第7章信号检测与与处理电路

1、第七章第七章信号检测与与处理电路信号检测与与处理电路7.1电子系统概述电子系统概述7.2信号检测系统中的放大电路信号检测系统中的放大电路7.3有源滤波器有源滤波器7.4电压比较器电压比较器本章重点和考点本章重点和考点1.有源滤波电路的基本概念、电路组成、有源滤波电路的基本概念、电路组成、分析分析2.电压比较器的工作原理电压比较器的工作原理本章教学时数：本章教学时数：4学时学时本章讨论的问题：本章讨论的问题：1.滤波电路的功能是什么？什么是有源滤波和无源滤波？滤波电路的功能是什么？什么是有源滤波和无源滤波？为什么说有源滤波电路是信号处理电路？为什么说有源滤波电路是信号处理电路？2.有几种滤波电路

2、？它们分别有什么特点？有几种滤波电路？它们分别有什么特点？3.从本质上讲，有源滤波电路与运算电路一样吗？为什么？从本质上讲，有源滤波电路与运算电路一样吗？为什么？有源滤波电路有哪些主要指标？有源滤波电路有哪些主要指标？4.由集成运放组成的有源滤波电路中一定引入负反馈吗？由集成运放组成的有源滤波电路中一定引入负反馈吗？能否引入正反馈？能否引入正反馈？5.为了获得信号中的直流分量，或者为了获得信号中的高频为了获得信号中的直流分量，或者为了获得信号中的高频分量，或者为了传送某一频段的信号，或者为了去掉电源分量，或者为了传送某一频段的信号，或者为了去掉电源所带来的所带来的50Hz干扰，应采用什么电路？

3、干扰，应采用什么电路？7.1电子系统概述电子系统概述7.1.1电子信息系统的组成电子信息系统的组成图图7.1.1信号检测系统基本框图信号检测系统基本框图传传感感器器增增益益调调整整取取样样保保持持控制电路控制电路放放大大器器滤滤波波器器A/D转转换换器器计计算算机机系系统统总总线线信号的信号的提取提取信号的信号的预处理预处理信号的信号的加工加工信号的信号的执行执行7.2 信号检测系统中的放大电路7.2.1 测量放大器测量放大器1、三运放测量放大器、三运放测量放大器IcbIcIdbuuuuu21,GbbRuui21)(2121GooRRRiuu)()(2121bbGGuuRRRR)()(21Ic

4、IcIdGGuuuRRRRIdGGuRRRR)(21134256634*)1 (ooouRRuRRRRRuRRRRR5634)(21ooouuuIdGouRRRu)1 (217.2.2 隔离放大器隔离放大器7.3有源滤波电路有源滤波电路7.3.1滤波电路的基础知识滤波电路的基础知识作用：选频。作用：选频。一、滤波电路的种类：一、滤波电路的种类：低通滤波器低通滤波器LPFfpfuAlg20O通通阻阻fuAlg20fpO通通阻阻f1fuAlg20O通通通通 阻阻f2fuAlg20O通通阻阻阻阻f1f2高通滤波器高通滤波器HPF带通滤波器带通滤波器BPF带阻滤波器带阻滤波器BEF二、滤波器的幅频特性

5、二、滤波器的幅频特性低通滤波器的实际幅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。图图7.3.2低通滤波器的实际幅频特性低通滤波器的实际幅频特性Au0.707AuP的频率为的频率为通带载止频率通带载止频率fp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 ) 、 fp和过渡带的斜率和过渡带的斜率 。三、无源滤波电路和有源滤

6、波电路三、无源滤波电路和有源滤波电路1.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pioj11ffUUAuRCfp 21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，只有，且带负载能力差。电压放大倍数低，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 7.4.3频率趋于零，电容频率趋于零，电容容抗趋于无穷大容抗趋于无穷大Aup12.有源滤波电路有源滤波电路无源滤波电路受负载影响很大，滤波特性较差。无源滤波电路受负载影

