第八章 信号处理电路

1、第八章 信号处理电路8.1 有源滤波电路一、概述一、概述二、低通滤波器二、低通滤波器三、高通、带通、带阻滤波器三、高通、带通、带阻滤波器四、状态变量型滤波器四、状态变量型滤波器1. 滤波电路的功能 使指定频段的信号顺利通过，其它频率的信号被衰减。使指定频段的信号顺利通过，其它频率的信号被衰减。2. 滤波电路的种类低通滤波器（低通滤波器（LPF）通带放大倍数通带放大倍数通带截止频率通带截止频率下降速率下降速率理想幅频特性理想幅频特性无过渡带无过渡带一、概述用幅频特性描述滤波特性，要研究用幅频特性描述滤波特性，要研究 、 ( fP、下降速率、下降速率)。puAuA高通滤波器（高通滤波器（HPF）带

2、通滤波器（带通滤波器（BPF）带阻滤波器（带阻滤波器（BEF）全通滤波器（全通滤波器（APF）理想滤波器的幅频特性阻容耦合阻容耦合通信电路通信电路抗已知频率的干扰抗已知频率的干扰f-转换转换pppj11 21 1ffARCfAuu空载：ppLpLLpj1 )( 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 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；有源滤波电路的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。滤波参数不随负载变化，可放

3、大。 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。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二、低通滤波器 求解传递函数时，只需将放大倍数中的求解传递函数时，只需将放大倍数中的 j用用 s 取代即可；取代即可； s 的方次称为阶数。的方次称为阶数。12p1RRAuRCf21pppj1ffAAuu频率趋于频率趋于0时的放

4、大时的放大倍数为通带放大倍数倍数为通带放大倍数决定于决定于RC环节环节表明进入高频段表明进入高频段的下降速率为的下降速率为20dB/十倍频十倍频（1 1）一阶电路）一阶电路1. 同相输入经拉氏变换得经拉氏变换得传递函数：传递函数：sRCRRsCRsCRRsUsUsAu11)1 ( 11)1 ()()()(121fio一阶电路一阶电路1. 同相输入（1 1）一阶电路：幅频特性）一阶电路：幅频特性)21( j1 1ppp12pRCfffAARRAuuu 为了使过渡带变窄，需为了使过渡带变窄，需采用多阶滤波器，即增加采用多阶滤波器，即增加RC环节。环节。（2 2）简单二阶）简单二阶LPFLPFM22

5、Pi1121Mj1)j1)j1(j1)j1(j1UCRCUUCRCRCRCU j3)(11)1 (02012ffffRRAu截止频率截止频率 fp 0.37f0RCf 21 0特征频率特征频率分析方法：电路引入了负反馈，具有分析方法：电路引入了负反馈，具有“虚短虚短”和和“虚断虚断”的特点利用节点电流法求解输出电压与输入电压的关系。的特点利用节点电流法求解输出电压与输入电压的关系。C1=C2（3 3）压控电压源二阶压控电压源二阶LPFLPF引入正反馈引入正反馈为使为使 fp=f0，且在，且在f=f0时幅频特性按时幅频特性按40dB/十倍频下降。十倍频下降。 f0时，时，C1断路，正反馈断路，正

6、反馈断开，放大倍数为通带放大断开，放大倍数为通带放大倍数。倍数。 f ， C2短路，正反馈不短路，正反馈不起作用，放大倍数起作用，放大倍数0 。 因而有可能在因而有可能在f = f 0时放大倍数等于或大于通带放大倍数。时放大倍数等于或大于通带放大倍数。对于不同频率的信号正反馈的强弱不同。对于不同频率的信号正反馈的强弱不同。C1=C2压控电压源二阶LPF的分析p0uffuAAQppp30uuuffuAQAAA 列列P、M点的节点电流方程，点的节点电流方程，整理可得：整理可得：pp0 32 uffuuAAA时，当0p20p3 j)(1ffAffAAuuu2. 反相输入低通滤波器。，即uuAfCRA

7、 0 j1112pRRAuHf积分运算电路的电压放大倍数为积分运算电路的电压放大倍数为加加R2后后CRffffRRAu20p01221j11， 需有电阻构成的需有电阻构成的负反馈网络来确定负反馈网络来确定通带放大倍数。通带放大倍数。12lg20RROOO三、高通、带通、带阻有源滤波器 与与LPF有对偶性，将有对偶性，将LPF的电阻和电容互换，就可得一阶的电阻和电容互换，就可得一阶HPF、简单二阶简单二阶HPF、压控电压源二阶压控电压源二阶HPF电路。电路。2. 带通滤波器（BPF）3. 带阻滤波器（BEF）1. 高通滤波器（HPF）8.28.2 电压比较器一、概述一、概述二、单限比较器二、单限

