信号处理与信号产生电路精选课件.ppt

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1、关于信号处理与信号产生电路1第一页，本课件共有75页9.1 滤波电路的基本概念与分类滤波电路的基本概念与分类1.基本概念基本概念滤滤波波电电路路：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衰衰减减无无用用频频率率信信号的电子装置号的电子装置选频选频滤波电路传递函数滤波电路传递函数定义定义时，有时，有其中其中 模，模，幅频响应幅频响应 相位角，相位角，相频响应相频响应群时延响应群时延响应滤波电路vi(t)vo(t)2第二页，本课件共有75页1)1)按信号性质分类按信号性质分类2)2)按电路功能分类按电路功能分类低通滤波器；高通滤波器；低通滤波器；高通滤波器；带通

2、滤波器；带阻滤波器带通滤波器；带阻滤波器模拟滤波器和数字滤波器模拟滤波器和数字滤波器9.1 滤波电路的基本概念与分类滤波电路的基本概念与分类2.分类分类通带通带：能够通过的信号频率范围：能够通过的信号频率范围阻带阻带：受阻或衰减的信号频率范围：受阻或衰减的信号频率范围截止频率截止频率：通带与阻带的界限：通带与阻带的界限3第三页，本课件共有75页低通低通高通高通带通带通带阻带阻2.滤波电路的分类滤波电路的分类2)2)按电路功能分类按电路功能分类4第四页，本课件共有75页低通（低通（LPF）高通（高通（HPF）带通（带通（BPF）带阻（带阻（BEF）全通（全通（APF）2.滤波电路的分类滤波电路的

3、分类2)2)按电路功能分类按电路功能分类为了将语音信号中的噪声去掉，应该选用哪种类型的为了将语音信号中的噪声去掉，应该选用哪种类型的滤波器？滤波器？如果要去掉如果要去掉50Hz的工频干扰应采用哪种类型的滤的工频干扰应采用哪种类型的滤波器？波器？5第五页，本课件共有75页4)4)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9.1 滤波电路的基本概念与分类滤波电路的基本概念与分类2.分类分类有有源源滤滤波波器器：由由有有源源器器件件构构成成的的滤滤波波器器，用用集集成成运运放放（有有源源元件）和元件）和RCRC网络组成。网络组成。无源滤波器无源滤波器：由无源元件（：由无

4、源元件（R R、L L、C C）组成。）组成。3)3)按阶数分类按阶数分类一阶，二阶一阶，二阶 高阶高阶6第六页，本课件共有75页o前言前言-无源滤波器的缺点无源滤波器的缺点o低通滤波电路低通滤波电路o高通滤波电路高通滤波电路9.2 9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路7第七页，本课件共有75页0 无源滤波器的缺点（以一阶滤波器为例）无源滤波器的缺点（以一阶滤波器为例）传递函数：传递函数：RC9.2 9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路8第八页，本课件共有75页1.1.带负载能力差。带负载能力差。2.2.对通带信号无放大作用。对通带信号无放大作用。3.3.特性不理想，边沿不陡。特性不理

5、想，边沿不陡。01 0.707o截止频率截止频率此电路的缺点：此电路的缺点：0 无源滤波器的缺点（以一阶滤波器为例）无源滤波器的缺点（以一阶滤波器为例）若该无源滤波电路接负载若该无源滤波电路接负载RL,幅频特性曲线有无变化？幅频特性曲线有无变化？RCRL9第九页，本课件共有75页？各级互相影响！各级互相影响！RCRC0 无源滤波器的缺点（以一阶滤波器为例）无源滤波器的缺点（以一阶滤波器为例）能否将两个一阶低通滤波器直接串接构成二阶低通滤波器？能否将两个一阶低通滤波器直接串接构成二阶低通滤波器？10第十页，本课件共有75页9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路1.低通滤波电路低通滤波电路1)1

6、)电路组成：电路组成：为了增强无源滤波电路带载能力，应该怎样改进电路？为了增强无源滤波电路带载能力，应该怎样改进电路？加电压跟随器隔离加电压跟随器隔离为了使得该电路具有放大作用，可以如何改进电路？为了使得该电路具有放大作用，可以如何改进电路？电压跟随器电压跟随器无源低通滤无源低通滤波器波器11第十一页，本课件共有75页9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路1.1.低通滤波电路低通滤波电路传递函数传递函数其中其中特征角频率特征角频率故，幅频相应为故，幅频相应为同相比例放同相比例放大系数大系数传递函数中出现传递函数中出现s的一次项，故称为的一次项，故称为一阶滤波器一阶滤波器。12第十二页，本课件

