信号处理与产生电路.ppt

第九章信号处理与产生电路 对你的期望 2 掌握正弦波振荡的相位平衡条件 幅值平衡条件 3 掌握RC正弦波振荡电路的工作原理 起振条件 5 掌握单门限电压比较器和迟滞比较器的工作原理 第九章信号处理与产生电路 4 掌握RC正弦波振荡电路的稳幅原理及振荡频率的计算 6 理解方波发生器的工作原理 1 熟悉有源滤波电路的工作原理及输入输出关系 9 5正弦波振荡电路的振荡条件 9 6RC正弦波振荡电路 9 7LC正弦波振荡电路 9 8非正弦信号产生电路 第九章信号处理与产生电路 9 1滤波电路的基本概念与分类 9 2一阶有源滤波电路 9 3高阶有源滤波电路 9 4开关电容滤波器 9 1滤波电路的基本概念与分类 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 5正弦波振荡电路的振荡条件 9 6RC正弦波振荡电路 9 7LC正弦波振荡电路 9 8非正弦信号产生电路 第九章信号处理与产生电路 9 1滤波电路的基本概念与分类 9 2一阶有源滤波电路 9 3高阶有源滤波电路 9 4开关电容滤波器 9 2 1一阶RC低通滤波器 无源 9 2一阶有源滤波电路 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 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 9 2 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幅频响应 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幅频响应 低通特征角频率 高通特征角频率 必须满足 9 5正弦波振荡电路的振荡条件 9 6RC正弦波振荡电路 9 7LC正弦波振荡电路 9 8非正弦信号产生电路 第九章信号处理与产生电路 9 1滤波电路的基本概念与分类 9 2一阶有源滤波电路 9 3高阶有源滤波电路 9 4开关电容滤波器 一 压控电压源低通滤波电路 1 压控电压源电路 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 AVF 3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 AVF 3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 5正弦波振荡电路的振荡条件 9 6RC正弦波振荡电路 9 7LC正弦波振荡电路 9 8非正弦信号产生电路 第九章信号处理与产生电路 9 1滤波电路的基本概念与分类 9 2一阶有源滤波电路 9 3高阶有源滤波电路 9 4开关电容滤波器 自学 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 4 分析方法和步骤 1 振荡条件 幅值平衡条件 相位平衡条件 n为整数 1 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 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 起振条件 3 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 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 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 5正弦波振荡电路的振荡条件 9 6RC正弦波振荡电路 9 7LC正弦波振荡电路 9 8非正弦信号产生电路 第九章信号处理与产生电路 9 1滤波电路的基本概念与分类 9 2一阶有源滤波电路 9 3高阶有源滤波电路 9 4开关电容滤波器 9 6RC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 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 6RC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 6RC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1MHz的正弦波 一 相位平衡条件检查 二 幅值平衡条件 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 6RC正弦波振荡电路 利用二极管非线性 P401 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 6RC正弦波振荡电路 例题 R 1k C 0 1 F R1 10k Rf为多大时才能起振 振荡频率f0 AF 1 A 3 2 10 20k 1592Hz 起振条件 电子琴的振荡电路 了解 使R2 R1 AF 1 可调 A 2 RF1 RF2 Rf 9 5正弦波振荡电路的振荡条件 9 6RC正弦波振荡电路 9 7LC正弦波振荡电路 9 8非正弦信号产生电路 第九章信号处理与产生电路 9 1滤波电路的基本概念与分类 9 2一阶有源滤波电路 9 3高阶有源滤波电路 9 4开关电容滤波器 9 7LC正弦波振荡电路 9 7 1LC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 1LC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 7LC正弦波振荡电路 2 并联谐振回路频率响应 9 7LC正弦波振荡电路 9 7 2变压器反馈式LC振荡电路 1 电路组成 9 7 2变压器反馈式LC振荡电路 2 起振条件和振荡频率 次级L1上的电压与的关系可用互感M来描述 即 故电路的环路增益为 根据产生振荡的振荡条件 1 9 7 2变压器反馈式LC振荡电路 2 起振条件和振荡频率 谐振时 因此电路起振条件为 式中 R 为LC谐振回路的总的损耗等效电阻 包括变压器次级的折合电阻 由前面的分析可知 只有在谐振频率f0时 电路才满足振荡条件 因此电路的振荡频率就是LC并联回路的谐振频率 设回路的损耗很小 Q值较高 则 9 7 2变压器反馈式LC振荡电路 2 起振条件和振荡频率 9 7 2变压器反馈式LC振荡电路 3 振荡的建立与稳定 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 则其他两端相位相同 2 电感三点式电路 9 7LC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 7LC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 7LC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 7LC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 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 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 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 4 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 5正弦波振荡电路的振荡条件 9 6RC正弦波振荡电路 9 7LC正弦波振荡电路 9 8非正弦信号产生电路 第九章信号处理与产生电路 9 1滤波电路的基本概念与分类 9 2一阶有源滤波电路 9 3高阶有源滤波电路 9 4开关电容滤波器 9 8非正弦信号产生电路 9 8 1比较器 9 8 3锯齿波产生电路 9 8 2方波产生电路 单门限电压比较器 迟滞比较器 电压比较器的功能 电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小 当两者幅度相等时输出电压产生跃变 由高电平变成低电平 或者由低电平变成高电平 由此来判断输入信号的大小和极性 用途 数模转换 数字仪表 自动控制和自动检测等技术领域 以及波形产生及变换等场合 运放工作在开环状态或引入正反馈 9 8 1电压比较器 理想运放工作在饱和区的特点 1 输出只有两种可能 Uo sat 或 Uo sat 当u u 时 uo Uo sat u u 时 uo Uo sat 不存在 虚短 现象2 i i 0仍存在 虚断 现象 电压传输特性 电压传输特性 Uo sat Uo sat 运放处于开环状态 1 基本电压比较器 阈值电压 门限电平 输出跃变所对应的输入电压 当u u 时 uo Uo sat u u 时 uo Uo sat 即uiUR时 uo Uo sat 可见 在ui UR处输出电压uo发生跃变 参考电压 单限电压比较器 当ui单方向变化时 uo只变化一次 ui UR uo Uo sat ui UR uo Uo sat 输入信号接在反相端 输入信号接在同相端 输入信号接在反相端 输入信号接在同相端 2 输出带限幅的电压比较器 设稳压管的稳定电压为UZ 忽略稳压管的正向导通压降则uiUR uo UZ uiUR时 uo Uo sat 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 3 过零电压比较器 利用电压比较器将正弦波变为方波 电压比较器在数据检测 自动控制 超限控制报警和波形发生等电路中得到广泛应用 4 迟滞比较器 特点 电路中使用正反馈 运放处于非线性状态 例 设输入为正弦波 画出输出的波形 例题 R1 10k R2 20k UOM 12V UR 9V当输入ui为如图所示的波形时 画出输出uo的波形 上下限 10V 2V 加上参考电压后的迟滞比较器 上下限 R1 10k R2 20k UZ 12V UREF 9V 9 8非正弦信号产生电路 9 8 1比较器 9 8 3锯齿波产生电路 9 8 2方波产生电路 单门限电压比较器 迟滞比较器 1 电路结构 9 8 2方波产生电路 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 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 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 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 周期与频率的计算 f 1 T 此期间是分析问题时的假设 实际上用示波器观察波形时看不到这段波形 周期与频率的计算 T T1 T2 2T2 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 UC UOM 周期与频率的计算 9 8非正弦信号产生电路 9 8 1比较器 9 8 3锯齿波产生电路 9 8 2方波产生电路 单门限电压比较器 迟滞比较器 9 8 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