7、响很大，滤波特性较差。为了提高滤波特性，可使用有源滤波电路。为了提高滤波特性，可使用有源滤波电路。图图7.4.4有源滤波电路有源滤波电路组成电路时，应选用组成电路时，应选用带宽合适的带宽合适的集成运放集成运放四、四、有源滤波电路的有源滤波电路的传递函数传递函数)()(0usUsUsAi）（输出量的象函数与输入量的象函数之比输出量的象函数与输入量的象函数之比*U、I、R、C、L的象函数表示方法的象函数表示方法7.3.2低通滤波器低通滤波器掌握有源滤波电路的组成、特点及分析方法。掌握有源滤波电路的组成、特点及分析方法。一、同相输入低通滤波一、同相输入低通滤波器器1.一阶电路一阶电路)11)(1 (

8、)()1 ()()(110usRCRRsURRsUsUsAFpFi）（图图7.4.5一阶低通滤波电路一阶低通滤波电路RF用用j取代取代s，且令，且令f0=1/(2RC)，得出电压放大倍数，得出电压放大倍数f0 称为特征频率称为特征频率0p01Fioj1j11ffAffRRUUAuu 1Fp1RRAu 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

9、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 7.4.6电压放大倍数电压放大倍数2.简单二阶电路简单二阶电路可提高幅频特性的衰减斜率可提高幅频特性的衰减斜率2110u)(311)1 ()()()1 ()()(sRCsRCRRsUsURRsUsUsAFipFi）（图图7.4.7简单二阶低通电路简单二阶低通电路RF用用j取代取代s，且令，且令f0=1/(2RC)0201F3j)(11ffffRRAu图图7.4.8简单二阶低通电路的幅频特性简单二阶低通电路的幅频特性图图7.4.8

10、简单二阶低通电路的幅频特性简单二阶低通电路的幅频特性输入电压经过两级输入电压经过两级 RC 低通电路，低通电路，在高频段，对数幅频特性以在高频段，对数幅频特性以 40 dB /十倍频的速度下降，使滤波十倍频的速度下降，使滤波特性比较接近于理想情况。特性比较接近于理想情况。令电压放大倍数分母的模等于令电压放大倍数分母的模等于 2可解出通带截止频率可解出通带截止频率fP=0.37 f0问题：在问题：在 f = f0 附近，输出幅度衰减大，附近，输出幅度衰减大， fP 远离远离f0 引入正反馈，可以增大放大倍数，使引入正反馈，可以增大放大倍数，使 fP 接近接近f0 滤滤波特性趋于理想波特性趋于理想

11、 。020p2ppio1j)(1)j ()j3(1ffQffARCRCAAUUAuuuu 1Fp1RRAu RCf 210p31uAQ 图图 7.4.10压控电压源二阶低通滤波电路压控电压源二阶低通滤波电路图图7.4.9压控电压源二阶低通滤波电路压控电压源二阶低通滤波电路3.压控电压源二阶低通滤波电路压控电压源二阶低通滤波电路2u)()(3 1)(sRCsRCsAsAsAupup）（用用j取代取代s，且令，且令f0=1/(2RC)二、反相输入低通滤波器二、反相输入低通滤波器1.一阶电路一阶电路图图7.4.11反相输入一阶反相输入一阶低通滤波电路低通滤波电路令信号频率令信号频率0，求出，求出通带

12、放大倍数通带放大倍数12pRRAu电路的传递函数电路的传递函数CsRRRsUsUsAi2120u11.)()(）（用用j取代取代s，且令，且令f0=1/(2 R2C)0pj1ffAAuufP= f02.二阶电路二阶电路在一阶电路的基础上，增加在一阶电路的基础上，增加RC环节，可使滤波器的过渡环节，可使滤波器的过渡带变窄，衰减斜率的值加大。带变窄，衰减斜率的值加大。图图7.4.12反相输入简单二反相输入简单二阶低通滤波电路阶低通滤波电路为了发改善为了发改善f0附近的频率特性，附近的频率特性，也可采用多路反馈的方法。也可采用多路反馈的方法。图图7.4.13无限增益多路反馈无限增益多路反馈二阶低通滤

