模电第七章07信号处理电路

(4--1)

第七章信号的产生与处理电路

7.1正弦波振荡电路

7.4有源滤波电路

7.2电压比较电路

7.3非正弦波产生电路27.1.1

自激振荡及其产生条件7.1.4LC

振荡电路7.1.3

RC振荡电路7.1.2

振荡电路的组成

7.1正弦波振荡电路3正弦波振荡电路的作用

用来产生一定频率和幅度的正弦交流电。

正弦波振荡信号的频率范围：一赫以下至几百兆赫。

正弦波振荡电路输出的交流电能是从电源的直流电能转化而来。输出功率可以从几毫瓦到几十千瓦。概述4正弦波振荡电路的应用1.作为信号源，广泛用于量测、自动控制、通讯、广播电视及遥控等方面。2.作为高频能源，用于高频感应加热、冶炼、淬火以及超声波焊接等工业加工方面。常用的正弦波振荡电路1.

RC振荡电路（输出功率较小，频率较低）2.LC振荡电路（输出功率较大，频率较高）5产生自激振荡的条件开环电压放大倍数反馈系数若时，开关由1拨向2，反馈电压代替输入电压，将产生输出电压，即电路发生自激振荡。6当时，则因此，振荡电路自激振荡的条件是：（1）幅度条件：（2）相位条件：反馈信号振幅应等于输入信号振幅。反馈信号相位应于输入信号同相。7起振条件上式为幅度平衡条件，是指振荡电路已进入稳幅振荡。振荡电路要能自行起振，在起振时应满足：起振条件：8自激振荡的条件：因为：所以，自激振荡条件也可以写成：（1）振幅条件：（2）相位条件：n是整数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问题1：如何起振？Uo

是振荡器的电压输出幅度，B是要求输出的幅度。起振时Uo=0，达到稳定振荡时Uo=B。放大电路中存在噪声即瞬态扰动，这些扰动可分解为各种频率的分量，其中也包括有fo分量。选频网络：把fo分量选出，把其他频率的分量衰减掉。这时，只要：|AF|>1，且

A+

B=2n，即可起振。10问题2：如何稳幅？起振后，输出将逐渐增大，若不采取稳幅，这时若|AF|仍大于1，则输出将会饱和失真。达到需要的幅值后，将参数调整为AF=1，即可稳幅。具体方法将在后面具体电路中介绍。起振并能稳定振荡的条件：11振荡建立过程(ui1为初始电冲击)127.1.2

正弦波振荡电路的组成

通常一个完整的正弦波振荡器由以下四个部分组成：正弦波振荡器放大环节反馈环节选频环节稳幅环节131.放大环节2.反馈环节3.选频环节4.稳幅环节保证放大电路能正常放大，以满足幅度条件。保证反馈为正反馈，以满足相位条件。保证输出单一频率的正弦波。保证输出正弦信号幅度的稳定。14正弦波振荡电路的分析方法1.检查放大电路能否正常放大2.检查反馈是否为正反馈---用瞬时极性法3.检查是否有选频电路4.检查是否有稳幅电路瞬时极性法：断开反馈电路至放大电路输入端；在放大电路输入端加输入信号，检查经放大电路和反馈电路后得到的反馈电压信号瞬时极性与所加信号是否相同。15

断开反馈电路至放大电路输入端；在放大电路输入端加输入信号，检查经放大电路和反馈电路后得到的反馈电压信号瞬时极性与所加信号是否相同。瞬时极性法瞬时极性相同：正反馈瞬时极性相反：负反馈7.1.3RC振荡电路RC选频网络正反馈网络同相比例电路放大信号

