西安交大模电课件

7.1电子系统概述7信号检测与处理电路传感器放大器滤波器增益调整采样保持A/D

转换器计算机系统总线控制电路信号检测系统基本框图7.1电子系统概述7信号检测与处理电路传感器放大器滤波传感器放大器滤波器增益调整采样保持A/D

转换器计算机系统总线控制电路提取测信号放大测量信号抑制干扰信号进一步去除无用信号联系处理系统的桥梁信号加工处理系统传感器放大器滤波器增益调整采样保持A/D转换器计算机7.2.1测量放大器应用：热电偶、应变电桥、流量计、生物电测量等7.2信号检测系统中的放大电路共模抑制比高输入抗阻高主要特点常用于测量直流缓变微弱信号7.2.1测量放大器应用：热电偶、应变电桥、流量计、生物1.三运放测量放大器b.电阻R3、R4、R5、R6要精密配合（R3=R5、R4=R6）a.运放A1、A2的特性一致性对电路要求：（1）基本电路图A1A2A3+_b1b2+_i––+++–1.三运放测量放大器b.电阻R3、R4、R5、R6要精密由图可知（2）电路分析A1A2A3+_b1b2+_i––+++–由图可知（2）电路分析A1A2A3+_b1b2+_i––++A1A2A3+_b1b2+_i––+++–A1A2A3+_b1b2+_i––+++–输出信号共模信号uIc无关令因此，放大器具有很高的抑制共模信号的能力。输出信号共模信号uIc无关令因此，放大器具有很高的抑制共2.单片集成测量放大器AD521集成化的三运放测量放大器。性能指标：(2)输入阻抗3109。(3)增益带宽大于2MHz。(4)电压放大倍数0.1~1000(5)电源电压±(5~18)V。(6)过载能力较强，动态特性好。(1)共模抑制比120dB。2.单片集成测量放大器AD521集成化的三运放测量放大器。(1)引脚说明1234567891011131214OUTOFFSETV–-INRG+INSENSEREFRsCOMPOFFSETRsV+RG(1)引脚说明1234567891011131214OU(2)基本连接方式图123456781011121314AD521+–(2)基本连接方式图123456781011121317.2.2隔离放大器特点：信号传递的主要方式：电磁耦合，即经过变压器传递信号光电耦合输入回路与输出回路之间是电绝缘的。7.2.2隔离放大器特点：信号传递的主要方式：电磁耦合二极管——三极管型1.光电耦合隔离放大器光电耦合器原理图二极管——二极管型IoIiIiIo二极管——三极管型1.光电耦合隔离放大器光电耦合器原理图二b.采用负反馈技术光电耦合器的特点a.耦合器中的发光和光敏元件都是非线性器件。b.非线性器件传输模拟信号将会导致信号失真。克服非线性失真采取的主要措施a.给非线性器件施加合适的直流偏置，在小范围内线性传输信息。b.采用负反馈技术光电耦合器的特点a.耦合器中的发光和光敏一种典型的光电耦合隔离放大器

CA1O1A2+15V+5V-15V-15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1一种典型的光电耦合隔离放大器CA1O1A2+15V+

CA1O1A2+15V+5V-15V-15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1电压并联负反馈CA1O1A2+15V+5V-15V-15V+15V

CA1O1A2+15V+5V-15V-15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1电压串联负反馈电压并联负反馈CA1O1A2+15V+5V-15V-15V+15V串联负反馈的判断

CA1O1A2+15V+5V-15V-15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1电压串联负反馈电压并联负反馈串联负反馈的判断CA1O1A2+15V+5V-15V工作原理O1、O2特性相同R1=R4+RWR1=R4+RW

CA1O1A2+15V+5V-15V-15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1工作原理O1、O2特性相同R1=R4+RWR1=R4+RWuCE2uCE1=uCE2uCE1O1、O2特性相同R1=R4+RWR1=R4+RW

CA1O1A2+15V+5V-15V-15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1uCE2uCE1=uCE2uCE1O1、O2特性相同R1=uO=uCE1uI=uCE2uO

=uIuCE2uCE1=uCE2uCE1

CA1O1A2+15V+5V-15V-15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1uO=uCE1uI=uCE2uO=uIuCE2uCE实现信号隔离实现信号传输两地独立两地独立输入、输出级之间是电气绝缘的uO

=uI

CA1O1A2+15V+5V-15V-15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1实现信号隔离实现信号传输两地独立两地独立输入、输出级之间是电放大器原理图2.变压器隔离放大器+-1A调制器隔离电源解调器振荡器+-2A输入屏蔽输出屏蔽uOuI放大器原理图2.变压器隔离放大器+-1A调制器隔离解调器+-1A调制器隔离电源解调器振荡器+-2A输入屏蔽输出屏蔽uOuI调制给输入侧提供能量两侧电源独立恢复原低频信号输入、输出侧间电气绝缘+-1A调制器隔离解调器振荡器+-2A输入屏蔽输出屏蔽uO变压器隔离放大器AD277原理图和引脚+-1A调制器隔离电源解调器振荡器+-2A输入屏蔽输出屏蔽16151114101213(+VCC)126873495(+15V)(-15V)(-VEE)变压器隔离放大器AD277原理图和引脚+-1A调制器隔离解7.3.1滤波器的基础知识功能：只允许某一部分频率的信号顺利的通过。通带：能够通过信号的频率范围。阻带：不能够通过信号的频率范围。截止频率：通带和阻带之间的分界频率。7.3有源滤波器7.3.1滤波器的基础知识功能：只允许某一部分频率的信号顺滤波器的分类a.根据处理的信号不同b.根据使用的滤波元件不同数字滤波器模拟滤波器RC型LC型RLC型滤波器的分类a.根据处理的信号不同b.根据使用的滤c.根据工作频率不同低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器全通滤波器c.根据工作频率不同低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤fA0理想滤波器的幅频特性低通fA0通带高通带阻带通通带通带通带通带Af0fA0fA0理想滤波器的幅频特性低通fA0通高通带阻带通通通通通A0fA0.707实际低通滤波器的幅频特性实际特性理想特性阻带过渡带通带0fA0.707实际低通滤波器的幅频特性实际特性理想特性阻带d.根据滤器的阶数分

