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第四节信号处理电路 1 内容提要1 介绍滤波电路的作用和分类 并阐明各种有源滤波电路的工作原理和输入 输出关系2 介绍几种典型的电压比较器的工作原理 传输特性和用途 2 4 1 1滤波电路的作用和分类 滤波器的功能 对频率进行选择 过滤掉噪声和干扰信号 即有用频率信号通过 无用频率信号被抑制的电路 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 4 1有源滤波器 3 分类 按处理方法分 硬件滤波 软件滤波 按所处理信号分 模拟滤波器 数字滤波器 按构成器件分 无源滤波器 有源滤波器 按频率特性分 低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器 按传递函数分 一阶滤波器 二阶滤波器 N阶滤波器 4 滤波器的理想特性和实际滤波器特性 5 7 1 2低通滤波器 LPF 一 无源低通滤波器 低频信号能通过而高频信号不能通过的滤波器 电压放大倍数为 通带截止频率 电路缺点 电压放大倍数低 带负载能力差 解决办法 有源滤波器 图7 1 2 6 二 一阶低通有源滤波器 电压放大倍数 优点 通带电压放大倍数得到提高缺点 当f f0时 幅频特性衰减太慢 以 20dB 10倍频程的速率下降 与理想的幅频特性相比相差甚远解决办法 采用二阶低通有源滤波器 a 电路图 b 对数幅频特性 7 三 二阶低通有源滤波器 幅频特性在f f0时 以 40dB 10倍频程的速率下降 衰减速度快 其幅频特性更接近于理想特性 为进一步改善滤波波形 常将第一级的电容C接到输出端 引入一个反馈 这种电路又称为赛伦 凯电路 a 电路图 b 对数幅频特性 8 9 0 1 40 20 0 1 10 20dB 十倍频 40dB 十倍频 一阶 二阶低通有源滤波电路幅频特性的比较 低通滤波器的幅频特性 理想特性 10 7 1 3高通滤波器 HPF 一 高通滤波器是指高频信号能通过而低频信号不能通过的滤波器 将低通滤波器中起滤波作用的电阻 电容互换 即成为高通有源滤波器 无源高通滤波器 其通带截止频率 11 二阶有源高通滤波器 12 7 1 4带通滤波器 BPF 将一个低通滤波电路和一个高通滤波电路串联连接即可组成带通滤波电路 fh fL能组成带通电路 BPF的构成方法 BPF构成的总则是LPF与HPF相串联 LPF与HPF串联有如下两种情况1 将有源LPF与有源HPF两级直接串联 用这种方法构成的BPF通带宽 而且通带截止频率易调整 但所用元器件多2 将两节电路直接相联 其优点是电路简单 13 阻 阻 f2 f1 通 带通滤波器原理示意图 14 带通滤波器电路及幅频特性 15 中心频率 通带电压放大倍数 16 在规定的频带内 信号被阻断 在此频带以外的信号能顺利通过 一个低通滤波电路和一个高通滤波电路并联连接组成的带阻滤波电路 fh fL能组成带阻电路BEF构成的总原则是LPF与HPF相并联 BEF构成的原理框图如图所示 7 1 5带阻有源滤波电路 BEF 17 f2 f1 通阻通 带阻滤波器原理示意图 18 带阻滤波器的典型电路 19 中心频率 通带电压放大倍数 20 4 2电压比较器 电压比较器简称比较器 其基本功能是对两个输入电压进行比较 并根据比较结果输出高电平或低电平 据此来判断输入信号的大小和极性比较器中的集成运放一般工作在非线性区 处于开环状态或引入正反馈 比较器的输出只有两种可能的状态 高电平或低电平 为数字量 而输入信号是连续变化的模拟量 因此比较器可作为模拟电路和数字电路的 接口 21 4 2 1过零比较器 简单的过零比较器 分类 过零比较器 单限比较器 滞回比较器及双限比较器 22 理想运放的开环差模增益为无穷大 当uI 0时 uO UOPP 当uI 0时 uO UOPP UOPP为集成运放的最大输出电压 阈值电压 当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压 23 设任何一个稳压管被反向击穿时 两个稳压管两端总的的稳定电压为UZ UOpp UZ UZ 当uI0时 右边的稳压管被反向击穿 uo UZ 利用稳压管限幅的过零比较器 24 为了使比较器输出的正向幅度和负向幅度基本相等 可将双向击穿稳压二极管接在电路的输出端或接在反馈回路中 25 4 2 2单限比较器 单限比较器有一个门限电平 当输入电压等于此门限电平时 输出端的状态立即发生跳变 