信号处理及信号产生电路

1、 信号处理及信号产生电路信号处理及信号产生电路9.1 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9.2 9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路9.3 9.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路* * 9.4 9.4 开关电容滤波电路开关电容滤波电路9.5 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9.6 RC9.6 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.7 LC9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.8 9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路.了解了解二、滤波电路的分类：二、滤波电路的分类：1. 按信号性质分类：按信号性质分类：4. 按通带、阻带分类按通带、

2、阻带分类: 2. 按所用元件分类：按所用元件分类：9.1 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3. 按阶数分类按阶数分类: 一阶，二阶一阶，二阶 高阶高阶一、滤波的定义：一、滤波的定义：使有用频率信号通过、阻碍无用频率信号。使有用频率信号通过、阻碍无用频率信号。模拟滤波器和数字滤波器模拟滤波器和数字滤波器无源滤波器：无源滤波器：有源滤波器：有源滤波器：由无源元件由无源元件R、L、C组成。组成。由无源元件由无源元件R、C和有源元件集成运放组成。和有源元件集成运放组成。低通滤波器（低通滤波器（LPFLPF）；）；高通滤波器（高通滤波器（HPFHPF）；）；带通滤波器（带通滤波器

3、（BPFBPF）；）；带阻滤波器（带阻滤波器（BEFBEF）；）；全通滤波器（全通滤波器（APFAPF）；）； LPF LPF BPF BPF低频低频喇叭喇叭中频中频喇叭喇叭高频高频喇叭喇叭音频信号音频信号滤波器的应用实例滤波器的应用实例 HPF HPF三、三、滤波器的幅特性滤波器的幅特性()iVj ()oVj 滤波器滤波器2 2、四种典型的幅频特性、四种典型的幅频特性()()()( )()OiVjA jA jV j 1、滤波器的传递函数为：、滤波器的传递函数为：()A j ()A j ()A j ()A j 理想理想LPF理想理想HPF理想理想BPF理想理想BEF实际实际LPF实际实际HPF

4、实际实际BPF实际实际BEF四、无源滤波器与有源滤波器的区别：四、无源滤波器与有源滤波器的区别：无源滤波器：无源滤波器：有源滤波器：有源滤波器：3. 由于负载效应，级联能力差；由于负载效应，级联能力差；4. 不能对信号进行放大；不能对信号进行放大；5. 幅频特性不理想，边沿不陡；幅频特性不理想，边沿不陡；1. 不使用电感件，体积小重量轻；不使用电感件，体积小重量轻；3. 在运放中可加电压串联负反馈，在运放中可加电压串联负反馈，使输入电阻高、输出电阻低，故使输入电阻高、输出电阻低，故只需把几个低阶滤波电路串起来只需把几个低阶滤波电路串起来就可构成高阶滤波电路，无需考就可构成高阶滤波电路，无需考虑

5、级间影响，级联能力强；虑级间影响，级联能力强；4. 除滤波外，还可放大信号；除滤波外，还可放大信号；5. 不宜在高电压大电流情况下使用。不宜在高电压大电流情况下使用。8. 可靠性较好；可靠性较好；6. 使用时需外接直流电源。使用时需外接直流电源。1. 由于使用电感元件，体积由于使用电感元件，体积大、重量重；大、重量重；2. 效率低；效率低；6. 可在高电压、大电流情况可在高电压、大电流情况下使用；下使用；7. 可靠性较差。可靠性较差。7. 使用时不需外接直流电源。使用时不需外接直流电源。2. 由于电源的能量补偿，效率高；由于电源的能量补偿，效率高；5. 幅频特性较理想，边沿较陡；幅频特性较理想

