信号处理与信号产生电路

关于信号处理与信号产生电路1第1页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三9.1滤波电路的基本概念与分类1.基本概念滤波电路：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——选频滤波电路传递函数定义时，有其中——模，幅频响应——相位角，相频响应群时延响应滤波电路vi(t)vo(t)2第2页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三1)按信号性质分类2)按电路功能分类低通滤波器；高通滤波器；带通滤波器；带阻滤波器模拟滤波器和数字滤波器9.1滤波电路的基本概念与分类2.分类通带：能够通过的信号频率范围阻带：受阻或衰减的信号频率范围截止频率：通带与阻带的界限3第3页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三低通高通带通带阻2.滤波电路的分类2)按电路功能分类4第4页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三低通（LPF）高通（HPF）带通（BPF）带阻（BEF）全通（APF）2.滤波电路的分类2)按电路功能分类

为了将语音信号中的噪声去掉，应该选用哪种类型的滤波器？

如果要去掉50Hz的工频干扰应采用哪种类型的滤波器？5第5页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三4)按所用元件分类无源滤波器和有源滤波器9.1滤波电路的基本概念与分类2.分类有源滤波器：由有源器件构成的滤波器，用集成运放（有源元件）和RC网络组成。无源滤波器：由无源元件（R、L、C）组成。3)按阶数分类一阶，二阶…高阶6第6页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三前言-无源滤波器的缺点低通滤波电路高通滤波电路9.2一阶有源滤波电路7第7页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三0无源滤波器的缺点（以一阶滤波器为例）传递函数：RC9.2一阶有源滤波电路8第8页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三1.带负载能力差。2.对通带信号无放大作用。3.特性不理想，边沿不陡。010.707o截止频率此电路的缺点：0无源滤波器的缺点（以一阶滤波器为例）若该无源滤波电路接负载RL,幅频特性曲线有无变化？RCRL9第9页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三？各级互相影响！RCRC0无源滤波器的缺点（以一阶滤波器为例）能否将两个一阶低通滤波器直接串接构成二阶低通滤波器？10第10页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三9.2一阶有源滤波电路1.低通滤波电路1)电路组成：为了增强无源滤波电路带载能力，应该怎样改进电路？加电压跟随器隔离为了使得该电路具有放大作用，可以如何改进电路？电压跟随器无源低通滤波器11第11页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三9.2一阶有源滤波电路1.低通滤波电路传递函数其中特征角频率故，幅频相应为同相比例放大系数传递函数中出现s的一次项，故称为一阶滤波器。12第12页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三有放大作用3.运放输出，带负载能力强。幅频特性与一阶无源低通滤波器类似电路的特点：2.=c时1.<<c

时9.2一阶有源滤波电路1.低通滤波电路13第13页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三有源滤波器的特点：不使用电感元件，体积小重量轻。有源滤波电路中可加电压串联负反馈。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。除滤波外，还可放大信号，放大倍数容易调节。优点：缺点：不宜用于高频。不宜在高电压、大电流情况下使用。使用时需外接直流电源。9.2一阶有源滤波电路14第14页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三如何组成高通滤波器？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。9.2一阶有源滤波电路RCR1RF+-低通滤波器RCR1RF+-15第15页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三幅频特性：0c一阶有源滤波电路通带外衰减速率慢（-20dB/十倍频程），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2.高通滤波电路16第16页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三9.3高阶有源滤波电路9.3.2有源高通滤波电路9.3.1有源低通滤波电路17第17页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三9.3.1有源低通滤波电路1.二阶有源低通滤波电路2.传递函数对于滤波电路，有得滤波电路传递函数（二阶）（同相比例）18第18页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三2.传递函数令称为通带增益称为特征角频率称为等效品质因数则滤波电路才能稳定工作。注意：19第19页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三3.幅频响应用代入，可得传递函数的频率响应：归一化的幅频响应相频响应归一化的幅频响应曲线20第20页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三解：根据fc，选取C再求R。1.C的容量不易超过。因大容量的电容器体积大，价格高，应尽量避免使用。取：计算出，取例:

设计二阶LPF，Q值为0.7，试求电路中的电阻、电容值。21第21页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三2．根据Ｑ值求和，因为时，，根据与、的关系，集成运放两输入端外接电阻的对称条件解得：22第22页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三9.3.2有源高通滤波电路1.二阶高通滤波电路将低通电路中的电容和电阻对换，便成为高通电路。传递函数归一化的幅频响应23第23页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三9.5产生正弦波的条件1正弦波发生电路的组成2产生正弦波的条件3起振条件和稳幅原理24第24页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三1正弦波发生电路的组成

