信號(hào)的處理與信號(hào)產(chǎn)生電路old

第9章信號(hào)的處理與信號(hào)產(chǎn)生電路模擬電子技術(shù)授課人：莊友誼1本章內(nèi)容簡介本章主要討論4種電路1.有源濾波器用途：信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳輸、抑制噪聲等2.正弦波振蕩電路用途：通訊、廣播、電視中用高頻信號(hào)振蕩器產(chǎn)生載波。工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都需要功率或大或小、頻率或高或低的振蕩器。3.非正弦波產(chǎn)生電路用途：信號(hào)發(fā)生器4.電壓比較器用途：波形產(chǎn)生電路，測(cè)控系統(tǒng)和電子儀器中2第9章

信號(hào)的處理與信號(hào)產(chǎn)生電路§9.1濾波電路的基本概念與分類§9.2

一階有源濾波器§9.3

高階有源濾波器§9.4

開關(guān)電容濾波器§9.5正弦振蕩電路的振蕩條件§9.6RC正弦波振蕩電路§9.7LC正弦波振蕩電路§9.8非正弦信號(hào)產(chǎn)生電路章節(jié)內(nèi)容要求了解(自學(xué))理解了解掌握掌握掌握理解理解(難點(diǎn))(重點(diǎn))(重點(diǎn)，難點(diǎn))重點(diǎn)與難點(diǎn)(重點(diǎn))3§9.1濾波電路的基本概念與分類一、

基本概念：濾波電路：使有用頻率信號(hào)通過而抑制無用頻率信號(hào)的電子裝置。工程應(yīng)用：信號(hào)處理、數(shù)據(jù)傳輸、抑制噪聲等一般結(jié)構(gòu)圖：濾波器傳遞函數(shù)：幅頻特性相頻特性

對(duì)線性時(shí)不變網(wǎng)絡(luò)：4二、濾波電路的分類1.按信號(hào)性質(zhì)分類3.按電路功能分類:低通濾波器；高通濾波器；帶通濾波器；帶阻濾波器2.按所用元件分類模擬濾波器和數(shù)字濾波器無源濾波器和有源濾波器4.按階數(shù)分類:

一階，二階…(二階及其以上的常稱為高階)5低通高通帶通帶阻四種典型的頻率特性6復(fù)習(xí)：無源濾波器的特點(diǎn)（以一階無源濾波器為例）傳遞函數(shù)：RCR§9.2一階有源濾波器71.帶負(fù)載能力差。2.無放大作用。3.特性不理想，邊沿不陡。截止頻率處：010.707o截止頻率此電路的缺點(diǎn)：8將兩級(jí)一階低通濾波器串接？各級(jí)互相影響！RCRCR9一階有源低通濾波器傳遞函數(shù)中出現(xiàn)

的一次項(xiàng)，故稱為一階濾波器。RR1RFC+-+10幅頻特性：相頻特性：11有放大作用3.運(yùn)放輸出，帶負(fù)載能力強(qiáng)。幅頻特性與一階無源低通濾波器類似電路的特點(diǎn)：2.=o時(shí)1.=0

時(shí)12有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)：1.不使用電感元件，體積小重量輕。2.有源濾波電路中可加電壓串聯(lián)負(fù)反饋，使輸入電阻高、輸出電阻低，輸入輸出之間具有良好的隔離。只需把幾個(gè)低階濾波電路串起來就可構(gòu)成高階濾波電路，無需考慮級(jí)間影響。3.除濾波外，還可放大信號(hào)，放大倍數(shù)容易調(diào)節(jié)。13有源濾波器的缺點(diǎn)：1.不宜用于高頻。2.不宜在高電壓、大電流情況下使用。3.可靠性較差。4.使用時(shí)需外接直流電源。14解出：其中：RR1RFC+-+CRP§9.3高階有源濾波器傳遞函數(shù)中出現(xiàn)

