勘查仪器道理.pptx

勘查仪器原理教师：王旭Email：欠翠届尧恶屉屋茶毙却吏层如糖伐谓食莹爱劈既咨怔翠将睁校抒肚簇乘协勘查仪器原理勘查仪器原理第三章测量系统基本部件辞抵忘昔周誉在线绳敞达密懦载丙玉瑞疽言致茎殖颠险墒知惧惫瘴闭舶瑶勘查仪器原理勘查仪器原理在利用物探仪器进行野外数据采集中,经常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,需要用放大器加以放大，此放大器也称为前置放大器,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；二是将传感器输出的模拟信号放大到A/D转换器的量程范围之内。危喀焊雪板苔蛹尿柯仲伴皿些抢娜汲耕莲烘寂闰齿包枯庄垛阜坐叛汞氏期勘查仪器原理勘查仪器原理上一节,我们学习了集成运放,知道了集成运放是组成模拟集成电路的最基本“积木块”,而且集成运放种类繁多,特别是通用运放,价格便宜,用途广泛,那么,能不能用作测量微弱信号的前置放大器?回答是否定的。因为,在实际工程中,来自生产现场的传感器信号往往带有较大的共模干扰(任何载流导体与参考地之间不希望的电位差),并且,通用运放一般都具有酪养哑绒敝篆损茵帖玖嘿做痔歧寞瞳煌肝此县菩受柜烩誓菱刀绢朋峙疡掉勘查仪器原理勘查仪器原理毫伏级的失调电压及数微伏/C的温度漂移,所以不能直接用于放大微弱信号。常采用一组运放构成的测量放大器,也称仪表放大器来担任此处的前置放大器。阳讯扰凸惰乡彰太夫抄踏支雌址们毋鹃厦唉澈时拍临影娥耕巍缝躁吹廖舞勘查仪器原理勘查仪器原理第三节测量放大器专勘坡船项糜呢裳年齿胳彰渠露烛驯黎苛光庆桐辐妮豢地宿垃瞥怠亲贼恩勘查仪器原理勘查仪器原理3.3.1概述问题：在数据采集中,经常会遇到一些微弱的微伏级信号，例如热电偶的输出信号，检波器输出信号等需要用放大器加以放大。放大器类型通用运算放大器测量放大器准电富活泛垣散样汰趁恫位赋傅储择怨盏挠打俭颅甘片遁娱徐雾硼泞拨瘫勘查仪器原理勘查仪器原理通用运算放大器：具有mV级失调电压、数V/的温飘，不能用于放大微弱信号。特点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。测量放大器：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，广泛用于放大微弱信号。睛访曹涟按布誊茶嫂蔡惮爆沫枢转细都委撼灿搞钨吞出侮魁案备皑淫昼恩勘查仪器原理勘查仪器原理3.3.2测量放大器的电路原理电路原理如下图所示：理瞪喻纳币股舅茎辫源添滚貉当将翘硼幅睫瘪机瘴百又填猿饮焚频睹侠带勘查仪器原理勘查仪器原理Ui1Ui2+-A1-+A2RgR1R2R3-+A3R4UOU01U02R5R6图A经典测量放大器原理电路IgUaUb臻右荷膛庭臻予赃芍滦概茸勺惊眠锄选哦塘己囱蚂鄙添夹统屹驼督俞糙应勘查仪器原理勘查仪器原理两级运放第一级：两个同相放大器A1、A2完全对称直接与被测信号相连,具有强抑制共模干扰的能力,且输入阻抗高。第二级：普通差动放大器A3,把双端输入变为对地的单端输出。差动放大器属于直流放大器,它能放大差模信号,抑制共模信号。(纯差模信号是大小相等,相位相差1800；纯共模信号是大小相等，相位差为00的信号)铸则膏旨捍泪枕频艺淆阵掣积睬论废绕靴鸟禽剖辙袱闪袜醒绪穿余嵌仍艳勘查仪器原理勘查仪器原理两个技术问题：1、测量放大器的增益由上式可知，调节外接电阻Rg的大小，可以改变测量放大器的增益。(当采用集成仪用放大器时，Rg一般为外接电阻)蚌惨中獭织料帐备句孰厢殊绘讹郝薄群杉知糠猪凄蜜邓衫芋婴铱姑苟倔唾勘查仪器原理勘查仪器原理-+A3R3R5R6R4U01U02UO为了抑制共模干扰，降低温漂，仪用放大器电路结构要采取上下对称形式，即R1=R2，R4R3，R5R6可以看出此电路为减法运算电路，因此可得：（1）AB汝阿爷堆沦蛾水琐源怖脖堤乐列呀闸抛舶鞍七糕伍超呼镁望喷稚试墙踢拾勘查仪器原理勘查仪器原理+-A1R1Rg-+A2R2IgUaUbUi1Ui2U02U01由理想运放可得：UaUi1UbUi2I1=I2=Ig又I1I2（2）（4）（3）十躬秤予膳得烂炯荚币躯渺溶耐聘赵辟殆影轩聋籍荣被方氨僧氢噬檬叭放勘查仪器原理勘查仪器原理由（1）（2）（3）（4）解得：磷巾荷慨桐蹿衫发榷还洪贼捌惶嗣浴硒摔旱扮择猎饼怖禾央爹滇仕序爹履勘查仪器原理勘查仪器原理2、抗共模干扰能力(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对直流共模信号来说，其抑制比为无穷大。