第08章 信号处理电路

第八章信号处理电路模拟电子技术基础1

第八章信号处理算电路§8.1有源滤波器§8.2电压比较器2滤波电路的分类1.按信号性质分类3.按电路功能分类低通滤波器（LPF）；高通滤波器（HPF）带通滤波器（BPF）；带阻滤波器（BEF）2.按所用元件分类§8.1有源滤波器模拟滤波器和数字滤波器无源滤波器和有源滤波器4.按阶数分类一阶，二阶，

…，高阶

8.1.1滤波电路的基础知识3传递函数：幅频特性相频特性滤波器传递函数（电压放大倍数）的定义4四种典型的频率特性f通阻f0低通通阻f0f高通f1f2f通阻阻带通通通阻f1f2f带阻5传递函数：RCR一阶RC低通滤波器（无源）61.带负载能力差。2.无放大作用。3.特性不理想，边沿不陡。截止频率处：010.707o截止频率此电路的缺点：7通频带宽度（带宽）01f0截止频率0.707f带宽：0-

f0设R=10k，C为下列各值时的带宽：

C

f01F16Hz0.047F340Hz0.01F1600Hz8将两级一阶低通滤波器串接？各级互相影响！RCRCR9有源滤波器的优点：1.不使用电感元件，体积小重量轻。2.有源滤波电路中可加电压串联负反馈，使输入电阻高、输出电阻低，输入输出之间具有良好的隔离。只需把几个低阶滤波电路串起来就可构成高阶滤波电路，无需考虑级间影响。3.除滤波外，还可放大信号，放大倍数容易调节。8.1.2

有源滤波器10有源滤波器的缺点：1.不宜用于高频。2.不宜在高电压、大电流情况下使用。3.可靠性较差。4.使用时需外接直流电源。11一、低通滤波器（LPF：LowPassFilter）1．一阶有源低通滤波器RR1RFC+-+传递函数中出现的一次项，故称为一阶滤波器。12传递函数也称为电压放大倍数，用表示。——通带电压放大倍数——通带截止频率幅频特性：相频特性：13幅频特性Aup0.707Aupf0相频特性f电路特点：1.f

=0

时，2.f

=f

0

时，有放大作用幅频特性与一阶无源低通滤波器类似3.运放输出，带负载能力强。142．二阶有源低通滤波器其中RR1C+-+CRPRF15式中Q可称为等效品质因数，1/Q称为阻尼系数。传递函数中出现f的二次项，故称为二阶滤波器。二阶低通滤波器的通带电压放大倍数和通带截止频率与一阶低通滤波器相同。16幅频特性曲线0ff03dBfp17讨论：（1）Q越大，f=f0时的值越大；（2）Q=1，f=f0时，，此时既可保持通频带内的增益，高频段幅频特性又能很快衰减，还避免在f=f0处幅频特性产生一个较大的凸峰，因此滤波效果较好。（3）当Aup=3时，Ｑ，此时电路将产生自激振荡，为避免自激振荡，选择电路元件参数时应使RF<2R1。18RR1RFC+-+RR1RFC+-+由低阶有源滤波器构成高阶有源滤波器例：两个一阶有源滤波器串接构成二阶有源滤波器。分析简单19一阶低通和二阶低通幅频特性曲线的区别：-3dBAup理想低通一阶低通二阶低通阶数越高，幅频特性曲线越接近理想滤波器。020例：如图二阶低通滤波电路中，要求f0=100kHz，Q=1，试确定电路中电阻和电容的参数值。C+-+CPRFRRR1解：选电容则由得即选则则选21二、高通滤波器(HPF：HighPassFilter)将低通滤波器中的R、C对调，低通滤波器就变成了高通滤波器。RCR1RF+-+低通滤波器R1RF+-+高通滤波器R221．一阶有源高通滤波器R1RF+-+高通滤波器R23幅频特性：0ff0242．二阶有源高通滤波器R1+-+PRFRCCR利用与二阶有源低通滤波器类似的分析方法，可得25高通滤波与低通滤波的比较：高通滤波低通滤波RCCR电路：幅频特性互为镜像关系26三、带通滤波器(BPF：BandPassFilter)原理：将低通滤波器和高通滤波器串联起来，即可获得带通滤波器。低通高通f0低通f2f1f2f0f1高通f0通阻阻27为估算方便，设R2=2R，R3=R，则式中+RFR3CR2R1CR-+高通低通28当f=f0时，|Au|=Aumax=Aup；而当f增大或减小时，|Au|都将降低。当f=0或f时，|Au|0，因此此电路具有“带通”特点。中心频率通带电压放大倍数29不同Q下的幅频特性：f0/

f0.1|Au|1AupQ=1Q=5Q=10Q值愈大，通频带愈窄，选择性愈好。定义：将|Au|下降到0.707Aup时所包含的频率范围定义为带通滤波器的通带宽度。30而由可知，当Auo=3时，Aup

，产生自激振荡，因此，选择电阻时，应保证RF<2R1。31四、带阻滤波器(BEF：BandEliminationFilter)原理：将低通滤波器和高通滤波器并联在一起，即可获得带阻滤波器。f0低通f1f0f2高通低通高通f0通阻通f1f232右图为常用的带阻滤波电路，在如图电路参数时，通过分析可知电压放大倍数为：式中中心频率通带电压放大倍数+RFR/2C2CR1R-+CR高通低通33由上式可知，当f=f0

