9.信号处理和信号产生电路.ppt

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1、,9.1 滤波电路的基本概念与分类,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,9.2 一阶有源滤波电路,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,9.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：由有源器件和R、C元件构成的滤波器。,滤波电路传递函数定义：, 相位角，相频响应,9.1 滤波电路的基本概念与分类,2. 分类,高通（HPF）,低通（LPF）,带阻（BEF）,带通（BPF）,9.2

2、一阶有源滤波电路,传递函数：,故，幅频相应为：,1. 低通滤波电路,9.2 一阶有源滤波电路,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。,2. 高通滤波电路,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,9.3.2 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,9.3.1 有源低通滤波电路,2. 传递函数,得滤波电路传递函数,（二阶）,（同相比例）,1. 二阶有源低通滤波电路,2. 传递函数,令,称为通带增益,称为特征角频率,称为等效品

3、质因数,则,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,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

4、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,双T选频网络,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,双T带阻滤波电路,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,阻滤波电路的幅频特性,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,*9.4 开关电容滤波器,不作要求,振荡器：不需要外加激励信号就能将直流信号转化为交流信号的电子设备。 分类： 正弦波振荡器；非正弦波振荡器,一、条件,自激振荡的条件：,而,即,（为保证起振，通常要求 ）,幅度条件：,相位条件： （n=0，1，2，3，）,因为：,9.5 正弦波振荡电路的振荡条件,一、条件,二、组成 基本放大器； 反馈网络；

5、 选频网络（为了获得单一频率）； 稳幅环节（为了产生稳幅振荡）；,若选频网络由RC元件构成RC正弦波振荡器； 若选频网络由LC元件构成LC正弦波振荡器；,一、条件,三、分析方法 1、判断能否产生振荡 （1）检查电路是否具备振荡电路的组成部分； （2）检查放大电路的Q点是否能够保证放大器正常工作； （3）分析电路是否满足振荡条件。主要是分析相位条件，至于幅度条件一般容易满足。 2、求振荡频率和起振条件 振荡频率由相位条件决定； 起振条件由幅度条件求得；,二、组成,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

6、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。,四、说明,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。,四、说明,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：,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,1. 电路组成,反馈网络兼做选频网络,RC桥式振荡电路,反馈系数,2. RC串并

7、联选频网络的选频特性,幅频响应,又,且令,则,相频响应,2. RC串并联选频网络的选频特性,当,幅频响应有最大值,相频响应,3. 振荡电路工作原理,此时若放大电路的电压增益为,用瞬时极性法判断可知，电路满足相位平衡条件,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,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,采用非线性元件,4. 稳幅措施,场效应管（JFET）,稳幅原理,整流滤波,T 压控电阻,采用非线性元件,二极管,稳幅原理,起振时,4. 稳幅措施,输出频率的调整：,通过调整R或/

8、和C来调整频率。,C：双联可调电容，改变C，用于细调振荡频率。,K：双联波段开关，切换R，用于粗调振荡频率。,用运放组成的RC振荡器,RC文氏桥式振荡器,电子琴的振荡电路电路：,用运放组成的RC振荡器,RC文氏桥式振荡器,用分立元件组成的RC振荡器,ube,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。负反馈使电路工作稳定。,RC文氏桥式振荡器,I、LC并联谐振回路 一、谐振频率与谐振电阻,1、谐振的概念：AB间的阻抗最大，且呈纯电阻的状态谐振状态。 2、谐振频率：,当 时呈谐振状态，此时,或,I、LC并联谐振回路 一、谐振频率与谐振电阻,3、谐振电阻,4、理想电路,L

9、、C为理想电抗件,R0体现了损耗,I、LC并联谐振回路 一、谐振频率与谐振电阻,5、特点,（1）谐振频率：,（2）谐振时总的容抗等于感抗：,两端呈纯电阻。,（3）谐振时总电流与总电压同相，支路电流比总电流大。,电感支路：,电容支路：,I、LC并联谐振回路 二、谐振回路的品质因数,定义：谐振时电路的电抗（0L或 ）与等效损耗电阻r之比。,Q0的大小标志着谐振质量的优劣。Q0损耗越小。 Q0通常在30200之间。,I、LC并联谐振回路 三、谐振曲线,1、谐振曲线,2、通用谐振方程,I、LC并联谐振回路 三、谐振曲线,2、通用谐振方程,或,在f=f0f的情况下：,则,其中,相对失谐量，描述了f偏离f

