第七章 信號檢測與與處理電路

第七章

信號檢測與與處理電路7.1

電子系統(tǒng)概述7.2信號檢測系統(tǒng)中的放大電路7.3有源濾波器7.4

電壓比較器本章重點(diǎn)和考點(diǎn)1.有源濾波電路的基本概念、電路組成、分析2.電壓比較器的工作原理本章教學(xué)時數(shù)：4學(xué)時

本章討論的問題：1.濾波電路的功能是什么？什么是有源濾波和無源濾波？為什么說有源濾波電路是信號處理電路？2.有幾種濾波電路？它們分別有什么特點(diǎn)？3.從本質(zhì)上講，有源濾波電路與運(yùn)算電路一樣嗎？為什么？有源濾波電路有哪些主要指標(biāo)？4.由集成運(yùn)放組成的有源濾波電路中一定引入負(fù)反饋嗎？能否引入正反饋？5.為了獲得信號中的直流分量，或者為了獲得信號中的高頻分量，或者為了傳送某一頻段的信號，或者為了去掉電源所帶來的50Hz干擾，應(yīng)采用什么電路？7.1

電子系統(tǒng)概述7.1.1電子信息系統(tǒng)的組成圖7.1.1信號檢測系統(tǒng)基本框圖傳感器增益調(diào)整取樣保持控制電路放大器濾波器A/D轉(zhuǎn)換器計算機(jī)系統(tǒng)總線信號的提取信號的預(yù)處理信號的加工信號的執(zhí)行7.2信號檢測系統(tǒng)中的放大電路7.2.1測量放大器1、三運(yùn)放測量放大器7.2.2隔離放大器7.3有源濾波電路7.3.1濾波電路的基礎(chǔ)知識作用：選頻。一、濾波電路的種類：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二、濾波器的幅頻特性低通濾波器的實際幅頻特性中，在通帶和阻帶之間存在著過渡帶。過渡帶愈窄，電路的選擇性愈好，濾波特性愈理想。圖7.3.2低通濾波器的實際幅頻特性︱Au︱≈0.707︱AuP︱的頻率為通帶載止頻率fp輸出電壓與輸入電壓之比Aup為通帶放大倍數(shù)分析濾波電路，就是求解電路的頻率特性，即求解Au(Aup

)、fp和過渡帶的斜率。三、無源濾波電路和有源濾波電路1.無源低通濾波器：電壓放大倍數(shù)為——通帶截止頻率由對數(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。圖

7.4.3頻率趨于零，電容容抗趨于無窮大Aup＝12.有源濾波電路無源濾波電路受負(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。圖7.4.4有源濾波電路組成電路時，應(yīng)選用帶寬合適的集成運(yùn)放四、有源濾波電路的傳遞函數(shù)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7.3.2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、同相輸入低通濾波器1.一階電路圖7.4.5一階低通濾波電路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，濾波特性不理想。對數(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。圖

7.4.6電壓放大倍數(shù)2.簡單二階電路可提高幅頻特性的衰減斜率圖7.4.7簡單二階低通電路RF用jω取代s，且令f0=1/(2πRC)圖7.4.8簡單二階低通電路的幅頻特性圖7.4.8簡單二階低通電路的幅頻特性輸入電壓經(jīng)過兩級RC低通電路，在高頻段，對數(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fP=0.37f0問題：在

