模电第9章信号处理与信号产生电路(康华光).ppt

第九章第九章信号处理与信号产生电路信号处理与信号产生电路 重点：重点：1.了解有源滤波器的类型与滤波原理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理解正弦波振荡电路自激振荡的条件;3.理解理解LC振荡电路和振荡电路和RC振荡电路的工作原理。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。理解电压比较器的工作原理和应用。19.1 滤波电路的基本概念与分类滤波电路的基本概念与分类二、滤波电路的分类二、滤波电路的分类1.按信号性质分类：按信号性质分类：模拟滤波器和数字滤波器模拟滤波器和数字滤波器2.按所用元件分类：按所用元件分类：无源滤波器和有源滤波器无源滤波器和有源滤波器3.按阶数分类：按阶数分类：一阶，二阶一阶，二阶 高阶高阶4.按电路功能分类：按电路功能分类：低通滤波器低通滤波器;高通滤波器高通滤波器;带通滤波器带通滤波器;带阻滤波器带阻滤波器滤波器滤波器+vi-+vo-一、什么是滤波一、什么是滤波使所需要的频率信号能顺利通使所需要的频率信号能顺利通过滤波电路达到输出端口，抑制过滤波电路达到输出端口，抑制(过过滤滤)不需要的频率信号，这种选择频不需要的频率信号，这种选择频率的功能称为滤波。率的功能称为滤波。输入信号输入信号频率是变的频率是变的经滤波后经滤波后输出信号输出信号2低通低通高通高通带通带通带阻带阻四种典型四种典型滤波器滤波器的频率特性的频率特性 VoVi VoVi VoVi VoVi三、滤波电路作用的描述三、滤波电路作用的描述用电压增益用电压增益频率的关系来描述频率的关系来描述,称为传递函数。称为传递函数。39.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路一、一阶有源低通滤波器一、一阶有源低通滤波器1、电路电路RR1RfC+-+vivo2.频率响应频率响应(传递函数传递函数)令令:Ao=1+Rf/R1,o=1/RC幅频特性:无源低通无源低通滤波器滤波器幅频响应波特图幅频响应波特图:10 /o0-20 A20lg|Ao1 -3 o:上限上限截止截止频率频率-20dB/十倍频程十倍频程输出频率范围输出频率范围:=0 o4二、一阶有源高通滤波器二、一阶有源高通滤波器1、电路电路2.频率响应频率响应(传递函数传递函数)令令:o=1/RCAo=1+Rf/R1幅频特性:无源高通无源高通滤波器滤波器幅频响应波特图幅频响应波特图:1 -3-+RR1RfCvivo o:下限下限截止截止频率频率输出频率范围输出频率范围:=o 三、一阶有源滤波器优缺点三、一阶有源滤波器优缺点优点优点:电路简单电路简单;缺点缺点:衰减太慢。衰减太慢。20dB/十倍频程十倍频程 /o0-20 A20lg|Ao0.159.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路(2阶阶)一、二阶有源低通滤波器一、二阶有源低通滤波器1、电路电路联立求解得联立求解得:二阶二阶vivmv-v+vo62.频率响应频率响应(传递函数传递函数)将将s=j 代入上述方程得代入上述方程得:其中其中:Ao=1+Rf/R1通带增益通带增益特征角频率特征角频率等效品质因数等效品质因数幅频特性:越大越大A越小。越小。波特图如右图。阶数越高波特图如右图。阶数越高,衰衰减越快减越快,曲线越陡。曲线越陡。-40dB/十倍频程十倍频程7 将低通电路中的电容将低通电路中的电容和电阻对换，便成为高和电阻对换，便成为高通电路。通电路。2.频率响应频率响应(传递函数传递函数)二、二阶有源高通滤波器二、二阶有源高通滤波器1、电路电路Ao,C,Q与低通相同。与低通相同。幅频特性:可见：可见：越大越大A越大。越大。波特图斜率波特图斜率40dB/十倍频程。十倍频程。vivmv-v+vo8当满足当满足 L H时时,输出频率阻隔范围输出频率阻隔范围:=L H低通截止角频率低通截止角频率:高通截止角频率高通截止角频率:三、有源带阻滤波电路三、有源带阻滤波电路1.电路组成原理电路组成原理可由低通和高通并联组成可由低通和高通并联组成|A|H低通低通|A|L高通高通低通低通高通高通vivo|A|H L阻带阻带122.