信号处理与信号变换500问(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：林凌

出版社：电子工业出版社

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信号处理与信号变换500问试读：

内容简介

本书主要介绍信号处理与信号变换电路等方面的知识，这些知识的重要性是不言而喻的，实际上，是否具备信号处理与信号变换电路的全面知识与足够的设计能力，决定了测控系统、仪器仪表等任何一个现代化装置与系统的性能，甚至成败。INTRODUCTION　序言

毋庸置疑，“测控电路”是工科院校中开设最多的专业课程之一，学习人数也很多，其原因在于“测控电路”在现代生活中的应用已经到了无所不在的地步：无论是工业、交通运输，还是国防、科研，即使在人们的日常生活中也无处不在，如在冰箱、空调器、自动路灯、电子人体秤、电磁炉、护眼灯中都存在测控电路。可以说，只要是用电的地方，就有测控电路的存在。因此，学习并掌握好“测控电路”，必将在参加工作后能够大展拳脚，建功立业。“测控电路”既有很强的理论性，又有很强的实践性。因此，在学习时不仅需要刻苦钻研理论知识，也要努力实践。更为困难的是，测控电路涉及的专业知识面宽，又在迅速发展，这就使得没有一本教科书或参考书能够为读者提供足够的知识、经验及解惑释疑。加上测控电路的深度和广度都是超乎一般人想象的：从理论到实践，从元器件、单元电路、各种系统到测量仪器的理想特性与实际特性，从模拟仿真到实际测试，从核心器件到辅助器材，从实验电路、原理样机到批量生产的工艺，从现在仍然发挥作用的晶体三极管到新近普及的SoC（片上系统集成电路）……其中任何一项知识与能力的缺少必将影响电子工程师的水准与实力。本丛书就是为职场新生代迅速成为电子达人而编写的。

编者一直从事“测控电路”的教学和相关科研工作。在教学过程中，深深感受到实践对学好“测控电路”的重要性，“学以致用”在素质教育中的重要性。在引导学生加强实践的同时，收集了大量学生在学习“测控电路”中，特别是在实验中提出的各种问题，也有很多问题是我们课题组的研究生或我们学院的研究生们提出的，还有部分是在网络上BBS中讨论的问题。因此，这些问题的覆盖面广，而且是学生或工作不久的工程技术人员所提出的，这样能够更好地反映学习和应用“测控电路”中所遇到的问题，针对性更强，对读者的帮助更大。

在这些问题中，有相当数量的问题是由学生自己给出回答的，只要没有错误，我们尽量保留这些问答，因为学生（或初学者）的“自问自答”可能更有利于读者明白这些问题。

由于这些问题涉及面广，所以在符号、表达式、电路图等方面就难以统一。例如，在相关课程“电路”或“电路原理”中用的符号、表达式与“模拟电子技术”中用得就不一样，在计算机辅助设计、仿真用得又有不同。本书考虑的是：只要能够准确地表示和表达，就不追究符号、表达式、电路图的统一。也许这样能够更好地帮助读者理解和掌握。

问题的分类也是一个难有统一标准的事情。例如，精密放大器的PCB布局是算放大器的问题还是PCB布局问题，只好根据编者的理解和侧重把这些问题进行分类。另一个让编者棘手的是有些问题可以从不同的层面和角度来回答，如果都集中在一个问题里回答，这个问题可能就成为一篇大论文了，让读者读起来感到烦闷、枯燥，而细分开来，又会有一定的重叠。本书倾向于后一种方式，读者读起来可能更轻松、信息量也更大一些，看问题的角度也更全面一些。

为尽可能穷尽目前学习和应用测控电路可能遇到的问题，本丛书将数以万计的问题进行分类，以方便读者查找和阅读。

本丛书是依靠群众的力量完成的，有近200位本科生、120多位研究生贡献了力量，特别是我们课题组的研究生更是直接参与了本书的整理工作，他们是杨雪、张林娜、张盛昭、刘妍、刘洋、贺建满、焦彬、贺文钦、徐思佳、胡雅佳、王怀乐、李泽云、张启蕊、李淑娟、彭瑶和刘红艳，没有他们的辛勤努力是不可能完成本书的编写工作的，在此谨向他们致以深深的谢意！编者PREFACE　前言

