信號(hào)處理與信號(hào)產(chǎn)生電路

關(guān)于信號(hào)處理與信號(hào)產(chǎn)生電路1第一頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日9.1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(hào)通過而同時(shí)抑制或衰減無用頻率信號(hào)的電子裝置——選頻濾波電路傳遞函數(shù)定義時(shí)，有其中——模，幅頻響應(yīng)——相位角，相頻響應(yīng)群時(shí)延響應(yīng)濾波電路vi(t)vo(t)2第二頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日1)按信號(hào)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(hào)頻率范圍阻帶：受阻或衰減的信號(hào)頻率范圍截止頻率：通帶與阻帶的界限3第三頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日低通高通帶通帶阻2.濾波電路的分類2)按電路功能分類4第四頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日低通（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(hào)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？5第五頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日4)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(yùn)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第六頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日前言-無源濾波器的缺點(diǎn)低通濾波電路高通濾波電路9.2一階有源濾波電路7第七頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日0無源濾波器的缺點(diǎn)（以一階濾波器為例）傳遞函數(shù)：RC9.2一階有源濾波電路8第八頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日1.帶負(fù)載能力差。2.對(duì)通帶信號(hào)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(diǎn)：0無源濾波器的缺點(diǎn)（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第九頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日？各級(jí)互相影響！RCRC0無源濾波器的缺點(diǎn)（以一階濾波器為例）能否將兩個(gè)一階低通濾波器直接串接構(gòu)成二階低通濾波器？10第十頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日9.2一階有源濾波電路1.低通濾波電路1)電路組成：為了增強(qiáng)無源濾波電路帶載能力，應(yīng)該怎樣改進(jìn)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(jìn)電路？電壓跟隨器無源低通濾波器11第十一頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日9.2一階有源濾波電路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(xiàng)，故稱為一階濾波器。12第十二頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日有放大作用3.運(yùn)放輸出，帶負(fù)載能力強(qiáng)。幅頻特性與一階無源低通濾波器類似電路的特點(diǎn)：2.=c時(shí)1.<<c

時(shí)9.2一階有源濾波電路1.低通濾波電路13第十三頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日有源濾波器的特點(diǎn)：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(gè)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(jí)間影響。除濾波外，還可放大信號(hào)，放大倍數(shù)容易調(diào)節(jié)。優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：不宜用于高頻。不宜在高電壓、大電流情況下使用。使用時(shí)需外接直流電源。9.2一階有源濾波電路14第十四頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日如何組成高通濾波器？將低通濾波器中的R、C對(duì)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第十五頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日幅頻特性：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(duì)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16第十六頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日9.3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17第十七頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日9.3.1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(duì)于濾波電路，有得濾波電路傳遞函數(shù)（二階）（同相比例）18第十八頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日2.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：19第十九頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日3.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第二十頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日解：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(jià)格高，應(yīng)盡量避免使用。?。河?jì)算出，取例:

設(shè)計(jì)二階LPF，Q值為0.7，試求電路中的電阻、電容值。21第二十一頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日2．根據(jù)Ｑ值求和，因?yàn)闀r(shí)，，根據(jù)與、的關(guān)系，集成運(yùn)放兩輸入端外接電阻的對(duì)稱條件解得：22第二十二頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日9.3.2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(duì)換，便成為高通電路。傳遞函數(shù)歸一化的幅頻響應(yīng)23第二十三頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日9.5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24第二十四頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日1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)幅電路第二十五頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日3/18/20232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(hào)，所以。26第二十六頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日

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(hào)的改變27第二十七頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日

振蕩器在剛剛起振時(shí)，為了克服電路中的損耗，需要正反饋強(qiáng)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(hào)，以獲得正弦波輸出。第二十八頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日3/18/2023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(dá)到穩(wěn)幅的目的。這在下面具體的振蕩電路中加以介紹。第二十九頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日3/18/20239.6RC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30第三十頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日1RC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)31第三十一頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日1)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(shí)，諧振角頻率和諧振頻率分別為:)]j1/([+)Cj/1()j1/(22211222212CRRRCRRZZZwww+++=+=32第三十二頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日幅頻特性:相頻特性:當(dāng)時(shí)的反饋系數(shù)：且與頻率的大小無關(guān)。此時(shí)的相角F=0。33第三十三頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日

RC串并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的頻率特性曲線34第三十四頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日2RC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(gè)橋路，稱為文氏橋。RC文氏橋振蕩電路第三十五頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日3/18/2023當(dāng)C1=C2、R1=R2時(shí):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第三十六頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日

