模电信号处理与信号产生电路

1、9.1 滤波电路的基本概念与分类滤波电路的基本概念与分类 1. 基本概念基本概念 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 用频率信号的电子装置。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。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滤波电路传递函数定义 时，有时，有 其中其中 模，幅频响应模，幅频响应 相位角，相频响应相位角，相频响应 群时延响应群时延响应 9.1 滤波电路的基本概念与分类滤波电路的基本概念与分类 2. 分类分类 低通（低通（LPF） 高通（高通（HPF） 带通（带通（BPF） 带阻

2、（带阻（BEF） 全通（全通（APF） end 空载时空载时 带负载时带负载时 无源滤波电路和有源滤波电路无源滤波电路和有源滤波电路 负载变化，通负载变化，通 带放大倍数和截带放大倍数和截 止频率均变化。止频率均变化。 无源滤波电路的滤波参数随负载变化；有源滤波电无源滤波电路的滤波参数随负载变化；有源滤波电 路的滤波参数不随负载变化，可放大，不能输出高电路的滤波参数不随负载变化，可放大，不能输出高电 压大电流。压大电流。 有源滤波电路有源滤波电路 用电压跟随用电压跟随 器隔离滤波电器隔离滤波电 路与负载电阻路与负载电阻 9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路 1. 低通滤波电路低通滤波电路

3、传递函数传递函数 其中其中 特征角频率特征角频率 故，幅频相应为故，幅频相应为 同相比例同相比例 放大系数放大系数 9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路 2. 高通滤波电路高通滤波电路 一阶有源滤波电路通一阶有源滤波电路通 带外衰减速率慢（带外衰减速率慢（-20dB/ 十倍频程），与理想情况十倍频程），与理想情况 相差较远。一般用在对滤相差较远。一般用在对滤 波要求不高的场合。波要求不高的场合。 end 低通电路中的低通电路中的R和和C交换交换 位置便构成高通滤波电路位置便构成高通滤波电路 二阶二阶LPFLPF 截止频率截止频率 fp 0.37f0 分析方法：电路引入了负反馈利用节点电流法

4、求解输出电分析方法：电路引入了负反馈利用节点电流法求解输出电 压与输入电压的关系。压与输入电压的关系。 9.3.1 有源低通滤波电路有源低通滤波电路 1. 二阶有源低通滤波电路二阶有源低通滤波电路 2. 传递函数传递函数 对于滤波电路，有对于滤波电路，有 得滤波电路传递函数得滤波电路传递函数 （二阶）（二阶） （同相比例）（同相比例） 2. 传递函数传递函数 令令 称为称为通带增益通带增益 称为称为特征角频率特征角频率 称为称为等效品质因数等效品质因数 则则 滤波电路才能稳定工作。滤波电路才能稳定工作。注意：注意： 2. 传递函数传递函数 用用 代入，可得传递函数的频率响应：代入，可得传递函数

5、的频率响应： 归一化的幅频响应归一化的幅频响应 相频响应相频响应 3. 幅频响应幅频响应 归一化的幅归一化的幅 频响应曲线频响应曲线 4. n阶巴特沃斯传递函数阶巴特沃斯传递函数 传递函数为传递函数为 式中式中n为阶滤波电路阶数，为阶滤波电路阶数， c为为3dB载止角频率，载止角频率，A0为通带电为通带电 压增益。压增益。 9.3.2 有源高通滤波电路有源高通滤波电路 1. 二阶高通滤波电路二阶高通滤波电路 将低通电路中的电将低通电路中的电 容和电阻对换，便成为容和电阻对换，便成为 高通电路。高通电路。 传递函数传递函数 归一化的幅频响应归一化的幅频响应 2. 巴特沃斯传递函数及其归一化幅频响

6、应巴特沃斯传递函数及其归一化幅频响应 归一化幅频响应归一化幅频响应 9.3.3 有源带通滤波电路有源带通滤波电路 1. 电路组成原理电路组成原理 可由低通和高通串联得到可由低通和高通串联得到 必须满足必须满足 低通截止角频率低通截止角频率 高通截止角频率高通截止角频率 2. 例例9.3.2 9.3.3 有源带通滤波电路有源带通滤波电路 3. 二阶有源带通滤波电路二阶有源带通滤波电路 令令 传递函数传递函数 得得 9.3.4 二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤波电路 可由低通和高通并联得到可由低通和高通并联得到 必须满足必须满足 双双T T选频网络选频网络 9.3.4 二阶有源带阻滤波电路二阶有