作为《职场新生代实用电子技术问答系列》丛书的第四册—《信号处理与信号变换500问》，主要包含传感器的基本知识、传感器器件、传感器的接口电路和传感器应用等方面的知识。这些信号处理与信号变换电路的重要性是不言而喻的，实际上，一个测控电路或测控系统必不可少的一定是信号处理与信号变换电路，信号处理与信号变换电路涉及面宽，其性能与作用决定了测控电路或测控系统的性能，甚至成败。在电子技术上天入地、无所不在的今天，对于一个电子工程师而言，掌握信号处理与信号变换电路的知识和相应的应用能力，其重要性可想而知。虽然职场新生代在校期间已经学习并掌握了信号处理与信号变换电路的基本理论，但对信号处理与信号变换电路的知识和应用还是十分有限的。本分册的目的就是要帮助他们尽快地了解和掌握信号处理与信号变换电路及其应用的实际知识。

本书收集了高年级大学生、研究生在实验和课题研究工作中的信号处理与信号变换电路及其应用问题，还包括最新的信号处理与信号变换集成电路的知识，了解这些问题对电子、机电、测控和仪器仪表类专业的大学生掌握信号处理与信号变换电路及其应用的理论，提高实践能力有很大的帮助，同时对从事电子技术相关领域的工程技术人员也有很高的参考价值。

本书收集的问题可能从不同的角度和层面提出，因而有不少的问题有相当程度的重叠，但回答问题也有多种角度和不同的层面，这样可能更有助于读者理解和体会这些问题和知识。

本书共分9个单元，乔文博士编写了第一单元和第二单元，王慧泉博士编写了第三单元和第九单元，赵喆博士编写了第四单元，陈瑞娟博士编写了第五单元，刘近贞博士编写了第六单元，郝丽玲博士编写了第七单元，周梅博士编写了第八单元。全书由林凌教授和李刚教授整理和统稿。编者2016年春于北洋园第一单元信号处理与变换基础理论与基础知识No. 001　信号处理与变换电路的基本要求是什么？

除信号发生器（信号源）外，任何一个电路都是一个“变换”电路，将输入信号“变换”成预计的输出：放大器将“小”信号“变换”成大信号，滤波器去除输入信号中的某些频率分量或频率段，电压/频率变换电路本身的名字就包含“变换”二字。

对一个信号处理与变换电路的基本要求可以表达为：（1）按照一定的关系将输入信号变换成所预计的输出信号，这种关系通常是线性的：

Yo=kXi+C

其中：

Yo—输出量，可以是电压、电流，也可以是频率、周期或有效值等。

k—转换系数，有时也称为灵敏度系数或增益。如在电压/电流转换（VCC）中其单位是西门子（Ω-1，欧姆-1），更直观地可以用A/V或其他类似的单位，如mA/V、μA/V、A/mV、mA/μV等作为单位。

Xi—输入信号，可以是最常见的电压，也可以是电流、频率、周期等，还可以是电量、电阻，等等。

C—常数值，或称为零点值、基线值。

请注意：信号变换的线性与电路本身是否为线性并非总是一致的：电压/频率变换（V/FC）的输入/输出关系是线性的，但其电路本身却是非线性的。请参考本单元中的相关问答。（2）尽可能高的灵敏度，即k值尽可能高。（3）足够的动态范围，即满足输入信号Xi的可能范围。（4）其他要求：如电路的过载保护、功耗、频带、工作电压、输入阻抗、输出阻抗等。No. 002　如何判断线性与非线性处理或变换电路？

可以从以下3个角度来判断是否为线性电路。（1）电路的构成元件：线性电路是指完全由线性元件、独立源或线性受控源构成的电路。有以下几点需要注意：

① 开环或具有正反馈的运算放大器是非线性元件；

② 正常偏置的三极管可以近似为线性元件；

③ 非工作在击穿状态下的稳压二极管、压敏电阻、处于反向偏置的二极管等在判断电路是否为线性时可以不考虑。（2）输入电压与输出电压之间的函数关系：线性是指输入和输出之间关系可以用线性函数表示。（3）输出信号中的频率：输出信号中没有出现输入信号中所没有的频率分量就是线性电路，反之，就是非线性电路，至少是出现了非线性失真的线性电路。

