第10章信号处理与信号产生电路-2016-04-25 (1)

1、本章主要内容本章主要内容10.1 滤波电路滤波电路的基本概念与分类的基本概念与分类10.5 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件10.6 RC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路10.7 LC 正弦波振荡电路正弦波振荡电路10.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路信号处理信号处理信号产生信号产生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：滤波器：有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。滤波电路传递函数定义滤波电路传递函数定义:时，有时，有 j s)(je)j ()j ( AA)()

2、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，相频响应群时延响应群时延响应)( d)(d)(s 是一种能使有用频率信号通过是一种能使有用频率信号通过 而同时抑制或衰减而同时抑制或衰减 无用频率信号的电子装置。无用频率信号的电子装置。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2. 分类分类 低通低通（LPF） 带通带通（BPF） 高通高通（HPF） 带阻带阻（BEF）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2. 分类分类 全通全通（APF）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从能量的观点看：从能量的观点看：

3、放大电路：在输入信号的控制下，将直流电源提供的能量转换放大电路：在输入信号的控制下，将直流电源提供的能量转换 为按输入信号规律变化的交变能量的电路，为按输入信号规律变化的交变能量的电路，正弦波振荡电路正弦波振荡电路：不需要输入信号就能自动将直流电源的能量：不需要输入信号就能自动将直流电源的能量 转变为转变为 特定频率特定频率和和振幅振幅 的正弦交变能量的电路。的正弦交变能量的电路。问题：模拟电子实验室使用的信号发生器，问题：模拟电子实验室使用的信号发生器， 可以输出可以输出 正弦波正弦波、方波、三角波，、方波、三角波， 其中的其中的 正弦波正弦波 是如何产生的？是如何产生的？本章要解决的本章要

4、解决的重点重点问题之一！问题之一！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非周期信号频域分析：非周期信号频域分析：时域持续越宽的信号时域持续越宽的信号, 其频域的频谱越窄其频域的频谱越窄; 时域持续越窄的信号时域持续越窄的信号, 其频域的频谱越宽。其频域的频谱越宽。产生产生正弦波正弦波的思路：的思路：冲击信号冲击信号选频网络选频网络放大电路放大电路正弦波正弦波实例：对于闪电，实例：对于闪电， 收音机的所有频道收音机的所有频道 都能收到其信号都能收到其信号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1. 振荡电路基本组成部分振荡电路基本组成部分 放大电路放大电路 （包

5、括负反馈放大电路）（包括负反馈放大电路）如何持续输出如何持续输出 特定频率特定频率和和振幅振幅 的正弦信号？的正弦信号？ 反馈网络（正反馈）反馈网络（正反馈） 选频网络选频网络 （常与反馈网络合二为一）（常与反馈网络合二为一） 稳幅环节稳幅环节对对 有什么要求吗有什么要求吗 ？FA、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2. 振荡条件振荡条件， faXX 即环路增益即环路增益1 FAfafa AFFAFA振荡条件为：振荡条件为：1)()( FA振幅平衡条件振幅平衡条件2)()(fan 相位平衡条件相位平衡条件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3. 起振和

6、稳幅起振和稳幅起振条件：起振条件： 振荡电路起振的信号源自电路器振荡电路起振的信号源自电路器 件内部噪声以及电源接通扰动。件内部噪声以及电源接通扰动。1)()( FA2)()(fan 当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加，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。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噪声中，满足相位平衡条件的某一频率 0 0的噪声信号被放的噪声信号被放 大，成为振荡电路的输出信号。大，成为振荡电路的输出信号。1 AF。 1 AF 稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加

7、到一定程度时，使 振幅平衡条件从振幅平衡条件从 回到回到 9.6 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路1. 电路组成电路组成反馈网络反馈网络兼做兼做选频网络选频网络RC桥式振荡电路：桥式振荡电路：放大电路的电压增益：放大电路的电压增益：1f1RRAV 9.6 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路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反馈系数反馈系数)()()(ofsVsVsFV 幅频响应幅频响应又又212ZZZ 2)(31sCRsCRsCR j s且令且令RC10 则则)( j3100 VF2002)(31 VF相频响应相频响应3)(arctan00f 9.6 RC正弦波振荡电路正

