出信号，检波器输出信号等需要用放大器加以放大。

4、放大器加以放大。放大器类型放大器类型通用运算放大器通用运算放大器测量放大器测量放大器通用运算放大器：通用运算放大器：具有具有mV级失调电压、数级失调电压、数V/的的温飘，不能用于放大温飘，不能用于放大微弱信号。微弱信号。特点特点那么选择何种放大器来放大微弱信号？那么选择何种放大器来放大微弱信号？目前市场上的放大器有以下特点。目前市场上的放大器有以下特点。测量放大器：测量放大器：具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗共具有高输入阻抗、低输出阻抗、强抗共模干扰、低温漂、低失调电压，广泛用于模干扰、低温漂、低失调电压，广泛用于放大放大微弱信号。微弱信号。3.3.2 3.3.2 测量放大器的电路原理测量放大

5、器的电路原理 电路原理如下图所示：电路原理如下图所示：Ui1Ui2+-A1-+A2RgR1R2R3-+A3R4UOU01U02R5R6 图图A经典测量放大器原理电路经典测量放大器原理电路IgUaUb两级运放两级运放第一级：第一级：两个同相放大器两个同相放大器A1、A2完全对称直接与被测信号相连完全对称直接与被测信号相连,具具有强抑制共模干扰的能力有强抑制共模干扰的能力,且输入且输入阻抗高。阻抗高。第二级：第二级：普通差动放大器普通差动放大器A3,把双把双端输入变为对地的单端输出。端输入变为对地的单端输出。差动放大器属于直流放大器差动放大器属于直流放大器,它能放大差模信号它能放大差模信号,抑制抑

6、制共模信号。共模信号。(纯差模信号是大小相等纯差模信号是大小相等,相位相差相位相差1801800 0；纯共模信号是大小相等，相位差为纯共模信号是大小相等，相位差为0 00 0的信号的信号)两个技术问题：两个技术问题：1、测量放大器的增益、测量放大器的增益 由上式可知，调节外接电阻由上式可知，调节外接电阻Rg的大小，的大小，可以改变测量放大器的增益。可以改变测量放大器的增益。(当采用集成仪当采用集成仪用放大器时，用放大器时，Rg一般为外接电阻一般为外接电阻)-+A3R3R5R6R4U01U02UO为了抑制共模干扰，降低为了抑制共模干扰，降低温漂，仪用放大器电路结温漂，仪用放大器电路结构要采取上下

7、对称形式，构要采取上下对称形式，即即R1=R2，R4R3，R5R6可以看出此电路为减法运算电路，因此可得：可以看出此电路为减法运算电路，因此可得：（1 1）AB+-A1R1Rg-+A2R2IgUaUbUi1Ui2U02U01由理想运放可得：由理想运放可得：Ua Ui1 Ub Ui2I1=I2=Ig 又又I1I2（2 2）（4 4）（3 3）由由（1 1）（）（2 2）（）（3 3）（）（4 4）解得：解得：2 2、抗共模干扰能力、抗共模干扰能力(一般共模信号是干扰信号一般共模信号是干扰信号)从直流共模信号和交流共模信号两方面考虑从直流共模信号和交流共模信号两方面考虑 对直流共模信号来说，其抑制

8、比为无穷大对直流共模信号来说，其抑制比为无穷大。看图看图,(,(传输线存在线阻传输线存在线阻Ri1、Ri2一般比较小一般比较小,直流信号直流信号在其上产生的分压可忽略不计在其上产生的分压可忽略不计)因为因为 Ui1=Ui2 所以所以 Ua=Ub 那么那么 Ig=0 U01=U02 U0=0也就是说也就是说,直流共模信号的输出为零直流共模信号的输出为零,即测量放大器对即测量放大器对直流共模信号的抑制比为无穷大。直流共模信号的抑制比为无穷大。Ui1Ui2UO 对交流共模信号来说，由于输入信号的传对交流共模信号来说，由于输入信号的传输线存在线阻输线存在线阻Ri1、Ri2和分布电容和分布电容C1、C2

9、(因电因电容是隔直通交的容是隔直通交的,所以电容在直流共模信号中所以电容在直流共模信号中不起作用不起作用)，Ri1 C1、Ri2 C2分别对地构成回分别对地构成回路路,情况就不那么简单。在实际电路中由于线情况就不那么简单。在实际电路中由于线路阻抗不平衡，此时抑制交流共模信号干扰有路阻抗不平衡，此时抑制交流共模信号干扰有个措施：个措施：在其输入端接一个输入保护电路，并在其输入端接一个输入保护电路，并将信号线屏蔽。将信号线屏蔽。参考图如下：参考图如下：输入信号输入信号输入信号输入信号的共模分的共模分的共模分的共模分量传给屏量传给屏量传给屏量传给屏蔽体蔽体蔽体蔽体输入保护电路输入保护电路输入保护电路

