第9章信号处理与信号产生电路

第9章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 2一阶有源滤波电路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 6RC正弦波振荡电路9 7LC正弦波振荡电路9 8非正弦信号产生电路 9 1滤波电路的基本概念与分类 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 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 有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器 滤波器是一种选频电路 1 基本概念 下一页 返回 上一页 滤波器的用途 滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分 例如 有一个较低频率的信号 其中包含一些较高频率成分的干扰 低通 9 1滤波电路的基本概念与分类 下一页 返回 上一页 2 分类 低通 LPF 高通 HPF 带通 BPF 带阻 BEF 全通 APF 按频率范围的不同 滤波器可分为 9 1滤波电路的基本概念与分类 下一页 返回 上一页 滤波器从器件构成上可分为 缺点 低频时体积大 很难做到小型化 优点 体积小 效率高 频率特性好 下一页 返回 上一页 9 1滤波电路的基本概念与分类 1有源低通滤波器 设输入为正弦波信号 则有 故 9 2一阶有源滤波电路 下一页 返回 上一页 若频率 为变量 则电路的传递函数 其模为 下一页 返回 上一页 9 2一阶有源滤波电路 当 c时 A j 衰减很快 显然 电路能使低于 c的信号顺利通过 衰减很小 而使高于 c的信号不易通过 衰减很大 在有源滤波器中 集成运放起着放大作作用 提高了电路的增益 大大增强了电路的带负载能力 我们可以改变R1和Rf的大小调节AVF 通过调节RC改变低通滤波器的截止频率 由于传递函数的分母为j 的一次幂 所以称一阶有源低通滤波器 下一页 返回 上一页 9 2一阶有源滤波电路 2 有源高通滤波器 故 下一页 返回 上一页 9 2一阶有源滤波电路 可见 电路使频率大于 c的信号通过 而小于 c的信号被阻止 称为有源高通滤波器 若频率 为变量 则电路的传递函数 其模为 下一页 返回 上一页 9 2一阶有源滤波电路 为了改善滤波效果 使 c时信号衰减得更快些 常将两节RC滤波环节串接起来 组成二阶有源低通滤波器 下一页 返回 上一页 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 9 2一阶有源滤波电路 三种类型的有源低通滤波器 9 3高阶有源滤波电路 下一页 返回 上一页 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 对于滤波电路 有 9 3高阶有源滤波电路 下一页 返回 上一页 令 称为通带增益 称为特征角频率 称为等效品质因数 则 滤波电路才能稳定工作 注意 9 3高阶有源滤波电路 下一页 返回 上一页 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 9 3高阶有源滤波电路 下一页 返回 上一页 3 幅频响应 归一化的幅频响应曲线 9 3高阶有源滤波电路 下一页 返回 上一页 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高阶有源滤波电路 下一页 返回 上一页 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 9 3高阶有源滤波电路 下一页 返回 上一页 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高阶有源滤波电路 下一页 返回 上一页 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 9 3高阶有源滤波电路 