【文章內(nèi)容簡介】 號為頻率信號，如測量轉(zhuǎn)速的光電編碼器， 每轉(zhuǎn)發(fā)出幾百或幾千個脈沖，為了與其他帶有標準信號輸入電路或接口的 A/D 卡或顯示儀表配套，需要把頻率信號轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號。另一方面，頻率 信號抗干擾性好，便于遠距離傳輸，可以調(diào)制在射頻信號上進行無線傳輸，也 可調(diào)制成光脈沖用光纖傳送，不受電磁場影響。由于這些優(yōu)點，在一些非快速 而又遠距離的測量中，如果傳感器輸出的是電壓或電流信號，愈來愈趨向于使 用電壓，頻率轉(zhuǎn)換器 (V／ F)，把傳感器輸出的信號轉(zhuǎn)換成頻率信號。 圖 3—27 LM331作 V/F轉(zhuǎn)換 圖 3—28 LM331作 F/V轉(zhuǎn)換 濾波器電路 濾波器是一種選頻裝置，它可以允許信號中某種頻率成分通過而對 其它頻率成分進行極大地抑制或衰減，起到 “ 篩選頻率 ” 的作用。濾波 器在抑制干擾噪聲、數(shù)字信號分析的預(yù)處理等場合具有重要的作用。 一、濾波器的分類 根據(jù)濾波器的選頻作用可將濾波器分為低通、高通、帶通和帶阻濾 波器，其幅頻特性如圖 3—29所示。 圖 3—29 四類濾波器的幅頻特性 a)低通 b)高通 c)帶通 d)帶阻 1．截止頻率 設(shè)幅頻特性的均值為 A0。當(dāng)幅頻特性值下降為 時所對應(yīng)的頻率，稱為實際濾波器的截止頻率。帶通或帶阻濾波器的截止頻率有兩個 (圖 3—30)，一個是上截止頻率 fc1，另一個是下截止頻率 fc2。 圖 3— 30 帶通濾波器幅頻特性 實際濾波器的幅頻特性與理想濾波器有很大的差異， 以圖 3— 29所示的帶通濾波器為例：理想濾波器的通帶和阻帶之間是直角轉(zhuǎn)折 ， 沒有過渡帶；實際上通帶和阻帶之間不可避免地存在過渡帶 ， 沒有明顯的轉(zhuǎn)折點；通帶中幅頻特性也不是常數(shù)：因此 ， 對于實際濾波器需要用更多的參數(shù)來描述其特性。 20A2．紋波幅度 d 實際濾波器的幅頻特性在截止頻率之間不是常數(shù)，在一定頻率范圍 內(nèi)呈波紋變化。紋波幅度值 d與幅頻特性的平均值 A0相比，越小越好， 即： d《 3．帶寬 B 上下兩截止頻率之間的頻率范圍稱為濾波器的帶寬 B。 4．中心頻率 f0 中心頻率為上下截止頻率的幾何平均值，即： 5．品質(zhì)因素 Q 對于帶通濾波器，通常把中心頻率 f0和帶寬 B之比稱為品質(zhì)因素，即： 6．倍頻程選擇性 在上下截止頻率以外有一段過渡帶。在過渡帶頻段內(nèi)，幅頻曲線的 傾斜程度，反映了濾波器對通帶頻段以外其它頻率成分的衰減快慢。所 謂倍頻程選擇性是指：在兩截止頻率以外頻率變化一倍（從 fc2到 2fc2?；? 從 fc1到 fc1／ 2）時，幅頻特性的衰減量，以 dB為單位。倍頻程選擇性越好 的濾波器過渡帶越陡，對通帶以外的頻率成分衰減越快。 20A 210 cc fff ??BfQ 0?1．一階 RC低通無源濾波器 ??21??f ,1)( ?fA??21?f 21)( ?fA ??2 12 ?? cff??21??f?? dteRCe xy 1當(dāng)待濾波信號的頻率 時， 與 f的關(guān)系近似為一條通過原點的直線，信號幾乎不受衰減通過濾波器。 RC低通濾波器是一個不失真的信號傳輸系統(tǒng)。 當(dāng) 時， ，即 。調(diào)整電路參數(shù) RC，可以改變低通濾波器的截止頻率。 