工学信号处理电路课件.pptx

第八章、信号处理电路8.1 有源滤波器8.2 电压比较器滤波电路的作用和分类低通滤波器（LPF）过零比较器单限比较器高通滤波器（HPF）滞回比较器双限比较器带通滤波器（BPF）带阻滤波器（BEF）集成电压比较器第1页/共32页8.1 有源滤波器滤波电路的作用和分类作用：“选频”，允许某一部分频率顺利通过，另一部分频率的信号滤掉。常常用在无线电通信、自动测量和控制系统中，比如数据传送、抑制干扰。低通滤波器：低频信号能够通过，高频信号不能通过高通滤波器：高频信号能够通过，低频信号不能通过带通滤波器：频率在某频带范围的信号能通过，之外不能通过带阻滤波器：频率在某频带范围的信号被阻断，之外能通过第2页/共32页低通滤波器（LPF）1.无源低通滤波器RC低通电路的放大倍数OiOuffjUUA+=11&式中RCfOp21=当频率高于 f 0 后，随着频率的升高，电压放大倍数将降低，可见电路具有“低通”的特性。缺点：在 f f 0 时，幅频特性只以-20dB/十倍频的速度缓慢下降理想情况下，我们希望 f f 0 时，电压放大倍数立即降为零第4页/共32页3、二阶低通有源滤波器输入电压经过两级低通电路幅频特性以-40dB/十倍频速度下降下降速度提高一倍，接近理想情况 当 f=f 0时，每级RC低通电路相移 -45，两级RC电路相移-90当 f f 0，反馈信号相位移小于90，属于正反馈，将使电压放大倍数增大，所以在接近 f 0 的频段，幅频特性将得到补偿而不会下降很快。当 f f 0时，每级RC电路相位移接近-90，两级总相位移趋近负180但 值已很小，反馈很弱。此时与接地的二阶RC电路基本一致。FA&第5页/共32页二阶低通有源滤波器根据“虚短”和“虚断”的特点upOOFAUURRRUU=+=-+111111RRRRRAFFup+=+=式中0)(=-+-+-+CjUURUURUUMOMMiw&节点电流方程：0=-+UCjRUUM&w2)()3(1RCjRCjAAUUAupupiOuww+-+=&0201)(1ffQjffAAupu+-=&RCfp210=upAQ-=31 二阶低通滤波电路通带电压放大倍数 Aup 和通带截止频率 f 0 与一阶低通滤波电路相同。第6页/共32页二阶低通有源滤波器Q值越大，f=f 0时，值也越大。uA&Q值含义类似于谐振回路品质因数1/Q称为阻尼系数。若Q=1，f=f 0时，保证了通频带的增益，高频段很快衰减，避免了f=f 0时产生较大的凸峰。当Aup=3 时，Q将趋于无穷大，电路将产生自激振荡，选择电路元件时应使RF f 1时，构成带通滤波器 低通滤波器将 f f2高频信号阻断 高通滤波器将f f1 低频信号阻断 只有f1 f f2的信号才能通过 于是电路成为一个带通滤波器，通频带等于f2-f1。第10页/共32页带通滤波器（BPF）输入端电阻R和电容C组成低通电路，另一个电容C和电阻R2组成高通电路，二者串联起来接在集成运放的同相输入端。输出端通过电阻R3引回一个反馈。当R2=2R，R3=R时，电压放大倍数)(1)()3(ffffjQAffffjAAA00up00uouou-+=-+-=&RCf0p21=uouououpQAAAA=-=3uoAQ-=3111RRAFuo+=f 0 称为带通滤波器的中心频率，Aup称为通带电压放大倍数。第11页/共32页带通滤波器（BPF）)(1)()3(ffffjQAffffjAAA00up00uouou-+=-+-=&距上式画出不同Q值的对数幅频特性Q值越大，通频带越窄，选择性越好通带宽度：下降至 时频率范围uA&2upA将上值带入上式中，可得通带宽度：QffAffBuo0012)3(=-=-=可见Q值越大，通带宽度B越小010)2()3(fRRfABFuo-=-=当Auo=3，Aup趋于无穷大，电路将自激振荡，应保证 RF 2R1。