下一页 返回 上一页 2 二阶有源带通滤波电路 传递函数 得 9 3高阶有源滤波电路 下一页 返回 上一页 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 9 3高阶有源滤波电路 下一页 返回 上一页 双T带阻滤波电路 阻滤波电路的幅频特性 9 3高阶有源滤波电路 下一页 返回 上一页 9 5正弦波振荡电路的振荡条件 一 产生自激振荡的条件 只有正反馈电路才能产生自激振荡 1 定义 放大电路在无输入信号的情况下 就能输出一定频率和幅值的交流信号的现象 下一页 返回 上一页 下一页 返回 上一页 正反馈 在输入信号Xi 0时 自激振荡状态 Xd FXo AFXd 反馈信号代替了放大电路的输入信号 9 5正弦波振荡电路的振荡条件 下一页 返回 上一页 2 自激振荡的条件 由 Xd FXo AFXd 要产生自激振荡 反馈信号Xf无论在幅值还是在相位上都要与输入信号Xd保持一致 1 幅度条件 2 相位条件 n是整数 相位条件意味着振荡电路必须是正反馈 幅度条件表明反馈放大器要产生自激振荡 还必须有足够的反馈量 可以通过调整放大倍数A或反馈系数F达到 自激振荡的条件 动画演示 9 5正弦波振荡电路的振荡条件 下一页 返回 上一页 3 起振及稳幅振荡的过程 设 Vo是振荡电路输出电压的幅度 B是要求达到的输出电压幅度 起振时Vo 0 达到稳定振荡时Vo B 起振过程中Vo1 稳定振荡时Vo B 要求 AvF 1 从 AvF 1到 AvF 1 就是自激振荡建立的过程 可使输出电压的幅度不断增大 使输出电压的幅度得以稳定 相位条件始终满足 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 稳幅措施 9 5正弦波振荡电路的振荡条件 下一页 返回 上一页 二正弦波振荡电路的一般组成 正弦波振荡电路用来产生一定频率和幅值的正弦交流信号 它的频率范围很广 可以从一赫以下到几百兆以上 输出功率可以从几毫瓦到几十千瓦 输出的交流电能是从电源的直流电能转换而来的 应用 无线电通讯 广播电视 工业上的高频感应炉 超声波发生器 正弦波信号发生器 半导体接近开关等 起始信号的产生 电路器件内部噪声以及电源接通扰动 在电源接通时 会在电路中激起一个微小的扰动信号 它是个非正弦信号 含有一系列频率不同的正弦分量 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 9 5正弦波振荡电路的振荡条件 下一页 返回 上一页 正弦波振荡电路的组成 1 放大电路 放大信号 2 正反馈网络 反馈信号是放大电路的输入信号 满足相位条件 4 稳幅环节 使电路能从 AvF 1 过渡到 AvF 1 从而达到稳幅振荡 3 选频网络 保证输出为单一频率的正弦波 即使电路只在某一特定频率下满足自激振荡条件 常用的正弦波振荡器 9 5正弦波振荡电路的振荡条件 1 电路组成 下一页 返回 上一页 RC选频网络正反馈网络 同相比例电路 电路由两部分组成 由R1 RF组成的电压串联负反馈放大电路 由RC的串并联电路组成的选频网络同时兼正反馈网络 放大增益 9 6RC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 令 则 相频响应 下一页 返回 上一页 9 6RC正弦波振荡电路 当 幅频响应有最大值 相频响应 分析上式可知 仅当 o 1 RC时 f 0 且幅频响应响应的幅值最大Fmax 1 3 下一页 返回 上一页 9 6RC正弦波振荡电路 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1MHz的正弦波 下一页 返回 上一页 9 6RC正弦波振荡电路 下一页 返回 上一页 4 稳幅措施 稳定振荡条件 AuF 1 F 1 3 则 起振条件 AuF 1 因为 F 1 3 则 考虑到起振条件 AuF 1 一般应选取RF略大2R1 如果这个比值取得过大 会引起振荡波形严重失真 需要通过在外部引入负反馈来达到稳幅的目的 9 6RC正弦波振荡电路 采用非线性元件 1 热敏元件 热敏电阻 