第5章測(cè)試信號(hào)調(diào)理與記錄當(dāng)被測(cè)物理量經(jīng)過(guò)傳感環(huán)節(jié)被轉(zhuǎn)換為電阻、電容、電感等電參量的變化，在測(cè)量過(guò)程中不可避免地遭受各種內(nèi)、外干擾因素的影響；同時(shí)，為了將信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理或驅(qū)動(dòng)顯示、記錄和控制裝置，經(jīng)傳感后的信號(hào)一般需要經(jīng)過(guò)調(diào)理、放大、濾波等進(jìn)一步的加工處理，以抑制干擾噪聲、提高信噪比，便于后續(xù)的傳輸和處理。信號(hào)轉(zhuǎn)換與調(diào)理涉及的范圍很廣，本章將僅討論常用的處理環(huán)節(jié)如電橋、調(diào)制與解調(diào)、濾波及信號(hào)的顯示與記錄。5.1電橋電橋是將電阻、電容、電感等參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流輸出的一種測(cè)量電路。由于電橋電路簡(jiǎn)單可靠，具有很高的精度和靈敏度，所以被廣泛用作儀器的測(cè)量電路。按照電橋激勵(lì)電源的種類(lèi)不同，電橋可分為直流電橋和交流電橋；按照電橋的工作原理不同，可分為歸零法和偏值法兩種，以偏值法的應(yīng)用更廣泛。5.1.1直流電橋直流電橋是由四個(gè)首尾串聯(lián)的四個(gè)橋臂組成，每個(gè)橋臂由電阻構(gòu)成，在電橋的任一對(duì)角線(xiàn)兩端如A、C端接入直流電源E（激勵(lì)電源），輸出信號(hào)則接入另一對(duì)角線(xiàn)兩端B和D上，如圖5-1所示。圖5-1直流電橋結(jié)構(gòu)形式5.1.1直流電橋1.直流電橋的工作原理直流電橋工作原理是利用四個(gè)橋臂中的一個(gè)或數(shù)個(gè)阻值變化而引起電橋輸出電壓的變化。為簡(jiǎn)化計(jì)算，電橋測(cè)量之前通常需要對(duì)電橋進(jìn)行調(diào)平衡，即使得電橋輸出為零。由圖5-1可以看出，當(dāng)輸出端后接輸入阻抗較大的儀表或電路時(shí)，可視為負(fù)載為無(wú)窮大，即輸出可視為開(kāi)路，此時(shí)，輸出電流為零，則電橋的輸出電壓為：5.1.1直流電橋(5-1)=

=5.1.1直流電橋由式（5-1）可得，要使輸出電壓為零，即電橋平衡，則應(yīng)滿(mǎn)足

(5-2)式（5-2）為直流電橋的平衡公式。由公式可以看出，任一橋臂的電阻或數(shù)個(gè)阻值發(fā)生變化而使電橋的平衡不成立時(shí)，均可引起電橋輸出電壓的變化。常用的電橋連接形式有半橋單臂、半橋雙臂和全橋連接，如圖5-2所示。5.1.1直流電橋圖5-2直流電橋的連接方式(a)半橋單臂；(b)半橋雙臂；(c)全橋5.1.1直流電橋如圖5-2a為半橋單臂連接方式，電橋工作時(shí)僅有一個(gè)橋臂電阻如隨著被測(cè)量而變化，設(shè)其變化量為，則此時(shí)輸出電壓為：

(5-3)實(shí)踐中，常采用等臂電橋，即，則

(5-4)一般來(lái)說(shuō)，，則

(5-5)即電橋輸出電壓與激勵(lì)電壓E成正比，與橋臂阻值變化近似成線(xiàn)性關(guān)系。5.1.1直流電橋同理，圖5-2(b)為半橋雙臂的連接方式，工作時(shí)有兩個(gè)相鄰的橋臂阻值隨著被測(cè)量的變化而變化，且滿(mǎn)足，則電橋的輸出為：(5-6)而圖5-2(c)為全橋的連接方式，電橋的輸出為：(5-7)5.1.1直流電橋若四個(gè)橋臂的阻值變化同向，即：，，，，當(dāng)，且時(shí)，此時(shí)的輸出電壓為：

