第9章信号处理与产生电路.ppt

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1、第九章 信号处理与产生电路,对你的期望,2.掌握正弦波振荡的相位平衡条件、幅值平衡条件,3.掌握RC正弦波振荡电路的工作原理、起振条件,5.掌握单门限电压比较器和迟滞比较器的工作原理,第九章 信号处理与产生电路,4.掌握RC正弦波振荡电路的稳幅原理及振荡频率的计算,6.理解方波发生器的工作原理,1.熟悉有源滤波电路的工作原理及输入输出关系,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 信号处理与产生电路,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

2、.1 滤波电路的基本概念与分类,一. 基本概念,1 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。,1 体积小、重量轻、利于集成。,2 具有放大作用，且增益可调。,3 利于制成高阶滤波电路。,4 稳定性高。,5 但不适用于高频情况。,6 工作时必须直流电源。,7 不适用于高压或大电流情况。,2 有源滤波器特点：,分母中S的最高幂次称为滤波电路的阶次。,二.传递函数定义,幅频响应,相频响应,三.分类,高通滤波（HPF）,低通滤波（LPF）,带阻滤波（BEF）,带通滤波（BPF）,全通滤波（APF）,低通滤波,上限频率,高通滤波,

3、下限频率,带通滤波,中心频率,带阻滤波,中心频率,全通滤波,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 信号处理与产生电路,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,9.2.1一阶RC低通滤波器(无源),9.2 一阶有源滤波电路,幅频特性、幅频特性曲线,一 . 低通滤波电路,2传递函数：,幅频相应为,1电路：,特征角频率,电压跟随器,同相放大器,注意：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

4、求不高的场合。,9.2.2 一阶有源滤波电路,二 . 高通滤波电路,三 . 带通滤波电路,1电路： 由低通和高通串联得到,2幅频响应,低通特征角频率,高通特征角频率,要求,四 . 带阻滤波电路,1电路： 低通和高通并联,2幅频响应,低通特征角频率,高通特征角频率,必须满足,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 信号处理与产生电路,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,一. 压控电压源低通滤波电路,1压控电压源电路（VCVS）,2传递函数

5、,（二阶）,通带增益,特征角频率,品质因数,注意： 3-AVF 0 ，AVF3时滤波电路才能稳定工作,9.3 二阶有源滤波电路,用 代入，可得传递函数的频率响应：,低通滤波电路幅频响应波特图,低通电路中的电容和电阻对换,2传递函数,幅频响应,二. 压控电压源高通滤波电路,1电路：,（AVF3时滤波电路才能稳定工作）,由低通和高通串联得到,三. 压控电压源带通滤波电路,1电路：,2传递函数,四.双T带阻滤波电路,由双T选频网络构成,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 信号处理与产生电路,9.1 滤波电路的基

6、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(自学),9.5 正弦波振荡电路的振荡条件,1. 振荡平衡条件,2. 起振和稳幅,3. 振荡电路基本组成,4. 分析方法和步骤,1、振荡条件,幅值平衡条件,相位平衡条件（n为整数）,1. 振荡条件,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。,基本放大电路,2. 基本组成部分,反馈网络,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,起振条件,3. 起振和稳幅,# 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

7、内部噪声,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。,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。,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 回到,（1）检查电路组成；,（2）检查放大电路能否实现不失真放大；,（3）判断电路是否满足振荡相位平衡条件 （电路是否构成正反馈）；,（4）判断幅值条件是否满足；,（5）估算振荡频率；,4.分析方法和步骤：,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 信号处理与产生电路,9.1 滤波电路

8、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,9.6 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,桥式正弦波振荡器 （RC串并联正弦波振荡器）,双T网络正弦波振荡器,移相式正弦波振荡器,正弦波振荡电路分类：,9.6 RC桥式正弦波振荡电路,基本放大电路,同相放大电路,反馈网络 （兼做选频网络）,1、电路组成,9.6 RC正弦波振荡电路,反馈系数,2. RC串并联选频网络的选频特性,幅频响应,又,则,相频响应,9.6 RC正弦波振荡电路,当,幅频响应有最大值,相频响应,用瞬时极性法

