第9章信號(hào)的處理與變換

第9章信號(hào)的處理與變換9.1引言9.2有源濾波器9.3開關(guān)電容濾波器9.4模擬乘法器9.5調(diào)制與解調(diào)9.6鎖相環(huán)9.7運(yùn)算放大器在信號(hào)處理電路中的應(yīng)用1.有源濾波器包括哪幾種？特性如何？2.如何分析與設(shè)計(jì)有源濾波器？3.開關(guān)電容濾波器的電路結(jié)構(gòu)如何？開關(guān)電容濾波器具有什么特點(diǎn)？適用于什么場(chǎng)合？4.如何分析模擬乘法器所構(gòu)成的運(yùn)算電路？5.何謂調(diào)制和解調(diào)？標(biāo)準(zhǔn)調(diào)幅波中有哪幾種頻率成分？應(yīng)用哪種電路對(duì)其解調(diào)？6.鎖相環(huán)由哪幾部分組成？各部分作用？7.運(yùn)算放大器在信號(hào)變換電路中有哪些典型應(yīng)用？9.1引言9.2有源濾波器9.2.1濾波器的分類與分析方法1.分類：低通濾波器LPFfpfO通阻ffpO通阻f1fO通通阻f2fO通阻阻f1f2高通濾波器HPF帶通濾波器BPF帶阻濾波器BEF無(wú)源低通濾波器：電壓放大倍數(shù)為——通帶截止頻率由對(duì)數(shù)幅頻特性知，具有“低通”的特性。

電路缺點(diǎn)：電壓放大倍數(shù)低，只有１，且?guī)ж?fù)載能力差。

解決辦法：利用集成運(yùn)放與RC電路組成有源濾波器。頻率趨于零，電容容抗趨于無(wú)窮大Aup＝1有源濾波電路無(wú)源濾波電路受負(fù)載影響很大，濾波特性較差。為了提高濾波特性，可使用有源濾波電路。有源濾波電路組成電路時(shí)，應(yīng)選用帶寬合適的集成運(yùn)放輸出量的象函數(shù)與輸入量的象函數(shù)之比*U、I、R、C、L的象函數(shù)表示方法2.分析方法：9.2.2有源低通濾波器掌握有源濾波電路的組成、特點(diǎn)及分析方法。一、一階低通濾波器1.傳遞函數(shù)一階低通濾波電路RF用jω取代s，且令f0=1/(2πRC)，得出電壓放大倍數(shù)f0稱為特征頻率——通帶電壓放大倍數(shù)可見：一階低通有源濾波器與無(wú)源低通濾波器的通帶截止頻率相同；但通帶電壓放大倍數(shù)得到提高。

缺點(diǎn)：一階低通有源濾波器在f>f0時(shí)，濾波特性不理想。對(duì)數(shù)幅頻特性下降速度為-20dB/十倍頻。

解決辦法：采用二階低通有源濾波器。2.通帶電壓放大倍數(shù)二、二階低通濾波器1.傳遞函數(shù)簡(jiǎn)單二階低通電路RF用jω取代s，且令f0=1/(2πRC)2.通帶電壓放大倍數(shù)簡(jiǎn)單二階低通電路的幅頻特性輸入電壓經(jīng)過(guò)兩級(jí)RC低通電路，在高頻段，對(duì)數(shù)幅頻特性以-40dB/十倍頻的速度下降，使濾波特性比較接近于理想情況。令電壓放大倍數(shù)分母的模等于