(5-8)5.1.1直流電橋2.電橋的工作特性1)定義電橋的靈敏度為，則不同的接橋方式具有不同的靈敏度。2）電橋的和差特性各橋臂的運(yùn)算規(guī)則是：對(duì)臂相加、鄰臂相減，此即電橋輸出重要的和差特性，該特性具有重要的實(shí)際意義。5.1.1直流電橋a.提高靈敏度。采用半橋或全橋方式，使用兩個(gè)或四個(gè)應(yīng)變片，安排好受拉區(qū)域或受壓區(qū)域，能增大電橋的輸出電壓，提高電橋靈敏度。b.實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。c.消除非測(cè)量載荷的影響。圖5-3懸臂梁應(yīng)變儀結(jié)構(gòu)5.1.1直流電橋3）提高供橋電壓來(lái)提高輸出電壓和靈敏度。圖5-4直流電橋平衡調(diào)節(jié)的配置方式(a)串聯(lián)平衡；(b)差動(dòng)串聯(lián)平衡；(c)并聯(lián)平衡；(d)差動(dòng)并聯(lián)平衡

5.1.2交流電橋

激勵(lì)電源為交流電源，橋臂可以是電阻、電感或電容，如圖5-5所示。用來(lái)表示四個(gè)橋臂的交流阻抗。圖5-5交流電橋結(jié)構(gòu)5.1.2交流電橋由圖5-5可得，交流電橋的平衡條件是：

(5-11)式中：，其中為復(fù)數(shù)的模，為復(fù)數(shù)阻抗的阻抗角。將帶入上式可得交流電橋的平衡條件是：

(5-12)即：相對(duì)橋臂的阻抗模的乘積相等，阻抗角的和相等。5.1.2交流電橋此電橋的平衡條件：根據(jù)實(shí)部、虛部分別相等,圖5-6電容電橋結(jié)構(gòu)5.1.2交流電橋

