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1、2013年电子大赛培训,运放及信号处理,内容安排,器件简介 滤波器设计 信号处理电路 实例,器件简介,运放资料的获取 参赛一般选用低功耗、高新能的芯片，教科书上一般没有介绍。 网上获取所需芯片资料 www.ALLDATASHEET.com、百度,LM324,LM324系列器件为价格便宜的带有差动输入的四运算放大器。 封装：双列直插和贴面,FEATURES,Internally frequency-compensated for unity gain,Large DC voltage gain: 100dB,Wide bandwidth (unity gain): 1MHz (temperatu
2、re-compensated),Wide power supply range Single supply: 3VDC to 30VDC or dualsupplies: 1.5VDC to 15VDC,Very low supply current drain: essentially independent of supply Voltage (1mW/op amp at +5VDC),Low input biasing current: 45nADC (temperature-ompensated),Low input offset voltage: 2mVDC and offset c
3、urrent: 5nADC,Differential input voltage range equal to the power supply voltage,Large output voltage: 0VDC to VCC-1.5VDC swing,细节描述,典型电路 1、反相交流放大 该电路可用于扩音机前置放大，无需调零。 C1 消振 输入电阻 Ri,2、同相交流放大,输入电阻 R3 R4的阻值：几千欧几十千欧 特点：输入阻抗高,3、交流信号分配放大,4、测温电路,硅晶体管发射结的温度 系数-2.5mV/,5、滤波器,6、比较器,OP07,op07的功能介绍： Op07芯片是一种低噪声
4、，非斩波稳零的双极性运算放大器集成电路。由于OP07具有非常低的输入失调电压（对于OP07A最大为25V），所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。OP07同时具有输入偏置电流低（OP07A为2nA）和开环增益高（对于OP07A为300V/mV）的特点，这种低失调、高开环增益的特性使得OP07特别适用于高增益的测量设备和放大传感器的微弱信号等方面。,特点：超低偏移： 150V最大 。 低输入偏置电流： 1.8nA 。 低失调电压漂移： 0.5V/ 。 超稳定，时间： 2V/month最大 高电源电压范围： 3V至22V,详细资料和典型应用电路,应用：,AD581是一款三引脚、温度补偿式
5、单芯片带隙基准电压源，可以利用12 V至30 V的未调节输入电平提供精密的 10.00 V输出。,TL084详细资料,LM311详细资料,LM311是电压比较器，可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生和变换电路等。利用LM311可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。,典型应用,电平变换,过零检测,LM331可用作精密频率电压转换器、A/ D 转换器、线性频率调制解调、长时间积分器及其他相关器件。 LM331 采用了新的温度补偿能隙基准电路, 在整个工作温度范围内和低到 4.0V 电源电压下都有极高的精度。 LM331的动态范围宽, 可达100dB ,线性度好, 最大非线性失真小于 0