的二次項(xiàng)，故稱為二階濾波器。9.3.1有源低通濾波器1503dB等效品質(zhì)因數(shù)16R1=

時(shí)：AF=1

=o時(shí)：RC+-+CRP17RR1RFC+-+RR1RFC+-+由低階有源濾波器構(gòu)成高階有源濾波器例：兩個(gè)一階有源濾波器串接構(gòu)成二階有源濾波器。分析簡單18一階低通和二階低通幅頻特性曲線的區(qū)別：-3dBAF理想低通一階低通二階低通階數(shù)越高，幅頻特性曲線越接近理想濾波器。019如何組成一階有源高通濾波器？將低通濾波器中的R、C對(duì)調(diào)，低通濾波器就變成了高通濾波器。RCR1RF+-+低通濾波器R1RF+-+高通濾波器R9.3.2有源高通濾波器20一階有源高通濾波器的傳遞函數(shù)R1RF+-+高通濾波器R21幅頻特性：0o22試畫出二階有源高通濾波器的電路二階有源高通濾波器求出二階有源高通濾波器的傳遞函數(shù)，并粗略畫出它的幅頻特性傳遞函數(shù)RR1RFC+-+CRP23幅頻特性249.3.3有源帶通濾波器怎樣組成有源帶通濾波電路？電路組成原理低通高通組成電路例子25提問：據(jù)你所知，在那些地方要用到波形產(chǎn)生電路,請(qǐng)列舉2～3個(gè)地方。信號(hào)發(fā)生器

廣播、電視、通訊系統(tǒng)中的載波

高頻感應(yīng)加熱

超聲波焊接

核磁共振成像

等等26如果：則去掉仍有信號(hào)輸出?；痉糯箅娐稟o反饋電路F反饋信號(hào)代替了放大電路的輸入信號(hào),產(chǎn)生了自激振蕩基本放大電路Ao反饋電路F+

+§9.5正弦振蕩電路的振蕩條件27自激振蕩條件的推導(dǎo)基本放大電路Ao反饋電路F+

+28FAo=1自激振蕩的條件基本放大電路Ao反饋電路F29如果：正反饋?zhàn)銐驈?qiáng),輸入信號(hào)為0時(shí)仍有信號(hào)輸出，這就是產(chǎn)生了自激振蕩。要獲得正弦自激振蕩,反饋回路中必須有選頻電路。提問：要獲得正弦自激振蕩，還要加什么電路？考慮到頻率響應(yīng)，將放大倍數(shù)和反饋系數(shù)寫成：30自激振蕩的條件：因?yàn)椋核裕约ふ袷帡l件也可以寫成：（1）振幅平衡條件：（2）相位平衡條件：n是整數(shù)相位平衡條件意味著振蕩電路必須是正反饋；振幅平衡條件可以通過調(diào)整放大電路的放大倍數(shù)達(dá)到。31問題1：如何起振？Uo

是振蕩器的電壓輸出幅度，B是要求輸出的幅度。起振時(shí)Uo=0，達(dá)到穩(wěn)定振蕩時(shí)Uo=B。放大電路中存在噪聲即瞬態(tài)擾動(dòng)，這些擾動(dòng)可分解為各種頻率的分量，其中也包括有fo分量。選頻網(wǎng)絡(luò)：把fo分量選出，把其他頻率的分量衰減掉。這時(shí)，只要：|AF|>1，且A+B=2n，即可起振?！鹫駰l件32問題2：如何穩(wěn)幅？起振后，輸出將逐漸增大，若不采取穩(wěn)幅，這時(shí)若|AF|仍大于1，則輸出將會(huì)飽和失真。達(dá)到需要的幅值后，將參數(shù)調(diào)整為AF=1，即可穩(wěn)幅。具體方法將在后面具體電路中介紹。起振并能穩(wěn)定振蕩的條件：33起振條件和穩(wěn)幅原理振蕩建立與穩(wěn)定過程圖起振條件：結(jié)果：產(chǎn)生增幅振蕩（略大于）1、被動(dòng)：器件非線性2、主動(dòng)：在反饋網(wǎng)絡(luò)中加入非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，用以調(diào)節(jié)放大電路的增益穩(wěn)幅：34振蕩電路的基本組成：放大電路、反饋網(wǎng)絡(luò)、選頻環(huán)節(jié)、穩(wěn)幅環(huán)節(jié)。選頻網(wǎng)絡(luò)：RC正弦波振蕩器——低頻（<1MHz）LC（及石英晶體）振蕩器————高頻（>1MHz）35§9.6RC振蕩電路用RC電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路即所謂的RC振蕩電路，可選用的RC選頻網(wǎng)絡(luò)有多種，這里只介紹文氏橋選頻電路。R1C1R2C2一、選頻電路:36時(shí)，相移為0。R1C1R2C237如果：R1=R2=R，C1=C2=C，則：傳遞函數(shù)：相頻特性：幅頻特性：fof+90–90f38RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線39二、用運(yùn)放組成的RC振蕩器所以，要滿足相位條件，只有在fo

