模拟电子线路_第8章_信号处理电路.ppt

1、8.1 电压比较器,8.2 波形产生与波形变换,8 信号处理电路,8.3 有源滤波电路,8.4 开关电容滤波器,8.1 电压比较器,比较器,单门限电压比较器,迟滞比较器,限幅器,窗口比较器,电压比较器是对输入信号进行鉴别比较的电路，是组成非正弦发生电路的基本单元电路，在测量和控制中有着广泛的应用。,电压比较器的电压传输特性：,电压比较器的输出电压与输入电压的函数关系uo=f(ui)一般用曲线来描述，称为电压传输特性,输入电压ui是模拟信号，输出电压uo只有两种可能的状态，不是高电平UOH就是低电平UOL ，用以表示比较结果,使输出电压uo从UOH跃变为UOL；或使输出电压从UOL跃变为UOH的

2、输入电压为阀值电压UT,正确画出电压传输特性，必须求出以下三个要素：,（1）输出电压的高电平UOH、低电平UOL,（2）阀值电压UT,（3）当ui变化且经过阀值电压UT时， uo跃变的方向， 是从UOH跃变为UOL，还从UOL跃变为UOH,电压比较器的种类：,电路只有一个阀值电压UT ，输入电压ui逐渐增大或减小过程中，通过UT时，输出电压uo产生跃变从UOH跃变为UOL；或从UOL跃变为UOH,（1）单门限电压比较器,电路有两个阀值电压UT ，输入电压ui从小变大过程中使输出电压uo产生跃变的阀值电压UT1，不等于从大变小过程中使输出电压uo产生跃变的阀值电压UT2，电路具有迟滞特性。,（2

3、）迟滞比较器,（3）窗口比较器,电路有两个阀值电压UT，输入电压ui从小变大或从大变小过程中使输出电压uo产生两次跃变,，由于|vO |不可能超过VM ，,8.1 比较器,特点：,1. 单门限电压比较器,（1）过零比较器,开环，虚短和虚断不成立,增益A0大于105,（忽略了放大器输出级的饱和压降）,所以,当 |+VCC | = |-VEE | =VM = 15V，A0=105 时，,可以认为,vI 0 时， vOmax = +VCC,vI 0 时， vOmax = -VEE,（过零比较器）,当 时,当 时,运算放大器工作在非线性状态下,8.1 比较器,1. 单门限电压比较器,（1）过零比较器,

4、输入为正负对称的正弦波时，输出为方波。,电压传输特性,当输入电压 时,思考,1. 若过零比较器如图所示，则它的电压传输特性将是怎样的？ 2. 输入为正负对称的正弦波时，输出波形是怎样的？,8.1 比较器,1. 单门限电压比较器,（2）门限电压不为零的比较器,电压传输特性,输入为正负对称的正弦波时，输出波形如图所示。,当输入电压 时,VREF1,VREF2,8.1 比较器,1. 单门限电压比较器,（3）一般单限比较器,电压传输特性,根据叠加原理，反相输入端的电位：,令 时,阀值电压UT,求出的ui即为阀值电压UT,2. 迟滞比较器,从电路中看出，uo=UZ,运放反相输入端电位,令,运放同相输入端

5、电位,求出的就是阀值电压,输出电压在输入电压等于阀值电压时的变化情况：,设ui-UT ,那么uN一定小于uP，,因而uo=+UZ,所以up=+UT,只有当输入电压ui增大到+UT，再增大一个无穷小量时，uo才会从+UZ跃变为-UZ,设ui+UT ,那么uN一定大于uP，,因而uo=-UZ,所以up=-UT,只有当输入电压ui减小到-UT， 再减小一个无穷小量时，uo才会从-UZ跃变为+UZ,同理,电压传输特性,2. 迟滞比较器,上下限：,例题1：R1=10k，R2=20k ，UOM=12V， UR=9V,当输入ui为如图所示的波形时，画出输出uo的波形。,上下限：,=10V,=2V,3. 窗口