13、波电路二阶低通滤波电路三、三种类型的有源低通滤波器三、三种类型的有源低通滤波器切比雪夫切比雪夫(Chebyshev)滤波器的品质因数滤波器的品质因数Q，也称为滤波器的，也称为滤波器的截止特性系数截止特性系数。其值决定于其值决定于f=fo附近的频率特性。附近的频率特性。按照按照f=fo附近频率特性的特点，可将滤波器分为附近频率特性的特点，可将滤波器分为:巴特沃思（巴特沃思（Butterworth）贝塞尔（贝塞尔（Bessel）图图7.4.15三种类型二阶三种类型二阶LPF幅频特性幅频特性7.3.3高通滤波电路高通滤波电路一、高通滤波电路一、高通滤波电路高通滤波电路与低通滤波电路具有对称性高通滤波

14、电路与低通滤波电路具有对称性1.压控电压源二阶压控电压源二阶高通滤波电路高通滤波电路2.无限增益多路反馈无限增益多路反馈二阶高通滤波电路二阶高通滤波电路图图7.4.16二阶高通滤波电路二阶高通滤波电路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7.3.4带通滤波电路带通滤波电路( (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

15、阻断。号阻断。低通低通高通高通iUoUfp1fuAlg20O低通低通fuAlg20fp2O高通高通阻阻阻阻fp1fp2fuAlg20O通通图图 7.4.17压控电压源二阶带通滤波电路压控电压源二阶带通滤波电路RCf 210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 7.4.18比例系数比例系数fbw = fp1 fp2 = f0 /Q通频带通频带1Ff1RRAu)(j1)( j)3(00p00ffffffQAffffAAAuuuufffp3uuuuQAAAAf31uAQ三、带阻滤波器三、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

16、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通通阻通阻通fuAlg20O低通低通f1f2fuAlg20O高通高通图图 7.4.20常用有源带阻滤波电路常用有源带阻滤波电路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2201ffffQAAuu 0p1j图图 7.4.22常用有源带阻滤波电路常用有源带阻滤波电路2201ffffQAAuu 0p1j阻带宽度阻带宽度 BW fp2 fp1 f0 /Q7.4.23带阻滤波器的幅频特

17、性带阻滤波器的幅频特性四、全通滤波电路四、全通滤波电路图图7.2.24全通滤波电路全通滤波电路电压放大倍数电压放大倍数iiPnURCjRCjURCjRUU11iiURCjRCjRRURRU1)1 (0RCjRCjAU11Au=1=1800-2arctanf/f0图图7.2.24全通滤波电路全通滤波电路图图7.2.25全通滤波电路的全通滤波电路的相频特性相频特性7.4电压比较器电压比较器1.电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考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 压 进 行 比 较 ， 输 出 只 有 两 种

18、 可 能 的 状 态 ： 高电平或低电平。电平或低电平。2.比较器中的集成运放一般工作在非线性区；处于比较器中的集成运放一般工作在非线性区；处于开环状态或引入正反馈。开环状态或引入正反馈。3.分类：单限比较器、滞回比较器及窗口比较器。分类：单限比较器、滞回比较器及窗口比较器。4.比较器是组成非正弦波发生电路的基本单元，在比较器是组成非正弦波发生电路的基本单元，在 测量、控制、测量、控制、D/A和和A/D转换电路中应用广泛。转换电路中应用广泛。一、一、 电压比较器的传输特性电压比较器的传输特性1.电压比较器的输出电压与输入端的电压之间函数关系电压比较器的输出电压与输入端的电压之间函数关系)(OI

19、ufu2.阈值电压阈值电压： UT当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所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。对应的输入电压。3.电压传输特性的三要素电压传输特性的三要素(1)输出电压的高电平输出电压的高电平UOH和低电平和低电平UOL的数值。的数值。(2)阈值电压的数值阈值电压的数值UT。(3)当当uI变化且经过变化且经过UT时，时， uO跃变的方向。跃变的方向。二、理想运放的非线性工作区二、理想运放的非线性工作区+UOMuOuP uN NO UOM集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性在电压比较器中，集成运放不是工作在开环在电压比较器中，集成运放不是工