一阶滤波器二阶滤波器高阶滤波器e.根据采用的元器件不同无源滤波器有源滤波器滤器的阶数越高，性能越好。d.根据滤器的阶数分一阶滤波器二阶滤波器高阶滤波器e.组成:由电阻、电容、电感等无源器件组成。体积和重量比较大，电感还会引起电磁感应。(a)无源滤波器电路简单高频性能好工作可靠优点通带信号有能量损耗负载效应比较明显缺点CRRL无源高通滤波器组成:由电阻、电容、电感等无源器件组成。体积和重量比较大(b)有源滤波器：电路体积小、重量轻通带内的信号可以放大精度高、性能稳定、易于调试负载效应小组成：由电阻、电容和有源器件（如集成运放）组成优点可以多级相联，用低阶来构成高阶滤波器(b)有源滤波器：电路体积小、重量轻通带内的信号可以放大精通带范围小需要直流电源适用于低频、低压、小功率等场合。缺点通带范围小需要直流电源适用于低频、低压、小功率等场合。缺点1.一阶低通有源滤波器7.3.2低通有源滤波器（1）电路组成（2）电路性能分析a.电路的传递函数+__+–+1.一阶低通有源滤波器7.3.2低通有源滤波器（1式中Z1(s)Z2(s)故+__+–+式中Z1(s)Z2(s)故+__+–+令——滤波器的截止角频率——滤波器的通带增益+__+–+令——滤波器的截止角频率——滤波器的通带增益+__+–+b.滤波器的频率特性令s=jwb.滤波器的频率特性令s=jw式中称为滤波器的截止频率即因电路的频率特性与f的一次方有关故称之为一阶RC低通有源滤波器式中称为滤波器的截止频率即因电路的频率特性与f的一次方有关c.滤波器的幅频特性由得d.相频特性c.滤波器的幅频特性由得d.相频特性3dB020lg|A(jw)|/dB幅频特性曲线-20dB/十倍频3dB020lg|A(jw)|/dB幅频特性曲线-20dB/(3)一阶滤波器特点a.电路简单b.过渡带输出的衰减慢，衰减速率20dB/十倍频(3)一阶滤波器特点a.电路简单b.过渡带2.二阶有源低通滤波器(1)电路组成(2)电路分析a.电路的传递函数无限增益多路反馈型12+_+_._+2.二阶有源低通滤波器(1)电路组成(2)电路对节点1、2列方程得：对节点1对节点212+_+_._+对节点1、2列方程得：对节点1对节点212+_+_._+由上两式得其中电路的品质因数滤波器的特征角频率由上两式得其中电路的品质因数滤波器的特征角频率式中为滤波器的通带增益b.滤波器的频率特性令s=jw式中为滤波器的通带增益b.滤波器的频率特性令s=jwc.滤波器的幅频特性由得d.滤波器的相频特性c.滤波器的幅频特性由得d.滤波器的相频特性e.幅频特性分析当<<n时，由式知当>>n时，电路具有低通滤波器特性e.幅频特性分析当<<n时，由式知当>>n时，电路可见品质因数也影响滤波器频率特性当=n时，由式知或可见品质因数也影响滤波器频率特性当=n时，由式知或幅频特性曲线10-310Q=105210.7070.5-40幅频特性曲线10-310Q=105210.7070.5-40这种滤波器称为切比雪夫（Chebyshev）型滤波器。a.特性有峰值。

b.

Q值越大，尖峰越高。c.当时，电路将产生自激振荡。

d.过渡带衰减速度较快。

10-310Q=105210.7070.5-40当时这种滤波器称为切比雪夫（Chebyshev）型滤波器。a.c.

Q值越小，通带有衰减衰减严重。a.特性无峰值。b.通带有衰减。当时10-310Q=105210.7070.5-40c.Q值越小，通带有衰减衰减严重。a.特性无峰值。b.c.幅频特性最平坦a.无峰值

b.通带内的减最小

称为最大平坦或巴特沃斯（Butterworth）型滤波器。这种滤波器当时10-310Q=105210.7070.5-40c.幅频特性最平坦a.无峰值b.通带内的减最小称为巴特沃斯（Butterworth）型滤波器的幅频特性当即特征角频率就是截止角频率

10-310-40-40dB/十倍频巴特沃斯（Butterworth）型滤波器的幅频特性当即特征1．一阶高通有源滤波器7.3.3高通有源滤波器(1)低通与高通电路的对偶关系C换成RR换成C····1．一阶高通有源滤波器7.3.3高通有源滤波器(1)b.电路分析(2)一阶高通滤波器a.高通滤波电路(a)传递函数Z1(s)Z2(s)+__++_b.电路分析(2)一阶高通滤波器a.高通滤波电路(a)式中通带增益截止角频率+__++_式中通带增益截止角频率+__++_滤波器的频率特性令(b)频率特性由得滤波器的截止频率滤波器的频率特性令(b)频率特性由得滤波器的截止频率(c)滤波器的幅频特性由得幅频特性曲线o十倍频(c)滤波器的幅频特性由得幅频特性曲线o十倍频2．二阶高通有源滤波器

(1)电路组成(2)电路分析压控电压源型电路

+_

+_•+_A2．二阶高通有源滤波器(1)电路组成(2)电路分析压等效虚线内的电路等效电路

+_

+_•+_A

A03

2

+

+

––等效虚线内的电路等效电路+_+_•+_A对节点3、2列方程

节点3节点2a.传递函数

A03

2

+

+

––对节点3、2列方程节点3节点2a.传递函数由以上两式电路的传递函数为

其中品质因数通带增益特征角频率由以上两式电路的传递函数为其中品质因数通带增益特征角频率b.频率特性

令由得c.幅频特性b.频率特性令由幅频特性曲线10-3Q=105210.7070.5幅频特性曲线10-3Q=105210.7070.57.3.4带通和带阻有源滤波器1．二阶带通有源滤波器(1)电路组成(2)电路分析

