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1、第九章信号处理与信号产生电路 有源滤波器正弦波振荡电路非正弦波产生电路 9 1滤波电路基本概念与分类 一 基本概念及初步定义 二 一阶有源滤波电路 高通滤波 低通滤波 基本概念 分类 三 二阶有源滤波电路 高通滤波 低通滤波 带通滤波 带阻滤波 带阻滤波 带通滤波 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得电子装置 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 相频响应 时延响应为 2 分类 按幅频特性分 低通 LPF 用于工作信号为低频 或直流 并且需要削弱高次谐波或频率较高的干扰和噪声等场合 整流后滤波 高
2、通 HPF 用于信号处于高频 并且需要削弱低频的场合 阻容放大器的耦合 带通 BPF 用于突出有用频段的信号 削弱其它频段的信号或干扰和噪声 载波通信 带阻 BEF 用于抑制干扰 全通 APF 3 无源滤波电路和有源滤波电路无源滤波电路 由无源元件R L C组成的滤波电路 有源滤波电路 由晶体管和R C网络组成的滤波电路 4 由集成运放 工作在线性区 和RC网络组成的有源滤波电路的优点 1 体积小 重量轻 不需要加磁屏蔽 2 电路中的集成运放可以加串联负反馈 使ri高 ro低 3 除起有源滤波作用外 还可以放大 而且放大倍数容易调节 9 2一阶有源滤波电路 1 一阶RC低通有源滤波电路 2 高
3、通滤波电路 3 带通滤波电路 传递函数 其中 特征角频率 故 幅频相应为 1 一阶RC低通有源滤波电路 2 高通滤波电路 可由低通和高通串联得到 必须满足 3 带通滤波电路 低通特征角频率 高通特征角频率 4 带阻滤波电路 可由低通和高通并联得到 必须满足 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 图9 3 1各种低通滤波器特性比较 9 3高阶有源滤波电路 1 压控电压源低通滤波电路 压控电压源电路 VCVS 得滤波电路传递函数 二阶 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
4、频响应 相频响应 归一化的幅频响应波特图 n阶巴特沃思低通滤波传递函数 9 3 2有源高通滤波电路 1 压控电压源高通滤波电路 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 比较二价低通滤波 归一化的幅频响应 波特图 9 3 3有源带通滤波电路 可由低通和高通串联得到 二阶有源带通滤波电路 传递函数 得 0 中心角频率 归一化的幅频响应波特图 0时 具有最大电压增益 即通带电压增益 得两个截止角频率则 通带宽度 9 3 4二阶有源带阻滤波电路 双T带阻滤波电路 陷波电路 双T选频网络 频率响应 双T带阻滤波电路 n 0 AVF愈接近2 愈大 可使带阻滤波电路的选频特性愈好 阻断频率范
5、围愈窄 主要内容 1正弦波振荡电路的振荡条件2RC正弦波振荡电路3LC正弦波振荡电路基本要求 1掌握正弦波振荡的相位平衡条件 幅度平衡条件2掌握RC正弦波振荡电路的工作原理 起振条件 稳幅原理及振荡频率的计算3掌握LC正弦波振荡电路的工作原理 起振条件 稳幅原理及振荡频率的计算学习要点 理解正弦波振荡电路的振荡条件 重点掌握RC LC正弦波振荡电路 9 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 一 正弦波发生电路的组成二 产生正弦波的条件三 起振条
6、件和稳幅原理 一 正弦波发生电路的组成 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 放大电路正反馈网络选频网络稳幅电路 正弦波发生电路的组成如下
