信号处理电路

1、第七章第七章 信号处理电路信号处理电路 7.1 有源滤波器有源滤波器 7.2 模拟乘法器模拟乘法器 7.3 锁相环电路锁相环电路 7.1 7.1 有源虑波器有源虑波器 一、滤波器的基本概念一、滤波器的基本概念 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 用频率信号得电子装置。用频率信号得电子装置。 1. 滤波器的分类滤波器的分类 有源滤波器有源滤波器：由有源器件加上：由有源器件加上R R、C C和和L L等无源器件等无源器件 构成的滤波器。构成的滤波器。 无源滤波器：由无源滤波器：由R R、C C和和L L等无源器件构成的滤波器。等

2、无源器件构成的滤波器。 应用：自动控制、仪表测量和无线电通信等领域中。应用：自动控制、仪表测量和无线电通信等领域中。 按信号性质按信号性质: 模拟滤波器模拟滤波器和数字滤波器和数字滤波器 按构成器件按构成器件: : 按处理方法按处理方法: 硬件滤波器硬件滤波器和软件滤波器和软件滤波器 (1-3) 7.1 7.1 有源虑波器有源虑波器 按传递函数按传递函数: : 一阶滤波器一阶滤波器 二阶滤波器二阶滤波器 N N 阶滤波器阶滤波器 : : 按频率特性按频率特性: : 低通滤波器低通滤波器(LPF)(LPF) 高通滤波器高通滤波器(HPF)(HPF) 带阻滤波器带阻滤波器(BEF)(BEF) 带通

3、滤波器带通滤波器(BPF)(BPF) (1-4) 2.2.滤波器的用途滤波器的用途 滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，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。滤波过程如图所示。高频率成分的干扰。滤波过程如图所示。 7.1 7.1 有源虑波器有源虑波器 (1-5) 3.3.滤波器的传递函数滤波器的传递函数 11 ( )1 ( ) 11 ( )1 o i Us sCRC A s U ssRC Rs sCRC 1 ( ) o o o A s RCs 一阶低通网络一阶低通网络 7.1 7.1

4、 有源虑波器有源虑波器 (1-6) 1 ( ) o o s A s RCs 1 ( ) ( ) 11 ( ) o i Uss R A s U s Rs sCRC 一阶高通网络一阶高通网络 7.1 7.1 有源虑波器有源虑波器 (1-7) 二阶低通网络二阶低通网络 2 oo 2 2 o o 11 ( ) ( ) 111 ( ) 1 ,QRC LC ( ) Q o i R Us sCLC A s U s sLRss sCRCLC A s ss 令 7.1 7.1 有源虑波器有源虑波器 (1-8) 1 1 1 1 ( ) mm mmo nn no a sasa A s sbsb mn 高阶网络特性高

5、阶网络特性nn阶阶 一般而言，实际高阶滤波电路可由一般而言，实际高阶滤波电路可由 若干一阶，二阶滤波电路级联而成。若干一阶，二阶滤波电路级联而成。 7.1 7.1 有源虑波器有源虑波器 (1-9) 4.4.通滤波器的主要技术指标通滤波器的主要技术指标 （1 1）通带增益）通带增益A Au uf f 7.1 7.1 有源虑波器有源虑波器 通带增益是指滤波器通带增益是指滤波器 在通频带内的电压放大倍在通频带内的电压放大倍 数。性能良好的数。性能良好的LPFLPF通带通带 内的幅频特性曲线是平坦内的幅频特性曲线是平坦 的，阻带内的电压放大倍的，阻带内的电压放大倍 数基本为零。数基本为零。 （2 2）

6、通带截止频率）通带截止频率f fo o 与放大电路的截止频率相同。通带与阻带与放大电路的截止频率相同。通带与阻带 之间称为过渡带，过渡带越窄，说明滤波器的之间称为过渡带，过渡带越窄，说明滤波器的 选择性越好。选择性越好。 (1-10) 二、二、一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路 一阶低通滤波器的电路如图（一阶低通滤波器的电路如图（a）。）。 7.1 7.1 有源虑波器有源虑波器 幅频特性如图（幅频特性如图（b）。）。 图中虚线为理想的情况，图中虚线为理想的情况， 实线为实际的情况。特点是电路简单，阻带衰减实线为实际的情况。特点是电路简单，阻带衰减 太慢，选择性较差。太慢，选择性较差。 (1-11