线性电路更为严格的要求还有非齐次性，非齐次是指方程（输入/输出关系）中有没有常数项，即所有激励同时乘以常数k时，所有响应也将乘以k。No. 003　如何判断线性电路？

如果可以了解电路的器件构成，可以从有无非线性器件来判断：无非线性器件的是线性电路。

如果可以测试电路的输入与输出关系，可以从电路的输入电压与输出电压是否成正比来判断：输入电压与输出电压成正比的是线性电路。

特别是：仅给电路输入一个单频的正弦波，如果电路的输出也是单一的正弦波，则该电路是线性电路，否则，是非线性电路。比如，电路输出的是同一频率的方波、三角波或其他任意的波形，只要不是单纯地输出与输入同频率的正弦波，该电路就是非线性电路。No. 004　正弦波调幅电路的信号输出幅值与信号输入的幅值成正比，它是线性电路吗？

正弦波调幅电路是一种“变换”电路，其最基本的性能是输出信号的载波信号的调制幅度与输入信号的（电压）幅值成正比，即线性调制。但其输出信号的瞬时电压幅值与输入信号的瞬时电压幅值却不是成正比率的，所以正弦波调幅电路不是线性电路。实际上，从正弦波调幅电路的两种基本原理：平方律调制和非线性调制，从这两个术语就可以知道正弦波调幅电路不是线性电路。No. 005　常用的信号转换电路有哪些种类？各有什么功能？

常用的信号转换电路有采样/保持（S/H）电路、电压比较电路、V/F（电压/频率）转换器、F/V（频率/电压）转换器、V/I（电压/电流）转换器、I/V（电流/电压）转换器、A/D（模数）转换器、D/A（数模）转换器等。

采样/保持（S/H）电路具有采集某一瞬间的模拟输入信号，根据需要保持并输出采集的电压数值的功能。这种电路多用于快速数据采集系统，以及一切需要对输入信号瞬时采样和存储的场合，如自动补偿直流放大器的失调和漂移、模拟信号的延迟、瞬态变量的测量及模数转换等。

模拟电压比较电路是用来鉴别和比较两个模拟输入电压大小的电路。比较器的输出反映两个输入量之间相对大小的关系。比较器的输入量是模拟量，输出量是数字量，所以它兼有模拟电路和数字电路的某些属性，是模拟电路和数字电路之间联系的桥梁，是重要的接口电路。可用作鉴零器、整形电路，其中窗口比较电路的用途很广，如在产品的自动分选、质量鉴别等场合均用到它。

V/F（电压/频率）转换器能把输入信号电压转换成相应的频率信号，广泛地应用于调频、调相、模数转换器、数字电压表、数据测量仪器及远距离遥测遥控设备中。F/V（频率/电压）转换器把频率变化信号线性地转换成电压变化信号。广泛地应用于调频、调相信号的解调等。

V/I（电压/电流）转换器的作用是将电压转换为电流信号。例如，在远距离监控系统中，必须把监控电压信号转换成电流信号进行传输，以减少传输导线阻抗对信号的影响。I/V（电流/电压）转换器进行电流、电压信号之间的转换。例如，对电流进行数字测量时，首先需将电流转换成电压，然后再由数字电压表进行测量。在用光电池、光电阻做检测元件时，由于它们的输出电阻很高，因此可把它们看作电流源，通常情况下其电流的数值极小，所以是一种微电流的测量。随着激光、光纤技术在精密测量仪器中的普及应用，微电流放大器的位置越来越重要。

在以微型计算机为核心组成的数据采集及控制系统中，必须将传感器输出的模拟信号转换成数字信号，为此要使用模数转换器（简称A/D转换器或ADC）。相反，经计算机处理后的信号常需反馈给模拟执行机构，如执行电动机等，因此还需要数模转换器（简称D/A转换器或DAC）将数字量转换成相应的模拟信号。No. 006　电压比较电路与运算放大电路有什么区别？电压比较器分哪些种类？

放大电路是将电流、电压信号在不失真的情况下放大一定的倍数以达到要求；电压比较器只有两种输出状态，分别为UOH和UOL，通过输入电压UI与Ut（阈值电压）大小的比较而输出不同的状态。电压比较器分为单限比较器、滞回比较器和窗口比较器。No. 007　滤波器和电压比较器有哪些应用？

