9 章 信号处理与信号产生电路.ppt

1、9.1 滤波电路的基本概念与分类 9.2 一阶有源滤波电路 9.3 高阶有源滤波电路 *9.4 开关电容滤波器 9.5 正弦波振荡电路的振荡条件 9.6 RC正弦波振荡电路 9.7 LC正弦波振荡电路 9.8 非正弦信号产生电路,第九章 信号处理与信号产生电路,9.1 滤波电路的基本概念与分类,1.基本概念,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。,滤波电路传递函数定义,A(s)一般为复数，s =+ j ，对于实际频率来说 s = j，则有,其中A(j) 模，幅频响应,() 相位角，相频响应,群时延响应,2. 分类,低通

2、（LPF）,高通（HPF）,带通（BPF）,带阻（BEF）,全通（APF）,转到 第20版,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,2. 高通滤波电路,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。,低通电路中的R和C交换位置便构成高通滤波电路,9.3 高阶有源滤波电路,9.3.1 有源低通滤波电路9.3.2 有源高通滤波电路9.3.3 有源带通滤波电路9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,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

3、波电路，有,得滤波电路传递函数,（二阶）,（同相比例）,2. 传递函数,令 A0=AVF 称为通带增益,称为特征角频率,称为等效品质因数,则,注意：当3-AVF0，即AVF3时，滤波电路才能稳定工作。,2. 传递函数,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,3. 幅频响应,归一化的幅频响应曲线,4. n阶巴特沃斯传递函数,传递函数为,式中n为阶滤波电路阶数，c为3dB载止角频率，A0为通带电压增益。,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,2. 巴特沃斯传递函数及其归一化幅频响应,

4、归一化幅频响应,9.3.3 有源带通滤波电路,1. 电路组成原理,可由低通和高通串联得到,必须满足,低通截止角频率,高通截止角频率,2. 例9.3.2,9.3.3 有源带通滤波电路,3. 二阶有源带通滤波电路,传递函数,得,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,可由低通和高通并联得到,必须满足,1.双T选频网络,2.双T带阻滤波电路,阻滤波电路的幅频特性,*9.4 开关电容滤波器,不作要求,9.5 正弦波振荡电路的振荡条件,正反馈放大电路框图 （注意与负反馈方框图的差别）,1. 振荡条件,所以振荡条件为：,振幅平衡条件,相位平衡条件,去掉 , 仍有稳定的输出。,动画（振荡条件）,起振条件,2.起振

5、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？电路器件内部噪声以及电源接通扰动 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。 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。 稳幅的作用就是当输出信号的幅值增加到一定程度时，使振荡电路的环路增益从起振条件AF1回到平衡条件AF=1 。,动画（自激振荡工作原理）, 放大电路（包括负反馈放大电路） 反馈网络（构成正反馈的） 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,3.振荡电路的基本组成,9.6 RC正弦波振荡电路,1.

6、电路原理图2. RC串并联选频网络的选频特性3. 振荡频率与振荡波形3. 振荡电路工作原理4. 稳幅措施,1.电路原理图,放大电路 选频网络,2.RC串并联选频网络的选频特性,反馈系数,又 且令 则,当 或,3. 振荡的建立与稳定,用瞬时极性法判断可知，电路满足相位平衡条件,当 时，,此时若放大电路的电压增益为,则振荡电路满足振幅平衡条件,电路可以输出频率为 的正弦波,RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波。,产生低频：1Hz1MHz,热敏电阻 （负温度系数）,4. 振荡频率与振荡波形,输出频率为： 或,5. 稳幅措施：采用非线性元件,（1）热敏元件稳幅,起振时， ， 即

7、,热敏电阻的作用,热敏电阻 （负温度系数）,（2）场效应管（JFET）稳幅,稳幅原理,D、R4、C3整流滤波；T 相当于压控电阻（工作在可变电阻区）,可变电阻区，斜率随vGS不同而变化,（3）二极管稳幅,稳幅原理,起振时,稳幅环节, RC滞后移相网络 如图所示为RC滞后移相网络,RC移相网络 RC导前移相网络,p441,9.7 LC正弦波振荡电路,9.7.1 LC 选频放大电路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,9.7.1 LC选频放大电路,当 时，电路谐振。 为谐振频率,其中 为品质因数，通常Q 1,1. 并联谐振回路,失谐

8、时：,等效损耗电阻,2. 选频放大电路 p444,虽然波形出现了失真，但由于LC谐振电路的Q值很高，选频特性好，所以仍能选出0的正弦波信号。,1.电路结构,2.相位平衡条件 p445,3.幅值平衡条件,4.稳幅,5.选频,JFET进入非线性区，波形出现失真， 从而幅值不再增加，达到稳幅目的。,9.7.2 变压器反馈式LC振荡电路（定性分析）,互感线圈的极性判别,磁棒,初级线圈,次级线圈,同极性端,反馈信号通过互感线圈引出,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

9、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。,2.电感三点式振荡电路,3.电容三点式振荡电路,9.7.4 石英晶体振荡电路,1.频率稳定问题,品质因数Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。LC振荡电路的Q约为数百；石英晶体振荡电路的Q约为10000 500000。,频率稳定度一般由 (相对变化量)来衡量。,：频率偏移量； ：振荡频率。,2. 石英晶体的基本特性与等效电路,结构： 基本特性,极板间加电场晶体机械变形 极板间加机械力晶体产生电场 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，频率稳定性高。 当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大

