信號處理與信號產(chǎn)生電路

1、9.1 濾波電路的基本概念與分類濾波電路的基本概念與分類9.3 高階有源濾波電路高階有源濾波電路*9.4 開關電容濾波器開關電容濾波器9.5 正弦波振蕩電路的振蕩條件正弦波振蕩電路的振蕩條件9.2 一階有源濾波電路一階有源濾波電路9.6 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路9.7 LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路9.8 非正弦信號產(chǎn)生電路非正弦信號產(chǎn)生電路9.1 濾波電路的基本概念與分類濾波電路的基本概念與分類1. 基本概念基本概念)()()(iosVsVsA 濾波器：是一種能使有用頻率信號通過而同時抑制或衰減無濾波器：是一種能使有用頻率信號通過而同時抑制或衰減無 用頻率信號的電子裝置。用頻率信號

2、的電子裝置。有源濾波器：由有源器件構成的濾波器。有源濾波器：由有源器件構成的濾波器。濾波電路傳遞函數(shù)定義濾波電路傳遞函數(shù)定義時，有時，有 j s)(je)j ()j ( AA)()j ( A其中其中)j ( A)( 模，幅頻響應模，幅頻響應 相位角，相頻響應相位角，相頻響應群時延響應群時延響應)( d)(d)(s 9.1 濾波電路的基本概念與分類濾波電路的基本概念與分類2. 分類分類低通（低通（LPF）高通（高通（HPF）帶通（帶通（BPF）帶阻（帶阻（BEF）全通（全通（APF）end9.2 一階有源濾波電路一階有源濾波電路1. 低通濾波電路低通濾波電路c01)( sAsA 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)

3、2c0)(1)j ( AA其中其中特征角頻率特征角頻率1f01RRA RC1c 故，幅頻相應為故，幅頻相應為同相比例同相比例放大系數(shù)放大系數(shù)9.2 一階有源濾波電路一階有源濾波電路2. 高通濾波電路高通濾波電路 一階有源濾波電路通一階有源濾波電路通帶外衰減速率慢（帶外衰減速率慢（-20dB/十倍頻程），與理想情況十倍頻程），與理想情況相差較遠。一般用在對濾相差較遠。一般用在對濾波要求不高的場合。波要求不高的場合。end 低通電路中的低通電路中的R和和C交換交換位置便構成高通濾波電路位置便構成高通濾波電路9.3 高階有源濾波電路高階有源濾波電路9.3.2 有源高通濾波電路有源高通濾波電路9.3.

4、3 有源帶通濾波電路有源帶通濾波電路9.3.4 二階有源帶阻濾波電路二階有源帶阻濾波電路9.3.1 有源低通濾波電路有源低通濾波電路9.3.1 有源低通濾波電路有源低通濾波電路1. 二階有源低通濾波電路二階有源低通濾波電路2. 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)1fF1RRAV )()(PoFsVsVAV )(/1/1)(APsVsCRsCsV 對于濾波電路，有對于濾波電路，有RsVsV)()(Ai sCsVsV/1)()(oA 0)()(PA RsVsV得濾波電路傳遞函數(shù)得濾波電路傳遞函數(shù))()()(iosVsVsA 2FF)()-(31sCRsCRAAVV （二階）（二階）（同相比例）（同相比例）2. 傳遞

5、函數(shù)傳遞函數(shù)F0VAA RC1c 令令稱為稱為通帶增益通帶增益)()()(iosVsVsA 2FF)()-(31sCRsCRAAVV F31VAQ 稱為稱為特征角頻率特征角頻率稱為稱為等效品質(zhì)因數(shù)等效品質(zhì)因數(shù)則則2cn22c0)( sQsAsA濾波電路才能穩(wěn)定工作。濾波電路才能穩(wěn)定工作。時時，即即當當 3 03 FF VVAA注意：注意：2. 傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)用用 代入，可得傳遞函數(shù)的頻率響應：代入，可得傳遞函數(shù)的頻率響應： j s2c22c0)()(11lg20)j (lg20QAA 歸一化的幅頻響應歸一化的幅頻響應相頻響應相頻響應2cc)(1arctg)( Q3. 幅頻響應幅頻響應2c22

