第8章 信号检测与处理电路模拟电子技术（第三版）教学课件.ppt

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1、第8章 信号检测与处理电路模拟电子技术（第三版）模 拟 电 子 技 术信号检测与处理电路信号检测与处理电路第第 8 8 章章8.2 有源滤波电路有源滤波电路8.3 电电 压比较器压比较器 8.1 信号检测系统中的放大电路信号检测系统中的放大电路 2023/3/28模 拟 电 子 技 术第8章 知识要点1.理解精密仪用放大器的电路结构和工作原理；2.掌握滤波器的有关概念；3.理解有源滤波电路的工作原理和分析方法；4.掌握一节LPF,简单二阶LPF,压控二阶LPF的电路组成和分析方法；5.掌握高通、带通和带阻滤波电路的的结构和分析方法；6.理解集成运算放大器的非线性应用的特点；7.掌握电压比较器的

2、基本特性和分析方法；8.学会识别各种滤波电路。2023/3/28模 拟 电 子 技 术电子信息系统的组成电子信息系统的组成 信号检测系统基本框图信号检测系统基本框图传传感感器器取取样样保保持持控制电路控制电路放放大大器器滤滤波波器器A/D转换转换器器计计算算机机系系统统总总线线信号的信号的提取提取信号的信号的预处理预处理信号的信号的加工加工信号的信号的执行执行2023/3/28模 拟 电 子 技 术8.1.1 精密仪用放大器精密仪用放大器 1精密仪用放大器的特点精密仪用放大器的特点 2精密仪用差分放大器电路精密仪用差分放大器电路2023/3/28模 拟 电 子 技 术1精密仪用放大器的特点精密

3、仪用放大器的特点 在实际信号检测系统中，通常前端都用传感器获取在实际信号检测系统中，通常前端都用传感器获取信号，即把被测物理量通过传感器转换为电信号，然信号，即把被测物理量通过传感器转换为电信号，然后进行放大。后进行放大。但是，根据传感器的基本原理，作为信号源的传感但是，根据传感器的基本原理，作为信号源的传感器，多数的等效电阻均不是常量，它们随所测物理量器，多数的等效电阻均不是常量，它们随所测物理量和环境的变化而变。和环境的变化而变。这样，对于放大电路而言，相当于信号源内阻是这样，对于放大电路而言，相当于信号源内阻是变量，根据前述源电压放大倍数的表达式变量，根据前述源电压放大倍数的表达式 20

4、23/3/28模 拟 电 子 技 术图图8-1 差分测量电路差分测量电路(1)电路组成和工作原理电路组成和工作原理 2023/3/28模 拟 电 子 技 术2023/3/28模 拟 电 子 技 术总结：总结：当UI1=UI2=UIC时，相当于电路输出了共模信号，电压输为0，该电路的共模信号被抑制。调节R2的阻值，可以改变电路的放大倍数。为了较少误差，要求采用精密电阻。实际中A1和A2的特性难以匹配，电阻值也不能特别精确，因此放大会有一定误差。2023/3/28模 拟 电 子 技 术图图8-2 温度测量电路温度测量电路（2）应用举例）应用举例2023/3/28模 拟 电 子 技 术 图图8-3

5、INA102集成仪用放大器集成仪用放大器（3）集成仪用放大器）集成仪用放大器 2,6,7脚相连:增益10；3,6,7脚相连:增益100；4,7,5,6脚相连:增益1000；6,7脚相连:增益1；2023/3/28模 拟 电 子 技 术8.2有源滤波有源滤波电路电路8.2.2 有源高通滤波有源高通滤波电路电路8.2.3 有源带通滤波有源带通滤波电路电路8.2.1 有源低通滤波有源低通滤波电路电路2023/3/28模 拟 电 子 技 术1.1.滤波器的用途滤波器的用途 滤滤波波器器主主要要用用来来滤滤除除信信号号中中无无用用的的频频率率成成分分，例例如如，有有一一个个较较低低频频率率的的信信号号，