6、.01% ,工作频率低到0.1Hz时尚有较好的线性;变换精度高,数字分辨率可达12位; 外接电路简单,只需接入几个外部元件就可方便构成 V/F或 F/V 等变换电路, 并且容易保证转换精。,三态电压比较器：,窗口电压比较器：,F/V变换,电路组成,LM393详细资料,镍镉电池充电器( LM393 )电路图,测量放大电路,要求：低噪声、高增益、高共模抑制比、高输入阻抗,差动放大电路,缺点：1、同相端与反相端输入阻抗不同，R+=R1+RF；R-=R1 2、共模抑制特性差 3、输入阻抗低,高输入阻抗电路,输入端加电压跟随器,Ri=ri(1+AF),高共模抑制电路,宽带放大器,放大器级联可获得高带宽
7、单个放大器的单位增益带宽足够高 级联放大器的电阻选择相对低些好,滤波器,滤波器是由集中参数的电阻、电感和电容，或分布参数的电阻、电感和电容构成的一种网络。这种网络允许一些频率通过，而对其它频率成份加以抑制。 根据要滤除的干扰信号的频率与工作频率的相对关系，干扰滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等种类。,2.1滤波器的分类,频域； 高通； 低通； 带通； 指定频率； 全通相移； 时域； 卡尔曼滤波器；,其他分类 模拟滤波器与数字滤波器 离散滤波器与连续滤波器 线性与非线性滤波器 时变滤波器与时不变滤波器 无源(passive)滤波器与有源（active）滤波器,滤波器的实现,
8、硬件实现 自己搭建(放大器电阻电容电感) 模块化设计(集成电路); 软件实现 模块设计参数 自己编程搭建,低通滤波器,高通滤波器,带通滤波器,带阻滤波器,常用滤波器传函： HPF：wlag order 令S=1/S可得LPF,Notch滤波器（消除指定频率）,罗克韦尔软件中的notch滤波模块,低通滤波器的特点,对高频信号起减弱的作用，不能完全消除； 幅值效果好的滤波器，相位延迟的比较多； 延迟的时间可以计算；,频域滤波器分析方法,拉氏变换后观察相-频，幅-频特性,低通滤波器分析,低通滤波器伯德图,高通滤波器分析,如无源高通滤波器,高通滤波器伯德图,Notch滤波分析,Notch滤波器伯德图,
9、Q=1,Q=10,滤波器的特性指标,滤波器的特性指标主要有特征频率、增益与衰耗、阻尼系数与品质因数、灵敏度和群时延函数五个。 1、特征频率： 通带截频fp=wp/(2p)为通带与过渡带边界点的频率，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限。 阻带截频fr=wr/(2p)为阻带与过渡带边界点的频率，在该点信号衰耗(增益的倒数)下降到一人为规定的下限。 转折频率fc=wc/(2p)为信号功率衰减到1/2(约3dB)时的频率，在很多情况下，常以fc作为通带或阻带截频。 固有频率f0=w0/(2p)为电路没有损耗时，滤波器的谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率。,2、增益与衰耗 滤波器在通带内的增益并非
10、常数。 对低通滤波器通带增益Kp一般指w=0时的增益;高通指w时的增益;带通则指中心频率处的增益。 对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒数。 通带增益变化量Kp指通带内各点增益的最大变化量，如果Kp以dB为单位，则指增益dB值的变化量。,3、阻尼系数与品质因数 阻尼系数是表征滤波器对角频率为w0信号的阻尼作用，是滤波器中表示能量衰耗的一项指标。 阻尼系数的倒数称为品质因数，是带通与带阻滤波器频率选择特性的一个重要指标，Q= w0/w。式中的w为带通或带阻滤波器的3dB带宽， w0为中心频率，在很多情况下中心频率与固有频率相等。,4、灵敏度 滤波电路由许多元件构成，每个元件参数值的变
11、化都会影响滤波器的性能。滤波器某一性能指标y对某一元件参数x变化的灵敏度记作Sxy，定义为： Sxy=(dy/y)/(dx/x)。 该灵敏度与测量仪器或电路系统灵敏度不是一个概念，该灵敏度越小，标志着电路容错能力越强，稳定性也越高。,5、群时延函数 当滤波器幅频特性满足设计要求时，为保证输出信号失真度不超过允许范围，对其相频特性(w)也应提出一定要求。在滤波器设计中，常用群时延函数d(w)/dw*价信号经滤波后相位失真程度。群时延函数d(w)/dw越接近常数，信号相位失真越小。,滤波器的主要参数,中心频率（Center Frequency）： 滤波器通带的中心频率f0，一般取f0=（f1+f2