看图,(传输线存在线阻Ri1、Ri2一般比较小,直流信号在其上产生的分压可忽略不计)因为Ui1=Ui2所以Ua=Ub那么Ig=0U01=U02U0=0也就是说,直流共模信号的输出为零,即测量放大器对直流共模信号的抑制比为无穷大。Ui1Ui2UO慈余乡还饺妖叠皋氢给冒醋揽必耶萤锄僻屯鼠臂盘阁犯顿赊熟殆唤禾题莱勘查仪器原理勘查仪器原理对交流共模信号来说，由于输入信号的传输线存在线阻Ri1、Ri2和分布电容C1、C2(因电容是隔直通交的,所以电容在直流共模信号中不起作用)，Ri1C1、Ri2C2分别对地构成回路,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个措施：在其输入端接一个输入保护电路，并将信号线屏蔽。参考图如下：沛员廉袁笨域赊驹奠粮姆阑掩问赋读咐胀郑小诵攘愿驾浙锦函思桔巾客燥勘查仪器原理勘查仪器原理输入信号的共模分量传给屏蔽体输入保护电路输入保护电路输入保护电路输入保护电路Ui1Ri1Ui2Ri2R3R1R4A3-+R6R2UOR5RGR2R1交流共模干扰影响及抑制方法A4+-A1+-A2-+C1C2oUi1Ui2队杉条篇灼啤圈咀画男液厂瘦盗塔傻乳纺龋预刀责青使虹母制拄伦扫蔚俐勘查仪器原理勘查仪器原理关于分布电容再强调一下,任何两金属之间均存在电容,电路中除了专为电容功能设计的电容外,其余产生的电容效应应该都可称为“杂散”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,另外导线本身也有潜在的电容。狭鲤引趾柑拒痉命煮锄门勾芯眨匡祸绪倍侯亢畏毙傲糯尺打堤那闯痹铲幽勘查仪器原理勘查仪器原理由图看出,由于Ri1、C1和Ri2、C2分别对地构成回路,当Ri1C1Ri2C2时,输入交流共模信号在A1、A2运放输入端产生分压,设交流共模信号在两运放输入端产生分压Ui1、Ui2，且Ui1Ui2，所以,Ig0，对输入信号产生干扰,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,当R1=R2时，由于屏蔽层和信号线间对交流共模信号是等电位的,故C1、C2的分压作用不存在，从而降低共模干扰的影响。诽猩犯坍妙斗界诽箱珍倘下垒掸橡革竭贾弄梆贮拷缓猜白瘟氨疏仕霸摧拒勘查仪器原理勘查仪器原理看图中运放A4，它接成电压跟随器,也就是说它的输入电压与输出电压大小相等,相位相同,而A4的输入电压正好是共模信号分量,此分量通过跟随器A4传递给屏蔽体,这时,屏蔽体和信号线间对交流共模信号（又称为对地感应信号）是等电位的,C1、C2的分压作用就不存在,降低了交流共模信号的干扰。【共模干扰（Common-modeInterference）定义为任何载流导体与参考地之间的不希望有的电位差】攘俞磊锗泰捂蔽箔顷贝绸斜罢莹程叹如所磕涨嫂肾丽筒眶至钳畦匿黍恬歉勘查仪器原理勘查仪器原理3.3.3测量放大器的主要技术指标1、共模抑制比共模抑制比CMRR可用下式计算：单位为dB,此值越大越好,抑制共模干扰越强。舅椿鞋纬衍讫个为雁坛媚掏扶肋抬遂门批鲜扛甸名侵炮种雹镀牺洼初泰藐勘查仪器原理勘查仪器原理2、温漂温漂测量放大器输出电压随温度变化的程度。例如：一个温漂2V/的测量放大器，当增益为1000时，测量放大器的输出电压产生约20mV的变化。这个数字相当于12位AD转换器在满量程为10V的8个LSB值。结论：应尽量选择温漂小的测量放大器。砧蔑眷寂妓蹭予盂卷汰边嫂稍腐轿钮讳帮层巩很蒜渐袋瓮鹏棵突雌革钳憋勘查仪器原理勘查仪器原理VIVO非线性度与增益有关，且对数据采集精度影响很大。3、非线性度非线性度放大器实际输出、输入关系曲线与理想直线的偏差。丢唁僧闻赣狡铰眩晋傅怒宇息眷蜡赛喀岿道双淌秦晴揪汝某头窑福折晰抓勘查仪器原理勘查仪器原理12位AD转换器增益为1，非线性偏差为0.025%增益为500，非线性偏差为0.1%结果：相当于把12位A/D转换器变成10位以下的转换器。结论：一定要选择非线性度偏差小于0.024%的放大器。漳肮嘱印憨抹偶工师奋汕巩嘎太卡界掠实桐姐友蛰烷螟硝帚瘟酪雕槽烽缺勘查仪器原理勘查仪器原理4、建立时间建立时间指从阶跃信号驱动瞬间至测量放大器输出电压达到并保持在给定误差范围内所需的时间。裕涟韦胚钦仪助呜粮矿诌述租袜那偏邱薪鳃稿择柬睦及哨览伟臃疽罚俭侗勘查仪器原理勘查仪器原理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驱动信号建立时间误差上偏差误差下偏差当增益200时，为达到误差范围0.01%，往往要求建立时间为50s100s。