滤波器和电压比较器是两种常用的模拟信号处理电路。滤波电路的作用实质上是选频，在无线电通信及自动测量与控制系统中，常被用于数据传输及抑制干扰等。在滤波器中，集成运放工作在线性区，通常引入深度负反馈。而电压比较器的输入信号是连续变化的模拟量，输出信号只有高电平或低电平两种状态。因此可认为是模拟电路和数字电路的“接口”，电压比较器运放常工作在非线性区，运放一般处于开环状态，有时还引入一个正反馈。第二单元信号滤波No. 001　常用的滤波方法有哪几种？

常用的滤波方法从原理上分为模拟滤波和数字滤波两种。模拟滤波是以R、L、C及运放等模拟器件实现对无用信号的滤除，根据器件的不同又分无源滤波和有源滤波两种；数字滤波是将模拟信号数字化后通过数字信号处理器以数学算法的方式提取所需特征进而还原成有用的模拟信号，根据算法不同又分FFT、TTR等多种方式。No. 002　典型的模拟滤波器有哪些？其响应特性有什么特点？

巴特沃思滤波器：具有单调下降的幅频特性。

切比雪夫滤波器：幅频特性在通带或阻带有波动，可以提高选择性。

贝塞尔滤波器：通带内有较好的线性相位特性。

椭圆滤波器：它的选择性相对前三种要好。No. 003　如何理解“前级输出阻抗与后级输入电容构成了一个附加的低通滤波器”？

前级电路的输出阻抗与后级电路的电容（如果后级电路是滤波器，或者后级电路的输入分布电容）构成的低通滤波器可以用如图1所示的模型来模拟。图1　等效的低通滤波器

由图1可得（1）

令s=jω=j2πf，并令，这样可以得到电压增益：（2）

由式（2）可以得到电压增益的幅值AVH为：（3）

其幅频响应可由式（3）得出：（1）当f＜＜fH时，

用分贝表示则有

20 lg A VH≈lg1=0dB（2）当f＞＞fH时，

用分贝表示有

20 lg A VH≈20 lg fH/f

其响应曲线如图2所示。图2　低通滤波器的响应曲线

从图2可以看出，当f＞＞fH时，电压增益的幅值急剧下降，将高频信号滤去，实现了低通滤波器的功能。No. 004　按照通带和阻带的相互位置不同，滤波电路分哪几种？各理想滤波电路的幅频响应图形是怎样的？

理想滤波器分为以下4种。（1）低通滤波电路。其幅频响应如图3所示，图中Ao表示低频增益，|A|为增益的幅值。由图可知，它的功能是通过从0到某一截止角频率ω H的低频信号，而对大于ω H所有频率则完全衰减，因此其带宽BW=ω H。图3　理想低通滤波电路的幅频响应（2）高通滤波电路。其幅频响应如图4所示。由图可以看到，在0＜ω＜ωL范围内的频率为阻带，高于ωL的频带为通带。从理论上来说，它的带宽BW=无穷大，但实际上，由于受有源器件带宽的限制，高通滤波电路的带宽也是有限的。图4　理想高通滤波电路的幅频响应（3）带通滤波电路。其幅频响应如图5所示。图中ω L为低边截止角频率，ω H为高边截止角频率，ωo为中心角频率。由图可知，它有两个阻带：0＜ω＜ωL和ω＞ωH，因此带宽BW=ωH-ωL。图5　理想带通滤波电路的幅频响应（4）带阻滤波电路。其幅频响应如图6所示。由图可知，它有两个通带：0＜ω＜ω H及ω＞ω L，以及一个阻带：ω H＜ω＜ω L。因此它的功能是衰减ω L～ω H的信号。同高通滤波电路相似，由于受有源器件带宽的限制，通带ω＞ω L也是有限的。图6　理想带阻滤波电路的幅频响应

全通滤波电路没有阻带，它的通带是从零到无穷大，但相移的大小随频率改变，如图7所示。图7　全通滤波电路的幅频响应No. 005　设计有源滤波器有哪些方法？各种设计方法的优缺点是什么？