9、：正反馈,若满足振幅平衡条件,(+),(+),(+),(+),电路输出频率：,RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波,一.相位平衡条件检查,二.幅值平衡条件,要求放大电路电压增益,3、振荡电路工作原理,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,9.6 RC正弦波振荡电路,利用二极管非线性 (P401),起振时输出vo较小,二极管D1、D2截止,振荡继续vo增加D1或D2导通,稳幅原理,电路仿真,9.6 RC正弦波振荡电路,例题: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,=2

10、10=20k,=1592 Hz,起振条件：,电子琴的振荡电路（了解）：,使R2R1,AF1,可调,A2,RF1+RF2Rf,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 信号处理与产生电路,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,9.7 LC正弦波振荡电路,9.7.1 LC并联谐振回路选频特性,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,1. 并联谐振回路,9.7.1 LC并联谐振回路选频特

11、性,当 时，,电路谐振。,为谐振频率,谐振时,阻抗最大，且为纯阻性,9.7 LC正弦波振荡电路,2. 并联谐振回路频率响应,9.7 LC正弦波振荡电路,9.7.2 变压器反馈式LC振荡电路,1、电路组成,9.7.2 变压器反馈式LC振荡电路,2、起振条件和振荡频率,次级L1上的电压 与 的关系可用互感M来描述，即,故电路的环路增益为,根据产生振荡的振荡条件 1，,9.7.2 变压器反馈式LC振荡电路,2、起振条件和振荡频率,谐振时,因此电路起振条件为,式中，R为LC谐振回路的总的损耗等效电阻 （包括变压器次级的折合电阻）。,由前面的分析可知，只有在谐振频率f0时， 电路才满足振荡条件， 因此电

12、路的振荡频率就是LC并联回路的谐振频率。 设回路的损耗很小，Q值较高，则,9.7.2 变压器反馈式LC振荡电路,2、起振条件和振荡频率,9.7.2 变压器反馈式LC振荡电路,3、振荡的建立与稳定,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。,9.7.3 三点式LC振荡电路,1. 三点式LC并联电路,中间点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。,2. 电感三点式电路,9.7 LC正弦波振荡电路,满足相位条件。,振荡频率:,三极管共射放大器,三点的相位关系,3. 电容三点式电路,振荡频率：,9.7 LC

13、正弦波振荡电路,满足相位条件。,三极管共射放大器,三点的相位关系,互感线圈的极性判别,磁棒,初级线圈,次级线圈,同极性端,C,L,R,u,i,反馈信号通过互感线圈引出,9.7 LC正弦波振荡电路,例：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。,9.7 LC正弦波振荡电路,Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。,9.7.4 石英晶体振荡电路,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 10000 500000,9.7.4 石英晶体振荡电路,2、结构,极板间加电场,极板间加机械力,压电效应,交变电压,机械振动的固有频率

14、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,3. 石英晶体的等效电路与频率特性,等效电路：,（1）串联谐振,频率特性：,晶体等效阻抗为纯阻性,（2）并联谐振,通常,所以,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,4. 石英晶体振荡电路,利用石英晶体的高品质因数的特点，构成LC振荡电路。,1. 并联型石英晶体振荡器,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。,2. 并联型石英晶体振荡器,石英晶体工作在fs处，呈电阻性，且

15、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。,9.5 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 信号处理与产生电路,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,9.8 非正弦信号产生电路,9.8.1 比较器,9.8.3 锯齿波产生电路,9.8.2 方波产生电路,单门限电压比较器,迟滞比较器,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

16、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。,9.8.1 电压比较器,理想运放工作在饱和区的特点：,1. 输出只有两种可能 +Uo (sat) 或Uo (sat) 当 u+ u 时， uo = +Uo (sat) u+ u 时， uo = Uo (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,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