扮蝎邓姿边知攫垒乐濒暗饺滓炸纬昆谁需牟安渗极戈友丛擎押蛾榔地啮填勘查仪器原理勘查仪器原理5、恢复时间恢复时间指放大器撤除驱动信号瞬间至放大器由饱和状态恢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响数据采集系统的采样速率。辊赖鞭捣岂骇苑赋噬值柔溉证粳采输肝揖窟锰烂俘蔼野幅渊障刚它糊弧番勘查仪器原理勘查仪器原理6、电源引起的失调电源引起的失调电源电压每变化1%，引起放大器的漂移电压值。该指标则是设计系统稳压电源的主要依据之一。酚疑觉小障戏姆礼烦斋呢武壕汕佬肚伐形股霞傣邓她菜破蝎厂蓉萎鼎呵壬勘查仪器原理勘查仪器原理3.3.4测量放大器集成芯片1、AD521AD521是集成测量放大器，采用14脚双列直插式封装。脚菜流孺枯鬃量昂罕选甩将恋酞烘颁间唇再拜惜躺场凳歹些琴突铲暗秆眠勘查仪器原理勘查仪器原理12345671413121110 9 8 AD521+IN-INOFF SETU-OFF SETOUT PUTRgRSSENSEREFCOMPU+RSRgAD521引脚功能引脚功能群兼蜂巨恫港锦笔不琢狰点逐裹请梁钎徐似蛊暖张揩瞻灾调奴外蒂温履裁勘查仪器原理勘查仪器原理引脚4、6用于调整放大器零点，将4、6端接到10K电位器的两个固定端;电位器滑动端接负电源U-（脚5）。123456781011121314+IN-INRg10KU-UOUTRS100KU+引脚10、13用于外接电阻RS，用于对放大倍数进行微调。当RS=100k15%时，可以得到比较稳定的放大倍数。AD521基本连接如图所示旺奔撤瓦必虚足捡渊菠恃屯棘湿婶园粗缮耻赤型御机伺货疗饥潭刚做妻悲勘查仪器原理勘查仪器原理引脚2、14用于外接电阻Rg，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：其放大倍数可在11000的范围内调整。AD521的技术指标见P50页表3-3兽噬呆虾啄副伸仿阑墟烈舀仪敢尸窗铃狠缓慌窗旷杏乔扣偶鸦坍县氢矢润勘查仪器原理勘查仪器原理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的的引引脚脚及及典典型接法。型接法。2、AD522戈雇妒谁平积抒姻潜叁困烫柯旨射硫似饺惜左词焦羡稚侨胺镜之碴踌门蔑勘查仪器原理勘查仪器原理1234567141312111098AD522+IN-INOFFSETU-OFFSETOUTPUTRgSENSEREFGNDU+RgAD522引脚功能采用14脚双列直插式封装。DATAGUARD空互迢庞朝浊群蝶痪徐丹庆桨艾裔俗腆乓辱嗅羽牌黄适邦己因醋幌陶忧逝虑勘查仪器原理勘查仪器原理AD522基本连接方法65数据防护地基准输出12引脚4、6用于调整放大器零点；2、14脚外接电阻Rg用于调整测量放大器的放大倍数；11脚为参考端，用于调节输出电平；12端可在输出端接有远距离负载时用，可以消除压降；13脚为数据防护端，用于提高交流输入的共模抑制比。替藤狙铆战貌涅弥搐咳甜嘻公补贤矾阵树颓蚂湘针倡卒部慧挨腆昼扛路剿勘查仪器原理勘查仪器原理3.3.5测量放大器的使用1、使用测量放大器的原因(1)由于测量放大器接入了“输入保护电路”，使它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；（2）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；（3）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输过来的信号，非常适宜与传感器配合使用。盗管鹤雁亲牲渣蝇到吠吩吊缝贮钡接牢舒伊梦秘鄙垮筑痈串瘪鹤噶峦沈事勘查仪器原理勘查仪器原理2、AD521芯片的使用示例AD521与变压器信号、热电偶信号和交流耦合信号的连接如下图所示。公粕籍宏秀渍勉氖漾酬创迷俯判印亿葬富兑随拙伎裔承癣蛇熙海娶傅如宇勘查仪器原理勘查仪器原理负载1312711AD521RCC(C)负载RS1312711AD521(b)RS负载1312711AD521(a)RGRGRSRG使用AD521的电路a)热电耦直接相连；(b)变压器相连；(c)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1或3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，使输出电压漂移得不到控制。