處因?yàn)椋簎o_++R2RCRCR140能自行啟動(dòng)的電路（1）uotRtuo半導(dǎo)體熱敏電阻起振時(shí)，RT略大于2R1，使|AF|>1，以便起振；_++RTRCRCR1tuo起振后，uo逐漸增大則RT逐漸減小，使得輸出uo為某值時(shí)，|AF|=1，從而穩(wěn)幅。A41能自行啟動(dòng)的電路（2）R22為一小電阻，使(R21+R22)略大于2R1，|AF|>1，以便起振；_++R21RCCR1R22D1D2隨著uo的增加，R22逐漸被短接，A自動(dòng)下降到使|AF|=1，使得輸出uo穩(wěn)定在某值。42例1：

⑴試分析D1、D2自動(dòng)穩(wěn)幅原理；⑵估算輸出電壓V0m；(VD=0.6V)⑶試畫出若R2短路時(shí)，輸出電壓V0的波形；⑷試畫出若R2開路時(shí)，輸出電壓V0的波形；解：⑴穩(wěn)幅原理

當(dāng)v0幅值很小時(shí)，D1、D2接近開路，R’3=2.7K。

當(dāng)v0幅值較大時(shí)，D1或D2導(dǎo)通，R’3減小，AV下降。V0幅值趨與穩(wěn)定。43⑵估算輸出電壓V0m(VD=0.6V)I44⑶若R2短路時(shí)(4)若R2開路時(shí)，輸出電壓V0的波形AV<3，電路停振，輸出電壓V0的波形為45輸出頻率的調(diào)整：通過調(diào)整R或/和C來調(diào)整頻率。_++RFuoRCCRKKR1R1R2R2R3R3C：雙聯(lián)可調(diào)電容，改變C，用于細(xì)調(diào)振蕩頻率。K：雙聯(lián)波段開關(guān)，切換R，用于粗調(diào)振蕩頻率。46電子琴的振蕩電路電路：_++RF1uoR1CCRD1D1RF2R28R27R26R25R24R23R22R2147三、用分立元件組成的RC振蕩器RCRC+UCCR1C2C3R3R2RE2C1RC2T1RE1CET2RC1RF++++–+++–––+ubeRC網(wǎng)絡(luò)正反饋，RF、RE1組成負(fù)反饋，調(diào)整到合適的參數(shù)則可產(chǎn)生振蕩。48三、RC移相式正弦撥振蕩器1、超前型:ViVoCR492、滯后型ViVoCR503、電路ViRf

Rp

R1VoRRRCCC放大器:φA=1800三級(jí)RC網(wǎng)絡(luò):

00

<φF<2700總存在某一頻率,使:φF=1800從而使:φA+φF=360051§9.7LC振蕩電路LC振蕩電路的選頻電路由電感和電容構(gòu)成，可以產(chǎn)生高頻振蕩。由于高頻運(yùn)放價(jià)格較高，所以一般用分離元件組成放大電路。本節(jié)只對(duì)LC振蕩電路做一簡單介紹，重點(diǎn)掌握相位條件的判別?！?.7.1LC選頻網(wǎng)絡(luò)CLRR為電感線圈中的電阻52CLR通常R?ωL諧振時(shí)：諧振頻率：品質(zhì)因素并聯(lián)諧振時(shí)總電流與電感支路電流或電容支路電流之比。53

