信号处理与信号产生电路

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,9.1 滤波电路的基本概念与分类,1.,基本概念,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：由有源器件和R、C元件构成的滤波器。,滤波电路传递函数定义：,其中：, 模，幅频响应, 相位角，相频响应,9.1 滤波电路的基本概念与分类,2.,分类,高通（HPF）,低通（LPF）,带阻（BEF）,带通（BPF）,9.2 一阶有源滤波电路,传递函数：,故，幅频相应为：,其中：,特征角频率,同相比例放大系数,1.,低通滤波电路,9.2 一阶有源滤波电路,一阶有源滤波电路通带外衰减速率慢（-20dB/十倍频程），与理想情况相差较远。一般用在对滤波要求不高的场合。,2.,高通滤波电路,低通电路中的,R,和,C,交换位置便构成高通滤波电路。,9.3 高阶有源滤波电路,9.3.2 有源高通滤波电路,9.3.3 有源带通滤波电路,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,9.3.1 有源低通滤波电路,9.3.1 有源低通滤波电路,2. 传递函数,对于滤波电路，有：,得滤波电路传递函数,（二阶）,（同相比例）,1. 二阶有源低通滤波电路,2. 传递函数,令,称为,通带增益,称为,特征角频率,称为,等效品质因数,则,滤波电路才能稳定工作。,注意：,2. 传递函数,用 代入，可得传递函数的频率响应：,归一化的幅频响应,相频响应,3. 幅频响应,归一化的幅频响应曲线,4.,n,阶巴特沃斯传递函数,传递函数为,式中,n,为阶滤波电路阶数，,c,为3dB载止角频率，,A,0,为通带电压增益。,9.3.2 有源高通滤波电路,1. 二阶高通滤波电路,将低通电路中的电容和电阻对换，便成为高通电路。,传递函数,归一化的幅频响应,2. 巴特沃斯传递函数及其归一化幅频响应,归一化幅频响应,9.3.3 有源带通滤波电路,1. 电路组成原理,可由低通和高通串联得到,必须满足,低通截止角频率,高通截止角频率,2. 例,9.3.3 有源带通滤波电路,3. 二阶有源带通滤波电路,令,传递函数,得,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,可由低通和高通并联得到,必须满足,双T选频网络,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,双T带阻滤波电路,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,阻滤波电路的幅频特性,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,*9.4 开关电容滤波器,不作要求,9.5 正弦波振荡电路的振荡条件,正反馈放大电路框图,（注意与负反馈方框图的差别）,1.,振荡条件,若环路增益,则,去掉,仍有稳定的输出。,又,所以振荡条件为,振幅平衡条件,相位平衡条件,起振条件,2.,起振和稳幅,#,振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？,电路器件内部噪声以及电源接通扰动,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,放大电路（包括负反馈放大电路）,3.,振荡电路基本组成部分,反馈网络（构成正反馈的）,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,9.6,RC,正弦波振荡电路,1.,电路组成,2.,RC,串并联选频网络的选频特性,3.,振荡电路工作原理,4.,稳幅措施,1.,电路组成,反馈网络兼做选频网络,RC,桥式振荡电路,反馈系数,2.,RC,串并联选频网络的选频特性,幅频响应,又,且令,则,相频响应,2.,RC,串并联选频网络的选频特性,当,幅频响应有最大值,相频响应,3.,振荡电路工作原理,此时若放大电路的电压增益为,用瞬时极性法判断可知，电路满足相位平衡条件,则振荡电路满足振幅平衡条件,当,时，,电路可以输出频率为 的正弦波,RC,正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波,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,稳幅,采用非线性元件,4.,稳幅措施,场效应管（,JFET,）,稳幅原理,稳幅,整流滤波,T 压控电阻,可变电阻区，斜率随,v,GS,不同而变化,采用非线性元件,二极管,稳幅原理,稳幅,起振时,4.,稳幅措施,稳幅环节,9.7,LC,正弦波振荡电路,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,9.7.1,LC,选频放大电路,9.7.1,LC,选频放大电路,等效损耗电阻,一般有,则,当 时，,电路谐振。,为谐振频率,谐振时,阻抗最大，且为纯阻性,其中,为品质因数,同时有,即,1. 并联谐振回路,9.7.1,LC,选频放大电路,阻抗频率响应,（a）幅频响应 （b）相频响应,9.7.1,LC,选频放大电路,2. 