7、) 当当 f = 0时时，通带内的增益为，通带内的增益为 1 1 F uf R A R O i 0 1() uf AUs A s s Us RC 1 0 该传递函数式的样子与一阶该传递函数式的样子与一阶RC低通网络的频响低通网络的频响 表达式差不多，只是后者缺少通带增益表达式差不多，只是后者缺少通带增益Auf这一项这一项。 当当 f 0时时，一阶低通滤波器的传递函数如下，一阶低通滤波器的传递函数如下 其中其中 7.1 7.1 有源虑波器有源虑波器 (1-12) 1. 二阶低通有源滤波电路 为了改善滤波效果，再加一节为了改善滤波效果，再加一节RC低通滤波低通滤波 环节，构成简单的二阶有源滤波电路

8、。环节，构成简单的二阶有源滤波电路。 三、三、二阶有源滤波电路 7.1 7.1 有源虑波器有源虑波器 (1-13) （2 2）传递函数）传递函数 o( ) ( )N 2 ( )( ) 1 ( )( ) 1 uf UsA Us UsUs sC R 12 NI 12 11 () ( ) 11 () R sCsC UsU s RR sCsC 设C1=C2=C O 2 I 1 3 uf u AUs As Us sCRsCR （1 1）通带增益）通带增益 7.1 7.1 有源虑波器有源虑波器 1 1 F uf R A R (1-14) 2.2.二阶压控型低通滤波器二阶压控型低通滤波器LPFLPF 7.1

9、 7.1 有源虑波器有源虑波器 二阶压控型低通有源滤波器如图所示。其中二阶压控型低通有源滤波器如图所示。其中 的一个电容器的一个电容器C1原来是接地的，现在改接到输出原来是接地的，现在改接到输出 端。显然端。显然C1的改接不影响通带增益。的改接不影响通带增益。 (1-15) （1 1）传递函数）传递函数 o 1 ( )( ) 1 ( )( ) 1 uf UsA Us UsUs sCR 上式表明，该滤波器的通带增益应小于上式表明，该滤波器的通带增益应小于3 3， 才能保障电路稳定工作。才能保障电路稳定工作。 i11+ 1o ( )( )( )( ) ( )( ) U sU sU sUs U sU

10、s sC RR 对于节点对于节点U1 , , 可以列出方程可以列出方程 o 2 i 1(3) uf u uf AUs As Us AsCRsCR 联立求解以上三式，可得联立求解以上三式，可得LPFLPF的传递函数的传递函数 7.1 7.1 有源虑波器有源虑波器 (1-16) (2(2）频率响应）频率响应 2 00 1 ()j(3) uf u uf A A ff A ff () j(3) o uf u ff uf A A A 当当 时，上式可以化简为时，上式可以化简为 0 ff 定义有源滤波器的等效品质因数定义有源滤波器的等效品质因数Q值值 1 3 uf Q A 2 00 1 1 ()j Q u

11、f u A A ff ff 7.1 7.1 有源虑波器有源虑波器 由传递函数可以写出频率响应的表达式由传递函数可以写出频率响应的表达式 (1-17) 当当 时时23 uf A 0 () 1 3 u uf ff uf QAQA A uf A当当 =3时时 7.1 7.1 有源虑波器有源虑波器 uf A 0 ff Q1，在，在 处的电处的电 压增益将大于压增益将大于 ，幅频特，幅频特 性将抬高。性将抬高。 1 C Q =，有源滤波器自激。由于将，有源滤波器自激。由于将 接到输出端，接到输出端， 等于在高频端给等于在高频端给LPFLPF加了一点正反馈，所以在高频端加了一点正反馈，所以在高频端 的放大

12、倍数有所抬高，甚至可能引起自激。的放大倍数有所抬高，甚至可能引起自激。 (1-18) 二阶压控型有源高通滤波器的电路图二阶压控型有源高通滤波器的电路图 3. 3. 二阶高通有源滤波器二阶高通有源滤波器(HPF)(HPF) 7.1 7.1 有源虑波器有源虑波器 (1-19) (1)(1)通带增益通带增益 F 1 =1+ uf R A R (2)(2)传递函数传递函数 (3)(3)频率响应频率响应 令令 则可得出频响表达式则可得出频响表达式0 11 , 23 uf fQ RCA ， 2 00 1 1 ()j() uf u A A ff fQf 7.1 7.1 有源虑波器有源虑波器 2 o 2 i

