模电第9章信号处理与信号产生电路共55张课件

1、第九章信号处理与信号产生电路 重点： 1.了解有源滤波器的类型与滤波原理； 2. 理解正弦波振荡电路自激振荡的条件; 3. 理解LC振荡电路和RC振荡电路的工作原理。 4. 理解电压比较器的工作原理和应用。1第九章19.1 滤波电路的基本概念与分类二、滤波电路的分类1. 按信号性质分类：模拟滤波器和数字滤波器2. 按所用元件分类：无源滤波器和有源滤波器3. 按阶数分类：一阶，二阶 高阶4. 按电路功能分类：低通滤波器;高通滤波器;带通滤波器;带阻滤波器滤波器+vi-+vo-一、什么是滤波使所需要的频率信号能顺利通过滤波电路达到输出端口，抑制(过滤)不需要的频率信号，这种选择频率的功能称为滤波。

2、输入信号频率是变的经滤波后输出信号29.1 滤波电路的基本概念与分类二、滤波电路的分类滤波器低通高通带通带阻四种典型滤波器的频率特性VoViVoViVoViVoVi三、滤波电路作用的描述用电压增益频率的关系来描述,称为传递函数。3低通高通带通带阻四种典型滤波器的频率特性VoVoVo9.2 一阶有源滤波电路一、一阶有源低通滤波器1、 电路RR1RfC+-+vivo2. 频率响应(传递函数)令:Ao=1+Rf /R1 , o=1/RC幅频特性:无源低通滤波器幅频响应波特图:10 /o0-20 A20lg| Ao1 -3o :上限截止频率-20dB/十倍频程输出频率范围: =0o49.2 一阶有源滤

3、波电路RR1RfC+-+vivo2. 二、一阶有源高通滤波器1、 电路2. 频率响应(传递函数)令:o=1/RCAo=1+Rf /R1幅频特性:无源高通滤波器幅频响应波特图:1 -3-+RR1RfCvivoo :下限截止频率输出频率范围: = o 三、一阶有源滤波器优缺点优点:电路简单; 缺点:衰减太慢。20dB/十倍频程 /o0-20 A20lg| Ao0.15二、一阶有源高通滤波器2. 频率响应(传递函数)令:o=19.3 高阶有源滤波电路(2阶)一、二阶有源低通滤波器1、 电路联立求解得:二阶vivmv-v+vo69.3 高阶有源滤波电路(2阶)联立求解得:二阶viv2. 频率响应(传递

4、函数)将s=j 代入上述方程得:其中:Ao=1+Rf /R1通带增益特征角频率等效品质因数幅频特性:越大A越小。波特图如右图。阶数越高,衰减越快,曲线越陡。-40dB/十倍频程72. 频率响应(传递函数)其中:Ao=1+Rf /R1通 将低通电路中的电容和电阻对换，便成为高通电路。2. 频率响应(传递函数)二、二阶有源高通滤波器1、 电路Ao,C,Q与低通相同。幅频特性:可见：越大A越大。波特图斜率40dB/十倍频程。vivmv-v+vo8 将低通电路中的电容和电阻对换，便成为高通电路。二、二当满足LH时,输出频率范围: =LH2. 实际电路p426图3.1.11以及p429图3.1.13。设

5、低通截止角频率:设高通截止角频率:三、有源带通滤波电路1. 电路组成原理可由低通和高通串联组成低通高通vivo|A|H低通|A|L高通|A|L H通带9当满足LH时,输出频率阻隔范围: = LH低通截止角频率:高通截止角频率:三、有源带阻滤波电路1. 电路组成原理可由低通和高通并联组成|A|H低通|A|L高通低通高通vivo|A|H L阻带12当满足LH时,输出频率阻隔范围:低通截止角频率:高通截2. 二阶有源带阻滤波电路(双T带阻滤波电路)传递函数若设：则：Ao=AVF可见：=0A=A0=A=A0=0A=0带阻132. 二阶有源带阻滤波电路(双T带阻滤波电路)传递函数若设：9.5 正弦波振荡

