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1、第七章 信号检测与与处理电路,7.1 电子系统概述,7.2 信号检测系统中的放大电路,7.3 有源滤波器,7.4 电压比较器,本章重点和考点,1.有源滤波电路的基本概念、电路组成、分析,2.电压比较器的工作原理,本章教学时数： 4学时,本章讨论的问题：,1.滤波电路的功能是什么？什么是有源滤波和无源滤波？ 为什么说有源滤波电路是信号处理电路？,2.有几种滤波电路？它们分别有什么特点？,3.从本质上讲，有源滤波电路与运算电路一样吗？为什么？有源滤波电路有哪些主要指标？,4.由集成运放组成的有源滤波电路中一定引入负反馈吗？能否引入正反馈？,5.为了获得信号中的直流分量，或者为了获得信号中的高频分量
2、，或者为了传送某一频段的信号，或者为了去掉电源所带来的50Hz干扰，应采用什么电路？,7.1 电子系统概述,7.1.1 电子信息系统的组成,图7.1.1信号检测系统基本框图,7.2 信号检测系统中的放大电路,7.2.1 测量放大器 1、三运放测量放大器,7.2.2 隔离放大器,7.3 有源滤波电路,7.3.1 滤波电路的基础知识,作用：选频。,一、滤波电路的种类：,低通滤波器LPF,高通滤波器HPF,带通滤波器BPF,带阻滤波器BEF,二、滤波器的幅频特性,低通滤波器的实际幅频特性中，在通带和阻带之间存在着过渡带。,过渡带愈窄，电路的选择性愈好，滤波特性愈理想。,图7.3.2低通滤波器的实际幅
3、频特性,三、无源滤波电路和有源滤波电路,1.无源低通滤波器：,电压放大倍数为,通带截止频率,由对数幅频特性知，具有“低通”的特性。,电路缺点：电压放大倍数低，只有，且带负载能力差。,解决办法：利用集成运放与 RC 电路组成有源滤波器。,图 7.4.3,频率趋于零，电容容抗趋于无穷大,2. 有源滤波电路,无源滤波电路受负载影响很大，滤波特性较差。 为了提高滤波特性，可使用有源滤波电路。,图7.4.4有源滤波电路,组成电路时，应选用带宽合适的集成运放,四、有源滤波电路的传递函数,输出量的象函数与输入量的象函数之比,*U、I、R、C、L的象函数表示方法,7.3.2 低通滤波器,掌握有源滤波电路的组成
4、、特点及分析方法。,一、同相输入低通滤波器,1. 一阶电路,用j取代s，且令f0=1/(2RC)，得出电压放大倍数,f0 称为特征频率,通带电压放大倍数,可见：一阶低通有源滤波器与无源低通滤波器的通带截止频率相同；但通带电压放大倍数得到提高。,缺点：一阶低通有源滤波器在 f f 0 时，滤波特性不理想。对数幅频特性下降速度为 -20 dB / 十倍频。,解决办法：采用二阶低通有源滤波器。,图 7.4.6,电压放大倍数,2. 简单二阶电路,可提高幅频特性的衰减斜率,用j取代s，且令f0=1/(2RC),输入电压经过两级 RC 低通电路，在高频段，对数幅频特性以 -40 dB /十倍频的速度下降，
5、使滤波特性比较接近于理想情况。,令电压放大倍数分母的模等于,可解出通带截止频率,fP=0.37 f0,问题：在 f = f0 附近，输出幅度衰减大， fP 远离f0,引入正反馈，可以增大放大倍数，使 fP 接近f0 滤波特性趋于理想 。,图 7.4.10压控电压源二阶低通滤波电路,图7.4.9压控电压源二阶低通滤波电路,3.压控电压源二阶低通滤波电路,用j取代s，且令f0=1/(2RC),二、反相输入低通滤波器,1.一阶电路,令信号频率0，求出通带放大倍数,电路的传递函数,用j取代s，且令f0=1/(2 R2C),2. 二阶电路,在一阶电路的基础上，增加RC环节，可使滤波器的过渡带变窄，衰减斜