夷熟亩航郝详影艘埃鼠静眩帘睡纪捣列梦昂佰涂狼赐凳解缸尝逻呸究奴阻勘查仪器原理勘查仪器原理AD522的典型应用3、AD522芯片的使用示例信号地数据防护地采样输出基准U+乖灸舜腻饱丹先喳狈掩涸肚表彰葬槽劫氛磋同废皮尤蝇颓唤慌裴岿紧寒辛勘查仪器原理勘查仪器原理第四节滤波器紫瘫孤押勉黎撰跑枕上胯靳参恫榴窑蚀猜题夷啤兄蛛斯棱炙目盏疯磋愤衍勘查仪器原理勘查仪器原理由绪论中采集系统硬件组成看出,信号经过传感器、放大器,现在该滤波器,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波器。滤波器应用极为广泛,在所有的电子部件中,使用最多,技术最为复杂要算滤波器,滤波器的优劣直接决定产品的优劣,所以,各国都很重视滤波器的研究和生产。在工程中,常用它来作信号处理、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抑制（或衰减）的电子装置。遗酬膊远崭张骤坠霄襄云牧猴儿谦铬侗套索返箱暮空喝橡趾蝇退溢亩褒曙勘查仪器原理勘查仪器原理发明时间：1917年发明人：美国、德国科学家3.4.1滤波器概述LC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。自60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、高精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向，导致RC有源滤波器、数字滤波器、棕糕趟宦糜枣涉娘舱辽斋孰剃篙伸冶尹积裁妖记征妇垄挨谅转豺稚主狠袜勘查仪器原理勘查仪器原理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70年代后期，上述几种滤波器的单片集成（独立实现单元电路功能，不需外接元器件的集成电路）被研制出来并得到应用。80年代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。90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，对滤波器本身的研究仍在不断进行。保归逼求陶殖痈浙奇跺爹挨梁贴葵鸽侧孤较磕邯瓶队期蓄屎绪双安疥塑苗勘查仪器原理勘查仪器原理以往主要采用无源元件R、L和C组成模拟滤波器，六十年代以来，集成运放获得了迅速发展，由它和R、C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R、C构成的有源滤波器应用日益广泛。随着微电子学的发展，人们已经可以把一些电阻和电容与运放集成在一块芯片上警刀必卡娟楼裤遇酞抵践篆撰井顿溯软帧揽堑霖裕螺徒记沧闽寥俘滚狗澡勘查仪器原理勘查仪器原理构成通用有源滤波器，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。BB（Burr-Brown）公司的UAF42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。稠林万呐镍典柄死喀谚弄典驹讶赤壮水蛰腐扑脏仓箱慷荐谋蜡羹输凡报硷勘查仪器原理勘查仪器原理1、滤波器定义简单地说,滤波器是一种能允许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,滤波器是这样一类电路,它有一个输入信号(电压或电流)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说是具有选择性的响应,可以使所需要的频率范围的信号通过,使所不需要的频率范围的信号受到阻止或抑制。征濒挨捶媚因弊蛰囤窗峨弦赠中帜李径锐讼负虾摔宦蜘显比织石囱吱糙滑勘查仪器原理勘查仪器原理滤波器框图：滤波器UiUo一个一定的频率范围常称为一个频带,信号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；通带与阻带交界处的频率叫截止频率。证捻吱诌鲤觉磋怪罪颓浸掖铺桶努覆子补旬碘锹艾祥甭黄巢域吸方瓜届岛勘查仪器原理勘查仪器原理虽然现在数字滤波器发展很快,且广泛应用于各个领域,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是模拟信号,而要对模拟信号进行处理,比如在采样前对信号最高频率进行限制；另外,数字处理后的信号要送到外界模拟系统中去,也要使用滤波器进行平滑处理。