由上式可得，為達(dá)到交流電橋平衡，必須同時(shí)調(diào)節(jié)電容與電阻兩個(gè)參數(shù)，使電阻和電容分別達(dá)到平衡。即使是純電阻的交流電橋，由于電橋?qū)Ь€(xiàn)之間形成的分布電容也會(huì)影響橋臂阻抗值，相當(dāng)于在各個(gè)橋臂的電阻上并聯(lián)了一個(gè)電容，如圖5-7a所示，因此，電阻平衡的同時(shí)也需對(duì)電容進(jìn)行調(diào)平衡。圖5-7b示出一種用于動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀的純電阻電橋，其中采用差動(dòng)可變的電容器來(lái)調(diào)整電容，使并聯(lián)的電容值得到改變，來(lái)實(shí)現(xiàn)電橋電容的平衡。5.1.2交流電橋圖5-7交流電橋平衡條件(a)電橋的分布電容；(b)采用電阻電容平衡的交流電阻電橋5.1.2交流電橋交流電橋使用時(shí)，需注意電橋各元件之間的互感耦合、無(wú)感電阻的殘余電抗、泄露電阻、元件間及元件對(duì)地的分布電容等，需要采用適當(dāng)?shù)拇胧┫驕p小影響。另外，也要求交流電橋的激勵(lì)電源的電壓波形和頻率具有一定的穩(wěn)定性，電源頻率多采用5kHz~10kHz的音頻交流電源，電橋不易受到工頻干擾，后接交流放大電路較簡(jiǎn)單，沒(méi)有零漂的問(wèn)題。5.1.3變壓器電橋變壓器電橋式將變壓器中感應(yīng)耦合的兩線(xiàn)圈繞組作為電橋的橋臂，如圖5-8所示是其常用的兩種形式。圖5-8變壓器電橋5.1.3變壓器電橋以上兩種電橋的變壓器也被稱(chēng)為差動(dòng)變壓器式傳感器，通過(guò)移動(dòng)敏感元件鐵芯的位置，將位置的變化轉(zhuǎn)換為繞組間互感的變化，通過(guò)電橋進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為電壓或電流量輸出。與普通電橋相比，變壓器式電橋具有較高的測(cè)量精度和靈敏度，且性能也較穩(wěn)定，在非電量測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用。5.2信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)工程測(cè)量過(guò)程中常常會(huì)碰到力、位移、溫度等一些變化緩慢的量，經(jīng)傳感器變換后的輸出信號(hào)也是一些低頻的電信號(hào)。如果直接采用直流放大，常常會(huì)帶來(lái)零漂和級(jí)間耦合等問(wèn)題，造成信號(hào)的失真。因此通常先將這些低頻信號(hào)通過(guò)調(diào)制的手段變成高頻信號(hào)，然后可采取簡(jiǎn)單的交流放大器進(jìn)行放大，然后再采取解調(diào)的方法還原原來(lái)的緩變被測(cè)量。5.2信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)所謂調(diào)制，是指利用某種低頻信號(hào)來(lái)控制或改變高頻振蕩信號(hào)的某個(gè)參數(shù)(幅值、頻率或相位)的過(guò)程?？刂聘哳l振蕩的低頻信號(hào)稱(chēng)為調(diào)制波，高頻振蕩信號(hào)稱(chēng)為載波，將經(jīng)過(guò)調(diào)制后所得的高頻振蕩波稱(chēng)為已調(diào)制波。根據(jù)載波受調(diào)制的參數(shù)不同，調(diào)制可分為調(diào)幅(AM)，調(diào)頻(FM)和調(diào)相(PM)。當(dāng)被控制的量是高頻信號(hào)的幅值時(shí)，稱(chēng)為幅值調(diào)制或調(diào)幅；當(dāng)被控制的量為高頻信號(hào)的頻率時(shí)，稱(chēng)為頻率調(diào)制或調(diào)頻；而當(dāng)被控制的量為高頻信號(hào)的相位時(shí)，稱(chēng)為相位調(diào)制或調(diào)相。解調(diào)是從已調(diào)制波中恢復(fù)出原有低頻調(diào)制信號(hào)的過(guò)程。5.2.1幅值調(diào)制與解調(diào)1.幅值調(diào)制幅值調(diào)制與調(diào)幅是將一個(gè)高頻載波信號(hào)與被測(cè)信號(hào)（調(diào)制信號(hào)）相乘，使載波信號(hào)的幅值隨著被測(cè)信號(hào)的變化而變化。如圖5-9所示，為被測(cè)信號(hào)，為高頻載波信號(hào)，已調(diào)制信號(hào)，將信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換可知：兩信號(hào)在時(shí)域中的相乘對(duì)應(yīng)于在頻域中的卷積，即：5.2.1幅值調(diào)制與解調(diào)而余弦信號(hào)的頻域是一對(duì)脈沖譜線(xiàn)則有因此，信號(hào)與載波信號(hào)的乘積在頻域上相當(dāng)于將在原點(diǎn)處的頻譜圖形搬移至載波頻率處，如圖5-9(b)所示。因此，調(diào)幅過(guò)程相當(dāng)于頻譜的“搬移”過(guò)程。圖5-9幅值調(diào)制原理(a)時(shí)域(b)頻域5.2.1幅值調(diào)制與解調(diào)幅值調(diào)制裝置實(shí)質(zhì)上是一個(gè)乘法器，霍爾元件也是一種乘法器。在實(shí)際應(yīng)用中，經(jīng)常采用電橋作調(diào)制裝置，以高頻振蕩電源供給電橋，作為載波信號(hào)，則電橋的輸出便為調(diào)幅波。