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1、9信号处理与信号产生电路,9.1 滤波电路基本概念,一.基本概念,1 滤波器：是一种能使有用频率信号通过而同时抑制或衰减无用频率信号的电子装置。,有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。,1 体积小、重量轻、利于集成。,2 具有放大作用，且增益可调。,3 利于制成高阶滤波电路。,4 稳定性高。,5 但不适用于高频情况。,6 工作时必须直流电源。,7 不适用于高压或大电流情况。,2有源滤波器特点：,分母中S的最高幂次称为滤波电路的阶次。,二.传递函数定义,幅频响应,相频响应,三.分类,高通滤波（HPF）,低通滤波（LPF）,带阻滤波（BEF）,带通滤波（BPF）,全通滤波（APF）,低通滤波,上限频
2、率,高通滤波,下限频率,带通滤波,中心频率,带阻滤波,中心频率,全通滤波,9.1.2一阶RC低通滤波器(无源),幅频特性、幅频特性曲线,一.低通滤波电路,2传递函数：,幅频相应为,1电路：,特征角频率,电压跟随器,同相放大器,注意：一阶有源滤波电路通带外衰减速率慢，与理想情况相差较远。一般用在对滤波要求不高的场合。,9.2 一阶有源滤波电路,二.高通滤波电路,三.带通滤波电路,1电路：由低通和高通串联得到,2幅频相应,低通特征角频率,高通特征角频率,要求,四.带阻滤波电路,1电路：低通和高通并联,2幅频相应,低通特征角频率,高通特征角频率,必须满足,一.压控电压源低通滤波电路,1压控电压源电路
3、（VCVS）,2传递函数,（二阶）,通带增益,特征角频率,品质因数,注意：3-AVF 0，AVF3时滤波电路才能稳定工作,9.3 二阶有源滤波电路,用 代入，可得传递函数的频率响应：,低通滤波电路幅频响应波特图,低通电路中的电容和电阻对换,2传递函数,幅频响应,二.压控电压源高通滤波电路,1电路：,（AVF3时滤波电路才能稳定工作）,由低通和高通串联得到,三.压控电压源带通滤波电路,1电路：,2传递函数,四.双T带阻滤波电路,由双T选频网络构成,9.4开关电容滤波器 了解,9.5 正弦波振荡电路的振荡条件,1.振荡平衡条件,2.起振和稳幅,3.振荡电路基本组成,正弦波振荡器：不需要外加输入而能
4、产生一定幅度、一定频率输出信号的自激振荡器。即是一个无输入信号、带有选频网络的正反馈电路。,9.5正弦波振荡电路的振荡条件,正反馈电路（注意与负反馈方框图的差别）,若,仍有稳定的输出,振荡条件：,幅值平衡条件,相位平衡条件（n为整数）,一.振荡条件,相位条件意味着振荡电路必须是正反馈；振幅条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到。,9.5 正弦波振荡电路的振荡条件,（1）振幅条件：,（2）相位条件：,基本放大电路,2.基本组成部分,反馈网络,选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。经常与反馈 网络合二为一。）,稳幅环节,9.5 正弦波振荡电路的振荡条件,起振条件,3.起振和稳幅,#振荡电路是单
5、口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？,电路器件内部噪声,当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加，否则波形将出现失真。,噪声中，满足相位平衡条件的某一频率0的噪声信号被放大，成为振荡电路的输出信号。,稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从 回到,9.5 正弦波振荡电路的振荡条件,（1）检查电路组成；,（2）检查放大电路能否实现不失真放大；,（3）判断电路是否满足振荡相位平衡条件（电路是否构成正反馈）；,（4）判断幅值条件是否满足；,（5）估算振荡频率；,4.分析方法和步骤：,9.6 RC正弦波振荡电路,1.电路组成,2.RC串并联选频网络的选
6、频特性,3.振荡电路工作原理,4.稳幅措施,桥式正弦波振荡器（RC串并联正弦波振荡器）,双T网络正弦波振荡器,移相式正弦波振荡器,正弦波振荡电路分类：,9.6RC桥式正弦波振荡电路,基本放大电路,同相放大电路,反馈网络（兼做选频网络）,1电路组成,9.6 RC正弦波振荡电路,反馈系数,2.RC串并联选频网络的选频特性,幅频响应,又,则,相频响应,9.6 RC正弦波振荡电路,当,幅频响应有最大值,相频响应,用瞬时极性法：正反馈,若满足振幅平衡条件,(+),(+),(+),(+),电路输出频率：,RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波,一.相位平衡条件检查,二.幅值平衡条件,