10、输入保护电路 Ui1Ri1Ui2Ri2R3R1R4A3-+R6R2UOR5RGR2R1交流共模干扰影响及抑制方法交流共模干扰影响及抑制方法A4+-A1+-A2-+C1C2ooUi1Ui2 关于关于分布电容再强调一下分布电容再强调一下,任何两金属之任何两金属之间均存在电容间均存在电容,电路中除了专为电容功能设计电路中除了专为电容功能设计的电容外的电容外,其余产生的电容效应应该都可称为其余产生的电容效应应该都可称为“杂散杂散”电容电容,比如导线与导线间的潜在电容比如导线与导线间的潜在电容,线圈圈匝与圈匝之间的潜在电容线圈圈匝与圈匝之间的潜在电容,另外导线本另外导线本身也有潜在的电容。身也有潜在的电

11、容。由图看出由图看出,由于由于Ri1 、C1和和Ri2 、C2分别对地构成分别对地构成回路回路,当当Ri1 C1 Ri2 C2时时,输入交流共模信号在输入交流共模信号在A1、A2运运放输入端产生分压放输入端产生分压,设交流共模信号在两运放输入端产设交流共模信号在两运放输入端产生分压生分压Ui1、Ui2，且且Ui1 Ui2，所以所以,Ig 0 ，对输入信号产生干扰，对输入信号产生干扰,可在其输入端接一个输入可在其输入端接一个输入保护电路，并将信号线屏蔽。由上图保护电路，并将信号线屏蔽。由上图,当当R1=R2 时，时，由于屏蔽层和信号线间对交流共模信号是等电位的由于屏蔽层和信号线间对交流共模信号是

12、等电位的,故故C1、C2 的分压作用不存在，从而降低共模干扰的影的分压作用不存在，从而降低共模干扰的影响。响。看图中运放看图中运放A4，它接成电压跟随器，它接成电压跟随器,也就是说它也就是说它的输入电压与输出电压大小相等的输入电压与输出电压大小相等,相位相同相位相同,而而A4的输的输入电压正好是共模信号分量入电压正好是共模信号分量,此分量通过跟随器此分量通过跟随器A4传传递给屏蔽体递给屏蔽体,这时这时,屏蔽体和信号线间对交流共模信号屏蔽体和信号线间对交流共模信号（又称为对地感应信号）是（又称为对地感应信号）是等电位等电位的的,C1、C2的分的分压作用就不存在压作用就不存在,降低了交流共模信号的

13、干扰。降低了交流共模信号的干扰。【共模干扰（【共模干扰（Common-mode InterferenceCommon-mode Interference）定义为任）定义为任何载流导体与参考地之间的不希望有的电位差何载流导体与参考地之间的不希望有的电位差 】3.3.3 3.3.3 测量放大器的主要技术指标测量放大器的主要技术指标 1、共模抑制比共模抑制比 共模抑制比共模抑制比CMRR 可用下式计算可用下式计算：单位为单位为dB,此值越大越好此值越大越好,抑制共模干扰越抑制共模干扰越强。强。2、温漂温漂温漂温漂 测量放大器输出电压随温度测量放大器输出电压随温度变化的程度。变化的程度。例如例如：一个

14、温漂一个温漂2 V/的测量放大器的测量放大器，当增益当增益为为1000时时，测量放大器的输出电压产生测量放大器的输出电压产生约约20mV的变化的变化。这个数字相当于这个数字相当于12位位AD转换器在满量程为转换器在满量程为10V的的8个个LSB值值。结论：应尽量选择温漂小的测量放大器。结论：应尽量选择温漂小的测量放大器。VIVO非线性度与增益有关，非线性度与增益有关，且对数据采集精度影且对数据采集精度影响很大。响很大。3、非线性度非线性度 非线性度非线性度 放大器实际输出、输入放大器实际输出、输入关系曲线与理想直线的关系曲线与理想直线的偏差。偏差。12位位AD 转换器转换器 增益为增益为1，非

