天津大學(xué)測(cè)控電路基礎(chǔ)第六章

傅星

27406941xingfu@5樓211測(cè)控電路基礎(chǔ)A第六章、信號(hào)處理與產(chǎn)生電路測(cè)控技術(shù)基礎(chǔ)A1、濾波電路2、運(yùn)算電路3、信號(hào)產(chǎn)生電路

濾波器主要用來(lái)濾除信號(hào)中無(wú)用的頻率成分，例如，有一個(gè)較低頻率的信號(hào)，其中包含一些較高頻率成分的干擾。濾波過程如圖所示。第六章、信號(hào)處理與產(chǎn)生電路（1）基本概念1、濾波電路1.按所處理的信號(hào)可分為

模擬的和數(shù)字的兩種2.按所采用的元器件可分為有源和無(wú)源3.按通過信號(hào)的頻段可分為以下五種:低通濾波器(LPF)分類和主要參數(shù)Avp:通帶電壓放大倍數(shù)fp:

通帶截止頻率過渡帶:

越窄表明選頻性能越好,理想濾波器沒有過渡帶（1）基本概念通帶增益Avp

通帶增益是指濾波器在通頻帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)，如圖所示。性能良好的LPF通帶內(nèi)的幅頻特性曲線是平坦的，阻帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)基本為零。

通帶截止頻率fp

其定義與放大電路的上、下限截止頻率相同。通帶與阻帶之間稱為過渡帶，過渡帶越窄，說明濾波器的選擇性越好。

（1）基本概念b.高通濾波器(HPF)c.帶通濾波器(BPF)（1）基本概念d.帶阻濾波器(BEF)e.全通濾波器(APF)4.按頻率特性在截止頻率fp附近形狀的不同可分為

Butterworth,Chebyshev

和Bessel等（1）基本概念理想有源濾波器的頻響：（1）基本概念組成：簡(jiǎn)單RC濾波器、同相放大器特點(diǎn)：│Avp

│

>0，帶負(fù)載能力強(qiáng)缺點(diǎn)：阻帶衰減太慢，選擇性較差電路構(gòu)成RC環(huán)節(jié)（2）一階RC有源濾波器1、濾波電路電路圖電路的傳遞函數(shù)Av(s) 頻率特性Av(j)根據(jù)定義求出主要參數(shù)畫出電路的幅頻特性性能分析（2）一階RC有源濾波器

通帶截止頻率

通帶電壓放大倍數(shù)

傳遞函數(shù)（2）一階RC有源濾波器一階LPF的幅頻特性:過渡帶緩慢,選頻性能差（2）一階RC有源濾波器M傳遞函數(shù):電路構(gòu)成組成:二階RC網(wǎng)絡(luò)同相放大器通帶增益：（3）簡(jiǎn)單二階LPF1、濾波電路幅頻特性:（3）簡(jiǎn)單二階LPF-6dB（4）二階壓控電壓源LPF1、濾波電路Avp同前

上式表明，該濾波器的通帶增益應(yīng)小于3，才能保障電路穩(wěn)定工作。聯(lián)立求解以上三式，可得LPF的傳遞函數(shù)：對(duì)節(jié)點(diǎn)N,

可以列出下列方程：（4）二階壓控電壓源LPFI1I2I3I4幅頻特性（5）二階有源高通濾波器（HPF）1、濾波電路Avp同前聯(lián)立求解以上三式，可得HPF的傳遞函數(shù)：對(duì)節(jié)點(diǎn)N,