10、压电谐振,等效电路及频率特性：,等效电路：,（1）串联谐振：当R、L、C支路发生串联 谐振 时，其串联谐振频率为：,由于C0很小，它的容抗比R大得多，因此串联谐振的等效阻抗近似为R，呈纯电阻性，其阻值很小。,（2）并联谐振：当频率高于fs 小于fp 时，R、 L、C支路呈 感性，当R、 L、C支路与C0支路发生并联谐振时，其 振荡频率为：,由于CC0，因此 fp 与 fs很接近。,C0表示静电电容，L和C分别模拟晶体的质量（代表惯性）和弹性，晶片振荡时，因摩擦而造成的损耗用电阻R来等效。,实际使用时外接一小电容Cs,则新的阻抗为：,将上式展开成幂级数，并注意到CCo +Cs,从而略去高次项，可

11、近似得：,由,令上式中的分子为零，得到新的串联谐振频率：,3. 石英晶体振荡电路,利用石英晶体的高品质因数的特点，可构成很高频率稳定性的LC 振荡电路。,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。,（1）并联型石英晶体振荡器,（2）串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 单门限电压比较器 迟滞比较

12、器 集成电压比较器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,1.单门限电压比较器,特点：开环，虚短不成立,增益A0大于105,-VEEvo+VCC, 运算放大器工作在非线性状态下,输入为正负对称的正弦波时，输出为方波。,电压传输特性,比较器,（2）门限电压不为零的比较器,（门限电压为VREF）电压传输特性,例9.8.1电路如上图所示。 vI为三角波，其 峰值6V，如图中虚线所示，设电源电压 VCC12V，运放为理想器件试分别 画出VREF0、VREF2V、VREF4V 时比较器的输出电压vO波形。,加限幅措施，避免内部管子进入深度饱和区，来提高响应速度。,例9

13、.8.2 图示为另一种形式的单门限电压比较器，试求出其门限电压(阈 值电压)VT，画出其电压传输特性。设运放输出的高、低电平分别为 VOH和VOL。,解：利用叠加原理可得,理想情况下，输出电压发生跳变时对应的vPvN0，即,门限电压,单门限比较器的抗干扰能力,2. 迟滞比较器,上次课,2. 迟滞比较器,（1）电路组成,（2）门限电压,回差电压,vp为门限电压，,而vp与vO有关，对应于vO的两个电压值可得vp的两个门限电压 p458,（3）传输特性,通过上述几种电压比较器的分析，可得出如下结论： （1）用于电压比较器的运放，通常工作在开环或正反馈状态和非线性 区，其输出电压只有高电平VOH和低

14、电VOL两种情况。 （2）一般用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数关系。 （3）电压传输特性的关键要素 输出电压的高电平VOH和低电平VOL 门限电压 输出电压的跳变方向, 令vPvN所求出的vI就是门限电压； vI等于门限电压时输出电压发生跳变； 跳变方向取决于是同相输入方式还是反相输入方式。,解：（1）门限电压,例9.8.3 电路如图所示，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 （3）输出电压波形,结论：（1）电压比较器工作在开环或正反馈状态，运放工作在 非线性区，输出电压只有高电平VOH和低电平VOL两种 状态。 （2）一般用电压传输

15、特性来描述输出电压与输入电压的函数关系。 （3）电压传输特性的三个要素是输出电压的高电平VOH和低电平VOL、门限电压和输 出电压的跳变方向。,3.集成电压比较器,集成电压比较器与集成运算放大器比较： 开环增益低、失调电压大、共模抑制比小，灵敏度往往不如用集成运放构成的比较器高。 但集成电压比较器中无频率补偿电容，因此转换速率高，改变输出状态的典型响应时间是30200ns。 相同条件下741集成运算放大器的响应时间为30s左右。,9.8.2 方波产生电路,1.电路组成（多谐振荡电路） 在迟滞比较器的基础上，增加了一个由Rf、C 组成的积分电路, 把输出电压经Rf、C 反馈到比较器的反相输入端。

16、,稳压管双向限幅,2.工作原理,在接通电源的瞬间，输出电压究竟偏于正向饱和还是负向饱和，那纯属偶然。设输出电压偏于正向饱和值，即vO=+VZ时，加到电压比较器同相端的电压为+FVZ，而加于反向端的电压，由于电容器C上的电压vC不能突变，只能由输出电压vO通过Rf按指数规律向C充电来建立，如右图（a）所示,充电电流为i+。显然当加到反相端的电压vC略高于+FVZ时，输出电压便立即从正饱和值（+VZ）迅速翻转到负饱和值（-VZ ），-VZ又通过Rf对C进行反向充电，如右图（b）所示,充电电流为i -。直到vC略负于-FVZ值时，输出状态再翻转回来。,限流电阻,双向限幅,3.占空比可变的方波产生电路,9.8.3 锯齿波产生电路,同相输入迟滞比较器,积分电路,充、放电时间常数不同,忽略了二极管的正向导通电阻,当R5、D支路开路，电容C的正、反向充电时间常数相等时，此时锯齿波就变成三角波，其振荡周期为：,电子琴的振荡电路：,使R2R1,可调,本章小结,1自激振荡可以使反馈放大器工作不稳定，但我们可以利用产生 自激振荡的条件去构成正反馈电路，以产生正弦波振荡。正弦波振荡电路由放大器、反馈网络、选频网络和稳幅环节构成。 2正弦波振荡电路主要有RC振荡电路和LC振荡电路两种。RC振荡电路主要用于中低频场合，LC振荡电路主要用于高频场合。石英