为了产生正弦波，必须在放大电路里加入正反馈，因此放大电路和正反馈网络是振荡电路的最主要部分。

为了获得单一频率的正弦波输出，应该有选频网络，选频网络往往和正反馈网络或放大电路合而为一。

选频网络由R、C和L、C等电抗性元件组成。

放大电路正反馈网络选频网络稳幅电路第25页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三6/27/20232产生正弦波的条件(a)负反馈放大电路

(b)正反馈振荡电路

振荡器的方框图

比较图(a)和(b)就可以明显地看出负反馈放大电路和正反馈振荡电路的区别了。由于振荡电路的输入信号，所以。26第26页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三

振荡条件

幅度平衡条件

相位平衡条件

AF=A+

F=2n由于正、负号的改变27第27页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三

振荡器在刚刚起振时，为了克服电路中的损耗，需要正反馈强一些，即要求这称为起振条件。3起振条件和稳幅原理既然，起振后产生增幅振荡，最后靠三极管的非线性特性（饱和、截止）去限制幅度的增加，这样波形必然产生失真。这就要靠选频网络的作用，选出失真波形的基波分量作为输出信号，以获得正弦波输出。第28页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三6/27/2023也可以在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节放大电路的增益，从而达到稳幅的目的。这在下面具体的振荡电路中加以介绍。第29页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三6/27/20239.6RC正弦波振荡电路1RC网络的频率响应2RC文氏桥振荡器30第30页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三1RC网络的频率响应

RC串并联网络的电路如图所示。RC串联臂的阻抗用Z1表示，RC并联臂的阻抗用Z2表示。其频率响应如下:RC串并联网络31第31页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三1)122Cw1RCR1j()1(2121CRCRw-+++=R/j+)Cj/1(2122221112RCCRCRRRww+++=)j1]()Cj/1([222112RCRRRww+++=谐振频率为:f0=当R1=R2，C1=C2时，谐振角频率和谐振频率分别为:)]j1/([+)Cj/1()j1/(22211222212CRRRCRRZZZwww+++=+=32第32页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三幅频特性:相频特性:当时的反馈系数：且与频率的大小无关。此时的相角F=0。33第33页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三

RC串并联网络的频率特性曲线34第34页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三2RC文氏桥振荡电路

(1)RC文氏桥振荡电路的构成

振荡电路如图所示，RC串并联网络即是正反馈网络也是选频网络，R3和R4构成负反馈网络，起放大作用。C1、R1和C2、R2正反馈支路与R3、R4负反馈支路正好构成一个桥路，称为文氏桥。RC文氏桥振荡电路第35页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三6/27/2023当C1=C2、R1=R2时:为满足振荡的幅度条件=1，所以Af≥3。加入R3、R4支路，构成串联电压负反馈。F=036第36页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三

(2)

RC振荡电路的稳幅过程稳幅作用是靠正温度系数的热敏电阻R4实现的,自动调节过程如下：37第37页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三(a)稳幅电路(b)稳幅原理图反并联二极管的稳幅电路采用反并联二极管的稳幅电路如图所示。稳幅过程如下：Rf38第38页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三电路的电压增益为：式中

R“p是电位器上半部的电阻值，R‘p是电位器下半部的电阻值。R’3=R3//rD(rD是并联二极管的等效平均电阻值)，RP的作用是调节反馈强度，改变输出幅值。39第39页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三例：可变频率、可变幅值、自动稳幅RC振荡器。可变频率：粗调由同轴开关切换电容实现（10倍率）；细调由改变同轴电阻实现。可变幅值：调节场效应管栅偏压实现。调频部分变幅稳幅部分低通滤波可变电阻区，斜率随vGS不同而变化40第40页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三自动稳幅原理：反之亦然。41第41页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三9.7LC正弦波振荡电路

LC正弦波振荡电路的选频网络由LC谐振电路构成，正反馈网络因不同类型的LC正弦波振荡电路而有所不同。

1LC并联谐振电路的频率响应2变压器反馈LC振荡器3电感三点式LC振荡器42第42页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三

（a）LC并联谐振电路

LC并联谐振电路与并联谐振曲线

（b）并联谐振曲线1LC并联谐振电路的频率响应

LC并联谐振电路如图所示。

输入信号频率过高，电容的旁路作用加强，输出减小；反之频率太低，电感将短路输出。所以f=f0时，输出达到最大。第43页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三有损耗的谐振电路并联谐振电路的品质因数

