第九章信号处理与信号产生电路 20161122

1、2022-6-19.1 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*9.4 开关电容滤波器开关电容滤波器（见书（见书P435,本课程不作要求）本课程不作要求）9.5 正弦波振荡电路正弦波振荡电路（分类、原理、振荡条件）（分类、原理、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（见书（见书P444,本课程不作要求）本课程不作要求）9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路第九章第九章 信号处理与信号产生电路信号处理与信号产生电路（大纲第（大纲第8 8章）章）20

2、22-6-112022-6-1本章主要内容涉及信号的处理、信号的产生涉及信号的处理、信号的产生包含：包含：滤波器电路滤波器电路-高通、低通和带通、带阻电路高通、低通和带通、带阻电路信号产生电路信号产生电路-正弦波产生电路、非正弦波产生电路正弦波产生电路、非正弦波产生电路2022-6-11. 基本概念基本概念)()()(iosVsVsA 滤波器：是一种能使有用频率信号通过而同时抑制或衰减无滤波器：是一种能使有用频率信号通过而同时抑制或衰减无 用频率信号的电子装置。用频率信号的电子装置。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

3、时，有时，有 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，相频响应群时延响应群时延响应)( d)(d)(s 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32022-6-19.1 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）高通（高通（HPF）带通（带通（BPF）带阻（带阻（BEF）全通（全通（APF）分类42022-6-11. 低通滤波电路低通滤波电路c01)( sAsA 传 递 函 数传 递 函 数（推导见下页）（推导见下页）2c0)(1)j ( AA其中其中

4、特征角频率特征角频率1f01RRA RC1c 故，幅频相应为故，幅频相应为同相比例同相比例放大系数放大系数9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路52022-6-1传递函数推导见书424c01)( sAsA FViVijVijRjVPcR11c1c1运放输入电流近似为运放输入电流近似为0，R与与C电流相等电流相等RC1c 假设假设jwS 则有则有表示输入减小表示输入减小F倍，倍，故放大倍数减小故放大倍数减小F倍倍2022-6-19.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路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），

5、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72022-6-19.3.2 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电路9.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路82022-6-11. 二阶有源低通滤波电路二阶有源低通滤波电路2. 传递函数传递函数1fF1RRAV )()(PoFsVsVAV )(/1/1)(APsVsC

6、RsCsV 对于滤波电路，有对于滤波电路，有RsVsV)()(Ai sCsVsV/1)()(oA 0)()(PA RsVsV得滤波电路传递函数得滤波电路传递函数)()()(iosVsVsA 2FF)()(31sCRsCRAAVV - -（二阶）（二阶）（同相比例）（同相比例）9.3.1 有源低通滤波电路有源低通滤波电路92022-6-1模拟的一阶滤波器带外衰减是20db/十倍频，而二阶则是40db/十倍频，阶数越高带外衰减越快。可以粗略地认为阶数越高滤波效果越好，但有时可能需要折中考虑相移，稳定性等因素。一阶滤波器和二阶滤波器的区别：阶数越高滤波效果越好。当然，无论电感电容滤波器还是模拟滤波器

7、，算法都会随着阶数的增加变得复杂。 102022-6-12. 传递函数传递函数F0VAA RC1c 令令称为称为通带增益通带增益)()()(iosVsVsA 2FF)()-(31sCRsCRAAVV F31VAQ 称为称为特征角频率特征角频率称为称为等效品质因数等效品质因数则则2cn22c0)( sQsAsA滤波电路才能稳定工作。滤波电路才能稳定工作。时时，即即当当 3 03 FF VVAA注意：注意：112022-6-12. 传递函数传递函数用用 代入，可得传递函数的频率响应：代入，可得传递函数的频率响应： j s2c22c0)()(11lg20)j (lg20QAA 归一化的幅频响应归一化

8、的幅频响应相频响应相频响应2cc)(1arctan)(Q 122022-6-13. 幅频响应幅频响应2c22c0)()(11lg20)j (lg20QAA 归一化的幅归一化的幅频响应曲线频响应曲线132022-6-14. n阶巴特沃斯传递函数阶巴特沃斯传递函数传递函数为传递函数为2nc0)/(1)j ( AA式中式中n为阶滤波电路阶数，为阶滤波电路阶数， c为为3dB截止角频率，截止角频率，A0为通带电为通带电压增益。压增益。142022-6-11. 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。传递函数传递函数2

9、cc220)( sQssAsA2c22c0)(1)(1lg20)j (lg20QAA 归一化的幅频响应归一化的幅频响应9.3.2 有源高通滤波电路有源高通滤波电路152022-6-12. 巴特沃斯传递函数及其归一化幅频响应巴特沃斯传递函数及其归一化幅频响应2n0)/(1)( cAjA 归一化幅频响应归一化幅频响应162022-6-11. 电路组成原理电路组成原理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 9.3.3 有源带通滤波电路有源带通滤波电路结论：RC的值不同，R1C1 R2C217