Q值越大，曲線較陡較窄。

諧振曲線并聯(lián)諧振電路的諧振阻抗輸入電流IS和IL或IC的關(guān)系諧振時(shí)LC并聯(lián)諧振電路相當(dāng)一個(gè)電阻。通常Q>>1，所以IC≈IL>>IS諧振時(shí)回路電流比總電流大的多，外界對(duì)諧振回路的影響可以忽略！54選頻放大電路55§9.7.2變壓器反饋式LC振蕩電路

工作原理：三極管共射放大器。利用互感線圈的同名端：

滿足相位條件。振蕩頻率:判斷是否是正反饋:用瞬時(shí)極性法判斷56(+)(-)(+)(+)(+)(+)(+)(+)LC正弦波振蕩器舉例反饋滿足相位平衡條件滿足相位平衡條件反饋57++–+正反饋

LC正弦波振蕩器舉例振蕩頻率:–+UCCCC1Luo滿足相位平衡條件58++––+例1：正反饋+UCCCC1C2頻率由LC諧振網(wǎng)絡(luò)決定。5960仍然由LC并聯(lián)諧振電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)A.若中間點(diǎn)交流接地，則首端與尾端相位相反?！?.7.3三點(diǎn)式LC振蕩電路原理：電容三點(diǎn)式電感三點(diǎn)式中間端的瞬時(shí)電位一定在首、尾端電位之間。三點(diǎn)的相位關(guān)系B.若首端或尾端交流接地，則其他兩端相位相同。611.電感三點(diǎn)式LC振蕩電路(Hartley振蕩電路)振蕩頻率：622.電容三點(diǎn)式LC振蕩電路(Colpitts振蕩電路)振蕩頻率：63例：試判斷下圖所示三點(diǎn)式振蕩電路是否滿足相位平衡條件。64例：正反饋頻率由C、

L1、

L2諧振網(wǎng)絡(luò)決定。+UCCCC1L1L2C2uL1uL2uC設(shè)uB

uC

uD

uB

uL2

ube

uL1

D65例：正反饋設(shè)uB

uC

uC1

uC2

uB

頻率由L、

C1、

C2組成的諧振網(wǎng)絡(luò)決定。+UCCC1LC2ABC+––+uLuC1

uC1減小時(shí)，uC2如何變化？設(shè)L、

C1、

C2組成的諧振網(wǎng)絡(luò)中的電流為i，則ii66例：正反饋+UCCC1C2設(shè)uB

uC

uE

ube

uA

AECBube

+–uC1

頻率由L、

C1、

C2組成的諧振網(wǎng)絡(luò)決定。676869§9.7.4石英晶體振蕩器Q值越高，選頻特性越好，頻率越穩(wěn)定。1.頻率穩(wěn)定問題頻率穩(wěn)定度一般由來衡量——頻率偏移量?！袷庮l率。LC振蕩電路Q——數(shù)百石英晶體振蕩電路Q——10000500000702.石英晶體(2)基本特性(1)結(jié)構(gòu)：極板間加電場(chǎng)極板間加機(jī)械力晶體機(jī)械變形晶體產(chǎn)生電場(chǎng)壓電效應(yīng)交變電壓機(jī)械振動(dòng)交變電壓機(jī)械振動(dòng)的固有頻率與晶片尺寸有關(guān)，穩(wěn)定性高當(dāng)交變電壓頻率=固有頻率時(shí)，振幅最大

→壓電諧振71(3)石英晶體的等效電路與頻率特性等效電路：a)串聯(lián)諧振頻率特性：

晶體等效阻抗為純阻性b)并聯(lián)諧振通常所以72實(shí)際使用時(shí)外接一小電容Cs則新的諧振頻率為由于由此看出調(diào)整733.石英晶體振蕩電路利用石英晶體的高品質(zhì)因數(shù)的特點(diǎn)，構(gòu)成LC振蕩電路。(1)并聯(lián)型石英晶體振蕩器