6、c0)()(11lg20)j (lg20QAA 歸一化的幅歸一化的幅頻響應曲線頻響應曲線4. n階巴特沃斯傳遞函數(shù)階巴特沃斯傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)為傳遞函數(shù)為2n0)/(1)(cAjA 式中式中n為階濾波電路階數(shù)，為階濾波電路階數(shù)， c為為3dB載止角頻率，載止角頻率，A0為通帶電為通帶電壓增益。壓增益。9.3.2 有源高通濾波電路有源高通濾波電路1. 二階高通濾波電路二階高通濾波電路 將低通電路中的電將低通電路中的電容和電阻對換，便成為容和電阻對換，便成為高通電路。高通電路。傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)2cc220)( sQssAsA2c22c0)(1)(1lg20)j (lg20QAA 歸一化的幅頻響應歸一

7、化的幅頻響應2. 巴特沃斯傳遞函數(shù)及其歸一化幅頻響應巴特沃斯傳遞函數(shù)及其歸一化幅頻響應2n0)/(1)( cAjA 歸一化幅頻響應歸一化幅頻響應9.3.3 有源帶通濾波電路有源帶通濾波電路1. 電路組成原理電路組成原理可由低通和高通串聯(lián)得到可由低通和高通串聯(lián)得到必須滿足必須滿足11H1CR 低通截止角頻率低通截止角頻率22L1CR 高通截止角頻率高通截止角頻率HL 2. 例例9.3.29.3.3 有源帶通濾波電路有源帶通濾波電路3. 二階有源帶通濾波電路二階有源帶通濾波電路 令令傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)2FF)()-(31)(sCRsCRAsCRAsAVV FF0-3VVAAA RC10 F31VAQ

8、 得得20000)(1)( sQsQsAsA 9.3.4 二階有源帶阻濾波電路二階有源帶阻濾波電路可由低通和高通并聯(lián)得到可由低通和高通并聯(lián)得到必須滿足必須滿足HL 雙雙T T選頻網(wǎng)絡選頻網(wǎng)絡9.3.4 二階有源帶阻濾波電路二階有源帶阻濾波電路雙雙T T帶阻濾波電路帶阻濾波電路9.3.4 二階有源帶阻濾波電路二階有源帶阻濾波電路阻濾波電路的幅頻特性阻濾波電路的幅頻特性 9.3.4 二階有源帶阻濾波電路二階有源帶阻濾波電路end*9.4 開關電容濾波器開關電容濾波器不作要求不作要求end9.5 正弦波振蕩電路的振蕩條件正弦波振蕩電路的振蕩條件正反饋放大電路框圖正反饋放大電路框圖（注意與負反饋方框圖

9、的差別）（注意與負反饋方框圖的差別）1. 振蕩條件振蕩條件fiaXXX 若環(huán)路增益若環(huán)路增益1 FA則則， faXX 去掉去掉， iXoX仍有穩(wěn)定的輸出。仍有穩(wěn)定的輸出。又又fafa AFFAFA所以振蕩條件為所以振蕩條件為1)()( FA振幅平衡條件振幅平衡條件2)()(fan 相位平衡條件相位平衡條件起振條件起振條件2. 起振和穩(wěn)幅起振和穩(wěn)幅電路器件內(nèi)部噪聲以及電源接通擾動電路器件內(nèi)部噪聲以及電源接通擾動1)()( FA2)()(fan 當輸出信號幅值增加到一定程度時，就要限制它繼續(xù)增當輸出信號幅值增加到一定程度時，就要限制它繼續(xù)增加，否則波形將出現(xiàn)失真。加，否則波形將出現(xiàn)失真。 噪聲中，

10、滿足相位平衡條件的某一頻率噪聲中，滿足相位平衡條件的某一頻率 0 0的噪聲信號被的噪聲信號被放大，成為振蕩電路的輸出信號。放大，成為振蕩電路的輸出信號。 穩(wěn)幅的作用就是，當輸出信號幅值增加到一定程度時，穩(wěn)幅的作用就是，當輸出信號幅值增加到一定程度時，使振幅平衡條件從使振幅平衡條件從 回到回到1 AF。 1 AFend4放大電路（包括負反饋放大電路）放大電路（包括負反饋放大電路）3. 振蕩電路基本組成部分振蕩電路基本組成部分4反饋網(wǎng)絡（構成正反饋的）反饋網(wǎng)絡（構成正反饋的）4選頻網(wǎng)絡（選擇滿足相位平衡條件的一個頻率。經(jīng)常與反饋選頻網(wǎng)絡（選擇滿足相位平衡條件的一個頻率。經(jīng)常與反饋 網(wǎng)絡合二為一。）

