第08章 信號(hào)處理電路

第八章信號(hào)處理電路模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)1

第八章信號(hào)處理算電路§8.1有源濾波器§8.2電壓比較器2濾波電路的分類(lèi)1.按信號(hào)性質(zhì)分類(lèi)3.按電路功能分類(lèi)低通濾波器（LPF）；高通濾波器（HPF）帶通濾波器（BPF）；帶阻濾波器（BEF）2.按所用元件分類(lèi)§8.1有源濾波器模擬濾波器和數(shù)字濾波器無(wú)源濾波器和有源濾波器4.按階數(shù)分類(lèi)一階，二階，

…，高階

8.1.1濾波電路的基礎(chǔ)知識(shí)3傳遞函數(shù)：幅頻特性相頻特性濾波器傳遞函數(shù)（電壓放大倍數(shù)）的定義4四種典型的頻率特性f通阻f0低通通阻f0f高通f1f2f通阻阻帶通通通阻f1f2f帶阻5傳遞函數(shù)：RCR一階RC低通濾波器（無(wú)源）61.帶負(fù)載能力差。2.無(wú)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)：7通頻帶寬度（帶寬）01f0截止頻率0.707f帶寬：0-

f0設(shè)R=10k，C為下列各值時(shí)的帶寬：

C

f01F16Hz0.047F340Hz0.01F1600Hz8將兩級(jí)一階低通濾波器串接？各級(jí)互相影響！RCRCR9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(lái)就可構(gòu)成高階濾波電路，無(wú)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)。8.1.2

有源濾波器10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。11一、低通濾波器（LPF：LowPassFilter）1．一階有源低通濾波器RR1RFC+-+傳遞函數(shù)中出現(xiàn)的一次項(xiàng)，故稱(chēng)為一階濾波器。12傳遞函數(shù)也稱(chēng)為電壓放大倍數(shù)，用表示?！◣щ妷悍糯蟊稊?shù)——通帶截止頻率幅頻特性：相頻特性：13幅頻特性Aup0.707Aupf0相頻特性f電路特點(diǎn)：1.f

=0

時(shí)，2.f

=f

0

時(shí)，有放大作用幅頻特性與一階無(wú)源低通濾波器類(lèi)似3.運(yùn)放輸出，帶負(fù)載能力強(qiáng)。142．二階有源低通濾波器其中RR1C+-+CRPRF15式中Q可稱(chēng)為等效品質(zhì)因數(shù)，1/Q稱(chēng)為阻尼系數(shù)。傳遞函數(shù)中出現(xiàn)f的二次項(xiàng)，故稱(chēng)為二階濾波器。二階低通濾波器的通帶電壓放大倍數(shù)和通帶截止頻率與一階低通濾波器相同。16幅頻特性曲線0ff03dBfp17討論：（1）Q越大，f=f0時(shí)的值越大；（2）Q=1，f=f0時(shí)，，此時(shí)既可保持通頻帶內(nèi)的增益，高頻段幅頻特性又能很快衰減，還避免在f=f0處幅頻特性產(chǎn)生一個(gè)較大的凸峰，因此濾波效果較好。（3）當(dāng)Aup=3時(shí)，Ｑ，此時(shí)電路將產(chǎn)生自激振蕩，為避免自激振蕩，選擇電路元件參數(shù)時(shí)應(yīng)使RF<2R1。18RR1RFC+-+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(jiǎn)單19一階低通和二階低通幅頻特性曲線的區(qū)別：-3dBAup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。020例：如圖二階低通濾波電路中，要求f0=100kHz，Q=1，試確定電路中電阻和電容的參數(shù)值。C+-+CPRFRRR1解：選電容則由得即選則則選21二、高通濾波器(HPF：HighPassFilter)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R221．一階有源高通濾波器R1RF+-+高通濾波器R23幅頻特性：0ff0242．二階有源高通濾波器R1+-+PRFRCCR利用與二階有源低通濾波器類(lèi)似的分析方法，可得25高通濾波與低通濾波的比較：高通濾波低通濾波RCCR電路：幅頻特性互為鏡像關(guān)系26三、帶通濾波器(BPF：BandPassFilter)原理：將低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)起來(lái)，即可獲得帶通濾波器。低通高通f0低通f2f1f2f0f1高通f0通阻阻27為估算方便，設(shè)R2=2R，R3=R，則式中+RFR3CR2R1CR-+高通低通28當(dāng)f=f0時(shí)，|Au|=Aumax=Aup；而當(dāng)f增大或減小時(shí)，|Au|都將降低。當(dāng)f=0或f時(shí)，|Au|0，因此此電路具有“帶通”特點(diǎn)。中心頻率通帶電壓放大倍數(shù)29不同Q下的幅頻特性：f0/

