《滤波器振荡器》PPT课件

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,*,*,*,7.3,有源滤波电路,一般情况滤波电路均处于主系统的前级，用它来作信号处理、抑制干扰等。按所处理的信号是连续变化还是离散的，可分为模拟滤波电路和数字滤波电路,。,由有源器件和RC滤波网络组成的有源滤波电路。与无源滤波器相比较，有源滤波器有许多优点。,它不使用电感元件，故体积小，质量小，也不必磁屏蔽。,有源滤波电路中的集成运放可加电压串联深度负反馈，电路的输入阻抗高，输出阻抗低，输入与输出之间具有良好的隔离。,除了滤波作用外，还可以放大信号，而且，调节电压放大倍数不影响滤波特性。,有源滤波电路的缺点主要是，因为通用型集成运放的带宽较窄，故有源滤波电路不宜用于高频范围，一般使用频率在几十千赫兹以下，也不适合在高压或大电流条件下应用。,一、滤波电路的基本概念,滤波器是一种选频电路。它能使指定频率范围内的信号顺利通过；而对其他频率的信号加以抑制，使其衰减很大。,滤波电路通常根据信号通过的频带来命名。,低通滤波电路(LPF)允许低频信号通过，将高频信号衰 减；,高通滤波电路(HPF)允许高频信号通过，将低频信号衰减；,带通滤波电路(BPF)允许某一频段内的信号通过，将此频段之外的信号衰减；,带阻滤波电路(BEF)阻止某一频段内的信号通过，而允许此频段之外的信号通过；,全通滤波电路(APF)没有阻带，信号全通，但相位变化。,它们的理想幅频特性如图7-43所示。,图7-43 五种滤波电路的理想幅频特性,(a)LPF;(b)HPF;(c)BPF;(d)BEF;(e)APF,对于幅频响应，通常把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把受阻或衰减的信号频率范围称为阻带，通带和阻带的界限频率叫做截止频率。,图7-44 低通滤波电路的幅频特性,以低通滤波电路为例，滤波电路的输出电压,与输入电压,之比称为电压传递系数，即,图中，,A,up是通带电压放大倍数。对于低通滤波电路而言，即为,f,=0时输出电压与输入电压之比。当 下降到|,A,up|的0.707(即下降3dB)时，对应的频率,fp,称为通带截止频率。,二、高通滤波电路HPF与低通滤波电路LPF,的对偶关系,RC低通和高通滤波电路示于图7-45,。,图7-45 RC无源滤波电路及其幅频特性,(a)LPF (b)HPF,图7-45(a)中LPF的传递函数为,图7-45(b)中HPF的传递函数为,以上两式中,称为RC电路,的特征频率。,通带截止频率,基于上述分析，可总结出HPF与LPF的对偶关系,1.幅频特性对偶性,如果图7-45中HPF与LPF的R、C参数相同，则通带截止频率,f,p,相同，那么，HPF与LPF的幅频特性以垂直线,f,=,f,p,为对称，两者随频率的变化是相反的，即在,f,p,附近，HPF的|,u,|,随频率升高而增大，LPF的|,u,|随频率升高而减小。,2.传递函数的对偶性,如果将LPF传递函数中的,s,换成 并对其系数作一些调整，则变成了相应的HPF的传递函数。,3.电路结构上的对偶性,将LPF电路中起滤波作用的C换成R，R换成C，即R与C互换位置，就转换成了相应的HPF，其示意图如图7-46所示。,图7-46 HPF与LPF,的结构对偶关系,三、低通有源滤波电路(LPF),(一)一阶RC有源低通滤波电路,一阶有源LPF电路如图7-47所示。,图7-47 一阶LPF电路,1.通带电压放大倍数,LPF的通带电压放大倍数,A,up,是指,f,=0时输出电压,U,o,与输入电压,U,i,之比。对于直流信号而言，图7-47电路中的电容视为开路。因此，,A,up,就是同相比例电路的电压放大倍数,A,uf,，即,它的主要性能分析如下。,2.电压传递函数,(7-53),(7-54),3.