當(dāng) 時， 濾波器起著積分器的作用，輸出 ey為 )(f?圖 3—31 RC低通濾波器幅頻特性 2．一階 RC高通無源濾波器 ??21??f 0)(,1)( ?? ffA ???21?f 21)( ?fA ??212 ?? cff??21??ffjfA ??2)( ?圖 3— 32為高通濾波器典型電路及其幅頻、相頻特性。 當(dāng)信號頻率 時， 說明高頻成分幾乎可以不受衰減地通過，這時的 RC高通濾波器可視為不失真信號傳輸系統(tǒng)。 當(dāng) 時， ，即 時，是高通濾波器的截止頻率。 當(dāng) 時， ， RC高通濾波器將起到微分器的作用 圖 3—32 RC高通濾波器幅頻特性 3．有源低通濾波器 ffc CRf ?212 ?圖 3— 33 一階有源低通濾波器 圖 3— 33（ a）將一階低通濾波網(wǎng)絡(luò)直接接到運算放大器的輸入端，運算放大器的主要作用是放大低頻信號，使其帶負載的能力提高。圖 3— 33 (b)中，將高通網(wǎng)絡(luò)作為運算放大器的負反饋，起到低通濾波器的作用。該濾波器的頻率響應(yīng)特性主要由與 Cf并聯(lián)的負反饋電阻 Rf決定，其時間常數(shù) τ =RfCf，截止頻率 4．開關(guān)電容濾波器 開關(guān)電容濾波器是 20世紀 70年代末期出現(xiàn)的新型單片濾波器，具有體積小，濾波階次高，濾波通帶可調(diào)等優(yōu)點，得到廣泛的應(yīng)用。這種濾波器是由 MOS開關(guān)、 MOS電容和運算放大器構(gòu)成的集成電路，以開關(guān)電容替代 RC濾波器中的電阻 R，這樣濾波器的特性取決于開關(guān)頻率和電路中有關(guān)電容的比值。例如 MAX29X系列開關(guān)電容低通濾波器的截止頻率是開關(guān)頻率的 1/100，通過程控改變開關(guān)頻率就可以獲得需要的濾波器特性。 3． 7 傳輸中的抗干擾技術(shù) ? 形成噪聲干擾必須具備三個要素：噪聲源、對噪聲敏感的接收電路及噪聲源接收電路間的耦合通道。因此，抑制噪聲干擾的方法也相應(yīng)有三個：降低噪聲源的強度、使接收電路對噪聲不敏感、抑制或切斷噪聲源與接收電路間的耦合通道。多數(shù)情況下，需在這三個方面同時采取措施。 ? 噪聲源 ?1．內(nèi)部噪聲源 內(nèi)部噪聲源是由檢測系統(tǒng)內(nèi)部和各種元器件引起的，主要有： (1)電路元器件產(chǎn)生的固有噪聲。電路或系統(tǒng)內(nèi)部一般都含有電阻、晶體管、運算放大器等元器件，這些元器件都會產(chǎn)生噪聲，例如電阻的熱噪聲、晶體管的閃爍噪聲和電子管內(nèi)載流子隨機運動引起的散粒噪聲等。 (2)感性負載切換時產(chǎn)生的噪聲干擾。在檢測和控制系統(tǒng)中常常包含有許多感性負載，如交、直流繼電器、接觸器、電磁鐵和電機等，它們都具有較大的自感。當(dāng)切換這些設(shè)備時，由于電磁感應(yīng)的作用，線圈兩端會出現(xiàn)很高的瞬態(tài)電壓，由此會帶來一系列的干擾問題。感性負載切換時產(chǎn)生的噪聲干擾十分強烈，單從接收電路的耦合介質(zhì)方面采取被動的 (3)接觸噪聲。接觸噪聲是由于兩種材料之間的不完全接觸而引起導(dǎo)電率起伏所產(chǎn)生的噪聲。例如：晶體管焊接處接觸不良 (如虛焊或漏焊 )，繼電器觸點之間、插頭與插座之間、電位器滑臂與電阻絲之間的不良接觸等都會產(chǎn)生接觸噪聲。 這三種噪聲引起的干擾通常叫做固定干擾。另外內(nèi)部噪聲干擾中還有 一種過渡干擾，它是電路在動態(tài)工作時引起的干擾。