7、共有75页有放大作用有放大作用3.运放输出，带负载能力强。运放输出，带负载能力强。幅频特性与一阶无幅频特性与一阶无源低通滤波器类似源低通滤波器类似电路的特点：电路的特点：2.=c 时时1.c 时时9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路1.1.低通滤波电路低通滤波电路13第十三页，本课件共有75页有源滤波器的特点：有源滤波器的特点：不使用电感元件，体积小重量轻。不使用电感元件，体积小重量轻。有源滤波电路中可加有源滤波电路中可加电压串联负反馈电压串联负反馈。只需把几个低阶滤波只需把几个低阶滤波电路串起来就可构成高阶滤波电路电路串起来就可构成高阶滤波电路，无需考虑级间影响。，无需考虑级间影响。除滤

8、波外，还可放大信号，放大倍数容易调节。除滤波外，还可放大信号，放大倍数容易调节。优点：优点：缺点：缺点：不宜用于高频。不宜用于高频。不宜在高电压、大电流情况下使用。不宜在高电压、大电流情况下使用。使用时需外接直流电源。使用时需外接直流电源。9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路14第十四页，本课件共有75页如何组成高通滤波器？如何组成高通滤波器？将低通滤波器中的将低通滤波器中的R、C 对调，低通滤波器就变对调，低通滤波器就变成了高通滤波器。成了高通滤波器。9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路RCR1RF+-低通滤波器低通滤波器RCR1RF+-15第十五页，本课件共有75页幅频特性：幅频特

9、性：0 c 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（-20dB/十十倍倍频频程程），与与理理想想情情况况相相差差较较远远。一一般般用用在在对对滤滤波波要要求求不不高高的的场场合。合。9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路2.高通滤波电路高通滤波电路16第十六页，本课件共有75页9.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路9.3.2 有源高通滤波电路有源高通滤波电路9.3.1 有源低通滤波电路有源低通滤波电路17第十七页，本课件共有75页9.3.1 有源低通滤波电路有源低通滤波电路1.二阶有源低通滤波电路二阶有源低通滤波电路2.传递函数传递函数对于滤波电路，有对于滤波电路

10、，有得滤波电路传递函数得滤波电路传递函数（二阶）（二阶）（同相比例）（同相比例）18第十八页，本课件共有75页2.传递函数传递函数令令称为称为通带增益通带增益称为称为特征角频率特征角频率称为称为等效品质因数等效品质因数则则滤波电路才能稳定工作。滤波电路才能稳定工作。注意：注意：19第十九页，本课件共有75页3.幅频响应幅频响应用用 代入，可得传递函数的频率响应：代入，可得传递函数的频率响应：归一化的幅频响应归一化的幅频响应相频响应相频响应归一化的幅频响应曲线归一化的幅频响应曲线20第二十页，本课件共有75页解：根据 f c ，选取C再求R。1.C的容量不易超过 。因大容量的电容器体积大，价格高

11、，应尽量避免使用。取：计算出 ，取例:设计二阶LPF，Q值为0.7，试求电路中的电阻、电容值。21第二十一页，本课件共有75页2根据根据值求值求 和和 ，因为，因为 时时 ，根据，根据 与与 、的关系，集成运放两输的关系，集成运放两输 入端外接电阻的对称条件入端外接电阻的对称条件解得：22第二十二页，本课件共有75页9.3.2 有源高通滤波电路有源高通滤波电路1.二阶高通滤波电路二阶高通滤波电路 将将低低通通电电路路中中的的电电容容和和电电阻对换，便成为高通电路。阻对换，便成为高通电路。传递函数传递函数归一化的幅频响应归一化的幅频响应23第二十三页，本课件共有75页9.5 产生正弦波的条件o1

12、 正弦波发生电路的组成o2 产生正弦波的条件o3 起振条件和稳幅原理24第二十四页，本课件共有75页1 正弦波发生电路的组成 为了产生正弦波，必须在放大电路里加入正反馈，因此放大电路和正反馈网络是振荡电路的最主要部分。为了获得为了获得单一频率单一频率的正弦波输出，应该有的正弦波输出，应该有选频网选频网络络，选频网络往往和正反馈网络或放大电路合而，选频网络往往和正反馈网络或放大电路合而为一。为一。选频网络由选频网络由R R、C C和和L L、C C等等电抗性元件组成。电抗性元件组成。放大电路放大电路 正反馈网络正反馈网络 选频网络选频网络 稳幅电路稳幅电路第二十五页，本课件共有75页08.12.