f0.1|Au|1AupQ=1Q=5Q=10Q值愈大，通頻帶愈窄，選擇性愈好。定義：將|Au|下降到0.707Aup時(shí)所包含的頻率范圍定義為帶通濾波器的通帶寬度。30而由可知，當(dāng)Auo=3時(shí)，Aup

，產(chǎn)生自激振蕩，因此，選擇電阻時(shí)，應(yīng)保證RF<2R1。31四、帶阻濾波器(BEF：BandEliminationFilter)原理：將低通濾波器和高通濾波器并聯(lián)在一起，即可獲得帶阻濾波器。f0低通f1f0f2高通低通高通f0通阻通f1f232右圖為常用的帶阻濾波電路，在如圖電路參數(shù)時(shí)，通過(guò)分析可知電壓放大倍數(shù)為：式中中心頻率通帶電壓放大倍數(shù)+RFR/2C2CR1R-+CR高通低通33由上式可知，當(dāng)f=f0

時(shí)，|Au|=0。當(dāng)f=0或f

時(shí)，|Au|Aup

。與帶通濾波器類(lèi)似，可得帶阻濾波器的阻帶寬度為令34不同Q下的幅頻特性：f0/

f0.1|Au|1AupQ=1Q=5Q=10Q值愈大，阻帶寬度愈窄，選頻特性愈好。35§8.2電壓比較器電壓比較器：將一個(gè)模擬量輸入電壓與一個(gè)參考電壓進(jìn)行比較，并將比較的結(jié)果輸出。比較器的輸出狀態(tài)：高電平（“1”）或底電平（“0”）特點(diǎn)：運(yùn)放工作在非線性區(qū)，并經(jīng)常處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)常用的比較器：過(guò)零比較器、單限比較器、滯回比較器、雙限比較器等。比較器的閾值電壓（門(mén)限電平）：比較器的輸出電壓由一種狀態(tài)跳變到另一種狀態(tài)時(shí)相應(yīng)的輸入電壓。368.2.1

過(guò)零比較器+-AuIuououI0+Uopp-Uopp1.簡(jiǎn)單過(guò)零比較器由于理想運(yùn)放的Aod

=，因此當(dāng)uI<0時(shí),uo=+Uopp，當(dāng)uI>0時(shí)，uo=-Uopp

。這種比較器的閾值電壓（門(mén)限電平）等于0，故稱(chēng)為過(guò)零比較器。372.利用穩(wěn)壓管限幅的過(guò)零比較器uouI0+UZ-UZ+-AuIuoRVDZ利用兩個(gè)背靠背的穩(wěn)壓管實(shí)現(xiàn)限幅的過(guò)零比較器不接穩(wěn)壓管時(shí)，輸出為Uopp

，接入穩(wěn)壓管后，引入了深度負(fù)反饋，運(yùn)放工作在線性區(qū)，根據(jù)“虛地”，當(dāng)uI<0時(shí)，左邊的穩(wěn)壓管被反向擊穿，uo=+UZ；當(dāng)uI>0時(shí)，右邊的穩(wěn)壓管被反向擊穿，uo=-UZ。383.穩(wěn)壓管接在輸出端的過(guò)零比較器VDZ+-AuIuoRuouI0+UZ-UZ此電路中沒(méi)有負(fù)反饋引入，運(yùn)放工作在非線性區(qū)。過(guò)零比較器可以將輸入的正弦波變換為矩形波。39tuI例：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲ā?-AuIuotuo+Uopp-Uopp408.2.2

