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1、,9 信号处理与信号产生电路,9.1 滤波电路的基本概念与分类,9.3 高阶有源滤波电路,*9.4 开关电容滤波器,9.5 正弦波振荡电路的振荡条件,9.2 一阶有源滤波电路,9.6 RC正弦波振荡电路,9.7 LC正弦波振荡电路,9.8 非正弦信号产生电路,9.1 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。,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,9.1 滤波电路的基本概念与分类,2. 分类,低通（LPF）,高通（HPF）,带通（BPF）
2、,带阻（BEF）,全通（APF）,end,3. 滤波器的用途,滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，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。,9.2 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,9.2 一阶有源滤波电路,2. 高通滤波电路,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。,end,低通电路中的R和C交换位置便构成高通滤波电路,9.3 高阶有源滤波电路,9.3.2 有源高通滤波电路,9.3.3 有源带通滤波电路,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路
3、,9.3.1 有源低通滤波电路,9.3.1 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,2. 传递函数,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,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。,9.3.2 有源高通滤波电路,1. 二阶高通滤波电路,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
4、及其归一化幅频响应,归一化幅频响应,9.3.3 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9.3.2,9.3.3 有源带通滤波电路,3. 二阶有源带通滤波电路,传递函数,得,3. 二阶有源带通滤波电路,传递函数,令,9.3.4 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,双T选频网络,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,双T带阻滤波电路,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,阻滤波电路的幅频特性,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,end,二阶有源滤波电路传递函数对比,低通,高通,带通,稳定,*9.4 开关电容滤波器,不
5、作要求,end,9.5 正弦波振荡电路的振荡条件,正反馈放大电路框图 （注意与负反馈方框图的差别）,1. 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,2. 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,end,放大电路（包括负反馈放大电路）,3. 振荡电路基本组成
6、部分,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,9.6 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,1. 电路组成,反馈网络兼做选频网络,RC桥式振荡电路,反馈系数,2. RC串并联选频网络的选频特性,幅频响应,又,且令,则,相频响应,2. RC串并联选频网络的选频特性,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,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 的正弦波,RC正弦
7、波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波,例题:R=1k，C=0.1F，R1=10k。Rf为多大时才能起振？振荡频率f0=？,AF=1，,A=3,Rf=2R1=210=20k,=1592 Hz,起振条件：,采用非线性元件,4. 稳幅措施,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,4. 稳幅措施,场效应管（JFET）,稳幅原理,整流滤波,T 压控电阻,end,采用非线性元件,二极管,稳幅原理,起振时,4. 稳幅措施,RC移相式振荡电路,1. RC移相电路,（1 ）RC超前移相电路,（2）RC滞后移相电路,2. RC移相式振荡电路,在 f0 处,满足相位条件：,
8、9.7 LC正弦波振荡电路,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,9.7.1 LC选频放大电路,9.7.1 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,9.7.1 LC选频放大电路,阻抗频率响应,（a）幅频响应 （b）相频响应,9.7.1 LC选频放大电路,2. 选频放大电路,9.7.2 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
9、平衡条件,4. 稳幅,5. 选频,（定性分析）,互感线圈的极性判别,初级线圈,次级线圈,同名端,在LC振荡器中，反馈信号通过互感线圈引出,同名端：,9.7.3 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。,9.7.3 三点式LC振荡电路,2. 电感三点式振荡电路,9.7.3 三点式LC振荡电路,3. 电容三点式振荡电路,9.7.4 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
10、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 10000 500000,9.7.4 石英晶体振荡电路,2. 石英晶体的基本特性与等效电路,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,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,9.7.4 石英晶体振荡电路,2. 石英晶体的基本特性与等效电路,（a）代表符号 （b）电路模型 （c）电抗-频率响应特性,9.7.4 石英晶体振荡电路,2. 石英晶体
11、的基本特性与等效电路,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,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,end,3. 石英晶体振荡电路,并联晶体振荡器,石英晶体工作在fs与fp之间，相当一个大电感，与C1、C2组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的Q值很高，可达到几千以上，所以电路可以获得很高的振荡频率稳定性。,9.8 非正弦信号产生电路,9.8.2 方波产生电路,9.8.3 锯齿波产生电路,9.8.1 电压比较器,单门限电压比较器,迟滞比较器,集成电压比较器,9.8.1 电压比较器,，由于|vO |不可能超过VM ，,特点：,1. 单门限电压比较器,（1）过零比较器,开环，
12、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 0 时， vOmax = -VEE,（过零比较器）,运算放大器工作在非线性状态下,9.8.1 电压比较器,特点：,1. 单门限电压比较器,（1）过零比较器,开环，虚短不成立,增益A0大于105,输入为正负对称的正弦波时，输出为方波。,电压传输特性,9.8.1 电压比较器,1. 单门限电压比较器,（2）门限电压不为零的比较器,电压传输特性,（门限电压为VREF）,9.8.1 电压比较器,1
13、. 单门限电压比较器,（2）门限电压不为零的比较器,（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：,例,图示为另一种形式的单门限电压比较器，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,9.8.1 电压比较器,2. 迟滞比较器,（1）电路组成,（2）门限电压,门限电压,上门限电压,下门限电压,回差电压,9.8.1 电压比较器,2
14、. 迟滞比较器,（3）传输特性,解：,（1）门限电压,（3）输出电压波形,例,电路如图所示，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,通过上述几种电压比较器的分析，可得出如下结论：,（1）用于电压比较器的运放，通常工作在开环或正反馈状态和非线性区，其输出电压只有高电平VOH和低电VOL两种情况。,（2）一般用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数关系。,（3）电压传输特性的关键要素 输出电压的高电平VOH和低电平VOL 门限电压 输出电压的跳变方向,令vPvN所求出的vI就是门限电压 vI等于门限电压时输出电压发生跳变 跳变方向取决于是同相输入方式还是
15、反相输入方式,9.8.1 电压比较器,3. 集成电压比较器,集成电压比较器与集成运算放大器比较： 开环增益低、失调电压大、共模抑制比小，灵敏度往往不如用集成运放构成的比较器高。,但集成电压比较器中无频率补偿电容，因此转换速率高，改变输出状态的典型响应时间是30200ns。,相同条件下741集成运算放大器的响应时间为30s左右。,9.8.2 方波产生电路,1. 电路组成（多谐振荡电路）,稳压管双向限幅,9.8.2 方波产生电路,2. 工作原理,由于迟滞比较器中正反馈的作用，电源接通后瞬间，输出便进入饱和状态。,假设为正向饱和状态,3. 占空比可变的方波产生电路,9.8.2 方波产生电路,9.8.3 锯齿波产生电路,同相输入迟滞比较器,积分电路,充放电时间常数不同,门限电压估算：,电路翻转时，有,而,9.8.3 锯齿波产生电路,end,振荡周期：,当 支路断开,