10、2022-6-19.3.3 有源带通滤波电路有源带通滤波电路2022-6-1182. 例例9.3.2请同学计算中心频率和带宽，画出幅频曲线请同学计算中心频率和带宽，画出幅频曲线2022-6-1 令令传递函数传递函数2FF)()(31)(sCRsCRAsCRAsAVV - -FF03VVAAA- - RC10 F31VAQ 得得20000)(1)( sQsQsAsA 193. 二阶有源带通滤波电路二阶有源带通滤波电路2022-6-1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HL HL 说明：带通滤波电路条件是说明：带通滤波电路条件是9.3.4 二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤

11、波电路20实际设计时把带通电路作为旁路实际设计时把带通电路作为旁路2022-6-19.3.4 二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤波电路21双双T T带阻选频网络带阻选频网络2022-6-19.3.4 二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤波电路22双双T T带阻滤波电路带阻滤波电路2022-6-1 9.3.4 二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤波电路23带阻滤波电路的幅频特性带阻滤波电路的幅频特性2022-6-124正弦波振荡器正弦波振荡器非正弦波振荡器非正弦波振荡器振荡器振荡器波形波形产生机理产生机理反馈式振荡器反馈式振荡器负阻式振荡器负阻式振荡器反馈型反馈型LC振荡器振荡器反馈型反馈型RC振荡

12、器振荡器 本节主要介绍反馈型振荡器的工作原理。本节主要介绍反馈型振荡器的工作原理。石英晶体振荡器石英晶体振荡器9.5 正弦波振荡电路正弦波振荡电路振荡器的分类振荡器的分类25 正弦波振荡器可分成两大类： 一类是利用正反馈原理构成的反馈型振荡器，它是目前应用最多的一类振荡器（本课程）（本课程）； 另一类是负阻振荡器，它是将负阻器件直接接到谐振回路中，利用负阻器件的负电阻效应去抵消回路中的损耗，从而产生等幅的自由振荡，这类振荡器主要工作在微波频段。从原理上分类2022-6-1图 电阻器件的伏安特性 （a）正电阻器件 （b）电压控制型负阻器件 (c) 电流控制型负阻器件 负电阻是流过其间的电流越大，

13、电阻两端电压越小，故电流、电压增量的方向相反，两者的乘积为负值，如图（b）、(c)所示： VI R 本页了解27振荡器本质n正弦波振荡器是一种将直流电能自动转换成所需交流电能的电路。它与放大器的区别在于这种转换不需外部信号的控制。振荡器输出的信号频率、波形、幅度完全由电路自身的参数决定。28 应用场合： 正弦波振荡器在各种电子设备中有着广泛的应用。例如，无线发射机中的载波信号源，接收设备中的本地振荡信号源，各种测量仪器如信号发生器、频率计、T测试仪中的核心部分以及自动控制环节，都离不开正弦波振荡器。 指标：输出f范围；输出幅度范围； f稳定度。 振荡器的应用和指标2022-6-129反馈型振荡

14、器的基本工作原理n反馈型振荡器是通过正反馈联接方式实现等幅正弦振荡的电路。这种电路由三部分组成，一是放大电路，二是选频网络，三是正反馈网络（有时称为两部分组成，把选频和正反馈合为一部分），见图。放大电路A选频网络0正反馈网络FUi Ui =AUi Ui,=AFUi 30图 反馈振荡器的组成方框图及相应电路(a)放大器反馈网络UfUiUoUfUfUoUiUfLfLC谐振放大器反馈网络(b)反馈振荡器框图31平平衡衡 起振要求起振要求：(1) 接通电源后能够从无到有，从小到大建立起接通电源后能够从无到有，从小到大建立起具有某一固定频率的正弦波输出。具有某一固定频率的正弦波输出。 (信号源信号源,正

15、反馈正反馈,选频选频) 平衡要求：平衡要求： (2)振荡器在进入稳态后能维持一个等幅连续的振荡器在进入稳态后能维持一个等幅连续的振荡（从变大到保持不变）。振荡（从变大到保持不变）。(增益随着输入的增大而减小增益随着输入的增大而减小) 稳定要求：稳定要求：(3)当外界因素发生变化时，电路的稳定状态不受当外界因素发生变化时，电路的稳定状态不受到破坏（保持输出不变）。到破坏（保持输出不变）。(负反馈负反馈)振荡器保证性能的三点要求起振起振稳定稳定2022-6-132振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？起振的信号源来自何处？接通电源

16、瞬间引起的电压、电流突变，电路器件内部噪声等。接通电源瞬间引起的电压、电流突变，电路器件内部噪声等。 初始信号中，满足相位平衡条件的某一频率初始信号中，满足相位平衡条件的某一频率 0的信号被保的信号被保留（被选出），成为等幅振荡输出信号。留（被选出），成为等幅振荡输出信号。（从无到有）（从无到有） 然而，一般初始信号很微弱，放大很小，易被干扰信号淹没，然而，一般初始信号很微弱，放大很小，易被干扰信号淹没，不能形成一定幅度的输出信号。因此，起振阶段要求不能形成一定幅度的输出信号。因此，起振阶段要求（由弱到强）（由弱到强）起振条件起振条件1)()(00FA2)()(0f0an9.5.1 振荡器的起

