第9章信號處理與信號產(chǎn)生電路

9信號處理與信號產(chǎn)生電路9.1濾波電路的基本概念與分類9.3高階有源濾波電路*9.4開關(guān)電容濾波器9.5正弦波振蕩電路的振蕩條件9.2一階有源濾波電路9.6RC正弦波振蕩電路9.7LC正弦波振蕩電路9.8非正弦信號產(chǎn)生電路19.1濾波電路的基本概念與分類1.基本概念濾波電路：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——選頻濾波電路傳遞函數(shù)定義時，有其中——模，幅頻響應(yīng)——相位角，相頻響應(yīng)群時延響應(yīng)濾波電路vi(t)vo(t)21)按信號性質(zhì)分類2)按電路功能分類低通濾波器；高通濾波器；帶通濾波器；帶阻濾波器模擬濾波器和數(shù)字濾波器9.1濾波電路的基本概念與分類2.分類通帶：能夠通過的信號頻率范圍阻帶：受阻或衰減的信號頻率范圍截止頻率：通帶與阻帶的界限3低通高通帶通帶阻2.濾波電路的分類2)按電路功能分類4低通（LPF）高通（HPF）帶通（BPF）帶阻（BEF）全通（APF）2.濾波電路的分類2)按電路功能分類？

為了將語音信號中的噪聲去掉，應(yīng)該選用哪種類型的濾波器？

如果要去掉50Hz的工頻干擾應(yīng)采用哪種類型的濾波器？54)按所用元件分類無源濾波器和有源濾波器9.1濾波電路的基本概念與分類2.分類有源濾波器：由有源器件構(gòu)成的濾波器，用集成運放（有源元件）和RC網(wǎng)絡(luò)組成。無源濾波器：由無源元件（R、L、C）組成。3)按階數(shù)分類一階，二階…高階6前言-無源濾波器的缺點低通濾波電路高通濾波電路9.2一階有源濾波電路70無源濾波器的缺點（以一階濾波器為例）傳遞函數(shù)：RC9.2一階有源濾波電路81.帶負(fù)載能力差。2.對通帶信號無放大作用。3.特性不理想，邊沿不陡。010.707o截止頻率此電路的缺點：0無源濾波器的缺點（以一階濾波器為例）若該無源濾波電路接負(fù)載RL,幅頻特性曲線有無變化？？RCRL9？各級互相影響！RCRC0無源濾波器的缺點（以一階濾波器為例）能否將兩個一階低通濾波器直接串接構(gòu)成二階低通濾波器？？109.2一階有源濾波電路1.低通濾波電路1)電路組成：為了增強無源濾波電路帶載能力，應(yīng)該怎樣改進電路？？加電壓跟隨器隔離為了使得該電路具有放大作用，可以如何改進電路？？電壓跟隨器無源低通濾波器119.2一階有源濾波電路1.低通濾波電路傳遞函數(shù)其中特征角頻率故，幅頻相應(yīng)為同相比例放大系數(shù)傳遞函數(shù)中出現(xiàn)s的一次項，故稱為一階濾波器。12有放大作用3.運放輸出，帶負(fù)載能力強。幅頻特性與一階無源低通濾波器類似電路的特點：2.=c時1.<<c

時9.2一階有源濾波電路1.低通濾波電路13有源濾波器的特點：不使用電感元件，體積小重量輕。有源濾波電路中可加電壓串聯(lián)負(fù)反饋。只需把幾個低階濾波電路串起來就可構(gòu)成高階濾波電路，無需考慮級間影響。除濾波外，還可放大信號，放大倍數(shù)容易調(diào)節(jié)。優(yōu)點：缺點：不宜用于高頻。不宜在高電壓、大電流情況下使用。使用時需外接直流電源。9.2一階有源濾波電路14如何組成高通濾波器？將低通濾波器中的R、C對調(diào)，低通濾波器就變成了高通濾波器。9.2一階有源濾波電路RCR1RF+-低通濾波器RCR1RF+-？15幅頻特性：0c一階有源濾波電路通帶外衰減速率慢（-20dB/十倍頻程），與理想情況相差較遠(yuǎn)。一般用在對濾波要求不高的場合。9.2一階有源濾波電路2.高通濾波電路169.3高階有源濾波電路9.3.2有源高通濾波電路9.3.1有源低通濾波電路179.3.1有源低通濾波電路1.二階有源低通濾波電路2.傳遞函數(shù)對于濾波電路，有得濾波電路傳遞函數(shù)（二階）（同相比例）182.傳遞函數(shù)令稱為通帶增益稱為特征角頻率稱為等效品質(zhì)因數(shù)則濾波電路才能穩(wěn)定工作。注意：193.幅頻響應(yīng)用代入，可得傳遞函數(shù)的頻率響應(yīng)：歸一化的幅頻響應(yīng)相頻響應(yīng)歸一化的幅頻響應(yīng)曲線20解：根據(jù)fc，選取C再求R。1.C的容量不易超過。因大容量的電容器體積大，價格高，應(yīng)盡量避免使用。?。河嬎愠?，取例:

設(shè)計二階LPF，Q值為0.7，試求電路中的電阻、電容值。212．根據(jù)Ｑ值求和，因為時，，根據(jù)與、的關(guān)系，集成運放兩輸入端外接電阻的對稱條件解得：229.3.2有源高通濾波電路1.二階高通濾波電路將低通電路中的電容和電阻對換，便成為高通電路。傳遞函數(shù)歸一化的幅頻響應(yīng)239.5產(chǎn)生正弦波的條件1正弦波發(fā)生電路的組成2產(chǎn)生正弦波的條件3起振條件和穩(wěn)幅原理241正弦波發(fā)生電路的組成

為了產(chǎn)生正弦波，必須在放大電路里加入正反饋，因此放大電路和正反饋網(wǎng)絡(luò)是振蕩電路的最主要部分。

為了獲得單一頻率的正弦波輸出，應(yīng)該有選頻網(wǎng)絡(luò)，選頻網(wǎng)絡(luò)往往和正反饋網(wǎng)絡(luò)或放大電路合而為一。

選頻網(wǎng)絡(luò)由R、C和L、C等電抗性元件組成。

放大電路正反饋網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)幅電路2/1/20232產(chǎn)生正弦波的條件(a)負(fù)反饋放大電路

(b)正反饋振蕩電路

振蕩器的方框圖

比較圖(a)和(b)就可以明顯地看出負(fù)反饋放大電路和正反饋振蕩電路的區(qū)別了。由于振蕩電路的輸入信號，所以。26

振蕩條件

幅度平衡條件

相位平衡條件

AF=A+

F=2n由于正、負(fù)號的改變27

振蕩器在剛剛起振時，為了克服電路中的損耗，需要正反饋強一些，即要求這稱為起振條件。3起振條件和穩(wěn)幅原理既然，起振后產(chǎn)生增幅振蕩，最后靠三極管的非線性特性（飽和、截止）去限制幅度的增加，這樣波形必然產(chǎn)生失真。這就要靠選頻網(wǎng)絡(luò)的作用，選出失真波形的基波分量作為輸出信號，以獲得正弦波輸出。2/1/2023也可以在反饋網(wǎng)絡(luò)中加入非線性穩(wěn)幅環(huán)節(jié)，用以調(diào)節(jié)放大電路的增益，從而達到穩(wěn)幅的目的。這在下面具體的振蕩電路中加以介紹。2/1/20239.6RC正弦波振蕩電路1RC網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)2RC文氏橋振蕩器301RC網(wǎng)絡(luò)的頻率響應(yīng)

RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的電路如圖所示。RC串聯(lián)臂的阻抗用Z1表示，RC并聯(lián)臂的阻抗用Z2表示。其頻率響應(yīng)如下:RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)311)122Cw1RCR1j()1(2121CRCRw-+++=R/j+)Cj/1(2122221112RCCRCRRRww+++=)j1]()Cj/1([222112RCRRRww+++=諧振頻率為:f0=當(dāng)R1=R2，C1=C2時，諧振角頻率和諧振頻率分別為:)]j1/([+)Cj/1()j1/(22211222212CRRRCRRZZZwww+++=+=32幅頻特性:相頻特性:當(dāng)時的反饋系數(shù)：且與頻率的大小無關(guān)。此時的相角F=0。33

RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線342RC文氏橋振蕩電路

(1)RC文氏橋振蕩電路的構(gòu)成

振蕩電路如圖所示，RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)即是正反饋網(wǎng)絡(luò)也是選頻網(wǎng)絡(luò)，R3和R4構(gòu)成負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)，起放大作用。C1、R1和C2、R2正反饋支路與R3、R4負(fù)反饋支路正好構(gòu)成一個橋路，稱為文氏橋。RC文氏橋振蕩電路2/1/2023當(dāng)C1=C2、R1=R2時:為滿足振蕩的幅度條件=1，所以Af≥3。加入R3、R4支路，構(gòu)成串聯(lián)電壓負(fù)反饋。F=036

(2)

RC振蕩電路的穩(wěn)幅過程穩(wěn)幅作用是靠正溫度系數(shù)的熱敏電阻R4實現(xiàn)的,自動調(diào)節(jié)過程如下：37(a)穩(wěn)幅電路(b)穩(wěn)幅原理圖反并聯(lián)二極管的穩(wěn)幅電路采用反并聯(lián)二極管的穩(wěn)幅電路如圖所示。穩(wěn)幅過程如下：Rf38電路的電壓增益為：式中

R“p是電位器上半部的電阻值，R‘p是電位器下半部的電阻值。R’3=R3//rD(rD是并聯(lián)二極管的等效平均電阻值)，RP的作用是調(diào)節(jié)反饋強度，改變輸出幅值。39例：可變頻率、可變幅值、自動穩(wěn)幅RC振蕩器?？勺冾l率：粗調(diào)由同軸開關(guān)切換電容實現(xiàn)（10倍率）；細(xì)調(diào)由改變同軸電阻實現(xiàn)?？勺兎担赫{(diào)節(jié)場效應(yīng)管柵偏壓實現(xiàn)。調(diào)頻部分變幅穩(wěn)幅部分低通濾波可變電阻區(qū)，斜率隨vGS不同而變化40自動穩(wěn)幅原理：反之亦然。419.7LC正弦波振蕩電路

LC正弦波振蕩電路的選頻網(wǎng)絡(luò)由LC諧振電路構(gòu)成，正反饋網(wǎng)絡(luò)因不同類型的LC正弦波振蕩電路而有所不同。

1LC并聯(lián)諧振電路的頻率響應(yīng)2變壓器反饋LC振蕩器3電感三點式LC振蕩器42

（a）LC并聯(lián)諧振電路

LC并聯(lián)諧振電路與并聯(lián)諧振曲線

（b）并聯(lián)諧振曲線1LC并聯(lián)諧振電路的頻率響應(yīng)

LC并聯(lián)諧振電路如圖所示。

輸入信號頻率過高，電容的旁路作用加強，輸出減??；反之頻率太低，電感將短路輸出。所以f=f0時，輸出達到最大。有損耗的諧振電路并聯(lián)諧振電路的品質(zhì)因數(shù)

R表示電感支路的損耗。諧振時：諧振頻率：

從諧振曲線可見，Q值大的曲線較陡較窄，圖中Q1＞Q2。并聯(lián)諧振電路的諧振阻抗諧振時LC并聯(lián)諧振電路相當(dāng)一個電阻。452變壓器反饋LC振蕩電路變壓器反饋LC振蕩電路變壓器反饋LC振蕩電路如圖所示。1.、LC并聯(lián)支路作為選頻網(wǎng)絡(luò)。2.、L2與Ｌ相耦合,構(gòu)成正反饋（注意同名端）。3、三極管及其偏置電路構(gòu)成放大4、三極管的非線性構(gòu)成限幅電路。有關(guān)同名端的極性請參閱圖。同名端的極性

變壓器反饋LC振蕩電路的振蕩頻率與并聯(lián)LC諧振電路相同，為479.7.3三點式LC振蕩電路仍然由LC并聯(lián)諧振電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)A.若中間點交流接地，則首端與尾端相位相反。1.三點式LC并聯(lián)電路中間端的瞬時電位一定在首、尾端電位之間。三點的相位關(guān)系B.若首端或尾端交流接地，則其他兩端相位相同。48

