模拟电子技术简明教程第三版(杨素行)第8章-信号处理电路

1、第八章第八章信号处理电路信号处理电路8.1有源滤波器有源滤波器8.2电压比较器电压比较器第八章：第八章： 信号处理电路信号处理电路本章重点和考点：本章重点和考点：1、有源一阶、二阶低通滤波电路的分析及参数设计、有源一阶、二阶低通滤波电路的分析及参数设计3、集成电压比较器的应用、集成电压比较器的应用2.电压比较器的传输特性电压比较器的传输特性第八章：第八章： 信号处理电路信号处理电路8.1有源滤波器有源滤波器8.1.1滤波电路的作用和分类滤波电路的作用和分类作用：选频。作用：选频。对频率进行选择对频率进行选择,过滤掉噪声和干扰信号，过滤掉噪声和干扰信号，保留下有用信号。保留下有用信号。 分类：分

2、类：f0fuAlg20O通通阻阻fuAlg20f0O通通阻阻f1fuAlg20O通通通通 阻阻f2fuAlg20O通通阻阻阻阻f1f2低通滤波器低通滤波器高通滤波器高通滤波器带通滤波器带通滤波器带阻滤波器带阻滤波器图图 8.1.1第八章：第八章： 信号处理电路信号处理电路 滤波器的用途滤波器的用途 滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。一些较高频率成分的干扰。第八章：第八章： 信号处理电路信号处理电路实际滤波器的幅频特性实际滤波器的幅频特性低通滤波器的实际幅

3、频低通滤波器的实际幅频特性中，在特性中，在通带通带和和阻带阻带之间存在着之间存在着过渡带过渡带。过渡带愈窄，电路的选择性愈好，滤波特性愈理想。过渡带愈窄，电路的选择性愈好，滤波特性愈理想。Au0.707AuP的频率为的频率为通带载止频率通带载止频率f0输出电压与输入电压之比输出电压与输入电压之比Aup为为通带放大倍数通带放大倍数分析滤波电路分析滤波电路，就是求解电路的频率特性，即求解就是求解电路的频率特性，即求解Au (Aup ) 、 f0和过渡带的斜率和过渡带的斜率 。低通滤波器的实际幅频特性低通滤波器的实际幅频特性f0第八章：第八章： 信号处理电路信号处理电路8.1.2低通滤波器低通滤波器

4、( (LPF) )无源低通滤波器：无源低通滤波器：电压放大倍数为电压放大倍数为0ioj11ffUUAu RCf 210通带截止频率通带截止频率由对数幅频特性知，具有由对数幅频特性知，具有“低通低通”的特性。的特性。电路缺点：电路缺点：电压放大倍数低，最大只有，且带负载能力差。电压放大倍数低，最大只有，且带负载能力差。 解决办法解决办法：利用集成运放与：利用集成运放与 RC 电路组成有源滤波器。电路组成有源滤波器。图图 8.1.2第八章：第八章： 信号处理电路信号处理电路一阶低通有源滤波器：一阶低通有源滤波器：0p01Fioj1j11ffAffRRUUAuu 电压放大倍数电压放大倍数1Fp1RR

5、Au 通带电压放大倍数通带电压放大倍数可见：一阶低通有源滤波器与无源低通滤波器的可见：一阶低通有源滤波器与无源低通滤波器的通带通带截止频率相同截止频率相同；但；但通带电压放大倍数得到提高通带电压放大倍数得到提高。缺点：缺点：一阶低通有源滤波器在一阶低通有源滤波器在 f f 0 时，滤波特性不时，滤波特性不理想。对数幅频特性下降速度为理想。对数幅频特性下降速度为 - -20 dB / 十倍频。十倍频。 解决办法解决办法：采用二阶低通有源滤波器。：采用二阶低通有源滤波器。图图 8.1.3第八章：第八章： 信号处理电路信号处理电路输入电压经过两级输入电压经过两级 RC 低低通电路，在高频段，对数幅频