如圖5-10所示為一應(yīng)用實(shí)例，其中電橋的供電電壓為5V，頻率為3000Hz，被測(cè)應(yīng)變量的頻率變化為0~10Hz，即為從靜態(tài)到緩變的一個(gè)范圍，根據(jù)電橋的工作原理，應(yīng)變片阻值的變化使得電橋產(chǎn)生輸出，輸出電壓是供電電源（載波）的電壓，輸出電壓的幅值被應(yīng)變片的阻值變化所調(diào)制，經(jīng)過(guò)頻譜搬移后為2990Hz~3010Hz，此范圍的頻率信號(hào)將后接交流放大器進(jìn)行處理。5.2.1幅值調(diào)制與解調(diào)圖5-10電橋調(diào)幅裝置應(yīng)用5.2.1幅值調(diào)制與解調(diào)2.幅值調(diào)制的解調(diào)幅值調(diào)制的解調(diào)常用的方法有同步解調(diào)、整流檢波和相敏解調(diào)。(1)同步解調(diào)同步解調(diào)就是將調(diào)幅波經(jīng)一乘法器與原載波信號(hào)相乘，在頻域上相當(dāng)于頻譜的再次搬移，如圖5-11所示。5.2.1幅值調(diào)制與解調(diào)圖5-11同步解調(diào)5.2.1幅值調(diào)制與解調(diào)同步解調(diào)方法簡(jiǎn)單，但要求有性能良好的線(xiàn)性乘法器件，否則將引起信號(hào)失真。具體實(shí)踐中，可采用AD630調(diào)制解調(diào)器信號(hào)進(jìn)行同步解調(diào)。5.2.1幅值調(diào)制與解調(diào)(2)整流檢波整流檢波的原理是：對(duì)調(diào)制信號(hào)偏置一個(gè)直流分量A，使得偏置后的信號(hào)具有正電壓值，如圖5-12(a)所示，那么該信號(hào)調(diào)幅后得到的已調(diào)制波的包絡(luò)線(xiàn)將具有原信號(hào)的形狀。對(duì)調(diào)幅波作簡(jiǎn)單的整流(全波或半波整流)和濾波便可恢復(fù)原調(diào)制信號(hào)，信號(hào)在整流濾波之后仍需準(zhǔn)確地減去所加的偏置直流電壓。5.2.1幅值調(diào)制與解調(diào)圖5-12調(diào)制信號(hào)加偏置的調(diào)幅波(a)偏置電壓足夠大；(b)偏置電壓不夠大5.2.1幅值調(diào)制與解調(diào)這種解調(diào)方法關(guān)鍵是準(zhǔn)確地加、減偏置電壓。若所加電壓未能使調(diào)制信號(hào)電壓都在零位的同一側(cè)，如圖5-12(b)所示，那么在調(diào)幅之后便不能簡(jiǎn)單地通過(guò)整流濾波來(lái)恢復(fù)原信號(hào)。而采用相敏解調(diào)可解決這一問(wèn)題。5.2.1幅值調(diào)制與解調(diào)(3)相敏解調(diào)相敏解調(diào)，又稱(chēng)相敏檢波，可以鑒別調(diào)制信號(hào)的極性。它利用交變信號(hào)在過(guò)零位時(shí)正、負(fù)極性發(fā)生突變，使調(diào)幅波相位與載波信號(hào)比較也相應(yīng)地產(chǎn)生180°相位跳變，從而既能反映原信號(hào)的幅值又能反映其相位。5.2.1幅值調(diào)制與解調(diào)圖5-13所示為一種典型的二極管相敏檢波裝置及其工作原理，是利用二極管的單向?qū)ㄗ饔脤㈦娐份敵鰳O性換向。四個(gè)特性相同的二極管順時(shí)針連接在電橋的四個(gè)橋臂上，四個(gè)端點(diǎn)分別接至兩個(gè)變壓器A和B的副邊線(xiàn)圈上。為原始信號(hào)，變壓器A輸入有調(diào)幅波信號(hào)，變壓器B接有參考信號(hào)（載波），R1和C為負(fù)載，平衡電阻R起限流作用，電路設(shè)計(jì)使變壓器B副邊的輸出電壓遠(yuǎn)大于變壓器A副邊的輸出電壓。5.2.1幅值調(diào)制與解調(diào)圖5-13相敏檢波5.2.1幅值調(diào)制與解調(diào)若原信號(hào)為正，O-a段所示。當(dāng)載波電壓為正時(shí)，導(dǎo)通，電流流向當(dāng)載波電壓為負(fù)時(shí)，變壓器A和變壓器B的極性同時(shí)改變，電流的流向則變?yōu)槿粼盘?hào)為負(fù)，a-b段所示。當(dāng)載波電壓為正時(shí),導(dǎo)通，電流的流向是當(dāng)載波電壓為負(fù)時(shí)，電流的流向是5.2.1幅值調(diào)制與解調(diào)相敏檢波的典型實(shí)例是動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀，如圖5-14所示為其結(jié)構(gòu)原理圖。電橋振蕩器供給高頻振蕩電壓（10kHz~15Hz），應(yīng)變片控制電橋輸出調(diào)幅波，經(jīng)放大和相敏檢波后再經(jīng)低通濾波，最后恢復(fù)被測(cè)的信號(hào)。圖5-14動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀方框圖5.2.2頻率調(diào)制與解調(diào)利用調(diào)制信號(hào)控制高頻載波信號(hào)頻率變化的過(guò)程稱(chēng)為頻率調(diào)制。在頻率調(diào)制過(guò)程中載波幅值保持不變，即功率是常量，僅僅載波的頻率隨著調(diào)制信號(hào)的幅值成比例變化。1.頻率調(diào)制對(duì)如圖5-15所示，調(diào)制信號(hào)為三角波，對(duì)余弦波進(jìn)行調(diào)制，未調(diào)制前，等幅高頻余弦信號(hào)：5.2.2頻率調(diào)制與解調(diào)設(shè)調(diào)制信號(hào)為，由于頻率調(diào)制信號(hào)其角頻率隨成線(xiàn)性變化，即，其中為比例因子，則調(diào)頻后，信號(hào)總相角為 （5-15）

