編輯推薦
適讀人群 :電子工程師技術人員,以及電子、自動化、儀器儀錶等相關專業的師生 提到瞭很多測量放大電路要注意的地方,值得在設計測量放大器時參考
內容簡介
本書是“圖解實用電子技術叢書”之一,也是《測量電子電路設計——模擬篇》的姊妹篇,主要介紹如何從放大瞭的信號中除去有害噪聲,提取有用信號的濾波技術。書中介紹處理低頻信號所必需的RC濾波器、有源濾波器、LC濾波器,以及低頻濾波器中能夠實現極限Q值的鎖相放大器的設計方法等,同時還的提供大量的實驗數據和模擬數據。
模擬篇中主要從高精度信號測量的觀點,舉具體的設計和製定例詳解模擬電路的基本電路,即放大電路。
本書的讀者對象主要是電子工程師技術人員,也可供電子、自動化、儀器儀錶等相關專業的師生學參考學習。
內頁插圖
目錄
第1章 概述
1.1 濾波器的特性與種類
1.1.1 各種濾波器——本書介紹頻率意義上的濾波器
1.1.2 噪聲與濾波器的帶寬
1.1.3 濾波器對白噪聲的濾波效果
1.1.4 防混浠作用的低通濾波器
1.1.5 高通濾波器(HPF)的作用
1.1.6 帶通濾波器(BPF)的作用
1.1.7 帶阻濾波器(BEF)的作用
1.1.8 模擬濾波器與數字濾波器
1.1.9 能夠自製的濾波器
1.1.10 由廠傢製作的濾波器
1.2 濾波器的頻率響應與時間響應特性
1.2.1 濾波器的階數與衰減陡度
1.2.2 最大平坦:巴特沃斯特性
1.2.3 快速調整階躍響應的貝塞爾特性
1.2.4 實現陡峭特性的切比雪夫特性
1.2.5 更加陡峭——橢圓(Elliptic)特性
1.2.6 濾波器的副作用——對響應特性的影響
1.2.7 高通濾波器的時間響應特性
1.2.8 帶通濾波器的時間響應特性
第2章 RC濾波器與RC電路網絡的設計
2.1 最簡單的RC濾波器
2.1.1 RC低通濾波器的特性
2.1.2 DC前置放大器上附加RC濾波器
2.1.3 RC濾波器的多級連接
2.2 加深對RC電路網絡的印象
2.2.1 錶現電路網絡動作的萬能麯綫
2.2.2 設計時利用漸近綫
2.2.3 高頻截止/低頻截止的A萬能麯綫
2.2.4 描述相位返迴特性的B萬能麯綫
2.2.5 PLL電路中應用的高頻截止的B萬能麯綫
2.2.6 應用於0P放大器相位補償的低頻截止的B萬能麯綫
第3章 有源濾波器的設計
3.1 概述
3.1.1 有源濾波器——確定參數值時的自由度高
3.1.2 2階有源濾波器設計基礎
3.2 有源低通濾波器的設計
3.2.1 經常使用的正反饋型2階LPF(增益=1)的構成
3.2.2 5階巴特沃斯LPF的計算例
3.2.3 使LPF具有放大率的濾波電路
3.2.4 正反饋型LPF(增益≠1)的構成
3.2.5 減小元件靈敏度和失真的多重反饋型LPF
3.2.6 有源LPF的高頻特性
3.3 有源高通濾波器的設計
3.3.1 正反饋型2階HPF的構成
3.3.2 5階切比雪夫HPF的計算例
3.3.3 多重反饋型HPF的構成
3.4 狀態可調濾波器的設計
3.4.1 狀態可調濾波器的概念
3.4.2 反轉型與非反轉型在特性上的差彆
3.4.3 在可變頻率一可變Q的通用濾波器中的應用
3.4.4 狀態可調濾波器模塊
3.4.5 低失真率的雙截型濾波器
3.5 帶通濾波器的設計
3.5.1 將LPF與HPF級聯
專欄A 狀態可調濾波器在低失真率振蕩器中的應用
3.5.2 Q-10以下的1個OP放大器的多重反饋型BPF
3.5.3 中心頻率為1kHz,Q=5的帶通濾波器
3.5.4 2個放大器的高Q值BPF
3.5.5 能夠用於評價OP放大器噪聲的帶寬100Hz的BPF
3.6 帶阻濾波器的設計
3.6.1 使用BPF的帶阻濾波器
3.6.2 測量失真用的雙T陷波濾波器
附錄 有源濾波器設計用的歸一化錶
第4章 LC濾波器的設計
4.1 LC濾波器概述
4.1.1 LC濾波器在10kHz以上的使用價值高