7、源带阻滤波电路 双双T T带阻滤波电路带阻滤波电路 9.3.4 二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤波电路 阻滤波电路的幅频特性阻滤波电路的幅频特性 9.3.4 二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤波电路 end 9.5 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件 正反馈放大正反馈放大 电路框图电路框图 （注意与负（注意与负 反馈方框图反馈方框图 的差别）的差别） 1. 振荡条件振荡条件 若环路增益若环路增益则则去掉去掉仍有稳定的输出。仍有稳定的输出。 又又 所以振荡条件为所以振荡条件为 振幅平衡条件振幅平衡条件 相位平衡条件相位平衡条件 起振条件起振条件 2. 起振和稳幅起振和稳幅 电路器

8、件内部噪声以及电源接通扰动电路器件内部噪声以及电源接通扰动 当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增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。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噪声中，满足相位平衡条件的某一频率 0 0的噪声信号被的噪声信号被 放大，成为振荡电路的输出信号。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，稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时， 使振幅平衡条件从使振幅平衡条件从 回到回到 end 4放大电路（包括负反馈放大电路） 放大电路（包括负反馈放大电路） 3. 振荡电

9、路基本组成部分振荡电路基本组成部分 4反馈网络（构成正反馈的） 反馈网络（构成正反馈的） 4选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。经常与反馈 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。）网络合二为一。） 4稳幅环节 稳幅环节 2 2、起振与稳幅、起振与稳幅 电路如何从起振到稳幅？电路如何从起振到稳幅？ 稳定的稳定的 振幅振幅 非线性环节非线性环节 的必要性！的必要性！ 3 3、基本组成部分、基本组成部分 1) 放大电路：放大作用放大电路：放大作用 2) 正反馈网络：满足相位条件正反馈网络：满足相位条件 3) 选频网络：确定选频网络：确定f0，保证电路产生正弦波振荡

10、保证电路产生正弦波振荡 4) 非线性环节（稳幅环节）：稳幅非线性环节（稳幅环节）：稳幅 1) 是否存在主要组成部分；是否存在主要组成部分； 2) 放大电路能否正常工作，即是否有合适的放大电路能否正常工作，即是否有合适的Q点，信号是点，信号是 否可能正常传递，没有被短路或断路否可能正常传递，没有被短路或断路； 3) 是否满足相位条件，即是否存在是否满足相位条件，即是否存在 f0，是否可能振荡，是否可能振荡 ； 4) 是否满足幅值条件，即是否一定振荡。是否满足幅值条件，即是否一定振荡。 常合二而一常合二而一 4 4、分析方法、分析方法 相位条件的判断方法：相位条件的判断方法：瞬时极性法瞬时极性法

11、断开反馈，在断开处给放大电路加断开反馈，在断开处给放大电路加 ff0的信号的信号Ui，且规且规 定其极性，然后根据定其极性，然后根据 Ui的极性的极性 Uo的极性的极性 Uf的极性的极性 若若Uf与与Ui极性相同，则电路可能产生自激振荡；否则电路不极性相同，则电路可能产生自激振荡；否则电路不 可能产生自激振荡。可能产生自激振荡。 在多数正弦波振荡电路在多数正弦波振荡电路 中，输出量、净输入量和中，输出量、净输入量和 反馈量均为电压量。反馈量均为电压量。 极性？极性？ 9.6 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 1. 电路组成电路组成 2. RC串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性 3

12、. 振荡电路工作原理振荡电路工作原理 4. 稳幅措施稳幅措施 1. 电路组成电路组成 反馈网络兼做选频反馈网络兼做选频 网络网络 RC桥式振荡电路桥式振荡电路 反馈系数反馈系数 2. RC串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性 幅频响应幅频响应 又又 且令且令 则则 相频响应相频响应 2. RC串并联选频网络的选频特性串并联选频网络的选频特性 当当 幅频响应有最大值幅频响应有最大值 相频响应相频响应 3. 振荡电路工作原理振荡电路工作原理 此时若放大电路的电压增益为此时若放大电路的电压增益为 用瞬时极性法判断可知，用瞬时极性法判断可知， 电路满足相位平衡条件电路满足相位平衡条件 则振

