信号处理与信号产生电路.ppt

Fundamental of Electronic TechnologyCTGU9.1 滤波电路的基本概念与分类滤波电路的基本概念与分类9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路9.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路*9.4 开关电容滤波器开关电容滤波器9.5 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件9.6 RC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路9.1 滤波电路的滤波电路的基本概念及分类基本概念及分类1滤波电路的功能滤波电路的功能滤滤波波器器就就是是一一种种选选频频电电路路，它它是是一一种种能能使使有有用用频频率率信信号号通通过过，而而同同时时抑抑制制（或或大大大大衰衰减减）无无用用频频率信号的电子装置。率信号的电子装置。无源滤波电路：由无源元件（无源滤波电路：由无源元件（R、L、C）组成。组成。有有源源滤滤波波电电路路：用用集集成成运运放放（有有源源元元件件）和和RC网络组成。网络组成。9.9.1 1 滤波电路的基本概念及分类滤波电路的基本概念及分类2有源滤波电路的特点有源滤波电路的特点1 1）不使用电感，体积小，重量轻，不需要磁屏蔽；）不使用电感，体积小，重量轻，不需要磁屏蔽；2 2）容容易易实实现现将将几几个个低低阶阶滤滤波波电电路路串串接接，组组成成高高阶阶滤波电路。滤波电路。3 3）增益容易调节。）增益容易调节。有有源源滤滤波波的的缺缺点点是是：通通用用型型集集成成运运放放的的通通频频带带较较窄窄，使有源滤波电路的最高工作频率受限制。使有源滤波电路的最高工作频率受限制。3滤波电路的一般结构滤波电路的一般结构滤波电路滤波电路滤波电器的一般结构图滤波电器的一般结构图对于实际频率，对于实际频率，s=j，则有：则有：传递函数的模传递函数的模传递函数的相角传递函数的相角通常用幅频响应来表征一个滤波电路的特性。通常用幅频响应来表征一个滤波电路的特性。滤波电路传递函数定义滤波电路传递函数定义9.9.1 1 滤波电路的基本概念及分类滤波电路的基本概念及分类4滤波电路的分类滤波电路的分类对对于于幅幅频频响响应应，通通常常把把能能够够通通过过的的信信号号频频率率范范围围定定义义为为通通带带，把把受受阻阻或或衰衰减减的的信信号号频频率率范范围围称称为为阻阻带带，通通带和阻带的界限频率叫做截止频率。带和阻带的界限频率叫做截止频率。理理想想滤滤波波电电路路在在通通带带内内应应具具有有零零衰衰减减的的幅幅频频响响应应和和线线性性的的相相位位响响应应，而而在在阻阻带带具具有有无无限限大大的的幅幅度度衰衰减减。按按照照通通带带和和阻阻带带的的相相互互位位置置不不同同，滤滤波波电电路路通通常常可可分分为为以以下下几几类：类：1）低通滤波电路（）低通滤波电路（LPF）其其幅幅频频响响应应如如图图所所示示，A0为为低低频频增增益益，由由图图可可知知，它它的的功功能能是是通通过过从从零零到到某某一一截截止止角角频频率率 H的的低低频频信信号号，而而对对于于大大于于 H的的所所有有频频率率则则完完全全衰衰减减，因因此其带宽此其带宽BW H。2）高通滤波电路（）高通滤波电路（HPF）其其幅幅频频响响应应如如图图所所示示，由由图图可可知知，在在0 L范范围围内内的的频频率率为为阻阻带带，高高于于 L为为通通带带，理理论论上上，其其BW，但但实实际际上上，受受有有源源器器件件带带宽宽的的影影响响，高高通通滤滤波波电电路路的的带带宽宽也也是是有有限限的。的。3）带通滤波电路）带通滤波电路（BPF）其其幅幅频频响响应应如如图图所所示示，由由图图可可知知，L为为低低边边截截止止角角频频率率，H为为高高边边截截止止角角频频率率，0为为中中心心角角频频率率。