13、20222 产生正弦波的条件(a)负反馈放大电路 (b)正反馈振荡电路 振荡器的方框图 比较图(a)和(b)就可以明显地看出负反馈放大电路和正反馈振荡电路的区别了。由于振荡电路的输入信号 ，所以 。26第二十六页，本课件共有75页 振荡条件 幅度平衡条件 相位平衡条件 AF=A+F=2n由于正、负号的改变由于正、负号的改变27第二十七页，本课件共有75页 振荡器在刚刚起振时，为了克服电路中的损耗，需要正反馈强一些，即要求这称为起振条件起振条件。3 起振条件和稳幅原理 既然 ，起振后产生增幅振荡增幅振荡，最后靠三极管的非线性非线性特性（饱和、截止）去限制幅度的增加，这样波形必然产生失真。这就要靠

14、选频网络选频网络的作用，选出失真波形的基波选出失真波形的基波分量作为输出信号，以获得正弦波输出。第二十八页，本课件共有75页08.12.2022 也可以在反馈网络中加入非线性稳幅环节，也可以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，从而达到稳幅的目用以调节放大电路的增益，从而达到稳幅的目的。这在下面具体的振荡电路中加以介绍。的。这在下面具体的振荡电路中加以介绍。第二十九页，本课件共有75页08.12.20229.6 RC正弦波振荡电路1 RC网络的频率响应2 RC文氏桥振荡器30第三十页，本课件共有75页1 RC网络的频率响应 RC串并联网络的电路如图所示。RC串联臂的阻抗用Z1

15、表示，RC并联臂的阻抗用Z2表示。其频率响应如下:RC串并联网络31第三十一页，本课件共有75页1)122C1RCR1j()1(2121CRCR-+=R/j+)Cj/1(2122221112RCCRCRRR+=)j1()Cj/1(222112RCRRR+=谐振频率为:f0=当R1=R2，C1=C2时，谐振角频率和谐振频率分别为:)j1/(+)Cj/1()j1/(22211222212CRRRCRRZZZ+=+=32第三十二页，本课件共有75页幅频特性:相频特性:当当 时的反馈系数：时的反馈系数：且与频且与频率率 的大小无关。此时的相角的大小无关。此时的相角 F=0。33第三十三页，本课件共有7

16、5页 RC串并联网络的频率特性曲线34第三十四页，本课件共有75页2 RC 文氏桥振荡电路 (1)RC文氏桥振荡电路的构成文氏桥振荡电路的构成 振荡电路如图所示，振荡电路如图所示，RC 串并联网络即是正反馈网串并联网络即是正反馈网络也是选频网络，络也是选频网络，R3和和R4构成负反馈网络，起放大作用。构成负反馈网络，起放大作用。C1、R1和C2、R2正反馈支路与R3、R4负反馈支路正好构成一个桥路，称为文氏桥。RC文氏桥振荡电路第三十五页，本课件共有75页08.12.2022当C1=C2、R1=R2时:为满足振荡的幅度条件 =1，所以Af3。加入R3、R4支路，构成串联电压负反馈。F=036第

17、三十六页，本课件共有75页(2)RC振荡电路的稳幅过程 稳幅作用是靠稳幅作用是靠正温度系数正温度系数的热敏电阻的热敏电阻R4实现的实现的,自动调节过程如下：自动调节过程如下：37第三十七页，本课件共有75页 (a)稳幅电路 (b)稳幅原理图 反并联二极管的稳幅电路采用反并联二极管的稳幅电路如图所示。稳幅过程如下：Rf38第三十八页，本课件共有75页电路的电压增益为：式中 R“p是电位器上半部的电阻值，Rp是电位器下半部的电阻值。R3=R3/rD(rD是并联二极管的等效平均电阻值)，RP的作用是调节反馈强度，改变输出幅值。39第三十九页，本课件共有75页例：可变频率、可变幅值、自动稳幅RC振荡器

18、。可变频率：可变频率：粗调粗调由同轴开关切换电容实现（10倍率）；细调细调由改变同轴电阻实现。可变幅值：可变幅值：调节场效调节场效应管栅偏压实现。应管栅偏压实现。调频调频部分部分变幅稳变幅稳幅部分幅部分低通低通滤波滤波可变电阻区，可变电阻区，斜率随斜率随vGS不不同而变化同而变化40第四十页，本课件共有75页自动稳幅原理：自动稳幅原理：反之亦然。41第四十一页，本课件共有75页9.7 LC正弦波振荡电路 LC正弦波振荡电路的选频网络由LC谐振电路构成，正反馈网络因不同类型的LC正弦波振荡电路而有所不同。1 LC并联谐振电路的频率响应 2 变压器反馈LC振荡器 3 电感三点式LC振荡器42第四十