8、弦波振荡电路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反馈系数反馈系数幅频响应幅频响应2002)(31 VF相频响应相频响应3)(arctan00f 幅频响应有最大值：幅频响应有最大值：RCffRC21 100 或或 31max VF相频响应：相频响应：0f 时时9.6 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路3. 振荡电路工作原理振荡电路工作原理 10RC 0f 时时由于由于0a 2fan 满足相位平衡条件满足相位平衡条件311f RRAV若若31max VVFF1 VVFA满足振幅平衡条件满足振幅平衡条件电路可以输出频率为电路可以输出频率为 的正弦波的正弦波RCf210 RC正弦波

9、振荡电路正弦波振荡电路一般用于产生一般用于产生 f 39.6 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路4. 稳幅措施稳幅措施采用非线性元件采用非线性元件热敏电阻热敏电阻 热敏元件热敏元件起振时，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 功功耗耗 fR 温温度度 fR 阻阻值值 fR3 VA1 VVFA稳幅稳幅 VA9.6 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路4. 稳幅措施稳幅措施采用非线性元件采用非线性元件 二极管二极管稳幅环节稳幅环节稳幅原理稳幅原理 oV3 VA1 VVFA稳幅稳幅 VA31132 RRRAV起振时起振时联联支支路路的的等等效效电电阻阻并并

10、和和、是是其其中中2133DD RR 3R9.7 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电路9.7.1 LC选频放大选频放大电路电路9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路LRCLRCZ jj1)j(j1 )1j(CLRCLZ 一般有一般有LR 则则CQLQRCLZ000 当当 时，时，LC10 电路谐振。电路谐振。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

11、数，同时有同时有scIQI 即即sLcIII 1. 并联谐振回路并联谐振回路等效损耗电阻等效损耗电阻0 为谐振频率为谐振频率取值取值为为 几十几十 几百几百9.7.1 LC选频放大选频放大电路电路9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路1. 并联谐振回路并联谐振回路品质因数品质因数Q是反映是反映LC回路损耗大小的重要参数：回路损耗大小的重要参数： 0LQR品质因数品质因数Q不同时，复阻抗不同时，复阻抗 Z 的幅频与相频特性如下：的幅频与相频特性如下： LC并联谐振回路阻抗的频率特性并联谐振回路阻抗的频率特性ff0QQ12ZOQ1Q2Q1Q2ff0+90o-90oQ1Q29.7.2 变压器变压器

12、反馈反馈式式 LC 振荡振荡电路电路9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路L1L2RLTrVTReCOU+-+VCC-L3+Rb2Rb1CeCbA(1)放大电路是共射组态，放大电路是共射组态，LC并并联电路是集电极负载，反馈电压联电路是集电极负载，反馈电压由由L2上取出。上取出。(2)用用瞬时极性法瞬时极性法判断电路的相位判断电路的相位条件，是否是条件，是否是正反馈正反馈。正反馈，正反馈，满足满足相位平衡条件相位平衡条件(3)分析决定振荡电路的幅度条件。分析决定振荡电路的幅度条件。如果幅度条件不满足，可适当增如果幅度条件不满足，可适当增加加L2的圈数。的圈数。变压器反馈式变压器反馈式LC正弦

13、波振荡电路的振荡频率，与正弦波振荡电路的振荡频率，与LC并联并联谐振电路的振荡频率相同谐振电路的振荡频率相同 ：LCf2109.7.2 变压器变压器反馈反馈式式 LC 振荡振荡电路电路9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路L1L2RLTrVTReCOU+-+VCC-L3+Rb2Rb1CeCbA LC正弦波振荡电路，当振幅大正弦波振荡电路，当振幅大到一定程度时，晶体管集电极的电到一定程度时，晶体管集电极的电流波形会明显失真，但由于集电极流波形会明显失真，但由于集电极的负载是的负载是LC并联谐振回路，具有良并联谐振回路，具有良好的选频作用，因此输出电压的波好的选频作用，因此输出电压的波形失真不大

14、。形失真不大。9.7.3 三点式三点式 LC 振荡振荡电路电路9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路仍然由仍然由LC并联谐振电路构成选频网络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、尾端电中间端的瞬时电位一定在首、尾端电位之间。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。9.7.3 三点式三点式 LC 振荡振荡电路电路9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路2. 电感三点式振荡

