第九章信号处理与信号产生电路

§9信号处理与信号产生电路9.1滤波电路基本概念一.基本概念1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。有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。滤波电路1体积小、重量轻、利于集成。2具有放大作用，且增益可调。3利于制成高阶滤波电路。4稳定性高。5但不适用于高频情况。6工作时必须直流电源。7不适用于高压或大电流情况。2有源滤波器特点：分母中S的最高幂次称为滤波电路的阶次。

分类二.传递函数定义幅频响应相频响应三.分类

高通滤波（HPF）

低通滤波（LPF）

带阻滤波（BEF）

带通滤波（BPF）

全通滤波（APF）低通滤波上限频率高通滤波下限频率带通滤波中心频率带阻滤波中心频率全通滤波RCR

9.1.2一阶RC低通滤波器(无源)CC传递函数幅频特性010.707c截止频率此电路的缺点：1、带负载能力差。2、无放大作用。3、特性不理想，边沿不陡。幅频特性、幅频特性曲线RCR一.低通滤波电路2传递函数：幅频相应为1电路：特征角频率电压跟随器同相放大器RC一阶低通滤波注意：一阶有源滤波电路通带外衰减速率慢

，与理想情况相差较远。一般用在对滤波要求不高的场合。9.2一阶有源滤波电路二.高通滤波电路三.带通滤波电路1电路：

由低通和高通串联得到低通高通2幅频相应低通特征角频率高通特征角频率要求四.带阻滤波电路1电路：

低通和高通并联低通高通2幅频相应低通特征角频率高通特征角频率必须满足一.压控电压源低通滤波电路1压控电压源电路（VCVS）2传递函数（二阶）通带增益特征角频率品质因数注意：

3-AVF>0

，AVF<3时滤波电路才能稳定工作9.3二阶有源滤波电路用代入，可得传递函数的频率响应：低通滤波电路幅频响应波特图低通电路中的电容和电阻对换2传递函数幅频响应二.压控电压源高通滤波电路1电路：（AVF＜3时滤波电路才能稳定工作）由低通和高通串联得到三.压控电压源带通滤波电路1电路：令2传递函数四.双T带阻滤波电路由双T选频网络构成双T选频网络9.4开关电容滤波器了解9.5

正弦波振荡电路的振荡条件1.

振荡平衡条件2.

起振和稳幅3.

振荡电路基本组成正弦波振荡器：

不需要外加输入而能产生一定幅度、一定频率输出信号的自激振荡器。即是一个无输入信号、带有选频网络的正反馈电路。§9.5正弦波振荡电路的振荡条件正反馈电路（注意与负反馈方框图的差别）若仍有稳定的输出振荡条件：幅值平衡条件相位平衡条件（n为整数）一.

振荡条件相位条件意味着振荡电路必须是正反馈；振幅条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到。9.5

正弦波振荡电路的振荡条件（1）振幅条件：（2）相位条件：基本放大电路2.

基本组成部分反馈网络选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。经常与反馈网络合二为一。）稳幅环节9.5

正弦波振荡电路的振荡条件起振条件3.

起振和稳幅

#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？电路器件内部噪声

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。

噪声中，满足相位平衡条件的某一频率0的噪声信号被放大，成为振荡电路的输出信号。

稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从回到9.5

正弦波振荡电路的振荡条件

（1）检查电路组成；（2）检查放大电路能否实现不失真放大；（3）判断电路是否满足振荡相位平衡条件

（电路是否构成正反馈）；（4）判断幅值条件是否满足；（5）估算振荡频率；4.分析方法和步骤：9.6

RC正弦波振荡电路1.

电路组成2.

RC串并联选频网络的选频特性3.

振荡电路工作原理4.

稳幅措施桥式正弦波振荡器

（RC串并联正弦波振荡器）双T网络正弦波振荡器移相式正弦波振荡器正弦波振荡电路分类：§9.6

RC桥式正弦波振荡电路基本放大电路同相放大电路反馈网络（兼做选频网络）1电路组成9.6

RC正弦波振荡电路反馈系数2.

