天津大学测控电路基础第六章

傅星

27406941xingfu@5楼211测控电路基础A第六章、信号处理与产生电路测控技术基础A1、滤波电路2、运算电路3、信号产生电路

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，其中包含一些较高频率成分的干扰。滤波过程如图所示。第六章、信号处理与产生电路（1）基本概念1、滤波电路1.按所处理的信号可分为

模拟的和数字的两种2.按所采用的元器件可分为有源和无源3.按通过信号的频段可分为以下五种:低通滤波器(LPF)分类和主要参数Avp:通带电压放大倍数fp:

通带截止频率过渡带:

越窄表明选频性能越好,理想滤波器没有过渡带（1）基本概念通带增益Avp

通带增益是指滤波器在通频带内的电压放大倍数，如图所示。性能良好的LPF通带内的幅频特性曲线是平坦的，阻带内的电压放大倍数基本为零。

通带截止频率fp

其定义与放大电路的上、下限截止频率相同。通带与阻带之间称为过渡带，过渡带越窄，说明滤波器的选择性越好。

（1）基本概念b.高通滤波器(HPF)c.带通滤波器(BPF)（1）基本概念d.带阻滤波器(BEF)e.全通滤波器(APF)4.按频率特性在截止频率fp附近形状的不同可分为

Butterworth,Chebyshev

和Bessel等（1）基本概念理想有源滤波器的频响：（1）基本概念组成：简单RC滤波器、同相放大器特点：│Avp

│

>0，带负载能力强缺点：阻带衰减太慢，选择性较差电路构成RC环节（2）一阶RC有源滤波器1、滤波电路电路图电路的传递函数Av(s) 频率特性Av(j)根据定义求出主要参数画出电路的幅频特性性能分析（2）一阶RC有源滤波器

通带截止频率

通带电压放大倍数

传递函数（2）一阶RC有源滤波器一阶LPF的幅频特性:过渡带缓慢,选频性能差（2）一阶RC有源滤波器M传递函数:电路构成组成:二阶RC网络同相放大器通带增益：（3）简单二阶LPF1、滤波电路幅频特性:（3）简单二阶LPF-6dB（4）二阶压控电压源LPF1、滤波电路Avp同前

上式表明，该滤波器的通带增益应小于3，才能保障电路稳定工作。联立求解以上三式，可得LPF的传递函数：对节点N,

可以列出下列方程：（4）二阶压控电压源LPFI1I2I3I4幅频特性（5）二阶有源高通滤波器（HPF）1、滤波电路Avp同前联立求解以上三式，可得HPF的传递函数：对节点N,

可以列出下列方程：幅频特性（5）二阶有源高通滤波器（HPF）（6）二阶有源带通滤波器（BPF）1、滤波电路阻阻fp1fp2fO通f（6）二阶有源带通滤波器（BPF）带通滤波器幅频特性曲线（6）二阶有源带通滤波器（BPF）（7）二阶有源带阻滤波器（BEF）1、滤波电路通通fp1fp2fO阻（7）二阶有源带阻滤波器（BEF）（1）乘法电路vO2-+ARR'vO3RvO1RvXvY对数电路1对数电路2指数电路vO2、运算电路第六章、信号处理与产生电路KvXvY同相乘法器vXvYvO-KvXvY反相乘法器vXvYvO（2）乘法器符号2、模拟乘法器vX1-+AR'vOiR2↓R1iR1→id→R2vO2vX2KvXvY注意：只有在vX2>0时电路才是负反馈负反馈时，根据虚短、虚断概念：除法运算电路（3）乘法器应用实例2、模拟乘法器输入电压必须小于0，否则电路将变为正反馈。vX1-+AR'vOiR2↓R1iR1→id→R2vO2KvXvY开方运算电路（3）乘法器应用实例平方运算和正弦波倍频vXvOKvXvY=KvX2如果输入信号是正弦波：只要在电路输出端加一隔直电容，便可得到倍频输出信号（3）乘法器应用实例（a）平衡条件（b）起振和稳幅（c）振荡电路的基本组成部分（d）振荡电路的分析方法（e）RC正弦波振荡器（f）LC正弦波振荡器（g）石英晶体振荡器（1）正弦波振荡器第六章、信号处理与产生电路3、信号产生电路相位平衡条件幅度平衡条件振荡平衡条件:正反馈振荡条件:（1）正弦波振荡器（a）平衡条件XdXoXf基本放大电路A反馈网络F+Xi振荡电路的方框图：XdXoXf基本放大电路A反馈网络F+满足上述条件后，一旦电源接通，随着时间增加输出幅度增大。起振的幅度条件是：增大到一定程度后，放大电路中晶体管将进入饱和或截至状态，输出正弦波将失真。——应采取稳幅措施。（b）起振和稳幅（1）正弦波振荡器放大电路——没有放大，不可能产生振荡。