时，|Au|=0。当f=0或f

时，|Au|Aup

。与带通滤波器类似，可得带阻滤波器的阻带宽度为令34不同Q下的幅频特性：f0/

f0.1|Au|1AupQ=1Q=5Q=10Q值愈大，阻带宽度愈窄，选频特性愈好。35§8.2电压比较器电压比较器：将一个模拟量输入电压与一个参考电压进行比较，并将比较的结果输出。比较器的输出状态：高电平（“1”）或底电平（“0”）特点：运放工作在非线性区，并经常处于开环状态常用的比较器：过零比较器、单限比较器、滞回比较器、双限比较器等。比较器的阈值电压（门限电平）：比较器的输出电压由一种状态跳变到另一种状态时相应的输入电压。368.2.1

过零比较器+-AuIuououI0+Uopp-Uopp1.简单过零比较器由于理想运放的Aod

=，因此当uI<0时,uo=+Uopp，当uI>0时，uo=-Uopp

。这种比较器的阈值电压（门限电平）等于0，故称为过零比较器。372.利用稳压管限幅的过零比较器uouI0+UZ-UZ+-AuIuoRVDZ利用两个背靠背的稳压管实现限幅的过零比较器不接稳压管时，输出为Uopp

，接入稳压管后，引入了深度负反馈，运放工作在线性区，根据“虚地”，当uI<0时，左边的稳压管被反向击穿，uo=+UZ；当uI>0时，右边的稳压管被反向击穿，uo=-UZ。383.稳压管接在输出端的过零比较器VDZ+-AuIuoRuouI0+UZ-UZ此电路中没有负反馈引入，运放工作在非线性区。过零比较器可以将输入的正弦波变换为矩形波。39tuI例：利用电压比较器将正弦波变为方波。+-AuIuotuo+Uopp-Uopp408.2.2

单限比较器（只有一个门限电平的比较器）求和型单限比较器+-AuIuoR1VDZR2R’UREF(a)电路图当输入电压uI

变化使反相输入端的电位u-=0时，输出端的状态发生跳变。uouI0+UZ-UZ(b)传输特性418.2.3

滞回比较器（施密特触发器）特点：电路中使用正反馈，运放处于非线性状态VDZ+-AuIuoR(a)电路图UREFR1R2RF当输入电压uI

变化使u+=u-=uI

时，输出端的状态发生跳变。根据虚断特点可得42VDZ+-AuIuoR(a)电路图UREFR1R2RFuo=UZ若原来uo

=+UZ，uI

逐渐增大时，使uo

从+UZ跳变到-UZ所需的门限电平用UT+表示，则：43若原来uo

=-UZ，uI

逐渐减小时，使uo

从-UZ跳变到+UZ所需的门限电平压用UT-表示，则门限宽度（回差）：两个门限电平的差值，用UT表示。+UZUT+-UZUT-uouI0(b)传输特性44例：如图滞回比较器中，UREF=6V，UZ=4V，R2=30k，R1=7.5k，RF=10k。VDZ+-AuIuoR(a)电路图UREFR1R2RF估算两个门限电平UT+和UT-以及门限宽度UT；设电路其它参数不变，UREF从6V增大到18V，估算UT+、UT-及UT的值，分析传输特性如何变化；(3)设电路其它参数不变，UZ增大，定性分析UT+、UT-及UT如何变化。45VDZ+-AuIuoR(a)电路图UREFR1R2RF解：(1)46(2)UREF从6V增大到18V时，可见当UREF增大时，UT+和UT-同时增大，但UT不变，此时传输特性将向右平移，全部位于纵轴右侧。47(3)其它参数不变，UZ增大时，由公式可知UT+将增大，UT-将减小，故UT将增大，即传输特性将向两侧伸展，门限宽度变宽。48例：设输入为正弦波，画出输出的波形。VDZ+-AuIuoR(a)电路图UREFR1R2RF0tuIUT-UT+0+UZ-UZuot滞回比较器可用于产生矩形波、三角波、锯齿波等各种非正弦波信号，也可用于波形变换电路。49例：如图滞回比较器中，R1=10k，R2=20k

，

Uopp

=12V，UREF=9V，当输入uI为如图所示的波形时，画出输出uo的波形。+-AuIuoUREFRR1RFuI50+-AuIuoUREFRR1RF解：因为有正反馈，所以输出饱和。uo=Uopp若原来uo

=+Uopp

，uI逐渐增大时，使uo从+Uopp跳变到-Uopp所需的门限电平用UT+表示，则51同理：0传输特性+Uopp-UoppuouIUT+UT-52+-AuIuoUREFRR1RF0传输特性+Uopp-UoppuouIUT+UT-2V10VuIuo+Uopp-Uopp538.2.4

双限比较器（窗孔比较器）(a)电路图+-A1uIuoRVD1UREF1+-A2RUREF2VD2RRRL(1)当时，A1输出低电平，A2输出高电平，VD1截止，VD2导通，输出电压uo为高电平。54(a)电路图+-A1uIuoRVD1UREF1+-A2R