17、振条件振荡器的起振条件33起振条件分析振荡过程描述（A是放大系数；F是反馈系数；T(j)表示环路增益） 第一次循环：UiAUiAFUi 第二次循环：AFUiA2FUi（AF）2Ui第n次循环：（AF）（n-1）UiA（AF）（n-1）UiAF（AF）（n-1） Ui =（AF）nUi放大电路A选频网络0正反馈网络FUi Ui =AUi Ui,=AFUi 任意第n次循环，信号由小到大的条件：AF1，正反馈第n次循环前后的通式:（AF）（n-1） Ui =（AF）nUi9.5.1 振荡器的起振条件小结振荡器的起振条件小结第n次循环前后的通式:（AF）（n-1） Ui =（AF）nUi任意第n次循环

18、，信号由小到大的条件：AF1，正反馈所以等幅振荡的起振条件为所以等幅振荡的起振条件为2)()(fan起振相位条件起振相位条件1)()(00FA起振幅度条件起振幅度条件2022-6-135负反馈稳定电路。负反馈稳定电路。若环路增益若环路增益1 FA则则， fidXX去掉去掉， iXoX仍有稳定的输出。仍有稳定的输出。 又又fafa AFFAFA所以等幅振荡条件为所以等幅振荡条件为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 Xo 基基本本放放大大 电电路路 Xid A Xf+Xi反反馈馈网网络络F 正反馈产生自激振正反馈产生自激振荡。（注意与负反馈荡。（注意与

19、负反馈方框图的差别）方框图的差别）9.5.2 振荡器的平衡条件振荡器的平衡条件1800180036 振荡器起振后，振荡幅度不会无限增长下去，而是在某一点处于平衡状态。因此，反馈振荡器既要满足起振条件，又要满足平衡条件。在接通电源后，依据放大器大振幅的非线性抑制作用，环路增益T(j)必具有随振荡器电压振幅Ui增大而下降的特性，如下图所示。 平衡条件分析UiAT(j)Ui10AA点2022-6-12022-6-137 平衡表示，平衡表示，第n次循环时输出信号与输入相等，输出信号与输入相等，所以：振幅平衡条件从所以：振幅平衡条件从 AF1 到到AF=1 。（由增到稳）（由增到稳）平衡条件分析（黄色底

20、纹部分）第n次循环前后信号通式：（AF）（n-1）Ui（AF）nUi放大到一定程度放大到一定程度(A点点)时时,放大倍数下降（进入非线性区域）放大倍数下降（进入非线性区域）2022-6-12022-6-138 以上分析了保证振荡器由弱到强地建立起振荡的以上分析了保证振荡器由弱到强地建立起振荡的起振条件和产生等幅振荡的平衡条件。起振条件和产生等幅振荡的平衡条件。 实际上，平衡状态下的振荡器仍然受到外界因素变化的实际上，平衡状态下的振荡器仍然受到外界因素变化的影响而可能引起幅度和频率不稳。因此，还应该分析保证振影响而可能引起幅度和频率不稳。因此，还应该分析保证振荡器的平衡状态不因外界因素变化而受到

21、破坏的稳定条件荡器的平衡状态不因外界因素变化而受到破坏的稳定条件(这里这里,外界因素变化有一定限制外界因素变化有一定限制)。 稳定条件也分为稳定条件也分为振幅稳定振幅稳定与与相位稳定相位稳定两种。以下分别讨论之。两种。以下分别讨论之。9.5.3 振荡器的振荡器的 稳定条件稳定条件稳定不稳定2022-6-12022-6-139 要保证外界因素变化时振幅相对稳定，就是要：当振幅变要保证外界因素变化时振幅相对稳定，就是要：当振幅变化时，化时，AF的大小朝反方向变化。的大小朝反方向变化。0:omQomomVVVA振幅稳定条件1）振幅平衡的稳定条件）振幅平衡的稳定条件2022-6-12022-6-140

22、 相位稳定条件是指相位平衡条件遭到破坏时，相位平相位稳定条件是指相位平衡条件遭到破坏时，相位平衡能重新建立，且仍能保持相对稳定的振荡频率。衡能重新建立，且仍能保持相对稳定的振荡频率。外部外部扰动扰动 稳定原理：稳定原理： 频率频率 相位相位 频率频率 tttd)()(2）相位平衡的稳定条件）相位平衡的稳定条件由公式推导由并联选频电路得2022-6-141 12QQ 0011L0jQAAvv00arctanQ外界因素的变化同样会破坏相位平衡条件，使环路相移偏离2n。相位稳定条件是指相位条件一旦被破坏时环路能自动恢复T=2n所应具有的条件。42 可见，振荡电路中，依靠具有负斜率相频特性的谐振回路来