要保证电路具有放大功能反馈网络——形成正反馈，以满足相位平衡条件选频网络——以产生单一频率的正弦波(RC、LC)稳幅电路——以保证输出端得到不失真的正弦波（c）振荡电路的基本组成部分（1）正弦波振荡器分析电路的组成部分；将电路在放大器输入端断开，利用瞬时极性法判断电路是否满足相位平衡条件；分析是否满足振荡产生的幅度条件。一般AF应略大于1。（d）振荡电路的分析方法（1）正弦波振荡器（e）RC正弦波振荡器VoRfR1CRCRVf桥式RC振荡电路结构:选频和反馈网络放大电路（1）正弦波振荡器)]j1/([+)Cj/1()j1/(22211222212CRRRCRRZZZwww+++=+=1)122Cw1RCR1j()1(2121CRCRw-+++=R/j+)Cj/1(2122221112RCCRCRRRww+++=谐振频率为:

RC串并联网络的频率特性VoC1R1C2R2Vf（e）RC正弦波振荡器当R1=R2，C1=C2时，谐振角频率谐振频率幅频特性:相频特性:RC串并联网络的频率特性（e）RC正弦波振荡器当

f=f0

时的反馈系数为1/3,且与频率f0的大小无关。此时的相角F=0。RC串并联网络的频率特性（e）RC正弦波振荡器VoRfR1CRCRVfRf

>2R1振荡频率:已知RC串并连选频电路谐振时反馈系数为1/3，Vf与Vo相位差为0。所以要使电路能产生正弦振荡，放大器必须是同相放大器，且放大倍数要大于3。振荡条件（e）RC正弦波振荡器VoRfR1CRCRVf稳幅措施2:利用非线性器件稳幅VoRfR1CRCRD1D2稳幅措施1:Rf

采用负温度系数的热敏电阻R1采用正温度系数的热敏电阻稳幅措施（e）RC正弦波振荡器文氏桥正弦振荡器（e）RC正弦波振荡器选频网络：RC串并联网络稳幅措施：热敏电阻移相式正弦振荡器（e）RC正弦波振荡器选频网络：RC移相网络（≥180°）稳幅措施：三极管非线性双T网络正弦振荡器（e）RC正弦波振荡器选频网络：RC双T网络（R'<R/2）稳幅措施：电路负反馈R'R'<R/2R'>R/2三种RC振荡电路的比较名称RC串并联网络振荡电路移相式振荡电路双T网络选频振荡电路电路形式振荡频率起振条件电路特点及应用场合可方便地连续调节振荡频率，便于加负反馈稳幅电路，容易得到良好的振荡波形。电路简单，经济方便，适用于波形要求不高的轻便测试设备中。选频特性好，适用于产生单一频率的振荡波形。（e）RC正弦波振荡器例题1判断是否可能产生振荡（e）RC正弦波振荡器（e）RC正弦波振荡器例题2判断是否可能产生振荡变压器反馈式电感三点式电容三点式分类

LC正弦波振荡电路可产生1000MHz以上的正弦波信号，而一般运放频带较窄，高速运放价格昂贵，所以LC振荡电路中的放大器一般采用分离元件组成。（f）LC正弦波振荡器（1）正弦波振荡器R:回路的等效耗损电阻等效阻抗:

LC并联回路LC并联回路的选频特性（f）LC正弦波振荡器谐振时的等效阻抗Q:回路品质因数,用来评价回路损耗的大小,

一般为几十到几百谐振频率LC并联回路的选频特性（f）LC正弦波振荡器回路的频率特性:谐振回路的选频性能主要取决于Q,Q越大,选频性能越好在f=f0时,回路为纯阻性,且阻抗最大LC并联回路的选频特性（f）LC正弦波振荡器（f）LC正弦波振荡器变压器反馈式判断能否产生振荡的一般方法和步骤：检查电路的组成部分；将电路在放大器输入端断开，利用瞬时极性法判断电路是否满足相位平衡条件；分析是否满足振荡产生的幅度条件。一般AF应略大于1+_+同名端的判断:先找出交流公共端,如果输出端与反馈端如果互为同名端则同相,否则反相（f）LC正弦波振荡器变压器反馈式VbeVceVfIOL2CL1VceVf+-IL1C支路呈容性,电流超前电压90度;L1上电压超前电流90度-++-VbeVCCL2Cb1Cb2CL1Ce（f）LC正弦波振荡器电感三点式（f）LC正弦波振荡器常见电感三点式电路矢量图VCCLCb1Cb2C1C2LC1C2VbeVceVf+-+-ILC1支路呈感性,电流滞后电压90度；C1上电压滞后电流90度-+（f）LC正弦波振荡器电容三点式（f）LC正弦波振荡器常见电容三点式电路例题判断是否可能产生振荡（f）LC正弦波振荡器（f）LC正弦波振荡器例题判断是否可能产生振荡（f）LC正弦波振荡器例题判断是否可能产生振荡（f）LC正弦波振荡器例题判断是否可能产生振荡（f）LC正弦波振荡器例题判断是否可能产生振荡基本知识符号和等效电路优点

:Q值很大频率稳定度高压电效应

压电谐振（g）石英晶体正弦波振荡器（1）正弦波振荡器L、C组成串联谐振电路L、C、C0组成并联谐振电路因此晶体有两个谐振频率：串联谐振频率:并联谐振频率:C02PC0.01PL2.5HR640（g）石英晶体正弦波振荡器电路分析串联谐振时有最小阻抗，且相移为0。并联谐振时有最大阻抗，相移不为0。一般C<<C0，fs与fp接近（g）石英晶体正弦波振荡器电路分析并联型fs<f0<fp

（g）石英晶体正弦波振荡器电路分析串联型f0

=fs

（2）非正弦波产生电路3、信号产生电路（a）电压比较器（b）方波产生电路（c）三角波产生电路（d）锯齿波产生电路功能:

比较两个电压的大小比较结果以输出高或低电平来表示用集成运放和电阻、二极管等构成集成电压比较器（2）非正弦波产生电路（a）电压比较器工作在开环或正反馈状态

大多数情况下工作在非线性区域,输出与输入不成线性关系输出高电平或者低电平,呈现为开关状态V+>V–时,Vo为高

V+<V–时,Vo为低

（a）电压比较器电压比较器中运放的工作特点求出门限电压:

输出从一个电平跳变到另一个电平时所对应的输入电压值。分析输入与输出的关系，画出传输特性（a）电压比较器电压比较器分析方法过零比较器（a）电压比较器过零电压比较器（a）电压比较器单门限电压比较器同相比较器反相比较器反相比较器波形图同相比较器波形图?传输特性?（a）电压比较器过零电压比较器应用反相输入迟滞比较器临界状态下有:vI-+AR2vOR1R3±VZVRvNvP（a）电压比较器迟滞比较器当vI从VT-逐渐增大，增大到vI

≥VT+时，vo=-Vz

vP=VT-当vI

<VT-时，vo=+Vz

vP=VT+当vI从VT+逐渐减小，减小到vI

≤VT-时，vo=+Vz

vP=VT+(VR=0V)vI-+AR2vOR1R3±VZVRvNvP迟滞比较器反向输入迟滞比较器输入输出波形VT+VT-(VREF=0V)迟滞比较器反向输入迟滞比较器临界状态下有:vI-+AR2vOR1R3±VZVRvPvN迟滞比较器同向输入迟滞比较器VT+VT-(VREF=0V)同向输入迟滞比较器传输特性vRVT+VT-vIvOVOHVOL为了提高简单电压比较器的抗干扰能力(VREF=0V)同向输入迟滞比较器应用正弦波变换为矩形波有干扰正弦波变换为方波同向输入迟滞比较器应用矩形波方波占空比=T1T100%（2）非正弦波产生电路（b）方波产生电路方波经积分变为三角波,矩形波积分变为锯齿波（b）方波产生电路方波产生原理滞回比较电路RC定时电路（b）方波产生电路电路组成(VR=0V)（b）方波产生电路工作原理电源刚接通时,设：电容C充电，vc

开始升高；t1t2（b）方波产生电路工作原理当vc=VN≥VP+时，vo=-VZ，所以：电容C放电，vc

开始下降。t1t2（b）方波产生电路工作原理当vc=VN≤Vp时，vo=+VZ，返回初态。t1t2（b）方波产生电路工作原理∞其中：过渡过程公式：t1t2（b）方波产生电路t1t2（b）方波产生电路波形周期计算

为了改变输出方波的占空比，应改变电