15、电路电感三点式振荡电路9.7.3 三点式三点式 LC 振荡振荡电路电路9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路3. 电容三点式振荡电路电容三点式振荡电路9.7.4 石英晶体振荡石英晶体振荡电路电路9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路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：频率稳定度： 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 10 000 500 0009.7.4 石英晶体振荡石英晶体振荡电路电路9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振

16、荡电路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结构：结构：极板间加电场极板间加电场极板间加机械力极板间加机械力晶体机械变形晶体机械变形压电效应压电效应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：晶体产生电场晶体产生电场9.7.4 石英晶体振荡石英晶体振荡电路电路9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路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等效电路：等效电路：LCf21s

17、 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0p121CCLCf B. 并联谐振：并联谐振：通常通常0CC 0s1CCf psff 9.7.4 石英晶体振荡石英晶体振荡电路电路9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路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实际使用时外接一小电容实际使用时外接一小电容Cs则新的谐振频率为则新的谐振频率为s0s121CCCLCf 由于由于s0CCC s0s1CCCf 由此看出由此看出 )(21s0ssCCCff；时时， 0 pssffC sss ffC 时时，调整调整之之间间变变化化和和在在可可使使 psssfffC

18、 9.7.4 石英晶体振荡石英晶体振荡电路电路9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路3. 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路9.8.2 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1. 单门限电压比较器单门限电压比较器2. 迟滞比较器迟滞比较器3. 集成电压比较器集成电压比较器9.8.3 锯齿波产生电路锯齿波产生电路9.8.1 电压比较器电压比较器9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路1. 单门限电压比较器单门限电压比较器（1）过零比较器）过零比较器开环增益开环增益 A0 105忽略放大器输出级的饱和压降，忽略放大器输出级的饱和压降

19、，若若 |+VCC | = |-VCC | = 15V，A0=1050mV15. 0V1015 50CC AVvI 0 时，时， vOmax = +VCCvI 0 时，时， vOmax = -VCC-过零比较器过零比较器运算放大器工作在运算放大器工作在开环开环状态状态- -VCC vO +VCC特点：特点： OmaxvCCCCVV 集成运放的电压传输特性集成运放的电压传输特性则则门限电压：使输出电压门限电压：使输出电压vO 发生跳变的发生跳变的vI值值9.8.1 电压比较器电压比较器9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路1. 单门限电压比较器单门限电压比较器（2 2）门限电压不为门限电压

20、不为零的比较器零的比较器电压传输特性电压传输特性（门限电压为（门限电压为 VREF）设设VCC12V，运放为理想器件。，运放为理想器件。vI为峰值为峰值6V的三角波，的三角波， 9.8.1 电压比较器电压比较器9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路1. 单门限电压比较器单门限电压比较器单门限电压比较器单门限电压比较器 抗干扰能力差抗干扰能力差应为高电平应为高电平错误电平错误电平9.8.1 电压比较器电压比较器9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路2. 迟滞比较器迟滞比较器两个门限电压两个门限电压)( OLOPI低电平低电平时，时，V vvv)( OHOPI高电平高电平时，时，V v

21、vv21OH221REF1TRRVRRRVRV 21OL221REF1TRRVRRRVRV 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21OLOH2TTT)(RRVVRVVV 正反馈正反馈，v vp p与与v vo o有关，有关， 传输特性传输特性9.8.1 电压比较器电压比较器9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路2. 迟滞比较器迟滞比较器解：解：（1 1）门限电压）门限电压（3 3）输出电压波形输出电压波形例：电路如图所示，试求门限电压，画出例：电路如图所示，试求门限电压，画出 传输特性和图（传输特性和图（c c）所示输入信号下）所示输入信号下 的输出电压波形。的输出电压波形。（2 2）传输特性）传输特性V521OH221REF1T RRVRRRVRVV521OL221REF1T RRVRRRVRV 0REF V0V 1O V迟滞比较器迟滞比较器 抗干扰能力强抗干扰能力强9.8.1 电压比较器电压比较器9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路结论：结论：（1 1）用于电压比较器的运放，通常工作在开环或正反馈状态和）用于电压比较器的运放，通常工作在开环或正反馈状态和非线性区，其输出电压只有高电平非线性区，其输出电压只有高电平V VOHOH和低电平和低电平V VOLOL两种情况。两种情况。（2 2）一般用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数