CH9信号处理与信号产生电路

1、9 9 信号处理与信号产生电路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滤波电路的基本概念与分类9.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路9.5 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路9.6 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路9.1 滤波电路的基本概念与分类滤波电路的基本概念与分类1. 基本概念基本概念)()()(iosVsVsA 滤波器：是一种能使有用滤波器：是一种能使有用频率信号频率信号通过而同时抑制或衰减无通过而同时抑制或衰减无 用频率信号的电子装

2、置。用频率信号的电子装置。有源滤波器：由有源滤波器：由有源器件有源器件(一般是运放）一般是运放）构成的滤波器。构成的滤波器。滤波电路传递函数定义滤波电路传递函数定义， j s)(je)j ()j ( AA)()j ( A其中其中)j ( A)( 模，幅频响应模，幅频响应 相位角，相频响应相位角，相频响应2. 分类分类低通（低通（LPFilter）高通（高通（HPF）带通（带通（BPF）带阻（带阻（BEF）全通（全通（APF）1. 低通电路:信号频率越低，输出电压越接近输入电压。信号频率越低，输出电压越接近输入电压。 使输出电压幅值下降到使输出电压幅值下降到70.7%，相位为，相位为45的信号频

3、率为截止频率。的信号频率为截止频率。 当f时，uo 0, uo 滞后 ui 90无源滤波电路和有源滤波电路无源滤波电路和有源滤波电路无源滤波电路（低通电路和高通电路）2. 高通电路:信号频率越高，输出电压越接近输入电压。信号频率越高，输出电压越接近输入电压。 当f0时，uo 0, uo 超前 ui 90 无源滤波电路的滤波参数随负载变化；有源滤波电路的无源滤波电路的滤波参数随负载变化；有源滤波电路的滤波参数不随负载变化，可放大。滤波参数不随负载变化，可放大。 无源滤波电路可用于高电压大电流，如直流电源中的滤无源滤波电路可用于高电压大电流，如直流电源中的滤波电路；有源滤波电路是信号处理电路，其输

4、出电压和电波电路；有源滤波电路是信号处理电路，其输出电压和电流的大小受有源元件自身参数和供电电源的限制。流的大小受有源元件自身参数和供电电源的限制。有源滤波电路 用电压跟随用电压跟随器隔离滤波电器隔离滤波电路与负载电阻路与负载电阻9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路1. 低通滤波电路低通滤波电路c01)(sAsA则传递函数则传递函数RscVVRscVscscRVVIpIIP11111所以RcsAVVVVVVSAIppOIO1)(0而1fPO01RRVVA同相比例同相比例放大倍数放大倍数特征角频率特征角频率RC1c令2c0)(1)j ( AA故，幅频响应为故，幅频响应为1) c : = 10

5、0 c = 10 c 低通滤波器低通滤波器2. 高通滤波电路高通滤波电路 一阶有源滤波电路通一阶有源滤波电路通带外衰减速率慢（带外衰减速率慢（-20dB/十倍频程），与理想情况十倍频程），与理想情况相差较远。一般用在对滤相差较远。一般用在对滤波要求不高的场合。波要求不高的场合。 低通电路中的低通电路中的R和和C交换交换位置便构成高通滤波电路位置便构成高通滤波电路9.3 高阶有源滤波电路（了解）高阶有源滤波电路（了解）9.3.2 有源高通滤波电路有源高通滤波电路9.3.3 有源带通滤波电路有源带通滤波电路9.3.4 二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤波电路9.3.1 有源低通滤波电路有源低通滤波

6、电路9.3.1 有源有源低通低通滤波电路滤波电路1. 二阶有源低通滤波电路二阶有源低通滤波电路电路电路幅频响应幅频响应RC1c 称为称为特征角频率，决定了滤波器的截止频率特征角频率，决定了滤波器的截止频率031AQ称为称为等效品质因数，决定了响应曲线的斜率等效品质因数，决定了响应曲线的斜率-40dB/十倍频程十倍频程二阶斜率比一阶陡二阶斜率比一阶陡9.3.2 有源有源高通高通滤波电路滤波电路二阶高通滤波电路二阶高通滤波电路 将低通电路中的电将低通电路中的电容和电阻对换，便成为容和电阻对换，便成为高通电路。高通电路。幅频响应曲线幅频响应曲线40dB/十倍频程十倍频程9.3.3 有源有源带通带通滤