7、要求放大电路电压增益,3振荡电路工作原理,采用非线性元件,4.稳幅措施,热敏元件,热敏电阻,起振时，,即,热敏电阻的作用,9.6 RC正弦波振荡电路,采用非线性元件,4.稳幅措施,场效应管（JFET）,稳幅原理,整流滤波,T 压控电阻,9.6 RC正弦波振荡电路,三.利用二极管非线性(P474),起振时输出vo较小,二极管D1、D2截止,振荡继续vo增加D1或D2导通,稳幅原理,电路仿真,9.6 RC正弦波振荡电路,例题:R=1k，C=0.1F，R1=10k。Rf为多大时才能起振？振荡频率f0=？,AF=1，,A=3,=210=20k,=1592 Hz,起振条件：,电子琴的振荡电路（了解）：,
8、可调,9.7 LC正弦波振荡电路,9.7.1 LC并联谐振回路选频特性,9.7.2 变压器反馈式LC振荡电路,9.7.3 三点式LC振荡电路,9.7.4 石英晶体振荡电路,1.并联谐振回路,9.7.1 LC并联谐振回路选频特性,当 时，,电路谐振。,为谐振频率,谐振时,阻抗最大，且为纯阻性,9.7 LC正弦波振荡电路,2.并联谐振回路频率响应,9.7 LC正弦波振荡电路,由LC并联谐振电路构成选频网络,A.若中间点交流接地，则首端与尾端相位相反。,9.7.3 三点式LC振荡电路,1.三点式LC并联电路,中间点的瞬时电位一定在首、尾端电位之间。,三点的相位关系,B.若首端或尾端交流接地，则其他两
9、端相位相同。,9.7 LC正弦波振荡电路,2.电感三点式电路,9.7 LC正弦波振荡电路,满足相位条件。,振荡频率:,三极管共射放大器,三点的相位关系,3.电容三点式电路,振荡频率：,9.7 LC正弦波振荡电路,满足相位条件。,三极管共射放大器,三点的相位关系,互感线圈的极性判别,磁棒,初级线圈,次级线圈,同极性端,C,L,R,u,i,反馈信号通过互感线圈引出,9.7 LC正弦波振荡电路,例：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。,9.7 LC正弦波振荡电路,Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。,9.7.4 石英晶体振荡电路,1.频率稳定问题,频率稳定度一般由 来衡量,频率偏移量。
10、,振荡频率。,LC振荡电路 Q 数百,石英晶体振荡电路 Q 10000 500000,9.7.4 石英晶体振荡电路,结构,极板间加电场,极板间加机械力,压电效应,交变电压,机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高,当交变电压频率=固有频率时，振幅最大。,压电谐振,9.7 LC正弦波振荡电路,石英晶体振荡电路,等效电路,9.3 LC正弦波振荡电路,3.石英晶体的等效电路与频率特性,等效电路：,（1）串联谐振,频率特性：,晶体等效阻抗为纯阻性,（2）并联谐振,通常,所以,实际使用时外接一小电容Cs,则新的谐振频率为,由于,由此看出,调整,二.石英晶体振荡电路,利用石英晶体的高品质因数的特点，构成
11、LC振荡电路。,1.并联型石英晶体振荡器,石英晶体工作在fs与fp之间，相当一个大电感，与C1、C2组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的Q值很高，可达到几千以上，所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性。,2.并联型石英晶体振荡器,石英晶体工作在fs处，呈电阻性，且阻抗最小，正反馈最强。该电路为电感三点式振荡器。加入石英晶体是利用石英晶体的高Q值，提高振荡频率的稳定性。,9.8 非正弦信号产生电路,9.8.1 电压比较器,9.8.3 锯齿波产生电路,9.8.2 方波产生电路,9.8.1 电压比较器,9.8 非正弦信号产生电路,将一个模拟电压信号与一参考电压相比较，输出一定的高低电平。,运放组成的电