10、0的程度。,I、LC并联谐振回路 三、谐振曲线,3、通频带,相减得,可见Q0愈大，通频带愈窄。,I、LC并联谐振回路,四、信号源和负载与并联谐振回路的连接,令,则,而,结论：Rs和RL的接入，使回路的损耗增加，通频带变宽。,I、LC并联谐振回路,五、改变并联谐振回路阻抗的办法,1、电感中间抽头,谐振频率,谐振阻抗,忽略两线圈间的互感和R的影响,I、LC并联谐振回路,五、改变并联谐振回路阻抗的办法,忽略r的影响,2、电容中间抽头,谐振频率,谐振阻抗,I、LC并联谐振回路,五、改变并联谐振回路阻抗的办法,3、结论,谐振频率仅仅决定于回路的总电感L和总电容C，与抽头位置无关。,谐振阻抗与抽头的位置有

11、关。,、 LC串联谐振回路,谐振频率：,或,谐振阻抗： Z=R （此时阻抗很小）,品质因数：,9.7 LC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。放大电路可用高频运放，也可用分离元件组成。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。,电容电路：电流超前电压90o,电感电路：电压超前电流90o,一、电感三点式振荡电路,1、电路组成,2、相位条件,电路满足相位条件。,3、振荡频率和起振条件,振荡频率：,起振条件：,为总的损耗电阻,得,一、电感三点式振荡电路,4、特点 （1）很容易起振； （2）调节频率方便，通常采用可变电容； （3）一般用于产生几十MH

12、z以下的频率； （4）由于Uf取自L2（电感），输出波形中有高次谐波，故波形较差。,二、电容三点式振荡电路,1、电路组成,2、相位条件,电路满足相位条件。,3、振荡频率和起振条件,振荡频率：,起振条件：,为总的损耗电阻,得,4、特点 （1）晶体管的极间电容对振荡频率有一定的影响； （2）调节频率不方便，适用于产生固定频率； （3）一般用于产生几百MHz以上的频率，很高； （4）由于Uf取自C2（电容），故波形较好。,若为三点式振荡器，可用“射同基反”的原则，判断相位条件： “射同”振荡电路与T的发射极相连的两个电抗性质相同； “基反”振荡电路与T的基极相连的两个电抗性质相反；,二、电容三点式振

13、荡电路,三点式LC振荡电路相位关系判断,A. 若中间点交流接地，则首端与尾端 相位相反。,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。,例1：,正反馈,频率由C 、 L1 、 L2谐振网络决定。,设uB ,uC ,uD ,uB ,uL2 ,ube ,uL1 ,D,三、三点式振荡电路举例,例2：,+,+,+,正反馈,反相,+,振荡频率:,M为两线圈的互感,uo,三、三点式振荡电路举例,+,+,例3：,正反馈,振荡频率:,三、三点式振荡电路举例,例4：,+,ube增加,正反馈,三、三点式振荡电路举例,磁棒,初级线圈,次级线圈,同极性端,四、变压器耦合振荡电路,1、变压器同极性

14、端的问题,四、变压器耦合振荡电路,2、变压器耦合振荡电路,振荡频率：,起振条件：,优点：易于起振 调节频率方便 缺点：输出波形不好,例1：,+,+,+,正反馈,判断是否是正反馈:用瞬时极性法判断,振荡频率:,uo,利用1：晶体管共射极放大器，集电极电位变化与基极反相，发射极与基极同相。,利用2：互感线圈的同极性端电位变化相位相同。,四、变压器耦合振荡电路,2、变压器耦合振荡电路,石英晶体振荡电路,2、影响振荡频率不稳定的因素 温度的变化、电源电压的波动、元件参数的变化等,频率稳定度=,1、对于振荡器的振荡频率，要求具有较高的稳定性。,一、石英晶体的物理特性极其等效电路 石英晶体是SiO2的一种