13、() U ( ) ( )= U ( )1 (3)() uf uf sCRA s A s sAsCRsCR (1-20) 4.4.二阶带通有源滤波器二阶带通有源滤波器(BPF)(BPF) 带通滤波器是由低通带通滤波器是由低通RC环节和高通环节和高通RC环节环节 组合而成的。要将高通的下限截止频率设置的小组合而成的。要将高通的下限截止频率设置的小 于低通的上限截止频率。反之则为带阻滤波器。于低通的上限截止频率。反之则为带阻滤波器。 7.1 7.1 有源虑波器有源虑波器 (1-21) (1)(1)通带增益通带增益 F 1 =1+ uf R A R (2)(2)传递函数传递函数 (3)(3)频率响应频

14、率响应 7.1 7.1 有源虑波器有源虑波器 2 FV FV )sCR(sCR)A-(31 sCRA ) s (A 令令 FV FV 0 A-3 A A RC 1 0 FV A3 1 Q 得得 2 00 0 0 ) s ( Q s 1 Q s A ) s (A 将将s=jw代入，得代入，得 2 1() ooo o o Af ABW QQ jQ (1-22) 5. 5. 二阶带阻有源滤波器二阶带阻有源滤波器(BEF)(BEF) 7.1 7.1 有源虑波器有源虑波器 (1)(1)通带增益通带增益 F 1 =1+ uf R A R (2)(2)传递函数传递函数 22 2 22 2 R 1 4s )

15、1 ( )( CRC s CR sA sA uf (1-23) (3)(3)频率响应频率响应 7.1 7.1 有源虑波器有源虑波器 令令 uf AA 0 RC 1 0 uf A Q 24 1 得得 2 0 0 2 2 0 2 0 )( )( s Q s sA sA 将将s=jw代入，得代入，得 2 2 1 1 1 u f o oo j A A jj Q (1-24) 功能：实现功能：实现两个模拟量相乘两个模拟量相乘 O XY =uKuu 其中其中K为比例因子为比例因子，量纲量纲:V-1 符号符号： 乘法器是又一种广泛使用的模拟集成电路，它乘法器是又一种广泛使用的模拟集成电路，它 可以实现乘、除

16、、开方、乘方、调制以及解调等功可以实现乘、除、开方、乘方、调制以及解调等功 能，广泛应用于模拟运算、通信、能，广泛应用于模拟运算、通信、 测控系统、电气测控系统、电气 测量和医疗仪器等许多领域。测量和医疗仪器等许多领域。 7.2 7.2 模拟乘法器模拟乘法器 (1-25) 一、对数式模拟乘法器一、对数式模拟乘法器 ln(lnln) xyxy u uuu xy u uee 7.2 7.2 模拟乘法器模拟乘法器 (1)(1)基于对数运算的乘法器的方框图：基于对数运算的乘法器的方框图： (1-26) 7.2 7.2 模拟乘法器模拟乘法器 (2) (2) 对数式集成模拟乘法器对数式集成模拟乘法器RC4

17、200RC4200原理图：原理图： (1-27) C1C2C3C4 1234 lnlnlnln0 T SSSS IIII U IIII C1C212 C3C434 SS SS IIII IIII C1C2 C3 C4 II I I C111 / x IIuR 222 / Cy IIuR 444 / Cz IIuR 3303 / C IIuR z yx u uu Ku 0 21 43 RR RR K BE1BE2BE3BE4 0UUUU 7.2 7.2 模拟乘法器模拟乘法器 (3) (3) 原理分析：原理分析： T BE U U SC eII S C TBE I I lnUU (1-28) 基本

18、原理电路基本原理电路 T be Eo U2 (1+ ) I T U r I L Ooy 2 T R uI u U LLx oy x 22 y TT RRu I uu UUR Oxy uKu u 对于差动放大电路，输对于差动放大电路，输 出电压为：出电压为： L y be O = R uu r 二、变跨导式模拟乘法器二、变跨导式模拟乘法器 7.2 7.2 模拟乘法器模拟乘法器 (1-29) 四象限模拟乘法器四象限模拟乘法器 7.2 7.2 模拟乘法器模拟乘法器 (1-30) 7.2 7.2 模拟乘法器模拟乘法器 原理分析：原理分析： C4C2C3C1C0 R)ii ()ii(U C4C3C2C1