4.1.2 利用歸一化錶和模擬器使設計變得簡單
4.1.3 LC濾波器的兩種類型
4.2 LC濾波器的設計
4.2.1 低通LC濾波器的設計
4.2.2 歸一化錶的使用方法
4.2.3 由低通濾波器(LPF)變換為高通濾波器(HPF)
4.2.4 變換為帶通濾波器(BPF)
專欄B 函數颱式計算機的應用
4.2.5 BPF的帶寬越窄響應越慢
4.3 LC濾波器的實驗製作
4.3.1 附有5階低通濾波器的前置放大器
4.3.2 巴特沃斯BPF的試製
第5章 模擬LC型有源濾波器的設計
5.1 模擬LC的概念
5.1.1 不希望使用綫圈
5.1.2 實現FDNR的電路
5.2 實用的FDNR濾波器的設計
5.2.1 5階LPF的設計
5.2.2 特點——不受OP放大器直流漂移的影響
5.2.3 注意最大輸入電平
5.2.4 信號源電阻為0Ω的FDNR濾波器
5.2.5 信號源電阻為0Ω的FDNR 5階低通濾波器的試製
5.2.6 抗誤差用7階切比雪夫濾波器的設計
5.2.7 特性的檢驗
5.2.8 利用高速A/D轉換器減輕濾波器的負擔
5.2.9 將電容變換為電感的GIC
第6章 濾波器使用的RLC
6.1 濾波器使用的電阻器
6.1.1 各種電阻器
6.1.2 濾波器電路中的金屬膜電阻器
6.1.3 電阻的頻率特性
6.2 濾波器使用的電容器
6.2.1 電容器要注意等效串聯電阻Rs
6.2.2 精密濾波器中不使用鋁電解電容器
6.2.3 疊層陶瓷電容器
6.2.4 薄膜電容器
6.2.5 苯乙烯電容器
6.2.6 雲母電容器
6.3 濾波器使用的綫圈
6.3.1 綫圈的種類和等效電路
6.3.2 微型電感(圓筒形)
6.3.3 壺形鐵心
6.3.4 用壺形鐵心製作電感器的要點
6.3.5 基於壺形鐵心的:1OOmH電感器的設計
6.3.6 方形金屬外殼電感器
6.3.7 環形鐵心
6.3.8 環形鐵心電感器的設計例
專欄C 關於E係列標準值
第7章 變壓器對噪聲的阻斷/抑製作用
7.1 變壓器概述
7.1.1 不可輕視變壓器的作用
7.1.2 變壓器的基本動作
7.1.3 變壓器的等效電路
7.1.4 決定低頻特性的激磁電感和綫圈電阻
7.1.5 決定高頻特性的泄漏電感和綫圈電容
7.2 利用輸入變壓器改善測量放大器的噪聲特性
7.2.1 利用輸入變壓器使信號升壓
7.2.2 進一步改善低噪聲OP放大器電路的噪聲特性
7.2.3 輸入變壓器也有除去共模噪聲作用
7.2.4 輸入變壓器的參數
7.2.5 將變壓器輸齣開路求激磁電感
7.2.6 將變壓器輸齣短路求泄漏電感
7.2.7 輸入變壓器的典型參數
7.2.8 輸入變壓器的模擬
7.2.9 高頻範圍凸峰的補償
7.3 除去來自電源的噪聲
7.3.1 電源噪聲的混入由變壓器的參數規格所決定
7.3.2 電源變壓器的形狀
7.3.3 阻斷共模噪聲的靜電屏蔽
7.3.4 抑製泄漏磁通的電磁屏蔽
附錄 針對電源噪聲的噪聲濾波變壓器
第8章 共模扼流圈的應用
8.1 復習——電子設備的外來噪聲
8.1.1 外來噪聲有共模型和簡正型
8.1.2 簡正模噪聲及措施
8.1.3 由於共同接地發生的共模噪聲
8.1.4 設備內部的共模噪聲
8.2 共模扼流圈的應用
8.2.1 共模扼流圈的作用
8.2.2 共模扼流圈的等效電路
8.2.3 共模扼流圈的繞製
8.2.4 選擇泄漏電感小的扼流圈
8.3 電源用傳輸濾波器
8.3.1 傳輸濾波器的動作
8.3.2 傳輸濾波器的選用
8.3.3 傳輸濾波器的數據與使用狀態下不同
8.3.4 傳輸濾波器的安裝方法
8.3.5 注意脈衝電流使鐵心飽和的問題
8.3.6 注意傳輸濾波器漏電流引起的觸電
8.3.7 意外情況下的共模扼流圈鐵心
第9章 鎖相放大器的原理與實驗
9.1 鎖相放大器概述
9.1.1 通頻帶變窄與Q值的提高
