编辑推荐
适读人群 :电子工程师技术人员,以及电子、自动化、仪器仪表等相关专业的师生 提到了很多测量放大电路要注意的地方,值得在设计测量放大器时参考
内容简介
本书是“图解实用电子技术丛书”之一,也是《测量电子电路设计——模拟篇》的姊妹篇,主要介绍如何从放大了的信号中除去有害噪声,提取有用信号的滤波技术。书中介绍处理低频信号所必需的RC滤波器、有源滤波器、LC滤波器,以及低频滤波器中能够实现极限Q值的锁相放大器的设计方法等,同时还的提供大量的实验数据和模拟数据。
模拟篇中主要从高精度信号测量的观点,举具体的设计和制定例详解模拟电路的基本电路,即放大电路。
本书的读者对象主要是电子工程师技术人员,也可供电子、自动化、仪器仪表等相关专业的师生学参考学习。
内页插图
目录
第1章 概述
1.1 滤波器的特性与种类
1.1.1 各种滤波器——本书介绍频率意义上的滤波器
1.1.2 噪声与滤波器的带宽
1.1.3 滤波器对白噪声的滤波效果
1.1.4 防混浠作用的低通滤波器
1.1.5 高通滤波器(HPF)的作用
1.1.6 带通滤波器(BPF)的作用
1.1.7 带阻滤波器(BEF)的作用
1.1.8 模拟滤波器与数字滤波器
1.1.9 能够自制的滤波器
1.1.10 由厂家制作的滤波器
1.2 滤波器的频率响应与时间响应特性
1.2.1 滤波器的阶数与衰减陡度
1.2.2 最大平坦:巴特沃斯特性
1.2.3 快速调整阶跃响应的贝塞尔特性
1.2.4 实现陡峭特性的切比雪夫特性
1.2.5 更加陡峭——椭圆(Elliptic)特性
1.2.6 滤波器的副作用——对响应特性的影响
1.2.7 高通滤波器的时间响应特性
1.2.8 带通滤波器的时间响应特性
第2章 RC滤波器与RC电路网络的设计
2.1 最简单的RC滤波器
2.1.1 RC低通滤波器的特性
2.1.2 DC前置放大器上附加RC滤波器
2.1.3 RC滤波器的多级连接
2.2 加深对RC电路网络的印象
2.2.1 表现电路网络动作的万能曲线
2.2.2 设计时利用渐近线
2.2.3 高频截止/低频截止的A万能曲线
2.2.4 描述相位返回特性的B万能曲线
2.2.5 PLL电路中应用的高频截止的B万能曲线
2.2.6 应用于0P放大器相位补偿的低频截止的B万能曲线
第3章 有源滤波器的设计
3.1 概述
3.1.1 有源滤波器——确定参数值时的自由度高
3.1.2 2阶有源滤波器设计基础
3.2 有源低通滤波器的设计
3.2.1 经常使用的正反馈型2阶LPF(增益=1)的构成
3.2.2 5阶巴特沃斯LPF的计算例
3.2.3 使LPF具有放大率的滤波电路
3.2.4 正反馈型LPF(增益≠1)的构成
3.2.5 减小元件灵敏度和失真的多重反馈型LPF
3.2.6 有源LPF的高频特性
3.3 有源高通滤波器的设计
3.3.1 正反馈型2阶HPF的构成
3.3.2 5阶切比雪夫HPF的计算例
3.3.3 多重反馈型HPF的构成
3.4 状态可调滤波器的设计
3.4.1 状态可调滤波器的概念
3.4.2 反转型与非反转型在特性上的差别
3.4.3 在可变频率一可变Q的通用滤波器中的应用
3.4.4 状态可调滤波器模块
3.4.5 低失真率的双截型滤波器
3.5 带通滤波器的设计
3.5.1 将LPF与HPF级联
专栏A 状态可调滤波器在低失真率振荡器中的应用
3.5.2 Q-10以下的1个OP放大器的多重反馈型BPF
3.5.3 中心频率为1kHz,Q=5的带通滤波器
3.5.4 2个放大器的高Q值BPF
3.5.5 能够用于评价OP放大器噪声的带宽100Hz的BPF
3.6 带阻滤波器的设计
3.6.1 使用BPF的带阻滤波器
3.6.2 测量失真用的双T陷波滤波器
附录 有源滤波器设计用的归一化表
第4章 LC滤波器的设计
4.1 LC滤波器概述
4.1.1 LC滤波器在10kHz以上的使用价值高