起振时 即 热敏电阻的作用 下一页 返回 上一页 9 6RC正弦波振荡电路 2 二极管 起振时 利用二极管的正向伏安特性的非线性自动稳幅 下一页 返回 上一页 9 6RC正弦波振荡电路 下一页 返回 上一页 3 场效应管 JFET 稳幅原理 整流滤波 T压控电阻 9 6RC正弦波振荡电路 下一页 返回 上一页 振荡频率的调整 改变开关S的位置可改变选频网络的电阻 实现频率粗调 改变电容C的大小可实现频率的细调 振荡频率 9 6RC正弦波振荡电路 正弦波振荡电路的分析方法 是否存在主要组成部分 放大电路 正反馈网络 选频网络 稳幅环节 放大电路能否正常工作 即是否有合适的Q点 信号是否可能正常传递 是否满足相位条件 即是否存在f0 用瞬时极性法 是否满足幅值条件 即是否可能起振 根据网络参数 估算f0 下一页 返回 上一页 9 6RC正弦波振荡电路 下一页 返回 上一页 LC振荡电路的选频电路由电感和电容构成 可以产生高频振荡 几百千赫以上 由于高频运放价格较高 所以一般用分离元件组成放大电路 常用的LC振荡电路有 他们的共同特点是用LC并联谐振回路作为选频网络 9 7LC正弦波振荡电路 9 7 1LC选频放大电路 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 1 并联谐振回路 下一页 返回 上一页 9 7LC正弦波振荡电路 a 幅频响应 b 相频响应 LC谐振回路的频率特性 当信号频率较低时 电容的容抗很大 网络呈感性 当信号频率较高时 电感的感抗很大 网络呈容性 只有当信号频率f f0时 网络呈纯阻性 且阻抗无穷大 这时电路产生电流谐振 LC并联谐振特点 谐振时 总路电流很小 支路电流很大 电感与电容的无功功率互相补偿 电路呈阻性 下一页 返回 上一页 9 7LC正弦波振荡电路 2 选频放大电路 下一页 返回 上一页 9 7LC正弦波振荡电路 LC谐振回路选频放大电路 当f f0时 电压放大倍数的数值最大且附加相移为0 对于其它频率的信号 放大倍数不仅数值小 且有附加相移 若在电路中引入正反馈 并用反馈电压取代输入电压 则电路构成正弦波振荡电路 LC正弦波振荡电路的类型 类型 变压器反馈式 电感反馈式 电容反馈式 说明 振荡频率较高 放大电路采用分立元件电路 可以是共射和共基电路 下一页 返回 上一页 9 7LC正弦波振荡电路 互感线圈的极性判别 磁棒 初级线圈 次级线圈 同极性端 i 反馈信号通过互感线圈引出 下一页 返回 上一页 9 7LC正弦波振荡电路 1电路结构 放大电路 反馈网络 2振荡频率即LC并联电路的谐振频率 9 7 2变压器反馈式LC振荡电路 选频网络 下一页 返回 上一页 9 7LC正弦波振荡电路 正弦波振荡电路的分析方法 是否存在主要组成部分 放大电路 正反馈网络 选频网络 稳幅环节 放大电路能否正常工作 即是否有合适的Q点 信号是否可能正常传递 是否满足相位条件 即是否存在f0 用瞬时极性法 是否满足幅值条件 即是否可能起振 根据网络参数 估算f0 下一页 返回 上一页 9 7LC正弦波振荡电路 3电路分析 电路为典型的分压式偏置电路 可以设置合适的静态工作点 交流信号能够正常传递 电路可以正常放大 利用瞬时极性法 可以判断电路满足相位平衡条件 合理选择变压器原 副边线圈的匝数及其他电路参数 电路容易满足幅值平衡条件 正反馈 下一页 返回 上一页 9 7LC正弦波振荡电路 利用瞬时极性法知 uf与ub同相 满足 共射极放大电路的放大增益为 在选频网络f f0发生谐振时回路中的等效阻抗为纯电阻性质 其值最大Zmax f f0时 AV最大 当满足自激振荡的条时就会产生振荡 4工作原理 当振幅增大到一定程度后 晶体管进入非线性区 逐渐减小 A 当 AF 1时 振荡电路稳定 输出稳定的正弦波 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 下一页 返回 上一页 9 7LC正弦波振荡电路 满足相位平衡条件 满足相位平衡条件 正反馈 正反馈 例 试用相位平衡条件判断下图电路能否产生自激振荡 下一页 返回 上一页 9 7LC正弦波振荡电路 9 7 3三点式LC振荡电路 