可解出通帶截止頻率fH=0.37f0問(wèn)題：在f=f0附近，輸出幅度衰減大，fH遠(yuǎn)離f0

引入正反饋，可以增大放大倍數(shù)，使fH接近f0濾波特性趨于理想。3.通帶截止頻率簡(jiǎn)單二階低通電路的幅頻特性壓控電壓源二階低通濾波電路壓控電壓源二階低通濾波電路三、二階壓控型低通濾波器用jω取代s，且令f0=1/(2πRC)1.傳遞函數(shù)2.頻率響應(yīng)9.2.3有源高通濾波器高通濾波電路與低通濾波電路具有對(duì)稱性壓控電壓源二階高通濾波電路無(wú)限增益多路反饋二階高通濾波電路1.傳遞函數(shù)可見高通濾波電路與低通濾波電路的對(duì)數(shù)幅頻特性互為“鏡像”關(guān)系。2.頻率響應(yīng)9.2.4有源帶通濾波器(BPF)只允許某一段頻帶內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，將此頻帶以外的信號(hào)阻斷。低通高通fp1fO低通ffp2O高通阻阻fp1fp2fO通1.電路組成2.傳遞函數(shù)——比例系數(shù)3.通帶電壓放大倍數(shù)——中心頻率——通帶電壓放大倍數(shù)——中心頻率BW

=

fH–

fL=f0/Q——通頻帶4.通帶截止頻率5.頻率響應(yīng)9.2.5有源帶阻濾波器(BEF)在規(guī)定的頻帶內(nèi)，信號(hào)被阻斷，在此頻帶以外的信號(hào)能順利通過(guò)。低通高通f2f1fO通阻通fO低通f1f2fO高通1.電路組成有源帶阻濾波電路2.傳遞函數(shù)3.通帶電壓放大倍數(shù)有源帶阻濾波電路4.通帶截止頻率BW＝fH–

fL＝f0

/Q5.頻率特性帶阻濾波器的幅頻特性9.2.6全通濾波器1.傳遞函數(shù)全通濾波電路全通濾波電路2.頻率特性全通濾波電路的相頻特性9.2.7狀態(tài)變量型有源濾波器（自學(xué)）一、狀態(tài)變量型有源濾波電路的傳遞函數(shù)二、狀態(tài)變量型有源濾波電路的組成三、集成狀態(tài)變量型濾波電路AF100）9.2.8三種典型的濾波特性切比雪夫(Chebyshev)濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q，也稱為濾波器的截止特性系數(shù)。其值決定于f=fo附近的頻率特性。按照f(shuō)=fo附近頻率特性的特點(diǎn)，可將濾波器分為:巴特沃思（Butterworth）貝塞爾（Bessel）9.2.9集成有源濾波器三種類型二階LPF幅頻特性9.4模擬乘法器模擬乘法器可用來(lái)實(shí)現(xiàn)乘、除、乘方和開方運(yùn)算電路在電子系統(tǒng)之中用于進(jìn)行模擬信號(hào)的處理。輸出電壓正比于兩個(gè)輸入電壓之積uo=KuI1uI2uI1uI2uO模擬乘法器符號(hào)比例系數(shù)K為正值——同相乘法器；比例系數(shù)K為負(fù)值——反相乘法器。理想模擬乘法器具備的條件ri1和ri2為無(wú)窮大；ro為零；k值不隨信號(hào)幅值而變化，且不隨頻率而變化；當(dāng)uX或uY為零時(shí)uo為零，電路沒(méi)有失調(diào)電壓、噪聲。模擬乘法器有單象限、兩象限和四象限。模擬乘法器輸入信號(hào)的四個(gè)象限

設(shè)想：使恒流源電流I與另一個(gè)輸入電壓uI2成正比，則uO正比于uI1與uI2的乘積。當(dāng)uI2>>uBE3時(shí)，一、變跨導(dǎo)型模擬乘法器uI1可正可負(fù)，但uI2必須大于零。故圖為兩象限模擬乘法器兩象限模擬乘法器9.4.1模擬乘法器的基本原理二、對(duì)數(shù)反對(duì)數(shù)型模擬乘法器一、集成模擬乘法器的主要參數(shù)9.4.2集成模擬乘法器二、常用集成模擬乘法器1.輸出失調(diào)電壓2.滿量程總誤差3.饋通誤差4.非線性誤差5.小信號(hào)帶寬6.轉(zhuǎn)換速率9.4.3模擬乘法器構(gòu)成的運(yùn)算電路一、乘方運(yùn)算N次方運(yùn)算電路N次方運(yùn)算電路uIuO平方運(yùn)算電路u01=k1lnuIu02=k1k2NlnuI取k=1，則N>1時(shí)，電路實(shí)現(xiàn)高次冪運(yùn)算電路。利用反函數(shù)型運(yùn)算電路的基本原理，將模擬乘法器放在集成運(yùn)放的反饋通路中，便可構(gòu)成除法運(yùn)算電路。因?yàn)閕1=i2，所以：則：二、除法運(yùn)算電路除法運(yùn)算電路三、開方運(yùn)算電路利用乘方運(yùn)算電路作為集成運(yùn)放的反饋通路，就可構(gòu)成開方運(yùn)算電路。圖a電路可能會(huì)出現(xiàn)閉鎖現(xiàn)象，可用圖b電路處理a平方根運(yùn)算電路b防止閉鎖的平方根電路調(diào)制在時(shí)域上是用一個(gè)低頻信號(hào)對(duì)一高頻信號(hào)某一特征參量進(jìn)行的控制。低頻信號(hào)稱為調(diào)制信號(hào)，高頻信號(hào)稱為載波信號(hào)，而調(diào)制出來(lái)的信號(hào)稱為已調(diào)制信號(hào)。調(diào)制：將低頻信息加載到作為信息載體的高頻信號(hào)上，以便傳輸?shù)男盘?hào)處理過(guò)程。

