第10章信號處理與信號產(chǎn)生電路-2016-04-25(1)

1、本章主要內容本章主要內容10.1 濾波電路濾波電路的基本概念與分類的基本概念與分類10.5 正弦波振蕩電路的振蕩條件正弦波振蕩電路的振蕩條件10.6 RC 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路10.7 LC 正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路10.8 非正弦信號產(chǎn)生電路非正弦信號產(chǎn)生電路信號處理信號處理信號產(chǎn)生信號產(chǎn)生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：濾波器：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)()

2、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 是一種能使有用頻率信號通過是一種能使有用頻率信號通過 而同時抑制或衰減而同時抑制或衰減 無用頻率信號的電子裝置。無用頻率信號的電子裝置。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） 帶通帶通（BPF） 高通高通（HPF） 帶阻帶阻（BEF）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 全通全通（APF）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從能量的觀點看：從能量的觀點看：

3、放大電路：在輸入信號的控制下，將直流電源提供的能量轉換放大電路：在輸入信號的控制下，將直流電源提供的能量轉換 為按輸入信號規(guī)律變化的交變能量的電路，為按輸入信號規(guī)律變化的交變能量的電路，正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路：不需要輸入信號就能自動將直流電源的能量：不需要輸入信號就能自動將直流電源的能量 轉變?yōu)檗D變?yōu)?特定頻率特定頻率和和振幅振幅 的正弦交變能量的電路。的正弦交變能量的電路。問題：模擬電子實驗室使用的信號發(fā)生器，問題：模擬電子實驗室使用的信號發(fā)生器， 可以輸出可以輸出 正弦波正弦波、方波、三角波，、方波、三角波， 其中的其中的 正弦波正弦波 是如何產(chǎn)生的？是如何產(chǎn)生的？本章要解決的本章要

4、解決的重點重點問題之一！問題之一！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非周期信號頻域分析：非周期信號頻域分析：時域持續(xù)越寬的信號時域持續(xù)越寬的信號, 其頻域的頻譜越窄其頻域的頻譜越窄; 時域持續(xù)越窄的信號時域持續(xù)越窄的信號, 其頻域的頻譜越寬。其頻域的頻譜越寬。產(chǎn)生產(chǎn)生正弦波正弦波的思路：的思路：沖擊信號沖擊信號選頻網(wǎng)絡選頻網(wǎng)絡放大電路放大電路正弦波正弦波實例：對于閃電，實例：對于閃電， 收音機的所有頻道收音機的所有頻道 都能收到其信號都能收到其信號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1. 振蕩電路基本組成部分振蕩電路基本組成部分 放大電路放大電路 （包

5、括負反饋放大電路）（包括負反饋放大電路）如何持續(xù)輸出如何持續(xù)輸出 特定頻率特定頻率和和振幅振幅 的正弦信號？的正弦信號？ 反饋網(wǎng)絡（正反饋）反饋網(wǎng)絡（正反饋） 選頻網(wǎng)絡選頻網(wǎng)絡 （常與反饋網(wǎng)絡合二為一）（常與反饋網(wǎng)絡合二為一） 穩(wěn)幅環(huán)節(jié)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)對對 有什么要求嗎有什么要求嗎 ？FA、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2. 振蕩條件振蕩條件， faXX 即環(huán)路增益即環(huán)路增益1 FAfafa AFFAFA振蕩條件為：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3. 起振和

6、穩(wěn)幅起振和穩(wěn)幅起振條件：起振條件： 振蕩電路起振的信號源自電路器振蕩電路起振的信號源自電路器 件內部噪聲以及電源接通擾動。件內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)增加，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。否則波形將出現(xiàn)失真。 噪聲中，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的噪聲信號被放的噪聲信號被放 大，成為振蕩電路的輸出信號。大，成為振蕩電路的輸出信號。1 AF。 1 AF 穩(wěn)幅的作用就是，當輸出信號幅值增加到一定程度時，使穩(wěn)幅的作用就是，當輸出信號幅值增加

7、到一定程度時，使 振幅平衡條件從振幅平衡條件從 回到回到 9.6 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路1. 電路組成電路組成反饋網(wǎng)絡反饋網(wǎng)絡兼做兼做選頻網(wǎng)絡選頻網(wǎng)絡RC橋式振蕩電路：橋式振蕩電路：放大電路的電壓增益：放大電路的電壓增益：1f1RRAV 9.6 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路2. RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡的選頻特性串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡的選頻特性反饋系數(shù)反饋系數(shù))()()(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)(arctan00f 9.6 RC正弦波振蕩電路正

