模拟电子线路_第8章_信号处理电路.ppt

8 1电压比较器 8 2波形产生与波形变换 8信号处理电路 8 3有源滤波电路 8 4开关电容滤波器 8 1电压比较器 比较器 单门限电压比较器 迟滞比较器 限幅器 窗口比较器 电压比较器是对输入信号进行鉴别比较的电路 是组成非正弦发生电路的基本单元电路 在测量和控制中有着广泛的应用 电压比较器的电压传输特性 电压比较器的输出电压与输入电压的函数关系uo f ui 一般用曲线来描述 称为电压传输特性 输入电压ui是模拟信号 输出电压uo只有两种可能的状态 不是高电平UOH就是低电平UOL 用以表示比较结果 使输出电压uo从UOH跃变为UOL 或使输出电压从UOL跃变为UOH的输入电压为阀值电压UT 正确画出电压传输特性 必须求出以下三个要素 1 输出电压的高电平UOH 低电平UOL 2 阀值电压UT 3 当ui变化且经过阀值电压UT时 uo跃变的方向 是从UOH跃变为UOL 还从UOL跃变为UOH 电压比较器的种类 电路只有一个阀值电压UT 输入电压ui逐渐增大或减小过程中 通过UT时 输出电压uo产生跃变从UOH跃变为UOL 或从UOL跃变为UOH 1 单门限电压比较器 电路有两个阀值电压UT 输入电压ui从小变大过程中使输出电压uo产生跃变的阀值电压UT1 不等于从大变小过程中使输出电压uo产生跃变的阀值电压UT2 电路具有迟滞特性 2 迟滞比较器 3 窗口比较器 电路有两个阀值电压UT 输入电压ui从小变大或从大变小过程中使输出电压uo产生两次跃变 由于 vO 不可能超过VM 8 1比较器 特点 1 单门限电压比较器 1 过零比较器 开环 虚短和虚断不成立 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 当时 当时 运算放大器工作在非线性状态下 8 1比较器 1 单门限电压比较器 1 过零比较器 输入为正负对称的正弦波时 输出为方波 电压传输特性 当输入电压时 思考 1 若过零比较器如图所示 则它的电压传输特性将是怎样的 2 输入为正负对称的正弦波时 输出波形是怎样的 8 1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 输入为正负对称的正弦波时 输出波形如图所示 当输入电压时 VREF1 VREF2 8 1比较器 1 单门限电压比较器 3 一般单限比较器 电压传输特性 根据叠加原理 反相输入端的电位 令时 阀值电压UT 求出的ui即为阀值电压UT 2 迟滞比较器 从电路中看出 uo UZ 运放反相输入端电位 令 运放同相输入端电位 求出的就是阀值电压 输出电压在输入电压等于阀值电压时的变化情况 设ui UT 那么uN一定小于uP 因而uo UZ 所以up UT 只有当输入电压ui增大到 UT 再增大一个无穷小量时 uo才会从 UZ跃变为 UZ 设ui UT 那么uN一定大于uP 因而uo UZ 所以up UT 只有当输入电压ui减小到 UT 再减小一个无穷小量时 uo才会从 UZ跃变为 UZ 同理 电压传输特性 2 迟滞比较器 上下限 例题1 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 3 窗口比较器 图示电路为双限比较器 外加参考电压URH URL 电阻R1 R2和DZ构成限幅电路 当输入电压UI大于URH时 必然大于URL 所以A1的输出为UO1 UOM A2的输出为UO2 UOM 二极管D1导通 D2截止 稳压管DZ工作在稳压状态 输出电压为UO UZ 当输入电压UI小于URL时 必然小于URH 所以A1的输出为UO1 UOM A2的输出为UO2 UOM 二极管D2导通 D1截止 稳压管DZ工作在稳压状态 输出电压为UO UZ 当URL ui URH时 uo1 uo2 UOM 二极管D1 D2截止 稳压管DZ截止状态 输出电压为UO 0 3 限幅器 1 双向稳压管接于输出端 R限流电阻一般取100 特点 电路中的运放处于线性放大状态 但外围电路有非线性元件 二极管 稳压二极管 DZ双向稳压管 UZ稳压值 UF正向压降 传输特性 2 双向稳压管接于负反馈回路上 通过分析电压比较器 可得出如下结论 1在电压比较器中 集成运放工作在非线性区 输出电压只有高电平和低电平两种情况 2一般用电压传输特性描述输出电压与输入电压的函数关系 3电压传输特性的三个要素是输出电压的高 低电平 阀值电压和输出电压的跃变方向 输出电压的高 低电平决定于限幅电路 令uN