32

+

__++A7.3.4带通和带阻有源滤波器1．二阶带通有源滤波器(等效虚线内的电路等效电路

32

+

__++A

32

__++A0等效虚线内的电路等效电路32+__++A32对节点3、2列方程

节点3节点2

32

__++A0对节点3、2列方程节点3节点232__++A0中心频率通带增益品质因数a.电路的传递函数中心频率通带增益品质因数a.电路的传递函数得滤波器的频率特性c.频幅特性

b.频率特性将s=j代入式得滤波器的频率特性c.频幅特性b.频率特性将s=j讨论：当时，(a)当

时，(b)当时，(c)电路具有带通特性为中心角频率讨论：当时，(a)当时，(由在截止频率上即求解上式得d.通频带由在截止频率上即求解上式得d.通频带故滤波器的通频带宽可见，Q值越大，通频带越窄，选择性越强故滤波器的通频带宽可见，Q值越大，通频带越窄，选择性越强Q=105210.50-20-40/wow10.1dBAjA/|)(|lg200带通滤波器的幅频特性Q=105210.50-20-40/wow10.1dBAjA2．二阶带阻有源滤波器（1）电路组成C2CR32RCR/24+_+_+_•••2．二阶带阻有源滤波器（1）电路组成C2CR32RCR/2列节点电压方程节点2（1）电路分析a.传递函数节点3C2CR32RCR/24+_+_+_•••列节点电压方程节点2（1）电路分析a.传递函数节点3C2节点4式中

C2CR32RCR/24+_+_+_•••节点4式中C2CR32RCR/24+_+_+_•••其中：故传递函数其中：故传递函数得滤波器的频率特性将s=j代入式b.频率特性得滤波器的频率特性将s=j代入式b.频率特性c.滤波器的幅频特性讨论:当时，(a)当

时，(b)当时，(c)可见电路具有带阻特性为中心角频率c.滤波器的幅频特性讨论:当时，(a)当令

即解之得截止角频率

上限d.滤波器的阻带下限令即解之得截止角频率上限d.滤波器的阻带下限故滤波器的阻带宽为故滤波器的阻带宽为带通滤波器的幅频特性11000.1-50Q小Q大带通滤波器的幅频特性11000.1-50Q小Q大功能：用来比较输入电压相对大小的电路。输出端的信号状态——只有高电平和低电平。7.4电压比较器被比较的输入电压比较电压（基准电压或参考电平）输入端的信号有工作原理——输入信号偏离参考电压时，输出电压将发生跃变。将输出电压发生跃变的现象称为比较器翻转。功能：用来比较输入电压相对大小的电路。输出端的信号状态——只7.4.1单门限比较器1.零电平比较器

(2)电路特点b.，a.运放工作于开环状态c.输出电压uO≈±VCC(1)电路组成Rb2b1+_+__+7.4.1单门限比较器1.零电平比较器(2)电路特a.当时，b.当

时，(3)工作原理(4)传输特性0

与零电平（电位）进行比较，故称为零电平比较器。

Rb2b1+_+__+a.当时，b.当时，(3)工作0理想特性实际特性不灵敏区0理想特性实际特性不灵敏区(5)电路存在的问题a.输出电压基本由电源电压确定。b.输出电平易受电源波动、饱和深度的影响。c.输出电平不易改变。Rb2b1+_+__+(5)电路存在的问题a.输出电压基本由电源电压确定。b.改进型的零电平比较器限流电阻

双向限幅稳压管输出电压

输入保护电路RDZ+_+_+_D1D2传输特性0改进型的零电平比较器限流电阻双向限幅稳压管输出电压输入保(3)工作原理(4)传输特性RDZ+_+_+_URb.当

时，即a.当,即0(3)工作原理(4)传输特性RDZ+_+_+_URb.2．非零电平比较器

电路简单灵敏度高抗干扰能力差单门限电压比较器的特点0传输特性RDZ+_+_+_UR2．非零电平比较器电路简单灵敏度高抗干扰能力差单门限电压比t00t干扰干扰比较电压UR输入电压输出电压误动作误动作单门限比较器抗干扰性能差的波形图t00t干扰干扰比较电压UR输入电压输出电压误动作误动作单门7.4.2多门限比较器1．

迟滞比较器1）反相输入迟滞比较器Dz+_+_7.4.2多门限比较器1．

迟滞比较器1）反相输入迟滞比给电路提供双极性参考电平加速输出翻转过程电路引入正反馈正反馈的作用Dz+_+_给电路提供双极性参考电平加速输出翻转过程电路引入正反馈正反馈反馈电压输出电压a.工作原理Dz+_+_反馈电压输出电压a.工作原理Dz+_+_如果uI<UR当uO=UZ时(a)uo=UZuI<KUR传输特性Dz+_+_如果uI<UR当uO=UZ时(a)uo=UZuI<KU此时(b)当uI>UR=KUZ时，,只要RIUu>uouI传输特性Dz+_+_此时(b)当uI>UR=KUZ时，,只要RIUu>uuouI传输特性(c)当uO=-UZ时如果uI>URDz+_+_uouI传输特性(c)当uO=-UZ时如果uI>UuouI传输特性此时(d)当uI<UR=-KUZ时,只要uI<UR，Dz+_+_uouI传输特性此时(d)当uI<UR=-KUZ时,只反相输入迟滞比较器传输特性反相输入迟滞比较器传输特性迟滞比较器的特点(1)提高了电路抗干扰能力。(2)降低了电路的灵敏度0(3)不能分辨2KUZ