19、二页，本课件共有75页 （a）LC并联谐振电路 LC并联谐振电路与并联谐振曲线 （b）并联谐振曲线1 LC并联谐振电路的频率响应并联谐振电路的频率响应 LC并联谐振电路如图所示。输入信号频率过高，电容的旁路作用加强，输出减小；反之频率太低，电感将短路输出。所以f=f 0时，输出达到最大。第四十三页，本课件共有75页 有损耗的谐振电路并联谐振电路的品质因数 R表示电感表示电感支路的损耗支路的损耗。谐振时：谐振频率：第四十四页，本课件共有75页 从谐振曲线可见，Q值大的曲线较陡较窄，图中Q1Q2。并联谐振电路的谐振阻抗谐振时谐振时LC并联谐振电路并联谐振电路相当一个电阻。相当一个电阻。45第四十五

20、页，本课件共有75页2 变压器反馈变压器反馈LC振荡电路振荡电路 变压器反馈LC振荡电路变压器反馈LC振荡电路如图所示。1.、LC并联支路作为选频网络。2.、L2与相耦合,构成正反馈（注意同名端）。3、三极管及其偏置电路构成放大4、三极管的非线性构成限幅电路。第四十六页，本课件共有75页 有关同名端的极性请参阅图。同名端的极性 变压器反馈LC振荡电路的振荡频率与并联LC谐振电路相同，为47第四十七页，本课件共有75页9.7.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路仍然由仍然由LC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.若中间点交流接地，则首端与尾端若中间点交流接地，则首端与尾端 相位相

21、反。相位相反。1.三点式三点式LC并联电路并联电路 中中间间端端的的瞬瞬时时电电位位一一定定在在首首、尾尾端端电电位位之间。之间。三点的相位关系三点的相位关系B.若首端或尾端交流接地，则其他两若首端或尾端交流接地，则其他两 端相位相同。端相位相同。48第四十八页，本课件共有75页 电感三点式LC振荡器（CB）2 电感三点式LC振荡器反馈 vf 在哪？如何判定是否为正反馈？谐振频率：电感线圈电感线圈L1、L2构成电感三个点与电容构成电感三个点与电容C构成构成选频网络。选频网络。49第四十九页，本课件共有75页 电感三点式LC振荡器（CE）电感线圈电感线圈L1、L2构成电感三个点与电容构成电感三个

22、点与电容C构成构成选频网络。该电路的优点是电感线圈中无直流电流通选频网络。该电路的优点是电感线圈中无直流电流通过，不存在直流磁化的问题。过，不存在直流磁化的问题。判定是否为正反馈（满足相位条件）？反馈 电压vf 在何处？谐振频率：50第五十页，本课件共有75页3 电容三点式LC振荡电路判定是否为正反馈？反馈 电压vf 在何处？谐振频率：电路缺点：电感线圈中有直流电流通电路缺点：电感线圈中有直流电流通过，存在直流磁化的问题。过，存在直流磁化的问题。与电感三点式LC振荡电路类似的有电容三点式LC振荡电路，见图51第五十一页，本课件共有75页判定是否为正反馈？反馈 电压vf 在何处？谐振频率：电路优

23、点：电感线圈中无电路优点：电感线圈中无直流电流通过，不存在直流磁直流电流通过，不存在直流磁化的问题。化的问题。电容三点式LC振荡电路见图52第五十二页，本课件共有75页例 图a，b均为三点式振荡电路，试判断是否满足相位平衡条件。(a)(b)53第五十三页，本课件共有75页9.7.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路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。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 500000

24、54第五十四页，本课件共有75页9.7.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路2.石英晶体的基本特性与等效电路石英晶体的基本特性与等效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，振幅最大。固有频率时，振幅最大。压电谐振压电谐振55第五十五页，本课件共有75页等效电路等效电路A.串联谐振串联谐振特性特性 晶晶体体等等效效阻阻抗抗为为纯阻性纯阻性