7、 二 产生正弦波的条件 产生正弦波的条件与负反馈放大电路产生自激的条件十分类似 只不过负反馈放大电路中是由于信号频率达到了通频带的两端 产生了足够的附加相移 从而使负反馈变成了正反馈 在振荡电路中加的就是正反馈 振荡建立后只是一种频率的信号 无所谓附加相移 振荡条件幅度平衡条件相位平衡条件 AF A F 2n a 负反馈放大电路 b 正反馈振荡电路 图11 01振荡器的方框图 比较图11 01 a 和 b 就可以明显地看出负反馈放大电路和正反馈振荡电路的区别了 由于振荡电路的输入信号 所以 由于正 负号的改变 既然 起振后就要产生增幅振荡 需要靠三极管大信号运用时的非线性特性去限制幅度的增加
8、这样电路必然产生失真 这就要靠选频网络的作用 选出失真波形的基波分量作为输出信号 以获得正弦波输出 振荡器在刚刚起振时 为了克服电路中的损耗 需要正反馈强一些 即要求这称为起振条件 三 起振条件和稳幅原理 也可以在反馈网络中加入非线性稳幅环节 用以调节放大电路的增益 从而达到稳幅的目的 这在下面具体的振荡电路中加以介绍 一 RC网络的频率响应二 RC文氏桥振荡器 9 6RC正弦波振荡电路 一 RC网络的频率响应 RC串并联网络的电路如图11 02 a 所示 RC串联臂的阻抗用Z1表示 RC并联臂的阻抗用Z2表示 其频率响应如下 图11 02 a RC串并联网络 谐振频率为 f0 当R1 R2
9、C1 C2时 谐振角频率和谐振频率分别为 幅频特性 相频特性 当f f0时的反馈系数 且与频率f0的大小无关 此时的相角 F 0 即改变谐振频率不会影响反馈系数和相角 在调节谐振频率的过程中 不会停振 也不会使输出幅度改变 有关曲线见图11 02 b 图11 02 b RC串并联网络的频率特性曲线 二 RC文氏桥振荡电路 1 RC文氏桥振荡电路的构成RC文氏桥振荡电路如图11 03所示 RC串并联网络是正反馈网络 另外还增加了R3和R4负反馈网络 C1 R1和C2 R2正反馈支路与R3 R4负反馈支路正好构成一个桥路 称为文氏桥 图11 03RC文氏桥振荡电路 当C1 C2 R1 R2时 为满
10、足振荡的幅度条件 1 所以Af 3 加入R3 R4支路 构成串联电压负反馈 F 0 2 振荡的建立与稳定 3 振荡频率与振荡波形 AV值略大于3时 输出为正弦波 当远大于3时由于器件进入非线性区域 波形将严重失真 建立振荡 即电路产生自激振荡 因此 开始时要求AV略大于3 当振荡达到稳定平衡状态时 等于3 4 RC文氏桥振荡电路的稳幅过程 4 RC文氏桥振荡电路的稳幅过程 RC文氏桥振荡电路的稳幅作用是靠热敏电阻R4实现的 R4是正温度系数热敏电阻 当输出电压升高 R4上所加的电压升高 即温度升高 R4的阻值增加 负反馈增强 输出幅度下降 反之输出幅度增加 若热敏电阻是负温度系数 应放置在R3
11、的位置 例 图题9 2 2 a 稳幅电路 b 稳幅原理图图11 04反并联二极管的稳幅电路 采用反并联二极管的稳幅电路如图11 04所示 电路的电压增益为 式中R p是电位器上半部的电阻值 R p是电位器下半部的电阻值 R 3 R3 RD RD是并联二极管的等效平均电阻值 当Vo大时 二极管支路的交流电流较大 RD较小 Avf较小 于是Vo下降 由图 b 可看出二极管工作在C D点所对应的等效电阻 小于工作在A B点所对应的等效电阻 所以输出幅度小 二极管工作在A B点 电路的增益较大 引起增幅过程 当输出幅度大到一定程度 增益下降 最后达到稳定幅度的目的 移相式正弦波振荡 若F点开路或R3短