范围内变化的信号。不能分辨区迟滞比较器的特点(1)提高了电路抗干扰能力。(2)降低了0tt0说明迟滞比较器抗干扰性能的波形图输入信号输出信号干扰干扰0tt0说明迟滞比较器抗干扰性能的波形图输入信号输出信号干扰(2)同相输入迟滞比较器

a.电路b.特性分析由图可知Dz+_b1b2(2)同相输入迟滞比较器a.电路b.特性分析由图可知根据比较器的特性，当时电路翻转。

令Dz+_b1b2根据比较器的特性，当时电路翻转。令Dz+得比较器的翻转电平为即当uI=±KUZ时uO=0Dz+_b1b2得比较器的翻转电平为即当uI=±KUZ时uO=0Dz+_b1只要即Uo=+UZuI>-KUZ传输特性当时(a)Dz+_b1b2只要即Uo=+UZuI>-KUZ传输特性当时(a)Dz+_b只要Uo=-UZuI<KUZ传输特性当时(b)Dz+_b1b2只要Uo=-UZuI<KUZ传输特性当时(b)Dz+_b1b输出维持原状态Uo=-UZ|uI|<KUZ传输特性当时(c)Dz+_b1b2输出维持原状态Uo=-UZ|uI|<KUZ传输特性当时(c输出维持原状态Uo=UZ|uI|<KUZ传输特性当时(c)Dz+_b1b2输出维持原状态Uo=UZ|uI|<KUZ传输特性当时(c)同相输入迟滞比较器传输特性具有逆时针旋转的特性同相输入迟滞比较器传输特性具有逆时针旋转的特性c.特性平移的迟滞比较器图中Dz+_b1b2c.特性平移的迟滞比较器图中Dz+_b1b2即令得电路的翻转电平为zD+_b1b2即令得电路的翻转电平为zD+_b1b2迟滞回环沿着坐标横轴平移传输特性0设UR>0,右移迟滞回环沿着坐标横轴平移传输特性0设UR>0,右移2.窗口比较器(1)电路A1D1D2A2––++T2.窗口比较器(1)电路A1D1D2A2––++TD1导通，D2截止A1输出高电平，A2输出低电平。当时(a)输出电压2.工作原理（设）晶体管T饱和导通A1D1D2A2––++TD1导通，D2截止A1输出高电平，A2输出低电平。当时(aA2输出高电平当时(b)输出电压A1输出低电平D1截止，D2导通晶体管T饱和导通A1D1D2A2––++TA2输出高电平当时(b)输出电压A1输出低电平D1截止，D晶体管T截止A2输出低电平当时(c)输出电压A1输出低电平D1截止，D2截止A1D1D2A2––++T晶体管T截止A2输出低电平当时(c)输出电压A1输出低电平D用于工业控制系统，测量温度、压力、液面等的范围。窗口比较器的主要应用0传输特性用于工业控制系统，测量温度、压力、液面等的范围。窗口比较器的LM111系列的封装形式和引脚排列7.4.3集成电压比较器+_12345678OUTGNDIN–IN+BALBAL/S+VCC–VCCLM111系列的封装形式和引脚排列7.4.3集成电压比LM111系列典型应用电路具有选通的接法

RT123456785选通+5V+_3kWC基本应用电路23456781Wk3+LM111系列典型应用电路具有选通的接法RT1234567电路2373KW•–+LM111系列实现的施密特电路传输特性0电路2373KW•–+LM111系列实现的施密特电路传输特性例1在图示电路中，设各运放都具有理想特性。试求：

(a)Au1=Uo3/Ui···(b)电路的中频电压放大倍数Aum=Uo/Ui

···练习题A1A2A3R1R2R3R4R5R6R7uIuO2uO1uOA4R9C2330kW27kW110kW15mFRLR11C1uO3R810kW10kW3.33kW+_+++____+10kW10kW33kW3.33kW3.33kW例1在图示电路中，设各运放都具有理想特性。试求：((c)整个电路的上、下限截止频率fH和fL之值。解由图可知，运放A1~A3构成三运放测量放大器，运放A4构成一阶低通滤波器，电容器C2和负载RL构成高通滤波器。

A1A2A3R1R2R3R4R5R6R7uIuO2uO1uOA4R9C2330kW27kW110kW15mFRLR11C1uO3R810kW10kW3.33kW+_+++____+10kW10kW33kW3.33kW3.33kW(c)整个电路的上、下限截止频率fH和fL之值。(a)写出uO3与ui的关系

A1A2A3R1R2R3R4R5R6R7uIuO2uO1uOA4R9C2330kW27kW110kW15mFRLR11C1uO3R810kW10kW3.33kW+_+++____+10kW10kW33kW3.33kW3.33kW(a)写出uO3与ui的关系A1A2A3R1R2R3(b)电路的中频电压放大倍数所以，Au1=Uo3/Ui=-3···········A1A2A3R1R2R3R4R5R6R7uIuO2uO1uOA4R9C2330kW27kW110kW15mFRLR11C1uO3R810kW10kW3.33kW+_+++____+10kW10kW33kW3.33kW3.33kW(b)电路的中频电压放大倍数所以，Au1=Uo3/Ui(c)整个电路的上、下限截止频率分别为A1A2A3R1R2R3R4R5R6R7uIuO2uO1uOA4R9C2330kW27kW110kW15mFRLR11C1uO3R810kW10kW3.33kW+_+++____+10kW10kW33kW3.33kW3.33kW(c)整个电路的上、下限截止频率分别为A1A2A3R1例2在图示电路中，已知稳压管DZ1、DZ2的击穿电压分别为UZ1=3.4V,UZ2=7.4V,正向压降皆为UD1=UD2=0.6V,运放A具有理想的特性。画出uI由-6V变至+6V，再由+6V变至-6V时电路的电压传输特性曲线。A+_例2在图示电路中，已知稳压管DZ1、DZ2的击穿电压分解(a)由图可知电路的输出电压极限值