RC串并联选频网络的选频特性幅频响应又则相频响应9.6

RC正弦波振荡电路当幅频响应有最大值相频响应f+90–90ff0

用瞬时极性法：正反馈若满足振幅平衡条件当时，(+)(+)(+)(+)Av电路输出频率：RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于1MHz的正弦波一.相位平衡条件检查二.幅值平衡条件要求放大电路电压增益3振荡电路工作原理采用非线性元件4.

稳幅措施热敏元件热敏电阻起振时，即热敏电阻的作用稳幅9.6

RC正弦波振荡电路采用非线性元件4.

稳幅措施场效应管（JFET）稳幅原理稳幅整流滤波T压控电阻9.6

RC正弦波振荡电路三.利用二极管非线性(P474)起振时输出vo较小二极管D1、D2截止振荡继续vo增加D1或D2导通稳幅稳幅原理电路仿真9.6

RC正弦波振荡电路例题:R=1k，C=0.1F，R1=10k。Rf为多大时才能起振？振荡频率f0=？AF

>=1，31=F11f+=RRAA=3=210=20k=1592Hz起振条件：1f2RR=电子琴的振荡电路（了解）：_++RF1uoR1CCRfD1D1RF2R28R27R26R25R24R23R22R21R22112CRR=0f12345176功率放大器可调9.7

LC正弦波振荡电路9.7.1

LC并联谐振回路选频特性9.7.2

变压器反馈式LC振荡电路9.7.3

三点式LC振荡电路9.7.4

石英晶体振荡电路1.并联谐振回路9.7.1

LC并联谐振回路选频特性一般有则当时，电路谐振。为谐振频率谐振时阻抗最大，且为纯阻性其中为品质因数9.7

LC正弦波振荡电路2.并联谐振回路频率响应9.7

LC正弦波振荡电路9.7.2

变压器反馈式LC振荡电路

1、电路组成9.7.2

变压器反馈式LC振荡电路

2、起振条件和振荡频率次级L1上的电压

与

的关系可用互感M来描述，即

故电路的环路增益为

根据产生振荡的振荡条件

≥1，9.7.2

变压器反馈式LC振荡电路

2、起振条件和振荡频率谐振时

因此电路起振条件为

式中，R‘为LC谐振回路的总的损耗等效电阻（包括变压器次级的折合电阻）。由前面的分析可知，只有在谐振频率f0时，电路才满足振荡条件，因此电路的振荡频率就是LC并联回路的谐振频率。设回路的损耗很小，Q值较高，则9.7.2

变压器反馈式LC振荡电路

2、起振条件和振荡频率9.7.2

变压器反馈式LC振荡电路

3、振荡的建立与稳定由LC并联谐振电路构成选频网络A.若中间点交流接地，则首端与尾端相位相反。9.7.3

三点式LC振荡电路1.三点式LC并联电路电容三点式电感三点式

中间点的瞬时电位一定在首、尾端电位之间。三点的相位关系B.若首端或尾端交流接地，则其他两端相位相同。9.7

LC正弦波振荡电路2.电感三点式电路9.7

LC正弦波振荡电路

满足相位条件。振荡频率:三极管共射放大器三点的相位关系3.电容三点式电路振荡频率：9.7

LC正弦波振荡电路

满足相位条件。三极管共射放大器三点的相位关系互感线圈的极性判别1234磁棒初级线圈次级线圈同极性端1234+–+–CLRuiLici反馈信号通过互感线圈引出9.7

LC正弦波振荡电路例：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。9.7

LC正弦波振荡电路Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。9.7.4

石英晶体振荡电路1.频率稳定问题频率稳定度一般由来衡量——频率偏移量。——振荡频率。LC振荡电路Q——数百石英晶体振荡电路Q——100005000009.7.4

石英晶体振荡电路结构极板间加电场极板间加机械力晶体机械变形晶体产生电场压电效应交变电压机械振动交变电压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=固有频率时，振幅最大。压电谐振9.7