9.1.2 鎖相放大器的結構
9.1.3 相敏檢測器PSD
9.1.4 乘法運算中轉換——同步檢波
9.1.5 不需相位調整的雙相位鎖相放大器
9.1.6 動態餘量錶徵能夠允許的噪聲量
9.1.7 相位噪聲決定測量極限
9.1.8 用時間常數錶徵低通濾波器的特性
9.1.9 噪聲密度的測量
9.2 鎖相放大器的實驗
9.2.1 試製的鎖相放大器概況
9.2.2 使用74HC4046的PLL
9.2.3 VCO特性的改善
9.2.4 利用相位頻率型比較器進行相位比較
9.2.5 參考信號電路的具體構成
9.2.6 産生準確的參考信號
9.2.7 PLL低通濾波器參數的計算
9.2.8 相位調整電路
9.2.9 PLL電路響應特性的確認
9.2.10 相位調整電路的設計要點
9.2.11 PSD的設計要點
9.2.12 時間常數電路的設計要點
9.2.13 DC增益與動態餘量
專欄D 相位檢波器模塊
9.2.14 矢量運算求振幅和相位
9.2.15 鎖相放大器的調整
第10章 鎖相放大器的使用方法
10.1 熟練使用鎖相放大器
10.1.1 鎖相放大器産品的結構
10.1.2 鎖相放大器的使用環境
10.1.3 關於參考信號
10.1.4 輸入信號的連接方法很重要
10.1.5 輸入端的差動平衡
10.1.6 設定動態餘量的方法
10.2 鎖相放大器應用範圍的擴大
10.2.1 檢測微小變化
10.2.2 輸齣信號有跳動時的觀測方法
10.2.3 截光器的應用——光測量
10.2.4 光源特性變化的補償——使用截光器的雙光束法
10.3 利用鎖相放大器的應用測量
10.3.1 廣闊的微小信號測量領域
10.3.2 在紅外分光光度計中的應用
10.3.3 在2次量子光分光分析中的應用
10.3.4 在光聲光譜儀中的應用
10.3.5 在超導材料評價中的應用
10.3.6 在金屬材料張力試驗中的應用
10.3.7 俄歇電子能譜分析技術(Auger Electron Spectroscopy,AES)
10.3.8 在金屬探測器中的應用
103.9 在渦流探傷儀中的應用
10.3.10 在RLC測量儀中的應用
10.3.11 在測定化學阻抗中的應用
10.3.12 在電子束測量中的應用
前言/序言
本書是《測量電子電路設計——模擬篇》一書的姊妹篇。. 《測量電子電路設計——模擬篇》主要著眼於對來自傳感器的具有一定S/N的微弱信號電壓進行放大的技術。本書的主題則是從放大瞭的信號中除去有害噪聲,提取有用信號的濾波技術。無論是由一個電阻和一個電容構成的RC濾波器,還是分析頻率高達幾十吉赫的頻譜分析器都統稱為濾波器,可見其包含的種類和技術非常龐雜。本書在介紹應用於處理低頻信號的RC濾波器、有源濾波器、LC濾波器,以及低頻濾波器中能夠實現極限Q值的鎖相放大器(Lock-in Amplifier)的設計方法的同時,還提供瞭大量的實驗數據和模擬數據。
《測量電子電路設計:濾波器篇——從濾波器設計到鎖相放大器的應用》 深入剖析測量電路核心——濾波器設計精髓,解鎖精密測量新境界 在當今科技飛速發展的時代,精確的測量是科學研究、工業生産、醫療健康以及通信技術等眾多領域不可或缺的基石。而電子測量電路作為實現精準測量的關鍵載體,其設計水平直接決定瞭測量結果的可靠性和準確性。本書《測量電子電路設計:濾波器篇》正是聚焦於電子測量電路設計中的一個至關重要的環節——濾波器設計,並將其應用深入拓展至鎖相放大器這一精密測量儀器,旨在為讀者提供一套係統、深入且實用的學習體驗。 本書的獨特價值與核心關注點: 本書並非泛泛而談的電子電路基礎教程,而是以“測量”這一特定應用場景為導嚮,將濾波器理論與實際測量需求緊密結閤。我們深知,一個精心設計的濾波器,能夠有效濾除噪聲、分離信號,從而大幅提升測量精度。因此,本書的首要任務便是帶領讀者深入理解濾波器的基本原理、類型、設計方法,以及如何在實際測量電路中靈活運用。 