6、率的值加大。,图7.4.12 反相输入简单二阶低通滤波电路,为了发改善f0附近的频率特性，也可采用多路反馈的方法。,图7.4.13 无限增益多路反馈二阶低通滤波电路,三、三种类型的有源低通滤波器,切比雪夫(Chebyshev),滤波器的品质因数Q，也称为滤波器的截止特性系数。,其值决定于f=fo附近的频率特性。,按照f=fo附近频率特性的特点，可将滤波器分为:,巴特沃思（Butterworth）,贝塞尔（Bessel）,7.3.3 高通滤波电路,一、高通滤波电路,高通滤波电路与低通滤波电路具有对称性,1.压控电压源二阶高通滤波电路,2.无限增益多路反馈 二阶高通滤波电路,可见高通滤波电路与低通
7、滤波电路的对数幅频特性互 为“镜像”关系。,二阶有源高通滤波器,7.3.4带通滤波电路(BPF),只允许某一段频带内的信号通过，将此频带以外的信 号阻断。,阻,阻,fp1,fp2,通,图 7.4.17,压控电压源二阶带通滤波电路,中心频率,通带电压放大倍数,图 7.4.18,比例系数,fbw = fp1 fp2 = f0 /Q,通频带,三、带阻滤波器(BEF),在规定的频带内，信号被阻断，在此频带以外的信号能顺利通过。,f2,f1,通 阻 通,图 7.4.20,常用有源带阻滤波电路,中心频率,通带电压放大倍数,阻带宽度,BW fp2 fp1 f0 /Q,7.4.23带阻滤波器的幅频特性,四、全
8、通滤波电路,图7.2.24 全通滤波电路,电压放大倍数,图7.2.24 全通滤波电路,7.4 电压比较器,1.电压比较器将一个模拟量输入电压与一个参考 电压进行比较，输出只有两种可能的状态：高 电平或低电平。,2.比较器中的集成运放一般工作在非线性区；处于 开环状态或引入正反馈。,3.分类：单限比较器、滞回比较器及窗口比较器。,4.比较器是组成非正弦波发生电路的基本单元，在 测量、控制、D/A和A/D转换电路中应用广泛。,一、 电压比较器的传输特性,1.电压比较器的输出电压与输入端的电压之间函数关系,2.阈值电压： UT,当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。,3.电压
9、传输特性的三要素,(1)输出电压的高电平UOH和低电平UOL的数值。 (2)阈值电压的数值UT。 (3)当uI变化且经过UT时， uO跃变的方向。,二、理想运放的非线性工作区,+UOM,-UOM,集成运放的电压传输特性,在电压比较器中，集成运放不是工作在开环状态，就是工作在正反馈。,7.4.1 单限比较器,一、过零比较器,由于理想运放的开环差模增益为无穷大，所以,当 uI 0 时，uO= + UOM；,当 uI 0 时，uO = - UOM ；,过零比较器的传输特性为：,UOM 为集成运放的最大输出电压。,阈值电压： 当比较器的输出电压由一种状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。,利用稳压管限
10、幅的过零比较器,设任何一个稳压管被反向击穿时，两个稳压管两端总的的稳定电压为 UZ UOM,+UZ,-UZ,当 uI 0 时，右边的稳压管被反向击穿，uO = - UZ ；,图 8.2.6,利用稳压管限幅的过零比较器(二),电路图,传输特性,问题：如将输入信号加在“+”端，传输特性如何？,问题：过零比较器如图所示，输入为正负对称的正弦波时，输出波形是怎样的？,传输特性,将正弦波变为矩形波,二、单限比较器,单限比较器有一个门限电平，当输入电压等于此门限电平时，输出端的状态立即发生跳变。,当输入电压 uI 变化，使反相输入端的电位为零时，输出端的状态将发生跳变，门限电平为：,+UZ,-UZ,过零比