19、C R)ii ()ii( TBETBE u/u S u/u SEC eI1eIii）（ Ty TBE2BE1 u/u u/)u(u C21C ee/ii 若各管的若各管的IS相等，则有：相等，则有： C5C21C iii又 5C U/u U/u C1 i 1e e i Ty Ty 5C U/u C2 i 1e 1 i Ty (1-31) 7.2 7.2 模拟乘法器模拟乘法器 T y 5C5C U/u U/u C2C1 U2 u thii 1e 1e ii Ty Ty 类似可得：类似可得： T y 6CC3C4 U2 u thiii T x 0C6C5 U2 u thIii 将上式代入，得：将上

20、式代入，得： T y T x 0C0 U2 u th. U2 u thIRu 当当ux2UT，uyUT时有：时有： 2 T yx 0C0 U4 u.u IRu (1-32) 集成模拟乘法器集成模拟乘法器F1596.MC1596 7.2 7.2 模拟乘法器模拟乘法器 (1-33) 三、模拟乘法器应用举例三、模拟乘法器应用举例 7.2 7.2 模拟乘法器模拟乘法器 1. 运算电路运算电路 （1 1）相乘运算）相乘运算 模拟相乘器模拟相乘器 （2 2）平方和立方运算）平方和立方运算 平方运算电路平方运算电路立方运算电路立方运算电路 (3) (3) 除法运算电路除法运算电路 据据虚断虚断 21 ii

21、o11 12 uu RR 2O1o uKu u 21 12 o Ru u KR u 如果令如果令K K= = R R2 2 / / R R1 1则则 1 2 o u u u 工作（负反馈）条件？工作（负反馈）条件？ 2 o11 1 R uu R 2 0u 7.2 7.2 模拟乘法器模拟乘法器 u1为负值！为负值！ 2 O1O uKu 负反馈条件？负反馈条件？ 2 O11 1 R uu R 2 1 1 O 1 R uu K R 7.2 7.2 模拟乘法器模拟乘法器 （4 4）开平方运算）开平方运算 (5) (5) 开立方运算电路开立方运算电路 2 O1O uKu 2 O2x 1 R uu R 2

22、 OX 2 1 3 = R uu R K 23 O2O1OO =uKu uK u 7.2 7.2 模拟乘法器模拟乘法器 (1-37) 2.调制解调电路调制解调电路 12 sinsin sinsin oxymm m uKu uKUt Ut KUtt 7.2 7.2 模拟乘法器模拟乘法器 (1-38) 11122 sinsinsin 1 sin1 cos2 2 11 sincos2 22 oxymm m mm uKu uKUtt Ut KUtt KUtKUt sin 2 m o KU ut 7.2 7.2 模拟乘法器模拟乘法器 (1-39) 一、锁相环的基本概念一、锁相环的基本概念 锁相锁相：相位

23、同步的自动控制相位同步的自动控制 7.3 7.3 锁相环电路锁相环电路 锁相环锁相环：完成两个信号间相位同步的完成两个信号间相位同步的 自动控制系统的环路自动控制系统的环路(PLL) 构成构成负反馈负反馈回路回路 (1-40) 鉴相器（鉴相器（PD）：）：相位比较，相位比较，uD与两个输入信与两个输入信 号相位差成线性比例；号相位差成线性比例； 7.3 7.3 锁相环电路锁相环电路 环路滤波器（环路滤波器（LF）：）：低通滤波，确定低通滤波，确定uD中中 的的 平均分量平均分量uC； 压控振荡器（压控振荡器（VCO）：）：振荡频率由振荡频率由uC值确定，值确定， uC=0时的振荡频率为时的振荡

24、频率为 VCO的固有频率；的固有频率； (1-41) 7.3 7.3 锁相环电路锁相环电路 3.在捕捉过程中，在捕捉过程中，VCOVCO振荡频率逐渐趋同于输入信号频振荡频率逐渐趋同于输入信号频 率的现象，称作率的现象，称作频率牵引频率牵引； 4.在频率牵引过程中，环路有能力自行锁定的最大输在频率牵引过程中，环路有能力自行锁定的最大输 入信号频率范围称为捕捉频带或简称入信号频率范围称为捕捉频带或简称捕捉带捕捉带； 5.环路锁定后，环路锁定后，VCOVCO的振荡频率自动跟踪输入信号频率的振荡频率自动跟踪输入信号频率 的变化，并能维持锁定的最大频率变化范围称为环路的变化，并能维持锁定的最大频率变化范围称为环路 的跟踪频带或简称的跟踪频带或简称同步带同步带。 基本概念：基本概念： 1.VCO振荡频率与输入信号频率一致时，称振荡频率与输入信号频率一致时，称VCOVCO的频率的频率 锁定于输入信号的频率或简称锁定于输入信号的频率或简称