二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤波电路(双双T带阻滤波电路带阻滤波电路)传递函数传递函数若设：若设：则则：Ao=AVF可见：可见：=0A=A0=A=A0=0A=0带阻带阻139.5 正弦波振荡器的振荡条件正弦波振荡器的振荡条件正弦波振荡器正弦波振荡器:能自激振荡产生正弦输出电压的电路。能自激振荡产生正弦输出电压的电路。一一.维持自激振荡的条件维持自激振荡的条件1.自激振荡自激振荡?基本放大基本放大电路电路A.Xi.Xo=AXi正反馈正反馈.Xf=Xi反馈电路反馈电路F21如果将开关从如果将开关从1打至打至2 基本放大基本放大电路电路A.Xi.Xo=AXi正反馈正反馈.Xf=Xi反馈电路反馈电路F21 .则去掉则去掉Xi.Xo不变不变反馈信号代替输入信号并反馈信号代替输入信号并维持输出不变维持输出不变称自激振荡称自激振荡142.维持自激振荡的条件维持自激振荡的条件?基本放大基本放大电路电路A.Xi.Xo=AXi正反馈正反馈.Xf=Xi反馈电路反馈电路F21 .Xf=Xi即即:Xf f=Xi i(1)Xf =Xi幅值平衡条件幅值平衡条件(2)f=i 相位平衡条件相位平衡条件(正反馈正反馈)由反馈环由反馈环:维持振荡条件的另一种形式：维持振荡条件的另一种形式：上式可写为上式可写为:A A F F=1(1)AF=1幅值平衡条件幅值平衡条件(2)A+F=2n(n是整数是整数)相位平衡条件相位平衡条件(正反馈正反馈)相位条件相位条件:通过通过正反馈实现；正反馈实现；振幅条件振幅条件:通过通过调整调整A或或F达到。达到。15二、振荡的建立与稳定二、振荡的建立与稳定 实际中的振荡器根本无事实际中的振荡器根本无事先输入先输入xi，那么振荡是如何那么振荡是如何建立起来的？建立起来的？1.起振条件起振条件?放大电路中存在噪声放大电路中存在噪声以及电源接通等以及电源接通等瞬态扰动瞬态扰动,这些微这些微弱的信号使弱的信号使xd0,当电路满足当电路满足:(1)A+F=2n 采用正反馈采用正反馈(2)AF 1基本放大基本放大电路电路A.Xo正反馈正反馈.Xf反馈电路反馈电路F.Xd.Xd .Xo .Xf .Xd .Xo 起振起振 当当输输出出信信号号幅幅值值增增加加到到一一定定程程度度时时，就就要要限限制制它继续增加，否则波形将出现失真它继续增加，否则波形将出现失真称为稳幅。称为稳幅。AF=1能能否起振否起振?162.稳幅稳幅 稳稳幅幅的的作作用用就就是是，当当输输出出信信号号幅幅值值增增加加到到一一定定程程度度时时，使使振振幅幅平平衡衡条条件件从从AF 1 回回到到AF=1。稳幅措施稳幅措施:(1)被动：器件非线性。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。节放大电路的增益。三、振荡频率的选择三、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到正弦波输出,应该加一个筛选频率的电路：应该加一个筛选频率的电路：选频网络。选频网络。基本放大基本放大电路电路A.Xo正反馈正反馈.Xf反馈电路反馈电路F.Xd选频选频网络网络17小结小结1.起振条件起振条件(1)A+F=2n 采用正反馈采用正反馈(2)AF 12.维持振荡的条件维持振荡的条件(1)A+F=2n(n是整数是整数)相位平衡条件相位平衡条件(正反馈正反馈)(2)AF=1幅值平衡条件幅值平衡条件3.正弦波振荡器的组成正弦波振荡器的组成(1)放大电路放大电路(包括负反馈放大包括负反馈放大电路电路)(2)反馈网络反馈网络(构成正反馈的构成正反馈的)(3)选频网络选频网络(选择满足相位平衡条件的一个频率。经常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与反馈网络合二为一,常用的有常用的有RC选频选频和和LC选频选频)(4)稳幅环节稳幅环节(使电路易于起振又能稳定振荡使电路易于起振又能稳定振荡,波形失真波形失真小小)189.6 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路一一.电路组成电路组成voRfRCRCR1 A-+RC 选频兼选频兼正反馈网络正反馈网络放大网络放大网络二二.RC选频正反馈网络选频正反馈网络把把 fo 分量选出放大分量选出放大,把其他频率的分量衰减掉。