6、其其中中包包含含一一些些较较高频率成分的干扰。滤波过程如图所示。高频率成分的干扰。滤波过程如图所示。引言引言2023/3/28模 拟 电 子 技 术2.2.滤波器的主要技术指标滤波器的主要技术指标通带与阻带之间称为过渡带。通带与阻带之间称为过渡带。通带通带:能够通过信号的频率范围。能够通过信号的频率范围。阻带阻带:不能够通过信号的频率范围。不能够通过信号的频率范围。截止频率：当放大倍数下降到通带放大倍数的截止频率：当放大倍数下降到通带放大倍数的0.707倍时，倍时，相应的频率。相应的频率。传递函数传递函数:类似前面介绍的放大倍数。类似前面介绍的放大倍数。幅频特性：放大倍数的模随频率的变化关系。

7、幅频特性：放大倍数的模随频率的变化关系。通带放大倍数通带放大倍数2023/3/28模 拟 电 子 技 术等效品质因数等效品质因数Q对于低通和高通滤波器而言，当外加信号的频率对于低通和高通滤波器而言，当外加信号的频率f=f0时，放大倍数的模与通带电压放大倍数之比。时，放大倍数的模与通带电压放大倍数之比。对于带通和带阻滤波器而言，等效品质因数等于对于带通和带阻滤波器而言，等效品质因数等于中心频率与带宽的比值。对于带通滤波器而言，中心频率与带宽的比值。对于带通滤波器而言，Q值越大，频带越窄，选频特性越好。值越大，频带越窄，选频特性越好。2023/3/28模 拟 电 子 技 术分类：分类：按处理按处理

8、方法分方法分硬件滤波硬件滤波软件滤波软件滤波按所处理按所处理信号分信号分模拟滤波器模拟滤波器数字滤波器数字滤波器按构成按构成器件分器件分无源滤波器无源滤波器有源滤波器有源滤波器按频率按频率特性分特性分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2023/3/28模 拟 电 子 技 术3.滤波电路的种类低通滤波器（低通滤波器（LPF）通带放大倍数通带放大倍数通带截止频率通带截止频率下降速率下降速率理想幅频特性理想幅频特性无过渡带无过渡带用幅频特性描述滤波特性，要研究用幅频特性描述滤波特性，要研究 、(f0、下降速率、下降速率)。2023/3/28模 拟 电 子

9、 技 术高通滤波器（高通滤波器（HPF）带通滤波器（带通滤波器（BPF）带阻滤波器（带阻滤波器（BEF）全通滤波器（全通滤波器（APF）理想滤波器的幅频特性阻容耦合阻容耦合通信电路通信电路抗已知频率的干扰抗已知频率的干扰f-转换转换2023/3/28模 拟 电 子 技 术（一）（一）RC低通电路低通电路8.2.1 有源低通滤波有源低通滤波电路电路LPFLow Pass Filter2023/3/28模 拟 电 子 技 术2023/3/28模 拟 电 子 技 术优点：电路简单，适用于高频。优点：电路简单，适用于高频。缺点：带负载能力差，无放大能力，过渡带宽。缺点：带负载能力差，无放大能力，过渡带

10、宽。2023/3/28模 拟 电 子 技 术 通带放大倍数通带放大倍数（二）同相输入一阶有源低通滤波器（二）同相输入一阶有源低通滤波器 LPFRf8CR1R Aup=1+Rf/R1fH=1/2 RC 上限截止频率上限截止频率2023/3/28模 拟 电 子 技 术如何使过渡带变窄？如何使过渡带变窄？需采用多阶滤波器，即增加需采用多阶滤波器，即增加RC环节。环节。一一阶阶低低通通有有源源滤滤波波器器与与无无源源低低通通滤滤波波器器的的过过渡渡带带相相同同；但但通带放大倍数得到提高，并且带负载能力强通带放大倍数得到提高，并且带负载能力强。2023/3/28模 拟 电 子 技 术 Aup=1.58f