A+_解(a)由图可知电路的输出电压极限值A+_(b)运放反相输入端电压同相输入端电压

当输入电压uI由-6V向+6V方向变化时，如果同相输入端的电压u+低于UR，输出电压uO为Uomin；A+_(b)运放反相输入端电压同相输入端电压当输入电压uI由得当同相输入端的电压u+略高于UR时，比较器翻转，输出电压uO为Uomax。UH=5.3V设此时的输入电压为UHA+_由得当同相输入端的电压u+略高于UR时，比较器翻转，输出电压当uI由+6V向-6V方向变化时，如果u+高于UR，输出电压uO为Uomax；当u+略低于UR时，比较器再次翻转，输出电压uO为Uomin。设此时的输入电压为UL由得A+_当uI由+6V向-6V方向变化时，如果u+高于UR，输出由此可画出电路的传输特性uOuI0UHULUominUomax传输特性A+_由此可画出电路的传输特性uOuI0UHULUominUoma例3在图示电路中，设运算放大器A具有理想的特性，其最大输出电压稳压管的稳定电压为,试画出电路的电压传输特性曲线。A+_•例3在图示电路中，设运算放大器A具有理想的特性，其最大输解由图可知，当稳压管DZ击穿后，由于其动态电阻很小，电路引入深度负反馈。故运放的“虚短”仍然成立。电路的输出电压此时，电阻R3两端的电压为A+_•解由图可知，当稳压管DZ击穿后，由于其动态电阻很小，电路引由知当时，输出高电平电压

当时，输出低电平电压

A+_•由知当时，输出高电平电压当由于运放的同相输入端电压当时电路的低电平阈值电压为故当时电路的高电平阈值电压为A+_•由于运放的同相输入端电压当时电路的低电平即当时，；当时，；由此可画出电压传输特性。UHULuOuIUOHUOLO电压传输特性A+_•即当时，；当例4电路如图所示，已知集成运A1、A2的性能理想。（1）写出与、关系式。（2）设t=0时，uO=12V，uC(0)=0V。当uI1=-10V，uI2=0V时，那么经过多长时间uO翻转到-12V。uI1+-A2DZ+-A1uI2R1R2R7R3R4R5R6100kWuO112VuO100kW50kW10kW1kW10kW2kWC1mF例4电路如图所示，已知集成运A1、A2的性能理想。（4）画出、、与的波形。（3）从uO翻转到-12V的时刻起uI1=-10V,uI2=15V，又经过多长时间uO再次翻回12V。uI1+-A2DZ+-A1uI2R1R2R7R3R4R5R6100kWuO112VuO100kW50kW10kW1kW10kW2kWC1mF（4）画出、、与的波形。解（1）由图可知，运放A1组成了积分电路。故uI1+-A2DZ+-A1uI2R1R2R7R3R4R5R6100kWuO112VuO100kW50kW10kW1kW10kW2kWC1mF解（1）由图可知，运放A1组成了积分电路。故uI1+-A西安交大模电课件（2）由于运放A2组成了反相输入迟滞电压比较器。故uO翻转的条件是uI1+-A2DZ+-A1uI2R1R2R7R3R4R5R6100kWuO112VuO100kW50kW10kW1kW10kW2kWC1mF（2）由于运放A2组成了反相输入迟滞电压比较器。故uO翻转已知t=0时，uO=12V，uC(0)=0V。当uI1=-10V，uI2=0V时uI1+-A2DZ+-A1uI2R1R2R7R3R4R5R6100kWuO112VuO100kW50kW10kW1kW10kW2kWC1mF已知t=0时，uO=12V，uC(0)=0V。当uI1=令得uO翻转到-12V的时间为(3)当时再次由-12V翻转到12V。令

即解得

令得uO翻转到-12V的时间为(3)当（4）、、与的波形图0152010002201001220100t/ms-12-2t/mst/msuI2/VuO1/VuO/Vt1t2t1t1t2t2-10uI1/Vt/ms00（4）、、与的波形图01520100027.1电子系统概述7信号检测与处理电路传感器放大器滤波器增益调整采样保持A/D

转换器计算机系统总线控制电路信号检测系统基本框图7.1电子系统概述7信号检测与处理电路传感器放大器滤波传感器放大器滤波器增益调整采样保持A/D

转换器计算机系统总线控制电路提取测信号放大测量信号抑制干扰信号进一步去除无用信号联系处理系统的桥梁信号加工处理系统传感器放大器滤波器增益调整采样保持A/D转换器计算机7.2.1测量放大器应用：热电偶、应变电桥、流量计、生物电测量等7.2信号检测系统中的放大电路共模抑制比高输入抗阻高主要特点常用于测量直流缓变微弱信号7.2.1测量放大器应用：热电偶、应变电桥、流量计、生物1.三运放测量放大器b.电阻R3、R4、R5、R6要精密配合（R3=R5、R4=R6）a.运放A1、A2的特性一致性对电路要求：（1）基本电路图A1A2A3+_b1b2+_i––+++–1.三运放测量放大器b.电阻R3、R4、R5、R6要精密由图可知（2）电路分析A1A2A3+_b1b2+_i––+++–由图可知（2）电路分析A1A2A3+_b1b2+_i––++A1A2A3+_b1b2+_i––+++–A1A2A3+_b1b2+_i––+++–输出信号共模信号uIc无关令因此，放大器具有很高的抑制共模信号的能力。输出信号共模信号uIc无关令因此，放大器具有很高的抑制共2.单片集成测量放大器AD521集成化的三运放测量放大器。性能指标：(2)输入阻抗3109。(3)增益带宽大于2MHz。(4)电压放大倍数0.1~1000(5)电源电压±(5~18)V。(6)过载能力较强，动态特性好。(1)共模抑制比120dB。2.单片集成测量放大器AD521集成化的三运放测量放大器。(1)引脚说明1234567891011131214OUTOFFSETV–-INRG+INSENSEREFRsCOMPOFFSETRsV+RG(1)引脚说明1234567891011131214OU(2)基本连接方式图123456781011121314AD521+–(2)基本连接方式图123456781011121317.2.2隔离放大器特点：信号传递的主要方式：电磁耦合，即经过变压器传递信号光电耦合输入回路与输出回路之间是电绝缘的。7.2.2隔离放大器特点：信号传递的主要方式：电磁耦合二极管——三极管型1.光电耦合隔离放大器光电耦合器原理图二极管——二极管型IoIiIiIo二极管——三极管型1.光电耦合隔离放大器光电耦合器原理图二b.采用负反馈技术光电耦合器的特点a.耦合器中的发光和光敏元件都是非线性器件。b.非线性器件传输模拟信号将会导致信号失真。克服非线性失真采取的主要措施a.给非线性器件施加合适的直流偏置，在小范围内线性传输信息。b.采用负反馈技术光电耦合器的特点a.耦合器中的发光和光敏一种典型的光电耦合隔离放大器