23、满足相位稳定条件的，且越大，Z()随增加而下降的斜率就越大，振荡器的频率稳定度也就越高。振荡器的频率稳定度稳定更快稳定43 (1) 放大电路。 (2) 正反馈网络。 (3) 选频网络（有时与反馈网络合二为一）与反馈网络合二为一） (4) 稳幅环节（有时与上面网络合二为一）与上面网络合二为一）9.5.4 正弦振荡电路的基本组成 从上面的讨论可知，要使反馈振荡器能够产生持续的等幅从上面的讨论可知，要使反馈振荡器能够产生持续的等幅振荡，必须满足振荡的起振条件、平衡条件和稳定条件，它们振荡，必须满足振荡的起振条件、平衡条件和稳定条件，它们是缺一不可的。因此，反馈型正弦波振荡器应该包括：是缺一不可的。因

24、此，反馈型正弦波振荡器应该包括：2022-6-144原理框图与满足条件的实际电路1、放大（合适偏置，放大到一定程度，进入非线性区域满足条件AF1，AF=1；平衡点附近有d AF /d Ui0 ）2、反馈（正）支路（T=n 2，AF1 ）3、选频（并联）支路（选出所需频率，相位特性为d/df0）满足条件的实际电路分析45反馈型振荡器原理小结反馈型振荡器是由放大器和反馈网络组成的一个闭合环路, 放大器通常是以某种选频网络(振荡回路)作负载, 是一调谐放大器, 反馈网络一般是由无源器件组成的线性网络。 2022-6-146去掉去掉， iXoX仍有稳定的输出。仍有稳定的输出。 Xo 基本放大基本放大

25、电路电路 Xid A Xf+Xi反馈网络反馈网络F 正反馈产生自激振正反馈产生自激振荡。（注意与负反馈荡。（注意与负反馈方框图方框图Xf的差别）的差别）由正反馈的观点来决定振荡的电路正负选频含在放大2022-6-12022-6-11. 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. 稳幅措施稳幅措施9.6 R C 正弦波振荡电路正弦波振荡电路2022-6-1472022-6-1反馈网络兼做选频反馈网络兼做选频网络网络RC桥式振荡电路桥式振荡电路1. 电路组成电路组成图见书P4402022-6-1482022-6-1 C C

26、R oUfUR 低频段：低频段：高频段：高频段：。，900 0FfUf。，900 FfUf在频率从在频率从0中必有一个频率中必有一个频率f0，F0o。1、RC串并联选频网络串并联选频网络高通高通电路电路低通低通电路电路合成一个合成一个带通电路带通电路 R1 Rf C C R oUfUA - - + R C C R oUfUR ffffjRCRCjCjRCjRCjRUUFof00311311/11/200231ffffFffffF0031arctan50200231ffffFffffF0031arctan 31F0ff o90F0ffo90o0031FoFff，时，当荡。条件，电路能够产生振和幅

27、度平衡同时满足相位平衡条件，此时，则若13FAA3A起振条件：即 为为振荡频，2 R1fo512022-6-1当当2002)(31 VF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 3)(arctan00f 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2022-6-1522022-6-1此时若放大电路的电压增益为此时若放大电路的电压增益为 用瞬时极性法判断可知，电用瞬时极性法判断可知，电路满足相位平衡条件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 当当RC10 时，时，2fan 311f RR

28、AV1313 VVFA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正弦波振荡电路一般用于产生频率低于正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波的正弦波3. 振荡电路工作原理振荡电路工作原理频率高于频率高于 1 MHz 的正弦波，一般用的正弦波，一般用LC正弦波振荡电路。正弦波振荡电路。2022-6-153 原因原因：要提高其振荡频率，必须减小要提高其振荡频率，必须减小 R 和和 C 的值，放大的值，放大器的输出电阻和晶体管的极间电容将影响其选频特性，输出器的输出电阻和晶体管的极间电容将影响其选频特性，输出频率不稳定。频率不稳定。何限制？的取值有和则电路

29、中，根据起振条件：13RRAf R1 Rf C C R oUfUA - - + R 11231RRRRAff，的频率和幅度？思考：如何调节振荡器RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波。的正弦波。RCf210311f RRAV542022-6-1采用非线性元件采用非线性元件4负温度系数热敏元件负温度系数热敏元件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 功功耗耗 fR 温温度度 fR 阻阻值值 fR3 VA1 VVFA稳幅稳幅 VA见书P443思考：当温度上升时.提示此时A先变

30、大.4. 稳幅措施稳幅措施55见上公式2022-6-1采用非线性元件采用非线性元件稳幅稳幅4二极管二极管稳幅原理稳幅原理 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和和、是是其其中中2133DD RR 3R稳幅环节稳幅环节56思考：设计一个频率为1K的正弦波振荡电路（设C=0.01uF）典型稳幅正弦波振荡电路2022-6-19.7.2 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 LC正弦波振荡电

31、路正弦波振荡电路57（见书（见书P444,本课程不作要求）本课程不作要求）2022-6-19.8.2 方波产生电路方波产生电路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单门限电压比较器单门限电压比较器（门限有（门限有0和非和非0两种）两种） (双向比较器双向比较器)迟滞比较器迟滞比较器（门限随着输出不同而不同）（门限随着输出不同而不同）集成电压比较器（转换速率高）集成电压比较器（转换速率高）9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路582022-6-1集成运放的非线性应用集成运放的非线性应用电压比较器电压比较器 当集成运放工作在开环状态时，由于它的开环电压放大倍