可以列出下列方程：幅頻特性（5）二階有源高通濾波器（HPF）（6）二階有源帶通濾波器（BPF）1、濾波電路阻阻fp1fp2fO通f（6）二階有源帶通濾波器（BPF）帶通濾波器幅頻特性曲線（6）二階有源帶通濾波器（BPF）（7）二階有源帶阻濾波器（BEF）1、濾波電路通通fp1fp2fO阻（7）二階有源帶阻濾波器（BEF）（1）乘法電路vO2-+ARR'vO3RvO1RvXvY對(duì)數(shù)電路1對(duì)數(shù)電路2指數(shù)電路vO2、運(yùn)算電路第六章、信號(hào)處理與產(chǎn)生電路KvXvY同相乘法器vXvYvO-KvXvY反相乘法器vXvYvO（2）乘法器符號(hào)2、模擬乘法器vX1-+AR'vOiR2↓R1iR1→id→R2vO2vX2KvXvY注意：只有在vX2>0時(shí)電路才是負(fù)反饋負(fù)反饋時(shí)，根據(jù)虛短、虛斷概念：除法運(yùn)算電路（3）乘法器應(yīng)用實(shí)例2、模擬乘法器輸入電壓必須小于0，否則電路將變?yōu)檎答仭X1-+AR'vOiR2↓R1iR1→id→R2vO2KvXvY開方運(yùn)算電路（3）乘法器應(yīng)用實(shí)例平方運(yùn)算和正弦波倍頻vXvOKvXvY=KvX2如果輸入信號(hào)是正弦波：只要在電路輸出端加一隔直電容，便可得到倍頻輸出信號(hào)（3）乘法器應(yīng)用實(shí)例（a）平衡條件（b）起振和穩(wěn)幅（c）振蕩電路的基本組成部分（d）振蕩電路的分析方法（e）RC正弦波振蕩器（f）LC正弦波振蕩器（g）石英晶體振蕩器（1）正弦波振蕩器第六章、信號(hào)處理與產(chǎn)生電路3、信號(hào)產(chǎn)生電路相位平衡條件幅度平衡條件振蕩平衡條件:正反饋振蕩條件:（1）正弦波振蕩器（a）平衡條件XdXoXf基本放大電路A反饋網(wǎng)絡(luò)F+Xi振蕩電路的方框圖：XdXoXf基本放大電路A反饋網(wǎng)絡(luò)F+滿足上述條件后，一旦電源接通，隨著時(shí)間增加輸出幅度增大。起振的幅度條件是：增大到一定程度后，放大電路中晶體管將進(jìn)入飽和或截至狀態(tài)，輸出正弦波將失真?！獞?yīng)采取穩(wěn)幅措施。（b）起振和穩(wěn)幅（1）正弦波振蕩器放大電路——沒有放大，不可能產(chǎn)生振蕩。

要保證電路具有放大功能反饋網(wǎng)絡(luò)——形成正反饋，以滿足相位平衡條件選頻網(wǎng)絡(luò)——以產(chǎn)生單一頻率的正弦波(RC、LC)穩(wěn)幅電路——以保證輸出端得到不失真的正弦波（c）振蕩電路的基本組成部分（1）正弦波振蕩器分析電路的組成部分；將電路在放大器輸入端斷開，利用瞬時(shí)極性法判斷電路是否滿足相位平衡條件；分析是否滿足振蕩產(chǎn)生的幅度條件。一般AF應(yīng)略大于1。（d）振蕩電路的分析方法（1）正弦波振蕩器（e）RC正弦波振蕩器VoRfR1CRCRVf橋式RC振蕩電路結(jié)構(gòu):選頻和反饋網(wǎng)絡(luò)放大電路（1）正弦波振蕩器)]j1/([+)Cj/1()j1/(22211222212CRRRCRRZZZwww+++=+=1)122Cw1RCR1j()1(2121CRCRw-+++=R/j+)Cj/1(2122221112RCCRCRRRww+++=諧振頻率為:

RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性VoC1R1C2R2Vf（e）RC正弦波振蕩器當(dāng)R1=R2，C1=C2時(shí)，諧振角頻率諧振頻率幅頻特性:相頻特性:RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性（e）RC正弦波振蕩器當(dāng)

f=f0

時(shí)的反饋系數(shù)為1/3,且與頻率f0的大小無(wú)關(guān)。此時(shí)的相角F=0。RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性（e）RC正弦波振蕩器VoRfR1CRCRVfRf

>2R1振蕩頻率:已知RC串并連選頻電路諧振時(shí)反饋系數(shù)為1/3，Vf與Vo相位差為0。所以要使電路能產(chǎn)生正弦振蕩，放大器必須是同相放大器，且放大倍數(shù)要大于3。振蕩條件（e）RC正弦波振蕩器VoRfR1CRCRVf穩(wěn)幅措施2:利用非線性器件穩(wěn)幅VoRfR1CRCRD1D2穩(wěn)幅措施1:Rf