把其他频率的分量衰减掉。1.电路电路+vf-+vo-RCRC+vf-192.选频特性选频特性当当 RC=1/RC时时,vf vo同相且同相且Vf最大。此时最大。此时:结论结论:若若vo由多种频率信号组成的话由多种频率信号组成的话,必有一个频率必有一个频率=0的信号的信号,使使vf vo同相且同相且Vf最大。最大。+vo-RCRC+vf-20三三.RC 振荡器工作原理振荡器工作原理1.起振和维持振荡的相位条件起振和维持振荡的相位条件用瞬时极性法判断用瞬时极性法判断:voRfRCRCR1 A-+vf-由多种频率组成的噪声信由多种频率组成的噪声信号中必有一个频率号中必有一个频率=0的的信号信号,使电路产生正反馈使电路产生正反馈,满足相位平衡条件。满足相位平衡条件。2.维持振荡的幅值条件维持振荡的幅值条件必有一个频率必有一个频率=0信号的信号的使使:根据根据AVF=1,取取:3.输出电压频率输出电压频率电路输出频率为电路输出频率为fo 的正弦波的正弦波:=3满足幅值平衡条件满足幅值平衡条件+21热敏热敏电阻电阻5.RC正弦波振荡电路原理简述正弦波振荡电路原理简述 频率为频率为 fo 的信号再经过正反馈、放大的信号再经过正反馈、放大的循环最终的循环最终稳定在稳定在某一值某一值,输出输出f=fo正弦波。而频率正弦波。而频率 fo 的信号经过的信号经过负反馈、缩小负反馈、缩小的循环最终被削弱为的循环最终被削弱为0。该电路一般用于产生频率低于该电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波。的正弦波。voRfRCRCR1 A-+起振时起振时:符合符合AvF 1的的条件条件,可以可以起振起振起振后起振后电流电流 Rf温度温度 Rf阻值阻值 4.起振条件和稳幅措施起振条件和稳幅措施 采用非线性元件采用非线性元件,如如采用热敏电阻。采用热敏电阻。当当AvF=1时稳幅时稳幅22四四.RC移相式振荡电路移相式振荡电路 1.RC超前移相电路的移相原理超前移相电路的移相原理(1)单级电路单级电路+.Vi(j)-+.Vo-RC结论结论:当当vi 的频率的频率=0 时时,vo超前超前vi的的角度角度=900(2)多级电路多级电路三级电路中三级电路中:vi 频率频率=0 vo 超前移相超前移相=2700必有一个频率必有一个频率=0的信的信号号,使使vo 超前移相超前移相=180 .Vi(j)+.Vo-24+.Vi(j)-+.Vo-RC2.RC滞后移相电路的移相原理滞后移相电路的移相原理(1)单级电路单级电路结论结论:当当vi的的频率频率=0 时时,vo滞后滞后vi的的角度角度=090(2)多级电路多级电路三级电路中三级电路中:vi 频率频率=0 vo 滞后移相滞后移相=0270必有一个频率必有一个频率=0的信的信号号,使使vo滞后移相滞后移相=180 .Vi(j)+.Vo-253.RC移相式移相式振荡电路振荡电路(1)原理原理 频率为频率为 fo 的噪声信号经过的噪声信号经过A放大后反相放大后反相180,再经过再经过三级移相电路移相三级移相电路移相180实现正反馈实现正反馈的循环的循环,最终最终稳定在稳定在某一值某一值,输出输出f=fo 正弦波。而频率正弦波。而频率 fo 的信号经的信号经过负反馈、缩小过负反馈、缩小的循环最终被削弱为的循环最终被削弱为0。(2)输出电压频率输出电压频率+-269.7 LC正弦波振荡器正弦波振荡器一一.LC 选频网络选频网络1.电路电路当当即即:(1)vo ic 同同相相;(2)Vo/Ic=|Z|最大最大;(3)Ic恒定时恒定时Vo最大。最大。CLR.Ic+.Vo-27MLCCgRgRVDDT2.相位平衡条件相位平衡条件用瞬时极性法判断用瞬时极性法判断:3.幅值平衡条件幅值平衡条件 通过选择通过选择场效应管增益和调整变压器的场效应管增益和调整变压器的匝数比匝数比,可以满足可以满足AF 1,从而从而使电路起振。使电路起振。二、二、变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路(定性分析定性分析)1.电路电路4.稳幅稳幅 T进入非线性区进入非线性区,从而幅值不再增加从而幅值不再增加,达到稳幅目的。达到稳幅目的。5.输出频率输出频率vo=频率为频率为fo的正的正弦弦波波:+-+必有一个频率必有一个频率=0的信号的信号,使电路使电路产生正反馈产生正反馈,满足相位平衡条件。