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 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 下一页 返回 上一页 9 7LC正弦波振荡电路 中心抽头交流接地 另一端交流接地 电容三点式 电感三点式 振荡频率 下一页 返回 上一页 9 7LC正弦波振荡电路 2 电感三点式振荡电路 下一页 返回 上一页 9 7LC正弦波振荡电路 动画演示 振荡频率 下一页 返回 上一页 9 7LC正弦波振荡电路 若三点式变为左图电路 则瞬时极性如何变化 能否震荡 下一页 返回 上一页 9 7LC正弦波振荡电路 3 电容三点式振荡电路 下一页 返回 上一页 9 7LC正弦波振荡电路 动画演示 振荡频率 下一页 返回 上一页 9 7LC正弦波振荡电路 9 7 4石英晶体振荡电路 Q值越高 选频特性越好 频率越稳定 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 下一页 返回 上一页 9 7LC正弦波振荡电路 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 下一页 返回 上一页 9 7LC正弦波振荡电路 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 a 代表符号 b 电路模型 c 电抗 频率响应特性 下一页 返回 上一页 9 7LC正弦波振荡电路 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 下一页 返回 上一页 9 7LC正弦波振荡电路 3 石英晶体振荡电路 下一页 返回 上一页 9 7LC正弦波振荡电路 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 下一页 返回 上一页 9 7LC正弦波振荡电路 1 并联型 2 串联型 下一页 返回 上一页 9 7LC正弦波振荡电路 判断以下电路能否产生正弦波振荡 并说明理由 如不能振荡 加以改正 练习 a a 下一页 返回 上一页 9 7LC正弦波振荡电路 判断以下电路能否产生正弦波振荡 并说明理由 如不能振荡 加以改正 下一页 返回 上一页 9 7LC正弦波振荡电路 根据相位平衡条件判断下列各电路能否产生自激振荡 要求在电路上标出瞬时极性 若能 写出振荡频率表达式 下一页 返回 上一页 9 7LC正弦波振荡电路 根据相位平衡条件判断下列各电路能否产生自激振荡 要求在电路上标出瞬时极性 若能 写出振荡频率表达式 下一页 返回 上一页 9 7LC正弦波振荡电路 1 图 a b 电路若可振荡 试说明理由并写出其振荡频率的表达式 若不能振荡 请修改成能振荡的电路 2 图 c 电路中当Rs 1k Rf取何值时才能使电路起振 写出振荡频率的表达式 下一页 返回 上一页 9 7LC正弦波振荡电路 判断下列电路能否产生振荡 若不能 改电路使其可能产生振荡 下一页 返回 上一页 9 7LC正弦波振荡电路 电压比较器是用于模拟输入电压与基准电压间进行比较的电路 比较的结果在输出端用高电平或低电平表示出来 电压比较器是模拟信号和数字信号间的桥梁 在数字仪表 自动控制 电平检测 波形产生诸多方面应用极广 9 8 1电压比较器 对比较器的基本要求是 转换迅速 反应灵敏 判断准确 同时抗干扰能力强 运放工作在开环状态或引入正反馈 下一页 返回 上一页 9 8非正弦信号产生电路 理想运放工作在饱和区的特点 1 输出只有两种可能 Vom或 Vom当v v 时 vo Vomv v 时 vo Vom不存在 虚短 现象2 i i 0仍存在 虚断 现象 电压传输特性 实际传输特性 下一页 返回 上一页 9 8非正弦信号产生电路 1 单门限电压比较器 1 过零比较器 门限电压VT 0 下一页 返回 上一页 9 8非正弦信号产生电路 例 输入为正弦波 输出为方波 电压传输特性 下一页 返回 上一页 9 8非正弦信号产生电路 为了限制集成运放的差模输入电压 保护其输入级 可加二极管限幅电路 下一页 