信号调理与信号产生电路.ppt

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1、9信号处理与信号产生电路信号处理与信号产生电路9.1 滤波电路滤波电路基本概念基本概念一一.基本概念基本概念1 滤波器：是一种能使有用频率信号通过而同时抑制滤波器：是一种能使有用频率信号通过而同时抑制或衰减无用频率信号的电子装置。或衰减无用频率信号的电子装置。有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。滤波电路滤波电路1 1 体积小、重量轻、利于集成。体积小、重量轻、利于集成。2 2 具有放大作用，且增益可调。具有放大作用，且增益可调。3 3 利于制成高阶滤波电路。利于制成高阶滤波电路。4 4 稳定性高。稳定性高。5 5 但不适用于高频情况。但不适用于高频情况。6

2、6 工作时必须直流电源。工作时必须直流电源。7 7 不适用于高压或大电流情况。不适用于高压或大电流情况。2 2有源滤波器特点：有源滤波器特点：分母中分母中S S的最高幂次称为滤波电路的阶次。的最高幂次称为滤波电路的阶次。分类分类分类分类二二.传递函数定义传递函数定义幅频响应幅频响应相频响应相频响应三三.分类分类 高通滤波（高通滤波（HPF）低通滤波（低通滤波（LPF）带阻滤波（带阻滤波（BEF）带通滤波（带通滤波（BPF）全通滤波（全通滤波（APF）低通低通滤波滤波上限频率上限频率高通滤波高通滤波下限频率下限频率带通滤波带通滤波中心频率中心频率带阻滤波带阻滤波中心频率中心频率全通滤波全通滤波R

3、CR 9.1.2一阶一阶RC低通滤波器低通滤波器(无源无源)CC传传递递函函数数幅幅频频特特性性010.707 c截止频率截止频率此电路的缺点：此电路的缺点：1、带负载能力差。、带负载能力差。2、无放大作用。、无放大作用。3、特性不理想，边沿不陡。、特性不理想，边沿不陡。幅频特性、幅频特性曲线幅频特性、幅频特性曲线RCR一一.低通滤波电路低通滤波电路2 2传递函数：传递函数：幅频相应为幅频相应为1 1电路：电路：特征角频率特征角频率电压跟随器同相放大器RCRC一阶低通一阶低通滤波滤波注注意意：一一阶阶有有源源滤滤波波电电路路通通带带外外衰衰减减速速率率慢慢，与与理理想想情情况况相相差差较较远远

4、。一一般般用用在在对对滤滤波波要要求求不不高的场合高的场合。9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路二二.高通滤波电路高通滤波电路三三.带通滤波电路带通滤波电路1 1电路：电路：由低通和高通串联得到由低通和高通串联得到低通高通2幅频相应幅频相应低通特征角频率低通特征角频率高通特征角频率高通特征角频率要求要求四四.带阻滤波电路带阻滤波电路1 1电路：电路：低通和高通并联低通和高通并联低通高通2幅频相应幅频相应低通特征角频率低通特征角频率高通特征角频率高通特征角频率必须满足必须满足一一.压控电压源低通滤波电路压控电压源低通滤波电路1 1 压压 控控 电电 压压 源源 电电 路路（VCVSVCVS）

5、2 2 传递函传递函数数（二阶）（二阶）通带增益通带增益特征角频率特征角频率品质因数品质因数注意：注意：3-AVF 0，AVF=1 1，31=F11f+=RRAA=3A=3=2=2 10=2010=20k k=1592 Hz=1592 Hz起振条件：起振条件：1f2RR=电子琴的振荡电路（了解）：电子琴的振荡电路（了解）：_+RF1uoR1CCRfD1D1RF2R28R27R26R25R24R23R22R21R22112CRR=0f12345176功率放功率放大器大器可调可调9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.7.1 LC并联谐振回路选频特性并联谐振回路选频特性9.7.2 变压器反馈式

6、变压器反馈式LC振荡电路振荡电路9.7.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路9.7.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路1.并联谐振回路并联谐振回路9.7.1 LC并联谐振回路选频特性并联谐振回路选频特性一般有一般有则则当当 时，时，电路谐振。电路谐振。为谐振频率为谐振频率谐振时谐振时阻抗最大，且为纯阻性阻抗最大，且为纯阻性其中其中为品质因数为品质因数9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路2.并联谐振回路频率响应并联谐振回路频率响应9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路由由LCLC并联谐振电路构成选频网络并联谐振电路构成选频网络A.A.若若中中间间点点交交流流接接地地，则则首首端端与与尾尾

7、端相位相反。端相位相反。9.7.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路1.1.三点式三点式LCLC并联电路并联电路电容三点式电容三点式电感三点式电感三点式 中中间间点点的的瞬瞬时时电电位位一一定定在在首首、尾尾端电位之间。端电位之间。三点的相位关系三点的相位关系B.B.若若首首端端或或尾尾端端交交流流接接地地，则则其其他两端相位相同。他两端相位相同。9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路2.2.电感三点式电路电感三点式电路9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 满足相位条件。满足相位条件。振荡频率振荡频率:三极管共射放大器三极管共射放大器三点的相位关系三点的相位关系3.3.电容三点式电路电容

