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1、10 信号处理与信号产生电路,10.1 滤波电路的基本概念与分类 10.2 一阶有源滤波电路 10.3 高阶有源滤波电路 *10.4 开关电容滤波器 10.5 正弦波振荡电路的振荡条件 10.6 RC正弦波振荡电路 10.7 LC正弦波振荡电路 10.8 非正弦信号产生电路,10.1 滤波电路的基本概念与分类,1. 基本概念,滤波器：是一种能使有用频率信号通过而同时抑制或衰减无用频率信号的电子装置。,例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。经滤波电路后，则可滤掉高频成分。,有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。,滤波电路传递函数定义,时，有,其中, 模，幅频响应, 相位角，相
2、频响应,群时延响应,2. 分类,低通（LPF）,希望抑制50Hz的干扰信号，应选用哪种类型的滤波电路？,高通（HPF）,带通（BPF）,带阻（BEF）,全通（APF）,放大音频信号，应选用哪种类型的滤波电路？,10.2 一阶有源滤波电路,1. 低通滤波电路,传递函数,其中,特征角频率,故，幅频相应为,同相比例放大系数,电路如何改变？,幅频响应如何变化？,一阶有源滤波电路通带外衰减速率慢（-20dB/十倍频程），与理想情况相差较远。一般用在对滤波要求不高的场合。,有源滤波电路和无源滤波电路相比有何优缺点？,2. 高通滤波电路,10.3 高阶有源滤波电路,10.3.1 有源低通滤波电路 10.3.
3、2 有源高通滤波电路 10.3.3 有源带通滤波电路 10.3.4 二阶有源带阻滤波电路,10.3.1 有源低通滤波电路,1. 二阶有源低通滤波电路,2. 传递函数,得滤波电路传递函数,（二阶）,（同相比例）,2. 传递函数,令,称为通带增益,称为特征角频率,称为等效品质因数,则,用 代入，可得传递函数的频率响应：,归一化的幅频响应,相频响应,3. 幅频响应,归一化的幅频响应曲线,产生增益过冲的原因是什么？,上限角频率H和特征角频率C有何差别？,4. n阶巴特沃斯传递函数,传递函数为,式中n为阶滤波电路阶数，c为3dB载止角频率，A0为通带电压增益。,10.3.2 有源高通滤波电路,1. 二阶
4、高通滤波电路,将低通电路中的电容和电阻对换，便成为高通电路。,传递函数,归一化的幅频响应,2. 巴特沃斯传递函数及其归一化幅频响应,归一化幅频响应,10.3.3 有源带通滤波电路,1. 电路组成原理,可由低通和高通串联得到,必须满足,低通截止角频率,高通截止角频率,2. 例,3. 二阶有源带通滤波电路,传递函数,得,关于选择性,10.3.4 二阶有源带阻滤波电路,可由低通和高通并联得到,必须满足,10.3.4 二阶有源带阻滤波电路,双T选频网络,双T带阻滤波电路,阻滤波电路的幅频特性,10.4 开关电容滤波器,1. 基本原理,积分电路,由电容C1和两个MOS开关管 T1、T2等效电阻R1的积分
5、电路,不重叠的两相时钟脉冲1和2控制关管的接通与断开,1为高电平时，T1导通，T2截止,2为高电平时，T1截止，T2导通 C1所充电荷向C2转移,C1被充电，有qc1C1vI,1为高电平时，T1导通，T2截止,2为高电平时，T1截止，T2导通 C1所充电荷向C2转移,C1被充电，有qc1C1vI,在每一时钟周期Tc内，从信号源中提取的电荷qc1C1vI供给了积分电容器C2。因此，在节点1、2之间流过的平均电流为,当Tc远小于信号周期时，可在两节点之间定义一个等效电阻Req,时间常数与脉冲周期和电容比有关,得等效的积分器时间常数,2. 开关电路滤波器举例,一阶低通滤波器电路，传递函数为,其中,等