20、作在开环状态，就是工作在正反馈。状态，就是工作在正反馈。7.4.1单限比较器单限比较器一、过零比较器一、过零比较器由于理想运放的开环差模由于理想运放的开环差模增益为无穷大，所以增益为无穷大，所以当当 uI 0 时，时，uO = - - UOM ；过零比较器的过零比较器的传输特性传输特性为：为：uIuO+UOM- -UOMOUOM 为集成运放的最大输出电压。为集成运放的最大输出电压。阈值电压阈值电压：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。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设任何一个稳压管被反向

21、设任何一个稳压管被反向击穿时，两个稳压管两端总的击穿时，两个稳压管两端总的的稳定电压为的稳定电压为 UZ UOMuIuO+UOM - -UOMO+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 7.2.6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，传输特性如何？端，传输特性如何？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

22、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二、单限比较器二、单限比较器单限比较器有一个门限单限比较器有一个门限电平，当输入电压等于此门电平，当输入电压等于此门限电平时，输出端的状态立限电平时，输出端的状态立即发生跳变。即发生跳变。REF12TURRuUI当输入电压当输入电压 uI 变化，使反相变化，使反相输入端的电位为零时，输出端的输入端的电位为零时，输出端的状态将发生跳变，门限电平为：状态将发生跳变，门限电平为：uIuO+UOM- -UOMO+UZ

23、- -UZREF12URR过零比较器是门限电平为零过零比较器是门限电平为零的单限比较器。的单限比较器。R1R2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。7.4.2 多门限电压比较器多门限电压比较器一、从反相输入端输入的滞回比较器电路一、从反相输入端输入的滞回比较器电路计算阈值电压计算阈值电压UTZ211TURRRU电压传输特性电压传输特

24、性uo从从+ +UZ跃变到跃变到- -UZ的的 阈值电压为阈值电压为+UTuo从从- -UZ跃变到跃变到+ +UZ的的 阈值电压为阈值电压为-UTuI在在-UT与与+UT之间增加或减小之间增加或减小, uO不发生变化不发生变化UREF 为参考电压；为参考电压； ；uI 为输入电压；输出电为输入电压；输出电压压 uO 为为 +UZ 或或 - -UZ。当当 uP = uN N 时，输出电压时，输出电压的状态发生跳变。的状态发生跳变。ZF22REFF2FuRRRURRRuP比较器有两个不同的门限电平，比较器有两个不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状。故传输特性呈滞回形状。 +UZuIuO - -UZ

25、OUT- -UT+ +二、加了参考电压的二、加了参考电压的滞回比较器滞回比较器若若 uO= UZ ，当，当 uI 逐渐减小逐渐减小时，使时，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 逐渐增大逐渐增大时，使时，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 例例8.2.2已知输入波形和电压传输特性，分析输出电压的波形。已知

26、输入波形和电压传输特性，分析输出电压的波形。波形图波形图 UZ 9VV3URRRUZ211TuO /Vt0+9-92.窗口比较器窗口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；双限比较器双

27、限比较器( (a) )前面的比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只跃前面的比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只跃变一次，因而不能检测出输入电压是否在二个电压之间。变一次，因而不能检测出输入电压是否在二个电压之间。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，双限比

28、较器在输入信号 uI UREF1 时，输出为高电平；而当时，输出为高电平；而当 UREF2 uI UREF1 时，输时，输出为低电平。出为低电平。双限比较器（双限比较器（ b) )7.4.3集成电压比较器集成电压比较器一、集成电压比较器的主要特点和分类：一、集成电压比较器的主要特点和分类：1. 具有较高的开环差模增益；具有较高的开环差模增益；2. 具有较快的响应速度；具有较快的响应速度；3. 具有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高；具有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高；4. 具有较低的失调电压、失调电流及较低的温漂。具有较低的失调电压、失调电流及较低的温漂。分类：分类：单、双和四电压比较单、双和四电压比较通用型、高速型、低电压型和高精度型通用型、高速型、低电压型和高精度型普通、集电极（或漏极）开路输出或互补输出型普通、集电极（或漏极）开路输出或互补输出型二、集成电压比较器的基本接法二、集成电压比较器的基本接法1.通用型集成电压比较器通用型集成电压比较器AD790引脚图引脚图+1