《信号处理电路》PPT课件.ppt

第7章 信号处理电路,7.2 电压比较器,7.1 有源滤波,7.1 有源滤波器,7.1.1 滤波器的作用和分类 滤波器的作用：过滤噪声和干扰信号，保留有用信号。滤波器实质上是一种选频电路，它允许指定频段的信号通过，而抑制其余频段上的信号。 滤波器的分类： 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器,按通过的频率范围,按处理信号的性质,模拟滤波器,数字滤波器,按是否带有源器件,无源滤波器,有源滤波器,滤波器的应用：作信号处理、数据传送和抑制干扰。,模拟滤波过程示意图：设有一较低频率的信号，其中含高频干扰成分，通过模拟滤波器后，滤除了信号中无用的频率成分。,图7-1 模拟滤波示意图,数字滤波过程示意图：待滤波的信号通过傅立叶变换，得到对应的频域信号，滤除无用信号的频谱。再经傅立叶反变换得到时域信号，实现对信号的数字滤波。,图7-2 数字滤波示意图,7.1.2 理想滤波器 滤波器选频功能的实现是利用滤波器电路频率响应的特性：通带内幅频特性为常数，相频特性为通过原点的直线；通带外幅频特性值为零。 几种滤波器理想的幅频特性如图7-2所示：,fH称低通滤波器的上截止频率。,fL称为此高通滤波器的下截止频率。,带通滤波器的带宽定义为,BW = fHfL,总结：理想滤波器在截止频率点上的幅频特性转折非常陡峭。具有这种特性的滤波器在实际工作中难以实现，通常都是用一种高阶函数去逼近它。,7.1.3 低通滤波器 1) RC无源低通滤波器，电路如图所示。,电路的电压放大倍数为,f2为低通滤波器的通带截止频率。f2与RC的乘积成反比。由图7-2（b）可见，当频率高于f2后，随着频率的升高，电压放大倍数将降低，故电路具有“低通”的特性。 无源RC低通滤波器的特点：电压放大倍数低，通带电压放大倍数只有1；带负载能力差，负载发生变化时，电压放大倍数降低，通带截止频率f2的值改变。,电路的电压放大倍数为,其中：,Aup为通带电压放大倍数，f2为通带截止频率。 有源RC低通滤波器的特点：运放输入电阻大，输出电阻小，将负载与无源滤波电路隔离，避免负载对滤波的影响，因此，有源滤波电路增强带负载的能力。,2）有源一阶低通滤波器，电路如图所示。,集成运放与R1和RF组成同相放大电路，对滤波后的信号进行放大。因此，有源滤波电路提高通带放大倍数。,3）有源二阶低通滤波器 理想情况下，希望f f2时，电压放大倍数立即降低到零，一阶低通滤波器的对数幅频特性以20dB/十倍频的缓慢速度下降。加快滤波衰减的速度，可采用二阶低通滤波器。,一阶与二阶低通滤波器的对数幅频特性比较如右图所示。图中，虚线为理想特性，实线1为一阶滤波电路特性，实线2为二阶滤波电路特性，显然二阶滤波更接近于理想特性。,7.1.4 高通滤波器 1）RC无源高通滤波器,电路如图所示。,2）有源二阶高通滤波器 电路如下图所示，将二阶有源低通滤波器的滤波电阻和电容的位置互换即可。,无源RC滤波器具有电压放大倍数低，带负载能力差的缺点。,7.1.5 带通滤波器 带通滤波器只允许某一段频段内的信号通过，而将此频段以外的信号阻断。有源带通滤波器可用一个低通滤波器和一个高通滤波器串联而成。 设低通滤波器的通带截止频率为f2，即低通滤波器只允许ff2的信号通过；而高通滤波器的通带截止频率为f1，即允许f f1的信号通过。二者串联起来，且选择使f2f1，则其通频带即是二者通带的公共部分，即等于f2f1。构成一带通滤波器。 带通滤波器的典型电路如图7.8所示。,（a）电路图 （b）对数幅频特性 图7-8 带通滤波器电路及幅频特性,取R22R，R3R，可求得带通滤波器的电压放大倍数为,说明： 1) 当 的中心频率时，则 。 在对数幅频特性曲线，同一条特性曲线-3dB处的通带频率范围为通带宽度BW。由图可知，Q值越大，带宽BW越窄，其通带选择性越好。 2)改变RF或R1的阻值可以调节通带宽度，但中心频率f0不受影响。若Auf3，则Aup趋于无穷大，电路将产生自激振荡。为了避免发生此种情况，选择RF和R1的阻值时，应保证RF2R1。,7.1.6 带阻滤波器 有源带阻滤波器使某一频段的信号受到抑制或衰减，而使其余的信号顺利通过，又称为陷波器。可用一个低通滤波器和一个高通滤波器并联组成带阻滤波器。 设低通滤波器的通带截止频率为f2，高通滤波器的通带截止频率为f1，且f1f2。当二者并联在一起时，凡是ff2的信号均可从低通滤波器通过，凡是f f1的信号则可以从高通滤波器通过，唯有f2f f1的信号被阻断，成构一带阻滤波器。,带阻滤波器的电路如图7-11所示。输入信号经过一个RC元件组成的双T型选频网络，然后送至集成运放的同相输入端。,（a）电路图 （b）对数幅频特性 图7-11 带阻滤波器电路及幅频特性,高频信号时，容抗1/C很小，视为短路，故高频信号可从上面两个电容和一个电阻构成的支路通过。 低频信号时，容抗1/C很大，视为开路，故低频信号可从下面两个电阻和一个电容构成的支路通 过。 