选频放大电路,9.7.2 变压器反馈式,LC,振荡电路,虽然波形出现了失真，但由于,LC,谐振电路的,Q,值很高，选频特性好，所以仍能选出,0,的正弦波信号。,1. 电路结构,2. 相位平衡条件,3. 幅值平衡条件,4. 稳幅,5. 选频,通过选择高,增益的场效应管和调整变压器的匝数比，可以满足,使电路可以起振。,BJT进入非线性区，波形出现失真，,从而幅值不再增加，达到稳幅目的。,（定性分析）,9.7.3 三点式,LC,振荡电路,仍然由,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。,1. 三点式,LC,并联电路,中间端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,端相位相同。,9.7.3 三点式,LC,振荡电路,2. 电感三点式振荡电路,电路振荡的振荡频率为：,或,9.7.3 三点式,LC,振荡电路,3. 电容三点式振荡电路,电路振荡的振荡频率为：,或,9.7.4 石英晶体振荡电路,Q,值越高，选频特性越好，频率越稳定。,1. 频率稳定问题,频率稳定度一般由 来衡量,频率偏移量。,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,2. 石英晶体的基本特性与等效电路,结构,极板间加电场,极板间加机械力,晶体机械变形,晶体产生电场,压电效应,交变电压,机械振动,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,等效电路,A. 串联谐振,特性,晶体等效阻抗为纯阻性,B. 并联谐振,通常,所以,9.7.4 石英晶体振荡电路,2. 石英晶体的基本特性与等效电路,（a）代表符号 （b）电路模型 （c）电抗-频率响应特性,9.7.4 石英晶体振荡电路,2. 石英晶体的基本特性与等效电路,实际使用时外接一小电容,C,s,则新的谐振频率为,由于,由此看出,调整,利用石英晶体的高品质因数的特点，构成,LC,振荡电路，如图所示。,(a)串联型,f,0,=,f,s,（b）并联型,f,s,f,0,0 时，,v,Omax,= +,V,CC,v,I,0 时，,v,Omax,= -,V,EE,（过零比较器）,运算放大器工作在非线性状态下,9.8.1 电压比较器,特点：,1.,单门限电压比较器,（1）过零比较器,开环，,虚短,不成立,增益,A,0,大于10,5,输入为正负对称的正弦波时，输出为方波。,电压传输特性,9.8.1 电压比较器,1.,单门限电压比较器,（2）,门限电压不为,零的比较器,电压传输特性,（门限电压为,V,REF,）,9.8.1 电压比较器,1.,单门限电压比较器,（2）,门限电压不为,零的比较器,（门限电压为,V,REF,）,(a),V,REF,0时,(b),V,REF,2V时,(c),V,REF,4V时,v,I,为峰值,6V,的三角波，设,V,CC,12V,，运放为理想器件。,解：,例,图示为另一种形式的单门限电压比较器，试求出其门限电压(阈值电压),V,T,，画出其电压传输特性。设运放输出的高、低电平分别为,V,OH,和,V,OL,。,利用叠加原理可得,理想情况下，输出电压发生跳变时对应的,v,P,v,N,0，即,门限电压,单门限比较器的抗干扰能力,应为高电平,错误电平,9.8.1 电压比较器,2.,迟滞比较器,（1）,电路组成,（2）,门限电压,门限电压,上门限电压,下门限电压,回差电压,9.8.1 电压比较器,2.,迟滞比较器,（3）,传输特性,解：,（1）门限电压,（3）,输出电压波形,例,电路如图所示，试求门限电压，画出传输特性和图c所示输入信号下的输出电压波形。,（2）传输特性,通过上述几种电压比较器的分析，可得出如下结论：,（1）用于电压比较器的运放，通常工作在开环或正反馈状态和非线性区，其输出电压只有高电平,V,OH,和低电,V,OL,两种情况。,（2）一般用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数关系。,（3）电压传输特性的关键要素,输出电压的高电平,V,OH,和低电平,V,OL,门限电压,输出电压的跳变方向,令,v,P,v,N,所求出的,v,I,就是门限电压,v,I,等于门限电压时输出电压发生跳变,跳变方向取决于是同相输入方式还是反相输入方式,9.8.1 电压比较器,3. 集成电压比较器,集成电压比较器与集成运算放大器比较：,开环增益低、失调电压大、共模抑制比小，灵敏度往往不如用集成运放构成的比较器高。,但集成电压比较器中无频率补偿电容，因此转换速率高，改变输出状态的典型响应时间是30200ns。,相同条件下,741集成运算放大器的响应时间为30,s,左右。,9.8.2 方波产生电路,1. 电路组成（多谐振荡电路）,稳压管双向限幅,9.8.2 方波产生电路,2. 工作原理,由于迟滞比较器中正反馈的作用，电源接通后瞬间，输出便进入饱和状态。,假设为正向饱和状态,3. 占空比可变的方波产生电路,9.8.2 方波产生电路,9.8.3 锯齿波产生电路,同相输入迟滞比较器,积分电路,充放电时间常数不同,9 信号处理与信号产生电路,9.1 滤波电路的基本概念与分类,9.3 高阶有源滤波电路,*9.4 开关电容滤波器,9.5 正弦波振荡电路的振荡条件,9.2 一阶有源滤波电路,9.6 RC正弦波振荡电路,9.7 LC正弦波振荡电路,9.8 非正弦信号产生电路,