8、弦波振蕩電路2. RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡的選頻特性串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡的選頻特性反饋系數(shù)反饋系數(shù)幅頻響應幅頻響應2002)(31 VF相頻響應相頻響應3)(arctan00f 幅頻響應有最大值：幅頻響應有最大值：RCffRC21 100 或或 31max VF相頻響應：相頻響應：0f 時時9.6 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路3. 振蕩電路工作原理振蕩電路工作原理 10RC 0f 時時由于由于0a 2fan 滿足相位平衡條件滿足相位平衡條件311f RRAV若若31max VVFF1 VVFA滿足振幅平衡條件滿足振幅平衡條件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

9、振蕩電路正弦波振蕩電路一般用于產(chǎn)生一般用于產(chǎn)生 f 39.6 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路4. 穩(wěn)幅措施穩(wěn)幅措施采用非線性元件采用非線性元件熱敏電阻熱敏電阻 熱敏元件熱敏元件起振時，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 VA9.6 RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路4. 穩(wěn)幅措施穩(wěn)幅措施采用非線性元件采用非線性元件 二極管二極管穩(wěn)幅環(huán)節(jié)穩(wěn)幅環(huán)節(jié)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

10、和和、是是其其中中2133DD RR 3R9.7 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選頻放大選頻放大電路電路9.7 LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路LRCLRCZ jj1)j(j1 )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。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 為品質因數(shù)，為品質因

11、數(shù)，同時有同時有scIQI 即即sLcIII 1. 并聯(lián)諧振回路并聯(lián)諧振回路等效損耗電阻等效損耗電阻0 為諧振頻率為諧振頻率取值取值為為 幾十幾十 幾百幾百9.7.1 LC選頻放大選頻放大電路電路9.7 LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路1. 并聯(lián)諧振回路并聯(lián)諧振回路品質因數(shù)品質因數(shù)Q是反映是反映LC回路損耗大小的重要參數(shù)：回路損耗大小的重要參數(shù)： 0LQR品質因數(shù)品質因數(shù)Q不同時，復阻抗不同時，復阻抗 Z 的幅頻與相頻特性如下：的幅頻與相頻特性如下： LC并聯(lián)諧振回路阻抗的頻率特性并聯(lián)諧振回路阻抗的頻率特性ff0QQ12ZOQ1Q2Q1Q2ff0+90o-90oQ1Q29.7.2 變壓器變壓器

12、反饋反饋式式 LC 振蕩振蕩電路電路9.7 LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路L1L2RLTrVTReCOU+-+VCC-L3+Rb2Rb1CeCbA(1)放大電路是共射組態(tài)，放大電路是共射組態(tài)，LC并并聯(lián)電路是集電極負載，反饋電壓聯(lián)電路是集電極負載，反饋電壓由由L2上取出。上取出。(2)用用瞬時極性法瞬時極性法判斷電路的相位判斷電路的相位條件，是否是條件，是否是正反饋正反饋。正反饋，正反饋，滿足滿足相位平衡條件相位平衡條件(3)分析決定振蕩電路的幅度條件。分析決定振蕩電路的幅度條件。如果幅度條件不滿足，可適當增如果幅度條件不滿足，可適當增加加L2的圈數(shù)。的圈數(shù)。變壓器反饋式變壓器反饋式LC正弦

13、波振蕩電路的振蕩頻率，與正弦波振蕩電路的振蕩頻率，與LC并聯(lián)并聯(lián)諧振電路的振蕩頻率相同諧振電路的振蕩頻率相同 ：LCf2109.7.2 變壓器變壓器反饋反饋式式 LC 振蕩振蕩電路電路9.7 LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路L1L2RLTrVTReCOU+-+VCC-L3+Rb2Rb1CeCbA LC正弦波振蕩電路，當振幅大正弦波振蕩電路，當振幅大到一定程度時，晶體管集電極的電到一定程度時，晶體管集電極的電流波形會明顯失真，但由于集電極流波形會明顯失真，但由于集電極的負載是的負載是LC并聯(lián)諧振回路，具有良并聯(lián)諧振回路，具有良好的選頻作用，因此輸出電壓的波好的選頻作用，因此輸出電壓的波形失真不大

14、。形失真不大。9.7.3 三點式三點式 LC 振蕩振蕩電路電路9.7 LC正弦波振蕩電路正弦波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、尾端電中間端的瞬時電位一定在首、尾端電位之間。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 振蕩振蕩電路電路9.7 LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路2. 電感三點式振蕩