15、线性偏差为非线性偏差为0.025%增益为增益为500，非线性偏差为非线性偏差为0.1%结果：结果：相当于把相当于把12位位A/D转换器变成转换器变成10位位以下的转换器。以下的转换器。结论：结论：一定要选择非线性度偏差小于一定要选择非线性度偏差小于0.024%的放大器的放大器。4、建立时间建立时间建立时间建立时间 指从阶跃信号驱动瞬间至指从阶跃信号驱动瞬间至测量放大器输出电压达到测量放大器输出电压达到并保持在给定误差范围并保持在给定误差范围内所需的时间。内所需的时间。放大器输出电压放大器输出电压放大器输出电压放大器输出电压tUtU驱动信号驱动信号驱动信号驱动信号建立时间建立时间建立时间建立时间

16、误差上偏差误差上偏差误差上偏差误差上偏差误差下偏差误差下偏差误差下偏差误差下偏差 当增益当增益200时时，为达到误差范围为达到误差范围0.01%，往往往要求建立时间为往要求建立时间为50 s 100 s。5、恢复时间恢复时间恢复时间恢复时间 指放大器撤除驱动信号瞬指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和状态恢间至放大器由饱和状态恢复到最终值所需的时间。复到最终值所需的时间。放大器的建立时间和恢复时间直接影放大器的建立时间和恢复时间直接影响数据采集系统的采样速率。响数据采集系统的采样速率。6、电源引起的失调电源引起的失调电源引起的失调电源引起的失调 电源电压每变化电源电压每变化1%，引起放大器引起

17、放大器的漂移电压值。的漂移电压值。该指标则是设计系统稳压电源的主该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一。要依据之一。3.3.4 测量放大器集成芯片测量放大器集成芯片 1、AD521 AD521是集成测量放大器，采用是集成测量放大器，采用14 脚双列直插式封装。脚双列直插式封装。12345671413121110 9 8 AD521+IN-INOFF SETU-OFF SETOUT PUTRgRSSENSEREFCOMPU+RSRgAD521引脚功能引脚功能引脚引脚4、6用于调用于调整放大器整放大器零点零点，将将4、6端接到端接到10 K电位器的两个电位器的两个固定端固定端;电位器滑电位器滑动

18、端接负电源动端接负电源U-（脚（脚5）。）。123456781011121314+IN-INRg10KU-UOUTRS100KU+引脚引脚10、13用于外接电阻用于外接电阻RS，用于对放大倍数进行用于对放大倍数进行微调。当微调。当RS=100 k 15%时，可以得到比较时，可以得到比较稳定的放大倍数。稳定的放大倍数。AD521基本连接如图所示基本连接如图所示 引脚引脚2 2、14 14 用于外接电阻用于外接电阻Rg，用于调整放大倍数。，用于调整放大倍数。测量放大器的放大倍数按如下公式计算：测量放大器的放大倍数按如下公式计算：其放大倍数可在其放大倍数可在11000的范围内调整的范围内调整。AD5

19、21的技术指标见的技术指标见P50页表页表3-3 AD522主主要要可可用用于于恶恶劣劣环环境境下下要要求求进进行行高高精精度度数数据据采采集集的的场场合合。由由于于AD522具具有有低低电电压压漂漂移移(2V/)、低低非非线线性性(0.005，增增益益为为100时时)、高高共共模模抑抑制制比比(110 dB，增增益益为为1000时时)、低低噪噪声声(1.5 mV（P-P），0.1100 Hz)、低低失失调调电电压压等等特特点点，因因而而可可用用于于许许多多12位位数数据据采采集集系系统统中中。下下图图为为AD522的的引引脚脚及典型接法。及典型接法。2 2、AD522123456714131

20、21110 9 8 AD522+IN-INOFF SETU-OFF SETOUT PUTRgSENSEREFGNDU+RgAD522引脚功能引脚功能采用采用14 14 脚双列直插式封装。脚双列直插式封装。DATA GUARD空空AD522基本连接方法基本连接方法6 65 5数据防护数据防护地地基准基准输出输出1212引脚引脚4 4、6 6用于调整放用于调整放大器大器零点零点；2 2、1414脚脚外接电阻外接电阻Rg 用于调用于调整测量放大器的放大整测量放大器的放大倍数；倍数；1111脚为参考端，脚为参考端，用于调节输出电平；用于调节输出电平；1212端可在输出端接有端可在输出端接有远距离负载时