采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻R1采用正溫度系數(shù)的熱敏電阻穩(wěn)幅措施（e）RC正弦波振蕩器文氏橋正弦振蕩器（e）RC正弦波振蕩器選頻網(wǎng)絡(luò)：RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)幅措施：熱敏電阻移相式正弦振蕩器（e）RC正弦波振蕩器選頻網(wǎng)絡(luò)：RC移相網(wǎng)絡(luò)（≥180°）穩(wěn)幅措施：三極管非線性雙T網(wǎng)絡(luò)正弦振蕩器（e）RC正弦波振蕩器選頻網(wǎng)絡(luò)：RC雙T網(wǎng)絡(luò)（R'<R/2）穩(wěn)幅措施：電路負(fù)反饋R'R'<R/2R'>R/2三種RC振蕩電路的比較名稱RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)振蕩電路移相式振蕩電路雙T網(wǎng)絡(luò)選頻振蕩電路電路形式振蕩頻率起振條件電路特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合可方便地連續(xù)調(diào)節(jié)振蕩頻率，便于加負(fù)反饋穩(wěn)幅電路，容易得到良好的振蕩波形。電路簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)方便，適用于波形要求不高的輕便測(cè)試設(shè)備中。選頻特性好，適用于產(chǎn)生單一頻率的振蕩波形。（e）RC正弦波振蕩器例題1判斷是否可能產(chǎn)生振蕩（e）RC正弦波振蕩器（e）RC正弦波振蕩器例題2判斷是否可能產(chǎn)生振蕩變壓器反饋式電感三點(diǎn)式電容三點(diǎn)式分類

LC正弦波振蕩電路可產(chǎn)生1000MHz以上的正弦波信號(hào)，而一般運(yùn)放頻帶較窄，高速運(yùn)放價(jià)格昂貴，所以LC振蕩電路中的放大器一般采用分離元件組成。（f）LC正弦波振蕩器（1）正弦波振蕩器R:回路的等效耗損電阻等效阻抗:

LC并聯(lián)回路LC并聯(lián)回路的選頻特性（f）LC正弦波振蕩器諧振時(shí)的等效阻抗Q:回路品質(zhì)因數(shù),用來(lái)評(píng)價(jià)回路損耗的大小,

一般為幾十到幾百諧振頻率LC并聯(lián)回路的選頻特性（f）LC正弦波振蕩器回路的頻率特性:諧振回路的選頻性能主要取決于Q,Q越大,選頻性能越好在f=f0時(shí),回路為純阻性,且阻抗最大LC并聯(lián)回路的選頻特性（f）LC正弦波振蕩器（f）LC正弦波振蕩器變壓器反饋式判斷能否產(chǎn)生振蕩的一般方法和步驟：檢查電路的組成部分；將電路在放大器輸入端斷開，利用瞬時(shí)極性法判斷電路是否滿足相位平衡條件；分析是否滿足振蕩產(chǎn)生的幅度條件。一般AF應(yīng)略大于1+_+同名端的判斷:先找出交流公共端,如果輸出端與反饋端如果互為同名端則同相,否則反相（f）LC正弦波振蕩器變壓器反饋式VbeVceVfIOL2CL1VceVf+-IL1C支路呈容性,電流超前電壓90度;L1上電壓超前電流90度-++-VbeVCCL2Cb1Cb2CL1Ce（f）LC正弦波振蕩器電感三點(diǎn)式（f）LC正弦波振蕩器常見電感三點(diǎn)式電路矢量圖VCCLCb1Cb2C1C2LC1C2VbeVceVf+-+-ILC1支路呈感性,電流滯后電壓90度；C1上電壓滯后電流90度-+（f）LC正弦波振蕩器電容三點(diǎn)式（f）LC正弦波振蕩器常見電容三點(diǎn)式電路例題判斷是否可能產(chǎn)生振蕩（f）LC正弦波振蕩器（f）LC正弦波振蕩器例題判斷是否可能產(chǎn)生振蕩（f）LC正弦波振蕩器例題判斷是否可能產(chǎn)生振蕩（f）LC正弦波振蕩器例題判斷是否可能產(chǎn)生振蕩（f）LC正弦波振蕩器例題判斷是否可能產(chǎn)生振蕩基本知識(shí)符號(hào)和等效電路優(yōu)點(diǎn)

:Q值很大頻率穩(wěn)定度高壓電效應(yīng)

