信號處理電路課件

第四節(jié)信號處理電路2021/12/21信號處理電路

內容提要1、介紹濾波電路的作用和分類，并闡明各種有源濾波電路的工作原理和輸入-輸出關系2、介紹幾種典型的電壓比較器的工作原理、傳輸特性和用途2021/12/22信號處理電路§4.1.1濾波電路的作用和分類

濾波器的功能：對頻率進行選擇,過濾掉噪聲和干擾信號，即有用頻率信號通過，無用頻率信號被抑制的電路。濾波電路濾波電路傳遞函數(shù)定義時，有其中——

模，幅頻響應——

相位角，相頻響應時延響應為§4.1有源濾波器2021/12/23信號處理電路分類：按處理方法分硬件濾波軟件濾波按所處理信號分模擬濾波器數(shù)字濾波器按構成器件分無源濾波器有源濾波器按頻率特性分低通濾波器高通濾波器帶通濾波器帶阻濾波器按傳遞函數(shù)分一階濾波器二階濾波器N

階濾波器:2021/12/24信號處理電路濾波器的理想特性和實際濾波器特性2021/12/25信號處理電路§7.1.2低通濾波器(LPF)一、無源低通濾波器：低頻信號能通過而高頻信 號不能通過的濾波器電壓放大倍數(shù)為——通帶截止頻率電路缺點：電壓放大倍數(shù)低，帶負載能力差解決辦法：有源濾波器。圖7.1.22021/12/26信號處理電路二、一階低通有源濾波器：電壓放大倍數(shù)優(yōu)點：通帶電壓放大倍數(shù)得到提高 缺點：當f≥f0時，幅頻特性衰減太慢，以

-20dB／10倍頻程的速率下降，與理 想的幅頻特性相比相差甚遠

解決辦法：采用二階低通有源濾波器。(a)電路圖(b)對數(shù)幅頻特性2021/12/27信號處理電路三、二階低通有源濾波器：幅頻特性在f≥f0時，以-40dB／10倍頻程的速率下降，衰減速度快，其幅頻特性更接近于理想特性，為進一步改善濾波波形,常將第一級的電容C接到輸出端，引入一個反饋。這種電路又稱為賽倫-凱電路(a)電路圖(b)對數(shù)幅頻特性2021/12/28信號處理電路2021/12/29信號處理電路0.1-40-20-0110－20dB/十倍頻－40dB/十倍頻

一階、二階低通有源濾波電路幅頻特性的比較：低通濾波器的幅頻特性理想特性2021/12/210信號處理電路§7.1.3高通濾波器(HPF))一、高通濾波器是指高頻信號能通過而低頻信號不能通過的濾波器，將低通濾波器中起濾波作用的電阻、電容互換，即成為高通有源濾波器無源高通濾波器其通帶截止頻率：2021/12/211信號處理電路二階有源高通濾波器2021/12/212信號處理電路§7.1.4帶通濾波器(BPF)

將一個低通濾波電路和一個高通濾波電路串聯(lián)連接即可組成帶通濾波電路，fh>fL能組成帶通電路。

BPF的構成方法:BPF構成的總則是LPF與HPF相串聯(lián)，LPF與HPF串聯(lián)有如下兩種情況

1、將有源LPF與有源HPF兩級直接串聯(lián)。用這種方法構成的BPF通帶寬，而且通帶截止頻率易調整，但所用元器件多

2、將兩節(jié)電路直接相聯(lián)，其優(yōu)點是電路簡單2021/12/213信號處理電路低通高通f2fO低通ff1O高通阻阻f2f1fO通帶通濾波器原理示意圖2021/12/214信號處理電路帶通濾波器電路及幅頻特性2021/12/215信號處理電路——中心頻率——通帶電壓放大倍數(shù)2021/12/216信號處理電路

在規(guī)定的頻帶內，信號被阻斷，在此頻帶以外的信號能順利通過。 一個低通濾波電路和一個高通濾波電路并聯(lián)連接組成的帶阻濾波電路，fh<fL能組成帶阻電路

BEF構成的總原則是LPF與HPF相并聯(lián)，BEF構成的原理框圖如圖所示§7.1.5帶阻有源濾波電路（BEF）2021/12/217信號處理電路低通高通f2f1fO通阻通fO低通f1f2fO高通帶阻濾波器原理示意圖2021/12/218信號處理電路帶阻濾波器的典型電路2021/12/219信號處理電路——中心頻率——通帶電壓放大倍數(shù)2200p1j1ffffQAAuu-+=&2021/12/220信號處理電路§4.2電壓比較器電壓比較器簡稱比較器，其基本功能是對兩個輸入電壓進行比較，并根據(jù)比較結果輸出高電平或低電平，據(jù)此來判斷輸入信號的大小和極性 比較器中的集成運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。 比較器的輸出只有兩種可能的狀態(tài)：高電平或低電平，為數(shù)字量，而輸入信號是連續(xù)變化的模擬量，因此比較器可作為模擬電路和數(shù)字電路的“接口”

2021/12/221信號處理電路§4.2.1過零比較器uIuO+UOpp-UOppO簡單的過零比較器分類：過零比較器、單限比較器、滯回比較器及雙限比較器2021/12/222信號處理電路理想運放的開環(huán)差模增益為無窮大當uI<0時，uO=+UOPP

；當uI>

0時，uO=-UOPP

；

UOPP

為集成運放的最大輸出電壓。

閾值電壓：當比較器的輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)榱硪环N狀態(tài)所對應的輸入電壓。2021/12/223信號處理電路設任何一個穩(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<UOppuIuO+UOpp

