第九章信號處理與信號產(chǎn)生電路

§9信號處理與信號產(chǎn)生電路9.1濾波電路基本概念一.基本概念1濾波器：是一種能使有用頻率信號通過而同時抑制

或衰減無用頻率信號的電子裝置。有源濾波器：由有源器件構(gòu)成的濾波器。濾波電路1體積小、重量輕、利于集成。2具有放大作用，且增益可調(diào)。3利于制成高階濾波電路。4穩(wěn)定性高。5但不適用于高頻情況。6工作時必須直流電源。7不適用于高壓或大電流情況。2有源濾波器特點：分母中S的最高冪次稱為濾波電路的階次。

分類二.傳遞函數(shù)定義幅頻響應(yīng)相頻響應(yīng)三.分類

高通濾波（HPF）

低通濾波（LPF）

帶阻濾波（BEF）

帶通濾波（BPF）

全通濾波（APF）低通濾波上限頻率高通濾波下限頻率帶通濾波中心頻率帶阻濾波中心頻率全通濾波RCR

9.1.2一階RC低通濾波器(無源)CC傳遞函數(shù)幅頻特性010.707c截止頻率此電路的缺點：1、帶負(fù)載能力差。2、無放大作用。3、特性不理想，邊沿不陡。幅頻特性、幅頻特性曲線RCR一.低通濾波電路2傳遞函數(shù)：幅頻相應(yīng)為1電路：特征角頻率電壓跟隨器同相放大器RC一階低通濾波注意：一階有源濾波電路通帶外衰減速率慢

，與理想情況相差較遠(yuǎn)。一般用在對濾波要求不高的場合。9.2一階有源濾波電路二.高通濾波電路三.帶通濾波電路1電路：

由低通和高通串聯(lián)得到低通高通2幅頻相應(yīng)低通特征角頻率高通特征角頻率要求四.帶阻濾波電路1電路：

低通和高通并聯(lián)低通高通2幅頻相應(yīng)低通特征角頻率高通特征角頻率必須滿足一.壓控電壓源低通濾波電路1壓控電壓源電路（VCVS）2傳遞函數(shù)（二階）通帶增益特征角頻率品質(zhì)因數(shù)注意：

3-AVF>0

，AVF<3時濾波電路才能穩(wěn)定工作9.3二階有源濾波電路用代入，可得傳遞函數(shù)的頻率響應(yīng)：低通濾波電路幅頻響應(yīng)波特圖低通電路中的電容和電阻對換2傳遞函數(shù)幅頻響應(yīng)二.壓控電壓源高通濾波電路1電路：（AVF＜3時濾波電路才能穩(wěn)定工作）由低通和高通串聯(lián)得到三.壓控電壓源帶通濾波電路1電路：令2傳遞函數(shù)四.雙T帶阻濾波電路由雙T選頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成雙T選頻網(wǎng)絡(luò)9.4開關(guān)電容濾波器了解9.5

正弦波振蕩電路的振蕩條件1.

振蕩平衡條件2.

起振和穩(wěn)幅3.

振蕩電路基本組成正弦波振蕩器：

不需要外加輸入而能產(chǎn)生一定幅度、一定頻率輸出信號的自激振蕩器。即是一個無輸入信號、帶有選頻網(wǎng)絡(luò)的正反饋電路?！?.5正弦波振蕩電路的振蕩條件正反饋電路（注意與負(fù)反饋方框圖的差別）若仍有穩(wěn)定的輸出振蕩條件：幅值平衡條件相位平衡條件（n為整數(shù)）一.

振蕩條件相位條件意味著振蕩電路必須是正反饋；振幅條件可以通過調(diào)整放大電路的放大倍數(shù)達(dá)到。9.5

正弦波振蕩電路的振蕩條件（1）振幅條件：（2）相位條件：基本放大電路2.

基本組成部分反饋網(wǎng)絡(luò)選頻網(wǎng)絡(luò)（選擇滿足相位平衡條件的一個頻率。經(jīng)常與反饋網(wǎng)絡(luò)合二為一。）穩(wěn)幅環(huán)節(jié)9.5

正弦波振蕩電路的振蕩條件起振條件3.

起振和穩(wěn)幅

#振蕩電路是單口網(wǎng)絡(luò)，無須輸入信號就能起振，起振的信號源來自何處？電路器件內(nèi)部噪聲

當(dāng)輸出信號幅值增加到一定程度時，就要限制它繼續(xù)增加，否則波形將出現(xiàn)失真。

噪聲中，滿足相位平衡條件的某一頻率0的噪聲信號被放大，成為振蕩電路的輸出信號。

穩(wěn)幅的作用就是，當(dāng)輸出信號幅值增加到一定程度時，使振幅平衡條件從回到9.5

正弦波振蕩電路的振蕩條件

（1）檢查電路組成；（2）檢查放大電路能否實現(xiàn)不失真放大；（3）判斷電路是否滿足振蕩相位平衡條件

（電路是否構(gòu)成正反饋）；（4）判斷幅值條件是否滿足；（5）估算振蕩頻率；4.分析方法和步驟：9.6

RC正弦波振蕩電路1.

電路組成2.

RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性3.

振蕩電路工作原理4.