频率处于低频和高频中间某一范围的信号时，被阻断，故双T网络具有“带阻”的特性。,在对数幅频特性曲线可以看出，阻带宽度BW是在同一组特性曲线-3dB处的频率范围，Q值越大，阻带宽度越窄，选择性越好。,集成运放的非线性应用,所谓非线性应用是指：由运放组成的电路处于非线性状态(开环或输出与同相输入间有反馈的正反馈连接），输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。有：,当 时,Uom为运放输出的最大饱和电压。,当 时,7.2 电压比较器,电压比较器是常用的模拟信号处理电路。主要用来检测输入信号是否到达某一数值或在某一范围之内。比较器的输入信号是连续变化的模拟量，而输出信号是只有两种状态的数字量。可以认为，比较器是模拟电路和数字电路的“接口”。 常用的比较器有：过零比较器、单限比较器、滞回比较器以及双限比较器等。,7.2 电压比较器,UR,UR为参考电压,当ui UR时 , uo = +Uom 当ui UR时 , uo = -Uom,特点:运放处于 开环状态,电压传输特性,UR,当ui UR时 , uo = -Uom,若ui从反相端输入,电压比较器(续),电压传输特性,过零比较器: 当UR =0时,电压比较器特例,例题：利用电压比较器将正弦波变为方波。,过零比较器输出电压幅度较高，uOUom。希望将比较器的输出幅度限制在一定的范围内，采用带输出限幅过零比较器。用稳压管限幅的电路如下。,+UZ,-UZ,限幅的另一种形式：将双向稳压管接在负反馈回路上,R =R,7.2.3 滞回比较器 单限比较器缺点是抗干扰能力差,如果输入电压受到干扰或噪声的影响，在门限电平上下波动，则输出电压将在高、低两个电平之间反复地跳变。如图7-2-5所示。,图7-2-5 存在干扰时比较器的uI和uO波形,克服单限比较器抗干扰能力差的缺陷，可以采用具有滞回特性的比较器。滞回比较器又称为施密特触发器，电路如图7-2-6（a）所示。,（a）电路图 （b）传输特性 图7-2-6 滞回比较器,滞回比较器的特点是当输入信号uI由小变大或由大变小时，门限电压不同。传输持性呈滞回形状，如图7.17（b）所示。,7.2.3 滞回比较器,1. 滞回比较器,特点:电路中使用正反馈, 运放处于非线性状态,1、因为有正反馈，所以输出饱和,2、当uo正饱和时(uo =+UOM) ：,3、当uo负饱和时(uo =-UOM) ：,迟滞比较器,设ui , 当ui = U T-, uo从-UOM +UOM,这时, uo =-UOM , U+= U T-,设初始值: uo =+UOM , U+= UT+ 设ui , 当ui = UT + uo从+UOM -UOM,传输特性,UT+上门限电压 UT-下门限电压 UT+ - U T-称为回差,例:设输入为正弦波, 画出输出的波形。,加上参考电压后的迟滞比较器(下行) ：,上下限：,例题：R1=10k，R2=20k ，UOM=3V， 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,例 在图所示的滞回比较器中，假设参考电压UREF6V，稳压管的稳定电压UZ4V，电路其他参数为R175k，R230k，RF10 k。 试估算其两个门限电压UT 和UT，以及门限宽度UT； 设电路其它参数不变，参 考电压UREF由6V增大至18V， 估算UT、UT及UT的值，分析传输特性如何变化； 设电路其他参数不变，UZ增大，定性分析两个门限电平及门限宽度将如何变化。,解： 由公式可得：, 当 18V时：,可见：当UREF增大时，UT和UT同时增大，但UT不变。此时传输特性将向右平行移动，全部位于纵坐标右侧。 分析可知，当UZ增大时，UT将增大，UT将减小，故UT将增大，即传输特性将向两侧伸展，门限宽度变宽。 滞回比较器的优点是抗干扰能力强。当输入信号受干扰或噪声的影响而上下波动时，只要根据干扰或噪声电平适当调整两个阈值电压UT和UT的值，就,滞回比较器(上行),u+= u- = 0 时翻转，可以求出上下门限电压。,当u+ u- =0 时, uo= +UOM 当u+ u- =0时, uo= -UOM,当uo= -UOM,当uo= +UOM,ui=,ui=,传输特性曲线,滞回比较器,上下门限电压,可以检测输入电压是否处于给定的电压范围内。设UREF1 UREF2 当输入位于给定的电压范围内即UREF1 ui UREF2时，运放A1、 A2均输出低电平，二极管D1、D2均截止，输出电压为低电平。 当输入位于给定的电压范围之外时，运放A1、A2中有一个输出 高电平，二极管D1、D2中相应的导通输出高电平，使输出电压 为高电平。,7.2.4 双限比较器,UREF2,UREF1,uo,ui,7.2.5 集成电压比较器,高速电压比较器 超速电压比较器 精密电压比较器 高灵敏度电压比较器 低功率电压比较器 低失调电压比较器 高输入阻抗电压比较器,小结,1.有源高阶滤波器：通过有源解决了无源滤波