第七章 信号处理电路.

1、第七章第七章 信号处理电路信号处理电路7.1 有源滤波器有源滤波器7.1.1 滤波器的分类及作用滤波器的分类及作用 本章内容：主要介绍两种常见的模拟信号处理电路即有本章内容：主要介绍两种常见的模拟信号处理电路即有源滤波器和电压比较器源滤波器和电压比较器 滤波器的作用实质上是滤波器的作用实质上是“选频选频”, ,即允许某一部分频率的信号通过，即允许某一部分频率的信号通过，而使另一部分频率的信号急剧衰减，一般而言，所滤掉的信号为噪声或而使另一部分频率的信号急剧衰减，一般而言，所滤掉的信号为噪声或干扰信号。干扰信号。 有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器，它是在有源滤波器实际上是一种具有特

2、定频率响应的放大器，它是在运算放大器的基础上增加一些运算放大器的基础上增加一些R R、C C等无源元件组成的。等无源元件组成的。滤波器可分为滤波器可分为有源滤波器有源滤波器晶体滤波器晶体滤波器无源滤波器无源滤波器由无源的电抗性元件组成由无源的电抗性元件组成由晶体构成由晶体构成低通滤波器（低通滤波器（LPF Low Pass Filter） 高通滤波器（高通滤波器（HPF High Pass Filter）带通滤波器（带通滤波器（BPF Band Pass Filter）带阻滤波器（带阻滤波器（BEF Band Elimination Filter）滤波器据其工作信号的频率范围可分为：滤波器据其

3、工作信号的频率范围可分为： 有源滤波器的频响有源滤波器的频响RCR1. 1. 一阶一阶RCRC低通滤波器低通滤波器( (无源无源) )iU oU RC10 Cj1RCj1UUio RCj11 0j11 0j11)j (T 7.1.2 7.1.2 低通滤波器低通滤波器传递函数传递函数20)(11)j (T 幅频特性幅频特性20)(11)j (T ioUU0 1幅频特性、幅频特性曲线幅频特性、幅频特性曲线RCRiU oU 该电路的缺点：该电路的缺点：（1）带负载能力差；）带负载能力差；（2）无放大作用；）无放大作用；（3）特性不理想，边沿不陡）特性不理想，边沿不陡0.707 0截止频率截止频率oF

4、11URRRU UU2.2.一阶有源低通滤波器一阶有源低通滤波器iUCj1RCj1U iURCj11 RCj11)RR1(UU1Fio 传递函数传递函数传递函数中出现传递函数中出现 的一次项的一次项,故称为一阶滤波器故称为一阶滤波器201Fio)(11)RR1(UU 幅频特性及幅频特性曲线幅频特性及幅频特性曲线ioUU0 1+RF/R10.707(1+RF/R1) 0RC10 式中式中电路特点电路特点: :1、0 时：时：)RR1(UU1Fio 有放大作用有放大作用2、0 时：时：21)RR1(UU1Fio 幅频特性与一阶无源幅频特性与一阶无源低通滤波器类似低通滤波器类似3、运放输出，带负载能

5、力强。运放输出，带负载能力强。3.3.二阶有源低通滤波器二阶有源低通滤波器 .1Fo.U)RR1(UCj/1UURUURUUo.M.M.M.i. M.M.URCj11UCj/1RCj/1U 0200ioQ1j)(-1AUU)j (A 式中式中1F0RR1A RC10 0A-31Q 传递函数中出现传递函数中出现 的二次项的二次项,故称为故称为二阶滤波器二阶滤波器 当当A Ao o33时，时，QQ =，有源滤波器自激。，有源滤波器自激。幅频特性曲线幅频特性曲线当当2A2A0 031Q1，f=ff=f0 0处的电压增益将大于处的电压增益将大于A A0 0，幅频特性在此处将抬高，幅频特性在此处将抬高0

6、A-31Q 对于对于0)(.QA)j (A0 0200ioQ1j)(-1AUU)j (A 传递函数传递函数7.1.3 7.1.3 高通滤波器高通滤波器1.1.一阶有源高通滤波器一阶有源高通滤波器oF11URRRU UUiUCj1RRU iURC1j-11 RC1j-11)RR1(UU1Fio 传递函数传递函数201Fio)(11)RR1(UU 幅频特性及幅频特性曲线幅频特性及幅频特性曲线RC10 式中式中传递函数传递函数RC1j-11)RR1(UU1Fio ioUU0 1+RF/R10.707(1+RF/R1) 02.2.二阶有源高通滤波器二阶有源高通滤波器式中式中1F0RR1A RC10 0

7、A-31Q 0200ioQ1j-)(-1AUU)j (A结论：结论：(1)(1)当当f ff f0 0时，幅频特性曲线时，幅频特性曲线的斜率为的斜率为+40 dB/dec+40 dB/dec； (2)(2)当当A AO O33时，电路自激。时，电路自激。频率响应特性曲线频率响应特性曲线 可由低通和高通串联得到可由低通和高通串联得到1111CR 必须满足必须满足A0A2A1A0阻阻带带通通带带阻阻带带通通带带OO 1 2 AA0O 2 1通通带带阻阻带带阻阻带带低通特征角频率低通特征角频率2221CR 高通特征角频率高通特征角频率12 7.1.4 7.1.4 有源带通滤波器有源带通滤波器)(jQ