21、用，可远距离负载时用，可以消除压降；以消除压降；1313脚为脚为数据防护端，用于提数据防护端，用于提高交流输入的共模抑高交流输入的共模抑制比。制比。3.3.5 3.3.5 测量放大器的使用测量放大器的使用1 1、使用测量放大器的原因、使用测量放大器的原因(1)(1)由于测量放大器接入了由于测量放大器接入了“输入保护电路输入保护电路”，使它，使它的抗共模干扰能力远远高于通用运放，特别是对于交的抗共模干扰能力远远高于通用运放，特别是对于交流共模信号；流共模信号；（2 2）为了抑制共模干扰，降低温漂，测量放大器容易）为了抑制共模干扰，降低温漂，测量放大器容易做到电路结构上下对称，且增益调节方便；做到

22、电路结构上下对称，且增益调节方便；（3 3）测量放大器具有高共模抑制比、高输入阻抗、低）测量放大器具有高共模抑制比、高输入阻抗、低温漂、对微小差模信号很敏感，并适于测量远距离传温漂、对微小差模信号很敏感，并适于测量远距离传输过来的信号，非常适宜与传感器配合使用。输过来的信号，非常适宜与传感器配合使用。2 2、AD521芯片的使用示例芯片的使用示例 AD521与变压器信号、与变压器信号、热电偶信号和交热电偶信号和交流耦合信号的连接如下图所示。流耦合信号的连接如下图所示。负载1312711AD521RCC(C)负载RS1312711AD521(b)RS负载1312711AD521(a)RGRGRS

23、RG使用使用AD521的电路的电路a)热电耦直接相连热电耦直接相连；(b)变压器相连变压器相连；(c)交流信号通过电容相连交流信号通过电容相连偏置电流回路偏置电流回路偏置电流回路偏置电流回路偏置电流回路偏置电流回路偏置电流回路偏置电流回路偏置电流回路偏置电流回路偏置电流回路偏置电流回路AD521输入端输入端1或或3 直接或通过电阻与电源的地线构成直接或通过电阻与电源的地线构成回路。如果没有回路，偏置电流就会对杂散电容充电，回路。如果没有回路，偏置电流就会对杂散电容充电，使输出电压漂移得不到控制。使输出电压漂移得不到控制。AD522 的典型应用的典型应用3 3、AD522芯片的使用示例芯片的使用

24、示例信号地信号地数据防护数据防护地地采样采样输出输出基基准准U+第四节第四节滤滤 波波 器器 由绪论中采集系统硬件组成看出由绪论中采集系统硬件组成看出,信号经过信号经过传感器、放大器传感器、放大器,现在该滤波器现在该滤波器,以滤除无用信号以滤除无用信号。凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤。凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。滤波器应用极为广泛波器。滤波器应用极为广泛,在所有的电子部件在所有的电子部件中中,使用最多使用最多,技术最为复杂要算滤波器技术最为复杂要算滤波器,滤波器滤波器的优劣直接决定产品的优劣的优劣直接决定产品的优劣,所以所以,各国都很重视各国都很重视滤波器的研究和生

25、产。在工程中滤波器的研究和生产。在工程中,常用它来作信常用它来作信号处理、数据传送、抑制干扰。滤波器是一种能号处理、数据传送、抑制干扰。滤波器是一种能使有用信号顺利通过而同时对无用频率信号进行使有用信号顺利通过而同时对无用频率信号进行抑制（或衰减）的电子装置。抑制（或衰减）的电子装置。发明时间：发明时间：1917 1917年年发发 明明 人：美国、德国科学家人：美国、德国科学家滤波器概述滤波器概述 LC滤波器的发明导致次年美国第一个多路滤波器的发明导致次年美国第一个多路复用系统的出现。五十年代无源滤波器日趋成熟复用系统的出现。五十年代无源滤波器日趋成熟。自。自60年代起由于计算机技术、集成工艺

26、和材年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向，年代以后的主攻方向，导致导致RC有源滤波器有源滤波器、数字滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展。到速发展。到7070年代后期，上述几种滤波器的单片年代后期，上述几种滤波器的单片

27、集成（独立实现单元电路功能，不需外接元器件集成（独立实现单元电路功能，不需外接元器件的集成电路的集成电路 ）被研制出来并得到应用。）被研制出来并得到应用。8080年代年代致力于各类新型滤波器性能提高的研究并逐渐扩致力于各类新型滤波器性能提高的研究并逐渐扩大应用范围。大应用范围。9090年代至今在主要致力于把各类滤年代至今在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。当然，对滤波器应用于各类产品的开发和研制。当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行。波器本身的研究仍在不断进行。以往主要采用无源元件以往主要采用无源元件R、L和和C组成模拟组成模拟滤波器，六十年代以来，集成运放获得了迅速滤波器，六