f=f0

附近，輸出幅度衰減大，

fP

遠(yuǎn)離f0

引入正反饋，可以增大放大倍數(shù)，使fP

接近f0

濾波特性趨于理想。圖

7.4.10壓控電壓源二階低通濾波電路圖7.4.9壓控電壓源二階低通濾波電路3.壓控電壓源二階低通濾波電路用jω取代s，且令f0=1/(2πRC)二、反相輸入低通濾波器1.一階電路圖7.4.11反相輸入一階低通濾波電路令信號頻率＝0，求出通帶放大倍數(shù)電路的傳遞函數(shù)用jω取代s，且令f0=1/(2πR2C)fP=f02.二階電路在一階電路的基礎(chǔ)上，增加RC環(huán)節(jié)，可使濾波器的過渡帶變窄，衰減斜率的值加大。圖7.4.12反相輸入簡單二階低通濾波電路為了發(fā)改善f0附近的頻率特性，也可采用多路反饋的方法。圖7.4.13無限增益多路反饋二階低通濾波電路三、三種類型的有源低通濾波器切比雪夫(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=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）圖7.4.15三種類型二階LPF幅頻特性7.3.3高通濾波電路一、高通濾波電路高通濾波電路與低通濾波電路具有對稱性1.壓控電壓源二階高通濾波電路2.無限增益多路反饋二階高通濾波電路圖7.4.16二階高通濾波電路可見高通濾波電路與低通濾波電路的對數(shù)幅頻特性互為“鏡像”關(guān)系。二階有源高通濾波器7.3.4帶通濾波電路(BPF)只允許某一段頻帶內(nèi)的信號通過，將此頻帶以外的信號阻斷。低通高通fp1fO低通ffp2O高通阻阻fp1fp2fO通圖

7.4.17壓控電壓源二階帶通濾波電路——中心頻率——通帶電壓放大倍數(shù)圖

7.4.18——比例系數(shù)fbw

=

fp1–

fp2=f0/Q——通頻帶三、帶阻濾波器(BEF)在規(guī)定的頻帶內(nèi)，信號被阻斷，在此頻帶以外的信號能順利通過。低通高通f2f1fO通

阻通fO低通f1f2fO高通圖

7.4.20常用有源帶阻濾波電路——中心頻率——通帶電壓放大倍數(shù)圖

7.4.22常用有源帶阻濾波電路阻帶寬度BW＝fp2–

fp1＝f0

/Q7.4.23帶阻濾波器的幅頻特性四、全通濾波電路圖7.2.24全通濾波電路電壓放大倍數(shù)︱Au︱=1φ=1800-2arctanf/f0圖7.2.24全通濾波電路圖7.2.25全通濾波電路的相頻特性7.4電壓比較器1.電壓比較器將一個模擬量輸入電壓與一個參考電壓進(jìn)行比較，輸出只有兩種可能的狀態(tài)：高電平或低電平。2.比較器中的集成運(yùn)放一般工作在非線性區(qū)；處于開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。3.分類：單限比較器、滯回比較器及窗口比較器。4.比較器是組成非正弦波發(fā)生電路的基本單元，在測量、控制、D/A和A/D轉(zhuǎn)換電路中應(yīng)用廣泛。一、電壓比較器的傳輸特性1.電壓比較器的輸出電壓與輸入端的電壓之間函數(shù)關(guān)系2.閾值電壓：UT當(dāng)比較器的輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)榱硪环N狀態(tài)所對應(yīng)的輸入電壓。3.電壓傳輸特性的三要素(1)輸出電壓的高電平UOH和低電平UOL的數(shù)值。(2)閾值電壓的數(shù)值UT。(3)當(dāng)uI變化且經(jīng)過UT時，uO躍變的方向。二、理想運(yùn)放的非線性工作區(qū)+UOMuOuP-uNO-UOM集成運(yùn)放的電壓傳輸特性在電壓比較器中，集成運(yùn)放不是工作在開環(huán)狀態(tài)，就是工作在正反饋。7.4.1單限比較器一、過零比較器由于理想運(yùn)放的開環(huán)差模增益為無窮大，所以當(dāng)uI<0時，uO=+

UOM；當(dāng)uI>

0時，uO=-

UOM；過零比較器的傳輸特性為：uIuO+UOM-UOMO

UOM

為集成運(yùn)放的最大輸出電壓。閾值電壓：當(dāng)比較器的輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)榱硪环N狀態(tài)所對應(yīng)的輸入電壓。利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器設(shè)任何一個穩(wěn)壓管被反向擊穿時，兩個穩(wěn)壓管兩端總的的穩(wěn)定電壓為UZ