4.1.2 利用归一化表和模拟器使设计变得简单
4.1.3 LC滤波器的两种类型
4.2 LC滤波器的设计
4.2.1 低通LC滤波器的设计
4.2.2 归一化表的使用方法
4.2.3 由低通滤波器(LPF)变换为高通滤波器(HPF)
4.2.4 变换为带通滤波器(BPF)
专栏B 函数台式计算机的应用
4.2.5 BPF的带宽越窄响应越慢
4.3 LC滤波器的实验制作
4.3.1 附有5阶低通滤波器的前置放大器
4.3.2 巴特沃斯BPF的试制
第5章 模拟LC型有源滤波器的设计
5.1 模拟LC的概念
5.1.1 不希望使用线圈
5.1.2 实现FDNR的电路
5.2 实用的FDNR滤波器的设计
5.2.1 5阶LPF的设计
5.2.2 特点——不受OP放大器直流漂移的影响
5.2.3 注意最大输入电平
5.2.4 信号源电阻为0Ω的FDNR滤波器
5.2.5 信号源电阻为0Ω的FDNR 5阶低通滤波器的试制
5.2.6 抗误差用7阶切比雪夫滤波器的设计
5.2.7 特性的检验
5.2.8 利用高速A/D转换器减轻滤波器的负担
5.2.9 将电容变换为电感的GIC
第6章 滤波器使用的RLC
6.1 滤波器使用的电阻器
6.1.1 各种电阻器
6.1.2 滤波器电路中的金属膜电阻器
6.1.3 电阻的频率特性
6.2 滤波器使用的电容器
6.2.1 电容器要注意等效串联电阻Rs
6.2.2 精密滤波器中不使用铝电解电容器
6.2.3 叠层陶瓷电容器
6.2.4 薄膜电容器
6.2.5 苯乙烯电容器
6.2.6 云母电容器
6.3 滤波器使用的线圈
6.3.1 线圈的种类和等效电路
6.3.2 微型电感(圆筒形)
6.3.3 壶形铁心
6.3.4 用壶形铁心制作电感器的要点
6.3.5 基于壶形铁心的:1OOmH电感器的设计
6.3.6 方形金属外壳电感器
6.3.7 环形铁心
6.3.8 环形铁心电感器的设计例
专栏C 关于E系列标准值
第7章 变压器对噪声的阻断/抑制作用
7.1 变压器概述
7.1.1 不可轻视变压器的作用
7.1.2 变压器的基本动作
7.1.3 变压器的等效电路
7.1.4 决定低频特性的激磁电感和线圈电阻
7.1.5 决定高频特性的泄漏电感和线圈电容
7.2 利用输入变压器改善测量放大器的噪声特性
7.2.1 利用输入变压器使信号升压
7.2.2 进一步改善低噪声OP放大器电路的噪声特性
7.2.3 输入变压器也有除去共模噪声作用
7.2.4 输入变压器的参数
7.2.5 将变压器输出开路求激磁电感
7.2.6 将变压器输出短路求泄漏电感
7.2.7 输入变压器的典型参数
7.2.8 输入变压器的模拟
7.2.9 高频范围凸峰的补偿
7.3 除去来自电源的噪声
7.3.1 电源噪声的混入由变压器的参数规格所决定
7.3.2 电源变压器的形状
7.3.3 阻断共模噪声的静电屏蔽
7.3.4 抑制泄漏磁通的电磁屏蔽
附录 针对电源噪声的噪声滤波变压器
第8章 共模扼流圈的应用
8.1 复习——电子设备的外来噪声
8.1.1 外来噪声有共模型和简正型
8.1.2 简正模噪声及措施
8.1.3 由于共同接地发生的共模噪声
8.1.4 设备内部的共模噪声
8.2 共模扼流圈的应用
8.2.1 共模扼流圈的作用
8.2.2 共模扼流圈的等效电路
8.2.3 共模扼流圈的绕制
8.2.4 选择泄漏电感小的扼流圈
8.3 电源用传输滤波器
8.3.1 传输滤波器的动作
8.3.2 传输滤波器的选用
8.3.3 传输滤波器的数据与使用状态下不同
8.3.4 传输滤波器的安装方法
8.3.5 注意脉冲电流使铁心饱和的问题
8.3.6 注意传输滤波器漏电流引起的触电
8.3.7 意外情况下的共模扼流圈铁心
第9章 锁相放大器的原理与实验
9.1 锁相放大器概述
9.1.1 通频带变窄与Q值的提高