8、比较器三、滞回比较器三、滞回比较器四、窗口比较器四、窗口比较器五、集成电压比较器五、集成电压比较器一、概述1. 电压比较器的功能：比较电压的大小。：比较电压的大小。 输入电压是模拟信号；输出电压表示比较的结果，只有高输入电压是模拟信号；输出电压表示比较的结果，只有高电平和低电平两种情况，为二值信号。使输出产生跃变的输电平和低电平两种情况，为二值信号。使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压（转折电压入电压称为阈值电压（转折电压/门限电压）。门限电压）。 广泛用于各种报警电路。广泛用于各种报警电路。2. 电压比较器的描述方法 :电压传输特性电压传输特性 uOf(uI)电压传输特性的三个要素：电压传输

9、特性的三个要素：（1）输出高电平）输出高电平UOH和输出低电平和输出低电平UOL（2）阈值电压）阈值电压UT（3）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向）输入电压过阈值电压时输出电压跃变的方向3. 几种常用的电压比较器（1）单限比较器：只有一个阈值电压）单限比较器：只有一个阈值电压（3）窗口比较器：）窗口比较器： 有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。有两个阈值电压，输入电压单调变化时输出电压跃变两次。（2）滞回比较器：具有滞回特性）滞回比较器：具有滞回特性 输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压输入电压的变化方向不同，阈值电压也不同，但输入电压单调变化使输出电压只跃

10、变一次。单调变化使输出电压只跃变一次。T2T1UUU回差电压：回差电压：4、集成运放的非线性工作区电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈电路特征：集成运放处于开环或仅引入正反馈理想运放工作在非线性区的特点：理想运放工作在非线性区的特点：1) 净输入电流为净输入电流为02) uP uN时，时， uOUOM uP 0 时时 uO UOM; uI 0 时时 uO UOM 集成运放的净输入电压等于输入电压，为保护集成运集成运放的净输入电压等于输入电压，为保护集成运放的输入级，需加输入端限幅电路。放的输入级，需加输入端限幅电路。二极管限幅电路使净输二极管限幅电路使净输入电压最大值为入电压最大值为UD1

11、. 过零比较器必要吗？必要吗？输出限幅电路 为适应负载对电压幅值的要求，输出端加限幅电路。为适应负载对电压幅值的要求，输出端加限幅电路。UOH UZ1 UD2 UOL( UZ2 UD1)UOH UOL UZUOH UZ UOL UD 不可缺少！不可缺少！为使为使UOL接近接近0，怎么办？怎么办？锗管锗管输出限幅电路uO UZ（1）保护输入端）保护输入端（2）加速集成运放状态的转换）加速集成运放状态的转换电压比较器的分析方法：（1 1）写出写出 uP、uN的表达式，的表达式，令令uP uN，求解出的求解出的 uI即为即为UT；（2 2）根据输出端限幅电路决定输出的高、低电平；根据输出端限幅电路决

12、定输出的高、低电平；（3 3）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定）根据输入电压作用于同相输入端还是反相输入端决定输出输出电压电压的跃变方向。的跃变方向。2. 一般单限比较器，得令0PNI211REF212NuuuRRRURRRu（1）若要）若要UTURH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。特点：特点：1. 无需限幅电路，根据所需输出高、低

13、电平确定电源电压；无需限幅电路，根据所需输出高、低电平确定电源电压；2. 可直接驱动集成数字电路；可直接驱动集成数字电路；3. 应用灵活，可具有选通端；应用灵活，可具有选通端；CCVEEV五、集成比较器某型号集成比较器的等效电路某型号集成比较器的等效电路4. 响应速度快；响应速度快；5. 电源电压升高，工作电流增大，工作速度加快。电源电压升高，工作电流增大，工作速度加快。讨论：电子电路时测量信号的选择电子电路时测量信号的选择 现有信号：现有信号： 通频带内某一频率的交流小信号；通频带内某一频率的交流小信号； 频率很低（如频率很低（如10Hz）且幅值足够大的三角波或锯齿波；）且幅值足够大的三角波或锯齿波； 固定的小幅值且足够频率范围的交流小信号；固定的小幅值且足够频率范围的交流小信号； 足够幅值的阶跃信号。足够幅值的阶跃信号。请在括号内填写上述信号、中的