幅频特性及通带截止频率,将式(7-54)中的,s,换成,j,，并令,0,=2,f,0,=(,f,0,与元件参数有关，称为特征频率)，可得,(7-55),第八章 信号发生电路,信号发生电路又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频(高频)发射，这里的射频波就是载波，把音频(低频)、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频信号的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声波焊接、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。,振荡电路按波形分为正弦波和非正弦波振荡器两大类。非正弦信号(方波、矩形波、三角波、锯齿波等)发生器在测量设备、数字系统及自动控制系统中有着广泛应用。,本章首先讨论正弦波振荡的条件、组成及分析方法，具体分析了常用的RC和LC正弦波振荡器；简单介绍了石英晶体振荡器的工作原理和特点。之后，又介绍了常见的方波、矩形波、三角波和锯齿波非正弦振荡器。,8.1 概 述,一、产生正弦波振荡的条件,一般采用正反馈方法产生正弦波振荡，其方框图如图8-1所示。它由一个放大器(电压增益为)和一个反馈网络(反馈系数为 )接在一起构成。如果开关K先接在1端，将正弦波电压,输入到放大电路后，则输出正弦波电压,。再立即将开关K接到2端，使输入信号为反馈电压 ，如果要维持输出电压 不变，则必须使 ，此时即使没有外加的,，也能稳定地输出,。,图8-1 由放大到振荡的示意框图,因此，维持振荡器输出等幅振荡的平衡条件为 由 ，得到,(8-1),由于放大器电压增益 ,反馈网络的反馈系数 ,式(8-1)可写为,(8-2),于是，可得到产生自激振荡两个平衡条件。,(一)相位平衡条件,(8-3),式中n=0,1,2,。说明产生振荡时，反馈电压的相位与所需输入电压的相位相同，即形成正反馈。因此，由相位平衡条件可确定振荡器的振荡频率。,(二)振幅平衡条件,(8-4),说明反馈电压的大小与所需的输入电压相等。满足 时产生等幅振荡；当 时，即 ，振荡输出愈来愈大产生增幅振荡，若 即 ，振荡输出愈来愈小直到最后停振，称为减幅振荡。,(三)起振幅度条件,正弦波振荡从起振到稳态需要一个过程。起振开始瞬间，如果反馈信号太小(或为零)，则输出信号也太小(或为零)，容易受到某种干扰而停振或者干脆振不起来。,只有当 时，经过多次循环放大，输出信号才会从小到大，最后达到稳幅状态。因此，起振的幅度条件是,(8-5),若起振幅度条件及相位条件均已满足，电路就能振荡。那么，起振的原始信号是从哪儿来的呢?它是来源于合闸时引起PN结骚动及电路中产生的噪声，其频谱很宽，总可选出某一频率为,f,0,的信号作为起振的原始信号使电路振荡。所以信号源不需要外加信号，靠自身工作。,f,0,称振荡频率。起振过程如图8-2(b)所示。,二、正弦波振荡电路的组成和分析方法,(一)基本组成部分,正弦波振荡电路一般由四个部分组成，除了把放大电路和反馈网络接成正反馈外，还包括选频网络和稳幅环节。放大电路部分由集成运放或者分立元件电路构成。,1.放大电路,应有合适的静态工作点，以保证放大电路有放大作用。,2.反馈网络,它的作用是形成正反馈，以满足相位平衡条件。,3.选频网络,其作用是使只有一个频率满足振荡条件，以产生单一频率的正弦波。选频网络与反 馈网络可以单独构成，也可以合二为一。当二者结合在一起时，同一个网络既起反馈作用，又起选频作用。用RC元件组成选频网络的振荡电路称为RC正弦波振荡电路；用LC元件组成选频网络的振荡电路称为LC正弦波振荡电路。,4.稳幅环节,如果电路满足了起振条件，那么，在接通直流电源后，它的输出信号将随时间逐渐增大。由于管子具有非线性特性，将使输出波形失真。稳幅环节的作用就是使 达到 的稳定状态，使输出信号幅度稳定，且波形良好。,用瞬时极性法来判断一个电路能否起振，幅度条件容易满足，关键是看相位条件是否满足，其分析步骤如下。,(二)分析方法,1.