6、器的振荡条件正弦波振荡器: 能自激振荡产生正弦输出电压的电路。一.维持自激振荡的条件1.自激振荡?基本放大电路A .Xi . . .Xo=AXi正反馈 . .Xf =Xi反馈电路F21如果将开关从1打至2 基本放大电路A .Xi . . .Xo=AXi正反馈 . .Xf =Xi反馈电路F21 .则去掉Xi .Xo不变反馈信号代替输入信号并维持输出不变称自激振荡149.5 正弦波振荡器的振荡条件基本放大 . . 2.维持自激振荡的条件?基本放大电路A .Xi . . .Xo=AXi正反馈 . .Xf =Xi反馈电路F21 . .Xf =Xi即:Xf f =Xi i(1) Xf =Xi幅值平衡条件

7、(2)f =i 相位平衡条件(正反馈)由反馈环:维持振荡条件的另一种形式：上式可写为: AA FF=1(1) AF =1幅值平衡条件(2)A + F=2n(n是整数)相位平衡条件(正反馈)相位条件:通过正反馈实现；振幅条件:通过调整A或F达到。152.维持自激振荡的条件?基本放大 . . . 二、振荡的建立与稳定 实际中的振荡器根本无事先输入xi ，那么振荡是如何建立起来的？1.起振条件? 放大电路中存在噪声以及电源接通等瞬态扰动,这些微弱的信号使xd0,当电路满足:(1)A + F=2n采用正反馈(2) AF 1基本放大电路A .Xo正反馈 . Xf反馈电路F .Xd . Xd . Xo .

8、 Xf . Xd . Xo 起振 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称为稳幅。AF=1能否起振?16二、振荡的建立与稳定1.起振条件?基本放大 .正反馈 . 2.稳幅 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AF 1 回到AF =1。稳幅措施:(1)被动：器件非线性。(2)主动：在反馈网络中加入非线性稳幅环节，用以调节放大电路的增益。三、振荡频率的选择 上述自激振荡电路的输出波形是无规则的。为了得到正弦波输出, 应该加一个筛选频率的电路：选频网络。基本放大电路A .Xo正反馈 . Xf反馈电路F .Xd选频网络172.稳幅稳幅措施:基

9、本放大 .正反馈 . 反馈电路 .选小结1.起振条件(1)A + F=2n采用正反馈(2) AF 12.维持振荡的条件(1)A + F=2n(n是整数)相位平衡条件(正反馈)(2) AF =1幅值平衡条件3.正弦波振荡器的组成(1)放大电路(包括负反馈放大电路)(2)反馈网络(构成正反馈的)(3)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,常用的有RC选频和LC选频)(4)稳幅环节(使电路易于起振又能稳定振荡,波形失真小)18小结189.6 RC正弦波振荡电路一. 电路组成voRfRCRCR1 A-+RC 选频兼正反馈网络放大网络二. RC选频正反馈网络把 fo 分量选出

10、放大,把其他频率的分量衰减掉。1.电路+ vf -+vo-RCRC+vf-199.6 RC正弦波振荡电路voRfRCRCR1 A-RC2.选频特性当RC=1/RC时, vf vo同相且Vf最大。此时:结论:若vo由多种频率信号组成的话, 必有一个频率=0的信号, 使vf vo同相且Vf最大。+vo-RCRC+vf-202.选频特性当RC=1/RC时, vf vo同相且V三. RC 振荡器工作原理1. 起振和维持振荡的相位条件用瞬时极性法判断 :voRfRCRCR1 A-+ vf - 由多种频率组成的噪声信号中必有一个频率=0的信号,使电路产生正反馈, 满足相位平衡条件。2. 维持振荡的幅值条件

11、必有一个频率=0信号的使:根据AVF =1,取 : 3. 输出电压频率电路输出频率为fo 的正弦波:=3满足幅值平衡条件+21三. RC 振荡器工作原理voRfRCRCR1 A-+ 热敏电阻5. RC正弦波振荡电路原理简述 频率为 fo 的信号再经过正反馈、放大的循环最终稳定在某一值,输出f =fo正弦波。而频率 fo 的信号经过负反馈、缩小的循环最终被削弱为0 。 该电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波。voRfRCRCR1 A-+起振时:符合AvF 1的条件,可以起振起振后电流Rf温度Rf阻值4.起振条件和稳幅措施 采用非线性元件,如采用热敏电阻。当AvF =1时稳幅22热敏电阻