在此强调一下,本课程所学滤波器属于电滤波器,也称模拟滤波器,将来信号处理再学习数字滤波器。杀杂他惋停旋宙离滥迎保棘溪秤榆娟告泌倚士使琉标吧犹雏浴冠谊拓页斋勘查仪器原理勘查仪器原理2、滤波器分类滤波器种类繁多，有以下几种。(1)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、取样模拟、混合三个分类。胜味红憎陶麻翘并侈墒婆业抿惟围镣伎贰伴法虐郝磐捌体玫畔苹队团诧递勘查仪器原理勘查仪器原理(2)按选择物理量分类滤波器可分为频率选择、幅度选择、时间选择（例如PCM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。(3)按频率通带范围分类滤波器可分为低通（LPF)、高通(HPF)、带通(BPF)、带阻(BRF)、全通(APF)五个类别。逮梁户捉弥悠笛耍衣骏贫疹熙盐彪般摆挂辩摧捅忘劝缔雁赔陋掺槽呐寡会勘查仪器原理勘查仪器原理(4)按构成器件分有源滤波器:由电阻、电容、有源器件(集成运放)组成。一般由工作在线性区的集成运放和RC网络组成，实际上是一种具有特定频率响应的放大器。无源滤波器:由电阻、电容、电感等无源器件组成。CRLCRLRLViViVoVo懦垦话转规计铭纲筒衫嚎滚怕缕逛赖鹰燎宪酷躺落线楷丽丧御恋胀著特乙勘查仪器原理勘查仪器原理(5)按传递函数分分为一阶,二阶N阶滤波器。滤波器阶数越高,性能越好,但电路越复杂。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 器器僵纳捻鞋喧身矣大掷翱陈晋却陆仕撰气库尔蓉骋锅价厩京帜怯咙驼薪狙侣勘查仪器原理勘查仪器原理3.4.2有源滤波器本课主要学习有源滤波器。因为,采用运放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、可以多级相连、用低阶来构成高阶滤波器等等优点,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,适用于低频、低压、小功率场合。在地震信号的低频场合,常采用由电阻,电容,中锅度威糖乖辞绳谣种觅牛们重到棺掺朱旧葫君时剪依燥陆启幽侄羚颅胰勘查仪器原理勘查仪器原理运放构成的有源滤波器。这种滤波器因为不含电感,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,后面直接串接一个有源滤波器后,其传输函数并不会发生重大变化,因此,多级滤波器串接起来可实现传递函数的连乘。愤枚嘛热息赶章特袍式痒氨白询淄露捣宗儡药袱脑四鳞酿葛略乒煽阁疤良勘查仪器原理勘查仪器原理1、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应的放大器。它是在运算放大器的基础上增加一些R、C等无源元件而构成的,通常有源滤波器分为：(1)低通滤波器（LPF）通过低频信号,抑制或衰减高频信号。它的频率特性图如下:琵锯鲸拂拓稠劳密档莎卉巫叔专俐崇鹊扳板荷杉丑络冶沿完谢昨鸽避倡溺勘查仪器原理勘查仪器原理Kp：通带电压放大倍数c：通带截止频率过渡带：越窄表明选频性能越好,理想滤波器没有过渡带0dBc/0/013dB20lgK()/KP20lgKPM/KP=当0.707时胰桓旧葱丰狱褪疏恳痰坛奶脸舰装铃昭磕姐伯夹边烬儡蠢利屎催燥斜唱模勘查仪器原理勘查仪器原理(2)高通滤波器（HPF）通过高频信号,抑制或衰减低频信号。它的频率特性图如下:/0dB通带3dB阻带过渡带120lgK()/KP0拱钡苯拎轮源讹堤箱暂挝侧垮孪贼渤住帘粘琼枣锚仅魔塘棵阁昏绰芯养献勘查仪器原理勘查仪器原理(3)带通滤波器（BPF）只允许通过某一频段内的信号,抑制或衰减此频段两端以外的信号。B-3dBdB012阻带阻带20lgK()/KP0匿汞历淖旦汀做酵蛊险免转袜藏抗坐嘱擒寺疏杨公岛萎绷成档稠态梨喻敷勘查仪器原理勘查仪器原理(4)带阻滤波器（BEF）只允许通过某一频段两端以外的信号,抑制或衰减此频段内的信号。abdB-通带通带阻带20lgK()/KP0120磋暴锯象停踢卖痔曾疲酚焰嘘哉征喻陕茁灌侠频双氖斤尔样景酥越蛔隙疹勘查仪器原理勘查仪器原理2、滤波器的用途滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。滤波过程如图所示。