6、通电路，在高频段，对数幅频特性以特性以 - -40 dB /十倍频的速度十倍频的速度下降，使滤波特性比较接近于下降，使滤波特性比较接近于理想情况。理想情况。020p2ppio1j)(1)j ()j3(1ffQffARCRCAAUUAuuuu - - - - 1Fp1RRAu RCf 210p31uAQ- - 图图 8.1.4二阶低通有源滤波器二阶低通有源滤波器（压控电压源型）（压控电压源型）第八章：第八章： 信号处理电路信号处理电路0.1dB/plg20AuAu-40-20-00ff11020dB/十倍频十倍频40dB/十倍频十倍频一阶、二阶低通有源滤波电路幅频特性的比较：一阶、二阶低通有源滤

7、波电路幅频特性的比较：理想特性理想特性图图 8.1.5低通滤波器的幅频特性低通滤波器的幅频特性问题：如何进一步改善滤波特性？问题：如何进一步改善滤波特性？第八章：第八章： 信号处理电路信号处理电路8.1.3高通滤波器高通滤波器( (HPF) )RCf 210其通带截止频率：其通带截止频率：无源高通滤波器如下图所示。无源高通滤波器如下图所示。图图 8.1.6无源高通滤波器无源高通滤波器第八章：第八章： 信号处理电路信号处理电路ffQffARCRCAARCUUAuuuu020p2pp2io1j)(1)j ()j3(1)j ( - - - - - 可见高通滤波电路与低通滤波电路的对数幅频特性互可见高

8、通滤波电路与低通滤波电路的对数幅频特性互为为“镜像镜像”关系。关系。二阶有源高通滤波器二阶有源高通滤波器（压控电压源型）（压控电压源型）图图 8.1.7 第八章：第八章： 信号处理电路信号处理电路8.1.4带通滤波器带通滤波器( (BPF) )只允许某一段频带内的信号通过，将此频带以外的信只允许某一段频带内的信号通过，将此频带以外的信号阻断。号阻断。低通低通高通高通iUoUf2fuAlg20O低通低通fuAlg20f1O高通高通阻阻阻阻f2f1fuAlg20O通通图图 8.1.8第八章：第八章： 信号处理电路信号处理电路带通滤波器的典型电路带通滤波器的典型电路)(j1)( j)3(00p00o

9、offffQAffffAAAuuuu- - - - RCf 210ooop3uuuuQAAAA - - 1Fo1RRAu o31uAQ- - 中心频率中心频率通带电压放大倍数通带电压放大倍数图图 8.1.9比例系数比例系数第八章：第八章： 信号处理电路信号处理电路8.1.5带阻滤波器带阻滤波器( (BEF) )在规定的频带内，信号被在规定的频带内，信号被阻断，在此频带以外的信号能阻断，在此频带以外的信号能顺利通过。顺利通过。低通低通高通高通iUoUf2f1fuAlg20O通阻通通阻通fuAlg20O低通低通f1f2fuAlg20O高通高通图图 8.1.10第八章：第八章： 信号处理电路信号处理

10、电路带阻滤波器的典型电路带阻滤波器的典型电路p0p2020)2(j2)(1)(1uuuAffAffffA- - - - - RCf 2101Fp1RRAu )2( 21p0uABfQ- - 中心频率中心频率通带电压放大倍数通带电压放大倍数2200p1j1ffffQAAuu-图图 8.1.110p12)2 ( 2fAffBu-阻带宽度阻带宽度第八章：第八章： 信号处理电路信号处理电路复习：复习：滤波电路滤波电路LPF、HPF、BPF和和BEF无源、有源无源、有源(集成运放工作在线性区集成运放工作在线性区)一阶、二阶一阶、二阶(可改善滤波特性可改善滤波特性)重点掌握一、二阶重点掌握一、二阶LPF和