28、十年代以来，集成运放获得了迅速发展，由它和发展，由它和R、C组成的有源滤波器，具有不组成的有源滤波器，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。此外，由于用电感、体积小、重量轻等优点。此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，而输出阻抗又很低，而且，由其构成的有源滤而输出阻抗又很低，而且，由其构成的有源滤波器还具且一定的电压放大和缓冲作用。因此，波器还具且一定的电压放大和缓冲作用。因此，基于放大器和基于放大器和R、C构成的有源滤波器应用日益构成的有源滤波器应用日益广泛。随着微电子学的发展，人们已经可以把广泛。随着微电子学的发展，人们已经可以把一些电阻和

29、电容与运放集成在一块芯片上一些电阻和电容与运放集成在一块芯片上构成通用有源滤波器，构成通用有源滤波器，这种芯片集成度高，片这种芯片集成度高，片内集成了设计滤波器所需的电阻和电容，在应内集成了设计滤波器所需的电阻和电容，在应用中只需极少数外部器件就可以很方便地构成用中只需极少数外部器件就可以很方便地构成一个有源滤波器。一个有源滤波器。BB（Burr-Brown）公司的公司的UAF42就是这一类通用有源滤波器的代表。它就是这一类通用有源滤波器的代表。它可广泛应用于高通、低通和带通滤波器设计中。可广泛应用于高通、低通和带通滤波器设计中。1 1、滤波器定义、滤波器定义 简单地说简单地说,滤波器是一种能

30、允许一些频率滤波器是一种能允许一些频率的信号通过的信号通过,而阻止另一些频率的信号通过而阻止另一些频率的信号通过。具体讲具体讲,滤波器是这样一类电路滤波器是这样一类电路,它有一个输入它有一个输入信号信号(电压或电流电压或电流)的端口和一个输出信号的端的端口和一个输出信号的端口；对输入的不同频率的信号具有不同的或者口；对输入的不同频率的信号具有不同的或者说是具有选择性的响应说是具有选择性的响应,可以使所需要的频率可以使所需要的频率范围的信号通过范围的信号通过,使所不需要的频率范围的信使所不需要的频率范围的信号受到阻止或抑制。号受到阻止或抑制。滤波器框图：滤波器框图：滤波器滤波器UiUo 一个一定

31、的频率范围常称为一个频带一个一定的频率范围常称为一个频带,信号信号可通过一滤波器的频带称为该滤波器的通频带；可通过一滤波器的频带称为该滤波器的通频带；信号被阻止通过的频带叫阻带；通带与阻带交信号被阻止通过的频带叫阻带；通带与阻带交界处的频率叫截止频率。界处的频率叫截止频率。虽然现在数字滤波器发展很快虽然现在数字滤波器发展很快,且广泛应且广泛应用于各个领域用于各个领域,但模拟滤波器凭着自身的优势仍但模拟滤波器凭着自身的优势仍然有很高的价值。因为所有数字系统的前端都然有很高的价值。因为所有数字系统的前端都是模拟信号是模拟信号,而要对模拟信号进行处理而要对模拟信号进行处理,比如在比如在采样前对信号最

32、高频率进行限制；另外采样前对信号最高频率进行限制；另外,数字处数字处理后的信号要送到外界模拟系统中去理后的信号要送到外界模拟系统中去,也要使用也要使用滤波器进行平滑处理。滤波器进行平滑处理。在此强调一下在此强调一下,本课程所学滤波器属于电滤本课程所学滤波器属于电滤波器波器,也称模拟滤波器也称模拟滤波器,将来信号处理再学习数将来信号处理再学习数字滤波器。字滤波器。2 2、滤波器分类、滤波器分类 滤波器种类繁多，滤波器种类繁多，有以下几种。有以下几种。(1)(1)按处理信号类型分类按处理信号类型分类 滤波器可分为模拟滤波器和离散滤波器两滤波器可分为模拟滤波器和离散滤波器两大类。其中模拟滤波器又可分