6、，边沿较陡；常用于电力系统常用于电力系统常用于电子电路常用于电子电路11()(1)()1FOiRj CVjVjRRj C 一、一阶有源低通滤波器一、一阶有源低通滤波器传递函数中出现传递函数中出现 的一次项，故的一次项，故称为称为一阶滤波器一阶滤波器。vovi1()1()(1)1()OFiVjRA jRj RCV j RR1+-RLRf()OVj C()iV j 1j C 11(1)()1FiRVjRj RC 121()(1)1()FHRA jR 幅频特性：幅频特性：1HRC 令令：1HRC max12A A j maxA9.2 9.2 一阶有源滤波器一阶有源滤波器一阶滤波器幅频特性曲线一阶滤波

7、器幅频特性曲线边沿平滑边沿平滑，滤波效果差。，滤波效果差。max1(1)FRAR 其其中中：()A j 0 L1()(1)()1FOiRRVjVjRRj C 二、一阶有源高通滤波器二、一阶有源高通滤波器vivo1()1()(1)()1OFLiVjRA jRV jj ()OVj C()iV j 1j C 11(1)()11FiRVjRj RC 121()(1)1()FLRA jR 幅频特性：幅频特性：1LRC 令令：一阶滤波器幅频特性曲线一阶滤波器幅频特性曲线边沿平滑边沿平滑，滤波效果差。，滤波效果差。RR1+-RLRf1(1)FopRVVR 1iAApAoVVVVVVRRj C 1111AAp

8、j CVVVj RCRj C 解出：解出：2()1()oFiCCAVA jVjQ 1(3)FQA 1CRC 其中：其中：oV以二阶有源低通滤波器为例以二阶有源低通滤波器为例传递函数中出现传递函数中出现 的二次项，故称为的二次项，故称为二阶滤波器二阶滤波器。9.3 9.3 高阶有源滤波器高阶有源滤波器RR1RFiVR+-VA.Vp.1jC 1jC CC2()1()oFiCCAVA jVjQ 222()1()()FCCAA jQ c ()A j 0一阶一阶低通低通二阶二阶低通低通理想理想低通低通阶数越高，阶数越高，幅频特性曲线的边沿越陡，幅频特性曲线的边沿越陡，越接近越接近理想滤波器。理想滤波器。

9、9.5 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t tx0 0ix ax基本放大基本放大电路电路Aox思考：思考： 正弦波振荡电路的作用？正弦波振荡电路的作用？ 其特点是什么？其特点是什么？正弦波振荡电路的作用就是产生不同频率正弦波的信号源。正弦波振荡电路的作用就是产生不同频率正弦波的信号源。正弦波振荡电路具有无输入信号，但可输出不同频正弦波振荡电路具有无输入信号，但可输出不同频率、幅值的正弦波信号。率、幅值的正弦波信号。如何实现？如何实现？作用：作用：特点：特点：分析：分析： 1 1、若只有开环，、若只有开环，则则xfF xofx反馈支路反馈支路F具有具有选频选频的的正正、若

10、引入反馈支路，、若引入反馈支路，3 3、若使、若使xa= =xf ，则满足，则满足xa=xi+xf (xi=0) 相当于引入了正反馈。相当于引入了正反馈。 当当xi0,则则xa=0, xo为零点漂移信号。为零点漂移信号。+则输出则输出x0可得到进一步的放大。可得到进一步的放大。4 4、若引入、若引入选频电路，可得到所需频率的输出信号选频电路，可得到所需频率的输出信号x0。含丰富频率且含丰富频率且值微弱的零点值微弱的零点漂移信号。漂移信号。一、正弦波振荡电路的框图、振荡条件、特点一、正弦波振荡电路的框图、振荡条件、特点2 2、振荡条件：、振荡条件： 1 1、组成框图：、组成框图：振荡条件也可以写

11、成：振荡条件也可以写成：振荡条件振荡条件相位条件：相位条件：p p nfa2,n是整数是整数设：设：.1AF 0ix ax基本放大基本放大电路电路Aoxfx反馈支路反馈支路F具有具有选频选频的的正正+.aAx F aA A ，fFF 振幅条件：振幅条件：1AF 3 3、振荡电路的特点：、振荡电路的特点： (2).(2).基本放大电路的基本放大电路的 a a 或或180180, ,不具有不具有选频性；而频率选频性；而频率可可改变改变 f f，只有某频率才能使只有某频率才能使 f f 满足满足 a a f f= =n n. .360360。反馈支路反馈支路具有具有选频特性。选频特性。0 0=n.

