模电第9章信号处理与信号产生电路(康华光).ppt

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1、第九章 信号处理与信号产生电路 重点： 1.了解有源滤波器的类型与滤波原理； 2. 理解正弦波振荡电路自激振荡的条件; 3. 理解LC振荡电路和RC振荡电路的工作原理。 4. 理解电压比较器的工作原理和应用。,（1-2）,9.1 滤波电路的基本概念与分类,二、滤波电路的分类 1. 按信号性质分类：模拟滤波器和数字滤波器 2. 按所用元件分类：无源滤波器和有源滤波器 3. 按阶数分类：一阶，二阶 高阶 4. 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,一、什么是滤波 使所需要的频率信号能顺利通过滤波电路达到输出端口，抑制(过滤)不需要的频率信号，这种选择频率的功能称为滤波。

2、,输入信号 频率是变的,经滤波后 输出信号,（1-3）,低通,高通,带通,带阻,四种典型滤波器的频率特性,三、滤波电路作用的描述 用电压增益频率的关系来描述,称为传递函数。,（1-4）,9.2 一阶有源滤波电路 一、一阶有源低通滤波器 1、 电路,2. 频率响应(传递函数),令:Ao=1+Rf /R1 , o=1/RC,幅频特性:,无源低通滤波器,幅频响应波特图:,o :上限截止频率,-20dB/十倍频程,输出频率范围: =0o,（1-5）,二、一阶有源高通滤波器 1、 电路,2. 频率响应(传递函数),令:o=1/RC Ao=1+Rf /R1,幅频特性:,无源高通滤波器,幅频响应波特图:,o

3、 :下限截止频率,输出频率范围: = o 三、一阶有源滤波器优缺点 优点:电路简单; 缺点:衰减太慢。,20dB/十倍频程,（1-6）,9.3 高阶有源滤波电路(2阶) 一、二阶有源低通滤波器 1、 电路,联立求解得:,二阶,（1-7）,2. 频率响应(传递函数) 将s=j 代入上述方程得:,其中:Ao=1+Rf /R1通带增益,特征角频率,等效品质因数,幅频特性:,越大A越小。 波特图如右图。阶数越高,衰减越快,曲线越陡。,-40dB/十倍频程,（1-8）,将低通电路中的电容和电阻对换，便成为高通电路。 2. 频率响应(传递函数),二、二阶有源高通滤波器 1、 电路,Ao,C,Q与低通相同。

4、 幅频特性:,可见： 越大A越大。 波特图斜率40dB/十倍频程。,（1-9）,当满足LH时,输出频率范围: =LH 2. 实际电路 p426图3.1.11以及p429图3.1.13。,设低通截止角频率:,设高通截止角频率:,三、有源带通滤波电路 1. 电路组成原理 可由低通和高通串联组成,（1-10）,例1,计算下图电路的输出频率范围。,低通截止频率:,高通截止频率:,输出频率范围: =(881.1104)Hz,（1-11）,高通,低通,3. 二阶有源带通滤波电路,若设：,则：,波特图,传递函数,通频带:BW =o/(2Q),（1-12）,当满足LH时,输出频率阻隔范围: = LH,低通截止

5、角频率:,高通截止角频率:,三、有源带阻滤波电路 1. 电路组成原理 可由低通和高通并联组成,（1-13）,2. 二阶有源带阻滤波电路(双T带阻滤波电路),传递函数,若设：,则：Ao=AVF,可见： =0A=A0 =A=A0 =0A=0 带阻,（1-14）,9.5 正弦波振荡器的振荡条件 正弦波振荡器: 能自激振荡产生正弦输出电压的电路。 一.维持自激振荡的条件 1.自激振荡?,基本放大 电路A,. Xi,. . . Xo=AXi,正反馈,. . Xf =Xi,如果将开关从1打至2,. 则去掉Xi,. Xo不变,反馈信号代替输入信号并维持输出不变 称自激振荡,（1-15）,2.维持自激振荡的条

6、件?,. . Xf =Xi,即:,Xf f =Xi i,(1) Xf =Xi幅值平衡条件 (2)f =i 相位平衡条件(正反馈) 由反馈环:,维持振荡条件的另一种形式：,上式可写为: AA FF=1 (1) AF =1幅值平衡条件 (2)A + F=2n(n是整数)相位平衡条件(正反馈),相位条件:通过正反馈实现； 振幅条件:通过调整A或F达到。,（1-16）,二、振荡的建立与稳定 实际中的振荡器根本无事先输入xi ，那么振荡是如何建立起来的？,1.起振条件? 放大电路中存在噪声以及电源接通等瞬态扰动,这些微弱的信号使xd0,当电路满足: (1)A + F=2n采用正反馈 (2) AF 1,.