11、H=99.52023/3/28模 拟 电 子 技 术（三）反相输入一阶低通滤波电路（三）反相输入一阶低通滤波电路LPF2023/3/28模 拟 电 子 技 术（四）（四）简单二阶有源滤波简单二阶有源滤波 LPF2023/3/28模 拟 电 子 技 术2023/3/28模 拟 电 子 技 术特征频率特征频率2023/3/28模 拟 电 子 技 术缺点：在缺点：在f f=f f0 0 附近，输出幅度衰减大。附近，输出幅度衰减大。优点：过渡带窄。优点：过渡带窄。改进思路：在提升改进思路：在提升 f0 附近的输出幅度。附近的输出幅度。2023/3/28模 拟 电 子 技 术2023/3/28模 拟 电

12、 子 技 术一阶低通二阶简单低通2023/3/28模 拟 电 子 技 术引入正反馈引入正反馈为使为使 fp=f0，且在，且在f=f0时幅频特性按时幅频特性按40dB/十倍频下降。十倍频下降。f0时，时，C1断路，正反馈断路，正反馈断开，放大倍数为通带放大断开，放大倍数为通带放大倍数。倍数。f，C2短路，正反馈不短路，正反馈不起作用，放大倍数起作用，放大倍数0。因而有可能在因而有可能在f=f 0时放大倍数等于或大于通带放大倍数。时放大倍数等于或大于通带放大倍数。对于不同频率的信号正反馈的强弱不同。对于不同频率的信号正反馈的强弱不同。（五）（五）压控二阶有源滤波压控二阶有源滤波 LPF2023/3

13、/28模 拟 电 子 技 术2023/3/28模 拟 电 子 技 术2023/3/28模 拟 电 子 技 术2023/3/28模 拟 电 子 技 术注意：当注意：当Q=0.707Q=0.707时时f f=f f0 0 处处的的输输出出衰衰减为减为-3dB-3dB。2023/3/28模 拟 电 子 技 术等效品质因数等效品质因数QQ:Q:对于低通和高通滤波器而言，当外加信号的频率对于低通和高通滤波器而言，当外加信号的频率f=ff=f0 0时，放时，放大倍数的模与通带电压放大倍数之比。大倍数的模与通带电压放大倍数之比。如果如果会出现什么情况？会出现什么情况？2023/3/28模 拟 电 子 技 术

14、三种类型的有源低通滤波器三种类型的有源低通滤波器切比雪夫切比雪夫(Chebyshev)Q0.707Q值决定于值决定于f=f0附近的频率特性。附近的频率特性。按照按照f=f0附近频率特性的特点，可将滤波器分为附近频率特性的特点，可将滤波器分为:巴特沃思（巴特沃思（Butterworth）Q=0.707贝塞尔（贝塞尔（Bessel）Q fL8.2.3 有源带通滤波有源带通滤波电路电路(BPFBand Pass Filter)2023/3/28模 拟 电 子 技 术在在规规定定的的频频带带内内，信信号号被被阻阻断断，在在此此频频带带以以外外的的信信号号能能顺顺利利通通过。过。低通低通高通高通f2f1

15、fO通通阻通阻通fO低通低通f1f2fO高通高通8.2.4 有源带阻滤波有源带阻滤波电路电路f2 f12023/3/28模 拟 电 子 技 术讨论频率趋于零，电压放大倍数趋于通带放大倍数频率趋于零，电压放大倍数趋于通带放大倍数,频率趋频率趋于无穷大，电压放大倍数趋于零的滤波器于无穷大，电压放大倍数趋于零的滤波器,是什么滤波是什么滤波器？器？频率趋于零，电压放大倍数趋于零频率趋于零，电压放大倍数趋于零,频率趋于无穷大，频率趋于无穷大，电压放大倍数趋于通带放大倍数的滤波器是什么滤波器电压放大倍数趋于通带放大倍数的滤波器是什么滤波器？频率趋于零，频率趋于无穷大，电压放大倍数趋于通带频率趋于零，频率趋