12、.3603600 0(3).(3).振荡建立时振荡建立时AF1AF1，振荡建立，振荡建立完成后（稳定振荡），完成后（稳定振荡），AF=1AF=1afoxxx F .aAFx .(1).(1).是串联正反馈以电压形式是串联正反馈以电压形式出现出现, ,即即xf为为vf，xa为为va.4.4.正弦波振荡器的分类正弦波振荡器的分类 RC RC正弦波振荡器正弦波振荡器 LC LC正弦波振荡器正弦波振荡器 石英晶体振荡器石英晶体振荡器二、正弦振荡建立的过程：二、正弦振荡建立的过程：3 3、随着输出信号不断增大，、随着输出信号不断增大，BJTBJT逐渐进入饱和区或截止区，增逐渐进入饱和区或截止区，增益益A

13、 A自动下降，直到满足自动下降，直到满足AF=1AF=1，从而得到稳定的输出信号，振荡，从而得到稳定的输出信号，振荡建立结束。建立结束。1 1、由于电路参数变化、温度变化、电压波动等因素，使电路产、由于电路参数变化、温度变化、电压波动等因素，使电路产生含丰富频率且值微弱的零点漂移信号，这时由选频正反馈支生含丰富频率且值微弱的零点漂移信号，这时由选频正反馈支路选出满足相位条件所对应的某一频率信号作为原始输入信号路选出满足相位条件所对应的某一频率信号作为原始输入信号xa（其值微弱）。（其值微弱）。.2 2、设置、设置AF1AF1， xa不断放大，不断放大， xo输出信号也不断放大。输出信号也不断放

14、大。.例：例：A=20A=20，F=0.1F=0.1，xa=0.02V.xa1=0.02V=0.02V.xo1=0.4V=0.4V.xf2=0.04V=0.04V.xa2=0.04V=0.04V.xo2=0.8V=0.8V.xf3=0.08V=0.08V.xa3=0.08V=0.08V.xo3=1.6V=1.6V.xf4=0.16V=0.16V.xa4=0.16V=0.16V.x05=3.2V=3.2V. 0ix ax基本放大基本放大电路电路Aoxfx反馈支路反馈支路F具有具有选频选频的的正正+.9.6 RC9.6 RC正弦波电路正弦波电路RCRC移相式振荡电路移相式振荡电路RCRC桥式振荡电

15、路桥式振荡电路双双T T网络式振荡电路网络式振荡电路分类分类一、一、RCRC桥式振荡电路桥式振荡电路1 1、电路组成图、电路组成图+-R1RfRCRC、分析及、分析及振荡频率计算振荡频率计算(1).放大电路：放大电路：11fRAR 011,0faRAR fa=n. .3603600 0根据根据 故若能故若能振荡，振荡，则要求则要求 f=00 0+Va a.FA选频反馈支路选频反馈支路放大电路放大电路Vf f.().反馈支路：反馈支路：1/11/foRVjcFVRRjcjc 13()ooj 2213 ()ooF 1()oRC 1(),3ooftg 当当= =0 0=1/RC=1/RC时时, ,

