信号处理(修改1)

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9.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路*9.4 开关电容滤波器开关电容滤波器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9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路9.6 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.8 非正弦信号产生电路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电路的基本概念与分类1. 基本概念基本概念)()()(iosVsVsA 滤波器：滤波器：有源滤波器有源滤波器:有源器件有源器件（无源）：（无源）：RLC滤波电路传递函数定义滤波电路传递函数定义时，有时，有 j

2、s)(je)j ()j ( AA)()j ( A其中其中)j ( A)( 模，幅频响应模，幅频响应 相位角，相频响应相位角，相频响应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end通带：能够通过的信号频率范围阻带：受阻或衰减的信号频率范围截止频率：通带和阻带的界限频率,半功率点特征频率：放大器失去放大功效时的频率，电压放大倍数为1理想滤波电路在通带内应具有零衰减的幅频相应和线性的相位响应，而在阻带内幅度衰减到零。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（带阻（BEF）全通（全通（APF）

3、endpFpFj1j11 21 1ffAffARCfAuupu电压放大倍数：令频率从零到无穷大时，通带放大倍数：空载3. 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HFLpLLFj1 )( 21 ;ffAACRRfRRRAuuu带载：空载时空载时带负载时带负载时3. 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，通带放大负载变化，通带放大倍数和截止频率均变化。倍数和截止频率均变化。比较两者幅频特性曲线 无源滤波电路可用于高电压大电流，如直流电源中的滤无源滤波电路可用于高电压大电流，如直流电源中的滤波电路；有源滤波电路是信号处理电路，其输出电压和电波电路；有源滤波电路

4、是信号处理电路，其输出电压和电流的大小受有源元件自身参数和供电电源的限制。流的大小受有源元件自身参数和供电电源的限制。 用电压跟随器用电压跟随器隔离滤波电路与隔离滤波电路与负载电阻负载电阻POPUURCU,仅决定于RC低通电路输出端+电压跟随器，增强带负载能力。无源高通滤波器无源高通滤波器RC高通电路高通电路 ffjALu119.2 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如将电压跟随器改为同相比例放大电路呢？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)21( j1 1HHF12FRCfffAARRAuuu9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电

5、路2. 高通滤波电路高通滤波电路 与高通滤波器的对偶性与高通滤波器的对偶性9.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路什么是阶呢？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C1=C2a:a:简单简单 式式利用节点电流法利用节点电流法+ +两虚两虚 j3)(11)1 (02012ffffRRAu9.3.1 有源低通滤波电路有源低通滤波电路b.压控电压源压控电压源0f20f3 j)(1ffAffAAuuu0-31uAQ 令Q的意义？f=f0时的电压增益与通带时电压增益之比自激振荡电路才稳定，否则产生, 3ufA9.3.1 有源低通滤波电路有源低通滤波电路

6、b.压控电压源压控电压源Q不同，不同，f=f0附近频率特性不同附近频率特性不同Q=0.707,巴特沃斯滤波器巴特沃斯滤波器Q=0.96,切比雪夫滤波器切比雪夫滤波器Q=0.56,贝塞尔滤波器贝塞尔滤波器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2nc0)/(1)j (ffAA式中式中n为阶滤波电路阶数，为阶滤波电路阶数，fc为为3dB截止角频率，截止角频率，A0为通带电为通带电压增益。压增益。工程上用查表式软件来确定参数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 对偶性对偶性传递函数传递函数2cc220)( sQssAsA2c22c

7、0)(1)(1lg20)j (lg20QAA 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应巴特沃斯传递函数及其归一化幅频响应2n0)/(1)( cAjA 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11H1CR 低通截止角频率低通截止角频率22L1CR 高通截止角频率高通截止角频率HL 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2FF)()(31)(sCRsCRAsCRAsAVV - -FF03VVAAA- - RC10 F

8、31VAQ 得得20000)(1)( sQsQsAsA 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HL 用来抑制或衰减某一频段的信号，而让该频段以外的所有信号通过，又称陷波电路双双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end9.5 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电路框图正反馈放大电路框图（注意与负反馈方框图的差别）（注意与负反馈方框图的差别）1. 振荡条件振荡条