15、電路電感三點式振蕩電路9.7.3 三點式三點式 LC 振蕩振蕩電路電路9.7 LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路3. 電容三點式振蕩電路電容三點式振蕩電路9.7.4 石英晶體振蕩石英晶體振蕩電路電路9.7 LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路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：頻率穩(wěn)定度： 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 10 000 500 0009.7.4 石英晶體振蕩石英晶體振蕩電路電路9.7 LC正弦波振蕩電路正弦波振

16、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壓電效應壓電效應交變電壓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：晶體產(chǎn)生電場晶體產(chǎn)生電場9.7.4 石英晶體振蕩石英晶體振蕩電路電路9.7 LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路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等效電路：等效電路：LCf21s

17、 A. 串聯(lián)諧振：串聯(lián)諧振： 晶體等效阻抗為純阻性晶體等效阻抗為純阻性0p121CCLCf B. 并聯(lián)諧振：并聯(lián)諧振：通常通常0CC 0s1CCf psff 9.7.4 石英晶體振蕩石英晶體振蕩電路電路9.7 LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路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，調整調整之之間間變變化化和和在在可可使使 psssfffC

18、 9.7.4 石英晶體振蕩石英晶體振蕩電路電路9.7 LC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路3. 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9.8.2 方波產(chǎn)生電路方波產(chǎn)生電路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. 遲滯比較器遲滯比較器3. 集成電壓比較器集成電壓比較器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9.8 非正弦信號產(chǎn)生電路非正弦信號產(chǎn)生電路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)增益開環(huán)增益 A0 105忽略放大器輸出級的飽和壓降，忽略放大器輸出級的飽和壓降

19、，若若 |+VCC | = |-VCC | = 15V，A0=1050mV15. 0V1015 50CC AVvI 0 時，時， vOmax = +VCCvI 0 時，時， vOmax = -VCC-過零比較器過零比較器運算放大器工作在運算放大器工作在開環(huán)開環(huán)狀態(tài)狀態(tài)- -VCC vO +VCC特點：特點： OmaxvCCCCVV 集成運放的電壓傳輸特性集成運放的電壓傳輸特性則則門限電壓：使輸出電壓門限電壓：使輸出電壓vO 發(fā)生跳變的發(fā)生跳變的vI值值9.8.1 電壓比較器電壓比較器9.8 非正弦信號產(chǎn)生電路非正弦信號產(chǎn)生電路1. 單門限電壓比較器單門限電壓比較器（2 2）門限電壓不為門限電壓

20、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）設設VCC12V，運放為理想器件。，運放為理想器件。vI為峰值為峰值6V的三角波，的三角波， 9.8.1 電壓比較器電壓比較器9.8 非正弦信號產(chǎn)生電路非正弦信號產(chǎn)生電路1. 單門限電壓比較器單門限電壓比較器單門限電壓比較器單門限電壓比較器 抗干擾能力差抗干擾能力差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9.8 非正弦信號產(chǎn)生電路非正弦信號產(chǎn)生電路2. 遲滯比較器遲滯比較器兩個門限電壓兩個門限電壓)( OLOPI低電平低電平時，時，V vvv)( OHOPI高電平高電平時，時，V v

21、vv21OH221REF1TRRVRRRVRV 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 正反饋正反饋，v vp p與與v vo o有關，有關， 傳輸特性傳輸特性9.8.1 電壓比較器電壓比較器9.8 非正弦信號產(chǎn)生電路非正弦信號產(chǎn)生電路2. 遲滯比較器遲滯比較器解：解：（1 1）門限電壓）門限電壓（3 3）輸出電壓波形輸出電壓波形例：電路如圖所示，試求門限電壓，畫出例：電路如圖所示，試求門限電壓，畫出 傳輸特性和圖（傳輸特性和圖（c c）所示輸入信號下）所示輸入信號下 的輸出電壓波形。的輸出電壓波形。（2 2）傳輸特性）傳輸特性V521OH221REF1T RRVRRRVRVV521OL221REF1T RRVRRRVRV 0REF V0V 1O V遲滯比較器遲滯比較器 抗干擾能力強抗干擾能力強9.8.1 電壓比較器電壓比較器9.8 非正弦信號產(chǎn)生電路非正弦信號產(chǎn)生電路結論：結論：（1 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)和）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)，其輸出電壓只有高電平非線性區(qū)，其輸出電壓只有高電平V VOHOH和低電平和低電平V VOLOL兩種情況。兩種情況。（2 2）一般用電壓傳輸特性來描述輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)