16、f f=0,F=0,Fmaxmax=1/3 =1/3 ( (振荡频率为振荡频率为0 0=1/RC=1/RC或或f f0 0=1/2=1/2p pRCRC ）Vo o.(1).(1).起振条件：起振条件：应使：应使：3 3、RCRC正弦波电路的稳幅措施正弦波电路的稳幅措施max11,13fRFAR AF1AF1113fRAR 即要求：即要求：R Rf f2R2R1 1(2).(2).振荡建立完后，又要求输振荡建立完后，又要求输出电压稳定，即要求出电压稳定，即要求AF=1AF=1，此时，此时，A=3A=3即要求：即要求：R Rf f=2R=2R1 1为了满足上述要求，稳定输出电压幅值，可以采用下面

17、的措施：为了满足上述要求，稳定输出电压幅值，可以采用下面的措施：.R Rf f采用负温度系数的热敏电阻。采用负温度系数的热敏电阻。.在在R Rf f的两端并联的两端并联二极管。二极管。原理原理:当输出电压当输出电压vo增大时，流过增大时，流过f f的电流增大，温度上升，的电流增大，温度上升，f f的电阻值下降；当下降到的电阻值下降；当下降到R Rf f=2R=2R1 1时，时，输出电压输出电压vo自动稳定。自动稳定。+-R1R Rf fRCRCVo o.DrDRf1原理原理:当输出电压当输出电压vo增大时，二极管增大时，二极管D D的导通深度增强，的导通深度增强，rD的电阻的电阻值下降；当下降

18、到值下降；当下降到R Rf1f1= = rD/R/Rf f =2R=2R1 1时，时，输出电压输出电压vo自动稳定。自动稳定。二、二、RC移相式正弦波振荡电路移相式正弦波振荡电路1、基础知识：、基础知识：2、判断、判断RC移相式电路能否振荡的方法：移相式电路能否振荡的方法：（1）、确定基本放大电路及相应的相角）、确定基本放大电路及相应的相角 a a ；（2）、确定）、确定RC反馈支路及相应的最大移相反馈支路及相应的最大移相 f f ；（3）、若能满足）、若能满足 ,则该电路能振荡；则该电路能振荡； 反之，不能振荡。反之，不能振荡。 fa=n. .3603600 0R()OVj 1j C ()i

19、V j 1()111RA jRjj CRC 101( )90tgRC 每一级每一级RC高通或低通电路，最大移相高通或低通电路，最大移相不超过不超过 90 。0 0 ()OVj 1j C ()iV j R11()11jCA jjRCRjC 10( )90tgRC RC高通电路高通电路RC低通电路低通电路例题：例题：试判断下图所示的试判断下图所示的RC移相式电路能否振荡？移相式电路能否振荡？R+-RfvoRRCCCRRCCCR+-Rfvo基本基本放大电路放大电路反馈支路反馈支路、确定基本放大电路、确定基本放大电路2、确定、确定RC反馈支路反馈支路解：解：基本放大电路的相角：基本放大电路的相角：+-

20、 a a=180=1800 0RC反馈支路的最大移相反馈支路的最大移相 f f 由于由于RC反馈支路由三级高通电反馈支路由三级高通电路组成，路组成，可达到接近可达到接近2702700因此，在特定的频率下，使因此，在特定的频率下，使RC反馈反馈支路只移相支路只移相180 ，即，即0 f f=180=1800 03、由于能满足、由于能满足 ,故电路能振荡。故电路能振荡。 fa=n. .3603600 09.7 LC9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路一、一、 LCLC正弦波振荡电路的特点及分类：正弦波振荡电路的特点及分类：(2)(2)、具有选频的正反馈支路采用、具有选频的正反馈支路采用LCLC

21、谐振谐振方式实现选频，并方式实现选频，并只对所选的频率信号进行放大；只对所选的频率信号进行放大；(3)(3)、谐振时，正反馈支路呈、谐振时，正反馈支路呈阻性，它不产生移相；阻性，它不产生移相；(4)(4)、用于产生、用于产生1MHZ1MHZ以上的高频正弦波信号。以上的高频正弦波信号。1 1、特点：、特点：2 2、分类：、分类： （1）、变压器反馈式）、变压器反馈式LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路（2）、电感三点式（或电感反馈式）、电感三点式（或电感反馈式）LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路（3）、电容三点式（或电容反馈式）、电容三点式（或电容反馈式） LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路