32、数很大，即使在两输入端之间输入一个微小的信号，也能使运放饱和而进入非线性状态。 电压比较器便是根据这一原理工作的。 电压比较器就是将一个模拟量的电压信号去和一个参考电压相比较，在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变在二者幅度相等的附近，输出电压将产生跃变。 所以，通常电压比较器输入的是连续变化的模拟信号，输出的是以高、低电平为特征的数字信号或脉冲信号。 电压比较器广泛地用于越限报警、模/数转换、波形变换及信号测量等方面。 UouiUR(b)AAUoAAuiUR(a) 一、电压比较器的工作原理一、电压比较器的工作原理 图 9 -22 为电压比较器电路。 其中，（a）图为反相型电压比较器，（b）

33、图为同相型电压比较器。以图 9- 23 的电压比较器为例，输入信号ui加于集成运放的反相输入端，UR为参考电压，接在同相输入端。 根据9.4.2节中关于集成运放在非线性区工作特点的分析， 我们可对图 9- 23中的反相型电压比较器的工作原理说明如下 当 uiUR 时，差动输入信号UA-UA0, uo=+Uom 当 uiUR时， 差动输入信号UA-UA0，uo=-Uom图 9 22 简单的电压比较器电路 UouiUR(b)AAUoAAuiUR(a)(a)uo Uom UomOuiUR(b)UoAAuiUR图 9-23 反相电压比较器及传输特性 也就是说，当输入电压uiUR时，电路反转，输出负饱和

34、电压-Uom；当输入电压uiUR时，电路反转，输出正饱和电压 +Uom。 二、传输特性二、传输特性 传输特性就是输出电压和输入电压的关系特性。根据9.7.1节中比较器的工作原理分析，反相电压比较器的传输特性如图 9- 23（b）所示。 三、过零比较器三、过零比较器 在图 9- 23 的反相电压比较器中，当参考电压UR=0时， 该电路就变为一个过零比较器。其关系是： 当ui0， UA0时, Uo=-Uom 当ui0， UA0时， Uo=+Uom 过零比较器的电路和传输特性如图 9- 24 所示。 利用这个特性，可以进行波形变换。例如，将输入的正弦波变换成矩形波电压输出。 图 9 -25就是将图（

35、a）中的正弦波输入到过零比较器， 然后在t1、t2、 t3等时刻反转成图（b）的矩形波输出。 图 9 24 过零比较器及其传输特性Uoui(a)(b)uo Uom UomOui图 9 25 过零比较器的波形转换uiOt1t2t3tuoOt1t2t3tUom2022-6-19.8.1 电压比较器电压比较器，由于，由于|vO |不可能超过不可能超过VM ，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，开环，虚短虚短不成立不成立增益增益A0大于大于105MI0OVA vv（忽略了放大器输出级的饱和压降）（忽略了放大器输出级的饱和压降）MOmaxV v所以所以当当

36、 |+VCC | = |-VCC | =VM = 15V，A0=105 时，时，0mV15. 0V1015 50M AV可以认为可以认为vI 0 时，时， vOmax = +VCCvI 0 时，时， vOmax = -VCC（过零比较器）（过零比较器）运算放大器工作在非线性状态下运算放大器工作在非线性状态下 MCCCC VVV 假假设设- -VCCvO+VCC时时， 0MAV|vI|662022-6-1Uoui(a )(b )uoUomUomOui9.8.1 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，开环，虚短虚短不成立不成立增益增

37、益A0大于大于105 输入为正负对称的正弦输入为正负对称的正弦波时，输出为方波。波时，输出为方波。电压传输特性电压传输特性- -VCCvO+VCC2022-6-167输入端在反相端和同相端输入端在反相端和同相端输出相反，见左两个图，输出相反，见左两个图，后面不重复。后面不重复。2022-6-19.8.1 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）门限电压不为门限电压不为零的比较器零的比较器电压传输特性电压传输特性-本图中只有本图中只有输入大于输入大于VREF时输出为正（虚时输出为正（虚线是输入信号接反相端）线是输入信号接反相端）（门限电压为（门限电压为VREF）68202

38、2-6-1uiRUREFuouiRUREFuouiuouoOUREFui Uom UomuoOUREF Uom UomuiuoO Uom Uomui(a)(c)(e)(b)(d)( f )图 单门限电压比较电路典型单门限电压比较电路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）门限电压不为门限电压不为零的比较器零的比较器（门限电压为（门限电压为VREF）(a) VREF0时时(b) VREF2V时时 (c) VREF4V时时 vI为峰值为峰值6V的三角波，设的三角波，设VCC12V，运放为理想器件。，运放为理想器件。 可以用于占空比调节可以用于占空比调节2022-