因此，調(diào)頻波的表達(dá)式為： （5-16）5.2.2頻率調(diào)制與解調(diào)圖5-15頻率調(diào)制信號(hào)5.2.2頻率調(diào)制與解調(diào)實(shí)現(xiàn)信號(hào)調(diào)頻和解調(diào)方法很多，下面介紹兩種常用的調(diào)頻方法。直接調(diào)頻測(cè)量電路。以L(fǎng)C振蕩回路為例，如圖5-16所示。

LC振蕩回路以振蕩頻率與調(diào)諧參數(shù)的變化成線(xiàn)性關(guān)系，即振蕩頻率受控于電容，這種將被測(cè)參數(shù)的變化直接轉(zhuǎn)換為振蕩頻率變化的過(guò)程稱(chēng)直接調(diào)頻式測(cè)量。圖5-16LC振蕩器5.2.2頻率調(diào)制與解調(diào)2)壓控振蕩器（VCO）壓控振蕩器是一種常用的調(diào)頻方法，如圖5-17為壓控振蕩器的原理圖。圖5-17壓控振蕩器5.2.2頻率調(diào)制與解調(diào)2.頻率調(diào)制的解調(diào)對(duì)調(diào)頻波的解調(diào)也稱(chēng)鑒頻，其原理是將頻率的變化恢復(fù)成調(diào)制信號(hào)電壓幅值的變化過(guò)程，實(shí)現(xiàn)方法很多，圖5-18所示為測(cè)試儀器常用的鑒頻法——變壓器耦合的諧振回路鑒頻方法。圖5-18諧振振幅鑒頻器原理5.3信號(hào)的放大與濾波5.3.1信號(hào)的放大信號(hào)放大電路是為了將微弱的傳感器信號(hào)，放大到足以進(jìn)行各種轉(zhuǎn)換處理，或推動(dòng)指示器、記錄器以及各種控制機(jī)構(gòu)。傳感器輸出的信號(hào)通常為毫伏級(jí)，有時(shí)為微伏級(jí)，而許多處理系統(tǒng)要求的輸入電壓0~10v,不經(jīng)過(guò)放大處理，是無(wú)法滿(mǎn)足采集和信號(hào)處理需要的。信號(hào)放大器用放大倍數(shù)即增益(Gain)表示放大器的靈敏度，放大倍數(shù)為放大器的輸出端電壓與輸入端的電壓差之比來(lái)表示，通常為1~1000或者更高。5.3.1信號(hào)的放大1.運(yùn)算放大器模型實(shí)際放大器通常由一種普通的、低成本的集成電路構(gòu)成，被稱(chēng)為運(yùn)算放大器，簡(jiǎn)稱(chēng)運(yùn)放，如圖5-19(a)所示。圖5-19運(yùn)算放大器的符號(hào)和簡(jiǎn)化模型5.3.1信號(hào)的放大2基本放大器1）反相放大器其特點(diǎn)是輸入信號(hào)和反饋信號(hào)均加在運(yùn)放的反相輸入端。反相放大器的電壓增益為(a)反相放大器5.3.1信號(hào)的放大2)同相放大器圖5-20(b)所示為同相放大器電路，其特點(diǎn)是輸入信號(hào)加在同相輸入端，而反饋信號(hào)加在反相輸入端。具有輸入阻抗非常高，輸出阻抗很低的特點(diǎn)同相放大器的增益為(b)同相放大器5.3.1信號(hào)的放大3.儀用放大器在許多工程測(cè)試場(chǎng)合，傳感器輸出信號(hào)不僅很微弱，而且伴隨有很大的共模電壓(包括干擾電壓)，一般對(duì)這種信號(hào)需要采用具有很高共模抑制比、高增益、低噪聲、高輸入阻抗的放大器實(shí)現(xiàn)放大，將具有這種特點(diǎn)的放大器稱(chēng)為儀表放大器。圖5-21所示是目前廣泛應(yīng)用的三運(yùn)放測(cè)量放大器電路。5.3.1信號(hào)的放大圖5-21三運(yùn)放測(cè)量放大器電路5.3.1信號(hào)的放大4.隔離放大器隔離放大器應(yīng)用于高共模電壓環(huán)境下的小信號(hào)測(cè)量，其輸入、輸出和電源電路之間沒(méi)有直接的電路耦合，由輸入放大器、輸出放大器、隔離器以及隔離電源等幾部分組成，如圖5-22(a)所示，圖5-22(b)為其電路符號(hào)。