9、件fiaXXX 若环路增益若环路增益1 FA则则， faXX 去掉去掉， iXoX仍有稳定的输出。仍有稳定的输出。正弦波振荡电路是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路11FAXXXXXXfaaoaf9.5 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件1. 振荡条件振荡条件1)()( FA振幅平衡条件振幅平衡条件2)()(fan 相位平衡条件相位平衡条件正弦波振荡电路是一个没有输入信号的带选频网络的正反馈放大电路无论是负反馈的自己振荡还是正反馈振荡，都要求环路增益为1，不过由于反馈信号送到比较环节输入端的+、-号不同，所以相位条件不同起振条件起振条件2. 起振和稳幅起振和稳幅电路器件

10、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1)()( FA2)()(fan 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1 AF。 1 AF输出电压从幅值很小、含有丰富频率，到仅有一种

11、频率且幅输出电压从幅值很小、含有丰富频率，到仅有一种频率且幅值由小逐渐增大直至稳幅。值由小逐渐增大直至稳幅。很多种频率很多种频率频率逐渐变频率逐渐变为单一为单一振幅越来越大振幅越来越大趋于稳幅趋于稳幅end4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。振荡器往往以选频网络命名）网络合二为一。振荡器往往以选频网络命名）4稳幅环节稳幅环节5. 分类常用选频网络所用元件

12、分类。常用选频网络所用元件分类。1) RC正弦波振荡电路：正弦波振荡电路：1兆赫以下兆赫以下2) LC正弦波振荡电路：几百千赫几百兆赫正弦波振荡电路：几百千赫几百兆赫3) 石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定石英晶体正弦波振荡电路：振荡频率稳定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，信号是否点，信号是否可能正常传递，没有被短路或断路；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

13、。是否满足幅值条件，即是否一定振荡。4 分析方法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. 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（其他）桥式振荡电路（其他）1. RC串并联选频网络（文氏桥）低频段低频段高频段高频段 900 0Ff ，UfUo.Uf.I.趋于零趋于零且且超前趋于超前趋于当频率趋于零时，相位当频率趋于零时，相位超前超前）。）。如图（如图（其电压和电流的方向图其电压和电流的方向图因而简化电路及因而简化电路及

14、信号频率足够低，信号频率足够低， foofUUUbRC,90,1 （a）(b)1. RC串并联选频网络低频段低频段高频段高频段 900 Ff ，Uf 在频率从在频率从0中必有一个频率中必有一个频率f0，F0。Uo.Uf.I.(a)(c)趋趋于于零零且且位位滞滞后后趋趋于于当当频频率率趋趋于于无无穷穷时时，相相滞滞后后）。如如图图（其其电电压压和和电电流流的的方方向向图图因因而而简简化化电电路路及及信信号号频频率率足足够够高高， foofUUUcRC,90-,1 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)()()(ofsVsVsFV 幅频响应幅频响应又又212Z

15、ZZ 2)(31sCRsCRsCR j s且令且令RC10 则则)( j3100 VF2002)(31 VF相频响应相频响应3)(arctan00f 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2002)(31 VF幅频响应有最大值幅频响应有最大值RCffRC21 100 或或 31max VF相频响应相频响应0f 3)(arctan00f 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，电用瞬时极性法判断可知，电路满足相位平衡条件路满足相位平衡条件则振荡电路满足振幅平衡条件则振荡电路满足振幅平衡条件0f 当当

16、RC10 时，时，2fan 311f RRAV1313 VVFA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RCf210 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 的正弦波的正弦波在放大电路的负反在放大电路的负反馈回路中采用非线馈回路中采用非线性元件自动调节反性元件自动调节反馈强弱维持输出平馈强弱维持输出平衡衡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，311f RRAV即即1 VVFA热敏电阻的作用热敏电阻的作用 oV oI 功功耗耗 fR 温温度度 fR 阻阻值值 fR3 VA1 VVFA稳幅稳幅 VA4.