11、和HPF电路的电路的概念和滤波特性概念和滤波特性)1Fp1RRAu RCf 210p31uAQ- - 第八章：第八章： 信号处理电路信号处理电路8.2电压比较器电压比较器电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考电压电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考电压进行比较，输出只有两种可能的状态：高电平或低电平。进行比较，输出只有两种可能的状态：高电平或低电平。比较器中的集成运放一般工作在比较器中的集成运放一般工作在非线性区非线性区；处于开处于开环状态或引入正反馈。环状态或引入正反馈。分类：过零比较器、单限比较器、滞回比较器及双分类：过零比较器、单限比较器、滞回比较器及双限比较器。限比较器。第八章：

12、第八章： 信号处理电路信号处理电路附：理想运放的非线性工作区附：理想运放的非线性工作区+UOPPuOu+- -u- -O- -UOPP理想特性理想特性集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性第八章：第八章： 信号处理电路信号处理电路理想运放工作在非线性区特点：理想运放工作在非线性区特点：当当 u+ u-时，时，uO = + UOPP当当 u+ u- -时时, uO = - - UOPP1. uO 的值只有两种可能的值只有两种可能在非线性区内，在非线性区内，( (u+ - - u- -) )可能很大，即可能很大，即 u+ u- -。 “虚地虚地”不存在不存在2. 理想运放的输入电流等于零理想

13、运放的输入电流等于零0_ii运放工作在非线性区的条件：运放工作在非线性区的条件：电路开环工作或引入正反馈！电路开环工作或引入正反馈！第八章：第八章： 信号处理电路信号处理电路8.2.1过零比较器过零比较器简单的过零比较器简单的过零比较器当当 uI 0 时，时，uO = - - UOPP ；过零比较器的过零比较器的传输特性传输特性为：为：uIuO+UOpp- -UOppOUOPP 为集成运放的最大输出电压。为集成运放的最大输出电压。阈值电压（门限电压）阈值电压（门限电压）：当比较器的输出电压由一种状态跳变为当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。另一种状态所对应的输入电压。

14、图图 8.2.1第八章：第八章： 信号处理电路信号处理电路利用稳压管限幅的过零比较器利用稳压管限幅的过零比较器(一一)两个稳压管两端总的的稳两个稳压管两端总的的稳定电压为定电压为 UZ UOppuIuO+UOpp - -UOppO+UZ- -UZ当当 uI 0 时，右边的稳压管时，右边的稳压管被反向击穿，被反向击穿，uO = - - UZ ；图图 8.2.2第八章：第八章： 信号处理电路信号处理电路利用稳压管限幅的过零比较器利用稳压管限幅的过零比较器(二二)电路图电路图传输特性传输特性uIuO+UOpp - -UOppO+UZ- -UZ问题：如将输入信号加在问题：如将输入信号加在“+”端，传输

15、特性如何？端，传输特性如何？第八章：第八章： 信号处理电路信号处理电路问题：问题：过零比较器如图所示，过零比较器如图所示，输入为正负对称的正弦波时，输入为正负对称的正弦波时，输出波形是怎样的？输出波形是怎样的？vIOT 2 3 4 ttvOVOHOVOL传输特性传输特性uIuO+UOpp - -UOppO+UZ- -UZ将正弦波变为矩形波将正弦波变为矩形波第八章：第八章： 信号处理电路信号处理电路8.2.2单限比较器单限比较器 单限比较器有一个门限电平，单限比较器有一个门限电平，当输入电压等于此门限电平时，当输入电压等于此门限电平时，输出端的状态立即发生跳变。输出端的状态立即发生跳变。 当输入

16、电压当输入电压 uI 变化，使反相输变化，使反相输入端的电位为零时，输出端的状入端的电位为零时，输出端的状态将发生跳变。态将发生跳变。uIuO+UOpp- -UOppO+UZ- -UZREF21URR- -过零比较器是门限电平为零的过零比较器是门限电平为零的单限比较器。单限比较器。图图 8.2.4如何求如何求门限电平？门限电平？REF21TURRuUI-门限电平门限电平为：为：第八章：第八章： 信号处理电路信号处理电路图图 8.2.5存在干扰时单限比较器的存在干扰时单限比较器的 uI、uO 波形波形单限比较器的单限比较器的作用作用：检测输入的模拟信号是否达到：检测输入的模拟信号是否达到某一给定