12、路 将会出现什么情况 9 7LC正弦波振荡电路 9 7 1LC选频放大电路9 7 2变压器反馈式LC振荡电路9 7 3三点式LC振荡电路9 7 4石英晶体振荡电路 9 7 1LC选频放大电路 LC并联谐振回路 一 谐振频率与谐振电阻 9 3 1LC选频放大电路 LC并联谐振回路 特点 1 谐振频率 2 谐振时总的容抗等于感抗 两端呈纯电阻 值最大 3 谐振时总电流与总电压同相 支路电流比总电流大 电感支路 电容支路 二 谐振回路的品质因数 Q0的大小标志着谐振质量的优劣 Q0 损耗越小 Q0通常在30 200之间 通常Q 1 所以即I总的影响可忽略 定义 谐振时电路的电抗 0L或 与等效损耗电
13、阻r之比 三 谐振曲线 1 谐振曲线 2 通用谐振方程 或 在f f0 f的情况下 则 其中 相对失谐量 描述了f偏离f0的程度 3 通频带 相减得 可见Q0愈大 通频带愈窄 当 0时 产生并联谐振 回路阻抗最大 从相频特性知 0时 等效阻抗为电容性 反之为电感性 Q值越大 谐振曲线愈尖锐 相角变化愈快 四 信号源 负载和中间抽头对并联谐振回路的影响 结论1 Rs和RL的接入 使回路的损耗增加 通频带变宽 结论2 a 谐振频率仅仅决定于回路的总电感L和总电容C 与抽头位置无关 b 谐振阻抗与抽头的位置有关 可以改变并联谐振回路阻抗 9 7 2变压器反馈LC振荡电路 图9 01变压器反馈LC振荡
14、电路 变压器反馈LC振荡电路如图9 01所示 LC并联谐振电路作为三极管的负载 反馈线圈L2与电感线圈 相耦合 将反馈信号送入三极管的输入回路 交换反馈线圈的两个线头 可使反馈极性发生变化 调整反馈线圈的匝数可以改变反馈信号的强度 以使正反馈的幅度条件得以满足 有关同名端的极性请参阅图9 02 图9 02同名端的极性 变压器反馈LC振荡电路的振荡频率与并联LC谐振电路相同 为 9 7 3三点式LC振荡电路 电感三点式LC振荡电路电容三点式LC振荡电路三点式振荡电路举例 1 电感三点式LC振荡器 图9 09为电感三点式LC振荡电路 电感线圈L1和L2是一个线圈 2点是中间抽头 如果设某个瞬间集电
15、极电流减小 线圈上的瞬时极性如图所示 反馈到发射极的极性对地为正 图中三极管是共基极接法 所以使发射结的净输入减小 集电极电流减小 符合正反馈的相位条件 图9 09电感三点式LC振荡器 CB 图9 10电感三点式LC振荡器 CE 电路振荡频率 特点 反馈电压取自电感 而电感对高次谐波阻抗大 因而引起振荡回路输出谐波分量增大 输出波形不理想 Next 判断反馈节点对地的极性 分析三点式LC振荡电路常用如下方法 将谐振回路的阻抗折算到三极管的各个电极之间 有Zbe Zce Zcb 如图11 11所示 图11 11三点式振荡器 对于图11 09Zbe是L2 Zce是L1 Zcb是C 可以证明若满足相
16、位平衡条件 Zbe和Zce必须同性质 即同为电容或同为电感 且与Zcb性质相反 2 电容三点式LC振荡电路 与电感三点式LC振荡电路类似的有电容三点式LC振荡电路 见图9 12 a CB组态 b CE组态图9 12电容三点式LC振荡电路 电路振荡频率 特点 反馈电压取自电容 对高次谐波阻抗小 可将高次谐波滤除 输出波形好 调节频率要求C1 C2同时可变 实用上不方便 常在L两端并一可调电容作小范围调频 例9 1 图9 13为一个三点式振荡电路试判断是否满足相位平衡条件 a b 图9 13例题9 1的电路图 NEXT 例1 正反馈 频率由C L1 L2谐振网络决定 设uB uC uD uB uL2 ube uL1 D 3 三点式振荡电路举例 例1 正反馈 振荡频率 M为两线圈的互感 uo 3 三点式振荡电路举例 例2 正反馈 振荡频率 例3 ube增加 正反馈 9 7 4石英晶体振荡电路 2 影响振荡频率不稳定的因素温度的变化 电源电压的波动 元件参数的变化等 3 由于LC回路的Q值不能做得很高 所以LC振荡器的频率不可能达到很高 频率稳定度 1 对于振荡器的振荡频率 要求具有较高的稳定