9.1.2 锁相放大器的结构
9.1.3 相敏检测器PSD
9.1.4 乘法运算中转换——同步检波
9.1.5 不需相位调整的双相位锁相放大器
9.1.6 动态余量表征能够允许的噪声量
9.1.7 相位噪声决定测量极限
9.1.8 用时间常数表征低通滤波器的特性
9.1.9 噪声密度的测量
9.2 锁相放大器的实验
9.2.1 试制的锁相放大器概况
9.2.2 使用74HC4046的PLL
9.2.3 VCO特性的改善
9.2.4 利用相位频率型比较器进行相位比较
9.2.5 参考信号电路的具体构成
9.2.6 产生准确的参考信号
9.2.7 PLL低通滤波器参数的计算
9.2.8 相位调整电路
9.2.9 PLL电路响应特性的确认
9.2.10 相位调整电路的设计要点
9.2.11 PSD的设计要点
9.2.12 时间常数电路的设计要点
9.2.13 DC增益与动态余量
专栏D 相位检波器模块
9.2.14 矢量运算求振幅和相位
9.2.15 锁相放大器的调整
第10章 锁相放大器的使用方法
10.1 熟练使用锁相放大器
10.1.1 锁相放大器产品的结构
10.1.2 锁相放大器的使用环境
10.1.3 关于参考信号
10.1.4 输入信号的连接方法很重要
10.1.5 输入端的差动平衡
10.1.6 设定动态余量的方法
10.2 锁相放大器应用范围的扩大
10.2.1 检测微小变化
10.2.2 输出信号有跳动时的观测方法
10.2.3 截光器的应用——光测量
10.2.4 光源特性变化的补偿——使用截光器的双光束法
10.3 利用锁相放大器的应用测量
10.3.1 广阔的微小信号测量领域
10.3.2 在红外分光光度计中的应用
10.3.3 在2次量子光分光分析中的应用
10.3.4 在光声光谱仪中的应用
10.3.5 在超导材料评价中的应用
10.3.6 在金属材料张力试验中的应用
10.3.7 俄歇电子能谱分析技术(Auger Electron Spectroscopy,AES)
10.3.8 在金属探测器中的应用
103.9 在涡流探伤仪中的应用
10.3.10 在RLC测量仪中的应用
10.3.11 在测定化学阻抗中的应用
10.3.12 在电子束测量中的应用
前言/序言
本书是《测量电子电路设计——模拟篇》一书的姊妹篇。. 《测量电子电路设计——模拟篇》主要着眼于对来自传感器的具有一定S/N的微弱信号电压进行放大的技术。本书的主题则是从放大了的信号中除去有害噪声,提取有用信号的滤波技术。无论是由一个电阻和一个电容构成的RC滤波器,还是分析频率高达几十吉赫的频谱分析器都统称为滤波器,可见其包含的种类和技术非常庞杂。本书在介绍应用于处理低频信号的RC滤波器、有源滤波器、LC滤波器,以及低频滤波器中能够实现极限Q值的锁相放大器(Lock-in Amplifier)的设计方法的同时,还提供了大量的实验数据和模拟数据。
《测量电子电路设计:滤波器篇——从滤波器设计到锁相放大器的应用》 深入剖析测量电路核心——滤波器设计精髓,解锁精密测量新境界 在当今科技飞速发展的时代,精确的测量是科学研究、工业生产、医疗健康以及通信技术等众多领域不可或缺的基石。而电子测量电路作为实现精准测量的关键载体,其设计水平直接决定了测量结果的可靠性和准确性。本书《测量电子电路设计:滤波器篇》正是聚焦于电子测量电路设计中的一个至关重要的环节——滤波器设计,并将其应用深入拓展至锁相放大器这一精密测量仪器,旨在为读者提供一套系统、深入且实用的学习体验。 本书的独特价值与核心关注点: 本书并非泛泛而谈的电子电路基础教程,而是以“测量”这一特定应用场景为导向,将滤波器理论与实际测量需求紧密结合。我们深知,一个精心设计的滤波器,能够有效滤除噪声、分离信号,从而大幅提升测量精度。因此,本书的首要任务便是带领读者深入理解滤波器的基本原理、类型、设计方法,以及如何在实际测量电路中灵活运用。 