內容詳解: 第一部分:濾波器基礎理論與設計方法 1. 濾波器的基本概念與作用: 為何需要濾波器? 深入分析電子測量過程中麵臨的各種噪聲源(如熱噪聲、散粒噪聲、電磁乾擾等),以及這些噪聲如何影響測量結果的準確性。 濾波器的基本功能: 闡述濾波器在信號處理中的核心作用,包括信號的選頻、抑製乾擾、改善信噪比(SNR)以及實現信號的整形等。 濾波器的基本分類: 詳細介紹按頻率響應分類的低通、高通、帶通、帶阻濾波器,並結閤測量應用場景,說明各自適用的場閤。例如,在溫度測量中,低通濾波器常用於平滑溫度傳感器輸齣的波動;在高頻信號分析中,高通濾波器用於去除低頻噪聲。 2. 理想濾波器與實際濾波器的對比: 理想濾波器的數學模型: 介紹理想濾波器的嚴格頻率響應特性,並通過數學公式進行定義。 實際濾波器的局限性: 分析實際濾波器在通帶、阻帶、過渡帶等方麵的物理限製,以及這些限製對測量精度的潛在影響。 關鍵參數的理解: 詳細解釋截止頻率、帶寬、衰減斜率、紋波、群延遲等關鍵參數的物理意義,以及它們在濾波器設計中的重要性。 3. 模擬濾波器設計方法: 分類與選型: 巴特沃斯(Butterworth)濾波器: 強調其平坦的通帶響應,適用於對通帶平坦度要求極高的測量場景,如音頻信號的精確采集。 切比雪夫(Chebyshev)濾波器: 介紹其在相同階數下比巴特沃斯濾波器具有更陡峭的過渡帶,但通帶內存在紋波。分析其在需要快速衰減乾擾但可容忍少量通帶紋波的測量應用中的優勢,例如某些射頻信號的濾波。 橢圓(Elliptic)濾波器(Cauer濾波器): 講解其在通帶和阻帶都允許紋波,但能實現最陡峭過渡帶的特點。適用於對濾波器性能指標要求極其苛刻,且對濾波器麵積或器件數量有一定限製的精密儀器設計。 貝塞爾(Bessel)濾波器: 突齣其綫性相位響應,對信號的瞬態特性影響最小,特彆適閤對信號的波形保真度要求極高的測量,如脈衝信號的檢測與分析。 基本濾波器網絡的構建: 無源濾波器: 講解基於電阻(R)、電容(C)、電感(L)構成的濾波器。分析其結構簡單、易於實現,但存在插入損耗大、易受負載影響等缺點。適閤低頻、低功耗、對精度要求不極緻的測量場景。 有源濾波器: 重點介紹基於運算放大器(Op-amp)的有源濾波器。分析其能夠實現信號放大、隔離負載效應、避免使用電感等優勢。深入講解Sallen-Key、MFB(Multiple Feedback)等經典有源濾波器拓撲結構,並提供不同階數濾波器的設計流程和元件值計算方法。 設計流程與工具: 從規格到電路: 引導讀者如何根據測量需求(如中心頻率、帶寬、增益、衰減要求、噪聲指標等)選擇閤適的濾波器類型和拓撲結構。 原型設計與參數計算: 提供詳細的計算公式和錶格,幫助讀者快速計算齣濾波器的元件值。 仿真工具的應用: 介紹SPICE等電路仿真軟件在濾波器設計中的作用,如何通過仿真驗證設計方案的可行性,優化參數,並預測實際性能。 第二部分:濾波器在精密測量電路中的應用 1. 信號調理電路設計: 傳感器信號處理: 詳細講解如何利用濾波器對來自不同傳感器的原始信號進行預處理。例如,在生物醫學信號測量中,需要濾除工頻乾擾和肌電信號;在工業傳感器中,需要抑製電源紋波和電磁乾擾。 放大器之前的濾波器: 闡述為何在放大器前端加入濾波器能有效防止噪聲被放大,提升整體測量係統的信噪比。 抗混疊濾波器(Anti-aliasing Filter): 深入講解在進行數字采樣前,必須設置一個低通濾波器來去除高於奈奎斯特頻率的信號分量,避免産生混疊失真。強調其在模數轉換(ADC)應用中的關鍵作用。 2. 噪聲抑製技術: 濾波器作為噪聲過濾器: 再次強調濾波器在隔離和衰減各種噪聲源方麵的核心能力。 與其他噪聲抑製技術結閤: 探討濾波器如何與其他技術(如差分信號處理、屏蔽、接地技術等)協同工作,以達到更佳的噪聲抑製效果。 3. 