12、5. RC正弦波振荡电路原理简述voRfRCRCR1R=1k，C=0.1F，R1=10k。Rf为多大时才能起振？振荡频率f0=？ AF=1，31=F11f+=RRAA=3Rf=2R1=210=20k=1592 Hz起振条件：例123R=1k，C=0.1F，R1=10k。Rf为多大时才能四. RC移相式振荡电路 1. RC超前移相电路的移相原理(1)单级电路+ .Vi(j)-+ .Vo-RC结论: 当vi 的频率=0时, vo超前vi的角度=900(2)多级电路三级电路中:vi 频率=0vo 超前移相=2700必有一个频率=0的信号,使vo 超前移相=180 .Vi(j)+ .Vo-24四. R

13、C移相式振荡电路 +RC结论: 当vi 的频率=+ .Vi(j)-+ .Vo-RC2. RC滞后移相电路的移相原理(1)单级电路结论: 当vi的频率=0时, vo滞后vi的角度=090(2)多级电路三级电路中:vi 频率=0vo 滞后移相=0270必有一个频率=0的信号,使vo滞后移相=180 .Vi(j)+ .Vo-25+RC2. RC滞后移相电路的移相原理结论: 当vi的频率3. RC移相式振荡电路 (1) 原理 频率为 fo 的噪声信号经过A放大后反相180,再经过三级移相电路移相180实现正反馈的循环, 最终稳定在某一值,输出f =fo 正弦波。而频率 fo 的信号经过负反馈、缩小的循

14、环最终被削弱为0 。(2) 输出电压频率+-263. RC移相式振荡电路 (1) 原理+-269.7 LC正弦波振荡器一. LC 选频网络1.电路当即:(1)vo ic 同相;(2)Vo/Ic=|Z|最大;(3)Ic恒定时Vo最大。CLR .Ic+ .Vo-279.7 LC正弦波振荡器当即:(1)vo ic 同相;MLCCgRgRVDDT2.相位平衡条件用瞬时极性法判断 :3. 幅值平衡条件 通过选择场效应管增益和调整变压器的匝数比,可以满足AF 1,从而使电路起振。二、 变压器反馈式LC振荡电路(定性分析)1.电路4. 稳幅 T进入非线性区,从而幅值不再增加,达到稳幅目的。5. 输出频率vo

15、=频率为fo的正弦波:+-+必有一个频率=0的信号,使电路产生正反馈, 满足相位平衡条件。+-28MLCCgRgRVDDT2.相位平衡条件3. 幅值平衡条件二三. 三点式LC振荡电路1.三点式LC选频正反馈网络输入输出极性关系(1)电感三点式vf与vo 反相vf与vo 同相(2)电容三点式vf与vo 反相vf与vo同相29三. 三点式LC振荡电路vf与vo 反相vf与vo 同相(22.电感三点式LC振荡电路(1)电路(2)起振判断相位条件判断：+M为L1、L2之间的互感正反馈幅值条件判断通过选择参数,可以满足AF 1,从而使电路起振。(3)工作原理:同前一电路(4)指标计算302.电感三点式L

16、C振荡电路(2)起振判断+M为例1满足相位平衡条件试判断下图三点式振荡器是否满足相位平衡条件?31例1满足相位平衡条件试判断下图三点式振荡器是否满足相位平衡条3.电容三点式LC振荡电路(1)电路(2)起振判断相位条件判断：正反馈幅值条件判断同前一电路(3)工作原理:同前一电路(4)指标计算+323.电容三点式LC振荡电路(2)起振判断正反馈+试判断下图三点式振荡器是否满足相位平衡条件?满足相位平衡条件例233试判断下图三点式振荡器是否满足相位平衡条件?满足相位平衡条件试判断下图三点式振荡器是否满足相位平衡条件?例3满足相位平衡条件34试判断下图三点式振荡器是否满足相位平衡条件?例3满足相位平衡