内容详解: 第一部分:滤波器基础理论与设计方法 1. 滤波器的基本概念与作用: 为何需要滤波器? 深入分析电子测量过程中面临的各种噪声源(如热噪声、散粒噪声、电磁干扰等),以及这些噪声如何影响测量结果的准确性。 滤波器的基本功能: 阐述滤波器在信号处理中的核心作用,包括信号的选频、抑制干扰、改善信噪比(SNR)以及实现信号的整形等。 滤波器的基本分类: 详细介绍按频率响应分类的低通、高通、带通、带阻滤波器,并结合测量应用场景,说明各自适用的场合。例如,在温度测量中,低通滤波器常用于平滑温度传感器输出的波动;在高频信号分析中,高通滤波器用于去除低频噪声。 2. 理想滤波器与实际滤波器的对比: 理想滤波器的数学模型: 介绍理想滤波器的严格频率响应特性,并通过数学公式进行定义。 实际滤波器的局限性: 分析实际滤波器在通带、阻带、过渡带等方面的物理限制,以及这些限制对测量精度的潜在影响。 关键参数的理解: 详细解释截止频率、带宽、衰减斜率、纹波、群延迟等关键参数的物理意义,以及它们在滤波器设计中的重要性。 3. 模拟滤波器设计方法: 分类与选型: 巴特沃斯(Butterworth)滤波器: 强调其平坦的通带响应,适用于对通带平坦度要求极高的测量场景,如音频信号的精确采集。 切比雪夫(Chebyshev)滤波器: 介绍其在相同阶数下比巴特沃斯滤波器具有更陡峭的过渡带,但通带内存在纹波。分析其在需要快速衰减干扰但可容忍少量通带纹波的测量应用中的优势,例如某些射频信号的滤波。 椭圆(Elliptic)滤波器(Cauer滤波器): 讲解其在通带和阻带都允许纹波,但能实现最陡峭过渡带的特点。适用于对滤波器性能指标要求极其苛刻,且对滤波器面积或器件数量有一定限制的精密仪器设计。 贝塞尔(Bessel)滤波器: 突出其线性相位响应,对信号的瞬态特性影响最小,特别适合对信号的波形保真度要求极高的测量,如脉冲信号的检测与分析。 基本滤波器网络的构建: 无源滤波器: 讲解基于电阻(R)、电容(C)、电感(L)构成的滤波器。分析其结构简单、易于实现,但存在插入损耗大、易受负载影响等缺点。适合低频、低功耗、对精度要求不极致的测量场景。 有源滤波器: 重点介绍基于运算放大器(Op-amp)的有源滤波器。分析其能够实现信号放大、隔离负载效应、避免使用电感等优势。深入讲解Sallen-Key、MFB(Multiple Feedback)等经典有源滤波器拓扑结构,并提供不同阶数滤波器的设计流程和元件值计算方法。 设计流程与工具: 从规格到电路: 引导读者如何根据测量需求(如中心频率、带宽、增益、衰减要求、噪声指标等)选择合适的滤波器类型和拓扑结构。 原型设计与参数计算: 提供详细的计算公式和表格,帮助读者快速计算出滤波器的元件值。 仿真工具的应用: 介绍SPICE等电路仿真软件在滤波器设计中的作用,如何通过仿真验证设计方案的可行性,优化参数,并预测实际性能。 第二部分:滤波器在精密测量电路中的应用 1. 信号调理电路设计: 传感器信号处理: 详细讲解如何利用滤波器对来自不同传感器的原始信号进行预处理。例如,在生物医学信号测量中,需要滤除工频干扰和肌电信号;在工业传感器中,需要抑制电源纹波和电磁干扰。 放大器之前的滤波器: 阐述为何在放大器前端加入滤波器能有效防止噪声被放大,提升整体测量系统的信噪比。 抗混叠滤波器(Anti-aliasing Filter): 深入讲解在进行数字采样前,必须设置一个低通滤波器来去除高于奈奎斯特频率的信号分量,避免产生混叠失真。强调其在模数转换(ADC)应用中的关键作用。 2. 噪声抑制技术: 滤波器作为噪声过滤器: 再次强调滤波器在隔离和衰减各种噪声源方面的核心能力。 与其他噪声抑制技术结合: 探讨滤波器如何与其他技术(如差分信号处理、屏蔽、接地技术等)协同工作,以达到更佳的噪声抑制效果。 3. 