頻率選擇性測量: 選擇性信號提取: 講解如何利用帶通濾波器精確地提取齣目標頻率範圍內的信號,屏蔽掉其他不關心的頻率成分。這在頻譜分析、射頻信號測量等領域至關重要。 信道濾波: 在通信接收機等應用中,介紹帶通濾波器如何用於選擇特定的通信信道。 第三部分:鎖相放大器(Lock-in Amplifier)及其與濾波器的深度結閤 1. 鎖相放大器原理剖析: 何為鎖相放大器? 詳細介紹鎖相放大器是一種能夠從極低信噪比的環境中提取微弱、周期性信號的精密測量儀器。 核心工作機製: 深入講解其“相乾解調”的核心原理,包括參考信號的産生、混頻(乘法器)、低通濾波(積分器)等關鍵環節。 信號提取的優勢: 闡述為何鎖相放大器在噪聲環境中能夠實現比傳統測量方法更高的信噪比提升。 2. 鎖相放大器中的濾波器扮演的角色: 後混頻低通濾波器(Post-Modulation Low-Pass Filter): 這是鎖相放大器中最核心的濾波器。詳細講解其作用是將混頻器輸齣的包含原始信號頻率和參考信號頻率(以及它們的和頻與差頻)的信號,有效地衰減掉高頻分量,隻保留與參考信號同頻同相的低頻分量(即被測信號的幅度信息)。 濾波器參數的選擇與測量精度: 時間常數(Time Constant)/帶寬: 深入分析時間常數(通常與低通濾波器的帶寬相關)對鎖相放大器性能的影響。較大的時間常數意味著更窄的帶寬,能夠更有效地抑製噪聲,但會降低信號的響應速度;較小的時間常數則響應快,但噪聲抑製能力較弱。 濾波器階數和類型: 探討不同階數和類型的低通濾波器(如一次、二次巴特沃斯濾波器)在鎖相放大器中的應用,以及它們對動態範圍、測量精度和靈敏度的影響。 如何根據被測信號特性選擇閤適的時間常數/帶寬: 提供實際操作指導,例如,對於緩慢變化的信號,可以選擇較大的時間常數;對於快速變化的信號,則需要選擇較小的時間常數。 3. 鎖相放大器的典型應用場景: 微弱信號檢測: 光學測量: 在光度學、光譜學中,用於測量微弱的熒光信號、吸收光譜等。 電子學: 檢測微小的電流、電壓信號,如霍爾效應測量、半導體器件的特性測試。 材料科學: 測量材料的介電損耗、磁化強度等。 阻抗測量: 通過與交流信號源結閤,測量微小阻抗的變化。 動態測量: 追蹤信號隨時間(如溫度、壓力變化)的動態響應。 4. 實際設計與故障排除: 濾波器選擇的權衡: 總結在實際設計中,如何在信噪比、測量速度、動態範圍之間進行權衡,選擇最優的濾波器參數。 常見問題與解決策略: 討論在鎖相放大器應用中可能遇到的濾波器相關問題,如噪聲泄露、響應滯後、失真等,並提供有效的診斷和解決辦法。 本書的讀者對象: 本書適閤以下讀者群體: 電子工程、自動化、物理學、化學等相關專業的在校學生: 為他們提供紮實的濾波器設計理論和在精密測量領域的實際應用基礎。 科研人員: 幫助他們在進行科學實驗和數據采集時,設計更優化的信號調理電路,提高測量數據的可靠性和準確性。 電子工程師與儀器開發者: 為他們提供在設計各類測量儀器、傳感器接口電路、數據采集係統等時,解決濾波器設計難題的實用工具和方法。 對精密測量和信號處理感興趣的工程師與技術愛好者: 能夠通過本書係統學習濾波器設計,並瞭解其在先進測量技術中的重要作用。 學習本書,您將能夠: 深刻理解濾波器的核心原理和不同類型的特性。 掌握模擬濾波器的設計方法,並能獨立完成基本濾波器的設計。 學會如何根據具體的測量需求,選擇最閤適的濾波器類型和拓撲結構。 理解濾波器在各種精密測量電路中的具體應用,如信號調理、噪聲抑製等。 深入掌握鎖相放大器的原理,並理解濾波器在其中起到的關鍵作用。 學會如何根據被測信號的特性,優化鎖相放大器的濾波器參數,以獲得最佳測量結果。 具備初步解決實際測量電路中濾波器相關問題的能力。 《測量電子電路設計:濾波器篇》將引導您走進一個充滿挑戰與樂趣的精密測量世界,通過掌握濾波器這一強大工具,讓您的測量數據更加精準,讓您的設計更上一層樓。