8、三点式电路振荡频率：振荡频率：9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 满足相位条件。满足相位条件。三极管共射放大器三极管共射放大器三点的相位关系三点的相位关系互感线圈的极性判别互感线圈的极性判别1234磁棒磁棒初级线圈初级线圈次级线圈次级线圈同极性端同极性端1234+CLRuiLici反馈信号反馈信号通过通过互感互感线圈引出线圈引出9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路例例：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。衡条件。9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。值越高，选频特性越好，频率越稳定。9.7

9、.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路1.频率稳定问题频率稳定问题频率稳定度一般由频率稳定度一般由 来衡量来衡量频率偏移量。频率偏移量。振荡频率。振荡频率。LC振荡电路振荡电路 Q 数百数百石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 Q 10000 5000009.7.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路结构结构极板间加电场极板间加电场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场晶体产生电场压电效应压电效应交变电压交变电压机械振动机械振动交变电压交变电压机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高当交变电压频率当交变电压频率=固有频率时，振幅最

10、大。固有频率时，振幅最大。压电谐振压电谐振9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路等效电路等效电路9.3 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路3.石英晶体的等效电路与频率特性石英晶体的等效电路与频率特性等效电路：等效电路：（1）串联谐振）串联谐振频率特性：频率特性：晶体等效阻抗为纯阻性晶体等效阻抗为纯阻性（2）并联谐振）并联谐振通常通常所以所以实际使用时外接一小电容实际使用时外接一小电容Cs则新的谐振频率为则新的谐振频率为由于由于由此看出由此看出调整调整二二.石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路利用石英晶体的高品质因数的特点，构成利用石英晶体的高品质因数的特点，构成LC

11、振荡电路。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 石英晶体工作在石英晶体工作在fs s与与fp p之间，相当一个大电感，与之间，相当一个大电感，与C C1 1、C C2 2组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的Q值很高，可达到几值很高，可达到几千以上，所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性。千以上，所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性。2.并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器 石英晶体工作在石英晶体工作在fs s处，呈电阻性，且阻抗最小，正反馈最处，呈电阻性，且阻抗最小，正反馈最强。该电路为电感三点式振荡器。强。该电路为电感三点式振荡器。加入

12、石英晶体是利用石英晶体的高加入石英晶体是利用石英晶体的高Q值，提高振荡频率的值，提高振荡频率的稳定性。稳定性。9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路9.8.1 电压电压比较器比较器9.8.3 锯齿波产生电路锯齿波产生电路9.8.2 方波产生电路方波产生电路9.8.19.8.1 电压电压比较器比较器9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路 将一个模拟电压信号与一将一个模拟电压信号与一参考电压参考电压相比较，输出一定的相比较，输出一定的高低电平。高低电平。运放组成的电路处于非线性状态，输出高低电平运放组成的电路处于非线性状态，输出高低电平功能：功能：特性：特性：运放工作在非线性区的条件：

13、运放工作在非线性区的条件：电路中开环工作或引入正反馈！电路中开环工作或引入正反馈！9.8.19.8.1 比较器比较器9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路运放工作在非线性区的条件：运放工作在非线性区的条件：电路中开环工作或引入正反馈！电路中开环工作或引入正反馈！运放工作在非线性状态的分析方运放工作在非线性状态的分析方法：法：若若U U+U U-则则U UO O=+U=+UOMOM；若若U U+U U-则则U UO O=-U=-UOMOM。虚断（运放输入端电流虚断（运放输入端电流=0=0）注意：此时不能用虚短！注意：此时不能用虚短！1.1.单门限电压比较器单门限电压比较器9.8.1 比较器

14、比较器特点：特点：虚短虚短不成立，可用不成立，可用虚断虚断运放处于开环状态运放处于开环状态当当v vi i v vREFREF时时 ,v vo o=+=+v voHoH当当v vi i 0 时时,uo=VZ=6V Vi 2V时时,Vo=VZ=5VVi UT+,就就 uN uP,在在 uc UT+时，时，uN 0 时时,uo=UZ=6V ui UT 及及ui 2V时时,uo=UZ=5Vui 2V时时,uo=+UZ=5V 单限比较器灵敏度高单限比较器灵敏度高,但抗干扰能力弱。但抗干扰能力弱。8.2.3.8.2.3.滞回比较器滞回比较器 滞回比较器灵敏度低滞回比较器灵敏度低,但抗干扰能力强但抗干扰能