uP求出的ui就是阀值电压 ui等于阀值电压时输出电压的跃变方向决定于输入电压作用于同相输入端还是反相输入端 试分别求出图示各电路的电压传输特性 例题2 图 a 所示电路为同相输入的过零比较器 图 a 电路的电压传输特性如图所示 解 图 b 所示电路为同相输入的滞回比较器 两个阈值电压为 UT UZ 电路的电压传输特性如图所示 图 b 试分别求解图示各电路的电压传输特性 1 图 1 所示电路为单限比较器 解 电压传输特性如解图所示 uO UZ 8V UT 3V 例题3 2 UOL UD 0 2V UOL UZ 6V UT 0V 图 2 所示电路为过零比较器 电压传输特性如图所示 3 图 3 所示电路为反相输入的滞回比较器 uO UZ 6V 令 求出阈值电压UT1 0VUT2 4V 电压传输特性如图所示 4 图 4 所示电路为同相输入的滞回比较器 uO UZ 6V 令 得出阈值电压 电压传输特性如图所示 5 图 5 所示电路为窗口比较器 uO UZ 5V UT 3V 电压传输特性如图所示 电路如图所示 例题4 1 分别说明A1和A2各构成哪种基本电路 2 求出uO1与uO的关系曲线uO1 f uO 3 求出uO与uO1的运算关系式uO f uO1 4 定性画出uO1与uO的波形 5 说明若要提高振荡频率 则可以改变哪些电路参数 如何改变 1 A1 滞回比较器 A2 积分运算电路 可得 uO1与uO的关系曲线如解图 a 所示 解 2 根据 a uO与uO1的运算关系式 3 4 uO1与uO的波形如解图 b 所示 要提高振荡频率 可以减小R4 C R1或增大R2 5 例题5 设计一个电压比较器 使其电压传输特性如图示 所用电阻值在20 100K 根据电压传输特性可知 电路没有外加基准电压 故电路图如图 求阀值电压的表达式 输入电压应该作用于同相输入端 电路如图示 已知R1 50KR2 100K 稳压管的稳定电压为 9V 输入电压的波形如图示 试画出输出电压的波形 例题6 0 t ui 3V 3V 9V 9V 0 t ui 3V 3V 9V 9V 8 2波形产生与波形变换 8 2 1 波形产生电路 8 2 2波形变换电路 正反馈放大电路如图示 注意与负反馈方框图的差别 1 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 1RC正弦波振荡电路 起振条件 2 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 当输出信号幅值增加到一定程度时 就要限制它继续增加 否则波形将出现非线性失真 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 放大电路 包括负反馈放大电路 3 基本组成部分 反馈网络 构成正反馈 稳幅环节 用RC电路构成选频网络的振荡电路即所谓的RC振荡电路 可选用的RC选频网络有多种 这里只介绍文氏桥选频电路 选频电路 4 电路组成 时 相移为0 如果 R1 R2 R C1 C2 C 则 传递函数 相频特性 幅频特性 4 电路组成 反馈网络兼做选频网络 用运放组成的RC振荡器 反馈系数 5 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 5 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 6 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1MHz的正弦波 采用非线性元件 7 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 7 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 7 稳幅措施 二极管 end 1 电路结构 上下门限电压 迟滞比较器的输出经积分电路再输入到比较器的反相输入端 2 方波产生电路 电路由反相输入的迟滞比较器和RC积分电路构成 RC积分电路既作为延时环节 又作为反馈环节 通过充放电实现输出状态的自动转换 2 工作原理 1 设uo UOM 此时 输出给C充电 则 u UH 一旦uc UH 就有u u 在uc UH时 u u uo保持 UOM不变 uo立即由 UOM变成 UOM 此时 C经输出端放电 2 当uo UOM时 u UL uc降到UL时 uo上翻 当uo重新回到 UOM以后 电路又进入另一个周期性的变化 0 输出波形 