25、B.并联谐振并联谐振通常通常所以所以9.7.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路2.石英晶体的基本特性与等效电路石英晶体的基本特性与等效电路（a）代表符号）代表符号 （b）电路模型）电路模型 （c）电抗）电抗-频率响应特性频率响应特性 56第五十六页，本课件共有75页9.7.4 石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路2.石英晶体的基本特性与等效电路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57第五十七页，本课件共有75页3 石英晶体构成的振荡电路 利用石英晶体的高Q值的特点，构成振荡电路如图。图中电路，

26、要满足正反馈，石英晶体必须呈感性图中电路，要满足正反馈，石英晶体必须呈感性才能形成三点式才能形成三点式LC并联谐振并联谐振。石英晶体的。石英晶体的Q值很高，值很高，达到达到1000010000以上，所示电路可以获得很高的振荡频以上，所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性。率稳定性。58第五十八页，本课件共有75页例9.2：分析图振荡电路能否产生振荡，若产生振荡,石英晶体处于何种状态？图示石英晶体呈感性，构成电容三点式电路。由瞬图示石英晶体呈感性，构成电容三点式电路。由瞬时极性法可判断满足相位条件，可以振荡。时极性法可判断满足相位条件，可以振荡。谐振频率：主要由晶振频率决定。59第五十九页，本课件

27、共有75页9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路9.8.2 方波产生电路方波产生电路9.8.3 锯齿波产生电路锯齿波产生电路9.8.1 电压比较器电压比较器单门限电压比较器单门限电压比较器迟滞比较器迟滞比较器集成电压比较器集成电压比较器60第六十页，本课件共有75页1 固定幅度比较器固定幅度比较器(1)过零比较器和电压幅度比较器 过零电压比较器，电路图和传输特性曲线61第六十一页，本课件共有75页 将过零电压比较器的一个输入端从接地改接到一个电压值VREF 上,就得到电压幅度比较器,电路和传输特性曲线:固定电压比较器(a)电路图(b)传输特性曲线62第六十二页，本课件共有75页(2)比较

28、器的基本特点o工作在开环或正反馈状态。o开关特性，因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。o非线性，因大幅度工作，输出和输入不成线性关系。63第六十三页，本课件共有75页2 滞回比较器滞回比较器 电路如图。当输入电压vI从零逐渐增大，且 时，称为上限阈值(触发)电平。当输入电压 时，此时触发电平变为 ，称为下限阈值(触发)电平。64第六十四页，本课件共有75页 当 逐渐减小，且 以前，始终等于 ，因此出现如图所示的滞回特性曲线（VREF0）。回差电压 ：65第六十五页，本课件共有75页 当VREF0时，滞回特性曲线关于原点对称。滞回比较电路的传输特性 当VREF0时，滞回特

29、性曲线偏向左方。66第六十六页，本课件共有75页3 比较器的应用比较器的应用 单限比较器主要用来对输入波形进行整形。(a)正弦波变换为矩形波 (b)有干扰正弦波变换为方波 图 用比较器实现波形变换67第六十七页，本课件共有75页 9.8.2 方波发生电路方波发生电路 方波发生电路是由滞回比较电路和RC定时电路构成的，电路如图。(1)工作原理电源刚接通时,设电容C充电，升高。68第六十八页，本课件共有75页 当 时，所以 电容C放电，下降。当 ，时，返回初态。方波周期用过渡过程公式可以方便地求出 图 方波发生器波形图69第六十九页，本课件共有75页(2)占空比可调的矩形波电路占空比可调的矩形波电

30、路。C充电时，充电电流经电位器的上半部、二极管D1、Rf；C放电时，放电电流经Rf、二极管D2、电位器的下半部。图 占空比可调方波发生电路 70第七十页，本课件共有75页占空比为：其中，是电位器中点到上端电阻，是二极管D1的导通电阻。其中，是二极管D2的导通电阻。即改变 的中点位置，占空比就可改变。方波发生器波形图71第七十一页，本课件共有75页9.8.3 三角波发生器 它是由滞回比较器和积分器闭环组合而成的。1).当vO1=+VZ时,则电容C 充电,同时vO按线性逐 渐下降，当使A1的VP 略低于VN 时，vO1 从+VZ跳变为-VZ。图 三角波发生器72第七十二页，本课件共有75页2).在vO1=-VZ后，电容C开始放电，vO按线性上升，当使A1的VP略大于零时，vO1从-VZ跳变为+VZ，如此周而复始，产生振 荡。vO的上升时间和下降时间相等，斜率绝对值 也相等，故vO为三角波。图 三角波发生器的波形73第七十三页，本课件共有75页)输出峰值74第七十四页，本课件共有75页感感谢谢大大家家观观看看08.12.2022第七十五页，本课件共有75页