33、为有源、无源、异大类。其中模拟滤波器又可分为有源、无源、异类三个分类；离散滤波器又可分为数字、取样模类三个分类；离散滤波器又可分为数字、取样模拟、混合三个分类。拟、混合三个分类。(2)(2)按选择物理量分类按选择物理量分类 滤波器可分为频率选择、幅度选择、时间滤波器可分为频率选择、幅度选择、时间选择（例如选择（例如PCM制中的话路信号）和信息选择制中的话路信号）和信息选择（例如匹配滤波器）等四类滤波器（例如匹配滤波器）等四类滤波器。(3)(3)按频率通带范围分类按频率通带范围分类 滤波器可分为低通（滤波器可分为低通（LPF)、高通、高通(HPF)、带、带通通(BPF)、带阻、带阻(BRF)、全

34、通、全通(APF)五个类别。五个类别。(4)(4)按构成器件分按构成器件分有源滤波器有源滤波器:由电阻、电容、有源器件由电阻、电容、有源器件(集成运集成运放放)组成。组成。一般由一般由工作在线性区的集成运放工作在线性区的集成运放 和和RCRC网络网络 组成，实际上是一种具有特定频率响组成，实际上是一种具有特定频率响应的放大器。应的放大器。无源滤波器无源滤波器:由电阻、电容、电感等无源器件由电阻、电容、电感等无源器件组成。组成。CRLCRLRLViViVoVo(5)(5)按传递函数分按传递函数分 分为一阶分为一阶,二阶二阶N阶滤波器。阶滤波器。滤波器阶数越高滤波器阶数越高,性能越好性能越好,但电

35、路越复杂。但电路越复杂。用图表表示如下用图表表示如下:按处理方法按处理方法按构成器件分按构成器件分按处理信号分按处理信号分按频率特性分按频率特性分按传递函数分按传递函数分硬硬 软软件件 件件 滤滤 滤滤波波 波波器器 器器 无无 有有源源 源源滤滤 滤滤波波 波波器器 器器模模 数数拟拟 字字滤滤 滤滤波波 波波器器 器器 低低 高高 带带 带带通通 通通 通通 阻阻滤滤 滤滤 滤滤 滤滤波波 波波 波波 波波器器 器器 器器 器器 一一 二二 N阶阶 阶阶 阶阶滤滤 滤滤 滤滤波波 波波 波波器器 器器 器器有源滤波器有源滤波器 本课主要学习有源滤波器。因为本课主要学习有源滤波器。因为,采用

36、运放采用运放组成的有源滤波器具有体积小、重量轻、通带内组成的有源滤波器具有体积小、重量轻、通带内的信号可以放大、精度高、性能稳定、易于调试、的信号可以放大、精度高、性能稳定、易于调试、可以多级相连、用可以多级相连、用低阶低阶来构成来构成高阶高阶滤波器等等优滤波器等等优点点,所以采用运放组成的有源滤波器使用很广泛所以采用运放组成的有源滤波器使用很广泛,不足之处是通带范围小不足之处是通带范围小,适用于低频、低压、小适用于低频、低压、小功率场合。功率场合。在地震信号的低频场合在地震信号的低频场合,常采用由常采用由电阻电阻,电容电容,运放构成的有源滤波器运放构成的有源滤波器。这种滤波器因为不含。这种滤

37、波器因为不含电感电感,故抗电磁干扰能力强。此种滤波器的最大故抗电磁干扰能力强。此种滤波器的最大优点是其输出阻抗极低优点是其输出阻抗极低,后面直接串接一个有源后面直接串接一个有源滤波器后滤波器后,其传输函数并不会发生重大变化其传输函数并不会发生重大变化,因因此此,多级滤波器串接起来可实现传递函数的连乘。多级滤波器串接起来可实现传递函数的连乘。1 1、有源滤波器的分类、有源滤波器的分类 有源滤波器实际上是一种具有特定频率响有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。它是在运算放大器的基础上增加应的放大器。它是在运算放大器的基础上增加一些一些R、C等无源元件而构成的等无源元件而构成的,通常有源滤

38、波通常有源滤波器分为：器分为：(1)(1)低通滤波器（低通滤波器（LPF）通过低频信号通过低频信号,抑制或抑制或衰减高频信号。它的频率特性图如下衰减高频信号。它的频率特性图如下:Kp：通带电压通带电压放大倍数放大倍数c：通带截通带截止频率止频率过渡带过渡带：越越窄表明选频性窄表明选频性能越好能越好,理想理想滤波器没有过滤波器没有过渡带渡带0 0dBc/0/01 13dB20lgK()/KP20lgK20lgKPM PM/K/KP P =当当0.707时时(2)(2)高通滤波器（高通滤波器（HPF）通过高频信号通过高频信号,抑制或抑制或衰减低频信号。它的频率特性图如下衰减低频信号。它的频率特性图