CA1O1A2+15V+5V-15V-15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1一种典型的光电耦合隔离放大器CA1O1A2+15V+

CA1O1A2+15V+5V-15V-15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1电压并联负反馈CA1O1A2+15V+5V-15V-15V+15V

CA1O1A2+15V+5V-15V-15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1电压串联负反馈电压并联负反馈CA1O1A2+15V+5V-15V-15V+15V串联负反馈的判断

CA1O1A2+15V+5V-15V-15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1电压串联负反馈电压并联负反馈串联负反馈的判断CA1O1A2+15V+5V-15V工作原理O1、O2特性相同R1=R4+RWR1=R4+RW

CA1O1A2+15V+5V-15V-15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1工作原理O1、O2特性相同R1=R4+RWR1=R4+RWuCE2uCE1=uCE2uCE1O1、O2特性相同R1=R4+RWR1=R4+RW

CA1O1A2+15V+5V-15V-15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1uCE2uCE1=uCE2uCE1O1、O2特性相同R1=uO=uCE1uI=uCE2uO

=uIuCE2uCE1=uCE2uCE1

CA1O1A2+15V+5V-15V-15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1uO=uCE1uI=uCE2uO=uIuCE2uCE实现信号隔离实现信号传输两地独立两地独立输入、输出级之间是电气绝缘的uO

=uI

CA1O1A2+15V+5V-15V-15V+15V+5V

RW

R2O2GND2GND1T2T1实现信号隔离实现信号传输两地独立两地独立输入、输出级之间是电放大器原理图2.变压器隔离放大器+-1A调制器隔离电源解调器振荡器+-2A输入屏蔽输出屏蔽uOuI放大器原理图2.变压器隔离放大器+-1A调制器隔离解调器+-1A调制器隔离电源解调器振荡器+-2A输入屏蔽输出屏蔽uOuI调制给输入侧提供能量两侧电源独立恢复原低频信号输入、输出侧间电气绝缘+-1A调制器隔离解调器振荡器+-2A输入屏蔽输出屏蔽uO变压器隔离放大器AD277原理图和引脚+-1A调制器隔离电源解调器振荡器+-2A输入屏蔽输出屏蔽16151114101213(+VCC)126873495(+15V)(-15V)(-VEE)变压器隔离放大器AD277原理图和引脚+-1A调制器隔离解7.3.1滤波器的基础知识功能：只允许某一部分频率的信号顺利的通过。通带：能够通过信号的频率范围。阻带：不能够通过信号的频率范围。截止频率：通带和阻带之间的分界频率。7.3有源滤波器7.3.1滤波器的基础知识功能：只允许某一部分频率的信号顺滤波器的分类a.根据处理的信号不同b.根据使用的滤波元件不同数字滤波器模拟滤波器RC型LC型RLC型滤波器的分类a.根据处理的信号不同b.根据使用的滤c.根据工作频率不同低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器全通滤波器c.根据工作频率不同低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤fA0理想滤波器的幅频特性低通fA0通带高通带阻带通通带通带通带通带Af0fA0fA0理想滤波器的幅频特性低通fA0通高通带阻带通通通通通A0fA0.707实际低通滤波器的幅频特性实际特性理想特性阻带过渡带通带0fA0.707实际低通滤波器的幅频特性实际特性理想特性阻带d.根据滤器的阶数分

一阶滤波器二阶滤波器高阶滤波器e.根据采用的元器件不同无源滤波器有源滤波器滤器的阶数越高，性能越好。d.根据滤器的阶数分一阶滤波器二阶滤波器高阶滤波器e.组成:由电阻、电容、电感等无源器件组成。体积和重量比较大，电感还会引起电磁感应。(a)无源滤波器电路简单高频性能好工作可靠优点通带信号有能量损耗负载效应比较明显缺点CRRL无源高通滤波器组成:由电阻、电容、电感等无源器件组成。体积和重量比较大(b)有源滤波器：电路体积小、重量轻通带内的信号可以放大精度高、性能稳定、易于调试负载效应小组成：由电阻、电容和有源器件（如集成运放）组成优点可以多级相联，用低阶来构成高阶滤波器(b)有源滤波器：电路体积小、重量轻通带内的信号可以放大精通带范围小需要直流电源适用于低频、低压、小功率等场合。缺点通带范围小需要直流电源适用于低频、低压、小功率等场合。缺点1.一阶低通有源滤波器7.3.2低通有源滤波器（1）电路组成（2）电路性能分析a.电路的传递函数+__+–+1.一阶低通有源滤波器7.3.2低通有源滤波器（1式中Z1(s)Z2(s)故+__+–+式中Z1(s)Z2(s)故+__+–+令——滤波器的截止角频率——滤波器的通带增益+__+–+令——滤波器的截止角频率——滤波器的通带增益+__+–+b.滤波器的频率特性令s=jwb.滤波器的频率特性令s=jw式中称为滤波器的截止频率即因电路的频率特性与f的一次方有关故称之为一阶RC低通有源滤波器式中称为滤波器的截止频率即因电路的频率特性与f的一次方有关c.滤波器的幅频特性由得d.相频特性c.滤波器的幅频特性由得d.相频特性3dB020lg|A(jw)|/dB幅频特性曲线-20dB/十倍频3dB020lg|A(jw)|/dB幅频特性曲线-20dB/(3)一阶滤波器特点a.电路简单b.过渡带输出的衰减慢，衰减速率20dB/十倍频(3)一阶滤波器特点a.电路简单b.过渡带2.二阶有源低通滤波器(1)电路组成(2)电路分析a.电路的传递函数无限增益多路反馈型12+_+_._+2.二阶有源低通滤波器(1)电路组成(2)电路对节点1、2列方程得：对节点1对节点212+_+_._+对节点1、2列方程得：对节点1对节点212+_+_._+由上两式得其中电路的品质因数滤波器的特征角频率由上两式得其中电路的品质因数滤波器的特征角频率式中为滤波器的通带增益b.滤波器的频率特性令s=jw式中为滤波器的通带增益b.滤波器的频率特性令s=jwc.滤波器的幅频特性由得d.滤波器的相频特性c.滤波器的幅频特性由得d.滤波器的相频特性e.幅频特性分析当<<n时，由式知当>>n时，电路具有低通滤波器特性e.幅频特性分析当<<n时，由式知当>>n时，电路可见品质因数也影响滤波器频率特性当=n时，由式知或可见品质因数也影响滤波器频率特性当=n时，由式知或幅频特性曲线10-310Q=105210.7070.5-40幅频特性曲线10-310Q=105210.7070.5-40这种滤波器称为切比雪夫（Chebyshev）型滤波器。a.特性有峰值。