7、 Xd,. Xo ,. Xf ,. Xd ,. Xo ,起振,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称为稳幅。,AF=1能否起振?,（1-17）,2.稳幅 稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从AF 1 回到AF =1。,稳幅措施: (1)被动：器件非线性。 (2)主动：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。 三、振荡频率的选择 上述自激振荡电路的输出波形是无规则的。为了得到正弦波输出, 应该加一个筛选频率的电路： 选频网络。,选频网络,（1-18）,小结 1.起振条件 (1)A + F=2n采用正反馈 (2) AF

8、1 2.维持振荡的条件 (1)A + F=2n(n是整数)相位平衡条件(正反馈) (2) AF =1幅值平衡条件 3.正弦波振荡器的组成 (1)放大电路(包括负反馈放大电路) (2)反馈网络(构成正反馈的) (3)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,常用的有RC选频和LC选频) (4)稳幅环节(使电路易于起振又能稳定振荡,波形失真小),（1-19）,9.6 RC正弦波振荡电路 一. 电路组成,RC 选频兼正反馈网络,放大网络,二. RC选频正反馈网络 把 fo 分量选出放大,把其他频率的分量衰减掉。 1.电路,+ vf -,（1-20）,2.选频特性,当RC=1/

9、RC时, vf vo同相且Vf最大。此时:,结论:若vo由多种频率信号组成的话, 必有一个频率=0的信号, 使vf vo同相且Vf最大。,（1-21）,三. RC 振荡器工作原理 1. 起振和维持振荡的相位条件 用瞬时极性法判断 :,由多种频率组成的噪声信号中必有一个频率=0的信号,使电路产生正反馈, 满足相位平衡条件。,2. 维持振荡的幅值条件 必有一个频率=0信号的使:,根据AVF =1,取 :,3. 输出电压频率 电路输出频率为fo 的正弦波:,=3,满足幅值平衡条件,+,+,+,（1-22）,热敏电阻,5. RC正弦波振荡电路原理简述 频率为 fo 的信号再经过正反馈、放大的循环最终稳

10、定在某一值,输出f =fo正弦波。而频率 fo 的信号经过负反馈、缩小的循环最终被削弱为0 。 该电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波。,起振时:,符合AvF 1的条件,可以起振 起振后电流Rf温度 Rf阻值,4.起振条件和稳幅措施 采用非线性元件,如采用热敏电阻。,当AvF =1时稳幅,（1-23）,R=1k，C=0.1F，R1=10k。Rf为多大时才能起振？振荡频率f0=？,AF=1，,A=3,Rf=2R1=210=20k,=1592 Hz,起振条件：,例1,（1-24）,四. RC移相式振荡电路 1. RC超前移相电路的移相原理 (1)单级电路,结论: 当vi 的频率=0时,

11、vo超前vi的角度=900 (2)多级电路,三级电路中: vi 频率=0 vo 超前移相=2700 必有一个频率=0的信号,使vo 超前移相=180,（1-25）,2. RC滞后移相电路的移相原理 (1)单级电路,结论: 当vi的频率=0时, vo滞后vi的角度=090 (2)多级电路,三级电路中: vi 频率=0 vo 滞后移相=0270 必有一个频率=0的信号,使vo滞后移相=180,（1-26）,3. RC移相式振荡电路,(1) 原理 频率为 fo 的噪声信号经过A放大后反相180,再经过三级移相电路移相180实现正反馈的循环, 最终稳定在某一值,输出f =fo 正弦波。而频率 fo 的

12、信号经过负反馈、缩小的循环最终被削弱为0 。 (2) 输出电压频率,+,-,-,（1-27）,9.7 LC正弦波振荡器 一. LC 选频网络 1.电路,当,即:,(1)vo ic 同相;,(2)Vo/Ic=|Z|最大;,(3)Ic恒定时Vo最大。,（1-28）,2.相位平衡条件 用瞬时极性法判断 :,3. 幅值平衡条件 通过选择场效应管增益和调整变压器的匝数比,可以满足AF 1,从而使电路起振。,二、 变压器反馈式LC振荡电路(定性分析) 1.电路,4. 稳幅 T进入非线性区,从而幅值不再增加,达到稳幅目的。 5. 输出频率 vo=频率为fo的正弦波:,+,-,- +,必有一个频率=0的信号,

13、使电路产生正反馈, 满足相位平衡条件。,+ -,（1-29）,三. 三点式LC振荡电路 1.三点式LC选频正反馈网络输入输出极性关系 (1)电感三点式,vf与vo 反相,vf与vo 同相,(2)电容三点式,vf与vo 反相,vf与vo同相,（1-30）,2.电感三点式LC振荡电路 (1)电路,(2)起振判断 相位条件判断：,+,+,+,M为L1、L2之间的互感,正反馈 幅值条件判断 通过选择参数,可以满足AF 1,从而使电路起振。 (3)工作原理: 同前一电路 (4)指标计算,（1-31）,例1,满足相位平衡条件,试判断下图三点式振荡器是否满足相位平衡条件?,（1-32）,3.电容三点式LC振

14、荡电路 (1)电路,(2)起振判断 相位条件判断：,正反馈 幅值条件判断 同前一电路 (3)工作原理: 同前一电路 (4)指标计算,+,+,+,（1-33）,试判断下图三点式振荡器是否满足相位平衡条件?,满足相位平衡条件,例2,（1-34）,试判断下图三点式振荡器是否满足相位平衡条件?,例3,满足相位平衡条件,（1-35）,四. 石英晶体振荡电路 1.石英晶体振荡器 (1)结构,(2) 基本特性,极板间加电压,极板间加机械力,晶体机械变形,晶体产生电压,若加交变电压,机械振动,交变电压,当交变电压频率=晶体固有频率时,称压电效应,Sio2,振幅最大,称压电谐振。谐振时的频率fs称为固有频率。,