满足相位平衡条件。+-28三三.三点式三点式LC振荡电路振荡电路1.三点式三点式LC选频正反馈网络输入输出极性关系选频正反馈网络输入输出极性关系(1)电感三点式电感三点式vf与与vo 反相反相vf与与vo 同相同相(2)电容三点式电容三点式vf与与vo 反相反相vf与与vo同相同相292.电感三点式电感三点式LC振荡电路振荡电路(1)电路电路(2)起振判断起振判断相位条件判断：相位条件判断：+M为为L1、L2之间的互感之间的互感正反馈正反馈幅值条件判断幅值条件判断通过选择通过选择参数参数,可以满可以满足足AF 1,从而从而使电路起振。使电路起振。(3)工作原理工作原理:同前一电路同前一电路(4)指标计算指标计算30例例1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试判断下图三点式振荡器是否满足相位平衡条件?313.电容三点式电容三点式LC振荡电路振荡电路(1)电路电路(2)起振判断起振判断相位条件判断：相位条件判断：正反馈正反馈幅值条件判断幅值条件判断同前一电路同前一电路(3)工作原理工作原理:同前一电路同前一电路(4)指标计算指标计算+32试判断下图三点式振荡器是否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?满足相位平衡条件满足相位平衡条件例例233试判断下图三点式振荡器是否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?例例3满足相位平衡条件满足相位平衡条件34四四.石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路1.石英晶体振荡器石英晶体振荡器(1)结构结构(2)基本特性基本特性极板间加电压极板间加电压极板间加机械力极板间加机械力晶体机械变形晶体机械变形晶体产生电压晶体产生电压若加交变电压若加交变电压机械振动机械振动交变电压交变电压当交变电压频率当交变电压频率=晶体晶体固有频率时固有频率时符号符号称称压电效应压电效应Sio2振幅最大振幅最大 称称压电谐振。压电谐振。谐振时的频率谐振时的频率fs称为固有频率。称为固有频率。晶体晶体机械振动的固有频率机械振动的固有频率fs与晶片尺寸有关与晶片尺寸有关,稳定性高。稳定性高。352.石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路(1)并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器等效等效对于频率略大于对于频率略大于fs的信号的信号:并联型石英晶体相当一个大电感并联型石英晶体相当一个大电感,与与C1、C2组成电容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。三点式振荡器。工作原理与电容三点式振荡器相同。微调电容微调电容 对于对于固有频率固有频率fs以外的信号，石英晶体相当于以外的信号，石英晶体相当于RLC混混接元件接元件,阻抗大阻抗大,且不是正反馈且不是正反馈,不满足振荡条件。不满足振荡条件。此时输出信号频率此时输出信号频率：fo fs+36(2)串联型石英晶体振荡器串联型石英晶体振荡器对于频率等于对于频率等于fs的信号的信号:串联型石英晶体相当一个串联型石英晶体相当一个R 0纯电阻纯电阻,谐振时正反馈谐振时正反馈最强最强,相移为零相移为零,满足振荡条件。满足振荡条件。对于对于固有频率固有频率fs以外的信号，石英晶体相当于以外的信号，石英晶体相当于RLC混混接元件接元件,阻抗大阻抗大,且相移不为零且相移不为零,不满足振荡条件。不满足振荡条件。此时输出信号频率此时输出信号频率：fo=fs37试用相位条件分析下图的振荡电路能否产生振荡试用相位条件分析下图的振荡电路能否产生振荡?若产生振荡若产生振荡,石英晶体处于何种状态？石英晶体处于何种状态？例例3+满足相位平衡条件。满足相位平衡条件。并联型石英晶体相当一个大电感。并联型石英晶体相当一个大电感。389.8 电压比较器电压比较器使用运算放大器的开环状态或正反馈状态使用运算放大器的开环状态或正反馈状态一、理想一、理想运放工作在运放工作在开环或正反馈开环或正反馈状态下状态下的分析的分析依据依据v-v+vo+i-i+(1)虚断虚断 i+i-0(2)当当v+v-时时,vo=+vom 当当v+v-时时,vo=-vom“+vom”“-vom”正负饱和值正负饱和值,略低于正负电源值。