用正反馈信号uf作为输入信号

选出单一频率的信号1.电路结构uf–+R++∞RFR1CRC–uO–+

用瞬时极性法判断反馈的极性判断结果：正反馈，满足振荡的相位条件。

2.RC串并联选频网络的选频特性传输系数：。。RCRC。+–+–。式中

：

分析上式可知：仅当

=o时，达最大值，且u2与u1同相，即网络具有选频特性，fo决定于RC。u1u2u2与u1波形相频特性

（f）fo幅频特性ffo1320选频电路RC选频电路当R1=R2=R，C1=C2=C时时U2与U1同相、

U2幅值达到最大，且有：3.工作原理

输出电压

uo经正反馈（兼选频）网络分压后，取uf

作为同相比例电路的输入信号ui

。(1)起振过程(2)稳定振荡

A

=

0，仅在f

0处

F=

0满足相位平衡条件，所以振荡频率f

0=12RC。改变R、C可改变振荡频率RC振荡电路的振荡频率一般在200KHz以下。(3)振荡频率

振荡频率由相位平衡条件决定。振荡频率的调整++∞RFRCC–uO–+SSR1R2R3R3R2R1

改变开关K的位置可改变选频网络的电阻，实现频率粗调；改变电容C的大小可实现频率的细调。振荡频率（4）起振及稳定振荡的条件稳定振荡条件

AuF

=1，|F|=1/3，则起振条件

AuF

>1，因为|F|=1/3，则

考虑到起振条件

AuF

>1,一般应选取RF

略大2R1。如果这个比值取得过大，会引起振荡波形严重失真。

由运放构成的RC串并联正弦波振荡电路不是靠运放内部的晶体管进入非线性区稳幅，而是通过在外部引入负反馈来达到稳幅的目的。带稳幅环节的电路(1)

热敏电阻具有负温度系数，利用它的非线性可自动稳幅。

在起振时，由于uO很小，流过RF的电流也很小，于是发热少，阻值高，使RF>2R1；即

AuF

>1。随着振荡幅度的不断加强，uO增大，流过RF

的电流也增大，RF受热而降低其阻值，使得Au下降，直到RF=2R1时，稳定于

AuF

=1，

振荡稳定。半导体热敏电阻R++∞RFR1CRC–uO–+带稳幅环节的电路(1)

热敏电阻具有负温度系数，利用它的非线性可以自动稳幅。半导体热敏电阻R++∞RFR1CRC–uO–+

稳幅过程：

uotRFAu带稳幅环节的电路(2)IDUD振荡幅度较小时正向电阻大振荡幅度较大时正向电阻小

利用二极管的正向伏安特性的非线性自动稳幅。R++∞RF2R1CRC–uO–+D1D2RF1稳幅环节带稳幅环节的电路（2）R++∞RF2R1CRC–uO–+D1D2RF1

图示电路中，RF分为两部分。在RF1上正反并联两个二极管，它们在输出电压uO的正负半周内分别导通。在起振之初，由于uo幅值很小，尚不足以使二极管导通，正向二极管近于开路此时，RF>2R1。而后，随着振荡幅度的增大，正向二极管导通，其正向电阻逐渐减小，直到RF=2R1，振荡稳定。

RC移相式正弦波振荡电路所以:

a+

f=360°或0°

RC移相式正弦波振荡电路图中每节RC电路都是相位超前电路，相位移最多不超过90°现在图中有3节RC移相网络，其最大相移可接近270°因此，有可能在特定频率下移相180°即

f=180°又，放大器为反相比例电路

a

=180°

显然，这时只要适当调节Rf数值，使增益AV适当，就可同时满足相位平衡和振幅平衡条件，产生正弦振荡。振荡频率30三、用分立元件组成的RC振荡器RCRC+UCCR1C2C3R3R2RE2C1RC2T1RE1CET2RC1RF+++––+

RC网络正反馈，RF、RE1组成负反馈，调整到合适的参数则可产生振荡。RCRC+UCCR1C2C3R3R2RE2C1RC2T1RE1CET2RC1RF–+–++++317.1.4LC

振荡电路1.变压器反馈式振荡电路2.三点式振荡电路

LC振荡电路的选频电路由电感和电容构成，可以产生高频振荡。由于高频运放价格较高，所以一般用分立元件组成放大电路。本节只对LC振荡电路做一简单介绍，重点掌握相位条件的判别。32LC选频电路当时，U与I同相，LC并联阻抗达到最大。