R表示电感支路的损耗。谐振时：谐振频率：第44页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三

从谐振曲线可见，Q值大的曲线较陡较窄，图中Q1＞Q2。并联谐振电路的谐振阻抗谐振时LC并联谐振电路相当一个电阻。45第45页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三2变压器反馈LC振荡电路变压器反馈LC振荡电路变压器反馈LC振荡电路如图所示。1.、LC并联支路作为选频网络。2.、L2与Ｌ相耦合,构成正反馈（注意同名端）。3、三极管及其偏置电路构成放大4、三极管的非线性构成限幅电路。第46页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三有关同名端的极性请参阅图。同名端的极性

变压器反馈LC振荡电路的振荡频率与并联LC谐振电路相同，为47第47页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三9.7.3三点式LC振荡电路仍然由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。1.三点式LC并联电路中间端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。48第48页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三

电感三点式LC振荡器（CB）2电感三点式LC振荡器反馈vf在哪？如何判定是否为正反馈？谐振频率：电感线圈L1、L2构成电感三个点与电容C构成选频网络。49第49页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三电感三点式LC振荡器（CE）电感线圈L1、L2构成电感三个点与电容C构成选频网络。该电路的优点是电感线圈中无直流电流通过，不存在直流磁化的问题。判定是否为正反馈（满足相位条件）？反馈电压vf在何处？谐振频率：50第50页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三3电容三点式LC振荡电路判定是否为正反馈？反馈电压vf在何处？谐振频率：电路缺点：电感线圈中有直流电流通过，存在直流磁化的问题。与电感三点式LC振荡电路类似的有电容三点式LC振荡电路，见图51第51页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三判定是否为正反馈？反馈电压vf在何处？谐振频率：电路优点：电感线圈中无直流电流通过，不存在直流磁化的问题。电容三点式LC振荡电路见图52第52页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三例图a，b均为三点式振荡电路，试判断是否满足相位平衡条件。(a)(b)

53第53页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三9.7.4石英晶体振荡电路Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。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——1000050000054第54页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三9.7.4石英晶体振荡电路2.石英晶体的基本特性与等效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55第55页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三等效电路A.串联谐振特性晶体等效阻抗为纯阻性B.并联谐振通常所以9.7.4石英晶体振荡电路2.石英晶体的基本特性与等效电路（a）代表符号（b）电路模型（c）电抗-频率响应特性56第56页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三9.7.4石英晶体振荡电路2.石英晶体的基本特性与等效电路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57第57页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三3石英晶体构成的振荡电路

利用石英晶体的高Q值的特点，构成振荡电路如图。图中电路，要满足正反馈，石英晶体必须呈感性才能形成三点式LC并联谐振。石英晶体的Q值很高，达到10000以上，所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性。58第58页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三例9.2：分析图振荡电路能否产生振荡，若产生振荡,石英晶体处于何种状态？

图示石英晶体呈感性，构成电容三点式电路。由瞬时极性法可判断满足相位条件，可以振荡。谐振频率：主要由晶振频率决定。59第59页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三9.8非正弦信号产生电路9.8.2方波产生电路9.8.3锯齿波产生电路9.8.1电压比较器单门限电压比较器迟滞比较器集成电压比较器60第60页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三1固定幅度比较器

(1)过零比较器和电压幅度比较器

过零电压比较器，电路图和传输特性曲线61第61页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三

将过零电压比较器的一个输入端从接地改接到一个电压值VREF上,就得到电压幅度比较器,电路和传输特性曲线:固定电压比较器(a)电路图(b)传输特性曲线62第62页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三(2)比较器的基本特点工作在开环或正反馈状态。开关特性，因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。非线性，因大幅度工作，输出和输入不成线性关系。63第63页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三2滞回比较器电路如图。当输入电压vI从零逐渐增大，且时，，称为上限阈值(触发)电平。当输入电压时，，此时触发电平变为，称为下限阈值(触发)电平。64第64页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三

当逐渐减小，且以前，始终等于，因此出现如图所示的滞回特性曲线（VREF＞0）。回差电压

：65第65页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三

当VREF＝0时，滞回特性曲线关于原点对称。滞回比较电路的传输特性

当VREF≤0时，滞回特性曲线偏向左方。66第66页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三3比较器的应用

单限比较器主要用来对输入波形进行整形。(a)正弦波变换为矩形波(b)有干扰正弦波变换为方波图用比较器实现波形变换67第67页，讲稿共75页，2023年5月2日，星期三

9.8.2方波发生电路

方波发生电路是由滞回比较电路和RC定时电路构成的，电路如图。(1)工作原理电源刚接通时,