17、稳幅措施稳幅措施 vDS iD vGS=0V -1V -2V -3V 可变电阻区，斜可变电阻区，斜率随率随vGS不同而变不同而变化，即化，即vds较小时，较小时，Rds可通过栅源可通过栅源电压而改变电压而改变负反馈网络采用非线性元件采用非线性元件4. 稳幅措施稳幅措施4场效应管（场效应管（JFET）31DS3p3 RRRAV稳幅原理稳幅原理34 DCR 、整流滤波整流滤波T 压控电阻压控电阻 oV )(GS负负值值V DSR1 VVFA稳幅稳幅 VA3 VAend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 oV3 VA1 VVFA稳幅稳幅 VA31132 RRRAV起振时起振时

18、联联支支路路的的等等效效电电阻阻并并和和、是是其其中中2133DD RR 3R4. 稳幅措施稳幅措施稳幅环节稳幅环节正弦波振荡电路分析归纳 （1）从电路组成来看，检查其是否包括放大、反馈、选频和稳幅等基本部分； （2）分析放大电路能否正常工作； （3）检查电路是否满足自激振荡，检查幅值平衡条件，相位平衡条件； （4）根据选频网络参数，估计振荡频率f09.7 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

19、电路选频放大电路LRCLRCZ jj1)j(j1 等效损耗电阻等效损耗电阻)1j(CLRCLZ 一般有一般有LR 则则CQLQRCLZ000 当当 时，时，LC10 电路谐振。电路谐振。LC10 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CLRRCRLQ1100 为品质因数为品质因数同时有同时有scIQI 即即sLcIII 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 =0，即谐振时，回路阻抗最大，且为纯电阻，相移 =0 时，并联回路阻抗下降，相移增大； Q

20、值不同，幅、相频特性曲线也不同。 Q越大，RP越大，幅频特性曲线越尖锐，相移曲线在谐振频率附近变化更陡峭。09.7.1 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振荡电路振荡电路1. 电路结构电路结构2. 相位平衡条件相位平衡条件（定性分析）（定性分析）LC并联谐振回路作为漏极负载，反馈信号通过变压器送回到栅极，RgCg电路用来产生栅极偏压。Cg用来阻隔振荡信号对栅极静态工作点的影响谐振时，LC回路呈纯阻性，漏栅极性相反，有180相移，变压器异名端有180相移，所以整个闭环回路相移180+180=360满足相位平衡条件9.7.2 变压器反

21、馈式变压器反馈式LC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，选值很高，选频特性好，所以仍能选出频特性好，所以仍能选出 0的正弦波信号。的正弦波信号。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1 FA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。（定性分析）（定性分析）)(0iffUfU特点：特点

22、： 易振，波形较好；耦合不紧密，易振，波形较好；耦合不紧密，损耗大，频率稳定性不高。损耗大，频率稳定性不高。9.7.3 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1. 三点式三点式LC并联电路并联电路X1X2X3三点式振荡器基本结构三点式振荡器基本结构_ _三个电抗元件组成三个电抗元件组成LC谐振回路谐振回路 谐振回路既是负载，又构成正反谐振回路既是负载，又构成正反馈选频网络。馈选频网络。 三点式振荡器组成原则：与三点式振荡器组成原则：与放大器同相输入端相连的为同性放大器同相输入端相连的为同性质电抗，不与同相输入端相连的质电抗，不与同相输入

23、端相连的为异性质电抗。为异性质电抗。X1X2X3BCE三点式振荡器基本结构三点式振荡器基本结构 与与E相连的为同性质电抗，不相连的为同性质电抗，不与与E端相连的为异性质电抗。端相连的为异性质电抗。 只有这样，才能构成正反馈！只有这样，才能构成正反馈！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(Hartley 哈脱莱哈脱莱) )2(21210CMLLf MLMLIMLjIMLjUUF 12.1.2.o.f.)()( 优点：优点：易起振，频率易调易起振，频率易调（调（调C）缺点：缺点：高次谐波成分较大，高次谐波成分较大，输出波形差。输出波形差。9.7.3

24、 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电容三点式振荡电路(Colpitts 考毕兹考毕兹) L210Cf 211.2.o.f.11CCCjICjIUUF 改进型电容三点式振荡器改进型电容三点式振荡器(Clapp 克拉泼克拉泼)C3 C1 ， C3 0 时，时， vOmax = +VCCvI URH时，时，uO1= uO2= UOM，D1导通，导通，D2截止；截止； uO= UZ。当当uIURL时，时，uO2= uO1= UOM，D2导通，导通，D1截止；截止； uO= UZ 。当当URLuI URH时，时， uO1= uO2= UOM，D1、D2均截均截止；止； uO= 0

