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第五章 数字化测量技术 数字式仪表的特点： 测量精度高、灵敏度高、测量速度快、读数客观，测 量自动化、便于和微机系统组成自动测试系统等。 数字化测量技术的基本内容： 1、将连续的模拟量转换成相应的量化的非连续量； 2、将量化后的非连续量进行数字编码； 3、传输、存储、显示或打印。?;本章内容： 5.1 有源滤波器设计 5.2 集成运放及实用电路 5.3 模拟开关 5.4 AD转换技术 5.5 DA转换技术 5.6 采样保持技术 5.7 显示技术 5.8 标度转换 5.9 非线性校正技术 5.10 数字滤波技术;5.1 有源滤波器设计 滤波器的作用： 在各种频率信号(包括干扰信号)中选出特定频率的 有用信号，有用信号在通过滤波器时，不会有衰减或者 对有源滤波器而言可能还有信号放大作用，对干扰信号 进行最大程度的衰减，抑制对信号的干扰作用，提高信 噪比。 滤波器的分类： 滤波器可通过的频率范围为通带；不能通过的频率 范围为阻带；通带与阻带的界限频率称为截止频率，滤 波器可分为： 低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器; 按滤波器是否使用有源器件(放大器)来分，可以分 为有源滤波器和无源滤波器两大类。 下图中，分别为由RC网络构成一阶 无源低通滤波器，以及由运放构成 的一阶有源低通滤波器。 ;一、低通有源滤波器的设计 1、一阶低通滤波器 功能：低于截止频率的低频信号通过，衰减高频信号 分量，通带为 ， 为截止频率。 RC网络构成的一阶低通滤波器的输入输出关系如下： 复域关系为： 为输入信号频率 滤波器的的截止频率为：; 信号通过该滤波器时，幅值衰减如下： 相应得到图中同相端输入的有源一阶低通滤波器的增 益衰减关系如下： 低通截止频率： 信号频率 时，可无衰减的通过滤波器。 ; 几点说明： 1)无源低通滤波器，结构简单，带负载的能力差。 如对于直流信号，负载开路时，信号将无衰减的输 出；但外电路有负载时，信号将会被衰减。 上述电路中，如果R=20K，当电路负载电阻为RL=5K，对通过的直流信号，将会被衰减80%；如果输入的是交流信号，衰减将会更大。 不能直接多级级联来获得更好的频率响应(负载效应)。; 2) 对有源滤波器，有着极高的输入阻抗和极低的 输出阻抗，可直接进行级联，不需要进行阻抗的匹配。 同时，有源滤波器电路还可进行增益调整，通过调 节反馈电阻，可补偿电路中的增益衰减。 该电路对直流信号及低频信号几乎没有增益衰减。 3) 相对无源滤波器，有源滤波器有着无可替代的 优势，在大部分场合，都采用有源滤波器。 ;2、二阶低通滤波器 滤波器阶数不同对性能有着影响，下图为二阶有限增 益的低通滤波器的原理图。 一般的，电路中通常取： ?;幅频特性: 传递函数为： 增益为： 滤波器的低通截止频率为： ;说明： 1、这种二阶低通滤波器中，放大倍数H0不能任意指 定，当 ，滤波器电路不稳定。 2、电路中，元件离散性少，电路参数调整方便。不 过由于电路中通过引进了正反馈，所以整个电路的增益 大小受到一定的限制。 ;3、伯特瓦兹低通滤波器设计 滤波器输入输出关系可表示为： 式中： 是放大倍数， 为伯特瓦兹多项式。 伯特瓦兹低通滤波器的设计中，要求伯特瓦兹多项式 的幅值满足下式： n为滤波器的阶数， 为截止频率， 为信号频率。?; 简化起见，令截止频率 ，得到归一化 的伯特瓦兹多项式： ;一阶伯特瓦兹低通滤波器的传递函数为： 二阶伯特瓦兹低通滤波器的传递函数为： 对前述滤波器，令 ，对照上表，当满 足 时，该二阶低通滤波器就是一个二阶伯特 瓦兹低通滤波器。 伯特瓦兹低通滤波器的截止频率为：; 将一阶滤波器和二阶滤波器级联后可得到奇阶的伯 特瓦兹低通滤波器，将二阶滤波器级联后可得到偶阶的 伯特瓦兹低通滤波器。 ? 例：设计截止频率为1Kz的4阶伯特瓦兹低通滤波器 ?;参数的选取： 1、滤波器为4阶，n=4，查表后，对于第一级滤波器，得到其放大倍数为： 第二级滤波器，放大倍数为： 因此可得： 对于放大倍数，有下式成立：