信号处理与信号产生电路

信号处理与信号产生电路 运放除了能完成信号的运算 还能完成信号滤波 采样保持及比较等处理工作 9 1运放在信号处理方面的应用 一 有源滤波器 滤波器是一种选频电路 选出有用信号 而抑制无用信号 使一定频率范围内的信号能顺利通过 衰减小 而在此频率范围以外的信号不易通过 衰减大 按选择频率范围的不同 滤波器可分为低通 高通 带通和带阻等 将由RC组成的无源滤波器再接到运算放大器的输入端构成有源滤波器 因运放是有源器件 性能会得到较大的改善 体积小 效率高 频率特性好等 如图为有源低通滤波器 二 采样保持电路 当输入信号变化较快时要求输出信号能快速而准确地跟随输入信号的变化进行间隔采样 在两次采样之间保持上一次采样结束时的状态 采样保持技术常用于数字电路 计算机和程序控制等装置中 三 电压比较器 运放工作于开环状态 uR是参考电压 当输入与参考电压有微小差值时 输出信号便会达到饱和 即运放工作于非线性 饱和区 输入为正负对称的正弦波时 输出波形如图所示 1 单门限电压比较器 2 过零比较器 VREF 0V 输入为正负对称的正弦波时 输出为方波 电压传输特性 用稳压管稳定输出电压 忽略了VD 另 限幅电路 使输出电压稳定 稳幅电路的另一种形式 将双向稳压管接在负反馈回路上 R R 例 图示电路 R1 R2 5k 基准电压VREF 2V 稳压管的稳定电压VZ 5V 输入电压为如图所示三角波 试画出输出电压的波形 解 Vi 2V时 Vo VZ 5VVi 2V时 Vo VZ 5V 单限比较器灵敏度高 但抗干扰能力弱 3 迟滞比较器 特点 电路中使用正反馈 运放处于非线性状态 1 电路组成 正向充电 uO UZ R C 地 反向充电 地 C R uO UZ 滞回比较器 RC回路 三 方波发生电路 3 工作原理 设合闸通电时uO上升 则产生正反馈过程 uO uP uO 直至uO UZ uP UT 第一暂态 分析方法 1 设电路已振荡 且在某一暂态 看是否会翻转为另一暂态 并能再回到原暂态 2 电路合闸通电 分析电路是否有两个暂态 而无稳态 电容正向充电 t uN t uN UZ 但当uN UT时 再增大 uO从 UZ跃变为 UZ uP UT 电路进入第二暂态 电容反向充电 t uN t uN UZ 但当uN UT时 再减小 uO从 UZ跃变为 UZ uP UT 电路返回第一暂态 4 波形分析 5 占空比可调电路正向充电和反向充电时间常数可调 占空比就可调 为了占空比调节范围大 R3应如何取值 四 三角波发生电路1 电路组成 利用积分运算电路可将方波变为三角波 两个RC环节 实际电路将两个RC环节合二而一 uO要取代uC 必须改变输入端 集成运放应用电路的分析方法 化整为零 分块 分析功能 每块 统观整体 性能估算 2 工作原理 滞回比较器 积分运算电路 求滞回比较器的电压传输特性 三要素UOH UOL UT uI过UT时曲线的跃变方向 三角波发生电路的振荡原理 合闸通电 通常C上电压为0 设uO1 uP1 uO1 直至uO1 UZ 第一暂态 积分电路反向积分 t uO 一旦uO过 UT uO1从 UZ跃变为 UZ 第二暂态 积分电路正向积分 t uO 一旦uO过 UT uO1从 UZ跃变为 UZ 返回第一暂态 重复上述过程 产生周期性的变化 即振荡 电路状态翻转时 uP1 3 波形分析 为什么为三角波 怎样获得锯齿波 正弦波发生电路能产生正弦波输出 它是在放大电路的基础上加上正反馈而形成的 它是各类波形发生器和信号源的核心电路 正弦波发生电路也称为正弦波振荡电路或正弦波振荡器 运放在信号产生方面的应用 正弦波发生电路的组成 放大电路正反馈网络选频网络稳幅电路 正弦波振荡器 不需要外加输入而能产生一定幅度 一定频率输出信号的自激振荡器 即是一个无输入信号 带有选频网络的正反馈电路 9 5正弦波振荡电路的振荡条件 正反馈电路 注意与负反馈方框图的差别 若 仍有稳定的输出 振荡条件 幅值平衡条件 相位平衡条件 n为整数 一 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 1 振幅条件 2 相位条件 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 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 6RC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 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 幅频响应 相频响应 当f f0时的反馈系数与频率f0无关 此时的相角 f 0 即改变频率不会影响反馈系数和相角 在调节谐振频率的过程中 不会停振 也不会使输出幅度改变 用瞬时极性法 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1MHz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 负温度系数 热敏电阻 起振时 即 热敏电阻的作用 若热敏电阻是正温度系数 应放置在哪个位置 例题 R 1k C 0 1 F R1 10k Rf为多大时才能起振 振荡频率f0 AF 1 A 3 2 10 20k 1592Hz 起振条件 例1 试分析D1 D2自动稳幅原理 估算输出电压V0m VD 0 6V 试画出若R2短路时 输出电压V0的波形 试画出若R2开路时 输出电压V0的波形 解 稳幅原理 当v0幅值很小时 D1 D2接近开路 R 3 2 7K 当v0幅值较大时 D1或D2导通 R 3减小 AV下降 V0幅值趋与稳定 估算输出电压V0m VD 0 6V 若R2短路时 4 若R2开路时 输出电压V0的波形 AV 3 电路停振 输出电压V0的波形为 电子琴的振荡电路 了解 可调 9 7LC正弦波振荡电路 LC正弦波振荡电路的构成与RC正弦波振荡电路相似 包括有放大电路 正反馈网络 选频网络和稳幅电路 1 LC并联谐振回路 通常R L 谐振时 谐振频率 品质因素 Q值越大 曲线较陡较窄 并联谐振时总电流与电感支路电流或电容支路电流之比 谐振曲线 并联谐振电路的谐振阻抗 输入电流IS和IL或IC的关系 谐振时LC并联谐振电路相当一个电阻 通常Q 1 所以IC IL IS 2 选频放大电路 3 石英晶体振荡电路 石英晶体 电抗 频率响应特性 等效电路 符号 1 当R L C支路发生串联谐振时 串联谐振频率为 2 当R