13、荡电路满足振幅平衡条件则振荡电路满足振幅平衡条件 当当 时，时， 电路可以输出频率为电路可以输出频率为 的正弦波的正弦波 RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波的正弦波 采用非线性元件采用非线性元件 4. 稳幅措施稳幅措施 4热敏元件 热敏元件 热敏电阻热敏电阻 起振时，起振时， 即即 热敏电阻的作用热敏电阻的作用 稳幅稳幅 end 采用非线性元件采用非线性元件 4二极管 二极管 稳幅原理稳幅原理 稳幅稳幅 起振时起振时 4. 稳幅措施稳幅措施 稳幅环节稳幅环节 频率可调的文氏桥振荡器频率可调的文氏桥振荡器 改变电容以粗调，改变电改变电容

14、以粗调，改变电 位器滑动端以微调。位器滑动端以微调。 加稳压管可以限制输出电加稳压管可以限制输出电 压的峰峰值。压的峰峰值。 同轴同轴 电位器电位器 合理连接电路，组成文氏桥振荡电路合理连接电路，组成文氏桥振荡电路 讨论二：讨论二：判断图示电路有可能产生正弦波振荡吗？判断图示电路有可能产生正弦波振荡吗？ RC移项式电路移项式电路 1) RC移相电路有几级才移相电路有几级才 可能产生正弦波振荡？可能产生正弦波振荡？ 2) 若若R和和C互换呢？互换呢？ 9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 9.7.2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路 9.7.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路

15、9.7.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 9.7.1 LC选频放大电路选频放大电路 9.7.1 LC选频放大电路选频放大电路等效损耗电阻等效损耗电阻 一般有一般有则则 当当 时，时，电路谐振。电路谐振。为谐振频率为谐振频率 谐振时谐振时阻抗最大，且为纯阻性阻抗最大，且为纯阻性 其中其中 为品质因数为品质因数 同时有同时有 即即 1. 并联谐振回路并联谐振回路 9.7.1 LC选频放大电路选频放大电路 阻抗频率响应阻抗频率响应 （a）幅频响应）幅频响应 （b）相频响应）相频响应 9.7.1 LC选频放大电路选频放大电路 2. 选频放大电路选频放大电路 9.7.2 变压器反馈式变压器反馈式LC

16、振荡电路振荡电路 虽然波形出现了失真，但由于虽然波形出现了失真，但由于LC谐振电路的谐振电路的Q值很高，值很高， 选频特性好，所以仍能选出选频特性好，所以仍能选出 0的正弦波信号。的正弦波信号。 1. 电路结构电路结构 2. 相位平衡条件相位平衡条件 3. 幅值平衡条件幅值平衡条件 4. 稳幅稳幅 5. 选频选频 通过选择高通过选择高增益的场效应管和调增益的场效应管和调 整变压器的匝数比，可以满足整变压器的匝数比，可以满足 使电路可以起振。使电路可以起振。 BJT进入非线性区，波形出现失真，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。从而幅值不再增加，达到稳幅目的。 （定性分

17、析）（定性分析） 2 2、变压器反馈式、变压器反馈式电路电路 C1是必要的吗？是必要的吗？ 特点：特点： 易振，波形较好；耦合不紧易振，波形较好；耦合不紧 密，损耗大，频率稳定性不高。密，损耗大，频率稳定性不高。 分析电路是否可能产生正弦分析电路是否可能产生正弦 波振荡的步骤：波振荡的步骤： 1) 是否存在组成组成部分是否存在组成组成部分 2) 放大电路是否能正常工作放大电路是否能正常工作 3) 是否满足相位条件是否满足相位条件 为使为使N1、N2耦合紧密，将它们合二而一，组成电感反馈耦合紧密，将它们合二而一，组成电感反馈 式电路。式电路。 必须有合适的同铭端！必须有合适的同铭端！ 9.7.3

18、 三点式三点式LC振荡电路振荡电路 仍然由仍然由LC并联谐振电路构成选频网络并联谐振电路构成选频网络 A. 若中间点交流接地，则首端与尾端若中间点交流接地，则首端与尾端 相位相反。相位相反。 1. 三点式三点式LC并联电路并联电路 中间端的瞬时电位一定在首、尾端中间端的瞬时电位一定在首、尾端 电位之间。电位之间。 三点的相位关系三点的相位关系 B. 若首端或尾端交流接地，则其他两若首端或尾端交流接地，则其他两 端相位相同。端相位相同。 9.7.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路 2. 电感三点式振荡电路电感三点式振荡电路 9.7.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路 3. 电容三点式振荡电路