解調(diào)：調(diào)制的逆過(guò)程，是指接收到空間傳輸?shù)碾姴ㄒ院?，將調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào)分離的信號(hào)處理過(guò)程。9.5調(diào)制與解調(diào)9.5.1調(diào)制與解調(diào)的基本概念9.5.2幅度調(diào)制一、調(diào)幅波的頻譜調(diào)制信號(hào)載波信號(hào)調(diào)幅波調(diào)幅波的帶寬二、調(diào)幅波信號(hào)中各分量的功率載波功率上邊頻功率、下邊頻功率調(diào)幅波的功率三、調(diào)幅電路uxuO用模擬乘法器實(shí)現(xiàn)調(diào)幅的原理uy9.5.3幅度波的解調(diào)一、峰值檢波器二、同步檢波器us同步檢波方框圖uREFLPF9.6鎖相環(huán)9.6.1模擬鎖相環(huán)的基本結(jié)構(gòu)鎖相環(huán)是一個(gè)相位反饋?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)，它的英文全稱是Phase-LockedLoop，簡(jiǎn)稱PLL，下圖為PLL電路的基本框圖：

一、鑒相器作用：用于檢測(cè)兩個(gè)輸入信號(hào)的相位差。二、環(huán)路濾波器作用：將鑒相器的輸出含有文波的直流信號(hào)平均化，將此變成交流成分少的直流信號(hào)的低通濾波器。三、壓控振蕩器它是一種可變頻的振蕩器，振蕩頻率受輸入電壓控制，用輸入的直流信號(hào)控制振蕩頻率。9.6.2模擬鎖相環(huán)的工作原理一、基本概念1.頻率牽引在uE(t)的控制下，輸出信號(hào)頻率fo向輸入信號(hào)頻率fi趨近。2.捕捉過(guò)程及捕捉帶從環(huán)路失鎖到環(huán)路鎖定的過(guò)程就是捕捉過(guò)程。3.環(huán)路跟蹤及同步帶環(huán)路鎖定后，鎖相環(huán)處于一個(gè)動(dòng)態(tài)跟蹤狀態(tài)，有能力使輸出頻率始終同步跟蹤輸入頻率。二、鎖相環(huán)的基本特性1.鎖定狀態(tài)無(wú)頻差鎖定后，輸出頻率與參考頻率的頻差為零，只存在一個(gè)穩(wěn)定的相位差，成為一個(gè)無(wú)靜態(tài)誤差的自動(dòng)頻率控制系統(tǒng)。2.窄帶跟蹤特性若載波頻率發(fā)生緩慢變化時(shí)，輸出中心頻率能夠自動(dòng)跟蹤。3.調(diào)制跟蹤特性如輸入頻率在一定范圍內(nèi)瞬時(shí)變化，環(huán)路的輸出頻率也可自動(dòng)跟隨輸入頻率瞬時(shí)變化。9.6.3集成鎖相環(huán)一、CC4046的內(nèi)部結(jié)構(gòu)123456789101112131415164046二、工作原理1.相位比較器Ⅰ相位比較器Ⅰ采用