第12页/共32页带阻滤波器（BEF）与带通滤波器相反，在规定频带内，信号被阻断，在此频带之外，信号能顺利通过。带阻滤波器常用阻止某个频带范围内的干扰和噪声信号通过。将截止频率f 1 的低通滤波器与截频 f 2 的高通滤波器并联在一起，当满足f 1 f 2时，可组成带阻滤波器。f f 2的信号均可通过高通滤波器在 f 1 f f 2的信号被阻断电路形成带阻滤波器，阻带宽度为 f 2-f 1。第13页/共32页带阻滤波器（BEF）输入信号经过一个RC元件组成的双T型选频网络，然后接至集成运放的同相输入端。输入频率较高时，容抗 很小，视为短路，高频信号从上面电容和电阻构成的T型支路通过。Cw1当频率比较低时，很大，电容视为开路，低频信号从下面电阻和电容构成的T型支路通过。Cw1只有频率处于低频和高频中间有个范围的信号被阻断，所以具有“带阻”的特性。第14页/共32页带阻滤波器（BEF）通过分析电路图，电压放大倍数为：upupuAffAjffffA02020)2(2)(1)(1-+-=&220011ffffQjAAupu-+=&RCfp210=11RRAFup+=)2(21upAQ-=当 f=f 0时，=0，当 f=0或 f 时，均趋于Aup，本电路具有“带阻”的特性。以上f0和Aup分别称为中心频率和通带电压放大倍数。uA&uA&由图可见，Q越大，选频特性越好，阻带宽度为：Q越大，阻带宽度B越小。第15页/共32页8.2 电压比较器电压比较器是一种常用的模拟信号处理电路。它将模拟量输入电压与参考电压进行比较，并将比较结果输出。比较器只能输出：高电平或低电平两种状态。比较器常用于自动控制和测量系统中，越限报警、模数转换。各种非正弦波的产生和变换。比较器的输入信号是连续变化的模拟量，输出信号是数字量1或者0，它是模拟电路和数字电路的“接口”。由于输出只有高、低两种状态，集成运放常工作在非线性区。当输入电压变化到某一值时，输出电压由一种状态转换为另一种状态，此时输入电压称为阈值电压或门限电平，用符号UT表示。常用的比较器根据阈值电压和传输特性分为：过零比较器、单限比较器、滞回比较器和双限比较器等。第16页/共32页过零比较器1、简单的过零比较器集成运放工作在非线性区当 u I 0 时，uO=-UOPP。UOPP是集成运放最大输出电压 这种过零比较器很简单，但输出电压幅值较高，uO=UOPP，有时要求比较器的输出幅度，就需要加上限幅的措施。2、利用稳压管限幅的过零比较器当uI 0，上面的稳压管击穿，uO=-UZ两个稳压管背靠背放置。第17页/共32页利用稳压管限幅的过零比较器两个背靠背的稳压管接在输出端和反相输入端之间。u I 0时，输出为负，右边稳压管击穿，反相端“虚地”，uO=-UZ；区别:过零比较器可实现波形变换，如正弦波转换成矩形波。图（a）中处于开环状态，工作在非线性区。图（b）中当稳压管反相击穿时，引入深度负反馈，此时工作在线性区。他们的传输曲线如（c）所示。第18页/共32页单限比较器 单限比较器是指一个门限电平U T的比较器，当输入电压等于此门限电平，即u I=U T时，输出端的状态即发生跳变。求和型单限比较器 输入电压u I与参考电压UREF接成求和的形式根据叠加原理：REFIURRRuRRRu211212+=-令 ，解得门限电平0=-uREFITURRuU21-=单限比较器的传输特性如图（b）所示 前面介绍的过零比较器也只有一个门限电路，实际上也属于单限比较器的范围，只是门限电平UT=0而已。第19页/共32页滞回比较器单限比较器电路简单、灵敏度高。但是抗干扰能力差。输入受到干扰和噪声的影响，输出在高、低两个电平之间反复地跳变。为了克服这个缺点，采用具有滞回特性的比较器，滞回比较器又称施密特触发器。