(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(shí)現(xiàn)的,自動(dòng)調(diào)節(jié)過程如下：37第三十七頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日(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第三十八頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日電路的電壓增益為：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(qiáng)度，改變輸出幅值。39第三十九頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日例：可變頻率、可變幅值、自動(dòng)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(shí)現(xiàn)（10倍率）；細(xì)調(diào)由改變同軸電阻實(shí)現(xiàn)?？勺兎担赫{(diào)節(jié)場效應(yīng)管柵偏壓實(shí)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第四十頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日自動(dòng)穩(wěn)幅原理：反之亦然。41第四十一頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日9.7LC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(diǎn)式LC振蕩器42第四十二頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日

（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(hào)頻率過高，電容的旁路作用加強(qiáng)，輸出減??；反之頻率太低，電感將短路輸出。所以f=f0時(shí)，輸出達(dá)到最大。第四十三頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日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(shí)：諧振頻率：第四十四頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日

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(shí)LC并聯(lián)諧振電路相當(dāng)一個(gè)電阻。45第四十五頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日2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。第四十六頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日有關(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47第四十七頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日9.7.3三點(diǎn)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(diǎn)交流接地，則首端與尾端相位相反。1.三點(diǎn)式LC并聯(lián)電路中間端的瞬時(shí)電位一定在首、尾端電位之間。三點(diǎn)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第四十八頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日

電感三點(diǎn)式LC振蕩器（CB）2電感三點(diǎn)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(gè)點(diǎn)與電容C構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)。49第四十九頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日電感三點(diǎn)式LC振蕩器（CE）電感線圈L1、L2構(gòu)成電感三個(gè)點(diǎn)與電容C構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)。該電路的優(yōu)點(diǎn)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：50第五十頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日3電容三點(diǎn)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(diǎn)：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(diǎn)式LC振蕩電路類似的有電容三點(diǎn)式LC振蕩電路，見圖51第五十一頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日判定是否為正反饋？反饋電壓vf在何處？諧振頻率：電路優(yōu)點(diǎn)：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(diǎn)式LC振蕩電路見圖52第五十二頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日例圖a，b均為三點(diǎn)式振蕩電路，試判斷是否滿足相位平衡條件。(a)(b)

53第五十三頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日9.7.4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——1000050000054第五十四頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日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結(jié)構(gòu)極板間加電場極板間加機(jī)械力晶體機(jī)械變形晶體產(chǎn)生電場壓電效應(yīng)交變電壓機(jī)械振動(dòng)交變電壓機(jī)械振動(dòng)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(shí)，振幅最大。壓電諧振55第五十五頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日等效電路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(hào)（b）電路模型（c）電抗-頻率響應(yīng)特性56第五十六頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日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實(shí)際使用時(shí)外接一小電容Cs則新的諧振頻率為由于由此看出調(diào)整57第五十七頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日3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(diǎn)，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(diǎn)式LC并聯(lián)諧振。石英晶體的Q值很高，達(dá)到10000以上，所示電路可以獲得很高的振蕩頻率穩(wěn)定性。58第五十八頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日例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(diǎn)式電路。由瞬時(shí)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。59第五十九頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日9.8非正弦信號(hào)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60第六十頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日1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第六十一頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日

將過零電壓比較器的一個(gè)輸入端從接地改接到一個(gè)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第六十二頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日(2)比較器的基本特點(diǎn)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(gè)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。63第六十三頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日2滯回比較器電路如圖。當(dāng)輸入電壓vI從零逐漸增大，且時(shí)，，稱為上限閾值(觸發(fā))電平。當(dāng)輸入電壓時(shí)，，此時(shí)觸發(fā)電平變?yōu)?，稱為下限閾值(觸發(fā))電平。64第六十四頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日

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第六十五頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日

當(dāng)VREF＝0時(shí)，滯回特性曲線關(guān)于原點(diǎn)對(duì)稱。滯回比較電路的傳輸特性

當(dāng)VREF≤0時(shí)，滯回特性曲線偏向左方。66第六十六頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日3比較器的應(yīng)用

單限比較器主要用來對(duì)輸入波形進(jìn)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(shí)現(xiàn)波形變換67第六十七頁，共七十五頁，編輯于2023年，星期日

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RC定時(shí)電路構(gòu)成的，電路如圖。(1)工作原理電源剛接通時(shí),設(shè)