19、电容三点式振荡电路 讨论讨论 同铭端？同铭端？ 能产生正弦能产生正弦 波振荡吗？波振荡吗？ 注意事项：注意事项： 1、放大电路必须能够正常工作、放大电路的基本接法；、放大电路必须能够正常工作、放大电路的基本接法； 2、断开反馈，在断开处加、断开反馈，在断开处加 f=f0的输入电压；的输入电压； 3、找出在哪个元件上获得反馈电压，是否能取代输入电压。、找出在哪个元件上获得反馈电压，是否能取代输入电压。 9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路 9.8.2 方波产生电路方波产生电路 9.8.3 锯齿波产生电路锯齿波产生电路 9.8.1 电压比较器电压比较器 单门限电压比较器单门限电压比较器 迟

20、滞比较器迟滞比较器 集成电压比较器集成电压比较器 9.8.1 电压比较器电压比较器 ，由于，由于|vO |不可能超过不可能超过VM ， 特点：特点： 1. 单门限电压比较器单门限电压比较器 （1）过零比较器）过零比较器 开环，开环，虚短虚短不成立不成立 增益增益A0大于大于105 （忽略了放大器输出级的饱和压降）（忽略了放大器输出级的饱和压降） 所以所以 当当 |+VCC | = |-VEE | =VM = 15V，A0=105 时，时， 可以认为可以认为 vI 0 时，时， vOmax = +VCC vI 0 时，时， vOmax = -VEE （过零比较器）（过零比较器） 运算放大器工作在

21、非线性状态下运算放大器工作在非线性状态下 9.8.1 电压比较器电压比较器 特点：特点： 1. 单门限电压比较器单门限电压比较器 （1）过零比较器）过零比较器 开环，开环，虚短虚短不成立不成立 增益增益A0大于大于105 输入为正负对称的正弦输入为正负对称的正弦 波时，输出为方波。波时，输出为方波。 电压传输特性电压传输特性 9.8.1 电压比较器电压比较器 1. 单门限电压比较器单门限电压比较器 （2）门限电压不为门限电压不为零的比较器零的比较器 电压传输特性电压传输特性 （门限电压为（门限电压为VREF） 9.8.1 电压比较器电压比较器 1. 单门限电压比较器单门限电压比较器 （2）门限

22、电压不为门限电压不为零的比较器零的比较器 （门限电压为（门限电压为VREF） (a) VREF0时时 (b) VREF2V时时 (c) VREF4V时时 vI为峰值为峰值6V的三角波，设的三角波，设 VCC12V，运放为理想器件。，运放为理想器件。 解：解： 例例 图示为另一种形式的单门限电压比较器，试求出其门限图示为另一种形式的单门限电压比较器，试求出其门限 电压电压(阈值电压阈值电压)VT，画出其电压传输特性。设运放输出的，画出其电压传输特性。设运放输出的 高、低电平分别为高、低电平分别为VOH和和VOL。 利用叠加原理可得利用叠加原理可得 理想情况下，输出电压发生跳变理想情况下，输出电压

23、发生跳变 时对应的时对应的vPvN0，即，即 门限电压门限电压 单门限比较器的抗干扰能力单门限比较器的抗干扰能力 应为高电平应为高电平 错误电平错误电平 9.8.1 电压比较器电压比较器 2. 迟滞比较器迟滞比较器 （1）电路组成电路组成 （2）门限电压门限电压 门限电压门限电压 上门限电压上门限电压 下门限电压下门限电压 回差电压回差电压 9.8.1 电压比较器电压比较器 2. 迟滞比较器迟滞比较器 （3 3）传输特性传输特性 解：解：（ （1）门限电压）门限电压 （3）输出电压波形输出电压波形 例例 电路如图所示，试求门限电压，画出传输特性和图电路如图所示，试求门限电压，画出传输特性和图c所示输所示输 入信号下的输出电压波形。入信号下的输出电压波形。 （2）传输特性）传输特性 通过上述几种电压比较器的分析，可得出如下结论：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状态）用于电压比较器的运放，通常工作在开环或正反馈状态 和非线性区，其输出电压只有高电平和非线性区，其输出电压只有高电平VOH和低电和低电VOL两种情况。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）一般用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数