25、。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和）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非线性区，其输出电压只有高电平VOH和低电平和低电平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关系。关系。（3）电压传输特性的关键要素）电压传输特性的关键要素 输出电压的高电平输出电压的高电平VOH和低电平和低电平VOL 门限电压门限电压 输出电压的跳变方向输出电压的跳变方向令令

26、vPvN所求出的所求出的vI就是门限电压就是门限电压vI等于门限电压时输出电压发生跳变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跳变方向取决于是同相输入方式还是反相输入方式9.8.1 电压比较器电压比较器3. 集成电压比较器集成电压比较器集成电压比较器与集成运算放大器比较：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。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，改但集成电压比较器中无频率补偿电容，因此转换速率

27、高，改变输出状态的典型响应时间是变输出状态的典型响应时间是30200 ns。 相同条件下相同条件下741集成运算放大器的响应时间为集成运算放大器的响应时间为30 s左右。左右。9.8.2 方波产生电路方波产生电路1. 电路组成（多谐振荡电路）电路组成（多谐振荡电路）稳压管双稳压管双向限幅向限幅在迟滞比较器的基础上增加一个由f和C构成的积分电路限流电阻9.8.2 方波产生电路方波产生电路1. 电路组成（多谐振荡电路）电路组成（多谐振荡电路）Z212TURRRU 正向充电：正向充电： uO（+UZ）RfC地地反向充电：反向充电： 地地C Rf uO（UZ）求出、终了值、时间常数，根据三要素，即起始

28、值)21ln(212RRCRTf %50kTTq占空比脉冲宽度脉冲宽度4. 波形分析3. 占空比可变的方波产生电路占空比可变的方波产生电路9.8.2 方波产生电路方波产生电路正向充电和反向充电时间常数可调，正向充电和反向充电时间常数可调，占空比就可调。占空比就可调。当uo为正，D1导通，正向充电时间为Rf1*C;当uo为负，D2导通，反向充电时间为Rf2*C)21ln()(1221RRCRRTff 用用积分运算积分运算电路可将方波变为三角波。电路可将方波变为三角波。两个两个RC环节环节实际电路将两个实际电路将两个RC 环节合二为一环节合二为一ZUuO要取代要取代uC，必须改变输入端。，必须改变

29、输入端。9.8.3 锯齿波产生电路锯齿波产生电路9.8.3 锯齿波产生电路锯齿波产生电路同相输入迟同相输入迟滞比较器滞比较器积分电路积分电路充放电时间充放电时间常数不同常数不同将方波发生器进行改进滞回比较器+积分电路对于由多个集成运放组成的应用电路，一般应首先分析每个集成集成运放所组成的电路输出与输入的函数关系，然后分析各电路间的相互关系，在此基础上得出电路功能。9.8.3 锯齿波产生电路锯齿波产生电路求滞回比较器的电压传输特性：三要素求滞回比较器的电压传输特性：三要素 UOH =UOL =UZ ，uI作用于集成运放的同相输入端，求作用于集成运放的同相输入端，求 UT：代入，求出，将令ZO1N

30、1P1O212O1211P10UuuuuRRRuRRRuZ21TURRUZTTTURRUUU2129.8.3 锯齿波产生电路锯齿波产生电路9.8.3 锯齿波产生电路锯齿波产生电路)()2(2)/(26525661256126121RRRRRCRRRCRRRRCRRTTT 2614RCRRT 9.8.3 锯齿波产生电路锯齿波产生电路 如何调整锯齿波的幅值和频率？如何调整锯齿波的幅值和频率？ “理性地调试理性地调试”：哪些参数与幅值有关？哪些参数与幅值有关？哪些参数与频率有关？哪些参数与频率有关？先调哪个参数？先调哪个参数？ 三角波用傅立叶级数展开，除基波外，还含三角波用傅立叶级数展开，除基波外，还含有有3 3次、次、5 5次次谐波。