频率选择性测量: 选择性信号提取: 讲解如何利用带通滤波器精确地提取出目标频率范围内的信号,屏蔽掉其他不关心的频率成分。这在频谱分析、射频信号测量等领域至关重要。 信道滤波: 在通信接收机等应用中,介绍带通滤波器如何用于选择特定的通信信道。 第三部分:锁相放大器(Lock-in Amplifier)及其与滤波器的深度结合 1. 锁相放大器原理剖析: 何为锁相放大器? 详细介绍锁相放大器是一种能够从极低信噪比的环境中提取微弱、周期性信号的精密测量仪器。 核心工作机制: 深入讲解其“相干解调”的核心原理,包括参考信号的产生、混频(乘法器)、低通滤波(积分器)等关键环节。 信号提取的优势: 阐述为何锁相放大器在噪声环境中能够实现比传统测量方法更高的信噪比提升。 2. 锁相放大器中的滤波器扮演的角色: 后混频低通滤波器(Post-Modulation Low-Pass Filter): 这是锁相放大器中最核心的滤波器。详细讲解其作用是将混频器输出的包含原始信号频率和参考信号频率(以及它们的和频与差频)的信号,有效地衰减掉高频分量,只保留与参考信号同频同相的低频分量(即被测信号的幅度信息)。 滤波器参数的选择与测量精度: 时间常数(Time Constant)/带宽: 深入分析时间常数(通常与低通滤波器的带宽相关)对锁相放大器性能的影响。较大的时间常数意味着更窄的带宽,能够更有效地抑制噪声,但会降低信号的响应速度;较小的时间常数则响应快,但噪声抑制能力较弱。 滤波器阶数和类型: 探讨不同阶数和类型的低通滤波器(如一次、二次巴特沃斯滤波器)在锁相放大器中的应用,以及它们对动态范围、测量精度和灵敏度的影响。 如何根据被测信号特性选择合适的时间常数/带宽: 提供实际操作指导,例如,对于缓慢变化的信号,可以选择较大的时间常数;对于快速变化的信号,则需要选择较小的时间常数。 3. 锁相放大器的典型应用场景: 微弱信号检测: 光学测量: 在光度学、光谱学中,用于测量微弱的荧光信号、吸收光谱等。 电子学: 检测微小的电流、电压信号,如霍尔效应测量、半导体器件的特性测试。 材料科学: 测量材料的介电损耗、磁化强度等。 阻抗测量: 通过与交流信号源结合,测量微小阻抗的变化。 动态测量: 追踪信号随时间(如温度、压力变化)的动态响应。 4. 实际设计与故障排除: 滤波器选择的权衡: 总结在实际设计中,如何在信噪比、测量速度、动态范围之间进行权衡,选择最优的滤波器参数。 常见问题与解决策略: 讨论在锁相放大器应用中可能遇到的滤波器相关问题,如噪声泄露、响应滞后、失真等,并提供有效的诊断和解决办法。 本书的读者对象: 本书适合以下读者群体: 电子工程、自动化、物理学、化学等相关专业的在校学生: 为他们提供扎实的滤波器设计理论和在精密测量领域的实际应用基础。 科研人员: 帮助他们在进行科学实验和数据采集时,设计更优化的信号调理电路,提高测量数据的可靠性和准确性。 电子工程师与仪器开发者: 为他们提供在设计各类测量仪器、传感器接口电路、数据采集系统等时,解决滤波器设计难题的实用工具和方法。 对精密测量和信号处理感兴趣的工程师与技术爱好者: 能够通过本书系统学习滤波器设计,并了解其在先进测量技术中的重要作用。 学习本书,您将能够: 深刻理解滤波器的核心原理和不同类型的特性。 掌握模拟滤波器的设计方法,并能独立完成基本滤波器的设计。 学会如何根据具体的测量需求,选择最合适的滤波器类型和拓扑结构。 理解滤波器在各种精密测量电路中的具体应用,如信号调理、噪声抑制等。 深入掌握锁相放大器的原理,并理解滤波器在其中起到的关键作用。 学会如何根据被测信号的特性,优化锁相放大器的滤波器参数,以获得最佳测量结果。 具备初步解决实际测量电路中滤波器相关问题的能力。 《测量电子电路设计:滤波器篇》将引导您走进一个充满挑战与乐趣的精密测量世界,通过掌握滤波器这一强大工具,让您的测量数据更加精准,让您的设计更上一层楼。