6、比较器,图示电路为双限比较器，外加参考电压URH URL，电阻R1、R2和DZ构成限幅电路。,当输入电压UI大于URH时， 必然大于URL,所以A1的输出为UO1=+UOM，A2的输出 为UO2=-UOM,二极管D1导通、D2截止，稳压管DZ工作在稳压状态，输出电压为UO=+UZ,当输入电压UI小于URL时， 必然小于URH,所以A1的输出为UO1 =-UOM ，A2的输出为UO2 =+UOM,二极管D2导通、 D1截止，稳压管DZ工作在稳压状态，输出电压为UO=+UZ,当URLui URH时，uo1=uo2=-UOM,二极管D1、D2截止，稳压管DZ截止状态，输出电压为UO=0,3. 限幅器

7、,1. 双向稳压管接于输出端,R 限流电阻 一般取100 ,特点：电路中的运放处于线性放大状态，但外围电路有非线性元件（二极管、稳压二极管）。,DZ双向稳压管,UZ稳压值, UF正向压降,传输特性,2.双向稳压管接于负反馈回路上,通过分析电压比较器，可得出如下结论：,1 在电压比较器中，集成运放工作在非线性区，输出电压只有高电平和低电平两种情况。,2 一般用电压传输特性描述输出电压与输入电压的函数关系。,3 电压传输特性的三个要素是输出电压的高、低电平，阀值电压和输出电压的跃变方向。,输出电压的高、低电平决定于限幅电路；令uN=uP求出的ui就是阀值电压； ui等于阀值电压时输出电压的跃变方向

8、决定于输入电压作用于同相输入端还是反相输入端。,试分别求出图示各电路的电压传输特性。,例题2,图（a）所示电路为同相输入的过零比较器；,图（a）,电路的电压传输特性如图所示,解：,图（b）所示电路为 同相输入的滞回比较器，,两个阈值电压为UTUZ。 电路的电压传输特性 如图所示,图（b）,试分别求解图示各电路的电压传输特性。,（1）,图（1）所示电路为单限比较器，,解：,电压传输特性如解图所示,uOUZ8V，UT3V，,例题3,（2）,UOLUD0.2V， UOLUZ6V，UT0V。,图（2）所示电路为过零比较器，,电压传输特性如图所示,（3）,图（3）所示电路为 反相输入的滞回比较器， uO

9、UZ6V。令,求出阈值电压 UT10 V UT24 V,电压传输特性如图所示。,（4）,图（4）所示电路为 同相输入的滞回比较器， uOUZ6V。令,得出阈值电压,电压传输特性如图所示。,（5）,图（5）所示电路为窗口比较器， uOUZ5V，UT3V，,电压传输特性如图所示。,电路如图所示。,例题4,（1）分别说明A1和A2各构成哪种基本电路；,（2）求出uO1与uO的关系曲线uO1f（uO）；,（3）求出uO与uO1的运算关系式uOf（uO1）；,（4）定性画出uO1与uO的波形；,（5）说明若要提高振荡频率，则可以改变哪些电路参数，如何改变。,（1）A1：滞回比较器；A2：积分运算电路。,

10、可得,uO1与uO的关系曲线如解图（a）所示。,解：,（2）,根据,（a）,uO与uO1的运算关系式,（3）,（4）,uO1与uO的波形如解图（b）所示。,要提高振荡频率， 可以减小R4、C、R1或增大R2。,（5）,例题5,设计一个电压比较器，使其电压传输特性如图示，所用电阻值在20100K,根据电压传输特性可知，,电路没有外加基准电压，故电路图如图,求阀值电压的表达式：,输入电压应该作用于同相输入端,电路如图示，已知R1=50K R2=100K ，稳压管的稳定电压为9V，输入电压的波形如图示，试画出输出电压的波形。,例题6,0,t,ui,-3V,3V,9V,-9V,0,t,ui,-3V,3