12、路处于非线性状态，输出高低电平,功能：,特性：,运放工作在非线性区的条件：电路中开环工作或引入正反馈！,9.8.1 比较器,9.8 非正弦信号产生电路,运放工作在非线性区的条件：电路中开环工作或引入正反馈！,运放工作在非线性状态的分析方法：若U+U-则UO=+UOM；若U+U-则UO=-UOM。虚断（运放输入端电流=0）注意：此时不能用虚短！,1.单门限电压比较器,9.8.1 比较器,特点：,虚短不成立，可用虚断,运放处于开环状态,当vi vREF时,vo=+voH,当vi vREF时,vo=-vol,9.8 非正弦信号产生电路,门限电压vREF,输入为正负对称的正弦波时，输出波形如图所示。,
13、1.单门限电压比较器,过零比较器:VREF=0V,输入为正负对称的正弦波时，输出为方波。,电压传输特性,用稳压管稳定输出电压,忽略了VD,另：限幅电路使输出电压稳定,稳幅电路的另一种形式：将双向稳压管接在负反馈回路上,R=R,例:如图所示电路,稳压管的稳定电压UZ=6V,输入电压为如图所示三角波,试画出输出电压的波形.,解:Vi0 时,uo=VZ=6V Vi0 时,uo=+VZ=6V,例:图示电路,R1=R2=5k,基准电压VREF=2V,稳压管的稳定电压VZ=5V,输入电压为如图所示三角波,试画出输出电压的波形.,解:,Vi 2V时,Vo=VZ=5VVi 2V时,Vo=+VZ=5V,单限比较
14、器灵敏度高,但抗干扰能力弱。,2、迟滞比较器,特点:电路中使用正反馈,运放处于非线性状态,9.8 非正弦信号产生电路,例:设输入为正弦波,画出输出的波形。,9.8 非正弦信号产生电路,例:图示电路的上下门限电压UT=3V,稳压管的稳定电压UZ=9V,输入电压波形如图所示,试画出输出电压的波形.,解:先画出电压传输特性,抗干扰能力强,1.电路结构,9.4.1方波发生器,下行的迟滞比较器，输出经积分电路再输入到此比较器的输入端。,上下限:,9.4 非正弦信号产生电路,传输特性,2.工作原理：,(1)设 uo=+UOH,此时，输出给C 充电,uc,则：uT+有效,一旦 uc UT+,就 uN uP,
15、在 uc UT+时，,uN uP,uo 立即由UOH跳变成UOL,设uC初始值uC(0+)=0,uo保持+UOH不变,9.4 非正弦信号产生电路,此时，C 经输出端放电,(2)当uo=UOL 时，,uT-_有效,uc达到UT-时，uo跳变,当uo 重新回到UOM 以后，电路又进入另一个周期性的变化。,9.4 非正弦信号产生电路,周期与频率的计算：,f=1/T,9.4 非正弦信号产生电路,周期与频率的计算：,T=T1+T2=2 T2，因正反向充电条件一样T1=T2。,T2阶段uc(t)的过渡过程方程为:,9.8 非正弦信号产生电路,UC()=+UOM,周期与频率的计算：,占空比可调的矩形波发生电
16、路,9.4.3 三角波发生器与锯齿波发生器,组成：施密特触发器，积分器,1 三角波发生器,vN1=vP1时vI(即vO)的阈值,幅度：VO1m=2VZ,T与VZ和运放无关，稳定性好！,周期：t1 t3 恒流充电：,充电速度：,vO1：方波vO：三角波,2 锯齿波发生器,T1：波形线性变化T2：时间短原理：利用三角波发生器原理，使充、放电时间常数不同。可通过改变充放电通路及参数来实现。,vO1：矩形波vO：锯齿波,本章小结,1自激振荡可以使反馈放大器工作不稳定，但我们可以利用产生自激振荡的条件去构成正反馈电路，以产生正弦波振荡。正弦波振荡电路由放大器、反馈网络、选频网络和稳幅环节构成。2正弦波振
17、荡电路主要有RC振荡电路和LC振荡电路两种。RC振荡电路主要用于中低频场合，LC振荡电路主要用于高频场合。石英晶体振荡电路是一种特殊类型的LC振荡电路，其特点是具有很高的频率稳定性。3比较器是一种能够比较两个模拟量大小的电路。由于集成运放的开环电压增益很高，所以，当集成运放工作在开环状态时，可以作为比较器使用。这时，运放工作在非线性状态，其输出电压仅为正负饱和值，输入信号“虚短”的概念也不再成立。迟滞比较器具有回差特性，在信号处理电路中得到了广泛应用。4在方波、锯齿波和三角波等非正弦波信号发生器中，运放一般工作在非线性状态。电路是由积分器、反馈网络、和比较器等环节组成，属于一种弛张振荡电路。这
18、一类电路也得到了广泛的应用。,9.3.2,9.4.1,9.4.2,9.4.3,9.4.4,9.4.5,9.4.9,9.4.10,8.2 电压比较器,电压比较器是对输入信号进行鉴幅与比较的电路，是组成非正弦波发生电路的基本单元电路，在测量和控制中有着相当广泛的应用。本节主要讲述各种电压比较器的特点和电压传输特性，同时阐明其组成特点和分析方法。,8.2.1概述,一、电压比较器的电压传输特性,uo与uI的关系曲线称为电压传输特性,uo发生跃变时的输入电压称为阈值电压或转折电压，记作UT,三要素：1、确定输出电压的高、低电平UOH和UOL;2、求阈值电压UT;3、uI 经过UT 时uO跃变的方向。,二