39、如下:/0dB通带通带3dB阻带阻带过渡带过渡带1 120lgK()/KP0 0(3)(3)带通滤波器（带通滤波器（BPF）只允许通过某一频段内只允许通过某一频段内的信号的信号,抑制或衰减此频段两端以外的信号。抑制或衰减此频段两端以外的信号。B B-3dB-3dBdB012阻带阻带阻带阻带20lgK()/KP0 0(4)(4)带阻滤波器（带阻滤波器（BEFBEF）只允许通过某一频段只允许通过某一频段两端以外的信号两端以外的信号,抑制或衰减此频段内的信号。抑制或衰减此频段内的信号。a ab bdB-通带通带通带通带阻带阻带20lgK()/KP0 01202 2、滤波器的用途、滤波器的用途 滤滤波

40、波器器主主要要用用来来滤滤除除信信号号中中无无用用的的频频率率成成分分，例例如如，有有一一个个较较低低频频率率的的信信号号，其其中中包包含含一一些些较较高频率成分的干扰。滤波过程如图所示。高频率成分的干扰。滤波过程如图所示。3 3、滤波器的主要特性指标、滤波器的主要特性指标(1)(1)截止频率与谐振频率：截止频率与谐振频率：通带截止频也称转折频率通带截止频也称转折频率,为通带与过渡带边界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点的频率，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限下限,一般是频率特性曲线下降一般是频率特性曲线下降3dB所对应的频率。所对应的频率。固有频率固有频率

41、0为电路没有损为电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，耗时，滤波器的谐振频率，它只与滤波器的电阻、电它只与滤波器的电阻、电容元件参数有关，对带通、容元件参数有关，对带通、带阻滤波器称为中心频率，带阻滤波器称为中心频率，复杂电路往往有多个固有复杂电路往往有多个固有频率。频率。dB过渡带过渡带0c3dB(2)(2)通带增益通带增益 通带增益是指滤波器在通频带内的电压放大倍数，通带增益是指滤波器在通频带内的电压放大倍数，如上图所示。性能良好的如上图所示。性能良好的LPF通带内的幅频特性曲线通带内的幅频特性曲线是平坦的，阻带内的电压放大倍数基本为零。是平坦的，阻带内的电压放大倍数基本为零。滤波器在通带内的

42、增益并非常数。滤波器在通带内的增益并非常数。对低通滤波器，通带增益对低通滤波器，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；带通则指带通则指中心频率中心频率0 0处处的增益；的增益；带阻滤波器一般指带阻滤波器一般指=0 时的增益。时的增益。(3)(3)频带宽度频带宽度 对于低通和带通滤波器来说对于低通和带通滤波器来说,指滤波器频率特性指滤波器频率特性的的通带通带增益下降的频率范围；对于高通和带阻滤波器增益下降的频率范围；对于高通和带阻滤波器来说来说,指滤波器的指滤波器的阻带宽度阻带宽度。频带宽度频带宽度(4)(4)阻尼系数与品质因数阻尼系数与品质因数 阻

43、尼系数阻尼系数是表征滤波器对角频率为是表征滤波器对角频率为 0 信号的阻信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的一项指标，它影尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的一项指标，它影响幅频特性及相频特性的形状，大小由系统函数的分响幅频特性及相频特性的形状，大小由系统函数的分母决定。品质因数母决定。品质因数Q定义为谐振频率与带宽之比，是定义为谐振频率与带宽之比，是评价带通与带阻滤波器评价带通与带阻滤波器频率选择特性频率选择特性的一个重要指标，的一个重要指标，Q=0/B，式中的，式中的B为带通或带阻滤波器的为带通或带阻滤波器的3dB带宽，带宽，0为中心频率，在很多情况下中心频率与固有频率相为中心频率，在很多

44、情况下中心频率与固有频率相等。等。阻尼系数与品质因数的关系为：阻尼系数与品质因数的关系为：=1 /(2Q)(5)(5)灵敏度灵敏度 滤波电路由许多元件构成，每个元件参数值的变滤波电路由许多元件构成，每个元件参数值的变化都会影响滤波器的性能。滤波器某一性能指标化都会影响滤波器的性能。滤波器某一性能指标y y对对某一元件参数某一元件参数x x变化的灵敏度记作变化的灵敏度记作Sxy，定义为：，定义为：Sxy=(dy/y)/(dx/x)该灵敏度与测量仪器或电路系统灵敏度不是一个概念，该灵敏该灵敏度与测量仪器或电路系统灵敏度不是一个概念，该灵敏度越小，标志着电路容错能力越强，稳定性也越高。度越小，标志着