固定干擾是引起測量 隨機誤差的主要原因，一般很難消除，主要靠改進工藝和元器件質(zhì)量來抑 制。 ?2．外部噪聲源 外部噪聲源主要來自自然界以及檢測系統(tǒng)周圍的電氣設(shè)備，是由使用條件和外界環(huán)境決定的，與系統(tǒng)本身的結(jié)構(gòu)無關(guān)，主要有： (1)天體和天電干擾。天體干擾是由太陽或其他恒星輻射電磁波產(chǎn)生的干擾。天電干擾是由雷電、大氣的電離作用、火山爆發(fā)及地震等自然現(xiàn)象所產(chǎn)生的電磁波和空間電位變化所引起的干擾。 (2)放電干擾。放電干擾是指電動機的電刷和整流子間的周期性瞬間放電。電焊、電火花加工機床、電氣開關(guān)設(shè)備中的開關(guān)通斷，電氣機車和電車導(dǎo)電線與電刷間的放電等對鄰近檢測系統(tǒng)的干擾。 (3)射頻干擾。電視廣播、雷達及無線電收發(fā)機等對鄰近檢測系統(tǒng)的干擾，稱為射頻干擾。 (4)工頻干擾。大功率輸、配電線與鄰近測試系統(tǒng)的傳輸通過耦合產(chǎn)生的干擾，稱為工頻干擾。 ? 噪聲的耦合方式 ?1．靜電耦合 (電容性耦合 ) 圖 3— 38 靜電耦合 靜電耦合產(chǎn)生的干擾主要是指由于兩個電路之間存在寄生電容 ， 產(chǎn)生靜電效應(yīng)而引起的干擾 ， 如圖3— 38所示 。 圖中 ， 導(dǎo)線 1是干擾源 ， 導(dǎo)線 2為檢測系統(tǒng)傳輸出線， Cl、 C2為導(dǎo)線 2的寄生電容 ， C12是導(dǎo)線 1和 2之間的寄生電容 ， R為導(dǎo)線 2被干擾電路的等效輸入阻抗。 ?2．電磁耦合 (電感性耦合 ) 電磁耦合又稱互感耦合 ， 是由于兩個電路間存在互感 ， 如圖 3—39所示 。 圖中導(dǎo)線 l為干擾源 ， 導(dǎo)線 2為檢測系統(tǒng)的一段電路 ， 設(shè)導(dǎo)線 2間的互感為 M。 當(dāng)導(dǎo)線 l中有電流 ， 1變化時 ， 根據(jù)電路理論 ， 則通過電磁耦合產(chǎn)生一個互感干擾電壓 ， 干擾耦合方式主要為這種電感性耦合 。 圖 3—39電磁耦合 ?3．阻抗耦合 In Zc ZL Unc 圖 3— 40 阻抗耦合 共阻抗耦合干擾是由于兩個或兩個以上電路有公共阻抗，當(dāng)一個電路中的電流流經(jīng)公共阻抗產(chǎn)生壓降時，就形成對其他電路的干擾電壓，如圖 3— 40所示， 共阻抗耦合干擾主要有電源內(nèi)阻抗的耦合干擾、公共地線耦合干擾和輸出阻抗耦合干擾三種方式。其在測量裝置的放大器中是很常見的干擾，由于它的影響，使放大器工作不穩(wěn)定，很容易產(chǎn)生自激振蕩，破壞正常工作。 ?4．漏電流耦合 En Zc Rn 圖 3— 41 漏電流耦合 Unc 由于絕緣不良，流經(jīng)絕緣電阻 R的漏電流對檢測裝置引起的干擾叫做漏電流耦合。圖 3— 41表示了漏電流引起干擾的等效電路。 漏電流耦合經(jīng)常發(fā)生在用儀表測量較高的直流電壓的場合，或在檢測裝置附近有較高的直流電壓源時，或在高輸入阻抗的直流放大器中。 ? 噪聲的干擾模式 ?1．差模干擾 差模干擾是指干擾電壓與有效信號串聯(lián)疊加后作用到檢測裝置的輸入端，又稱串模干擾、正態(tài)干擾、常態(tài)干擾或橫向干擾等，如圖圖 3—42所示。差模干擾通常來自高壓輸電線、與信號線平行鋪設(shè)的電源線及大電流控制線所產(chǎn)生的空向電磁場。 Un 圖 3—42 差模干擾 Um ?2．共