39、6-170双向比较器双向比较器-双限比较器（窗口比较器）双限比较器（窗口比较器） 图电路由两个LM339组成一个窗口比较器。当被比较的信号电压Uin位于门限电压之间时（UR1UinUR2或UinUR1）输出为低电位（UO=UOL），窗口电压U=UR2-UR1。它可用来判断输入信号电位是否位于指定门限电位之间。2022-6-1应为高电平应为高电平产生了错产生了错误电平误电平72 为避免为避免产生错误电产生错误电平，引出迟平，引出迟滞比较器滞比较器提高单门限比较器的抗干扰能力提高单门限比较器的抗干扰能力2022-6-1迟滞比较器迟滞比较器又可理解为加正反馈的单限比较器。前面介绍的单限比较器，如果输

40、入信号Uin在门限值附近有微小的干扰，则输出电压就会产生相应的抖动（起伏）。在电路中引入正反馈可以克服这一缺点。2022-6-19.8.1 电压比较器电压比较器2. 迟滞比较器迟滞比较器-门限电压与门限电压与U0有关有关（1）电路组成电路组成（2）门限电压门限电压为门限电压，为门限电压， Pv门限电压门限电压的的两两个个的的两两个个电电压压值值可可得得有有关关，对对应应于于与与而而POOPvvvv)( OLOPI低电平低电平时，时，V vvv)( OHOPI高电平高电平时，时，V vvv21OH221REF1TRRVRRRVRV 21OL221REF1TRRVRRRVRV 上门限电压上门限电压

41、下门限电压下门限电压回差电压回差电压21OLOH2TTT)(RRVVRVVV 2022-6-174推导见书P455，运用叠加定理2022-6-1迟滞比较器小结迟滞比较器小结-门限电压与输出状态有关门限电压与输出状态有关设：门限电压为设：门限电压为VP，因为加有正反馈支路，因为加有正反馈支路，输出会反馈部分到比较端，叠加到门限电压输出会反馈部分到比较端，叠加到门限电压VP上，使实际的门限电压改变（见例题）上，使实际的门限电压改变（见例题）)( OLOPI低电平低电平时，时，V vvv)( OHOPI高电平高电平时，时，V vvv此时，实际的门限电压减小，为此时，实际的门限电压减小，为VT- ，见

42、左图；输入在见左图；输入在5V左右时，左右时，输出为低电平，输出为低电平， VT-为为-5V左右，有部分干扰左右，有部分干扰信号，只要不变为负的就不会影响输出。信号，只要不变为负的就不会影响输出。此时，实际的门限电压增加，为此时，实际的门限电压增加，为VT+ ，见左图，输入在见左图，输入在-5V左右时，左右时，输出为高电平，输出为高电平， VT+为为-5V左右，有部分干扰信号只要左右，有部分干扰信号只要不变为正的就不会影响输出不变为正的就不会影响输出2022-6-19.8.1 电压比较器电压比较器2. 迟滞比较器迟滞比较器（3 3）传输特性传输特性21OH221REF1TRRVRRRVRV 2

43、1OL221REF1TRRVRRRVRV 2022-6-1762022-6-1解：解：（1）门限电压）门限电压（3）输出电压波形输出电压波形电路如图所示，试求门限电压，画出传输特性和图电路如图所示，试求门限电压，画出传输特性和图c所示输所示输入信号下的输出电压波形。入信号下的输出电压波形。（2）传输特性）传输特性V521OH221REF1T RRVRRRVRVV521OL221REF1T RRVRRRVRV 0REF V0V 1O V2022-6-177例例2022-6-1通过上述几种电压比较器的分析，可得出如下结论：通过上述几种电压比较器的分析，可得出如下结论：（1）用于电压比较器的运放，通

44、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VOH和低电平和低电平VOL两种情况。两种情况。（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）一般用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数关系。关系。（3）电压传输特性的关键要素）电压传输特性的关键要素 输出电压的高电平输出电压的高电平VOH和低电平和低电平VOL 门限电压门限电压 输出电压的跳变方向输出电压的跳变方向令令vPvN所求出的所求出的vI就是门限电压就是门限电压vI等于门限电压时输出电压发生跳变等于门限电压时输出电压发生跳变跳变方向

45、取决于是同相输入方式还是反相输入方式跳变方向取决于是同相输入方式还是反相输入方式2022-6-1782022-6-19.8.1 电压比较器电压比较器3. 集成电压比较器集成电压比较器-见书见书P460集成电压比较器与集成运算放大器比较：集成电压比较器与集成运算放大器比较： 开环增益低、失调电压大、共模抑制比小，灵敏度往往不如开环增益低、失调电压大、共模抑制比小，灵敏度往往不如用集成运放构成的比较器高。用集成运放构成的比较器高。 但集成电压比较器中无频率补偿电容，因此转换速率高，改但集成电压比较器中无频率补偿电容，因此转换速率高，改变输出状态的典型响应时间是变输出状态的典型响应时间是30200