谐振时回路电流比总电流大的多，外界对谐振回路的影响可以忽略！CLR

判断结果：正反馈，满足相位条件。1、变压器反馈式LC振荡电路35

变压器反馈式LC正弦波振荡电路

电路组成LC并联回路作为共发射极放大电路三极管的集电极负载，起选频作用由变压器副边绕组N2上的电压作为反馈信号

用瞬时极性法分析振荡相位条件

放大电路:

反馈网络:

选频网络:三极管共发射极放大电路

振荡电路的幅值条件只要变压器变比和三极管选择适当，一般容易起振。

振幅的稳定是利用放大器件的非线性来实现的

(a)发射极调谐电路 (b)基极调谐电路

变压器反馈式LC振荡器振荡回路接在发射极，称为发射极调谐变压器反馈式LC振荡器。振荡回路接在基极，称为基极调谐变压器反馈式LC振荡器。放大电路:共基极放大电路:共发射极

在调节变压器反馈式振荡电路中，试解释下列现象：

（1）对调反馈线圈的两个接头后就能起振；

（2）调RB1、RB2或RE的阻值后即可起振；

（3）改用β较大的晶体管后就能起振；

（4）适当增加反馈线圈的圈数后就能起振；

（5）适当增加L值或减小C值后就能起振；

（6）反馈太强，波形变坏；

（7）调整RB1、RB2或RE的阻值后可使波形变好；

（8）负载太大不仅影响输出波形，有时甚至不能

起振。例1：解:(2)调RB1、RB2或RE的阻值后即可起振；原反馈线圈接反，对调两个接头后满足相位条件；(1)对调反馈线圈的两个接

头后就能起振；调阻值后使静态工作点合适，以满足幅条件；(3)改用β较大的晶体管后就能起振；改用β较大的晶体管，以满足幅度条件；LC+UCCRLC1RB1RB2RECE解:(5)适当增加L值或减小

C值后就能起振；增加反馈线圈的圈数，即增大反馈量，以满足幅度条件；(4)适当增加反馈线圈的圈数后就能起振；

当适当增加L值或减小C值后,等效阻抗|Zo|增大，因而就增大了反馈量，容易起振；

LC并联电路在谐振时的等效阻抗LC+UCCRLC1RB1RB2RECE解:(7)调整RB1、RB2或RE的阻值可使波形变好；反馈线圈的圈数过多或管子的β太大使反馈太强而进入非线性区，使波形变坏。(6)反馈太强，波形变坏；调阻值,使静态工作点在线性区，使波形变好；(8)负载太大不仅影响输出波形，有时甚至不能起振。

负载大，就是增大了LC并联电路的等效电阻R。R的增大,一方面使|Zo|减小,因而反馈幅度减小,不易起振;也使品质因数Q减小,选频特性变坏,使波形变坏。

LC+UCCRLC1RB1RB2RECE

判断结果：正反馈，满足相位条件。电感三点式振荡电路2.三点式振荡电路

电容三点式振荡电路判断结果：正反馈，满足相位条件。

三点式振荡电路

++––+

+UCCCC1例：正反馈

+UCCCC1L1L2+––+

+例：正反馈反相

+UCCC1C1LC2+––+

反相例：正反馈

+UCCC1C2+–––ubeube增加例：正反馈7.2

电压比较器电压比较器的功能：电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的大小和极性。用途：数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合。

运放工作在开环状态或引入正反馈。理想运放工作在饱和区的特点：1.输出只有两种可能+Vo(sat)或–Vo(sat)

当v+>v－时，Vo=+Vo(sat)

v+<v－时，Vo=–Vo(sat)

不存在“虚短”现象

2.i+=i－

0仍存在“虚断”现象电压传输特性uo

u+–u––Uo(sat)+Uo(sat)O饱和区电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)运放处于开环状态1.基本电压比较器阈值电压(门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。uiuoOURURuouiR2++