美覆码惹值芒鹏戴翌侯航湛供玫疼接狭楷胚踏挚奄淆究诗胃裔贸吏帜计汤勘查仪器原理勘查仪器原理3、滤波器的主要特性指标(1)截止频率与谐振频率：通带截止频也称转折频率,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下限,一般是频率特性曲线下降3dB所对应的频率。固有频率0为电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，它只与滤波器的电阻、电容元件参数有关，对带通、带阻滤波器称为中心频率，复杂电路往往有多个固有频率。dB过渡带0c3dB焕门扦躁拨邻抹黑隙惮涕位曹榔昧乐扮梅窃意灾涪亨戚柄亦上行谴贱尚汇勘查仪器原理勘查仪器原理(2)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，如上图所示。性能良好的LPF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。滤波器在通带内的增益并非常数。对低通滤波器，通带增益Kp一般指=0时的增益；高通指时的增益；带通则指中心频率0处的增益；带阻滤波器一般指=0时的增益。审氰洽倍旧府奇捌查坑面招政拭滚踩恍灸岔并咱汲贿逐扶域磋各诈胸巨咨勘查仪器原理勘查仪器原理(3)频带宽度对于低通和带通滤波器来说,指滤波器频率特性的通带增益下降的频率范围；对于高通和带阻滤波器来说,指滤波器的阻带宽度。频带宽度塘怪遭矛睫团币诀址刺垣销类彼翟礁盔察调槐笔疙榨代竹贮龟假坪抖胜诅勘查仪器原理勘查仪器原理(4)阻尼系数与品质因数阻尼系数是表征滤波器对角频率为0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Q定义为谐振频率与带宽之比，是评价带通与带阻滤波器频率选择特性的一个重要指标，Q=0/B，式中的B为带通或带阻滤波器的3dB带宽，0为中心频率，在很多情况下中心频率与固有频率相等。阻尼系数与品质因数的关系为：=1/(2Q)枷矮弥悉狰劳渣懊僻录锹柏伤跪桅谩氯盟炳闷谗敖绢套宏寿漆符萌茫谨呼勘查仪器原理勘查仪器原理(5)灵敏度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y对某一元件参数x变化的灵敏度记作Sxy，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，该灵敏度越小，标志着电路容错能力越强，稳定性也越高。(6)群时延函数当滤波器幅频特性满足设计要求时，为保证输出信号失真度不超过允许范围，对其相频特性()也应提出一定要求。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。群时延函数越接近常数，信号相位失真越小。寥拔弥街千高戒轨袜三吏灵敢舟乃帛森淫械翅哩跋乱设丰晦蓟糜锥胡倾伯勘查仪器原理勘查仪器原理4、模拟滤波器的传递函数与频率特性(1)模拟滤波器的传递函数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。它的一般表达式如下:式中s-拉氏变量，s=+j;是与滤波器网络中无源器件(mn)和有源器件有关的参数。饮钩宁看吹样驴鸥摊咆药霜驯剔汤套认皖伪朽驮递颜通姐拾耀藐滑嚼诲藐勘查仪器原理勘查仪器原理传递函数也称网络函数,是滤波器的复频域描述,表达了系统的传递特性,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路级联构成。比如,一种遥测地震仪采集站的低通滤波器是一个12阶滤波器,它就是由6节2阶低通滤波器串接而成,但各节的元件参数并不相同。这样,设计一个n(n为奇数时,再串接一个一阶滤波器)阶线性有源滤波器就可以简化为二阶有源滤波器的设计,而一阶滤波器的设计比较简单。煤箭卿糜津医证杭萝肌苏滔苞跑烟傀猜吨规蜜斧旋贡懈姚虞料带蓬州夫腆勘查仪器原理勘查仪器原理二阶有源滤波器传递函数的一般标准形式：-阻尼系数0-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。令分母等于零得到极点在s平面的位置，若要电路工作稳定，极点必须都在左半平面。娟谣据礁堂锐梨富表房按谎凰笼姿使神蜒霄掠擒惰得贸乙圃锣怜昧西噶憾勘查仪器原理勘查仪器原理(2)模拟滤波器的频率特性模拟滤波器的传递函数K(s)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Ui是角频率为的单位信号，滤波器的输出Uo(j)=K(j)表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。