返回 上一页 9 8非正弦信号产生电路 实用电路为满足负载需求 输出加稳压管限幅电路 设稳压管的稳定电压为VZ 正向导通电压为VD 则 下一页 返回 上一页 9 8非正弦信号产生电路 电压传输特性 门限电压为VREF 2 门限电压不为零的比较器 同相输入单门限电压比较器 下一页 返回 上一页 9 8非正弦信号产生电路 输入信号接在反相端 输入信号接在同相端 下一页 返回 上一页 9 8非正弦信号产生电路 a VREF 0时 b VREF 2V时 c VREF 4V时 vI为峰值6V的三角波 设 VCC 12V 运放为理想器件 下一页 返回 上一页 9 8非正弦信号产生电路 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vP vN 0 即 门限电压 下一页 返回 上一页 9 8非正弦信号产生电路 例 已知R1 R2 5K 参考电压VR 2V 稳压管的稳定电压VZ 8V 试画出电压传输特性 门限电压VT 2V viVT时 vo VZ 8V 解 16 3运放在信号处理方面的应用 下一页 返回 上一页 单门限比较器的抗干扰能力 下一页 返回 上一页 9 8非正弦信号产生电路 2 迟滞比较器 1 电路组成 以反向输入迟滞比较器为例 电路中引入正反馈 1 提高了比较器的响应速度 2 输出电压的跃变不是发生在同一门限电压上 下一页 返回 上一页 9 8非正弦信号产生电路 2 门限电压 上门限电压 下门限电压 回差电压 当vo Vom VOH则 当vo Vom VOL则 下一页 返回 上一页 9 8非正弦信号产生电路 设vI 当vI VT 时 vo VOM当vI VT vo从 VOM VOM 这时 vo VOM VP VT 设初始值 vo VOM VP VT 设vI 当vIVT 时 vo从 VOM VOM 3 传输特性 下一页 返回 上一页 9 8非正弦信号产生电路 为输入vI由小变大时的门限电压 为输入vI由大变小时的门限电压 下一页 返回 上一页 9 8非正弦信号产生电路 例 设输入为正弦波 画出输出的波形 下一页 返回 上一页 9 8非正弦信号产生电路 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 下一页 返回 上一页 9 8非正弦信号产生电路 上下限 R1 10k R2 20k VZ 6V 画出输出特性曲线 vi vo 迟滞比较器 同相输入 下一页 返回 上一页 9 8非正弦信号产生电路 传输特性 v v v v V 下一页 返回 上一页 9 8非正弦信号产生电路 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和非线性区 其输出电压只有高电平VOH和低电平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vP vN所求出的vI就是门限电压vI等于门限电压时输出电压发生跳变跳变方向取决于是同相输入方式还是反相输入方式 下一页 返回 上一页 9 8非正弦信号产生电路 集成电压比较器与集成运算放大器比较 开环增益低 失调电压大 共模抑制比小 灵敏度往往不如用集成运放构成的比较器高 但集成电压比较器中无频率补偿电容 因此转换速率高 改变输出状态的典型响应时间是30 200ns 相同条件下741集成运算放大器的响应时间为30 s左右 3 集成电压比较器 下一页 返回 上一页 9 8非正弦信号产生电路 下一页 返回 上一页 9 8非正弦信号产生电路 双限比较器 窗口比较器 其中vin为被比较的信号电压 当vR1vR2或vin vR1 输出为低电位 vO vOL 窗口电压 v vR2 vR1 功能 用来判断输入信号电位是否位于指定门限电位之间 下一页 返回 上一页 9 8非正弦信号产生电路 9 8 2方波产生电路 1 电路组成 多谐振荡电路 稳压管双向限幅 电路结构 由迟滞比较电路和RC定时电路构成 上下限 下一页 返回 上一页 9 8非正弦信号产生电路 1 设vo VOH 此时 输出给C充电 vc 则 vp VT 一旦vc VT 就有vN vP 在vc VT 时 vN vP vo立即