6、效开关电容滤波器电路,有,代入传递函数表达式,代入传递函数表达式,其中,一阶低通滤波器的波特图,通过选择C1、 C2和时钟频率fc，便可获得需要的滤波特性,3. 单片集成开关电容滤波器简介,目前已有通用型开关电容滤波器，可组成低通、高通、带通等类型滤波电路，阶数达8阶，某些型号的产品能对微伏数量级的有用信号进行滤波。 开关电容滤波器的滤波特性决定于电容比和时钟频率，设计简单，可实现高精度和高稳定滤波，同时便于集成。 目前集成开关电容滤波器除工作频率还不够高外（受脉冲频率远大于信号频率的限制），大部分性能指标已达到较高水平。,10.5 正弦波振荡电路的振荡条件,正弦波发生电路能产生正弦波输出，它
7、是在放大电路的基础上加上正反馈而形成的，它是各类波形发生器和信号源的核心电路。正弦波发生电路也称为正弦波振荡电路或正弦波振荡器。,1. 振荡电路基本组成部分,为了产生正弦波，必须在放大电路里加入正反馈，因此放大电路和正反馈网络是振荡电路的最主要部分。但是，这样两部分构成的振荡器一般得不到正弦波，这是由于很难控制正反馈的量。,如果正反馈量大，则增幅，输出幅度越来越大，最后由三极管的非线性限幅，这必然产生非线性失真。,反之，如果正反馈量不足，则减幅，可能停振，为此振荡电路要有一个稳幅电路。,为了获得单一频率的正弦波输出，应该有选频网络，选频网络往往和正反馈网络或放大电路合而为一。选频网络由R、C和
8、L、C等电抗性元件组成。正弦波振荡器的名称一般由选频网络来命名。正弦波发生电路的组成,放大电路（包括负反馈放大电路）,反馈网络（构成正反馈的）,选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。 经常与反馈网络合二为一。）,稳幅环节,正反馈放大电路框图 （注意与负反馈方框图的差别）,2. 振荡条件,若环路增益,则,又,所以振荡条件为,振幅平衡条件,相位平衡条件,起振条件,3. 起振和稳幅,# 振荡电路是单口网络，无须输入信号就能起振，起振的信号源来自何处？,电路器件内部噪声以及电源接通扰动,当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加，否则波形将出现失真。,噪声中，满足相位平衡条件的某一频率0的
9、噪声信号被放大，成为振荡电路的输出信号。,稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从 回到,10.6 RC正弦波振荡电路,1. 电路组成 2. RC串并联选频网络的选频特性 3. 振荡电路工作原理 4. 稳幅措施 5. 移相式正弦波振荡电路,1. 电路组成,反馈网络兼做选频网络,RC桥式振荡电路,2. RC串并联选频网络的选频特性,反馈系数,幅频响应,又,且令,则,相频响应,当,幅频响应有最大值,相频响应,3. 振荡电路工作原理,此时若放大电路的电压增益为,断开环路某一点，用瞬时极性法判断可知，电路满足相位平衡条件：,则振荡电路满足振幅平衡条件,(+),电路可以输出频率为
10、 的正弦波,RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波,4. 稳幅措施,采用非线性元件,热敏元件,热敏电阻,起振时，,即,热敏电阻的作用,采用非线性元件,场效应管（JFET）,稳幅原理,整流滤波,T 为压控电阻,end,采用非线性元件,二极管,稳幅原理,起振时,5. 移相式正弦波振荡电路,每节RC电路相移小于90 当相位移接近90时，R两端电压接近零，所以，两节RC电路组成的反馈网络（兼选频网络）很难既满足相位条件，又满足幅值条件。,采用3节RC移相电路，在特定频率f0下移相180，加上放大电路产生的180相移则满足相位平衡条件。 只要适当调节Rf的值，使AV适当，便可满足振
11、幅条件，产生正弦振荡。,10.7 LC正弦波振荡电路,10.7.1 LC选频放大电路 10.7.2 变压器反馈式LC振荡电路 10.7.3 三点式LC振荡电路 10.7.4 石英晶体振荡电路,10.7.1 LC选频放大电路,等效损耗电阻,当,时，电路谐振,为谐振频率,谐振时,阻抗最大，且为纯阻性,同时有,即,1. 并联谐振回路,阻抗频率响应,（a）幅频响应 （b）相频响应,2. 选频放大电路,10.7.2 变压器反馈式LC振荡电路,虽然波形出现了失真，但由于LC谐振电路的Q值很高，选频特性好，所以仍能选出0的正弦波信号。,1. 电路结构,2. 相位平衡条件,3. 幅值平衡条件,4. 稳幅,5.