-UOppO+UZ-UZ當uI<0時，不接穩(wěn)壓管時，uo=+U0PP

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

當uI>0時，右邊的穩(wěn)壓管被反向擊穿，uo=-UZ

利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器2021/12/224信號處理電路

為了使比較器輸出的正向幅度和負向幅度基本相等，可將雙向擊穿穩(wěn)壓二極管接在電路的輸出端或接在反饋回路中。2021/12/225信號處理電路§4.2.2單限比較器單限比較器有一個門限電平，當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+UOpp-UOppO+UZ-UZ單限比較器2021/12/226信號處理電路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到某一給定電平。

缺點：抗干擾能力差。

解決辦法：采用具有滯回傳輸特性的比較器。2021/12/227信號處理電路§4.2.3滯回比較器

滯回電壓比較器又稱施密特觸發(fā)器。這種比較器的特點是當輸入信號ui逐漸增大或逐漸減小時，它有兩個閾值，且不相等，其傳輸特性具有“滯回”曲線的形狀。 滯回電壓比較器通過引入上、下兩個門限電壓，以獲得正確、穩(wěn)定的輸出電壓。電壓比較器有兩個門限電平，故傳輸特性呈滯回形狀。2021/12/228信號處理電路

UREF為參考電壓；輸出電壓uO為+UZ或-UZ；uI為輸入電壓。當u+=u-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+滯回比較器2021/12/229信號處理電路

滯回電壓比較器用于控制系統(tǒng)時主要優(yōu)點是抗干擾能力強。當輸入信號受干擾或噪聲的影響而上下波動時，只要根據(jù)干擾或噪聲電平適當調整滯回電壓比較器兩個門限電平UT+和UT-的值，就可以避免比較器的輸出電壓在高、低電平之間反復跳變。

2021/12/230信號處理電路2021/12/231信號處理電路§4.2.4雙限比較器

雙限比較器又稱為窗孔比較器。它的特點是輸入信號單方向變化，可使輸出電壓uo跳變兩次，其傳輸特性如圖所示，它形似窗口，稱為窗口比較器。窗口比較器提供了兩個閾值和兩種輸出穩(wěn)定狀態(tài)可用來判斷uI是否在某兩個電平之間。 窗口比較器可用兩個閾值不同的電平比較器組成，電路如圖。2021/12/232信號處理電路若uI低于

UREF2

，運放A1輸出低電平，A2輸出高電平，二極管VD1

截止，VD2導通，輸出電壓uO為高電平若uI高于

UREF1

，運放A1輸出高電平，A2輸出低電平，二極管VD2

截止，VD1

導通，輸出電壓uO為高電平(a)uIuOOUTHUTL(b)雙限比較器2021/12/233信號處理電路§7.2.5集成電壓比較器

集成電壓比較器可以輸出高、低電平，但它內部加入了電平移動和數(shù)字驅動電路，因此可與數(shù)字電路直接相連，作為A/D轉換器的一個核心部件，集成電壓比較器的電路結構框圖如下圖所示 對集成電壓比較器的主要要求：1、具有較高的開環(huán)差模增益2、具有較快的響應速度3、具有較高的共模抑制比和允許共模輸入電壓較高4、具有較低的失調電壓、失調電流及較低的溫漂2021/12/234信號處理電路

它主要由差動輸入級、電平轉換級、輸出邏輯電平和控制級（具有集電極開路結構的輸出級）以及偏置電路幾個基本部件組成。其特點是輸出的高、低電平分別與數(shù)字電路的邏輯“1”和邏輯“0”電平相等，能與TTL、DTL、HTL、CMOS等數(shù)字電路的電平兼容，有些比較器輸出還可直接驅動繼電器幫指示燈等。而且電源的選用范圍較大：單電源或雙電源；電源電壓在幾伏至幾十伏之間，使用簡單方便。2021/12/235信號處理電路集成電壓比較器內部電路結構框圖2021/12/236信號處理電路集成電壓比較器的類型：1、按一個集成組件內包含的比較器數(shù)目：單比較器、雙比較器、四比較器等2、按信號響應速度：可分為高速、中速、低速電壓比較器3、按集成制造工藝：可分為雙極性和CMOS型電壓比較器4、按性能指標：可分為精密電壓比較器、高靈敏度電壓比較器和低功耗、低失調電壓比較器等2021/12/237信號處理電路高速集成電壓比較器電路原理圖一、CJ07102021/12/238信號處理電路CJ0710內部包括三個放大級差動輸入級：差動放大輸入級：VT1、VT2、VT3，采用恒 流源式差分放大電路，因而具有較高 的共模抑制比。共射放大中間級：VT4，具有較高的電壓放 大倍數(shù)。輸出級：VT7、VT8、VDZ2，共集電極放大電 路。2021/12/239信號處理電路二、四電壓比較器LM339

LM339集成塊內部裝有四個獨立的電壓比較器，該電壓比較器的特點是：1、失調電壓小，典型值為2mV2、電源電壓范圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為±1V-±18V3、對比較信號源的內阻限制較寬4、共模范圍很大，為0~（Ucc-1.5V）Vo5、差動輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓6、輸出端電位可靈活方便地選用。2021/12/240信號處理電路單限比較器電路

單限比較器傳輸特性

2021/12/241信號處理電路過熱檢測保護電路1/4LM339的反相輸入端加一個固定的參考電壓，它的值取決于R1、R2。UR=R2/（R1+R2）*UCC。同相端的電壓就等于熱敏元件Rt的電壓降。當機內溫度為設定值以下時，“+”端電壓大于“-”端電壓，Uo為高電位。當溫度上升為設定值以上時，“-”端電壓大于“+”端，比較器反轉，Uo輸出為零電位，使保護電路動作，調節(jié)R1的值可以改變門限電壓，既設定溫度值的大小。2021/12/242信號處理電路用LM339組成振蕩器

下圖為用1/4LM339組成的音頻方波振蕩器的電