壓電諧振（g）石英晶體正弦波振蕩器（1）正弦波振蕩器L、C組成串聯(lián)諧振電路L、C、C0組成并聯(lián)諧振電路因此晶體有兩個(gè)諧振頻率：串聯(lián)諧振頻率:并聯(lián)諧振頻率:C02PC0.01PL2.5HR640（g）石英晶體正弦波振蕩器電路分析串聯(lián)諧振時(shí)有最小阻抗，且相移為0。并聯(lián)諧振時(shí)有最大阻抗，相移不為0。一般C<<C0，fs與fp接近（g）石英晶體正弦波振蕩器電路分析并聯(lián)型fs<f0<fp

（g）石英晶體正弦波振蕩器電路分析串聯(lián)型f0

=fs

（2）非正弦波產(chǎn)生電路3、信號(hào)產(chǎn)生電路（a）電壓比較器（b）方波產(chǎn)生電路（c）三角波產(chǎn)生電路（d）鋸齒波產(chǎn)生電路功能:

比較兩個(gè)電壓的大小比較結(jié)果以輸出高或低電平來(lái)表示用集成運(yùn)放和電阻、二極管等構(gòu)成集成電壓比較器（2）非正弦波產(chǎn)生電路（a）電壓比較器工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)

大多數(shù)情況下工作在非線性區(qū)域,輸出與輸入不成線性關(guān)系輸出高電平或者低電平,呈現(xiàn)為開關(guān)狀態(tài)V+>V–時(shí),Vo為高

V+<V–時(shí),Vo為低

（a）電壓比較器電壓比較器中運(yùn)放的工作特點(diǎn)求出門限電壓:

輸出從一個(gè)電平跳變到另一個(gè)電平時(shí)所對(duì)應(yīng)的輸入電壓值。分析輸入與輸出的關(guān)系，畫出傳輸特性（a）電壓比較器電壓比較器分析方法過零比較器（a）電壓比較器過零電壓比較器（a）電壓比較器單門限電壓比較器同相比較器反相比較器反相比較器波形圖同相比較器波形圖?傳輸特性?（a）電壓比較器過零電壓比較器應(yīng)用反相輸入遲滯比較器臨界狀態(tài)下有:vI-+AR2vOR1R3±VZVRvNvP（a）電壓比較器遲滯比較器當(dāng)vI從VT-逐漸增大，增大到vI

≥VT+時(shí)，vo=-Vz

vP=VT-當(dāng)vI

<VT-時(shí)，vo=+Vz

vP=VT+當(dāng)vI從VT+逐漸減小，減小到vI

≤VT-時(shí)，vo=+Vz

vP=VT+(VR=0V)vI-+AR2vOR1R3±VZVRvNvP遲滯比較器反向輸入遲滯比較器輸入輸出波形VT+VT-(VREF=0V)遲滯比較器反向輸入遲滯比較器臨界狀態(tài)下有:vI-+AR2vOR1R3±VZVRvPvN遲滯比較器同向輸入遲滯比較器VT+VT-(VREF=0V)同向輸入遲滯比較器傳輸特性vRVT+VT-vIvOVOHVOL為了提高簡(jiǎn)單電壓比較器的抗干擾能力(VREF=0V)同向輸入遲滯比較器應(yīng)用正弦波變換為矩形波有干擾正弦波變換為方波同向輸入遲滯比較器應(yīng)用矩形波方波占空比=T1T100%（2）非正弦波產(chǎn)生電路（b）方波產(chǎn)生電路方波經(jīng)積分變?yōu)槿遣?矩形波積分變?yōu)殇忼X波（b）方波產(chǎn)生電路方波產(chǎn)生原理滯回比較電路RC定時(shí)電路（b）方波產(chǎn)生電路電路組成(VR=0V)（b）方波產(chǎn)生電路工作原理電源剛接通時(shí),設(shè)：電容C充電，vc

開始升高；t1t2（b）方波產(chǎn)生電路工作原理當(dāng)vc=VN≥VP+時(shí)，vo=-VZ，所以：電容C放電，vc

開始下降。t1t2（b）方波產(chǎn)生電路工作原理當(dāng)vc=VN≤Vp時(shí)，vo=+VZ，返回初態(tài)。t1t2（b）方波產(chǎn)生電路工作原理∞其中：過渡過程公式：t1t2（b）方波產(chǎn)生電路t1t2（b）方波產(chǎn)生電路波形周期計(jì)算

為了改變輸出方波的占空比，應(yīng)改變電