22、(1)(1)、反馈支路构成、反馈支路构成串联串联正反馈，净输入信号、反馈信号以正反馈，净输入信号、反馈信号以电压形式出现；电压形式出现；二、二、 LCLC正弦波振荡电路能否振荡的判断方法：正弦波振荡电路能否振荡的判断方法：LC+VCCTRER1R2CECBbvidvf步骤：步骤： 1 1、确定反馈点、确定反馈点( (反馈支路与基本放大电路输入回路的交点反馈支路与基本放大电路输入回路的交点) )；2 2、在反馈点处将反馈支路断开，并假设从反馈点处加入瞬时、在反馈点处将反馈支路断开，并假设从反馈点处加入瞬时极性为的极性为的净输入信号净输入信号vid；标出反馈标出反馈信号信号vf ；、标出各极的瞬时

23、极性，确定反馈、标出各极的瞬时极性，确定反馈信号信号vf的的瞬时极性瞬时极性；、若、若净输入信号净输入信号vid的瞬时极性与反馈的瞬时极性与反馈信号信号vf的的瞬时极性相同，瞬时极性相同，则能振荡则能振荡；反之，不反之，不能振荡。能振荡。CRER1R2CECBL1L2+VCCvidbvf+VCCRER1R2CECB1LCELCC1C2CB2变压器反馈式变压器反馈式LCLC振荡电路振荡电路电感三点式电感三点式LCLC振荡电路振荡电路电容三点式电容三点式LCLC振荡电路振荡电路bvfvidMvovo三、三、 三种三种LCLC正弦波振荡电路的振荡频率计算及比较：正弦波振荡电路的振荡频率计算及比较：L

24、C+VCCTRER1R2CECB12ofLCp p 1212(2)ofLLM Cp p 121212oC CLCCfp p 优点优点:易调节易调节fo(C(C易调易调) )缺点：缺点：输出取自电感，输出取自电感，含高次谐波成分大，输含高次谐波成分大，输出波形差。出波形差。适宜产生几十适宜产生几十MHZMHZ信号信号+VCCRER1R2CECB1LCELCC1C2CB2voMCRER1R2CECBL1L2+VCCvo优点优点:输出取自电容，输出取自电容，可对高次谐波滤波，可对高次谐波滤波，输出波形好。输出波形好。缺点缺点: :调节调节fo须须C C1 1、C C2 2联动联动适宜产生适宜产生0.

25、1-100MHZ0.1-100MHZ的信号的信号优点优点:易于起振易于起振缺点：缺点：体积大体积大, ,重重量重。量重。例题：例题：试判断下图所示的试判断下图所示的LC电路能否振荡？电路能否振荡？解：解：evidvf+VCCCRER1R2CEL1L2CBcb从反馈点从反馈点e处加入瞬时极性为处加入瞬时极性为 的净输入信号的净输入信号vid，从，从C点输出，点输出，T管属于共基极放大电路，故集电极管属于共基极放大电路，故集电极C的的瞬时极性为瞬时极性为 。由于由于净输入信号净输入信号vid的瞬时极性与反馈的瞬时极性与反馈信号信号vf的的瞬时极性相反，瞬时极性相反，所以该所以该LCLC电路电路不不

26、能振荡能振荡。四、石英晶体振荡电路1. 1. 石英晶体的石英晶体的结构、符号和等效电路结构、符号和等效电路 (1).结构结构晶片晶片涂银层涂银层焊点点焊点点(2).符号符号 (3). 等效电路等效电路 RC0CLL L: :晶体的动态电感晶体的动态电感 (10(10-3-3 10102 2 H)H)( (大大) )C:C:晶体的动态电容晶体的动态电容 ( 0.1 pF)( 0.1 pF)( (小小) )R:R:等效摩擦损耗电阻等效摩擦损耗电阻( (小小) )C Co o: :晶体静态电容晶体静态电容 ( (几几 几十几十pF)pF)( (大大) )（简称晶振）2. 2. 石英晶体的石英晶体的谐