有源滤波器的设计首先要根据要求选择滤波器的电路，确定滤波器的类型、频率特性和阶数等，主要设计方法有公式法、图表法、计算机辅助设计法和类比法等。类比法在实际工作中应用得较多。（1）公式法。概念清晰明确，计算复杂，工作量大。

① 压控电压源型。元件数目较少，结构简单，调整方便，应用广泛，但稳定性差，灵敏度高，易受外界环境影响，易导致自激振荡。

② 无限增益型。稳定性高，但对有源器件特性要求较高，调整不易。

③ 双二阶环电路。元件数目较多，但电路性能稳定，调整方便，灵敏度低。（2）归一法。工程上常用的方法，简单易行，但需要一套完整复杂的表格。（3）计算机辅助设计法。逐渐取代了归一法，可在计算机的帮助下得到有源滤波器各元件的参数，可仿真得到滤波器的幅频和相频特性。（4）类比法。以实践证明效果良好的滤波器为蓝本，按一定规则改变滤波器元件参数，得到所需性能的新滤波器。No. 006　滤波器按主要构成元件及适用范围如何分类？（1）RC无源滤波器。体积小但损耗大，用在要求不高的场合。（2）LC无源滤波器。优点是良好频率选择特性，损耗小，噪声低，缺点是体积大。在低频时体积更大，品质因数低，不便集成，所以很少使用。（3）RC有源滤波器。损耗小，性能好，体积小，是目前测控系统中主要滤波应用形式。（4）由特殊元件构成的无源滤波器。No. 007　巴特沃思滤波器适用于什么场合？它的特点是什么？图8　巴特沃思滤波器的幅频响应

巴特沃思滤波器是最常用的低通有源滤波电路之一。由于实际应用中很难做到幅频、相频都满足要求，因此就只能着眼于一方面。巴特沃思滤波器就是在幅频特性方面能满足要求的一种，如图8所示。其特点是：通带内幅频曲线的幅度平坦，从通带到阻带衰减较慢，但相移与频率的关系不满足线性关系。No. 008　如何选择滤波电路的有源器件？

有源器件是有源滤波电路的核心，其性能对滤波器特性有很大影响。一般采用运算放大器做有源器件，理想地，认为具有无限大的增益，其开环增益在传递函数中没有体现。但实际应用时应考虑以下几方面。（1）器件不够理想，如单位增益带宽太窄，开环增益过低或不稳定，这些将会影响传递函数性质。（2）有源器件不可避免地会引入噪声，降低信噪比，从而限制有用信号幅值下限。No. 009　能否利用带通滤波电路组成带阻滤波电路？

可以用一个带通滤波器和一个减法器电路来实现。No. 010　三极管放大器中的电容Ce对电路来说有什么作用？图9　三极管放大器

如图9所示，电容Ce的电容量很小，只有几皮法到几百皮法，所以在放大电路的低频段和中频段所呈现的容抗很大，对Re没有什么旁路作用。也就是说，在低频段和中频段范围内，反馈阻抗与频率无关，负反馈放大器的中频增益仍由电阻Re的负反馈作用来决定。

但在放大电路的高频段，Ce的容抗随频率的增高而减小，从而使Re的并联阻抗减小。与中频段相比，高频段的反馈电压也随之下降，结果补偿了放大器在高频段由晶体管极间电容和分布电容Co等因素造成的高频率增益的下降，扩展了通频带。

加入Ce后，放大器的带宽比采用纯电阻Re负反馈时适当加宽，而中频增益不变，结果使整个电路的增益带宽积比一般采用纯电阻Re产生的电流串联负反馈电路的要大。

因此，电容Ce称为补偿电容，这种电路称为电容补偿电路。No. 011　测控电路中常用的RC有源滤波电路有哪些？

常用的是二阶有源滤波电路，其中又以压控电压源型、无限增益多路反馈型和二阶环型滤波电路比较常用。

如图10所示，是压控电压源型二阶滤波电路的基本结构。Y4为0开路，Y1、Y2为电阻，Y3、Y5为电容时，可构成低通滤波电路；Y3、Y5为电阻，Y1、Y2为电容，Y4为0开路时，构成高通滤波电路；Y2、Y4为电容，其余为电阻，可构成带通滤波电路。图10　二阶压控电压源型有源滤波电路