8、1AUUA000iou 1F0RR1A RC10 0A31Q 00QAA 计算方便起见，令计算方便起见，令R R2 2=2R=2R，R R3 3=R=R，则其电压放大倍数为，则其电压放大倍数为式中 带通滤波器的通带宽度一般定义为其电压放大倍数下降为带通滤波器的通带宽度一般定义为其电压放大倍数下降为0.707A0.707A0 0所包含的频带范围，此带通滤波器的通带宽度为：所包含的频带范围，此带通滤波器的通带宽度为： QB0 带通滤波器的对数幅频特性如下图所示带通滤波器的对数幅频特性如下图所示 图中随着图中随着QQ的增大对应的曲线按由上至下顺序排列。可以看的增大对应的曲线按由上至下顺序排列。可以看

9、出，出，QQ越大，通频带越窄，选频特性越好。越大，通频带越窄，选频特性越好。 可由低通和高通并联得到可由低通和高通并联得到必须满足必须满足12 A0A2A1A0阻阻带带通通带带阻阻带带通通带带OO 1 2 AA0O 1 2通通带带阻阻带带通通带带7.1.5 7.1.5 有源带阻滤波器有源带阻滤波器)(1Q1j1AUUA000iou 1F0RR1A RC10 )A2(21Q0 QB0 电压放大倍数为电压放大倍数为式中式中 阻带宽度阻带宽度带通滤波器的对数幅频特性如下图所示带通滤波器的对数幅频特性如下图所示 图中随着图中随着QQ的减小对应的曲线按由上至下顺序排列。可以的减小对应的曲线按由上至下顺序

10、排列。可以看出，看出，QQ越大，阻带宽度越窄，选频特性越好。越大，阻带宽度越窄，选频特性越好。 7.2 7.2 比较器比较器 将一个模拟电压信号与一将一个模拟电压信号与一参考电压参考电压相比较，输出一定的相比较，输出一定的高低电平。高低电平。功能：功能：特性：特性：运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系u uo o=f(u=f(ui i) )是非线性函数。是非线性函数。1. 1. 运放工作在非线性状态的判定：电路开环或引入正反馈。运放工作在非线性状态的判定：电路开环或引入正反馈。运放工作在非线性状态基本分析方法：运放工作在非线性状态基本分析

11、方法：2. 2. 运放工作在非线性状态的分析方法：运放工作在非线性状态的分析方法： 若若U U+ +U U- - 则则U UOO=+U=+UOMOM； 若若U U+ +U U- - 则则U UOO=-U=-UOMOM 虚断（运放输入端电流虚断（运放输入端电流=0=0） 注意：此时不能用虚短！注意：此时不能用虚短！uoui0+UOM-UOM+uoui1. 1. 过零比较器过零比较器: : （门限电平（门限电平=0=0）+uouiuoui0+UOM-UOM一一. .单门限电压比较器单门限电压比较器+uouituituo+Uom-Uom例：利用电压比较器将正弦波变为方波。例：利用电压比较器将正弦波变

12、为方波。2. 2. 单门限比较器（与参考电压比较）单门限比较器（与参考电压比较）uoui0+Uom-UomUREF当当u ui i U UREFREF时时 , u, uo o = +U = +Uomom当当u ui i U UREFREF时时 , u, uo o = -U = -Uomom +uouiUREF+uouiUREFuoui0+Uom-UomUREF当当u ui i U U UREFREF时时 , u, uo o = -U = -Uomom 若若u ui i从反相端输入从反相端输入+uiuoui0+UZ-UZ用稳压管稳定输出电压用稳压管稳定输出电压uo UZuoui0+UOM-UOM

13、+uoui忽略了忽略了UD 限幅电路限幅电路使输出电压稳定使输出电压稳定限幅电路的另一种形式：限幅电路的另一种形式：+uiuo UZR R_uoui0+UZ-UZ二二. . 滞回比较器滞回比较器1 1、因为有正反馈，所以输出饱和。、因为有正反馈，所以输出饱和。2 2、当、当u uo o正饱和时正饱和时(u(uo o =+U =+UOMOM) ) ：+om211+UURRRUT T 3 3、当、当u uo o负饱和时负饱和时(u(uo o =-U =-UOMOM) ) ：-om211+UURRRUT T +uoRR2R1uiU+uoRR2R1uiU+uoui0+Uom-UomUT+UT-设初始值

14、设初始值: ui=-,显然显然uo =+UOM , U+= UT+当当ui 且且ui UT+时时, uo =+UOM , U+= UT+当当ui 到等于到等于 UT+时时, uo =-UOM , U+= UT-当当ui 且且ui UT+时时, uo =-UOM , U+= UT-设初始值设初始值: ui=,显然显然uo =-UOM , U+= UT-当当ui 且且ui UT-时时, uo =-UOM , U+= UT-当当ui 到等于到等于 UT-时时, uo =+UOM , U+= UT+当当ui 且且ui UT+时时, uo =+UOM , U+= UT+电压传输特性电压传输特性uoui0+Uom-UomUT+UT-U UT+T+上门限电压上门限电压U UT-T-下门限电压下门限电压U UT+T+- U- UT-T-称为回差称为回差om211URRR +UT Tom211URRR -UT TtuiUT+UT-tuoUom-Uom例例: :设输入为正弦波设输入为正弦波, , 画出输出的波形。画出输出的波形。+uoRR2R1uiU+REF212Z211TURRRURRRU REF212Z211TURRRURRRU 加上参考电压后的滞回比较器：加上