16、于无穷大，电压放大倍数趋于通带放大倍数的滤波器是什么滤波器？放大倍数的滤波器是什么滤波器？频率趋于零，频率趋于无穷大，电压放大倍数趋于零的频率趋于零，频率趋于无穷大，电压放大倍数趋于零的滤波器是什么滤波器？滤波器是什么滤波器？2023/3/28模 拟 电 子 技 术A1、A2各组成什么电路？各组成什么电路？电路为电路为LPF模 拟 电 子 技 术8.3电压比较器电压比较器8.3.2 单阈值电压比较器单阈值电压比较器8.3.3 滞回比较器滞回比较器8.3.4 窗口比较器窗口比较器8.3.1 概述概述2023/3/28模 拟 电 子 技 术1.电压比较器的功能：比较两个电压的大小。：比较两个电压的

17、大小。输入端的信号：参考电压和输入信号；输入端的信号：参考电压和输入信号；输出电压：高电平和低电平两种情况。输出电压：高电平和低电平两种情况。广泛用于各种报警电路。广泛用于各种报警电路。2.电压比较器的描述方法:电压传输特性电压传输特性 uOf(uI)电压传输特性的三个要素：电压传输特性的三个要素：（1）输出高电平）输出高电平UOH和输出低电平和输出低电平UOL；（2）阈值电压）阈值电压UTH；（3）输入电压过阈值电压时，输出跃变的方向；）输入电压过阈值电压时，输出跃变的方向；8.3.1 概述概述2023/3/28模 拟 电 子 技 术3.几种常用的电压比较器（1）单阈值比较器：只有一个阈值电

18、压；）单阈值比较器：只有一个阈值电压；（3）窗口比较器：两个阈值电压，输入增加时输出跃变两次。）窗口比较器：两个阈值电压，输入增加时输出跃变两次。（2）滞回比较器：具有滞回特性，两个阈值电压；）滞回比较器：具有滞回特性，两个阈值电压；4、教学基本要求 1)电路的识别及选用；电路的识别及选用；2)电压传输特性的分析。电压传输特性的分析。2023/3/28模 拟 电 子 技 术A 运放工作在开环，非线性区运放工作在开环，非线性区;C 不存在虚短不存在虚短;B 存在虚断存在虚断;8.3.2 单阈值电压比较器单阈值电压比较器一、过零比较器一、过零比较器（1）电路组成（2）电路特点U+U-时，时，UOU

19、OM u+0 时，时，uO=-UOM；当当 uI 0 时，时，uO=+UOM；过零比较器的过零比较器的传输特性传输特性uIuO+UOM-UOMO阈值电压：阈值电压：UTH0(3)电压传输特性电压传输特性?总结：输入电压和零电压进行比较，所以叫过零比较器。使输出产生跃变的输入电压使输出产生跃变的输入电压称为阈值电压，此时虚短存在。称为阈值电压，此时虚短存在。2023/3/28模 拟 电 子 技 术电压比较器的分析方法：（1 1）写出写出 u-、u+的表达式，的表达式，令令u+u-，求解出的求解出的 uI即为即为UTH；（2 2）根据输出端决定输出的高、低电平；根据输出端决定输出的高、低电平；（3

20、 3）根据）根据工作原理的分析工作原理的分析决定决定输出电压输出电压的跃变方向。的跃变方向。2023/3/28模 拟 电 子 技 术(4)电路存在的问题电路存在的问题?2023/3/28模 拟 电 子 技 术稳压管接在稳压管接在反馈通路中反馈通路中1)当当 uI 0 时，右边的稳压管被反向击穿，时，右边的稳压管被反向击穿，uO=-UZ；2023/3/28模 拟 电 子 技 术二二.通用单阈值比较器通用单阈值比较器（1）计算阈值电压）计算阈值电压（2）画出电压传输特性）画出电压传输特性OuIuOUZUREFuI UREF UTH=UREF8uIUREF UZuo2023/3/28模 拟 电 子