11、V,9V,-9V,8.2 波形产生与波形变换,8.2.1. 波形产生电路,8.2.2 波形变换电路,正反馈放大电路如图示（注意与负反馈方框图的差别）,（1）振荡条件,若环路增益,则,又,所以振荡条件为,振幅平衡条件,相位平衡条件,1 RC正弦波振荡电路,起振条件,（2） 起振和稳幅,# 振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？,电路器件内部噪声,当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加，否则波形将出现非线性失真。,噪声中，满足相位平衡条件的某一频率0的噪声信号被放大，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，使振幅平衡条件从 回

12、到,放大电路（包括负反馈放大电路）,（3） 基本组成部分,反馈网络（构成正反馈）,稳幅环节,用RC 电路构成选频网络的振荡电路即所谓的 RC振荡电路，可选用的 RC 选频网络有多种，这里只介绍文氏桥选频电路。,选频电路,（4） 电路组成,时，相移为0。,如果：R1=R2=R，C1=C2=C，则：,传递函数：,相频特性：,幅频特性：,（4） 电路组成,反馈网络兼做选频网络,用运放组成的RC振荡器,反馈系数,（5） RC串并联选频网络的选频特性,幅频响应,又,且令,则,相频响应,（5） RC串并联选频网络的选频特性,当,幅频响应有最大值,相频响应,（6） 振荡电路工作原理,此时若放大电路的电压增益

13、为,用瞬时极性法判断可知，电路满足相位平衡条件,则振荡电路满足振幅平衡条件,(+),(+),(+),(+),电路可以输出频率为 的正弦波,RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波,采用非线性元件,（7） 稳幅措施,热敏元件,热敏电阻,起振时，,即,热敏电阻的作用,采用非线性元件,（7） 稳幅措施,场效应管（JFET）,稳幅原理,整流滤波,T 压控电阻,采用非线性元件,（7） 稳幅措施,二极管,end,1、电路结构,上下门限电压：,迟滞比较器的输出经积分电路再输入到比较器的反相输入端。,2 . 方波产生电路,电路由反相输入的迟滞比较器和RC积分电路构成。,RC积分电路既作为延

14、时环节，又作为反馈环节，通过充放电实现输出状态的自动转换,2、工作原理,1. 设 uo = + UOM,此时，输出给C 充电!,则：u+=UH,一旦 uc UH , 就有 u- u+ ,在 uc UH 时，,u- u+ ,uo 保持 + UOM 不变；,uo 立即由UOM 变成UOM,此时，C 经输出端放电。,2. 当uo = -UOM 时，,u+=UL,uc降到UL时，uo上翻。,当uo 重新回到UOM 以后，电路又进入另一个 周期性的变化。,0,输出波形：,RC电路：起反馈和延迟作用，获得一定的频率。,下行迟滞比较器：起开关作用，实现高低电平的转换。,方波发生器各部分的作用：,3、周期与频

15、率的计算,uc上升阶段表示式:,uc下降阶段表示式:,f=1/T,方波发生器电路的改进：,改变三角波发生器中积分电路的充放电时间常数，使放电的时间常数为0，即把三角波发生器转换成了锯齿波发生器。,3 . 锯齿波发生器,LC正弦波振荡电路,1 LC并联谐振回路选频特性,2 变压器反馈式LC振荡电路,3 三点式LC振荡电路,4 石英晶体振荡电路,1. 等效阻抗,1 LC并联谐振回路选频特性,等效损耗电阻,当 时,电路谐振。,为谐振频率,谐振时,阻抗最大，且为纯阻性,同时有,即,2. 频率响应,1 LC并联谐振回路选频特性,2 变压器反馈式LC振荡电路,1. 电路结构,2. 相位平衡条件,3. 幅值