46、ns。 相同条件下相同条件下741集成运算放大器的响应时间为集成运算放大器的响应时间为30 s左右。左右。792022-6-19.8.2 方波产生电路方波产生电路1. 电路组成（多谐振荡电路）电路组成（多谐振荡电路）稳压管双稳压管双向限幅向限幅802022-6-19.8.2 方波产生电路方波产生电路2. 工作原理工作原理 由于迟滞比较器中正反馈由于迟滞比较器中正反馈的作用，电源接通后瞬间，输的作用，电源接通后瞬间，输出便进入饱和状态。出便进入饱和状态。假设为正向饱和状态假设为正向饱和状态2022-6-1812022-6-13. 占空比可变的方波产生电路占空比可变的方波产生电路9.8.2 方波产

47、生电路方波产生电路822022-6-19.8.3 锯齿波产生电路锯齿波产生电路end同相输入迟同相输入迟滞比较器滞比较器积分电路积分电路充放电时间充放电时间常数不同常数不同832022-6-11. 基本概念基本概念)()()(iosVsVsA 滤波器：是一种能使有用频率信号通过而同时抑制或衰减无滤波器：是一种能使有用频率信号通过而同时抑制或衰减无 用频率信号的电子装置。用频率信号的电子装置。有源滤波器：有源滤波器：由有源器件构成滤波器，对有用频率信号有放大作用。由有源器件构成滤波器，对有用频率信号有放大作用。滤波电路传递函数定义滤波电路传递函数定义84本章小结本章小结无源滤波器：无源滤波器：滤

48、波器中不含有源器件，对有用频率信号无放大作用。滤波器中不含有源器件，对有用频率信号无放大作用。 j s2022-6-1本章小结本章小结2. 分类分类低通（低通（LPF）高通（高通（HPF）带通（带通（BPF）带阻（带阻（BEF）全通（全通（APF）分类852022-6-11. 低通滤波电路低通滤波电路c01)( sAsA 传递函数传递函数2c0)(1)j ( AA其中其中特征角频率特征角频率1f01RRA RC1c 故，幅频相应为故，幅频相应为同相比例同相比例放大系数放大系数9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路862022-6-19.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路2. 高通滤波电路高

49、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872022-6-1模拟的一阶滤波器带外衰减是20db/十倍频，而二阶则是40db/十倍频，阶数越高带外衰减越快。可以粗略地认为阶数越高滤波效果越好，但有时可能需要折中考虑相移，稳定性等因素。一阶滤波器和二阶滤波器的区别：阶数越高滤波效果越好。当然，无论电感电容滤波器还是模拟滤波器，算法都会随

50、着阶数的增加变得复杂。 882022-6-11. 电路组成原理电路组成原理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 9.3 有源带通滤波电路有源带通滤波电路结论：RC的值不同，R1C1 R2C2892022-6-1 令令传递函数传递函数2FF)()(31)(sCRsCRAsCRAsAVV - -FF03VVAAA- - RC10 F31VAQ 得得20000)(1)( sQsQsAsA 902. 典型二阶有源带通滤波电路典型二阶有源带通滤波电路2022-6-1可由低通和高通并联得到可由低

51、通和高通并联得到必须满足必须满足HL HL 说明：带通滤波电路条件是说明：带通滤波电路条件是9.4 二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤波电路912022-6-1典型二阶有源带阻滤波电路典型二阶有源带阻滤波电路92双双T T带阻滤波电路带阻滤波电路带阻滤波电路的幅频特性带阻滤波电路的幅频特性2022-6-193正弦波振荡器正弦波振荡器非正弦波振荡器非正弦波振荡器振荡器振荡器波形波形产生机理产生机理反馈式振荡器反馈式振荡器负阻式振荡器负阻式振荡器反馈型反馈型LC振荡器振荡器反馈型反馈型RC振荡器振荡器 本节主要介绍反馈型正弦波振荡器的工作原理。本节主要介绍反馈型正弦波振荡器的工作原理。石英晶体振荡

52、器石英晶体振荡器9.5 正弦波振荡电路正弦波振荡电路振荡器的分类振荡器的分类94 正弦波振荡器可分成两大类： 一类是利用正反馈原理构成的反馈型振荡器，它是目前应用最多的一类振荡器（本课程）（本课程）； 另一类是负阻振荡器，它是将负阻器件直接接到谐振回路中，利用负阻器件的负电阻效应去抵消回路中的损耗，这类振荡器主要工作在微波频段。从原理上分类正弦波振荡器定义：n正弦波振荡器是一种将直流电能自动转换成n所需交流电能的电路。它与放大器的区别在于n这种转换不需外部信号的控制。振荡器输出的n率、波形、幅度完全由电路自身的参数决定。95 应用场合： 正弦波振荡器在各种电子设备中有着广泛的应用。例如，无线发

53、射机中的载波信号源，接收设备中的本地振荡信号源，各种测量仪器如信号发生器、频率计、T测试仪中的核心部分以及自动控制环节，都离不开正弦波振荡器。 指标：输出f范围；输出幅度范围； f稳定度。 振荡器的应用和指标96平平衡衡 起振要求起振要求：(1) 接通电源后能够从无到有，从小到大建立起接通电源后能够从无到有，从小到大建立起具有某一固定频率的正弦波输出。具有某一固定频率的正弦波输出。 (信号源信号源,正反馈正反馈,选频选频) 平衡要求：平衡要求： (2)振荡器在进入稳态后能维持一个等幅连续的振荡器在进入稳态后能维持一个等幅连续的振荡（从变大到保持不变）。振荡（从变大到保持不变）。(增益随着输入的