图11所示是无限增益多路反馈型滤波电路的基本结构。Y4、Y5为电容，其余为电阻，可构成低通滤波电路；Y4、Y5为电阻，其余位电容可构成高通滤波电路；Y2、Y3为电容，其余为电阻，可构成带通滤波电路。图11　二阶无限增益多路反馈型有源滤波电路

双二阶环电路利用两个以上由加法器、积分器等组成的运算放大电路，根据要求的传递函数，引入适当的反馈构成滤波电路。电路灵敏度低，特性非常稳定，可实现多种滤波功能。可构成低通与带通滤波电路，可实现高通、带阻与全通滤波功能的双二阶环电路，低通、高通、带通、带阻与全通滤波电路等。No. 012　关于滤波器归一化的类比设计方法有哪些依据？

滤波器归一化的类比设计方法主要依据如下。（1）阻抗变换原理：电路中，如果所有元件阻抗同时增大或减少相应的倍数，滤波器参数不变。（2）频率转换原理：若有源滤波器中所有的储能元件的阻抗增加或减少一定的倍数，则滤波器的截止频率也相应地变化相同的倍数。（3）电路转换原理：在滤波网络中，若电容和电阻均变成相应的倒数值，则滤波器进行高通、低通的互变。

在实际设计中应灵活采用以上依据。No. 013　滤波器有哪些主要特性指标？（1）特征频率

通带与过渡带边界点的频率称为通带截止频率，在该点，信号的增益下降到一个人为规定的下限值。

阻带与过渡带边界点的频率称为阻带截止频率。工程中常以信号功率衰减到1/2时的频率作为通带和阻带的边界点，又称为转折频率。滤波器的固有频率也称谐振频率。对于带通滤波器和带阻滤波器，则是它们的中心频率。（2）带宽

带通滤波器或带阻滤波器的带宽B=fC2-fC1。（3）增益与衰减

滤波器在通带内的增益KP并非常数。对于低通滤波器，通带增益一般是指频率为0的增益；对于高通滤波器，通带增益一般是指频率趋于无穷时的增益。（4）阻尼系数与品质因数

阻尼系数表征了滤波器对角频率为ωo信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰减的一项指标。阻尼系数的倒数为品质因数Q，是评价带通滤波器和带阻滤波器的频率选择性的一个重要指标。（5）灵敏度

滤波器由若干个元件构成，每个元件参数值的变化都会影响滤波器的性能。（6）群延时函数

在对信号波形失真有较高要求时，不仅滤波器的幅频特性要满足设计要求，滤波器的相频特性也要满足一定的要求。用滤波器的群延时函数来评价信号经滤波器后相位失真的程度。No. 014　有源滤波器的级数如何选择？

滤波器的级数主要根据对通带外衰减特性的要求来确定。每一阶低通滤波器或高通滤波器可获得-6dB每倍频程的衰减。多级滤波器串联时，传输函数总特性的阶数等于各级阶数之和。当要求通带外衰减特性为-MdB每倍频程时，则所取阶数n≥M/6。No. 015　陷波器的作用及特性有哪些？图12　有源陷波器的幅频特性

陷波器的作用是阻止某一范围或某一特定频率（如工频50Hz及其谐波分量）通过。如图12所示为有源陷波器的幅频特性。

图12中，f0为陷波器中心频率；B指带阻滤波器的带宽，它定义为比平坦部分低3dB时的高、低端频率fH和fL之差，即B=fH-fH。带宽B与电路的品质因数Q成反比，且有

在中心频率f0一定的情况下，电路品质因数Q值越高，意味着有源带阻滤波器的带宽B越窄，幅频特性的凹陷将急骤下降至陷波（中心）频率，这对用来扼制诸如工频50Hz的干扰来说是十分重要的。No. 016　滤波电路的功能是什么？什么是有源滤波和无源滤波？

滤波电路可以对信号的频率有一定的选择性，可以使特定频率范围的信号通过，而阻止其他频率的信号。无源滤波电路仅由无源器件如电阻、电感、电容等组成；有源滤波电路不仅由无源器件，还由诸如双集成管、集成运放等有源器件组成。No. 017　有源滤波器的阶数是如何定义的？采用高阶滤波器的目的是什么？