圖5-22隔離放大器的基本電路及其電路符號(hào)5.3.1信號(hào)的放大隔離放大電路中，采用的主要隔離方式有電磁(變壓器、電容)耦合和光電耦合。隔離放大器采用浮置式設(shè)計(jì)(浮置電源、浮置放大器輸入端)，輸入、輸出端相互隔離，不存在公共地線(xiàn)的干擾，因此具有極高的共模抑制能力，能對(duì)信號(hào)進(jìn)行安全準(zhǔn)確的放大，有效防止高壓信號(hào)對(duì)低壓測(cè)試系統(tǒng)造成的破壞。5.3.2信號(hào)的濾波濾波是選取信號(hào)中感興趣的成分，而抑制或衰減掉其他不需要的成分。實(shí)現(xiàn)濾波功能的裝置稱(chēng)為濾波器，可對(duì)獲取的信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，也可剔除不需要的干擾噪聲。濾波器需要具有以下的性能：（1）在通帶內(nèi)，濾波器對(duì)信號(hào)的衰減越小越好，理想情況下衰減為零；（2）在阻帶內(nèi)，濾波器對(duì)信號(hào)的衰減越大越好，理想情況下衰減應(yīng)為無(wú)窮大；（3）通帶與阻帶分界要明顯，理想情況下應(yīng)無(wú)過(guò)渡段；（4）在通帶內(nèi)，輸入阻抗及輸出阻抗應(yīng)與前后網(wǎng)絡(luò)阻抗相匹配。5.3.2信號(hào)的濾波1.濾波器的種類(lèi)根據(jù)濾波器的選頻方式一般可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器，如圖5-23所示為四種濾波器的幅頻特性。圖5-23不同濾波器的幅頻特性(a)低通；(b)高通；(c)帶通；(d)帶阻；5.3.2信號(hào)的濾波2.濾波器的特性分析一、一般特性若一個(gè)濾波器的頻率響應(yīng)函數(shù)為則此濾波器具有矩形幅頻特性和線(xiàn)性相頻率特性，如圖5-24所示，將低于頻率的所有信號(hào)無(wú)失真地通過(guò)，而高于頻率的信號(hào)全部衰減，稱(chēng)為截止頻率，則稱(chēng)這種濾波器為理想濾波器。5.3.2信號(hào)的濾波二、理想濾波器對(duì)單位脈沖的響應(yīng)將單位脈沖信號(hào)送入理想低通濾波器，則其響應(yīng)為一個(gè)函數(shù)，如圖5-25所示，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：式中，