<UOMuIuO+UOM

-UOMO+UZ-UZ當(dāng)uI<0時，不接穩(wěn)壓管時，uO=+

UOM，接入穩(wěn)壓管后，左邊的穩(wěn)壓管被反向擊穿，集成運(yùn)放的反向輸入端“虛地”，uO=+

UZ；

當(dāng)uI>0時，右邊的穩(wěn)壓管被反向擊穿，uO=-

UZ；圖8.2.6利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器(二)電路圖傳輸特性uIuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ問題：如將輸入信號加在“+”端，傳輸特性如何？問題：過零比較器如圖所示，輸入為正負(fù)對稱的正弦波時，輸出波形是怎樣的？傳輸特性uIuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ將正弦波變?yōu)榫匦尾ǘ?、單限比較器單限比較器有一個門限電平，當(dāng)輸入電壓等于此門限電平時，輸出端的狀態(tài)立即發(fā)生跳變。當(dāng)輸入電壓uI變化，使反相輸入端的電位為零時，輸出端的狀態(tài)將發(fā)生跳變，門限電平為：uIuO+UOM-UOMO+UZ-UZ過零比較器是門限電平為零的單限比較器。R1R2存在干擾時單限比較器的uI、uO

波形單限比較器的作用：檢測輸入的模擬信號是否達(dá)到某一給定電平。

缺點(diǎn)：抗干擾能力差。

解決辦法：采用具有滯回傳輸特性的比較器。7.4.2多門限電壓比較器一、從反相輸入端輸入的滯回比較器電路計算閾值電壓UT電壓傳輸特性uo從+UZ躍變到-UZ的

閾值電壓為+UTuo從-UZ躍變到+UZ的

閾值電壓為-UTuI在-UT與+UT之間增加或減小,uO不發(fā)生變化

UREF為參考電壓；；uI為輸入電壓；輸出電壓uO為+UZ或-UZ。當(dāng)uP

=uN

時，輸出電壓的狀態(tài)發(fā)生跳變。比較器有兩個不同的門限電平，故傳輸特性呈滯回形狀。

+UZuIuO-UZOUT-UT+二、加了參考電壓的滯回比較器若uO=

UZ，當(dāng)uI

逐漸減小時，使uO由UZ

跳變?yōu)閁Z

所需的門限電平UT-

回差(門限寬度)UT：若uO=UZ，當(dāng)uI

逐漸增大時，使uO由+UZ

跳變?yōu)?UZ

所需的門限電平UT+[例8.2.2]已知輸入波形和電壓傳輸特性，分析輸出電壓的波形。波形圖±UZ＝±9VuO/Vt0+9-92.窗口比較器參考電壓UREF1>UREF2若uI

低于UREF2，運(yùn)放A1輸出低電平，A2輸出高電平，二極管VD1

截止，VD2導(dǎo)通，輸出電壓uO為高電平；若uI

高于UREF1，運(yùn)放A1輸出高電平，A2輸出低電平，二極管VD2

截止，VD1

導(dǎo)通，輸出電壓uO為高電平；雙限比較器(a)前面的比較器在輸入電壓單一方向變化時，輸出電壓只躍變一次，因而不能檢測出輸入電壓是否在二個電壓之間。當(dāng)uI

高于UREF2而低于UREF1時，運(yùn)放A1、A2均輸出低電平，二極管VD1、VD2

均截止，輸出電壓uO為低電平；

上門限電平UTH=UREF1；

下門限電平UTL

=UREF2。uIuOOUTHUTL綜上所述，雙限比較器在輸入信號uI

<UREF2

或uI

>UREF1時，輸出為高電平；而當(dāng)UREF2<

uI<

UREF1時，輸出為低電平。雙限比較器（b)7.4.3集成電壓比較器一、集成電壓比較器的主要特點(diǎn)和分類：1.具有較高的開環(huán)差模增益；2.具有較快的響應(yīng)速度；3.具有較高的共模抑制比和允許共模輸入電壓較高；4.具有較低的失調(diào)電壓、失調(diào)電流及較低的溫漂。分類：單、雙和四電壓比較通用型、高速型、低電壓型和高精度型普通、集電極（或漏極）開路輸出或互補(bǔ)輸出型二、集成電壓比較器的基本接法1.通用型集成電壓比較器AD790引腳圖+12V單電源供電，邏輯電源為5V?！?V雙電源供電，邏輯電源為5V?！?5V雙電源供電，邏輯電源為5V。2.集電極開路集成電壓比較器LM119金屬封裝的管腳圖反相輸入2同相輸