输出通过RF反馈回同相输入端，电阻R和稳压管VDZ作用是限幅。第20页/共32页滞回比较器当 ，输出状态将发生跳变，其中+-=uuIuu=-根据叠加原理：OFREFFFURRRURRRu+=+222若ZOUu+=ZFREFFFTURRRURRRU+=+222u I逐渐增大使u O变负ZFREFFFTURRRURRRU+-+=-222ZOUu-=若u I逐渐减小使u O变正上述两个门限电平之差称为门限宽度或回差，用符号UTZFTTTURRRUUU+=-=D-+222门限宽度UT取决于稳定电压UZ以及R2和RF的值，与UREF无关。即滞回曲线宽度与UREF无关。但UREF可调节曲线左右移动。第21页/共32页滞回比较器滞回比较器可用于产生矩形波、三角波和锯齿波等各种非正弦信号，也可用于波形变换电路。当输入信号受干扰或噪声的影响而上下波动时，只要根据干扰或噪声电平适当调整滞回比较器两个门限电平UT+和UT-的值，就可避免比较器的输出电压在高、低电平之间反复跳变。如果将输入电压uI与参考电压UREF互换位置，即可得到同相滞回比较器。用于控制系统时，滞回比较器的主要优点是抗干扰能力强。第22页/共32页双限比较器 实际中，有时需检测输入信号是否在两给定电平之间，此时要求有两个门限电平，称双限比较器。如果u IUREF2UREF1UREF2,A1输出高，VD1 导通，A2输出低，VD2截止，输出电平为高。如果UREF1u IUREF2,A1输出低，VD1 截止，A2输出低，VD2截止，输出电平为低。上限电平UTH=UREF1，下限电平UTL=UREF2，由于传输特性像一个窗孔，又称窗孔比较器（Window Comparator）第23页/共32页集成电压比较器 以上介绍的各种比较器，均由通用集成运放组成，也可用专用的集成电压比较器。两者的区别在于：集成运放主要满足线性放大，工作速度较慢，专用集成电压比较器则缩短了响应时间、提高工作速度、价格低。集成运放的输出电平通常较高，需要增加限幅措施，专用集成电压比较器的输出电平可直接与TTL等数字电路兼容。对集成电压比较器的主要要求有以下几方面：应有较快的响应速度。输入端加上阶跃电压时，输出电压从逻辑低电平变为高电平所需时间。应有较高的开环差模增益。增益越高，比较器输出发生跳变所需输入端的差值电压越小，灵敏度越高。要求失调电压、失调电流（精度）相应温漂较小（稳定）。应有较高的共模抑制比（精度），且允许有较高的共模输入电压。因为很多情况下比较器将承受较高的共模输入电压。第24页/共32页1、电路组成和工作原理VT1、VT2、VT9组成差分放大输入级R1、R2分别为差分管的集电极负载VT9构成长尾，有较高的共模抑制比VT4共射放大，具有较高的放大倍数VT3、VT4、VT5实现双端至单端输出的转换。VT4基极输入变化量将增大一倍，并转换为单端输出，送到VT7输出。第25页/共32页电路组成和工作原理稳压管VDZ1提高VT1、VT2集电极电位，使正向共模输入可达5V以上。输出级VT7、VT8、VDZ2。VT8作为VT7发射集恒流源，可有效抑制温漂。VDZ2将VT4约10V的输出电压降低到3V，使输出与TTL逻辑电平兼容。VT9、VT10和R7、R8组成比例电流源，为输入提供适当的工作电流。VT6接成二极管，作用是钳位，当VT4输出高电平时，保证逻辑电平不受负载影响，同时提高了比较器的响应速度。第26页/共32页2、主要技术指标表8-1列出了几种集成电压比较器的主要技术指标第27页/共32页2、主要技术指标第28页/共32页课后习题P347、习题8-1第29页/共32页第30页/共32页物资仓库双端输入fA&F&A&odAFA&iX&OX&)1(FA&+OU&OI&OA&iOXA&FAO&+1uA&11+FA&FA&+1 第31页/共32页感谢您的观看。第32页/共32页