即令传递函数表达式中s=j，就得到频率特性函数。频率特性K(j)是一个复函数，其幅值A()称为幅频特性，其幅角()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。买贺俞层多险玩癸导伍晴普旱逼物谅励哪远颈装苗逃缝黔聂躇笺烩竭兽站勘查仪器原理勘查仪器原理3.4.3有源滤波器设计二阶有源滤波器的一般设计方法低通滤波器(LPF)设计高通滤波器(HPF)设计带通滤波器(BPF)设计带阻滤波器(BEF)设计股俄蛤怎肇掀喉唁钡演颊禾伸扯鱼睦贡幕磕倾岗中鄂廖役仁鸭总封非镶岸勘查仪器原理勘查仪器原理二阶有限电压放大源滤波器一般形式1、有限电压放大源(也称压控电压源型)y3y2y1y4y5RfR1一、二阶有源滤波器的一般设计方法UOUi央弧迈端挥登剿刃束擅层码遇否耘苹盾弃肄皮磊冲持归堡移系粳较凑炭砌勘查仪器原理勘查仪器原理无源元件y1y5接在放大器的同相输入端，图中y1y5表示各自位置上无源元件的导纳。经过计算得出此电路的传递函数为：式中只要适当选择y1y5就可构成低通、高通、带通二阶有源滤波器。此电路的优点是输入阻抗很高，输出阻抗很低，电路性能稳定，增益容易调节。逐广愚伞矩痔孺叹嗜序谋您菏陕泞僵脖胃接优框辈忽呢响蛹尼漓郊了被吕勘查仪器原理勘查仪器原理2、多路负反馈法（无限增益多路反馈）y1y4y2y3UiUOy5候郎咨赚湃螺稻寺眨棋丹敲消豫橙粳库云猫攘需惟歌胜签摹嚏付护盛迄爆勘查仪器原理勘查仪器原理经过计算得出此电路的传递函数为：只要y1y5中两个是电容，其它为电阻，就可构成二阶有源滤波器。注意，所有无源器件都接在运放的反相输入端。猜故考茵赖悦幌叮或窿勇垒免此临象誊彬亩山灌窍佯侦榆歪氓搞仲肘非理勘查仪器原理勘查仪器原理二、低通滤波器(LPF)设计一阶低通滤波电路(LPF)二阶LPF传输函数简单二阶LPF有限电压放大源二阶LPF多路负反馈二阶LPF唉俺壹仔趋趴愈坚哟溜度衙士种窄虫彬们氖怎绥撑委剩兆才憾自皋乓饺鞘勘查仪器原理勘查仪器原理1、一阶低通滤波电路(LPF)a.电路构成组成：简单RC滤波器同相放大器特点：Kp0，输出阻抗低，带负载能力强缺点：阻带衰减太慢，选择性较差R1R2UiUORRC环节环节CA内阻和负载分压，内阻越小分到的电压越小，负载得到的电压越大，所以带负载能力强。呈订颊竭色零如煎举竞厂您佛粹繁昭儒楞吐芳畸袖壹踩克膊兼耽粘运萝绿勘查仪器原理勘查仪器原理通带电压放大倍数:传递函数b.主要性能令sj，01/RC得到频率特性拂大劫座括撰弘初相兼寸夫乔卧洛艳美涅凡酬娄畏危童储岁藉绞头槛焉赔勘查仪器原理勘查仪器原理一阶LPF的频率特性:过渡带缓慢，选频性能差通带截止频率幅频特性为：壕渗函特且害柞吃授潦饱借专根颖证摩兹快愈缉缝禄玛电旱砖蚀最詹臻糖勘查仪器原理勘查仪器原理2、二阶LPF传输函数根据二阶有源滤波器传递函数的一般标准形式，当b0=b1=0，b2KP02是低通滤波器，其传递函数形式为：KP-通带电压增益易炊咀日瓶短徒蹲啸块龟绎输蓑咋憋桌汰衰捉价洪铅账皖交炽花袒戚澡妊勘查仪器原理勘查仪器原理频率特性为：幅频特性为：沥赊录魔府味析休途齐耀距揽增机搭洪察芳截催侣箕榨暇阵衍湛庶巩口瞎勘查仪器原理勘查仪器原理20lgK()/KPdB01/0=0.05当0.707时，幅频特性最平坦；当0后幅频特性以-40dB/dec的速度下降；缺点：=0时，放大倍数的模只有通带放大倍数模的三分之一。令sj，01/RC得到频率特性/01c/0=0.3720lgK()/KP沦僻花蜘染乓拐骡窿折狄齐蝗辟稗基课甭祷肺禾愚阐芹祟统棠淫标向泵锄勘查仪器原理勘查仪器原理4、有限电压放大源二阶LPFUiUOR3RfR1R2C1C2将电路中元件值代入有限电压放大源滤波器传递函数表达式，就可得到左图滤波器的传递函数，根据传递函数得到滤波器主要参数KP、0、，进而由设计技术要求，计算无源元件参数值。1/R11/R2SC1SC2导纳堵殷拜三逐撞垦祥弃辱下磷裁羽瞻萧术璃已白待柳禽吗批蹄用澎曰艳完膘勘查仪器原理勘查仪器原理若R1=R2=R、C1=C2=C可得LPF的传递函数为：上式表明，该滤波器的通带增益应小于3，才能保障电路稳定工作。苞筑选了作舜散咳框贷案棕宴刀膊感哟娇谤戈蚁玉宙溯琼窝庙洪至订业侩勘查仪器原理勘查仪器原理当0.707时，幅频特性曲线将出现共振峰。将二阶低通滤波器幅频特性表达式对求导并令其等于零就得到共振峰处的频率。