15、结晶体，具有各向异性的物理特性。 在石英晶体上按一定方位切下的薄片晶片。,1、基本特性 （1）石英晶体振荡器在电路中之所以能够代替LC谐振回路是具有压电效应。 石英振荡器中，正负压电效应同时存在、互为因果。当晶体上有外加电场时，晶片发生形变，形变又引起电荷和电场的产生，由于晶体的机械限制，最后达到稳定的平衡状态。,一、石英晶体的物理特性极其等效电路,1、基本特性 （2）若在晶片上外加交变电压，由于压电效应，从外电路来看，相当于有交流通过晶片。 外加电压频率石英晶体的固有机械谐振频率时，压电电流滞后外加电压 外加电压频率=石英晶体的固有机械谐振频率时，压电电流最大压电谐振,一、石英晶体的物理特性

16、极其等效电路,感性,2、等效电路,等效电路,阻抗特性,C0静态电容。即两极板之间的电容，与晶片的几何尺寸、极板面积有关， 几PF几十PF。,L机械振荡的惯性。 10-3102H C晶片的弹性 10-410-1PF R晶片振动时因摩擦而造成的损耗 102 L大，C小，R小, 很大 104106,另一方面，晶片本身的固有频率只与晶片的几何尺寸有关，所以很稳定，而且可以做得很精确。,一、石英晶体的物理特性极其等效电路,感性,2、等效电路,3、谐振频率（忽略R）,特点：（1）一个晶体有两个谐振频率。,即,串联谐振频率（阻抗最小）,即,并联谐振频率（阻抗最大）,（2）fPfS，但由于CC0，fP、fS非

17、常接近,（3）晶体振荡器是将晶片作为一个电感元件来使用的。,二、石英晶体振荡器,1、并联型晶体振荡器,晶体工作在谐振频率fP和fS之间，石英晶体呈电感性，作为振荡器回路的一个电感与电路的其他元件组成三点式振荡器。,由于CC0+C，因此，在回路中起决定作用的是C，由于C很稳定，所以振荡频率的稳定度很高。,其中,二、石英晶体振荡器,2、串联型晶体振荡器,+,利用f=fS时石英晶体呈纯阻性，相移为零的特性构成正弦波振荡器。,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,9.8.1 电压比较器,，

18、由于|vO |不可能超过VM ，,特点：,1. 单门限电压比较器,（1）过零比较器,开环，虚短不成立,增益A0大于105,（忽略了放大器输出级的饱和压降）,所以,当 |+VCC | = |-VEE | =VM = 15V，A0=105 时，,可以认为,vI 0 时， vOmax = +VCC,vI 0 时， vOmax = -VEE,（过零比较器）,运算放大器工作在非线性状态下,9.8.1 电压比较器,特点：,1. 单门限电压比较器,（1）过零比较器,开环，虚短不成立,增益A0大于105,输入为正负对称的正弦波时，输出为方波。,电压传输特性,9.8.1 电压比较器,1. 单门限电压比较器,（2

19、）门限电压不为零的比较器,电压传输特性,（门限电压为VREF）,9.8.1 电压比较器,1. 单门限电压比较器,（2）门限电压不为零的比较器,（门限电压为VREF）,(a) VREF0时,(b) VREF2V时,(c) VREF4V时,vI为峰值6V的三角波，设VCC12V，运放为理想器件。,解：,例,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。,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,9.8.1 电压比较器,2. 迟滞比较器,（1）电路组

20、成,（2）门限电压,门限电压,上门限电压,下门限电压,回差电压,9.8.1 电压比较器,2. 迟滞比较器,（3）传输特性,解：,（1）门限电压,（3）输出电压波形,例,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,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

21、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,9.8.1 电压比较器,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）,稳压管双向限幅,9.8.2 方波产生电路,2. 工作原理,由于迟滞比较器中正反馈的作用，电源接通后瞬间，输出便进入饱和状态。,假设为正向饱和状态,3. 占空比可变的方波产生电路,9.8.2 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,