12、 选频,（定性分析）,10.7.3 三点式LC振荡电路,仍然由LC并联谐振电路构成选频网络,A. 若中间点交流接地，则首端与尾端 相位相反。,1. 三点式LC并联电路,中间端的瞬时电位一定在首、尾端电位之间。,三点的相位关系,B. 若首端或尾端交流接地，则其他两 端相位相同。,2. 电感三点式振荡电路,3. 电容三点式振荡电路,例：图为一个三点式振荡电路 ,试判断是否满足相位平衡条件。,10.7.4 石英晶体振荡电路,Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。,1. 频率稳定问题,频率稳定度一般由 来衡量,频率偏移量。,振荡频率。,LC振荡电路 Q 数百,石英晶体振荡电路 Q 10 000 500
13、000,结构,极板间加电场,极板间加机械力,压电效应,交变电压,机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高,当交变电压频率 = 固有频率时，振幅最大,压电谐振,2. 石英晶体的基本特性与等效电路,等效电路,A. 串联谐振,特性,晶体等效阻抗为纯阻性,B. 并联谐振,通常,所以,（a）代表符号 （b）电路模型 （c）电抗-频率响应特性,实际使用时外接一小电容Cs,则新的谐振频率为,由于,由此看出,调整,3. 石英晶体振荡电路,10.8 非正弦信号产生电路,10.8.1 电压比较器 10.8.2 方波产生电路 10.8.3 锯齿波产生电路,10.8.1 电压比较器,比较器是将一个模拟电压信号与一个
14、基准电压相比较的电路。常用的幅度比较电路有电压幅度比较器，具有滞回特性的比较器。这些比较器的阈值是固定的，有的只有一个阈值，有的具有两个阈值。,比较器的基本特点:,工作在开环或正反馈状态。,开关特性，因开环增益很大，比较器的输出只有高电平和低电平两个稳定状态。,运算放大器工作在饱和区，即非线性区，输出和输入不成线性关系。,，由于|vO |不可能超过VM ，,特点：,（1）过零比较器,开环，虚短不成立,增益A0大于105,（忽略了放大器输出级的饱和压降）,所以,当 |+VCC | = |-VEE | =VM = 15V，A0=105 时，,可以认为,vI 0 时， vOmax = +VCC,vI
15、 0 时， vOmax = -VEE,（过零比较器）,运算放大器工作在非线性状态下,1. 单门限电压比较器,输入为正负对称的正弦波时，输出为方波。,电压传输特性,（2）门限电压不为零的比较器,电压传输特性,输入为正负对称的正弦波时，输出波形如图所示。,（门限电压为VREF）,(a) VREF0时,(b) VREF2V时,(c) VREF4V时,vI为峰值6V的三角波，设VCC12V，运放为理想器件。,解：,（1）A 构成过零比较器,（2）RC 为微分电路， RCT,例,电路如图所示，当输入信号如图c所示的正弦波时，定性画出,（3）D 削波（限幅、检波）,解：,例,图示为另一种形式的单门限电压比
16、较器，试求出其门限电压(阈值电压)VT，画出其电压传输特性。设运放输出的高、低电平分别为VOH和VOL。,利用叠加原理可得,理想情况下，输出电压发生跳变时对应的vPvN0，即,门限电压,单门限比较器的抗干扰能力,（1）电路组成,（2）门限电压,而vP与vO有关，对应vO的两个电压值， vP的两个门限电压,上门限电压,下门限电压,回差电压,2. 迟滞比较器,（3）传输特性,（4）分析要点,门限电压与输出电压有关,任何时刻只有一个门限电压有效,当输入介于两门限之间时输出不变。只有当输入高于有效的上门限或低于有效的下门限时，输出才翻转。翻转方向取决于输入输出的相位关系。,解：,（1）门限电压,（3）输出电压波形,例,电路如图9.4.6a所示，试求门限电压，画出传输特性和图c所示输入信号下的输出电压波形。,（2）传输特性,与单门限相比，迟滞比较器在电路翻转