15、晶体机械振动的固有频率fs与晶片尺寸有关, 稳定性高。,（1-36）,2. 石英晶体振荡电路 (1)并联型石英晶体振荡器,等效,对于频率略大于fs的信号: 并联型石英晶体相当一个大电感,与C1、C2组成电容三点式振荡器。工作原理与电容三点式振荡器相同。,微调电容,对于固有频率fs以外的信号，石英晶体相当于RLC混接元件,阻抗大,且不是正反馈,不满足振荡条件。 此时输出信号频率 ： fo fs,+,（1-37）,(2) 串联型石英晶体振荡器,对于频率等于fs的信号: : 串联型石英晶体相当一个R 0纯电阻,谐振时正反馈最强,相移为零,满足振荡条件。,对于固有频率fs以外的信号，石英晶体相当于RL

16、C混接元件,阻抗大,且相移不为零,不满足振荡条件。 此时输出信号频率 ： fo= fs,（1-38）,试用相位条件分析下图的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？,例3,+,+,+,满足相位平衡条件。 并联型石英晶体相当一个大电感。,（1-39）,9.8 电压比较器 使用运算放大器的开环状态或正反馈状态 一、理想运放工作在开环或正反馈状态下的分析依据,(1)虚断 i+i-0 (2)当v+v-时, vo = +vom 当v+v- 时, vo =- vom “+vom” “-vom”正负饱和值, 略低于正负电源值。 注意：无虚短！ 即: v+v-,任何工作在开环或正反馈状态下的理

17、想运放,必有:,（1-40）,二、单门限电压比较器 1、电路组成,VR,2、传输特性,参考电压,可见，在 vi =VR 处输出电压 vo 发生跃变。 阈值电压(门限电平)输出跃变所对应的输入电压。,饱和电压,（1-41）,3、波形,若vi与vR 对调，上述曲线如何变化？,（1-42）,三、过零比较器 1、电路组成,参考电压为0,2、传输特性,3、波形,若vi接到“-”,上述曲线如何变化?,（1-43）,四、输出带限幅的电压比较器 1、电路组成,2、传输特性,设稳压管的稳定电压为VZ， 忽略稳压管的正向导通压降 则 vi VR，vo = VZ,（1-44）,3、稳幅电路的另一种形式 将双向稳压管

18、接在负反馈回路中:,当vi 0时 , vo = -VZ 当vi 0时 , vo = +VZ,（1-45）,解：,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,例1,（1-46）,五. 迟滞比较器(滞回比较器) 特点：使用正反馈,有两个门限电压。 1、下行迟滞比较器 (1)电路,v-= vi 当vo=+VZ 时:,当vo =-VZ 时:,(2)工作原理 因为有正反馈,所以运放输出处在饱和状态。,只要viVT+, vo=-VZ V

19、T+上门限电压,只要vi0回差电压,（1-47）,(3)下行迟滞比较器的电压传输特性 要点:分两个方向画,即： vi= - + vi= + - ,当vo=+VZ 时: 只要viVT+, vo=-VZ 当vo =-VZ 时: 只要viVT-,vo=+VZ,（1-48）,Rf=10k，R2=10k ，VZ=6V， VREF=10V。当输入vi为如图所示的波形时，画 出输出vo的波形。,上下限：,例2,（1-49）,（1-50）,解：,（1）门限电压,（3）输出电压波形,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,例3,（1-51）,2、上行迟滞比较

20、器 (1)电路,(2)工作原理 因为有正反馈,所以运放输出处在饱和状态。,当vo =+Vom 时:,v-=VR 当vo =-Vom时:,只要v + v-, 即:,只要v- v+,即:,vo=+Vom,vo=-Vom,（1-52）,(3)上行迟滞比较器的电压传输特性 要点:分两个方向画,即： vi= - + vi= + - ,当vo =+Vom 时: 只要vi VT+, vo=+Vom,（1-53）,本章小结 1.有源滤波器可以突出有用频段的信号,衰减无用频段的信号,抑制干扰和噪声信号,达到选频和提高信噪比的目的。实际使用时, 应根据具体情况选择低通、高通、带通或带阻滤波器，并确定滤波器的具体形式。 2正弦波振荡的条件： |AF|=1 (振幅条件) A + F=2n (相位条件) 3.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。石英晶体振荡电路是一种特殊的LC振荡电路，其特点是具有很高的频率稳定性。 4当运放开环工作或引入正反馈时, 运放工作在非线性状态。其分析方法为：若V+V- 则VO=+VOM； 若V+V- 则VO=-VOM。 虚断(运放输入端电流=0) 5.比较器是一种能够比较两个模拟量大小的电路。迟滞比较器具有回差特性。,（1-54）,第九章 信号处理与信号产生电路 结 束,