11、網(wǎng)絡合二為一。）4穩(wěn)幅環(huán)節(jié)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)9.6 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路1. 電路組成電路組成2. RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡的選頻特性串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡的選頻特性3. 振蕩電路工作原理振蕩電路工作原理4. 穩(wěn)幅措施穩(wěn)幅措施1. 電路組成電路組成反饋網(wǎng)絡兼做選頻反饋網(wǎng)絡兼做選頻網(wǎng)絡網(wǎng)絡RC橋式振蕩電路橋式振蕩電路反饋系數(shù)反饋系數(shù)2. RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡的選頻特性串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡的選頻特性)()()(ofsVsVsFV 幅頻響應幅頻響應又又212ZZZ 2)(31sCRsCRsCR j s且令且令RC10 則則)( j3100 VF2002)(31 VF相頻響應相頻響應3)(arctg00f 2. RC串并

12、聯(lián)選頻網(wǎng)絡的選頻特性串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡的選頻特性當當2002)(31 VF幅頻響應有最大值幅頻響應有最大值3)(arctg00f RCffRC21 100 或或 31max VF相頻響應相頻響應0f 3. 振蕩電路工作原理振蕩電路工作原理此時若放大電路的電壓增益為此時若放大電路的電壓增益為 用瞬時極性法判斷可知，電用瞬時極性法判斷可知，電路滿足相位平衡條件路滿足相位平衡條件則振蕩電路滿足振幅平衡條件則振蕩電路滿足振幅平衡條件0f 當當RC10 時，時，2fan 311f RRAV1313 VVFA電路可以輸出頻率為電路可以輸出頻率為 的正弦波的正弦波RCf210 RC正弦波振蕩電路一般用于產(chǎn)生頻率

13、低于正弦波振蕩電路一般用于產(chǎn)生頻率低于 1 MHz 的正弦波的正弦波采用非線性元件采用非線性元件4. 穩(wěn)幅措施穩(wěn)幅措施4熱敏元件熱敏元件熱敏電阻熱敏電阻起振時，起振時，311f RRAV即即1 VVFA熱敏電阻的作用熱敏電阻的作用 oV oI 功功耗耗 fR 溫溫度度 fR 阻阻值值 fR3 VA1 VVFA穩(wěn)幅穩(wěn)幅 VA采用非線性元件采用非線性元件4. 穩(wěn)幅措施穩(wěn)幅措施4場效應管（場效應管（JFET）31DS3p3 RRRAV穩(wěn)幅原理穩(wěn)幅原理 oV )(GS負負值值V DSR1 VVFA穩(wěn)幅穩(wěn)幅 VA34 CRD、整流濾波整流濾波T 壓控電阻壓控電阻 vDS iD vGS=0V -1V -2

14、V -3V 3 VA可變電阻區(qū)，可變電阻區(qū)，斜率隨斜率隨vGS不不同而變化同而變化end采用非線性元件采用非線性元件4二極管二極管穩(wěn)幅原理穩(wěn)幅原理 oV3 VA1 VVFA穩(wěn)幅穩(wěn)幅 VA31132 RRRAV起振時起振時聯(lián)聯(lián)支支路路的的等等效效電電阻阻并并和和、是是其其中中2133DD RR 3R4. 穩(wěn)幅措施穩(wěn)幅措施穩(wěn)幅環(huán)節(jié)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)9.7 LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路9.7.2 變壓器反饋式變壓器反饋式LC振蕩電路振蕩電路9.7.3 三點式三點式LC振蕩電路振蕩電路9.7.4 石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路9.7.1 LC選頻放大電路選頻放大電路9.7.1 LC選頻放大電路選頻放大電路

15、LRCLRCZ jj1)j(j1 等效損耗電阻等效損耗電阻)1j(CLRCLZ 一般有一般有LR 則則CQLQRCLZ000 當當 時，時，LC10 電路諧振。電路諧振。LC10 為諧振頻率為諧振頻率諧振時諧振時阻抗最大，且為純阻性阻抗最大，且為純阻性其中其中CLRRCRLQ1100 為品質(zhì)因數(shù)為品質(zhì)因數(shù)同時有同時有scIQI 即即sLcIII 1. 并聯(lián)諧振回路并聯(lián)諧振回路9.7.1 LC選頻放大電路選頻放大電路阻抗頻率響應阻抗頻率響應（a）幅頻響應）幅頻響應 （b）相頻響應）相頻響應 9.7.1 LC選頻放大電路選頻放大電路2. 選頻放大電路選頻放大電路9.7.2 變壓器反饋式變壓器反饋式