b.

Q值越大，尖峰越高。c.当时，电路将产生自激振荡。

d.过渡带衰减速度较快。

10-310Q=105210.7070.5-40当时这种滤波器称为切比雪夫（Chebyshev）型滤波器。a.c.

Q值越小，通带有衰减衰减严重。a.特性无峰值。b.通带有衰减。当时10-310Q=105210.7070.5-40c.Q值越小，通带有衰减衰减严重。a.特性无峰值。b.c.幅频特性最平坦a.无峰值

b.通带内的减最小

称为最大平坦或巴特沃斯（Butterworth）型滤波器。这种滤波器当时10-310Q=105210.7070.5-40c.幅频特性最平坦a.无峰值b.通带内的减最小称为巴特沃斯（Butterworth）型滤波器的幅频特性当即特征角频率就是截止角频率

10-310-40-40dB/十倍频巴特沃斯（Butterworth）型滤波器的幅频特性当即特征1．一阶高通有源滤波器7.3.3高通有源滤波器(1)低通与高通电路的对偶关系C换成RR换成C····1．一阶高通有源滤波器7.3.3高通有源滤波器(1)b.电路分析(2)一阶高通滤波器a.高通滤波电路(a)传递函数Z1(s)Z2(s)+__++_b.电路分析(2)一阶高通滤波器a.高通滤波电路(a)式中通带增益截止角频率+__++_式中通带增益截止角频率+__++_滤波器的频率特性令(b)频率特性由得滤波器的截止频率滤波器的频率特性令(b)频率特性由得滤波器的截止频率(c)滤波器的幅频特性由得幅频特性曲线o十倍频(c)滤波器的幅频特性由得幅频特性曲线o十倍频2．二阶高通有源滤波器

(1)电路组成(2)电路分析压控电压源型电路

+_

+_•+_A2．二阶高通有源滤波器(1)电路组成(2)电路分析压等效虚线内的电路等效电路

+_

+_•+_A

A03

2

+

+

––等效虚线内的电路等效电路+_+_•+_A对节点3、2列方程

节点3节点2a.传递函数

A03

2

+

+

––对节点3、2列方程节点3节点2a.传递函数由以上两式电路的传递函数为

其中品质因数通带增益特征角频率由以上两式电路的传递函数为其中品质因数通带增益特征角频率b.频率特性

令由得c.幅频特性b.频率特性令由幅频特性曲线10-3Q=105210.7070.5幅频特性曲线10-3Q=105210.7070.57.3.4带通和带阻有源滤波器1．二阶带通有源滤波器(1)电路组成(2)电路分析

32

+

__++A7.3.4带通和带阻有源滤波器1．二阶带通有源滤波器(等效虚线内的电路等效电路

32

+

__++A

32

__++A0等效虚线内的电路等效电路32+__++A32对节点3、2列方程

节点3节点2

32

__++A0对节点3、2列方程节点3节点232__++A0中心频率通带增益品质因数a.电路的传递函数中心频率通带增益品质因数a.电路的传递函数得滤波器的频率特性c.频幅特性

b.频率特性将s=j代入式得滤波器的频率特性c.频幅特性b.频率特性将s=j讨论：当时，(a)当

时，(b)当时，(c)电路具有带通特性为中心角频率讨论：当时，(a)当时，(由在截止频率上即求解上式得d.通频带由在截止频率上即求解上式得d.通频带故滤波器的通频带宽可见，Q值越大，通频带越窄，选择性越强故滤波器的通频带宽可见，Q值越大，通频带越窄，选择性越强Q=105210.50-20-40/wow10.1dBAjA/|)(|lg200带通滤波器的幅频特性Q=105210.50-20-40/wow10.1dBAjA2．二阶带阻有源滤波器（1）电路组成C2CR32RCR/24+_+_+_•••2．二阶带阻有源滤波器（1）电路组成C2CR32RCR/2列节点电压方程节点2（1）电路分析a.传递函数节点3C2CR32RCR/24+_+_+_•••列节点电压方程节点2（1）电路分析a.传递函数节点3C2节点4式中

C2CR32RCR/24+_+_+_•••节点4式中C2CR32RCR/24+_+_+_•••其中：故传递函数其中：故传递函数得滤波器的频率特性将s=j代入式b.频率特性得滤波器的频率特性将s=j代入式b.频率特性c.滤波器的幅频特性讨论:当时，(a)当

时，(b)当时，(c)可见电路具有带阻特性为中心角频率c.滤波器的幅频特性讨论:当时，(a)当令

即解之得截止角频率

上限d.滤波器的阻带下限令即解之得截止角频率上限d.滤波器的阻带下限故滤波器的阻带宽为故滤波器的阻带宽为带通滤波器的幅频特性11000.1-50Q小Q大带通滤波器的幅频特性11000.1-50Q小Q大功能：用来比较输入电压相对大小的电路。输出端的信号状态——只有高电平和低电平。7.4电压比较器被比较的输入电压比较电压（基准电压或参考电平）输入端的信号有工作原理——输入信号偏离参考电压时，输出电压将发生跃变。将输出电压发生跃变的现象称为比较器翻转。功能：用来比较输入电压相对大小的电路。输出端的信号状态——只7.4.1单门限比较器1.零电平比较器