石英晶體工作在fs與fp之間，相當(dāng)一個(gè)大電感，與C1、C2組成電容三點(diǎn)式振蕩器。由于石英晶體的Q值很高，可達(dá)到幾千以上，所示電路可以獲得很高的振蕩頻率穩(wěn)定性。74(2)并聯(lián)型石英晶體振蕩器

石英晶體工作在fs處，呈電阻性，且阻抗最小，正反饋?zhàn)顝?qiáng)。該電路為電感三點(diǎn)式振蕩器。加入石英晶體是利用石英晶體的高Q值，提高振蕩頻率的穩(wěn)定性。75§9.8非正弦信號(hào)產(chǎn)生電路9.8.1比較器

將一個(gè)模擬電壓信號(hào)與一參考電壓相比較，輸出一定的高低電平。功能：特性：運(yùn)放組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出與輸入的關(guān)系uo=f(ui)是非線性函數(shù)。761.運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)的判定：電路開環(huán)或引入正反饋。運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)基本分析方法2.運(yùn)放工作在非線性狀態(tài)的分析方法：若U+＞U-

則UO=+UOM；若U+＜U-

則UO=-UOM。

虛斷（運(yùn)放輸入端電流=0）

注意：此時(shí)不能用虛短！77uoui0+UOM-UOM++uoui1.過零比較器:

（門限電平=0）++uouiuoui0+UOM-UOM一.單門限電壓比較器78++uouituituo+Uom-Uom例：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲ā?92.單門限比較器（與參考電壓比較）++uouiUREFuoui0+Uom-UomUREFUREF為參考電壓當(dāng)ui>UREF時(shí),uo=+Uom當(dāng)ui<UREF時(shí),uo=-Uom

運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)80++uouiUREFuoui0+Uom-UomUREF當(dāng)ui<UREF時(shí),uo=+Uom當(dāng)ui>UREF時(shí),uo=-Uom

若ui從反相端輸入81++uiuoui0+UZ-UZ用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓uoUZuoui0+UOM-UOM++uoui忽略了UD3.限幅電路——使輸出電壓穩(wěn)定82穩(wěn)幅電路的另一種形式：將雙向穩(wěn)壓管接在負(fù)反饋回路上++uiuoUZR′R_uoui0+UZ-UZR′=R83二.遲滯比較器1.遲滯比較器特點(diǎn):電路中使用正反饋。1、因?yàn)橛姓答?，所以輸出飽和?、當(dāng)uo正飽和時(shí)(uo=+UOM)：+om211+UURRRUT=+=3、當(dāng)uo負(fù)飽和時(shí)(uo=-UOM)：-om211+UURRRUT=+-=－++uoRR2R1uiU+84－++uoRR2R1uiU+uoui0+Uom-UomUT+UT-設(shè)ui

,當(dāng)ui=<UT-,

uo從-UOM+UOM這時(shí),uo=-UOM,U+=UT-設(shè)初始值:

uo=+UOM,U+=UT+設(shè)ui

,當(dāng)ui=>UT+,

uo從+UOM-UOM85傳輸特性u(píng)oui0+Uom-UomUT+UT-UT+上門限電壓UT-下門限電壓UT+-UT-稱為回差om211URRR+=+UTom211URRR+=--UT86tuiUT+UT-tuoUom-Uom例:設(shè)輸入為正弦波,畫出輸出的波形。－++uoRR2R1uiU+87加上參考電壓后的遲滯比較器：上下限：uoui0UT-UT+傳輸特性+UZ-UZ88例：R1=10k，R2=10k

，UZ=6V，UR=10V。當(dāng)輸入ui為如圖所示的波形時(shí)，畫出輸出uo的波形。上下限：893V8Vuiuo+UZ-UZ901.電路結(jié)構(gòu)由滯回比較電路和RC定時(shí)電路構(gòu)成的上下限:－++RR1R2Cucuo9.8.2方波發(fā)生器912.工作原理：(1)設(shè)uo