LC正弦波振荡电路＋石英晶体振荡电路等效电路3.石英晶体的等效电路与频率特性等效电路：（1）串联谐振频率特性：

晶体等效阻抗为纯阻性（2）并联谐振通常所以实际使用时外接一小电容Cs则新的谐振频率为由于由此看出调整二.石英晶体振荡电路利用石英晶体的高品质因数的特点，构成LC振荡电路。1.并联型石英晶体振荡器

石英晶体工作在fs与fp之间，相当一个大电感，与C1、C2组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的Q值很高，可达到几千以上，所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性。2.并联型石英晶体振荡器

石英晶体工作在fs处，呈电阻性，且阻抗最小，正反馈最强。该电路为电感三点式振荡器。加入石英晶体是利用石英晶体的高Q值，提高振荡频率的稳定性。9.8非正弦信号产生电路9.8.1

电压比较器9.8.3

锯齿波产生电路9.8.2

方波产生电路9.8.1

电压比较器9.8非正弦信号产生电路

将一个模拟电压信号与一参考电压相比较，输出一定的高低电平。运放组成的电路处于非线性状态，输出高低电平功能：特性：运放工作在非线性区的条件：电路中开环工作或引入正反馈！9.8.1

比较器9.8非正弦信号产生电路运放工作在非线性区的条件：电路中开环工作或引入正反馈！

运放工作在非线性状态的分析方法：若U+＞U-

则UO=+UOM；若U+＜U-

则UO=-UOM。虚断（运放输入端电流=0）

注意：此时不能用虚短！1.单门限电压比较器9.8.1

比较器特点：虚短不成立，可用虚断运放处于开环状态当vi>vREF时,vo=+voH当vi<vREF时,vo=-vol9.8非正弦信号产生电路门限电压vREF

输入为正负对称的正弦波时，输出波形如图所示。1.单门限电压比较器过零比较器:VREF=0V

输入为正负对称的正弦波时，输出为方波。电压传输特性++viuovi0+VZ-VZ用稳压管稳定输出电压voVZvovi0+VOH-VOL++vovi忽略了VD另：限幅电路——使输出电压稳定稳幅电路的另一种形式：将双向稳压管接在负反馈回路上++vivovZR´R_vovi0+VZ-VZR´=R

例:如图所示电路,稳压管的稳定电压UZ=±6V,输入电压为如图所示三角波,试画出输出电压的波形.

解:Vi>0时,uo=－VZ=－6V

Vi<0时,uo=+VZ=＋6Vtvivot+6V-6V

例:图示电路,R1=R2=5kΩ,基准电压VREF=2V,稳压管的稳定电压VZ=±5V,输入电压为如图所示三角波,试画出输出电压的波形.解:Vi>－2V时,Vo=－VZ=－5VVi<－2V时,Vo=+VZ=＋5V

单限比较器灵敏度高,但抗干扰能力弱。解：（1）A构成过零比较器（2）RC为微分电路，

RC<<T例电路如图所示，当输入信号如图c所示的正弦波时，定性画出（3）D削波（限幅、检波）单门限比较器的抗干扰能力应为高电平错误电平比较器的特点1.电路简单。2.当Ao不够大时，输出边沿不陡。3.容易引入干扰。tuiuot过零附近仍处于放大区一、反相端输入迟滞比较器分析1.因为有正反馈，所以输出饱和。2.当uo正饱和时(uo=+UOM)：U+3.当uo负饱和时(uo=–UOM)：－++uoRR2R1ui参考电压由输出电压决定特点：电路中使用正反馈，运放处于非线性状态。1.没加参考电压的迟滞比较器2、迟滞比较器分别称UH和UL上下门限电压。称(UH-UL)为回差。当ui增加到UH时，输出由Uom跳变到-Uom；－++uoRR2R1ui当ui