15、力强电压传输特性电压传输特性例例:图图示示电电路路的的上上下下门门限限电电压压UT=3V,稳稳压压管管的的稳稳定定电电压压UZ=9V,输输入入电电压压波波形形如如图图所所示示,试试画画出出输输出电压的波形出电压的波形.解解:先画出电压传输特性先画出电压传输特性抗干扰能力强抗干扰能力强 若要求滞回比较器的上下门限电压均大于若要求滞回比较器的上下门限电压均大于0，电路应改进，电路应改进电压传输特性电压传输特性例例:如如图图R1=10k,R2=30k,UREF=8V,稳稳压压管管的的稳稳定定电电压压UZ=12V.求求:上上下下门门限限电电压压并并画画出出电电压压传输特性传输特性解解:电压传输特性电压

16、传输特性例例8.2.3设计一个电压比较器，使其电压传输特性如图所示，设计一个电压比较器，使其电压传输特性如图所示，要求所用电阻阻值在要求所用电阻阻值在20K 100K之间之间解解:上下门限电压上下门限电压UT=3V,稳压管的稳定电压稳压管的稳定电压UZ=6V,UREF=0，信号从同相输入端输入。电路如图所示：，信号从同相输入端输入。电路如图所示：取取R1=25K，则，则R2=50K取取R1=50K，则，则R2=100K8.2.4 窗口比较器及其电压传输特性窗口比较器及其电压传输特性D1导通，导通，D2截止，截止，uO=+UZD1截止，截止，D2导通，导通，uO=+UZD1、D2截止，截止，Uo

17、=0几种常见的非正弦波几种常见的非正弦波矩形波矩形波三角波三角波锯齿波锯齿波尖顶波尖顶波阶梯波阶梯波本节主要讲述模拟电路中常用的矩形波、三角波、锯本节主要讲述模拟电路中常用的矩形波、三角波、锯齿波三种非正弦波发生电路的组成、工作原理、波形分析齿波三种非正弦波发生电路的组成、工作原理、波形分析和主要参数的计算。和主要参数的计算。uC ，当当 uC=-UT 时，时，uO =+UZ，则，则u+=+UT，uO 通过通过R3向向C充电充电。uC，当当 uC=+UT 时，时，uO =-UZ，则，则u+=-UT，uO 通过通过R3向向C反向充电（放反向充电（放电）电）。工作原理：工作原理：设初态设初态 uC

18、=u-=0，uO =+UZ，则，则u+=+UT，uO 通过通过R3向向C充电充电。8.3.1、矩形波发生器矩形波发生器由由反向输入反向输入滞回比较器滞回比较器和和RC电路电路组成组成滞滞回回比比较较器器波形分析及主要参数：波形分析及主要参数：0UTuct-UTUZuo0t-UZTRC电路：电路：起反馈和延迟作起反馈和延迟作用，获得一定的频率。用，获得一定的频率。滞回比较器：滞回比较器：起开关作用，起开关作用，实现高低电平的转换。实现高低电平的转换。方波发生器各部分的作用：方波发生器各部分的作用：T1T2周期与频率的计算周期与频率的计算f=1/T占空比可调的占空比可调的矩形波发生电路矩形波发生电

19、路 积分电路可将方波变为积分电路可将方波变为三角波，所以只要将矩形波三角波，所以只要将矩形波电路的输出（方波）作为积电路的输出（方波）作为积分电路的输入，在积分电路分电路的输入，在积分电路的输出端就可以得到三角波的输出端就可以得到三角波电压输出。电压输出。8.3.2.三角波发生器三角波发生器此电路要求前后电路此电路要求前后电路的时间常数配合好，的时间常数配合好，不能让积分器饱和。不能让积分器饱和。实用电路实用电路一般采用三角波一般采用三角波-方波方波发生电路，可以同时获发生电路，可以同时获得三角波信号和方波信得三角波信号和方波信号。号。工作原理：工作原理：A1为同相滞回比较器，为同相滞回比较器

20、，输入三角波，输出方波。输入三角波，输出方波。A2为反相积分电路，为反相积分电路，输入方波，输出三角波。输入方波，输出三角波。00uo1tUZUZuotUT-UT周期与频率周期与频率正向积分起始值为正向积分起始值为-UT，终了值为，终了值为+UT，积分时间，积分时间T/200uo1tUZUZuotUT-UTTT2T1改变三角波发改变三角波发生器中积分电路的生器中积分电路的充放电时间常数，充放电时间常数，使放电的时间常数使放电的时间常数为为0，即把三角波发，即把三角波发生器转换成了锯齿生器转换成了锯齿波发生器。波发生器。8.3.3 8.3.3 锯齿波发生器锯齿波发生器8.4 利用集成运放实现信号转换电路利用集成运放实现信号转换电路8.4.1 电压电流转换电路电压电流转换电路利用集成运放接成电压负反馈可获得稳定的输出电压，接利用集成运放接成电压负反馈可获得稳定的输出电压，接成电流负反馈可获得稳定的输出电流，即可实现信号转换。成电流负反馈可获得稳定的输出电流，即可实现信号转换。电流电压转换电路电流电压转换电路