21、技 术计算阈值电压计算阈值电压画电压传输特性画电压传输特性举例举例:2023/3/28模 拟 电 子 技 术报警电路例1：设计一个锅炉报警电路，当温度高过50摄氏度时报警。已知温度传感器测温范围为：0100摄氏度，对应的输出电流为420mA。50摄氏度时的电流为：50摄氏度时的电压为：三、应用2023/3/28模 拟 电 子 技 术抗干扰能力弱抗干扰能力弱 四、缺点阈值电压阈值电压2023/3/28模 拟 电 子 技 术uIRR18UREFR2R3 UZuO8.3.3 滞回比较器滞回比较器阈值电压？一、反相输入的滞回比较器一、反相输入的滞回比较器2023/3/28模 拟 电 子 技 术工作原理

22、及电压传输特性 设设uI非常小非常小，则，则 u u+，uO+UZ。此时。此时u+UT+，uIRR18UREFR2R3 UZuO增大增大U Ui,i,直至直至U UT T+，再增大，再增大,UoUo从从+UZ跃变为跃变为 U UZ Z2023/3/28模 拟 电 子 技 术工作原理及电压传输特性 设设 uI很大很大，则，则 u_ U+，uOUZ。此时此时U+UT-，减小，减小 uI，直至，直至UT-，再，再减小，减小，uO从从UZ跃变为跃变为+UZ。uIRR18UREFR2R3 UZuO2023/3/28模 拟 电 子 技 术OuItuOUT+UT-Ot应用举例应用举例 波形变换波形变换 将三

23、角波、正弦波和其它将三角波、正弦波和其它不规则信号变换成矩形脉冲。不规则信号变换成矩形脉冲。UOHUOL uI UT+后，后，uO=UOL,只有当只有当 uI下降到经过下降到经过 UT-时，时，uO 才会发生跃变。才会发生跃变。uI UT-后，后，uO=UOH只只有当有当 uI 上升到经过上升到经过 UT+时，时，uO 才会发生跃变。才会发生跃变。2023/3/28模 拟 电 子 技 术脉冲整形脉冲整形 将受到干扰的或不符合边沿要求将受到干扰的或不符合边沿要求的信号整形成较好的矩形脉冲。的信号整形成较好的矩形脉冲。OuItOuOtUT+UT-2023/3/28模 拟 电 子 技 术OuItuO

24、UT+UT-Ot脉冲幅度鉴别脉冲幅度鉴别 鉴别并取出鉴别并取出幅度幅度大于大于 UT+的脉冲。的脉冲。UOLUOH2023/3/28模 拟 电 子 技 术8.3.4 窗口比较器窗口比较器检测出输入电压是否在二个电压之间。检测出输入电压是否在二个电压之间。假定：假定：URH=5 和和 URL=2.52023/3/28模 拟 电 子 技 术电压电压传输特性？传输特性？2023/3/28模 拟 电 子 技 术 三极管三极管 值分选电路值分选电路885 V2.5 VV1V2V+15 V10 k 20 k 20 k 430 k 1 M 5 k 1.5 k 分析分析 是否 100。IB=(15-0.7)/

25、1430=0.01 mA当当 50 时，时，IC 0.5 mA，UC 2.5 V,LED 亮亮当当 50 100 时，时，2.5 V UC 100 时，时，IC 1 mA，UC 5 V LED 亮亮 解解 2023/3/28模 拟 电 子 技 术8.3.5集成电压比较器集成电压比较器对集成电压比较器的主要要求：对集成电压比较器的主要要求：1.具有较高的开环差模增益；具有较高的开环差模增益；2.具有较快的响应速度；具有较快的响应速度；3.具有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高；具有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高；4.具有较低的失调电压、失调电流及较低的温漂。具有较低的失调电压、失调电流及较低的温漂。2023/3/28模 拟 电 子 技 术本章小结本章小结1 1、掌握各种电压比较器的工作原理和传输特性，、掌握各种电压比较器的工作原理和传输特性，学会识别各种电压比较器。学会识别各种电压比较器。2 2、正确理解低通滤波电路的工作原理及其对数、正确理解低通滤波电路的工作原理及其对数幅频特性幅频特性3 3、了解其他各种滤波电路的特性及工作原理、了解其他各种滤波电路的特性及工作原理4 4、学会识别各种滤波器。、学会识别各种滤波器。2023/3/28