27、振频率、电抗特征谐振频率、电抗特征RC0CL(1).串联串联谐振频率：谐振频率：(2).并联并联谐振频率：谐振频率：(3).电抗特征电抗特征12sfLCp p 0012pCCLCCfp p 000112sCCCfCCLCp p fp略大于略大于fs*当当ffffffp p时时:石英石英晶体呈容性晶体呈容性*当当f fs sffffp p时时：石英晶体石英晶体发生并联谐振，呈感性。发生并联谐振，呈感性。*当当f ff fs s时时：石英晶体发：石英晶体发生串联谐振，呈阻性。生串联谐振，呈阻性。由于此区间的频率稳定由于此区间的频率稳定性差，不利用。性差，不利用。上述两种情况的频率稳上述两种情况的频

28、率稳定性好，加以利用。定性好，加以利用。. .石英晶体石英晶体谐振频率谐振频率的调节的调节CSRC0CLCS4.4.石英晶体振荡电路举例石英晶体振荡电路举例 +VCCTRERB1RB2CECsC1C2RC石 英 晶 体 呈 阻石 英 晶 体 呈 阻性性(2)(2)并联型并联型石英晶体呈感性石英晶体呈感性001112ssssCCCCfCCLfCp p 当当C CS S00时时, ,f/ /s=fp;当当C CS S时时, , f/ /s=fs故故谐振频率可在谐振频率可在fsfp之之间做小范围调节间做小范围调节即：即：fs f V VREFREF ，即为过压报警，即为过压报警D2发光表示发光表示v

29、i V VREFREF ，即为欠压报警，即为欠压报警、双门限电压比较器双门限电压比较器（迟滞比较器）迟滞比较器）特点：特点：电路中使用正反馈，电路中使用正反馈，所以所以vo输出为输出为Vom。+-vivoV VREFREFR2R1Vp21pREFo1212RRVVVRRRR . 当当vo=+Vom时时2. 当当vo=-Vom时时21pREFom1212RRVVVRRRR 21pREFom1212RRVVVRRRR 分析：分析：利用叠加原理可得：利用叠加原理可得：分别称分别称Vp+和和Vp-为为上下门限电压上下门限电压。称。称(Vp+ - Vp-)为为回差电压。回差电压。当当vi 增加到增加到V

30、p+时，输出时，输出由由Vom跳变到跳变到-Vom；当当vi 减小到减小到Vp-时，输出时，输出由由-Vom跳变到跳变到Vom 。传输特性：传输特性：vovi0Vom-VomVp+ Vp-小于回差的干扰不会引起小于回差的干扰不会引起跳转。跳转。跳转时，正反馈加跳转时，正反馈加速跳转。速跳转。21pREFom1212RRVVVRRRR ，21pREFom1212RRVVVRRRR +-vivoV VREFREFR2R1Vp例：例：R1=10k ，R2=20k ，OM=12V， VREF=9V,当当H含干扰的含干扰的输入输入 vi 为如图所示的波形时，画出输出为如图所示的波形时，画出输出vo的波形。的波形。5V10Vvit0迟滞比较器的应用实例迟滞比较器的应用实例消除干扰，提取有用信号消除干扰，提取有用信号+-vivoV VREFREFR2R1Vp21pREFom1212RRVVVR RR R = =1 10 0V V21pREFom1212RRVVV2VRRRR 上门限电压：上门限电压：解：解：下门限电压：下门限电压：+VOM-VOM根据传输特性画输出波形图：根据传输特性画输出波形图：vovivott10V5V002V+-vivoV VREFREFR2R1Vpvi0om(12V)-om(-12V