《滤波和波形产生》PPT课件.ppt

,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,9.3 高阶有源滤波电路,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,9.8 非正弦信号产生电路,本章学习要求,理解滤波电路的工作原理，了解它的主要参数，能根据需要合理选择滤波电路。 掌握产生正弦波振荡的相位平衡和幅度平衡条件。 掌握文氏电桥振荡器的工作原理和振荡频率的计算。 理解各种非正弦波发生电路（矩形波、锯齿波和三角波）的工作原理,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。 基本原理就是利用电路的频率特性实现对信号中频率成分的选择。,时，有,其中, 模，幅频响应, 相位角，相频响应,群时延响应,9.1 滤波电路的基本概念与分类,2. 分类,end,全通（APF）,带阻（BEF）,带通（BPF）,低通（LPF）,高通（HPF）,1.按所处理信号分 模拟和数字滤波器 2.按所用元件分 无源和有源滤波器,3.按滤波特性分,3、滤波电路的研究对象,低通滤波器（LPF）,通带放大倍数,通带截止频率,下降速率,理想幅频特性 无过渡带,用幅频特性描述滤波特性，要研究 、 ( fP 、下降速率)。,4.7.1 单时间常数RC电路的频率响应（补充）,1. RC低通电路的频率响应,（电路理论中的稳态分析）,RC电路的电压增益（传递函数）：,则,且令,又,电压增益的幅值（模）,（幅频响应）,电压增益的相角,（相频响应）,增益频率函数,RC低通电路,最大误差 -3dB,频率响应曲线描述,1. RC低通电路的频率响应,2. RC高通电路的频率响应,RC电路的电压增益：,RC高通电路,1.一阶RC无源低通滤波器,2.一阶RC无源高通滤波器,低通,高通,互偶,总结：,比较：,空载时,带负载时,负载变化，通带放大倍数和截止频率均变化。,从频率特性图上我们可以看到： （1）一阶无源低通滤波器的电压放大倍数低， 只有1； （2）带负载能力差； （3）在通带截止频率附近有-20dB/十倍频的幅度衰减，并有-45/十倍频的相位滞后。,9.2 一阶有源滤波电路,1. 低通滤波电路,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,9.2 一阶有源滤波电路,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。,end,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 二阶有源高通滤波电路,9.3.3 二阶有源带通滤波电路,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,9.3.1 二阶有源低通滤波电路,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,得滤波电路传递函数,（二阶）,（同相比例）,2. 传递函数,令,称为通带增益,称为特征角频率,称为等效品质因数,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,end,运算电路与有源滤波器的比较,相同之处 电路中均引入深度负反馈，因而集成运放均工作在线性区。 均具有“虚短”和“虚断”的特点，均可用节点电流法求解电路。 不同之处 运算电路研究的是时域问题，有源滤波电路研究的是频域问题；测试时，前者是在输入信号频率不变或直流信号下测量输出电压与输入电压有效值或幅值的关系，后者是在输入电压幅值不变情况下测量输出电压幅值与输入电压频率的关系。 运算电路用运算关系式描述输出电压与输入电压的关系，有源滤波器用电压放大倍数的幅频特性描述滤波特性。,9.5 正弦波振荡电路的振荡条件,2. 自激振荡的条件,3. 起振和稳幅,4. 振荡电路基本组成部分,1. 产生自激振荡的原理,9.5 正弦波振荡电路的振荡条件,1. 产生自激振荡的原理,只有正反馈电路才能产生自激振荡。,所有正反馈电路都会产生自激振荡吗？,9.5 正弦波振荡电路的振荡条件,1. 产生自激振荡的原理,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）,2. 振荡条件,若环路增益,则,又,所以振荡条件为,振幅平衡条件,相位平衡条件，n是整数,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？,电路器件内部噪声以及电源接通扰动,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,end,放大电路（包括负反馈放大电路）,4. 振荡电路基本组成部分,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,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,要满足相位条件,反馈系数,2. RC串并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,end,采用非线性元件,二极管,稳幅原理,起振时,4. 稳幅措施,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,9.8.1 电压比较器,，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）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所求出的vI就是门限电压 vI等于门限电压时输出电压