–

R1+–++––当u+>u–时，uo=+Uo(sat)

u+<u–时，uo=–Uo(sat)即ui<UR时，uo=+Uo(sat)

ui>UR时，uo=–

Uo(sat)可见，在ui=UR处输出电压uo发生跃变。参考电压uitOUROuot+Uo(sat)–Uo(sat)t1t2单限电压比较器：

当ui单方向变化时，uo只变化一次。URuouiR2++

–

R1+–++––电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURui>UR，uo=+Uo(sat)ui<UR，uo=–Uo(sat)URuouiR2++

–

R1+–++––uiuoURR2++

–

R1+–++––

–Uo(sat)

+Uo(sat)uiuoOUR输入信号接在反相端输入信号接在同相端电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURURuouiR2++

–

R1+–++––uiuoURR2++

–

R1+–++––Ot+Uo(sat)–Uo(sat)uo输入信号接在反相端输入信号接在同相端uitOUROuot+Uo(sat)–Uo(sat)t1t2输出带限幅的电压比较器设稳压管的稳定电压为UZ，忽略稳压管的正向导通压降则ui<

UR，uo=UZ

ui>UR，uo=–UZUZ–UZ电压传输特性–Uo(sat)+Uo(sat)uiuoOURui<UR时，uo'

=+Uo(sat)ui>UR时，uo'

=–

Uo(sat)uo'RDZURuouiR2++

–

R1+–++––

存在干扰时单限比较器的vI、vO

波形单限比较器的作用：检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平。

缺点：抗干扰能力差。

解决办法：采用具有滞回传输特性的比较器。2.滞回比较器上门限电压下门限电压

电路中引入正反馈(1)提高了比较器的响应速度；(2)输出电压的跃变不是发生在同一门限电压上。RF当uo=+Uo(sat)，则当uo=–Uo(sat)，则门限电压受输出电压的控制R2－

－uoui++

–

R1+–+–上门限电压U'+

：ui逐渐增加时的门限电压下门限电压U"+：ui逐渐减小时的门限电压uiuoO

–Uo(sat)+Uo(sat)电压传输特性uitOuoOt+Uo(sat)–Uo(sat)两次跳变之间具有迟滞特性——滞回比较器RFuoui++

–

R1+–+–根据叠加原理，有改变参考电压UR，可使传输特性沿横轴移动。可见：传输特性不再对称于纵轴，+UR–RFR2uoui++

–

R1+–+–uiuoO–Uo(sat)+Uo(sat)电压传输特性当参考电压UR不等于零时定义：回差电压与过零比较器相比具有以下优点：1.改善了输出波形在跃变时的陡度。2.回差提高了电路的抗干扰能力，

U越大，抗干扰能力越强。结论：1.调节RF或R2

可以改变回差电压的大小。2.改变UR可以改变上、下门限电压，但不影响回差电压

U。

电压比较器在数据检测、自动控制、超限控制报警和波形发生等电路中得到广泛应用。解：对图（1）

上门限电压

下门限电压例：电路如图所示，

Uo(sat)=±6V，UR=5V，

RF=20k

，R2=10k

，求上、下门限电压。（1）RFR2uoui++

–

R1+–+–+UR–RFR2uoui++

–

R1+–+–（2）解：对图（2）

例：电路如图所示，

Uo(sat)=±6V，UR=5V，

RF=20k

，R2=10k

，求上、下门限电压。（1）（2）+UR–RFR2uoui++

–

R1+–+–RFR2uoui++

–

R1+–+–（1）+UR–RFR2uoui++

–

R1+–+–（2）uiuoO-6-226

图(1)的电压传输特性图(2)的电压传输特性uouiO-661.335.33RFR2uoui++

–

R1+–+–

设电路参数如图

所示，输入信号vI的波形如图b所示。试画出其传输特性和输出电压vO的波形。①求门限电压VREF=0②画传输特性例

③画出vO的波形电压传输特性uoOUO(sat)–UO(sat)例:电路如图所示,ui是一正弦电压,画出uo的波形。OtUO(sat)–UO(sat)解:运放为同相输入过零电压比较器uoOtOtOt–UO(sat)UO(sat)各电压波形如右图所示。R1R2uiuo+–+CDRLR