RC电路 起反馈和延迟作用 获得一定的频率 下行迟滞比较器 起开关作用 实现高低电平的转换 方波发生器各部分的作用 3 周期与频率的计算 uc上升阶段表示式 uc下降阶段表示式 f 1 T 方波发生器电路的改进 改变三角波发生器中积分电路的充放电时间常数 使放电的时间常数为0 即把三角波发生器转换成了锯齿波发生器 3 锯齿波发生器 LC正弦波振荡电路 1LC并联谐振回路选频特性 2变压器反馈式LC振荡电路 3三点式LC振荡电路 4石英晶体振荡电路 1 等效阻抗 1LC并联谐振回路选频特性 等效损耗电阻 当时 电路谐振 为谐振频率 谐振时 阻抗最大 且为纯阻性 同时有 即 2 频率响应 1LC并联谐振回路选频特性 2变压器反馈式LC振荡电路 1 电路结构 2 相位平衡条件 3 幅值平衡条件 定性分析 虽然波形出现了失真 但由于LC谐振电路的Q值很高 选频特性好 所以仍能选出 0的正弦波信号 4 稳幅 5 选频 BJT进入非线性区 波形 出现失真 从而幅值不再增加 达到稳幅目的 2变压器反馈式LC振荡电路 反馈 判断是否是正反馈 用瞬时极性法判断 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 反馈 满足相位平衡条件 满足相位平衡条件 仍然由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 3三点式LC振荡电路 1 三点式LC并联电路 中间端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 3三点式LC振荡电路 2 电感三点式振荡电路 3三点式LC振荡电路 3 电容三点式振荡电路 Q值越高 选频特性越好 频率越稳定 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 品质因素 数百 石英晶体振荡电路Q 10000 500000 4石英晶体振荡电路 2 石英晶体的基本特性与等效电路 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 4石英晶体振荡电路 2 石英晶体的基本特性与等效电路 等效电路 A 串联谐振 特性 晶体等效阻抗为纯阻性 B 并联谐振 通常 所以 R模拟损耗 LC模拟晶体的质量和弹性 C0为静电电容 4石英晶体振荡电路 2 石英晶体的基本特性与等效电路 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 3 石英晶体振荡电路 电路的振荡频率必须在和石英晶体的之间 晶体在电路中起电感的作用 8 3有源滤波电路 8 3 1基本概念及初步定义 8 3 2一阶有源滤波电路 高通滤波 低通滤波 基本概念 分类 8 3 3二阶有源滤波电路 高通滤波 低通滤波 带通滤波 带阻滤波 带阻滤波 带通滤波 滤波电路的分类 1 按信号性质分类 3 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 2 按所用元件分类 模拟滤波器和数字滤波器 无源滤波器和有源滤波器 4 按阶数分类 一阶 二阶 高阶 8 3 1基本概念 1 基本概念 有源滤波器 由有源器件构成的滤波器 滤波电路传递函数定义 时 有 其中 模 幅频响应 相位角 相频响应 时延响应为 2 分类 低通 LPF 希望抑制50Hz的干扰信号 应选用哪种类型的滤波电路 高通 HPF 带通 BPF 带阻 BEF 全通 APF 放大音频信号 应选用哪种类型的滤波电路 有源滤波器的优点 1 不使用电感元件 体积小重量轻 2 有源滤波电路中可加电压串联负反馈 使输入电阻高 输出电阻低 输入输出之间具有良好的隔离 只需把几个低阶滤波电路串起来就可构成高阶滤波电路 无需考虑级间影响 3 除滤波外 还可放大信号 放大倍数容易调节 有源滤波器的缺点 1 不宜用于高频 2 不宜在高电压 大电流情况下使用 3 可靠性较差 4 使用时需外接直流电源 8 3 2一阶有源滤波电路 1 低通滤波电路 传递函数 其中 为特征角频率 故 幅频相应为 衰减率为20dB 十倍频程 滤波特性不够好 可采用高阶滤波电路 8 3 2一阶有源滤波电路 2 高通滤波电路 可由低通和高通串联得到 必须满足 3 带通滤波电路 低通特征角频率 高通特征角频率 将低通滤波器中的R C对调 低通滤波器就变成了高通滤波器 8 3 2一阶有源滤波电路 4 带阻滤波电路 可由低通和高通并联得到 必须满足 一阶有源滤