12、）/2，f1、f2为带通或带阻滤波器左、右相对下降1dB或3dB边频点。窄带滤波器常以插损最小点为中心频率计算通带带宽。 截止频率（Cutoff Frequency）： 指低通滤波器的通带右边频点及高通滤波器的通带左边频点。通常以1dB或3dB相对损耗点来标准定义。相对损耗的参考基准为：低通以DC处插损为基准，高通则以未出现寄生阻带的足够高通带频率处插损为基准。,通带带宽（BWxdB）： 指需要通过的频谱宽度，BWxdB=（f2-f1）。f1、f2为以中心频率f0处插入损耗为基准，下降X（dB）处对应的左、右边频点。通常用X=3、1、0.5 即BW3dB、BW1dB、BW0.5dB 表征滤波器
13、通带带宽参数。,插入损耗：由于滤波器的引入对电路中原有信号带来的衰耗，以中心或截止频率处损耗表征。 纹波：指1dB或3dB带宽（截止频率）范围内，插损随频率在损耗均值曲线基础上波动的峰-峰值。 带内波动：通带内插入损耗随频率的变化量。1dB带宽内的带内波动是1dB。 带内驻波比（VSWR）：衡量滤波器通带内信号是否良好匹配传输的一项重要指标。理想匹配VSWR=1：1，失配时VSWR1。对于一个实际的滤波器而言，满足VSWR1.5：1的带宽一般小于BW3dB，其占BW3dB的比例与滤波器阶数和插损相关。,回波损耗（Return Loss）：端口信号输入功率与反射功率之比的分贝（dB）数，也等于|
14、20Log10|，为电压反射系数。输入功率被端口全部吸收时回波损耗为无穷大。,阻带抑制度：衡量滤波器选择性能好坏的重要指标。该指标越高说明对带外干扰信号抑制的越好。通常有两种提法：一种为要求对某一给定带外频率fs抑制多少dB，计算方法为fs处衰减量；另一种为提出表征滤波器幅频响应与理想矩形接近程度的指标矩形系数（KxdB1），KxdB=BWxdB/BW3dB，（X可为40dB、30dB、20dB等）。滤波器阶数越多矩形度越高即K越接近理想值1，制作难度当然也就越大。,延迟（Td）：指信号通过滤波器所需要的时间，数值上为传输相位函数对角频率的导数，即Td=df/dv。 带内相位线性度：该指标表征
15、滤波器对通带内传输信号引入的相位失真大小。按线性相位响应函数设计的滤波器具有良好的相位线性度，但频率选择性很差，限于脉冲、或调相信号传输系统应用。,滤波器设计,低通,带通,高通,带阻,其中： H0：任意增益因子 0：特征频率， 对低通，高通， 0是截止频率 带通，带阻， 0是截止频率 q： 选择性因子,近似方法,巴特沃思近似 切比雪夫近似 贝塞尔近似,通过保角变换,得到高通滤波器,得到带通滤波器,得到带阻滤波器,例：低通归一化二阶滤波器,1. 巴特沃思近似,幅频函数,传递函数,例： n = 1 s1= -1 Bn(s)=s+1 H(s)=1/(s+1),n=1,2,.,n=2,巴特沃思多项式,
16、2. 切比雪夫近似,Tn() n阶切比雪夫多项式 Vn() 切比雪夫滤波多项式,0.5db波纹,n=1 S+2.863 n=2 S2+1.425S+1.516,1db波纹,n=1 S+1.965 n=2 S2+1.098S+1.103,切比雪夫多项式Vn(),3. 贝塞尔近似,n=1 S+1 n=2 S2+3S+3,En()贝塞尔滤波多项式,4. 三种近似方法的特点,巴特沃思： 通带内幅频曲线的幅度平坦，最平幅度逼近， 相移与频率的关系不是很线性的，阶跃响应有过冲。 切比雪夫： 下降最陡，但通带之间幅频曲线有波纹。 贝塞尔： 相移和频率之间有良好的线性关系，阶跃响应过冲小，但幅频曲线的下降陡度较差。,巴特沃思,贝塞尔,切比雪夫,H(),/0,二、RC有源滤波器,无限增益多路反馈电路,vo,v2,Y3,设A0 ,根据电流守恒定律，则,由此解得,1. 低通滤波器,将Y1,Y3,Y4用电阻1/R，Y2,