16、平衡条件,（定性分析）,虽然波形出现了失真，但由于LC谐振电路的Q值很高，选频特性好，所以仍能选出0的正弦波信号。,4. 稳幅,5. 选频,BJT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。,(+),(-),(+),(+),2 变压器反馈式LC振荡电路,反馈,判断是否是正反馈:用瞬时极性法判断,利用1：晶体管共射极放大器，集电极电位变化与基极反相，发射极与基极同相。,利用2：互感线圈的同极性端电位变化相位相同。,(+),(+),(+),(+),反馈,满足相位平衡条件,满足相位平衡条件,仍然由LC并联谐振电路构成选频网络,A. 若中间点交流接地，则首端与尾端相位相反。,3 三点

17、式LC振荡电路,1. 三点式LC并联电路,中间端的瞬时电位一定在首、尾端电位之间。,三点的相位关系,B. 若首端或尾端交流接地，则其他两端相位相同。,3 三点式LC振荡电路,2. 电感三点式振荡电路,3 三点式LC振荡电路,3. 电容三点式振荡电路,Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。,4 石英晶体振荡电路,1. 频率稳定问题,频率稳定度一般由 来衡量,频率偏移量。,振荡频率。,LC振荡电路 Q(品质因素) 数百,石英晶体振荡电路 Q 10000 500000,4 石英晶体振荡电路,2. 石英晶体的基本特性与等效电路,结构,极板间加电场,极板间加机械力,压电效应,交变电压,机械振动的固有频率与

18、晶片尺寸有关，稳定性高,当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大。,压电谐振,4 石英晶体振荡电路,2. 石英晶体的基本特性与等效电路,等效电路,A. 串联谐振,特性,晶体等效阻抗为纯阻性,B. 并联谐振,通常,所以,R模拟损耗，L C模拟晶体的质量和弹性，,C0为静电电容,4 石英晶体振荡电路,2. 石英晶体的基本特性与等效电路,实际使用时外接一小电容Cs,则新的谐振频率为,由于,由此看出,调整,4 石英晶体振荡电路,3. 石英晶体振荡电路,电路的振荡频率必须在 和 石英晶体的之间，晶体在电路中起电感的作用。,8.3 有源滤波电路,8.3.1 基本概念及初步定义,8.3.2 一阶有源滤波电路

19、,高通滤波,低通滤波,基本概念,分类,8.3.3 二阶有源滤波电路,高通滤波,低通滤波,带通滤波,带阻滤波,带阻滤波,带通滤波,滤波电路的分类,1. 按信号性质分类,3. 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,2. 按所用元件分类,模拟滤波器和数字滤波器,无源滤波器和有源滤波器,4. 按阶数分类:,一阶，二阶 高阶,8.3.1 基本概念,1. 基本概念,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,时，有,其中, 模，幅频响应,相位角，相频响应,时延响应为,2. 分类,低通（LPF）,希望抑制50Hz的干扰信号，应选用哪种类型的滤波电路？,高通（HP

20、F）,带通（BPF）,带阻（BEF）,全通（APF）,放大音频信号，应选用哪种类型的滤波电路？,有源滤波器的优点：,1. 不使用电感元件，体积小重量轻。,2. 有源滤波电路中可加电压串联负反馈，使输入电阻高、输出电阻低，输入输出之间具有良好的隔离。只需把几个低阶滤波电路串起来就可构成高阶滤波电路，无需考虑级间影响。,3. 除滤波外，还可放大信号，放大倍数容易调节。,有源滤波器的缺点：,1. 不宜用于高频。,2. 不宜在高电压、大电流情况下使用。,3. 可靠性较差。,4. 使用时需外接直流电源。,8.3.2 一阶有源滤波电路,1. 低通滤波电路,传递函数,其中,为特征角频率,故，幅频相应为,衰减率为20dB/十倍频程，滤波特性不够好，可采用高阶滤波电路。,8.3.2 一阶有源滤波电路,2. 高通滤波电路,可由低通和高通串联得到,必须满足,3. 带通滤波电路,低通特征角频率,高通特征角频率,将低通滤波器中的R、C 对调，低通滤波器就变成了高通滤波器。,8.3.2 一阶有源滤波电路,4. 带阻滤波电路,可由低通和高通并联得到