16、LC振蕩電路振蕩電路 雖然波形出現(xiàn)了失真，但由于雖然波形出現(xiàn)了失真，但由于LC諧振電路的諧振電路的Q值很高，選值很高，選頻特性好，所以仍能選出頻特性好，所以仍能選出 0的正弦波信號。的正弦波信號。1. 電路結構電路結構2. 相位平衡條件相位平衡條件3. 幅值平衡條件幅值平衡條件4. 穩(wěn)幅穩(wěn)幅5. 選頻選頻 通過選擇高通過選擇高增益的場效應管和調(diào)增益的場效應管和調(diào)整變壓器的匝數(shù)比，可以滿足整變壓器的匝數(shù)比，可以滿足1 FA使電路可以起振。使電路可以起振。 BJT進入非線性區(qū)，波形出現(xiàn)失真，進入非線性區(qū)，波形出現(xiàn)失真，從而幅值不再增加，達到穩(wěn)幅目的。從而幅值不再增加，達到穩(wěn)幅目的。（定性分析）（定

17、性分析）9.7.3 三點式三點式LC振蕩電路振蕩電路仍然由仍然由LC并聯(lián)諧振電路構成選頻網(wǎng)絡并聯(lián)諧振電路構成選頻網(wǎng)絡A. 若中間點交流接地，則首端與尾端若中間點交流接地，則首端與尾端 相位相反。相位相反。1. 三點式三點式LC并聯(lián)電路并聯(lián)電路 中間端的瞬時電位一定在首、尾端中間端的瞬時電位一定在首、尾端電位之間。電位之間。三點的相位關系三點的相位關系B. 若首端或尾端交流接地，則其他兩若首端或尾端交流接地，則其他兩 端相位相同。端相位相同。9.7.3 三點式三點式LC振蕩電路振蕩電路2. 電感三點式振蕩電路電感三點式振蕩電路9.7.3 三點式三點式LC振蕩電路振蕩電路3. 電容三點式振蕩電路電

18、容三點式振蕩電路9.7.4 石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路Q值越高，選頻特性越好，頻率越穩(wěn)定。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)定問題頻率穩(wěn)定度一般由頻率穩(wěn)定度一般由 來衡量來衡量0ff 頻率偏移量。頻率偏移量。f 0f振蕩頻率。振蕩頻率。LC振蕩電路振蕩電路 Q 數(shù)百數(shù)百石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路 Q 10000 5000009.7.4 石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路2. 石英晶體的基本特性與等效電路石英晶體的基本特性與等效電路結構結構極板間加電場極板間加電場極板間加機械力極板間加機械力晶體機械變形晶體機械變形晶體產(chǎn)生電場晶體產(chǎn)生電場壓電效應壓電效應交變電壓

19、交變電壓機械振動機械振動交變電壓交變電壓機械振動的固有頻率與晶片尺寸有關，穩(wěn)定性高機械振動的固有頻率與晶片尺寸有關，穩(wěn)定性高當交變電壓頻率當交變電壓頻率 = 固有頻率時，振幅最大。固有頻率時，振幅最大。 壓電諧振壓電諧振等效電路等效電路LCf21s A. 串聯(lián)諧振串聯(lián)諧振特性特性 晶 體 等 效 阻晶 體 等 效 阻抗為純阻性抗為純阻性0p121CCLCf B. 并聯(lián)諧振并聯(lián)諧振通常通常0CC 0s1CCf 所以所以很很接接近近與與 psff9.7.4 石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路2. 石英晶體的基本特性與等效電路石英晶體的基本特性與等效電路（a）代表符號）代表符號 （b）電路模型）電路模

20、型 （c）電抗）電抗-頻率響應特性頻率響應特性 9.7.4 石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路2. 石英晶體的基本特性與等效電路石英晶體的基本特性與等效電路實際使用時外接一小電容實際使用時外接一小電容Cs則新的諧振頻率為則新的諧振頻率為s0s121CCCLCf 由于由于s0CCC s0s1CCCf 由此看出由此看出 )(21s0ssCCCff；時時， 0 pssffC sss ffC 時時，調(diào)整調(diào)整之之間間變變化化和和在在可可使使 psssfffC 9.3.4 二階有源帶阻濾波電路二階有源帶阻濾波電路end3. 石英晶體振蕩電路石英晶體振蕩電路9.8 非正弦信號產(chǎn)生電路非正弦信號產(chǎn)生電路9.8.