7、波电路滤波电路可由低通和高通串联得到可由低通和高通串联得到必须满足必须满足11H1CR 低通截止角频率低通截止角频率22L1CR 高通截止角频率高通截止角频率HL 2. 例例带通带通 9.3.4 二阶有源二阶有源带阻带阻滤波电路滤波电路可由低通和高通可由低通和高通并联并联得到得到必须满足必须满足HL 运算电路与有源滤波器的比较 相同之处相同之处 电路中均引入深度负反馈，因而集成运放均工作在线电路中均引入深度负反馈，因而集成运放均工作在线性区。性区。 均具有均具有“虚短虚短”和和“虚断虚断”的特点，均可用节点电流的特点，均可用节点电流法求解电路。法求解电路。 不同之处不同之处 运算电路研究的是时

8、域问题，有源滤波电路研究的是运算电路研究的是时域问题，有源滤波电路研究的是频域问题；测试时，前者是在输入信号频率不变或直频域问题；测试时，前者是在输入信号频率不变或直流信号下测量输出电压与输入电压有效值或幅值的关流信号下测量输出电压与输入电压有效值或幅值的关系，后者是在输入电压幅值不变的情况下测量输出电系，后者是在输入电压幅值不变的情况下测量输出电压幅值与输入电压频率的关系。压幅值与输入电压频率的关系。 运算电路用运算关系式描述输出电压与输入电压的关运算电路用运算关系式描述输出电压与输入电压的关系，有源滤波器用电压放大倍数的幅频特性描述滤波系，有源滤波器用电压放大倍数的幅频特性描述滤波特性。特

9、性。9.5 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件* *正反馈放大电路框图正反馈放大电路框图（注意与负反馈方框图的差别）（注意与负反馈方框图的差别）*正弦波振荡器：正弦波振荡器：输出一定输出一定频率、一定幅值的正弦信号频率、一定幅值的正弦信号-正弦信号发生器正弦信号发生器若去掉若去掉仍有稳定的输出。仍有稳定的输出。， iXoX1. 振荡条件振荡条件 （ ）根据方框图有：根据方框图有：故有故有因此正弦波振荡条件为：因此正弦波振荡条件为：1FA振幅平衡条件振幅平衡条件2fan相位平衡条件相位平衡条件n= 0, 1, 2起振条件：起振条件：2. 起振和稳幅起振和稳幅1FA 1AF 1AF1

10、) 幅值小；幅值小；- 需要需要Xf Xa , 即即 AF 12）非正弦；）非正弦；- 需要选频电路需要选频电路4放大电路（包括负反馈放大电路）放大电路（包括负反馈放大电路）3. 振荡电路基本组成部分振荡电路基本组成部分4反馈网络（构成正反馈的）反馈网络（构成正反馈的）4选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。经常与反馈选频网络（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。）网络合二为一。）4稳幅环节稳幅环节9.6 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路1. 电路组成电路组成2. RC串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性3. 振荡电路工作原理振荡电路工作原理4. 稳幅措施

11、稳幅措施1. 电路组成电路组成反馈网络兼做选频网络反馈网络兼做选频网络RC桥式振荡电路桥式振荡电路vIvO- -+RfR1AvNvPI1fO)1(vRRv 同相比例运算电路同相比例运算电路11RRvvAfio基本放大器的放大倍数：基本放大器的放大倍数：基本放大器基本放大器A:反馈系数反馈系数2. RC串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性)()()(ofsVsVsFV 幅频响应幅频响应212ZZZ 2)(31sCRsCRsCR j s令令RC10 则则2002)(31 VF相频响应相频响应3)(arctg00f sCsRCCjRCjCjRZ1111sRCRRCjRCjRCjRZ111