17、四. 石英晶体振荡电路1.石英晶体振荡器(1)结构(2) 基本特性极板间加电压极板间加机械力晶体机械变形晶体产生电压若加交变电压机械振动交变电压当交变电压频率=晶体固有频率时符号称压电效应Sio2振幅最大 称压电谐振。谐振时的频率fs称为固有频率。晶体机械振动的固有频率fs与晶片尺寸有关, 稳定性高。35四. 石英晶体振荡电路(2) 基本特性极板间加电压极板间加机2. 石英晶体振荡电路(1)并联型石英晶体振荡器等效对于频率略大于fs的信号: 并联型石英晶体相当一个大电感,与C1、C2组成电容三点式振荡器。工作原理与电容三点式振荡器相同。微调电容 对于固有频率fs以外的信号，石英晶体相当于RLC

18、混接元件,阻抗大,且不是正反馈,不满足振荡条件。 此时输出信号频率 ： fo fs+362. 石英晶体振荡电路等效对于频率略大于fs的信号:微调(2) 串联型石英晶体振荡器对于频率等于fs的信号: : 串联型石英晶体相当一个R 0纯电阻,谐振时正反馈最强,相移为零,满足振荡条件。 对于固有频率fs以外的信号，石英晶体相当于RLC混接元件,阻抗大,且相移不为零,不满足振荡条件。 此时输出信号频率 ： fo= fs37(2) 串联型石英晶体振荡器对于频率等于fs的信号: : 试用相位条件分析下图的振荡电路能否产生振荡?若产生振荡,石英晶体处于何种状态？例3+满足相位平衡条件。并联型石英晶体相当一个

19、大电感。38试用相位条件分析下图的振荡电路能否产生振荡?若产生振荡,石英9.8 电压比较器使用运算放大器的开环状态或正反馈状态一、理想运放工作在开环或正反馈状态下的分析依据v-v+vo+i-i+(1)虚断 i+i-0(2)当v+v-时, vo = +vom 当v+v- 时, vo =- vom“+vom” “-vom”正负饱和值, 略低于正负电源值。注意：无虚短！ 即: v+v- 任何工作在开环或正反馈状态下的理想运放,必有:399.8 电压比较器v-vo+i-(1)虚断 二、单门限电压比较器1、电路组成vovi0+Vom-VomVR2、传输特性VRvoviR2-+R1+参考电压可见，在 vi

20、 =VR 处输出电压 vo 发生跃变。阈值电压(门限电平)输出跃变所对应的输入电压。饱和电压40二、单门限电压比较器vovi0+Vom-VomVR2、传输特VRvoviR2-+R1+3、波形vitOOvot +Vom Vom 若vi与vR 对调，上述曲线如何变化？vovi0+Vom-VomVRVR41VRvoviR2-+R1+3、波形vitOO三、过零比较器1、电路组成tvitvo+Vom-VomvoviR2-+R1+参考电压为0vovi0+Vom-Vom2、传输特性3、波形若vi接到“-”,上述曲线如何变化?42三、过零比较器tvitvo+Vom-VomvoviR2-+四、输出带限幅的电压比

21、较器1、电路组成voRDZVRvoviR2+R1+VZ VZvivoOVR2、传输特性设稳压管的稳定电压为VZ，忽略稳压管的正向导通压降则 vi VR，vo = VZ43四、输出带限幅的电压比较器voRDZVRvoviR2+3、稳幅电路的另一种形式 将双向稳压管接在负反馈回路中:vovi0+VZ-VZ当vi 0时 , vo = -VZ当vi 0解：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(阈值电压)VT，画出其电压传输特性。设运放输出的高、低电平分别为VOH和VOL。 利用叠加原理可得理想情况下，输出电压发生跳变时对应的vPvN0，即门限电压例145解：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(阈五. 迟滞比较器(滞回比较器)特点：使用正反馈,有两个门限电压。1、下行迟滞比较器(1)电路v-= vi当vo=+VZ 时:当vo =-VZ 时:(2)工作原理 因为有正反馈,所以运放输出处在饱和状态。只要viVT+, vo=-VZVT+上门限电压只要vi0回差电压46五. 迟