17、出跃变所对应的输入电压。,当 u+u 时，uo= +Uo (sat) u+u 时，uo= Uo (sat),即 uiUR 时，uo = Uo (sat),可见，在 ui =UR 处输出电压 uo 发生跃变。,参考电压,单限电压比较器： 当 ui 单方向变化时， uo 只变化一次。,ui UR，uo=+ Uo (sat) ui UR，uo= Uo (sat),输入信号接在反相端,输入信号接在同相端,输入信号接在反相端,输入信号接在同相端,2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,uiUR 时，uo = Uo (sat),稳幅电

18、路的另一种形式： 将双向稳压管接在负反馈回路上,R =R,3 过零电压比较器,利用电压比较器 将正弦波变为方波,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。,4.迟滞比较器,特点:电路中使用正反馈, 运放处于非线性状态,例:设输入为正弦波, 画出输出的波形。,例题：R1=10k，R2=20k ，UOM=12V， UR=9V当输入ui为如图所示的波形时，画 出输出uo的波形。,上下限：,=10V,=2V,加上参考电压后的迟滞比较器：,上下限：,R1=10k，R2=20k ， UZ=12V， UREF=9V,9.8 非正弦信号产生电路,9.8.1 比较器,9.8.3

19、 锯齿波产生电路,9.8.2 方波产生电路,单门限电压比较器,迟滞比较器,1.电路结构,9.8.2 方波产生电路,下行的迟滞比较器，输出经积分电路再输入到此比较器的输入端。,上下限:,传输特性,2.工作原理：,(1) 设 uo = + UOH ,此时，输出给C 充电, uc ,则：uT+有效,一旦 uc UT+ , 就 uN uP ,在 uc UT+ 时，,uN uP ,uo 立即由UOH跳变成UOL, 设uC初始值uC(0+)= 0,uo保持+UOH不变,此时，C 经输出端放电,(2) 当uo = UOL 时，,uT-_有效,uc达到UT-时，uo跳变,当uo 重新回到UOM 以后， 电路又

20、进入另一个周期性的变化。,周期与频率的计算：,f = 1/T,此期间是分析问题时的假设,实际上用示波器观察波形时看不到这段波形.,周期与频率的计算：,T= T1 + T2 =2 T2， 因正反向充电条件一样T1 = T2。,T2阶段uc(t)的过渡过程方程为:,UC ()=+UOM,周期与频率的计算：,9.8 非正弦信号产生电路,9.8.1 比较器,9.8.3 锯齿波产生电路,9.8.2 方波产生电路,单门限电压比较器,迟滞比较器,9.8.3 三角波发生器与锯齿波发生器,组成： 施密特触发器，积分器,1 三角波发生器,vN1=vP1时vI(即vO)的阈值,幅度： VO1m= 2VZ,T与VZ和

21、运放无关，稳定性好！,周期：t1 t3 恒流充电：,充电速度：,vO1：方波 vO：三角波,2 锯齿波发生器,T1：波形线性变化 T2：时间短 原理： 利用三角波发生器原理， 使充、放电时间常数不同。 可通过改变充放电通路及 参数来实现。,vO1：矩形波 vO： 锯齿波,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。石英晶体振荡电路是一种特殊类型的LC振荡电路，其特点是具有很高的频率稳定性。 3比较器是一种能够比较两个模拟量大小的电路。由于集成运放的开环电压增益很高，所以，当集成运放工作在开环状态时，可以作为比较器使用。这时，运放工作在非线性状态，其输出电压仅为正负饱和值，输入信号“虚短”的概念也不再成立。迟滞比较器具有回差特性，在信号处理电路中得到了广泛应用。 4在方波、锯齿波和三角波等非正弦波信号发生器中，运放一般工作在非线性状态。电路是由积分器、反馈网络、和比较器等环节组成，属于一种弛张振荡电路。这一类电路也得到了广泛的应用。,9.3.2,9.4.1,9.4.2,9.4.3,9.4.4,9.4.5,9.4.9,9.4.10,