17、电平。某一给定电平。缺点缺点：抗干扰能力差。：抗干扰能力差。解决办法解决办法： 采用具有采用具有滞回滞回 传输特性的比较器。传输特性的比较器。第八章：第八章： 信号处理电路信号处理电路8.2.3滞回比较器滞回比较器UREF 为参考电压；为参考电压；输出电压输出电压 uO 为为 +UZ 或或 - -UZ；uI 为输入电压。为输入电压。当当 u+ = u- - 时，输出电压时，输出电压的状态发生跳变。的状态发生跳变。OF22REFF2FuRRRURRRu 比较器有两个不同的门限电平，故比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状。传输特性呈滞回形状。 +UZuIuO - -UZOUT- -UT

18、+ +图图 8.2.6滞回比较器滞回比较器第八章：第八章： 信号处理电路信号处理电路若若 uO= - - UZ ，当，当 uI 逐渐减小时，使逐渐减小时，使 uO 由由 - -UZ 跳跳变为变为 UZ 所需的门限电平所需的门限电平 UT- - ZF22REFF2FTURRRURRRU - - - -回差回差( (门限宽度门限宽度) ) UT ：ZF22TTT2URRRUUU - - - - 若若 uO = UZ ，当，当 uI 逐渐增大时，使逐渐增大时，使 uO 由由 + +UZ 跳变跳变为为 - -UZ 所需的门限电平所需的门限电平 UT+ ZF22REFF2FTURRRURRRU 第八章：

19、第八章： 信号处理电路信号处理电路 作用作用：产生矩形波、三角波和锯齿波，或用于波形变：产生矩形波、三角波和锯齿波，或用于波形变换。换。 抗干扰能力强抗干扰能力强。图图 8.2.7+UZuIuO - -UZOUT- -UT+ +第八章：第八章： 信号处理电路信号处理电路电压比较器分析方法小结电压比较器分析方法小结（1）由限幅电路确定电压比较器的输出高电平）由限幅电路确定电压比较器的输出高电平+UZ和输出低电平和输出低电平-UZ。（2）写出）写出u-和和u+的电位表达式，令的电位表达式，令u-=u+ ，解得输，解得输入电压就是阈值电压入电压就是阈值电压UT。（3） u0在在uI 过过UT时的跃变

20、方向决定于作用于集时的跃变方向决定于作用于集成运放的哪个输入端。成运放的哪个输入端。当当uI从反向输入端输入时，从反向输入端输入时，uIUT ,u0=U0L 。反之，结论相反。反之，结论相反。第八章：第八章： 信号处理电路信号处理电路8.2.4双限比较器双限比较器参考电压参考电压 UREF1 UREF2若若 uI 低于低于 UREF2 ，运放，运放 A1 输出低电平，输出低电平，A2 输出高电平，二输出高电平，二极管极管 VD1 截止，截止，VD2导通，输出导通，输出电压电压 uO 为高电平；为高电平；若若 uI 高于高于 UREF1 ，运放，运放 A1 输出高电平，输出高电平，A2 输出低电输出低电平，二极管平，二极管 VD2 截止，截止，VD1 导通，输出电压导通，输出电压 uO 为高电平；为高电平；图图 8.2.8双限比较器双限比较器( (a) )第八章：第八章： 信号处理电路信号处理电路当当 uI 高于高于 UREF2 而低于而低于 UREF1 时时 ，运放，运放 A1、 A2 均输出均输出低电平，二极管低电平，二极管 VD1 、VD2 均均截止，输出电压截止，输出电压 uO 为低电平；为低电平；上门限电平上门限电平 UTH = UREF1 ；下门限电平下门限电平 UTL = UREF2 。uIuOOUTHUTL综上所述，双限比较器在输入信号综上所述，