7.3.1矩形波发生器矩形波产生电路

uc+–UR+–1.电路结构

由滞回比较器、RC充放电电路组成。

电容电压uc即是比较器的输入电压，2.工作原理设电源接通时，uo=+UZ，uc(0)=0。

电阻R2两端的电压UR即是比较器的参考电压。uo通过RF对电容C充电，uc

按指数规律增长。RFCuo△

＋

＋RoUzDZR2R17.3非正弦波产生电路当uo=+UZ时，电容充电，uc上升，电容放电，

uc下降，当uc=UR时，uo

跳变成–UZ当uc=–UR

时，uo

跳变成

+UZ，电容又重新充电。2.工作原理放电uc+–RFCuo△

＋

＋RoUzDZR2R1RFCuo△

＋

＋RoUzDZR2R1充电3.工作波形T2T=T1+T2电容充放电过程，uc的响应规律为4.周期与频率Z212U

RRR+-T1－UztOuo,uC+Z212URRR+－UZ+UZ+UzT1矩形波的周期矩形波的频率充放电时间常数相同：

=RC

矩形波常用于数字电路中作为信号源在充电过程中在放电过程中A1：滞回比较器

因u–=0，所以当u+=0时，A1状态改变7.3.2三角波发生器1.电路结构A2：反相积分电路Cuo1R3DZR2++

–

R6uoR5R4+–++

–

A2A1R12.工作原理A1：滞回比较器因u-=0，所以当u+=0时，A1状态改变输出uo1

改变(+UZ跃变到–UZ

或–UZ跃变到+UZ)，当同时积分电路的输入、输出电压也随之改变。

Cuo1R3DZR2++

–

R6uoR5R4+–++

–

A2A1R1TT1T23.工作波形4.周期与频率T=T1+T2=2T1=2T2uo1UZ

–UZtOuo(1)改变比较器的输出uo1、电阻R1、R2即可改变三角波的幅值。

(2)改变积分常数RC即可改变三角波的频率。7.3.3锯齿波发生器1.电路三角波发生器

在三角波发生器的电路中，使积分电路的正、反向积分的时间常数不同，即可使其输出锯齿波。CR3DZR2++

–

R6uoR5R4+–++

–

A2A1R1uo1R4'DCuoR3DZR2++

–

R6R5R4+–++

–

A2A1R1uo12.波形

锯齿波发生器1.电路tUZ–UZuouo1OuoCR3DZR2++

–

R6uoR5R4+–++

–

A2A1R1uo1R4'D

7.4有源滤波器

滤波器是一种选频电路。它能选出有用的信号，而抑制无用的信号，使一定频率范围内的信号能顺利通过，衰减很小，而在此频率范围以外的信号不易通过，衰减很大。

无源滤波器：由电阻、电容和电感组成的滤波器。

有源滤波器：含有运算放大器的滤波器。

缺点：低频时体积大，很难做到小型化。

优点：体积小、效率高、频率特性好。

按频率范围的不同，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻等。(4--74)

7.4.1滤波电路的种类:按信号性质:模拟滤波器和数字滤波器按电路功能:低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器按所用元件:无源滤波器和有源滤波器(4--75)传递函数：幅频特性相频特性filter(4--76)按频率特性进行分类：

低通高通带通带阻(4--77)RCR7.4.2

低通滤波器1、一阶低通滤波器(4--78)010.707

0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。截止频率处：(4--79)2、

一阶有源低通滤波器RR1RFC+-+(4--80)幅频特性：相频特性：1、时：有放大作用2、时：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(4--81)3、二阶有源低通滤波器RR1RFC+-+CRP(1)(2)(3)根据（1）（2