分析相位平衡条件是否满足,先检查放大电路是否正常放大，即放大电路 、反馈网络 及选频网络三个组成部分是否均存在，而且放大电路具有合适的静态工作点。在放大电路具有放大作用的条件下，断开反馈信号到基本放大电路的输入端点处，如图8-2(a)中的K点；在断开处对地之间加入一个输入信号 ；用瞬时极性法判别反馈信号 是否与输入信号 同相位。若二者相位相同，说明已满足相位平衡条件，再继续检查幅度平衡条件是否满足；若二者反相位，说明不满足相位平衡条件，可以断定电路不可能振荡，无需再检查幅度平衡条件了。,图8-2 振荡电路的方块图,2.分析幅度平衡条件是否满足,因是频率的函数，在满足相位平衡条件时，将,f,=,f0,代入,表达式有三种情况,(1)不可能振荡。,(2)能振荡。但需加稳幅环节，否则输出波形严重失真。,(3)能振荡。达到稳幅后,。,若电路不满足幅度平衡条件时，只需调节电路参数使之满足。,3.求振荡频率,f0,和起振条件,满足相位平衡条件的频率就是振荡频率,f0,，也就是选频网络的固有频率。而起振条件由 结合具体电路求得，通过实际电路调试均可满足起振条件，一般不必计算。下面结合具体电路分析。,8.2 RC正弦波振荡电路,常见的RC正弦波振荡电路是RC串并联网络正弦波振荡电路，又称文氏桥正弦波振荡电路。,图8-3 RC文氏桥振荡电路,一、电路原理图,文氏桥振荡电路如图8-3所示。它由两部分组成：即放大电路 和选频网络 。由集成运放组成的电压串联负反馈放大电路，取其输入电阻高、输出电阻低的特点。,由,Z1、Z2,组成，同时兼作正反馈网络，称为RC串并联网络。由图8-3可知，,Z1、Z2,和,Rf,、,R3,正好构成一个电桥的四个臂，电桥的对角线顶点接到放大电路的两个输入端。因此得名文氏桥振荡电路。,二、RC串并联网络的选频特性,反馈系数,图8-4 RC串并联网络,令,（8-7）,所以振荡频率,（8-8）,将图8-3中的RC串并联网络单独画于图8-4，着重讨论它的选频特性。为了便于调节振荡频率，常取,R1,=,R2,=,R,C1,=,C2,=,C,。设,幅值,（8-11）,（8-9）,或,（8-10）,将式(8-7)代入(8-6)得,幅频特性,当 时，为最大，且,（8-12）,当 时，；,当,时，；,(a)幅频特性,(b)相频特性,图8-5 RC串并联网络的频率特性,相频特性 (8-13),当 画成曲线如图8-5所示。,综上分析，当 时，幅值最,大，,相移为零，即,F,=0。,这就是说，当 时，,反馈电压 幅值最大，并且是输入电压的1/3,同时与输入电压同相位。,三、RC桥式正弦波振荡电路分析,(一)相位条件,因为为同相输入运放，与同相位 ，所以 ；再由图8-5(b)知，当 时,；总之，满足相位平衡条件。,(二)幅度条件,由 得出。因为 ,所以 。又由稳幅环节,与,R3,构成电压串联负反馈，在深度负反馈条件下，所以,(8-14),由于电阻值的实际值存在误差，常需通过试验调整。,需要注意的是：,A,uf,3是指,A,uf,略大于3。若,A,uf,远大于3，则因振幅的增大，致使放大器件工作到非线性区，输出波形将产生严重的非线性失真。而,A,uf,小于3时，则因不满足幅值条件而不能振荡。,(,三)振荡的建立与稳定,由于电路中存在噪声(电阻的热噪声、三极管的噪声等)，它的频谱分布很广，其中包含 这样的频率成分。这个微弱信号经过放大正反馈选频放大，开始时由于 ，输出幅度逐渐增大，表示电路已经起振，最后受到放大器件非线性特性的限制，振荡幅度自动稳定下来，达到平衡状态，并在 频率上稳定地工作。,(四)估算振荡频率,(五)稳幅措施,因为图8-3电路中的放大电路是集成运放组成的，它的输出电阻可视为零，输入电阻很大，可忽略对选频网络的影响。因此，振荡频率即为RC串并联网络的 。调节R和C就可以改变振荡频率。,为了进一步改善输出电压幅度的稳定性，可以在负反馈回路中采用非线性元件，自动调整反馈的强弱，以更好地维持输出电压幅度的稳定。例如，在图8-3中用一个温度系数为负的热敏电阻代替反馈电阻,R,f。当输出电压 增加时，通过负反馈支路的电流 也随之增