略低于正负电源值。注意：注意：无虚短！无虚短！即即:v+v-任何任何工作在工作在开环或正反馈开环或正反馈状态下状态下的理想的理想运放运放,必有必有:39二、二、单门限电压比较器单门限电压比较器1、电路组成、电路组成vovi0+Vom-VomVR2、传输特性、传输特性VRvoviR2-+R1+参考电压参考电压可见，在可见，在 vi=VR 处输出电压处输出电压 vo 发生跃变。发生跃变。阈值电压阈值电压(门限电平门限电平)输出跃变所对应的输入电压。输出跃变所对应的输入电压。饱和电压饱和电压40VRvoviR2-+R1+3、波形、波形vitOOvot+Vom Vom 若若vi与与vR 对调，上述曲线如何变化？对调，上述曲线如何变化？vovi0+Vom-VomVRVR41三、过零比较器三、过零比较器1、电路组成、电路组成tvitvo+Vom-VomvoviR2-+R1+参考电压为参考电压为0vovi0+Vom-Vom2、传输特性、传输特性3、波形、波形若若vi接到接到“-”,上述曲线如何变化上述曲线如何变化?42四、输出带限幅的电压比较器四、输出带限幅的电压比较器1、电路组成、电路组成voRDZVRvoviR2+R1+VZ VZvivoOVR2、传输特性、传输特性设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为设稳压管的稳定电压为V VZ Z，忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降忽略稳压管的正向导通压降则则则则 v vi i V VR R，v vo o=V VZ Z433、稳幅电路的另一种形式、稳幅电路的另一种形式 将双向稳压管接在负反馈回路中将双向稳压管接在负反馈回路中:vovi0+VZ-VZ当当vi 0时时,vo=-VZ当当vi VT+,vo=-VZVT+上门限电压上门限电压只要只要vi0回差回差电压电压46vovi0+VZVT-VT+-VZ(3)下行迟滞比较器的电压传输特性下行迟滞比较器的电压传输特性要点要点:分两个方向画分两个方向画,即：即：vi=-+vi=+-当当vo=+VZ 时时:只要只要viVT+,vo=-VZ 当当vo=-VZ 时时:只要只要viv-,即即:只要只要v-v+,即即:vo=+Vom vo=-Vom 51vovi0+VomVT+VT-Vom(3)上行迟滞比较器的电压传输特性上行迟滞比较器的电压传输特性要点要点:分两个方向画分两个方向画,即：即：vi=-+vi=+-+voRR2R1viVR 当当vo=+Vom 时时:只要只要vi VT+,vo=+Vom 52本章小结本章小结1.有源滤波器可以突出有用频段的信号有源滤波器可以突出有用频段的信号,衰减无用频段的信号衰减无用频段的信号,抑抑制干扰和噪声信号制干扰和噪声信号,达到选频和提高信噪比的目的。实际使用时达到选频和提高信噪比的目的。实际使用时,应根据具体情况选择低通、高通、带通或带阻滤波器，并确定滤应根据具体情况选择低通、高通、带通或带阻滤波器，并确定滤波器的具体形式。波器的具体形式。2正弦波振荡的条件：正弦波振荡的条件：|AF|=1 (振幅条件振幅条件)A+F=2n (相位条件相位条件)3.正弦波振荡电路主要有正弦波振荡电路主要有RC振荡电路和振荡电路和LC振荡电路两种。振荡电路两种。RC振振荡电路主要用于中低频场合，荡电路主要用于中低频场合，LC振荡电路主要用于高频场合。振荡电路主要用于高频场合。石英晶体振荡电路是一种特殊的石英晶体振荡电路是一种特殊的LC振荡电路，其特点是具有很振荡电路，其特点是具有很高的频率稳定性。高的频率稳定性。4当运放开环工作或引入正反馈时当运放开环工作或引入正反馈时,运放工作在非线性状态。运放工作在非线性状态。其分析方法为：若其分析方法为：若V+V-则则VO=+VOM；若若V+V-则则VO=-VOM。虚断虚断(运放输入端电流运放输入端电流=0)5.比较器是一种能够比较两个模拟量大小的电路。迟滞比较器具比较器是一种能够比较两个模拟量大小的电路。迟滞比较器具有回差特性。有回差特性。53第九章第九章信号处理与信号产生电路信号处理与信号产生电路结结 束束54