=

+UOM,此時(shí)，輸出給C充電,uc

則：u+=UT+－++RR1R2C+ucuo0tuoUOM-UOMucUT+0t一旦uc>UT+

,就有u->u+,在uc<UT+

時(shí)，u-

<u+,uo

立即由＋UOM

變成－UOM

,設(shè)uC初始值uC(0+)=0方波發(fā)生器uo保持+UOM不變UOM92此時(shí)，C經(jīng)輸出端放電,再反向充電(2)當(dāng)uo

=

-UOM時(shí)，u+=UT-uc達(dá)到UT-時(shí)，uo上翻－++RR1R2C+ucuoUT+uctUT-當(dāng)uo

重新回到＋UOM

以后，電路又進(jìn)入另一個(gè)周期性的變化。-UOM930UT+uctUT-UOMuo0t-UOMT周期與頻率的計(jì)算：－++RR1R2C+ucuof=1/T此期間是分析問題時(shí)的假設(shè),實(shí)際上用示波器觀察波形時(shí)看不到這段波形.94－++RR1R2C+ucuo0UT+uctUT-+UOM-UOMT1T2TT=T1+T2=2T2，因正反向充電條件一樣T1=T2。uc(t)=UC()+UC(0+)-UC()e,=RC-tT2階段uc(t)的過渡過程方程為:950UT+uctUT-+UOM-UOMT1T2Tuc(t)=UC()+UC(0+)-UC()e,=RC-tUC(0+)=UC()=+UOMt=T2時(shí),uc(t=T2)=)21ln(21RRRCT2+=96思考題：點(diǎn)b是電位器RW

的中點(diǎn)，點(diǎn)a

和點(diǎn)c

是b的上方和下方的某點(diǎn)。試定性畫出點(diǎn)電位器可動(dòng)端分別處于

a、b、c三點(diǎn)時(shí)的uo-uc

相對(duì)應(yīng)的波形圖。－-+++RWR1R2CucuoD1D2abc設(shè)Rwa>RwcUOMuo0t-UOM97反向積分電路方波發(fā)生器電路一：方波發(fā)生器矩形波積分電路三角波－++RR1R2C+uc-++RR2Cuo此電路要求前后電路的時(shí)間常數(shù)配合好，不能讓積分器飽和。9.8.3鋸齒波發(fā)生器98－++RR1R2C+uc-++RR2Cuouo1uo三角波的周期由方波發(fā)生器確定，其幅值也由周期T和參數(shù)R、C決定。0uo1tUom-Uom99電路二：電路一的改型－++－++A1A2uouo1R02R01RCR2R1反向積分電路上行遲滯比較器特點(diǎn)：由上行的遲滯比較器和反相積分器級(jí)聯(lián)構(gòu)成，遲滯比較器的輸出作為反相積分器的輸入，反相積分器的輸出又作為遲滯比較器的輸入。100－++uoRR2R1uiuoui0Uom-UomUHUL上行的遲滯比較器回顧:上下門限電壓：101回顧:反相積分器ui-++RR2Cuoui=-Uui=+Utuo0+Uom-Uom102－++－++A1A2uouo1R02R01RCR2R100uo1t＋UOM－UOMuotUHUL103周期和頻率的計(jì)算：tuoUHULT－++－++A1A2uouo1R02R01RCR2R1T1T2104電路三：是電路二的改型電路調(diào)整電位器RW可以使三角波上下移動(dòng)。即給純交流的三角波疊加了一個(gè)直流分量。+E-ERW－++－++A1A2uouo1R02R01RCR2R1105tuoT1T2-－++R2R1++R′R2CuoR+–T1

時(shí)間段，電容C通過R′

放電T2

時(shí)間段，電容C通過R充電充放電的

時(shí)間T1、T2可通過R、R'調(diào)整。當(dāng)R'=0時(shí)，則為鋸齒波發(fā)生器。