54、增大而减小增益随着输入的增大而减小) 稳定要求：稳定要求：(3)当外界因素发生变化时，电路的稳定状态不受当外界因素发生变化时，电路的稳定状态不受到破坏（保持输出不变）。到破坏（保持输出不变）。(负反馈负反馈)振荡器保证性能的三点要求起振起振稳定稳定稳定的振荡器工作波形示意图稳定的振荡器工作波形示意图2022-6-197振荡器的振荡条件振荡器的振荡条件（公式描述的条件）（公式描述的条件）1)()(00FA2)()(0f0an0omQomomVVVA起振条件起振条件振荡器的平衡条件振荡器的平衡条件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振荡器的振荡器的 稳定

55、条件稳定条件0)(ZFZY 放大电路A选频网络0正反馈网络FUi Ui =AUi Ui =AUi Ui=AFUi 振幅起振条件振幅起振条件相位起振条件相位起振条件振幅稳定条件振幅稳定条件相位稳定条件相位稳定条件98 (1) 放大电路。 (2) 正反馈网络。 (3) 选频网络（有时与反馈网络合二为一）与反馈网络合二为一） (4) 稳幅环节（有时与上面网络合二为一）与上面网络合二为一） 正弦振荡电路的基本组成 从上面的讨论可知，要使反馈振荡器能够产生持续的等幅从上面的讨论可知，要使反馈振荡器能够产生持续的等幅振荡，必须满足振荡的起振条件、平衡条件和稳定条件，它们振荡，必须满足振荡的起振条件、平衡条

56、件和稳定条件，它们是缺一不可的。因此，反馈型正弦波振荡器应该包括：是缺一不可的。因此，反馈型正弦波振荡器应该包括：2022-6-1991、放大（合适偏置-软自激,放大倍数随输入大小自动调整-放大的非线性,在不同时间满足条件AF1，AF=1； AF / Ui0）2、反馈（正）支路（T=n 2，使AF1 ）3、选频（并联）支路（ / f0稳定相位，选出所需频率 ）对应条件的实际电路框图分析电路名称放大（平衡点附近A随输入变化反向变化）反馈（正）支路选频（并联）支路满足条件（或电路目的）AF1，AF=1； AF / Ui0T=n 2AF始终稳定大于等于1 / f0选出所需频率，稳定相位条件的分析放大

57、到一定程度失真自身非线性限幅；负斜率（软自激）必须正反馈w=wo时输出最大，选出需要的信号；并联谐振电路负斜率的相频特性 2022-6-11. 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. 稳幅措施稳幅措施9.6 典型典型R C 正弦波振荡电路正弦波振荡电路2022-6-11002022-6-1反馈网络兼做选频反馈网络兼做选频网络网络RC桥式振荡电路桥式振荡电路1. 电路组成电路组成图见书P4372022-6-11012022-6-1 C C R oUfUR 低频段：低频段：高频段：高频段：。，900 0FfUf。，900

58、 FfUf在频率从在频率从0中必有一个频率中必有一个频率f0，F0o。1、RC串并联选频网络串并联选频网络高通高通电路电路低通低通电路电路合成一个合成一个带通电路带通电路 R1 Rf C C R oUfUA - - + R C C R oUfUR ffffjRCRCjCjRCjRCjRUUFof00311311/11/200231ffffFffffF0031arctan103200231ffffFffffF0031arctan 31F0ff o90F0ffo90o0031FoFff，时，当荡。条件，电路能够产生振和幅度平衡同时满足相位平衡条件，此时，则若13FAA3A起振条件：1042. RC

59、串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性即为振荡频率，RCof212022-6-1此时若放大电路的电压增益为此时若放大电路的电压增益为 用瞬时极性法判断可知，电用瞬时极性法判断可知，电路满足相位平衡条件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 当当RC10 时，时，2fan 311f RRAV1313 VVFA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正弦波振荡电路一般用于产生频率低于正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波的正弦波3. 振荡电路工作原理振荡电路工作原理频率高于频率高于 1 MHz 的正弦波

60、，一般用的正弦波，一般用LC正弦波振荡电路。正弦波振荡电路。2022-6-11052022-6-1采用非线性元件采用非线性元件4负温度系数热敏元件负温度系数热敏元件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 功功耗耗 fR 温温度度 fR 阻阻值值 fR3 VA1 VVFA稳幅稳幅 VA见书P439思考：当温度上升时.提示此时A先变大.4. 稳幅措施稳幅措施106见上公式2022-6-1采用非线性元件采用非线性元件稳幅稳幅4二极管二极管稳幅原理稳幅原理 oV3 VA1 VVFA稳幅稳幅 VA31132 RRRAV起振时起振时联联支