45、电路容错能力越强，稳定性也越高。(6)(6)群时延函数群时延函数 当滤波器幅频特性满足设计要求时，为保证输出当滤波器幅频特性满足设计要求时，为保证输出信号失真度不超过允许范围，对其相频特性信号失真度不超过允许范围，对其相频特性()也也应提出一定要求。在滤波器设计中，常用群时延函数应提出一定要求。在滤波器设计中，常用群时延函数 d()/d 评价信号经滤波后相位失真程度。群评价信号经滤波后相位失真程度。群时延函数越接近常数，信号相位失真越小。时延函数越接近常数，信号相位失真越小。4 4、模拟滤波器的传递函数与频率特性、模拟滤波器的传递函数与频率特性(1)(1)模拟滤波器的传递函数模拟滤波器的传递函

46、数 模拟滤波电路的特性可由传递函数来描述。传递模拟滤波电路的特性可由传递函数来描述。传递函数是输出与输入信号电压或电流拉氏变换之比。它函数是输出与输入信号电压或电流拉氏变换之比。它的一般表达式如下的一般表达式如下:式中式中s-拉氏变量，拉氏变量，s=+j;是与滤波器网络中无源器件是与滤波器网络中无源器件(mn)和有源器件有关的参数。和有源器件有关的参数。传递函数也称网络函数传递函数也称网络函数,是滤波器的复频域描述是滤波器的复频域描述,表达了系统的传递特性表达了系统的传递特性,它只决定于网络的结构和参数。它只决定于网络的结构和参数。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

47、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。比如路级联构成。比如,一种遥测地震仪采集站的低通滤波一种遥测地震仪采集站的低通滤波器是一个器是一个12阶阶滤波器滤波器,它就是由它就是由6节节2阶阶低通滤波器串接低通滤波器串接而成而成,但各节的元件参数并不相同。这样但各节的元件参数并不相同。这样,设计一个设计一个n(n为奇数时为奇数时,再串接一个一阶滤波器再串接一个一阶滤波器)阶线性有源滤波器阶线性有源滤波器就可以简化为二阶有源

48、滤波器的设计就可以简化为二阶有源滤波器的设计,而一阶滤波器的而一阶滤波器的设计比较简单。设计比较简单。二阶有源滤波器传递函数的一般标准形式：二阶有源滤波器传递函数的一般标准形式：-阻尼系数阻尼系数0-滤波器固有频率滤波器固有频率 上式中分子系数决定传递函数的零点位置，即上式中分子系数决定传递函数的零点位置，即决定滤波器类型是低通、高通、带通或带阻滤波器。决定滤波器类型是低通、高通、带通或带阻滤波器。分母系数决定滤波器特性，即传递函数的极点位置。分母系数决定滤波器特性，即传递函数的极点位置。令分母等于零得到极点在令分母等于零得到极点在 s 平面平面的位置，若要电路的位置，若要电路工作稳定，极点必

49、须都在左半平面。工作稳定，极点必须都在左半平面。(2)模拟滤波器的频率特性模拟滤波器的频率特性 模拟滤波器的传递函数模拟滤波器的传递函数K(s)表达了滤波器的输入表达了滤波器的输入与输出间的传递关系。若滤波器的输入信号与输出间的传递关系。若滤波器的输入信号Ui是角频是角频率为率为的单位信号，滤波器的输出的单位信号，滤波器的输出Uo(j)=K(j)表表达了在单位信号输入情况下的输出信号随频率变化的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。关系，称为滤波器的频率特性函数，简称频率特性。即令传递函数表达式中即令传递函数表达式中s=j，就得到频率特性函

50、数就得到频率特性函数。频率特性频率特性K(j)是一个复函数，其幅值是一个复函数，其幅值A()称为幅频称为幅频特性，其幅角特性，其幅角()表示输出信号的相位相对于输入信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。号相位的变化，称为相频特性。有源滤波器设计有源滤波器设计二阶有源滤波器的一般设计方法二阶有源滤波器的一般设计方法低通滤波器低通滤波器(LPF)设计设计高通滤波器高通滤波器(HPF)设计设计带通滤波器带通滤波器(BPF )设计设计 带阻滤波器带阻滤波器(BEF )设计设计二阶有限电压放大源滤波器一般形式二阶有限电压放大源滤波器一般形式1 1、有限电压放大源、有限电压放大源(也