12、12)( j3100 VF当当2002)(31 VF幅频响应有最大值幅频响应有最大值3)(arctg00f RCffRC21 100 或或 31max VF相频响应相频响应0f 0,31,0fF0,31,0fF当当当当3. 振荡电路工作原理振荡电路工作原理2) 若放大电路的电压增益为若放大电路的电压增益为电路满足相位平衡条件电路满足相位平衡条件:则振荡电路满足振幅平衡条件则振荡电路满足振幅平衡条件0f 1) 当当RC10 时，时，2fan 311f RRAV1313 VVFA3) 电路输出频率为电路输出频率为 的正弦波的正弦波RCf210 正反馈正反馈4. 稳幅措施稳幅措施1）采用非线性元件）

13、采用非线性元件 热敏电阻热敏电阻热敏电阻热敏电阻起振时，起振时，311f RRAV即即1 VVFA热敏电阻的作用热敏电阻的作用 oV oI 温度温度 fR 阻阻值值 fR3 VA1 VVFA稳幅稳幅 VA称：称：Rf 具有负温度系数具有负温度系数2）采用非线性二极管）采用非线性二极管 D1、D2:稳幅环节稳幅环节31|132RRRAV 当当 vo较大时，较大时， rd 减小，减小， Av下降，下降， 时，产生稳定振荡。时，产生稳定振荡。3/1|132RRrRAdV 起振时，输出电压起振时，输出电压vo 较小，二极管的导通电阻较小，二极管的导通电阻较大较大 rd例例. 习题习题 9.6.8 P.

14、476 Vom= 14V解解：（1）略）略（2）稳定振荡时）稳定振荡时 :3/1|132RRrRAdV1322/RRrRdKRRRrd1 . 11 . 92 .102/213所以所以VRrRRRrVVddDOm35.8) 1 .11 .91 .5(1 .16 .0)/(/3213因此因此（3）R2 = 0 则则1,3121 . 1/113AFRRARKrRRfdf电路不能振荡，输出为电路不能振荡，输出为0（4）R2开路时，运放工作在开环状态，开路时，运放工作在开环状态，Ao RC串并联引入正反馈，输出很快为正、负饱和状态。串并联引入正反馈，输出很快为正、负饱和状态。输出为方波信号。输出为方波信

15、号。+14V-14V例：例：试设计一个频率试设计一个频率 f0=1kHz 的文氏桥正弦波振荡器的文氏桥正弦波振荡器msfRC16. 021 0根据频率计算1）确定）确定R、C: 取取C = 0.01 F ， 则则 R= 0.16 0.01 = 16k 2）确定）确定R1、Rf: 由振幅平衡条件：由振幅平衡条件：Rf 2R1直流平衡条件：直流平衡条件：R1/ Rf = R (电容电容C直流开路，直流开路，0输入时输入时0输出，同向端与反相端对称）输出，同向端与反相端对称）111111113222/ RRRRRRRRRRRRWWf带入kRRf4821则kRRRrWfd 14748/ 3则若取若取

16、RW= 47 k3）确定稳幅电路）确定稳幅电路一般情况下，一般情况下，rd = R3时，稳幅效果最佳，时，稳幅效果最佳，而而 rd 2k所以所以 R3= 1k3k , 取取 R3=2.4kD1、D2 选温度性选温度性能好的硅稳压管能好的硅稳压管kkRR24216323 1所以9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路用于产生频率为用于产生频率为1MHZ以上的正弦信号以上的正弦信号9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.7.2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路9.7.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路9.7.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路9.7.1 LC选频放大电路选频放大

17、电路1. LC并联谐振回路选频特性并联谐振回路选频特性9.7.1 LC选频放大电路选频放大电路CQLQRCLZ000 当当 时，时，LC10 电路谐振。电路谐振。LC10 为谐振频率为谐振频率谐振时谐振时 阻抗最大，且为纯阻性阻抗最大，且为纯阻性其中其中CLRRCRLQ1100 为品质因数为品质因数2. 选频放大电路选频放大电路 动态：当动态：当f =1/2RC时发生并联谐振，阻抗最大，集电极时发生并联谐振，阻抗最大，集电极获得的电压也最大。获得的电压也最大。 而对其他频率，不谐振，输出电压很小，逐渐衰减而对其他频率，不谐振，输出电压很小，逐渐衰减 为为0静态静态: 电容开路，电感短路电容开路