滤波器的阶数由电路所包含的RC环节数目确定。若仅含一个RC环节，则为一阶滤波器。若含两个RC环节则为二阶滤波器。高阶滤波器可由一阶、二阶级联而成，采用高阶滤波器的目的在于提高滤波电路的频率选择特性。No. 018　为什么二阶有源滤波器中的第一级电容不接地而接到输出端？

二阶有源滤波器中的电容接到输出端的主要是为了使输出电压在高频段能迅速下降，但在接近通带截止频率处又不会下降太多，从而有利于改善滤波器的特性。No. 019　什么是有源屏蔽驱动电路？应用于何种场合？

将差动式传感器的两个输出经两个运算放大器构成的同相比例差动放大后，使其输入端的共模电压1 ∶ 1地输出，并通过输出端各自电阻（阻值相等）加到传感器的两个电缆屏蔽层上，即两个输入电缆的屏蔽层由共模输入电压驱动，而不是接地，电缆输入芯线和屏蔽层之间的共模电压为零，这种电路就是有源屏蔽驱动电路。它消除了屏蔽电缆电容的影响，提高了电路的共模抑制能力，因此经常用于差动式传感器，如电容传感器、压阻传感器和电感传感器等组成的高精度测控系统中。No. 020　无源滤波器与有源滤波器的主要区别是什么？

无源滤波器主要是由无源的元件电阻R和电容C组成的。而有源滤波器则是由电阻R、电容C及集成运算放大器组合构成的。在有源滤波器中，集成运算放大器主要是用于提高通带增益和带负载能力，但集成运放必须工作在线性工作区中。No. 021　如何设计一个有源滤波器？

设计滤波器需要多方面考虑：首先考虑应该选用什么类型的传递函数来近似所要求的响应曲线，选用什么样的电路结构来实现滤波，进而选用什么样的元器件来实现电路，还要考虑元器件的变化会对滤波器输出有什么样的影响等。（1）选择近似滤波器特性的函数形式

如果要求通带内最为平坦，一般就选择巴特沃思逼近型滤波器，但其阻带的衰减较为缓慢，选择性较差；如果要求时移一致性比较好，即相频特性在通带内具有最好的线性度，一般可选择贝塞尔逼近型滤波器，它一般应用于要求信号失真小、信号频率较高的场合；如果要求幅频特性在阻带内具有较陡的衰减特性，选择性好，一般选择切比雪夫逼近型滤波器。一般来说，滤波器幅度响应和相位响应是矛盾的，幅度响应越好，则其相位响应就越差；反之亦然。（2）电路拓扑结构的影响

不同的电路拓扑结构有着不同的特性，应根据设计目标和生产要求来选择不同的电路形式。对电路布局进行选择的主要依据是滤波器的敏感度（一般指Q和fC的敏感度）。（3）元件值分布

不同的电路布局，其元件值分布也不同。如果元件值分布大到100 ∶ 1，也就是说元件参数的最大值和最小值相比是100 ∶ 1，则滤波器电路的稳定性、敏感性肯定会受到影响。在计算元件参数时，还要注意到，元件参数值并不是连续的，而是一个序列。（4）运算放大器的选择