减小到UL时，输出由-Uom跳变到Uom

。传输特性：uoui0Uom-UomUHUL小于回差的干扰不会引起跳转。跳转时，正反馈加速跳转。tuiUom-UomtuiUHUL例：反相端输入迟滞比较器的输入为正弦波时，画出输出的波形。－++uoRR2R1uivovi0VT+VT-传输特性+VOH-VOL2.加上参考电压后的反相端输入迟滞比较器反相端输入迟滞比较器两种电路传输特性的比较:－++uoRR2R1uiuoui0Uom-UomUHUL－++uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHULtuiU+HU+LtuoUom-Uom例:设输入为正弦波,画出输出的波形。9.8非正弦信号产生电路例：R1=10k，R2=20k

，UOM=12V，UR=9V当输入ui为如图所示的波形时，画出输出uo的波形。－++uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL5V10Vuit0首先计算上下门限电压：－++uoRR2R1uiUR+UOM-UOM根据传输特性画输出波形图。－++uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHULuiuott10V5V002V例:图示电路的上下门限电压±UT=±3V,稳压管的稳定电压UZ=±9V,输入电压波形如图所示,试画出输出电压的波形.解:先画出电压传输特性抗干扰能力强u+=0

时翻转，可以求出上下门限电压。二、同相端输入迟滞比较器－++uoRR2R1ui当u+>u-=0

时,uo=+UOM当u+<u-=0时,uo=-UOM1.没加参考电压的上行迟滞比较器uoui0Uom-Uom传输特性曲线UHUL－++uoRR2R1ui上下门限电压：－++uoRR2R1uiUR上下门限电压：当uo=+UOM时：当uo=-UOM时：2.加上参考电压后的上行迟滞比较器传输特性：UHULuoui0Uom-Uom－++uoRR2R1uiUR－++uoRR2R1uiuoui0Uom-UomUHUL对照迟滞比较器电路改进：为了稳定输出电压，可以在输出端加上双向稳压管。思考题：如何计算上下限？uoUZ－++RR2R1ui解：（1）门限电压（3）输出电压波形例电路如图9.4.6a所示，试求门限电压，画出传输特性和图c所示输入信号下的输出电压波形。（2）传输特性1.电路结构9.8.2方波发生器下行的迟滞比较器，输出经积分电路再输入到此比较器的输入端。上下限:－++RR1R2Cucuo传输特性uoui0UT-UT++UOHUOL2.工作原理：(1)设uo

=

+UOH,此时，输出给C

充电,uc

则：uT+有效－++RR1R2C+ucuo0tuoUOHUOLucUT+0t一旦uc>UT+

,就uN>uP,在uc<UT+

时，uN

<uP,uo

立即由＋UOH跳变成－UOL

,设uC初始值uC(0+)=0uo保持+UOH不变UOH此时，C

经输出端放电(2)当uo

=UOL时，uT-_有效uc达到UT-时，uo跳变－++RR1R2C+ucuoUT+uctU+L当uo

重新回到＋UOM

以后，电路又进入另一个周期性的变化。-UOLUOM0t-UOM0U+HuctU+LUOMuo0t-UOMT周期与频率的计算：－++RR1R2C+ucuof=1/T周期与频率的计算：－++RR2R2C+ucuo0U+HuctU+L+UOM-UOMT1T2TT=T1+T2=2T2，因正反向充电条件一样T1=T2。uc(t)=UC()+UC(0+)-UC()e,=RC-tT2阶段uc(t)的过渡过程方程为:uc(t)=UC()+UC(0+)-UC()e-tUC(0+)=UC()=+UOMt=T2时,uc(t=T2)=周期与频率的计算：)21ln(12RRRCT2+=0U+HuctU+L+UOM-UOMT1T2T占空比可调的矩形波发生电路vO1vP1vIA1A2R3R4R2R1R5VZ9.8.3三角波发生器与锯齿波发生器组成：施密特触发器，积分器1三