11、较器是门限电平为零的单限比较器。,存在干扰时单限比较器的 uI、uO 波形,单限比较器的作用：检测输入的模拟信号是否达到 某一给定电平。,缺点：抗干扰能力差。,解决办法： 采用具有滞回 传输特性的比较器。,7.4.2 多门限电压比较器,一、从反相输入端输入的滞回比较器电路,计算阈值电压UT,电压传输特性,uo从+UZ跃变到-UZ的 阈值电压为+UT uo从-UZ跃变到+UZ的 阈值电压为-UT,uI在-UT与+UT之间增加或减小, uO不发生变化,UREF 为参考电压； ；uI 为输入电压；输出电压 uO 为 +UZ 或 -UZ。,当 uP = uN 时，输出电压的状态发生跳变。,比较器有两个
12、不同的门限电平，故传输特性呈滞回形状。,UT-,UT+,二、加了参考电压的滞回比较器,若 uO= UZ ，当 uI 逐渐减小时，使 uO 由 UZ 跳变为 UZ 所需的门限电平 UT-,回差(门限宽度)UT ：,若 uO = UZ ，当 uI 逐渐增大时，使 uO 由 +UZ 跳变为 -UZ 所需的门限电平 UT+,例8.2.2已知输入波形和电压传输特性，分析输出电压的波形。,波形图, UZ 9V,2. 窗口比较器,参考电压 UREF1 UREF2,若 uI 低于 UREF2 ，运放 A1 输出低电平，A2 输出高电平，二极管 VD1 截止，VD2导通，输出电压 uO 为高电平；,若 uI 高
13、于 UREF1 ，运放 A1 输出高电平，A2 输出低电平，二极管 VD2 截止，VD1 导通，输出电压 uO 为高电平；,双限比较器(a),前面的比较器在输入电压单一方向变化时，输出电压只跃变一次，因而不能检测出输入电压是否在二个电压之间。,当 uI 高于 UREF2 而低于 UREF1 时 ，运放 A1、 A2 均输出低电平，二极管 VD1 、VD2 均截止，输出电压 uO 为低电平；,上门限电平 UTH = UREF1 ；,下门限电平 UTL = UREF2 。,UTH,UTL,综上所述，双限比较器在输入信号 uI UREF1 时，输出为高电平；而当 UREF2 uI UREF1 时，输
14、出为低电平。,双限比较器（ b),7.4.3 集成电压比较器,一、集成电压比较器的主要特点和分类：,1. 具有较高的开环差模增益；,2. 具有较快的响应速度；,3. 具有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高；,4. 具有较低的失调电压、失调电流及较低的温漂。,分类：,单、双和四电压比较,通用型、高速型、低电压型和高精度型,普通、集电极（或漏极）开路输出或互补输出型,二、集成电压比较器的基本接法,1.通用型集成电压比较器AD790,2. 集电极开路集成电压比较器LM119,金属封装的管脚图,电路为双限比较器，能实现线与功能,由LM119构成的双限比较器及其电压传输特性,复习：,1.RC正弦波串
15、、并联振荡电路,电路图,振荡频率,起振条件,如何稳幅,如何调频,2.电压比较器,过零比较器,单限比较器,电压比较器分析方法小结,（1）由限幅电路确定电压比较器的输出高电平UOH 和输出低电平UOL 。,（2）写出up和uN的电位表达式，令up=uN ，解得输 入电压就是阈值电压UT。,（3） u0在uI 过UT时的跃变方向决定于作用于集成运放的哪个输入端。当uI从反向输入端输入时， uIUT ,u0=U0L 。反之，结论相反。,例 在图8.2.6所示电路中，UZ=6V ，在图8.2.7中所示电路中， R1= R2 =5k ，基准电压UREF=2V ，稳压管的稳定电压UZ=5V ；它们的输入电压均为图8.2.8（a）所示的三角波。试画出图8.2.6所示电路的输出电压u01和图8.2.7所示电路的输出电压u02,解,图8.2.6为过零比较器,图8.2.7为一般单限比较器。,波形图,