对运算放大器的选择主要需要考虑：

① 带宽，带宽要足够大；

② 输入失调电压和电流；

③ 温漂；

④ 输入/输出形式。（5）电阻的选择

电阻的选择主要考虑精度、功率和温度系数。

① 碳膜电阻：便宜，但噪声大，温度系数大。

② 金属膜电阻：各方面都要好一些，但相对贵一些。

③ 贴片电阻：精度通常在1%～5%。阻值大、功率大的电阻其体积通常也大。（6）电容的选择

① 瓷片电容：一般适用于高频场合。

② 独石电容：体积小，容量大，高低频都可以用；但误差较大，常用于旁路或低频隔直。

③ 钽电容：自放电很小，频率特性比铝电解好得多，但比较贵。No. 022　模拟滤波器的种类及其特点是什么？

根据所选择的频率，滤波器可分为4种不同的类型：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。

根据电路组成，滤波器又可分为：（1）LC无源滤波器：由电感L和电容C组成，具有良好的频率选择特性，并且信号能量损耗小、噪声低、灵敏度低，主要缺点是电感元件体积大，在低频及超低频带范围品质因数低，不便于集成化。（2）RC无源滤波器：其频率选择特性较差，一般只用作低性能滤波器。（3）由特殊元件做成的滤波器：这类滤波器主要有机械滤波器、压电陶瓷滤波器、晶体滤波器、声表面滤波器等。其工作原理一般是通过电能与机械能的相互转换，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滤波器或带阻滤波器，其品质因数可达数千至数万，并且稳定性很高。（4）RC有源滤波器：消除由于无源滤波的消耗对信号带来的损失，在电路中引入由能量放大作用的有源器件，获得良好的频率选择特性。No. 023　二阶滤波器的传递函数和频率特性及其关系是什么？

因为高阶滤波器的传递函数可以分解为多个二阶函数和一阶函数来分析，所以二阶滤波器是基本的滤波器。

二阶滤波器的传递函数的一般形式为（1）

为使其意义更容易理解，操作更容易，令a 1=aω0, a 2=ω02，则式（1）可以改写为（2）

式中，a为阻尼系数，ω0为固有频率。当系数bk取不同的值时，可以得到不同的滤波器特性。（1）低通滤波器：b0=b1=0, b2=K0ω02（3）（2）高通滤波器：b0=K0, b1=b2=0（4）（3）带通滤波器：b 0=b 2=0, b 1=K 0 aω02（5）（4）带阻滤波器：b0=K0, b1=0, b2=K0ω02（6）

阻尼系数不同，滤波后的信号跟踪原信号的速度不同，信号曲线的平坦和波动情况不同，两者向相反方向发展，阻尼系数小，追踪速度快，波动大，曲线较陡；反之减缓，可以根据不同情况进行适当选择。No. 024　如何选择滤波器的阶次？

阶次是滤波器算式中的一个参数，阶次越高过渡带越窄，但处理数据时间越长。一般情况下，给出通带和阻带频率Ω1和Ω2，相应的衰减系数为K1和K2，然后再按照下式：

就可以求出n了，如果已知截止频率ΩC，则可以由公式

求出N值。No. 025　低通滤波的三种常见逼近方法有何不同？（1）巴特沃思逼近

巴特沃思逼近的原则是使幅频特性在通带内最为平坦，并且单调变化，但相频特性的线性随着阶数增加变差。（2）切比雪夫逼近

切比雪夫逼近的基本原则是允许通带有一定的波动量，但过渡带比较好，这种逼近的相频特性最差。（3）贝塞尔逼近

贝塞尔逼近主要侧重于相频特性，基本原则是使通带内相频特性线性度最高，相位失真最小，但幅频特性比较差。No. 026　为什么开关电容滤波器可以实现高精度滤波特性？

一般来说，RC有源滤波器的滤波特性主要取决于是否有精确的RC时间常数及集成运放的性能的好坏。但是，开关电容滤波器是一种时间离散、幅度连续的取样数据处理系统，它并不需要A/D转换器，就可以对模拟信号量的离散值直接进行处理。因而开关电容滤波器有较强的滤波特性。No. 027　为什么说有源滤波器受运放的影响很大？

有源滤波器的核心器件是运放，实际的运放是不可能有无限大增益的，其开环增益的实际值将直接影响传递函数性质，一般情况下，会因其特性不理想而限制有用信号幅值的上限。而且运放不可避免地引入噪声，降低了整体的信噪比，这又限制了有用信号幅值的下限。运放的输入/输出阻抗也会影响滤波器性能。受运放自身带宽的限制，有源滤波器目前只能应用于较低的频率范围。No. 028　什么叫滤波器的归一化？以低通滤波器为例，怎样用归一化法确定阶数？

归一化是滤波器的设计方法，比公式法更简单，这种方法把所有的有源滤波器的设计都归结成截止频率为1rad/s的低通滤波器的设计，然后通过一定规则把归一化的低通滤波器变换成最终所需要的实用滤波器。

低通滤波器的归一化：为把低通滤波器的3dB截止频率归一到1rad/s，首先计算滤波器的陡度系数As：

然后看归一化曲线，选择在As处满足要求的最小阻带衰减的设计，归一化曲线如图13所示。图13　滤波器的归一化曲线

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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