=圖5-25理想低通濾波器的脈沖響應(yīng)5.3.2信號(hào)的濾波三、理想濾波器對(duì)單位階躍的響應(yīng)給理想低通濾波器輸入階躍函數(shù)，則濾波器的輸入為：圖5-26理想低通濾波器對(duì)單位階躍輸入的響應(yīng)(t0=0)5.3.2信號(hào)的濾波從圖5-26可見(jiàn)，輸出響應(yīng)從零點(diǎn)（a點(diǎn)）到穩(wěn)定點(diǎn)（b點(diǎn)）需要一定的建立時(shí)間若按理論響應(yīng)值的作為計(jì)算時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)，則截止頻率表征了帶寬B的大小，則帶寬B與成反比，并且5.3.2信號(hào)的濾波濾波器帶寬表征了它的頻率分辨能力，通帶越窄，分辨力越高，說(shuō)明濾波器的高分辨能力與快速響應(yīng)的要求是相互矛盾的，若想采用一個(gè)濾波器從信號(hào)中獲取某一頻率范圍很窄的信號(hào)，如進(jìn)行高分辨率的頻譜分析，便需要有足夠的建立時(shí)間。對(duì)于已定帶寬的濾波器，一般采用。5.3.2信號(hào)的濾波3.濾波器的特征參數(shù)圖5-27理想的和實(shí)際的帶通濾波器的幅頻特性5.3.2信號(hào)的濾波主要有截止頻率、帶寬、紋波幅度、品質(zhì)因子(Q值)以及倍頻程選擇性等。(1)截止頻率幅頻特性值等于(幅值下降)所對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)(圖5-27中的，)。若以信號(hào)的幅值平方表示信號(hào)功率，該頻率對(duì)應(yīng)的點(diǎn)為半功率點(diǎn)。(2)帶寬上下截止頻率之間的頻率范圍，稱(chēng)為濾波器的帶寬，表征濾波器的分辨能力，即濾波器分離信號(hào)中相鄰頻率成分的能力。5.3.2信號(hào)的濾波(3)紋波幅度通帶中幅頻特性值的起伏變化值，以表示。(4)品質(zhì)因子品質(zhì)因子即Q值，Q定義為中心頻率與帶寬B之比，中心頻率定義為(5)倍頻程選擇性上截止頻率與2之間或下截止頻率與2間幅頻特性的衰減值，即頻率變化一個(gè)倍頻程的衰減量。

(6)濾波器因數(shù)(矩形系數(shù))5.3.2信號(hào)的濾波4.恒帶寬濾波器和恒帶寬比濾波器圖5-28倍頻程譜分析裝置5.3.2信號(hào)的濾波根據(jù)濾波器組帶寬遵循的規(guī)則不同，通常分為恒帶寬比濾波器和恒帶寬濾波器(1)恒帶寬比濾波器濾波器的相對(duì)帶寬是常數(shù)（具有相同的品質(zhì)因子Q值），即(2)恒帶寬濾波器恒帶寬濾波器是指絕對(duì)帶寬為常數(shù)的濾波器，即5.3.2信號(hào)的濾波當(dāng)中心頻率變化時(shí)，上述兩種濾波器帶寬變化如圖5-29所示。圖5-29理想的恒帶寬比和恒帶寬濾波器的特性(a)恒帶寬比濾波器;(b)恒帶寬濾波器5.4信號(hào)的顯示與記錄信號(hào)的顯示和記錄裝置是用來(lái)顯示和記錄各種信號(hào)變化規(guī)律所必須的設(shè)備，是測(cè)試系統(tǒng)的最后一個(gè)環(huán)節(jié)，用來(lái)現(xiàn)實(shí)信號(hào)的特征量，如幅值、頻率、相位角等，包括模擬顯示、數(shù)碼顯示以及圖形顯示等幾種基本結(jié)構(gòu)，下面以典型的應(yīng)用為例來(lái)分別介紹。5.4.1筆式記錄儀早期的測(cè)試儀器的信號(hào)輸出多為模擬輸出，具有體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低等特點(diǎn)。這里以典型的動(dòng)圈式磁電指示機(jī)構(gòu)為例，如圖5-30所示。圖5-30動(dòng)圈式磁電指示機(jī)構(gòu)5.4.2LED和LCD1.發(fā)光二極管（LED）發(fā)光二極管是利用特殊摻雜的半導(dǎo)體PN結(jié)在通過(guò)電流時(shí)把電能轉(zhuǎn)換成光能的固體發(fā)光器件，具有工作穩(wěn)定可靠、體積小、易與數(shù)字電路匹配、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。如圖5-32所示，LED器件分別有7段（“8”字形）數(shù)碼管(圖(a))"“米”字形數(shù)碼管(圖(b))、數(shù)碼點(diǎn)陣(圖(c))和數(shù)碼條柱(圖(d))四種類(lèi)型。5.4.2LED和LCD圖5-31各種測(cè)試信號(hào)輸出與數(shù)碼顯示器的接口原理框圖5.4.2LED和LCD圖5-32LED數(shù)碼顯示器件及字段構(gòu)成原理5.4.2LED和LCD圖5-33LED顯示器結(jié)構(gòu)與工作原理圖5.4.2LED和LCDLED數(shù)碼顯示管的驅(qū)動(dòng)顯示原理如圖5-33所示，其顯示塊分共陽(yáng)極和共陰極兩種。共陰極LED是指組成顯示塊的發(fā)光二極管所有的陰極連接在一起并接地，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的正極為高電平時(shí)，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，相應(yīng)的段（