電感三點式LC振蕩器（CB）2電感三點式LC振蕩器反饋vf在哪？如何判定是否為正反饋？諧振頻率：電感線圈L1、L2構(gòu)成電感三個點與電容C構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)。49電感三點式LC振蕩器（CE）電感線圈L1、L2構(gòu)成電感三個點與電容C構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)。該電路的優(yōu)點是電感線圈中無直流電流通過，不存在直流磁化的問題。判定是否為正反饋（滿足相位條件）？反饋電壓vf在何處？諧振頻率：503電容三點式LC振蕩電路判定是否為正反饋？反饋電壓vf在何處？諧振頻率：電路缺點：電感線圈中有直流電流通過，存在直流磁化的問題。與電感三點式LC振蕩電路類似的有電容三點式LC振蕩電路，見圖51判定是否為正反饋？反饋電壓vf在何處？諧振頻率：電路優(yōu)點：電感線圈中無直流電流通過，不存在直流磁化的問題。電容三點式LC振蕩電路見圖52例圖a，b均為三點式振蕩電路，試判斷是否滿足相位平衡條件。(a)(b)

539.7.4石英晶體振蕩電路Q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)定度一般由來衡量——頻率偏移量?！袷庮l率。LC振蕩電路Q——數(shù)百石英晶體振蕩電路Q——10000500000549.7.4石英晶體振蕩電路2.石英晶體的基本特性與等效電路結(jié)構(gòu)極板間加電場極板間加機械力晶體機械變形晶體產(chǎn)生電場壓電效應(yīng)交變電壓機械振動交變電壓機械振動的固有頻率與晶片尺寸有關(guān)，穩(wěn)定性高當(dāng)交變電壓頻率=固有頻率時，振幅最大。壓電諧振55等效電路A.串聯(lián)諧振特性晶體等效阻抗為純阻性B.并聯(lián)諧振通常所以9.7.4石英晶體振蕩電路2.石英晶體的基本特性與等效電路（a）代表符號（b）電路模型（c）電抗-頻率響應(yīng)特性569.7.4石英晶體振蕩電路2.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Cs則新的諧振頻率為由于由此看出調(diào)整573石英晶體構(gòu)成的振蕩電路

利用石英晶體的高Q值的特點，構(gòu)成振蕩電路如圖。圖中電路，要滿足正反饋，石英晶體必須呈感性才能形成三點式LC并聯(lián)諧振。石英晶體的Q值很高，達到10000以上，所示電路可以獲得很高的振蕩頻率穩(wěn)定性。58例9.2：分析圖振蕩電路能否產(chǎn)生振蕩，若產(chǎn)生振蕩,石英晶體處于何種狀態(tài)？

圖示石英晶體呈感性，構(gòu)成電容三點式電路。由瞬時極性法可判斷滿足相位條件，可以振蕩。諧振頻率：主要由晶振頻率決定。599.8非正弦信號產(chǎn)生電路9.8.2方波產(chǎn)生電路9.8.3鋸齒波產(chǎn)生電路9.8.1電壓比較器單門限電壓比較器遲滯比較器集成電壓比較器601固定幅度比較器

(1)過零比較器和電壓幅度比較器

過零電壓比較器，電路圖和傳輸特性曲線61

將過零電壓比較器的一個輸入端從接地改接到一個電壓值VREF上,就得到電壓幅度比較器,電路和傳輸特性曲線:

固定電壓比較器(a)電路圖(b)傳輸特性曲線62(2)比較器的基本特點工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)。開關(guān)特性，因開環(huán)增益很大，比較器的輸出只有高電平和低電平兩個穩(wěn)定狀態(tài)。非線性，因大幅度工作，輸出和輸入不成線性關(guān)系。632滯回比較器電路如圖。當(dāng)輸入電壓vI從零逐漸增大，且時，，稱為上限閾值(觸發(fā))電平。當(dāng)輸入電壓時，，此時觸發(fā)電平變?yōu)?，稱為下限閾值(觸發(fā))電平。64

當(dāng)逐漸減小，且以前，始終等于，因此出現(xiàn)如圖所示的滯回特性曲線（VREF＞0）?；夭铍妷?/p>

：65

當(dāng)VREF＝0時，滯回特性曲線關(guān)于原點對稱。滯回比較電路的傳輸特性

當(dāng)VREF≤0時，滯回特性曲線偏向左方。663比較器的應(yīng)用

單限比較器主要用來對輸入波形進行整形。(a)正弦波變換為矩形波(b)有干擾正弦波變換為方波圖用比較器實現(xiàn)波形變換67

9.8.2方波發(fā)生電路

方波發(fā)生電路是由滯回比較電路和