21、2 方波產(chǎn)生電路方波產(chǎn)生電路9.8.3 鋸齒波產(chǎn)生電路鋸齒波產(chǎn)生電路9.8.1 電壓比較器電壓比較器單門限電壓比較器單門限電壓比較器遲滯比較器遲滯比較器集成電壓比較器集成電壓比較器9.8.1 電壓比較器電壓比較器，由于，由于|vO |不可能超過不可能超過VM ，特點：特點：時時， 0MIAVv 1. 單門限電壓比較器單門限電壓比較器（1）過零比較器）過零比較器開環(huán)，開環(huán)，虛短虛短不成立不成立增益增益A0大于大于105CCOEEVvV MI0OVvAv （忽略了放大器輸出級的飽和壓降）（忽略了放大器輸出級的飽和壓降）MOmaxVv 所以所以當當 |+VCC | = |-VEE | =VM = 1

22、5V，A0=105 時，時，0mV15. 01015 50M AV可以認為可以認為vI 0 時，時， vOmax = +VCCvI 0 時，時， vOmax = -VEE（過零比較器）（過零比較器）運算放大器工作在非線性狀態(tài)下運算放大器工作在非線性狀態(tài)下 MCCEE VVV 假假設設9.8.1 電壓比較器電壓比較器特點：特點：1. 單門限電壓比較器單門限電壓比較器（1）過零比較器）過零比較器開環(huán)，開環(huán)，虛短虛短不成立不成立增益增益A0大于大于105CCOEEVvV 輸入為正負對稱的正弦輸入為正負對稱的正弦波時，輸出為方波。波時，輸出為方波。電壓傳輸特性電壓傳輸特性9.8.1 電壓比較器電壓比較

23、器1. 單門限電壓比較器單門限電壓比較器（2）門限電壓不為門限電壓不為零的比較器零的比較器電壓傳輸特性電壓傳輸特性（門限電壓為（門限電壓為VREF）9.8.1 電壓比較器電壓比較器1. 單門限電壓比較器單門限電壓比較器（2）門限電壓不為門限電壓不為零的比較器零的比較器（門限電壓為（門限電壓為VREF）(a) VREF0時時(b) VREF2V時時 (c) VREF4V時時 vI為峰值為峰值6V的三角波，設的三角波，設VCC12V，運放為理想器件。，運放為理想器件。 解：解：例例圖示為另一種形式的單門限電壓比較器，試求出其門限圖示為另一種形式的單門限電壓比較器，試求出其門限電壓電壓(閾值電壓閾值

24、電壓)VT，畫出其電壓傳輸特性。設運放輸出的，畫出其電壓傳輸特性。設運放輸出的高、低電平分別為高、低電平分別為VOH和和VOL。 利用疊加原理可得利用疊加原理可得I211REF212pvvRRRVRRR 理想情況下，輸出電壓發(fā)生跳變理想情況下，輸出電壓發(fā)生跳變時對應的時對應的vPvN0，即，即0I1REF2 vRVR門限電壓門限電壓REF12IT)(VRRV v單門限比較器的抗干擾能力單門限比較器的抗干擾能力應為高電平應為高電平錯誤電平錯誤電平9.8.1 電壓比較器電壓比較器2. 遲滯比較器遲滯比較器（1）電路組成電路組成（2）門限電壓門限電壓為門限電壓，為門限電壓， Pv門限電壓門限電壓的的

25、兩兩個個的的兩兩個個電電壓壓值值可可得得有有關關，對對應應于于與與而而POOPvvvv)( OLOPI低電平低電平時，時，V vvv)( OHOPI高電平高電平時，時，V vvv21OH221REF1TRRVRRRVRV 21OL221REF1TRRVRRRVRV 上門限電壓上門限電壓下門限電壓下門限電壓回差電壓回差電壓21OLOH2TTT)(RRVVRVVV 9.8.1 電壓比較器電壓比較器2. 遲滯比較器遲滯比較器（3 3）傳輸特性傳輸特性21OH221REF1TRRVRRRVRV 21OL221REF1TRRVRRRVRV 解：解：（1）門限電壓）門限電壓（3）輸出電壓波形輸出電壓波形例例電路如圖所示，試求門限電壓，畫出傳輸特性和圖電路如圖所示，試求門限電壓，畫出傳輸特性和圖c所示輸所示輸入信號下的輸出電壓波形。入信號下的輸出電壓波形。（2）傳輸特性）傳輸特性V521OH221REF1T RRVRRRVRVV521OL221REF1T RRVRRRVRV 0REF V0V 1O V通過上述幾種電壓比較器的分析，可得出如下結論：通過上述幾種電壓比較器的分析，可得出如下結論：（1）用于電壓比較器的運放，通常工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)）用于電壓比較器的運放，通常工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)和非線性區(qū)，其輸出電