(2)电路特点b.，a.运放工作于开环状态c.输出电压uO≈±VCC(1)电路组成Rb2b1+_+__+7.4.1单门限比较器1.零电平比较器(2)电路特a.当时，b.当

时，(3)工作原理(4)传输特性0

与零电平（电位）进行比较，故称为零电平比较器。

Rb2b1+_+__+a.当时，b.当时，(3)工作0理想特性实际特性不灵敏区0理想特性实际特性不灵敏区(5)电路存在的问题a.输出电压基本由电源电压确定。b.输出电平易受电源波动、饱和深度的影响。c.输出电平不易改变。Rb2b1+_+__+(5)电路存在的问题a.输出电压基本由电源电压确定。b.改进型的零电平比较器限流电阻

双向限幅稳压管输出电压

输入保护电路RDZ+_+_+_D1D2传输特性0改进型的零电平比较器限流电阻双向限幅稳压管输出电压输入保(3)工作原理(4)传输特性RDZ+_+_+_URb.当

时，即a.当,即0(3)工作原理(4)传输特性RDZ+_+_+_URb.2．非零电平比较器

电路简单灵敏度高抗干扰能力差单门限电压比较器的特点0传输特性RDZ+_+_+_UR2．非零电平比较器电路简单灵敏度高抗干扰能力差单门限电压比t00t干扰干扰比较电压UR输入电压输出电压误动作误动作单门限比较器抗干扰性能差的波形图t00t干扰干扰比较电压UR输入电压输出电压误动作误动作单门7.4.2多门限比较器1．

迟滞比较器1）反相输入迟滞比较器Dz+_+_7.4.2多门限比较器1．

迟滞比较器1）反相输入迟滞比给电路提供双极性参考电平加速输出翻转过程电路引入正反馈正反馈的作用Dz+_+_给电路提供双极性参考电平加速输出翻转过程电路引入正反馈正反馈反馈电压输出电压a.工作原理Dz+_+_反馈电压输出电压a.工作原理Dz+_+_如果uI<UR当uO=UZ时(a)uo=UZuI<KUR传输特性Dz+_+_如果uI<UR当uO=UZ时(a)uo=UZuI<KU此时(b)当uI>UR=KUZ时，,只要RIUu>uouI传输特性Dz+_+_此时(b)当uI>UR=KUZ时，,只要RIUu>uuouI传输特性(c)当uO=-UZ时如果uI>URDz+_+_uouI传输特性(c)当uO=-UZ时如果uI>UuouI传输特性此时(d)当uI<UR=-KUZ时,只要uI<UR，Dz+_+_uouI传输特性此时(d)当uI<UR=-KUZ时,只反相输入迟滞比较器传输特性反相输入迟滞比较器传输特性迟滞比较器的特点(1)提高了电路抗干扰能力。(2)降低了电路的灵敏度0(3)不能分辨2KUZ

范围内变化的信号。不能分辨区迟滞比较器的特点(1)提高了电路抗干扰能力。(2)降低了0tt0说明迟滞比较器抗干扰性能的波形图输入信号输出信号干扰干扰0tt0说明迟滞比较器抗干扰性能的波形图输入信号输出信号干扰(2)同相输入迟滞比较器

a.电路b.特性分析由图可知Dz+_b1b2(2)同相输入迟滞比较器a.电路b.特性分析由图可知根据比较器的特性，当时电路翻转。

令Dz+_b1b2根据比较器的特性，当时电路翻转。令Dz+得比较器的翻转电平为即当uI=±KUZ时uO=0Dz+_b1b2得比较器的翻转电平为即当uI=±KUZ时uO=0Dz+_b1只要即Uo=+UZuI>-KUZ传输特性当时(a)Dz+_b1b2只要即Uo=+UZuI>-KUZ传输特性当时(a)Dz+_b只要Uo=-UZuI<KUZ传输特性当时(b)Dz+_b1b2只要Uo=-UZuI<KUZ传输特性当时(b)Dz+_b1b输出维持原状态Uo=-UZ|uI|<KUZ传输特性当时(c)Dz+_b1b2输出维持原状态Uo=-UZ|uI|<KUZ传输特性当时(c输出维持原状态Uo=UZ|uI|<KUZ传输特性当时(c)Dz+_b1b2输出维持原状态Uo=UZ|uI|<KUZ传输特性当时(c)同相输入迟滞比较器传输特性具有逆时针旋转的特性同相输入迟滞比较器传输特性具有逆时针旋转的特性c.特性平移的迟滞比较器图中Dz+_b1b2c.特性平移的迟滞比较器图中Dz+_b1b2即令得电路的翻转电平为zD+_b1b2即令得电路的翻转电平为zD+_b1b2迟滞回环沿着坐标横轴平移传输特性0设UR>0,右移迟滞回环沿着坐标横轴平移传输特性0设UR>0,右移2.窗口比较器(1)电路A1D1D2A2––++T2.窗口比较器(1)电路A1D1D2A2––++TD1导通，D2截止A1输出高电平，A2输出低电平。当时(a)输出电压2.工作原理（设）晶体管T饱和导通A1D1D2A2––++TD1导通，D2截止A1输出高电平，A2输出低电平。当时(aA2输出高电平当时(b)输出电压A1输出低电平D1截止，D2导通晶体管T饱和导通A1D1D2A2––++TA2输出高电平当时(b)输出电压A1输出低电平D1截止，D晶体管T截止A2输出低电平当时(c)输出电压A1输出低电平D1截止，D2截止A1D1D2A2––++T晶体管T截止A2输出低电平当时(c)输出电压A1输出低电平D用于工业控制系统，测量温度、压力、液面等的范围。窗口比较器的主要应用0传输特性用于工业控制系统，测量