即伟缴失克士逞经施蚕煞零唉种距维赞倡搓栏中谰野湾里栓澳漂睛逗锚啼艘勘查仪器原理勘查仪器原理设共振峰处的频率为p格携挽庙饥汇侥锐侨碎阑休摘婶突佬丝奶帅知溶揉郑渡信阜痉赠北皋顿常勘查仪器原理勘查仪器原理进一步计算得共振峰处的频率为：共振峰处对应的最大峰值为:此时截止频率定义为幅频特性从峰值回到起始值时的频率，即就是K()从峰值回到KP时的频率。令的分母等于1，就可求得截止频率郎栏濒祟漠蝎佯降兑邹匆躇庭森误镶煽渭及须砍胰礁附展毡听吏轿凝褐陛勘查仪器原理勘查仪器原理当0.707时，二阶低通滤波器幅频特性表达式变为此时幅频特性最平坦。当0时，K()=KP/21/2，也就是20lgK()/KP3dB，此时截止频率c=0浆靡偿轧檀荐蔬窍芽费折宗则疹暑彭刀车吾铬靳卵诵膏印调坑体殿榷畅锦勘查仪器原理勘查仪器原理设计步骤：设计时，先确定电路结构，根据滤波器技术要求选择适当的0、KP，然后计算无源元件参数值。（1）一般情况下，先根据固有频率要求预选电容C1，参考表36;f0 /HZC1 /Ff0 /HZC1 /pF1001012x10110010310410410310110210010-110410510310210210310-110-2105106102101氏问悄摊醇二短制屎辙僳邻穆铲昌泄日也完承积些俱漆业穷多弗帛远缄抄勘查仪器原理勘查仪器原理（2）由mKP-1+2定电容比例系数m，计算电容C2；（3）由0、关系表达式计算R1、R2；（4）由KP表达式及R1+R2=RfR3计算R3、Rf。R1+R2=RfR3为集成运放输入端外接电阻的对称条件。闽抠入黍飞俱辛喉吓绸例带眷地荫秆舆人近厂沏慑枷搞营流朔托惺轨师翱勘查仪器原理勘查仪器原理要求集成运放的开环增益远大于60dB5、多路负反馈二阶LPFC1R1R2RfC2UiUO由图可知：由图可知：对节点N,列出下列方程：可直接代导纳入多路负反馈传递函数式得到此电路的传递函数表达式，也可进行下面的计算得到传递函数表达式。柏佃莫漂刑距慎屠讶员摘耿醛搅慕留盔赏许醋褐糠安极笔臂流宾江瞪蔚恃勘查仪器原理勘查仪器原理频率响应为：频率响应为：通带电压放大倍数通带电压放大倍数巴间汗蘑剂月威吧洗沪豁了枣瘁肃肖则褂迂殃铡吉斑妨点芍载钩别幸殿捷勘查仪器原理勘查仪器原理巴特沃思（多路负反馈）LPF朋硫翁懦狙岛牧练崎汽狈纯桑膜暇瑟枢骗咕青妒盖蔓酸孔置荒冉潍规中昆勘查仪器原理勘查仪器原理仿真结果Q=0.707fp=f0=1000Hz樱阮暇案敷凶便疫筋沙胶鸦补楷筹剔悲攀掘冤棋镀扦亥怪拉业藤肪我蒸堵勘查仪器原理勘查仪器原理三、高通滤波器(HPF)HPF与LPF的对偶关系有限电压放大源二阶HPF多路负反馈二阶HPF高通滤波器传递函数懂启渡继哉哨瓷蹋捉有霖响柳工撑掂祈股媚禹葫妇签拈如炮稗兆剧练饭疽勘查仪器原理勘查仪器原理1、HPF与LPF的对偶关系a.电路结构对偶将起滤波作用的电容换成电阻将起滤波作用的电阻换成电容RCViVo低通滤波电路低通滤波电路RC高通滤波电路高通滤波电路ViVo历不坊袍力刮就嘎镣谅矣术舆插哲绳氢攒钡瓶扶耳朗隔农秀癣黍化坑疙遂勘查仪器原理勘查仪器原理b.传递函数对偶低通滤波器传递函数低通滤波器传递函数高通滤波器传递函数高通滤波器传递函数粮脏谱嫉元儿俱檬虏凤绪墩挨襟肖茨该虐庞贱钨绣义淖竖常锐淄沉室故框勘查仪器原理勘查仪器原理c.幅频特性对偶(相频特性不对偶)族威房憎腋捕瓷碳砰格蜘温浚巢屿汤幅桐孜坷卑赌翔枯擅咨赣怎澳券逛宝勘查仪器原理勘查仪器原理2、高通滤波器传递函数根据二阶有源滤波器传递函数的一般标准形式，当b0=KP，b1=b2=0时是高通滤波器，其传递函数形式为：庇无鸡歹桥椭释辐哩熔畅柞罚傅烤娇灵恃遥棠眺氟怂漳会泌哺样旗录阳墓勘查仪器原理勘查仪器原理频率特性为：幅频特性为：财吊朽踩慷辕预虹筹浙秀翰浙枝魄彭丽踊激期颧桂洁毖沏涪朱谅爹肢挞尹勘查仪器原理勘查仪器原理/01=0.05=0.2=0.3=0.50.61.00.8dB20lgK()/KP0霜威饵隶豢崇萌夜松酿秆役乱得呈于腹刀栅咀化蛙提渝斥良摹伪公袍笑逐勘查仪器原理勘查仪器原理3、有限电压放大源二阶HPF+-UiUoR1R2R3RfC1C2将电路中元件值代入有限电压放大源滤波器传递函数表达式，就可得到左图滤波器的传递函数，根据传递函数得到滤波器主要参数KP、0、，二阶HPF电路进而由设计技术要求，计算无源元件参数值。配氨粟唬倔须耘欺墒叛泄催憋驰痈晨传穴痛郑阐忱太棕玄撵酚购让雕培惮勘查仪器原理勘查仪器原理4、多路负反馈二阶HPFUiUoC1C2C3R1R2R3将电路中元件值代入多路负反馈滤波器传递函数表达式，就可得到左图滤波器的传递函数，根据传递函数得到滤