19、、理想集成运放工作于非线性区,电路中没有引入负反馈（开环或引入的是正反馈），理想运放工作于非线性区。,电压传输特性,因其放大倍数趋于无穷大，所以输出电压只有两种可能：,由于处于线性与非线性状态的运放的分析方法不同，所以分析电路前，首先确定运放工作在线性区还是非线性区。,确定运放工作区的方法：判断电路中有无负反馈。,若有负反馈，则运放工作在线性区；若无负反馈，或有正反馈，则运放工作在非线性区。,处于非线性状态运放的特点：,1.虚短路不成立。2.输入电阻仍可以认为很大。3.输出电阻仍可以认为是0。,三、电压比较器的种类,单限比较器,滞回比较器,窗口比较器,一、过零比较器,8.2.2.单限比较器,电
20、压传输特性,例：利用电压比较器将正弦波变为方波,过零比较器限幅电路,保护二极管,双向稳压管限幅,线性区,I+=I-=0，U+=U-，保护了输入级。提高了输出电压的转换速度。,电压传输特性,例:如图所示电路,稳压管的稳定电压UZ=6V,输入电压为如图所示三角波,试画出输出电压的波形.,解:ui0 时,uo=UZ=6V ui0 时,uo=+UZ=6V,二、一般单限比较器,电压传输特性,uR参考电压,I+=I-=0，写出 u+、u-表达式，令u+=u-，求阈值电压UT;确定输出电压的高、低电平UOH和UOL;根据u+是否大于 u-，确定ui UT 及uiUT 的输出电压值。,电压传输特性,例:图示电
21、路,R1=R2=5k,基准电压UREF=2V,稳压管的稳定电压UZ=5V,输入电压为如图所示三角波,试画出输出电压的波形.,解:,ui 2V时,uo=UZ=5Vui 2V时,uo=+UZ=5V,单限比较器灵敏度高,但抗干扰能力弱。,8.2.3.滞回比较器,滞回比较器灵敏度低,但抗干扰能力强,电压传输特性,例:图示电路的上下门限电压UT=3V,稳压管的稳定电压UZ=9V,输入电压波形如图所示,试画出输出电压的波形.,解:先画出电压传输特性,抗干扰能力强,若要求滞回比较器的上下门限电压均大于0，电路应改进,电压传输特性,例:如图R1=10k,R2=30k,UREF=8V,稳压管的稳定电压UZ=12
22、V.求:上下门限电压并画出电压传输特性,解:,电压传输特性,例8.2.3设计一个电压比较器，使其电压传输特性如图所示，要求所用电阻阻值在20K 100K之间,解:上下门限电压UT=3V,稳压管的稳定电压UZ=6V,UREF=0，信号从同相输入端输入。电路如图所示：,取R1=25K，则R2=50K,取R1=50K，则R2=100K,8.2.4 窗口比较器及其电压传输特性,D1导通，D2截止，uO=+UZ,D1截止，D2导通，uO=+UZ,D1、D2截止，Uo=0,8.3 非正弦波发生电路,几种常见的非正弦波,矩形波,三角波,锯齿波,尖顶波,阶梯波,本节主要讲述模拟电路中常用的矩形波、三角波、锯齿
23、波三种非正弦波发生电路的组成、工作原理、波形分析和主要参数的计算。,uC，当 uC=-UT 时，uO=+UZ，则u+=+UT，uO 通过R3向C充电。,uC，当 uC=+UT 时，uO=-UZ，则u+=-UT，uO 通过R3向C反向充电（放电）。,工作原理：,设初态 uC=u-=0，uO=+UZ，则u+=+UT，uO 通过R3向C充电。,8.3.1、矩形波发生器,由反向输入滞回比较器和RC电路组成,滞回比较器,波形分析及主要参数：,RC电路：起反馈和延迟作用，获得一定的频率。,滞回比较器：起开关作用，实现高低电平的转换。,方波发生器各部分的作用：,周期与频率的计算,f=1/T,占空比可调的矩形
24、波发生电路,积分电路可将方波变为三角波，所以只要将矩形波电路的输出（方波）作为积分电路的输入，在积分电路的输出端就可以得到三角波电压输出。,8.3.2.三角波发生器,此电路要求前后电路的时间常数配合好，不能让积分器饱和。,实用电路一般采用三角波-方波发生电路，可以同时获得三角波信号和方波信号。,工作原理：,A1为同相滞回比较器，输入三角波，输出方波。A2为反相积分电路，输入方波，输出三角波。,周期与频率,正向积分起始值为-UT，终了值为+UT，积分时间T/2,改变三角波发生器中积分电路的充放电时间常数，使放电的时间常数为0，即把三角波发生器转换成了锯齿波发生器。,8.3.3 锯齿波发生器,8.4 利用集成运放实现信号转换电路,8.4.1 电压电流转换电路,利用集成运放接成电压负反馈可获得稳定的输出电压，接成电流负反馈可获得稳定的输出电流，即可实现信号转换。,电流电压转换电路,