它它有有两两个个 阻阻 带带：0 H，因因 此此 带带 宽宽 为为BW H L。4）带阻滤波电路）带阻滤波电路（BEF）其其幅幅频频响响应应如如图图所所示示，由由图图可可知知，它它有有两两个个通通带带：0 L，及及 一一 个个 阻阻 带带：H 0 时，时，vOmax=+VCCvI 0 时，时，vOmax=-VEE（过零比较器）（过零比较器）运算放大器工作在非线性状态下运算放大器工作在非线性状态下特点：特点：1.单门限电压比较器单门限电压比较器（1）过零比较器）过零比较器开环，开环，虚短虚短和和虚断虚断不成立不成立增益增益A0大于大于105 输输入入为为正正负负对对称称的的正正弦弦波波时，输出为方波。时，输出为方波。电压传输特性电压传输特性9.8.1 电压比较器电压比较器思考思考 1.若若过过零零比比较较器器如如图图所所示示，则则它它的电压传输特性将是怎样的？的电压传输特性将是怎样的？2.输输入入为为正正负负对对称称的的正正弦弦波波时时，输出波形是怎样的？输出波形是怎样的？1.单门限电压比较器单门限电压比较器（2）门限电压不为门限电压不为零的比较器零的比较器电压传输特性电压传输特性 输输入入为为正正负负对对称称的的正正弦弦波波时，输出波形如图所示。时，输出波形如图所示。9.8.1 电压比较器电压比较器+uiuoui0+UZ-UZ电路改进：电路改进：用稳压管稳定输出电压。用稳压管稳定输出电压。+uiuo UZRRuo UZ电压比较器的另一种形式电压比较器的另一种形式 将双向稳压管接在将双向稳压管接在负反馈回路上负反馈回路上比较器的特点比较器的特点1.电路简单。电路简单。2.当当Ao不够大时，不够大时，输出边沿不陡。输出边沿不陡。3.容易引入干扰。容易引入干扰。tuiuot过零附近仍过零附近仍处于放大区处于放大区一、迟滞比较器一、迟滞比较器分析分析1.因为有正反馈，所以因为有正反馈，所以输出饱和。输出饱和。2.当当uo正饱和时正饱和时(uo=+UOM)：U+3.当当uo负饱和时负饱和时(uo=UOM)：+uoRR2R1ui参考电压由参考电压由输出电压决定输出电压决定2 迟滞比较器迟滞比较器特点：特点：电路中使用正反馈，电路中使用正反馈，运放处于非线性状态。运放处于非线性状态。1.没加参考电压的迟没加参考电压的迟滞比较器滞比较器分别称分别称UH和和UL上下门限电压上下门限电压。称。称(UH-UL)为为回差回差。当当ui 增加增加到到UH时，输出时，输出由由Uom跳变到跳变到-Uom；+uoRR2R1ui当当ui 减小减小到到UL时，输出时，输出由由-Uom跳变到跳变到Uom。传输特性：传输特性：uoui0Uom-UomUHUL小于回差的干扰不会引起小于回差的干扰不会引起跳转。跳转。跳转时，正反馈加跳转时，正反馈加速跳转。速跳转。2.加上参考电压后的迟滞比较器加上参考电压后的迟滞比较器加上参考电压后的上下限：加上参考电压后的上下限：+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL例：例：R1=10k，R2=20k ，UOM=12V，UR=9V当输入当输入 ui 为如图所示的波形时，画出输出为如图所示的波形时，画出输出uo的波形。的波形。+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL5V10Vuit0首先计算上下门限电压：首先计算上下门限电压：+uoRR2R1uiUR+UOM-UOM根据传输特性画输出波形图。根据传输特性画输出波形图。+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHULuiuott10V5V002V迟滞比较器电路改进：迟滞比较器电路改进：为了稳定输出电压，可以为了稳定输出电压，可以在输出端加上双向稳压管。在输出端加上双向稳压管。思考题：思考题：如何计算上下限？如何计算上下限？UZ+uoRR2R1uiuo UZ+RR2R1ui1、电路结构、电路结构上下门限电压：上下门限电压：下行的迟滞比较器，下行的迟滞比较器，输出经积分电路再输出经积分电路再输入到此比较器的输入到此比较器的反相输入端。