單限比較器（只有一個(gè)門(mén)限電平的比較器）求和型單限比較器+-AuIuoR1VDZR2R’UREF(a)電路圖當(dāng)輸入電壓uI

變化使反相輸入端的電位u-=0時(shí)，輸出端的狀態(tài)發(fā)生跳變。uouI0+UZ-UZ(b)傳輸特性418.2.3

滯回比較器（施密特觸發(fā)器）特點(diǎn)：電路中使用正反饋，運(yùn)放處于非線性狀態(tài)VDZ+-AuIuoR(a)電路圖UREFR1R2RF當(dāng)輸入電壓uI

變化使u+=u-=uI

時(shí)，輸出端的狀態(tài)發(fā)生跳變。根據(jù)虛斷特點(diǎn)可得42VDZ+-AuIuoR(a)電路圖UREFR1R2RFuo=UZ若原來(lái)uo

=+UZ，uI

逐漸增大時(shí)，使uo

從+UZ跳變到-UZ所需的門(mén)限電平用UT+表示，則：43若原來(lái)uo

=-UZ，uI

逐漸減小時(shí)，使uo

從-UZ跳變到+UZ所需的門(mén)限電平壓用UT-表示，則門(mén)限寬度（回差）：兩個(gè)門(mén)限電平的差值，用UT表示。+UZUT+-UZUT-uouI0(b)傳輸特性44例：如圖滯回比較器中，UREF=6V，UZ=4V，R2=30k，R1=7.5k，RF=10k。VDZ+-AuIuoR(a)電路圖UREFR1R2RF估算兩個(gè)門(mén)限電平UT+和UT-以及門(mén)限寬度UT；設(shè)電路其它參數(shù)不變，UREF從6V增大到18V，估算UT+、UT-及UT的值，分析傳輸特性如何變化；(3)設(shè)電路其它參數(shù)不變，UZ增大，定性分析UT+、UT-及UT如何變化。45VDZ+-AuIuoR(a)電路圖UREFR1R2RF解：(1)46(2)UREF從6V增大到18V時(shí)，可見(jiàn)當(dāng)UREF增大時(shí)，UT+和UT-同時(shí)增大，但UT不變，此時(shí)傳輸特性將向右平移，全部位于縱軸右側(cè)。47(3)其它參數(shù)不變，UZ增大時(shí)，由公式可知UT+將增大，UT-將減小，故UT將增大，即傳輸特性將向兩側(cè)伸展，門(mén)限寬度變寬。48例：設(shè)輸入為正弦波，畫(huà)出輸出的波形。VDZ+-AuIuoR(a)電路圖UREFR1R2RF0tuIUT-UT+0+UZ-UZuot滯回比較器可用于產(chǎn)生矩形波、三角波、鋸齒波等各種非正弦波信號(hào)，也可用于波形變換電路。49例：如圖滯回比較器中，R1=10k，R2=20k

，

Uopp

=12V，UREF=9V，當(dāng)輸入uI為如圖所示的波形時(shí)，畫(huà)出輸出uo的波形。+-AuIuoUREFRR1RFuI50+-AuIuoUREFRR1RF解：因?yàn)橛姓答?，所以輸出飽和。uo=Uopp若原來(lái)uo

=+Uopp

，uI逐漸增大時(shí)，使uo從+Uopp跳變到-Uopp所需的門(mén)限電平用UT+表示，則51同理：0傳輸特性+Uopp-UoppuouIUT+UT-52+-AuIuoUREFRR1RF0傳輸特性+Uopp-UoppuouIUT+UT-2V10VuIuo+Uopp-Uopp538.2.4

雙限比較器（窗孔比較器）(a)電路圖+-A1uIuoRVD1UREF1+-A2RUREF2VD2RRRL(1)當(dāng)時(shí)，A1輸出低電平，A2輸出高電平，VD1截止，VD2導(dǎo)通，輸出電壓uo為高電平。54(a)電路圖+-A1uIuoRVD1UREF1+-A2R