18、，电感短路, 有合适的工作点，工作在放大区有合适的工作点，工作在放大区9.7.2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路 虽然波形出现了失真，但虽然波形出现了失真，但由于由于LC谐振电路的谐振电路的Q值很高值很高，选，选频特性好，所以仍能选出频特性好，所以仍能选出 0的正弦波信号。的正弦波信号。1. 电路结构：电路结构：2. 相位平衡条件：相位平衡条件：用瞬时极性法判断为用瞬时极性法判断为正反馈正反馈3. 幅值平衡条件幅值平衡条件4. 稳幅稳幅5. 选频选频 BJT进入非线性区，波形出现失真，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。从而幅值不再增加，达到稳幅目的。（定

19、性分析）（定性分析） 通过选择高通过选择高增益的场效应管和调增益的场效应管和调整变压器的匝数比，可以满足整变压器的匝数比，可以满足使电路可以起振。使电路可以起振。VCCRb1ReRb2C1CeMLCcbeTvo(+)(-)(+)(+)VCCRb1ReRb2C1MLCcbeT(-)(+)(-)(+)反馈反馈满足相位平衡条件满足相位平衡条件满足相位平衡条件满足相位平衡条件反馈反馈LC10 为谐振频率为谐振频率(-)(+)(+)(+)(+)例例: 试用相位平衡条件判断电路能否振荡？试用相位平衡条件判断电路能否振荡？9.7.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路由由LC并联谐振电路构成选频网络并联谐振电

20、路构成选频网络A. 若中间点交流接地，则首端与尾端若中间点交流接地，则首端与尾端 相位相反。相位相反。1. 三点式三点式LC并联电路并联电路 中间端的瞬时电位一定在首、尾端中间端的瞬时电位一定在首、尾端电位之间。电位之间。三点的相位关系三点的相位关系B. 若首端或尾端交流接地，则其他两若首端或尾端交流接地，则其他两 端相位相同。端相位相同。2. 电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路MLLL221LC10 谐振频率谐振频率又称又称Hartley振荡电路振荡电路3. 电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路LC10 为谐振频率为谐振频率2121CCCCC又称又称Colpitts振荡电路振荡电路例例:

21、判断下列电路能否振荡？判断下列电路能否振荡？(+)(-)(-)(+)(-)(-)(-)(+)(+)(+)负反馈：不能振负反馈：不能振正反馈：能振正反馈：能振Cb为耦和电容，交流短路为耦和电容，交流短路9.7.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。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问题频率稳定度一般由频率稳定度一般由 来衡量来衡量0ff 频率偏移量。频率偏移量。f 0f振荡频率。振荡频率。LC振荡电路振荡电路 Q 数百数百石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 Q 10000 5000002. 石英晶体的基本特性与等效电路石英晶体的基本特性与

22、等效电路结构结构交变电压交变电压机械振动机械振动交变电压交变电压机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高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当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大。固有频率时，振幅最大。压电谐振压电谐振LCf21s A. 串联谐振串联谐振 晶体等效阻抗为纯阻性晶体等效阻抗为纯阻性,RLC发发生串联谐振：生串联谐振：0p121CCLCf B. 并联谐振并联谐振0s1CCf 2. 石英晶体的基本特性与等效电路石英晶体的基本特性与等效电路 晶体等效阻抗为感性，与晶体等效阻抗为感性，与外接电容外接电容发生并联谐振：发生并联谐振：ps在S在通常通常 fs fp 3

23、. 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路并联谐振晶体等效于电感，并联谐振晶体等效于电感，Cs用于微调频率。用于微调频率。实用中整个电路封装在一起称为有源晶振实用中整个电路封装在一起称为有源晶振Vcc9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路9.8.2 方波产生电路方波产生电路9.8.1 电压比较器电压比较器9.8.3 锯齿波产生电路锯齿波产生电路运放电路中引入运放电路中引入虚短虚短不成立，不成立，虚断虚断成立。成立。-运放工作在饱和区运放工作在饱和区 ( (非线性区）。非线性区）。9.8.1 电压比较器电压比较器特点：特点：1. 单门限电压比较器单门限电压比较器（1）过零比较器）过零比较器开环，