当输入电压uI变化 使反相输入端的电位为零时 输出端的状态将发生跳变 门限电平为 UZ UZ 单限比较器 26 存在干扰时单限比较器的uI uO波形 单限比较器的作用 检测输入的模拟信号是否达到某一给定电平 缺点 抗干扰能力差 解决办法 采用具有滞回传输特性的比较器 27 4 2 3滞回比较器 滞回电压比较器又称施密特触发器 这种比较器的特点是当输入信号ui逐渐增大或逐渐减小时 它有两个阈值 且不相等 其传输特性具有 滞回 曲线的形状 滞回电压比较器通过引入上 下两个门限电压 以获得正确 稳定的输出电压 电压比较器有两个门限电平 故传输特性呈滞回形状 28 UREF为参考电压 输出电压uO为 UZ或 UZ uI为输入电压 当u u 时 输出电压的状态发生跳变 比较器有两个不同的门限电平 故传输特性呈滞回形状 UT UT 滞回比较器 29 滞回电压比较器用于控制系统时主要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滞回电压比较器两个门限电平UT 和UT 的值 就可以避免比较器的输出电压在高 低电平之间反复跳变 30 31 4 2 4双限比较器 双限比较器又称为窗孔比较器 它的特点是输入信号单方向变化 可使输出电压uo跳变两次 其传输特性如图所示 它形似窗口 称为窗口比较器 窗口比较器提供了两个阈值和两种输出稳定状态可用来判断uI是否在某两个电平之间 窗口比较器可用两个阈值不同的电平比较器组成 电路如图 32 若uI低于UREF2 运放A1输出低电平 A2输出高电平 二极管VD1截止 VD2导通 输出电压uO为高电平 若uI高于UREF1 运放A1输出高电平 A2输出低电平 二极管VD2截止 VD1导通 输出电压uO为高电平 a UTH UTL b 双限比较器 33 7 2 5集成电压比较器 集成电压比较器可以输出高 低电平 但它内部加入了电平移动和数字驱动电路 因此可与数字电路直接相连 作为A D转换器的一个核心部件 集成电压比较器的电路结构框图如下图所示对集成电压比较器的主要要求 1 具有较高的开环差模增益2 具有较快的响应速度3 具有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高4 具有较低的失调电压 失调电流及较低的温漂 34 它主要由差动输入级 电平转换级 输出逻辑电平和控制级 具有集电极开路结构的输出级 以及偏置电路几个基本部件组成 其特点是输出的高 低电平分别与数字电路的逻辑 1 和逻辑 0 电平相等 能与TTL DTL HTL CMOS等数字电路的电平兼容 有些比较器输出还可直接驱动继电器帮指示灯等 而且电源的选用范围较大 单电源或双电源 电源电压在几伏至几十伏之间 使用简单方便 35 集成电压比较器内部电路结构框图 36 集成电压比较器的类型 1 按一个集成组件内包含的比较器数目 单比较器 双比较器 四比较器等2 按信号响应速度 可分为高速 中速 低速电压比较器3 按集成制造工艺 可分为双极性和CMOS型电压比较器4 按性能指标 可分为精密电压比较器 高灵敏度电压比较器和低功耗 低失调电压比较器等 37 高速集成电压比较器电路原理图 一 CJ0710 38 CJ0710内部包括三个放大级差动输入级 差动放大输入级 VT1 VT2 VT3 采用恒流源式差分放大电路 因而具有较高的共模抑制比 共射放大中间级 VT4 具有较高的电压放大倍数 输出级 VT7 VT8 VDZ2 共集电极放大电路 39 二 四电压比较器LM339LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器 该电压比较器的特点是 1 失调电压小 典型值为2mV2 电源电压范围宽 单电源为2 36V 双电源电压为 1V 18V3 对比较信号源的内阻限制较宽4 共模范围很大 为0 Ucc 1 5V Vo5 差动输入电压范围较大 大到可以等于电源电压6 输出端电位可灵活方便地选用 40 单限比较器电路单限比较器传输特性 41 过热检测保护电路1 4LM339的反相输入端加一个固定的参考电压 它的值取决于R1 R2 UR R2 R1 R2 UCC 同相端的电压就等于热敏元件Rt的电压降 当机内温度为设定值以下时 端电压大于 端电压 Uo为高电位 当温度上升为设定值以上时 端电压大于 端 比较器反转 Uo输出为零电位 使保护电路动作 调节R1的值可以改变门限电压 既设定温度值的大小 42 用LM339组成振荡器下图为用1 4LM339组成的音频方波振荡器的电路 改变C