反相输入端。+RR1R2C+ucuo9.8.2 方波产生电路方波产生电路0UHuctULUOMuo0t-UOMT输出波形：输出波形：+RR1R2C+ucuo2、周期与频率的计算、周期与频率的计算f=1/Tuc上升阶段表示式上升阶段表示式:uc下降阶段表示式下降阶段表示式:uc0UHtULT1T2方波发生器电路的改进：方波发生器电路的改进：+RR1R2C+ucuo+RR1R2C+ucuo UZ思考题：思考题：点点 b 是电位器是电位器 RW 的中点，点的中点，点 a 和点和点 c 是是 b 的上方和下方的某点的上方和下方的某点 。试定性画出。试定性画出点电位器可动端分别处于点电位器可动端分别处于 a、b、c 三点三点时的时的 uo-uc 相对应的波形图。相对应的波形图。-+RWR1R2CucuoD1D2abc反向积分电路反向积分电路方波发生器方波发生器电路一：电路一：方波发生器方波发生器 矩形波矩形波积分电路积分电路三角波三角波9.8.3 锯齿锯齿波波产生电路产生电路+RR1R2C+uc-+RR2Cuo此电路要求前后电路的时间常数配合此电路要求前后电路的时间常数配合好，不能让积分器饱和。好，不能让积分器饱和。1 三角波产生电路三角波产生电路+RR1R2C+uc-+RR2Cuouo1uo三角波的周期由方波发生器确定，其幅值也由周三角波的周期由方波发生器确定，其幅值也由周期期T和和参数参数R、C决定。决定。0uo1tUom-Uom电路二：电路二：电路一的改型电路一的改型+A1A2uouo1R02R01RCR2R1反向积分电路反向积分电路上行迟滞上行迟滞比较器比较器特点：特点：由由上行的迟滞比较器上行的迟滞比较器和和反相积分器反相积分器级联构成，级联构成，迟滞比较器的输出作为反相积分器的输入，反迟滞比较器的输出作为反相积分器的输入，反相积分器的输出又作为迟滞比较器的输入。相积分器的输出又作为迟滞比较器的输入。+A1A2uouo1R02R01RCR2R100uo1tUOMUOMuotUHUL周期和频率的计算：周期和频率的计算：tuoUHULT+A1A2uouo1R02R01RCR2R1T1T2uot-+R2R1+R4CuoR+R3改变三角波发生器中改变三角波发生器中积分电路的充放电时间常积分电路的充放电时间常数，使放电的时间常数为数，使放电的时间常数为0，即把三角波发生器转换，即把三角波发生器转换成了锯齿波发生器。成了锯齿波发生器。uct9.8.3 锯齿波锯齿波产生电路产生电路2 锯齿波产生电路锯齿波产生电路-+R2R1+R4CuoR+R33 压控振荡器压控振荡器|ui|UZ+R2R1ui-+R3CuoRA1A2uo1D1D2把把锯齿波发生器积分电路的充电电压由锯齿波发生器积分电路的充电电压由uo1变为变为ui，则锯齿波发生器转变为压频转换电路。即输出则锯齿波发生器转变为压频转换电路。即输出uo的的频率由输入电压频率由输入电压ui的大小决定。的大小决定。设设 uo1=+UZ，则则D2截止，截止，D1导通，导通，ui 给电容给电容C充电，充电，uo下降，当下降，当uo下降下降到到U+L时时uo1翻转到翻转到-UZ，这这时，时，D1截止，截止，D2导通，电容导通，电容C快快速放电，速放电，uo上升，当上升，当uo上升到上升到U+H时时uo1翻转到翻转到+UZ。如此周期变化。如此周期变化。uo为锯齿波。为锯齿波。工作原理：工作原理：+R2R1ui-+R3CuoRA1A2uo1D1D2uctucUHULuotULUH+R2R1ui-+R3CuoRA1A2uo1D1D2由由电路的工作情况可知：电路的工作情况可知：改变电压改变电压uiuo的频率变化的频率变化充电电压变化充电电压变化因此，称该电路为因此，称该电路为压频转换电路压频转换电路。tucUHUL充电时间变化充电时间变化由由工作原理可知，工作原理可知，uo在在U+L、U+H之间变化：之间变化：+R2R1ui-+R3CuoRA1A2uo1D1D2