24、开环，虚短虚短不成立，不成立，虚断虚断成立。成立。vI 0 时，时， vOmax = +VCCVOHvI VREF时时 vO VOH; vI IBs , T饱和，饱和， vo=0VAKRcVIccBS7.161.56vI = vo1 =1V, vo2 = +12V , 所以所以2） vI = vo1 =3V, vo2 = -12V , 所以所以3)波形波形0vi/Vtt55vo26VvoVREF单门限比较器的抗干扰能力差：单门限比较器的抗干扰能力差：应为高电平应为高电平错误电平错误电平2. 迟滞比较器迟滞比较器(Schmitt Trigger)（1）电路组成）电路组成（2）门限电压）门限电压)

25、( OLOPI低电平低电平时，时，V vvv)( OHOPI高电平高电平时，时，V vvv21O221REF1RRVRRRVRVpVOL=-5VVOH=+5VVRRVRRRVRVVp04. 121OH221REF1TVRRVRRRVRVVp94. 021OL221REF1T上门限电压上门限电压下门限电压下门限电压回差电压回差电压VRRVVRVVV1 . 0)(21OLOH2TTT, OHOVv 设, OLOVv 设（3 3）传输特性传输特性VOL= -5VVOH=+5V-5V OLOTPIIVvvvvv时，上升，, OHOVv 设TVVp5V OHOTPIIVvvvvv时，下降，, OLOVv

26、 设TVVp解：解： （1）门限电压）门限电压例例电路如图所示，试求门限电压，画出传输特性和如图所示电路如图所示，试求门限电压，画出传输特性和如图所示输入信号下的输出电压波形。输入信号下的输出电压波形。V521OH2TRRVRVVpV521OL2TRRVRVVp, 0V1O时V时， 0V1OVVOL= -10VVOH=+10V0vi/Vtt88（3）输出电压波形）输出电压波形（2）传输特性）传输特性vIvo10V- -10V5V-5V-10V OLOTPIIVvvvvv时，上升，, OHOVv 设VVVp5T10V OHOTPIIVvvvvv时，下降，, OLOVv 设VVVp5T0vi/Vt

27、t88解：解：（1）门限电压：）门限电压：vN=0例例电路如图所示，试求门限电压，画出传输特性和如图所示电路如图所示，试求门限电压，画出传输特性和如图所示输入信号下的输出电压波形。输入信号下的输出电压波形。vI021O221I1RRvRRRvRvP0O2I1vRvRvp分子为分子为0门限电压门限电压o12IT)(vRRV vVVRRVVvZZo10)(12ITv时，当VVRRVVvZZo10)(12ITv时，当（2）传输特性）传输特性VI上升时：上升时：VTVIvOVIVT-vOVI下降时：下降时：VIVT-vOVT+设 vo =VZ设 vo = -VZ-VZVZ1. 若要电压传输特性曲线左右

28、移动，则应如何修改电路？若要电压传输特性曲线左右移动，则应如何修改电路？讨论二：如何改变迟滞比较器的电压传输特性2. 若要电压传输特性曲线上下移动，则应如何修改电路？若要电压传输特性曲线上下移动，则应如何修改电路？3. 若要改变输入电压过若要改变输入电压过 阈值电压时输出电压的阈值电压时输出电压的 跃变方向，则应如何修跃变方向，则应如何修 改电路？改电路？改变输出改变输出限幅电路限幅电路向左右移多少？向左右移多少？RHIUu OMUOMURLIUu OMUOMU当当uIURH时，时，uO1= uO2= UOM，D1导通，导通，D2截止；截止； uO= UZ。当当uIURL时，时，uO2= uO1= UOM，D2导通，导通，D1截止；截止； uO= UZ 。当当URLu