穩(wěn)幅措施橋式正弦波振蕩器

（RC串并聯(lián)正弦波振蕩器）雙T網(wǎng)絡(luò)正弦波振蕩器移相式正弦波振蕩器正弦波振蕩電路分類：§9.6

RC橋式正弦波振蕩電路基本放大電路同相放大電路反饋網(wǎng)絡(luò)（兼做選頻網(wǎng)絡(luò)）1電路組成9.6

RC正弦波振蕩電路反饋系數(shù)2.

RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性幅頻響應(yīng)又則相頻響應(yīng)9.6

RC正弦波振蕩電路當(dāng)幅頻響應(yīng)有最大值相頻響應(yīng)f+90–90ff0

用瞬時極性法：正反饋若滿足振幅平衡條件當(dāng)時，(+)(+)(+)(+)Av電路輸出頻率：RC正弦波振蕩電路一般用于產(chǎn)生頻率低于1MHz的正弦波一.相位平衡條件檢查二.幅值平衡條件要求放大電路電壓增益3振蕩電路工作原理采用非線性元件4.

穩(wěn)幅措施熱敏元件熱敏電阻起振時，即熱敏電阻的作用穩(wěn)幅9.6

RC正弦波振蕩電路采用非線性元件4.

穩(wěn)幅措施場效應(yīng)管（JFET）穩(wěn)幅原理穩(wěn)幅整流濾波T壓控電阻9.6

RC正弦波振蕩電路三.利用二極管非線性(P474)起振時輸出vo較小二極管D1、D2截止振蕩繼續(xù)vo增加D1或D2導(dǎo)通穩(wěn)幅穩(wěn)幅原理電路仿真9.6

RC正弦波振蕩電路例題:R=1k，C=0.1F，R1=10k。Rf為多大時才能起振？振蕩頻率f0=？AF

>=1，31=F11f+=RRAA=3=210=20k=1592Hz起振條件：1f2RR=電子琴的振蕩電路（了解）：_++RF1uoR1CCRfD1D1RF2R28R27R26R25R24R23R22R21R22112CRR=0f12345176功率放大器可調(diào)9.7

LC正弦波振蕩電路9.7.1

LC并聯(lián)諧振回路選頻特性9.7.2

變壓器反饋式LC振蕩電路9.7.3

三點式LC振蕩電路9.7.4

石英晶體振蕩電路1.并聯(lián)諧振回路9.7.1

LC并聯(lián)諧振回路選頻特性一般有則當(dāng)時，電路諧振。為諧振頻率諧振時阻抗最大，且為純阻性其中為品質(zhì)因數(shù)9.7

LC正弦波振蕩電路2.并聯(lián)諧振回路頻率響應(yīng)9.7

LC正弦波振蕩電路9.7.2

變壓器反饋式LC振蕩電路

1、電路組成9.7.2

變壓器反饋式LC振蕩電路

2、起振條件和振蕩頻率次級L1上的電壓

與

的關(guān)系可用互感M來描述，即

故電路的環(huán)路增益為

根據(jù)產(chǎn)生振蕩的振蕩條件

≥1，9.7.2

變壓器反饋式LC振蕩電路

2、起振條件和振蕩頻率諧振時

因此電路起振條件為

式中，R‘為LC諧振回路的總的損耗等效電阻（包括變壓器次級的折合電阻）。由前面的分析可知，只有在諧振頻率f0時，電路才滿足振蕩條件，因此電路的振蕩頻率就是LC并聯(lián)回路的諧振頻率。設(shè)回路的損耗很小，Q值較高，則9.7.2

變壓器反饋式LC振蕩電路

2、起振條件和振蕩頻率9.7.2

變壓器反饋式LC振蕩電路

3、振蕩的建立與穩(wěn)定由LC并聯(lián)諧振電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)A.若中間點交流接地，則首端與尾端相位相反。9.7.3

三點式LC振蕩電路1.三點式LC并聯(lián)電路電容三點式電感三點式

中間點的瞬時電位一定在首、尾端電位之間。三點的相位關(guān)系B.若首端或尾端交流接地，則其他兩端相位相同。9.7

LC正弦波振蕩電路2.電感三點式電路9.7

LC正弦波振蕩電路

滿足相位條件。振蕩頻率:三極管共射放大器三點的相位關(guān)系3.電容三點式電路振蕩頻率：9.7

LC正弦波振蕩電路

滿足相位條件。三極管共射放大器三點的相位關(guān)系互感線圈的極性判別1234磁棒初級線圈次級線圈同極性端1234+–+–CLRuiLici反饋信號通過互感線圈引出9.7

LC正弦波振蕩電路例：試判斷下圖所示三點式振蕩電路是否滿足相位平衡條件。9.7

LC正弦波振蕩電路Q值越高，選頻特性越好，頻率越穩(wěn)定。9.7.4

石英晶體振蕩電路1.頻率穩(wěn)定問題頻率穩(wěn)定度一般由來衡量——頻率偏移量。——振蕩頻率。LC振蕩電路Q——數(shù)百石英晶體振蕩電路Q——100005000009.7.4

石英晶體振蕩電路結(jié)構(gòu)極板間加電場極板間加機械力晶體機械變形晶體產(chǎn)生電場壓電效應(yīng)交變電壓機械振動交變電壓機械振動的固有頻率與晶片尺寸有關(guān)，穩(wěn)定性高當(dāng)交變電壓頻率=固有頻率時，振幅最大。壓電諧振9.7

LC正弦波振蕩電路＋石英晶體振蕩電路等效電路3.石英晶體的等效電路與頻率特性等效電路：（1）串聯(lián)諧振頻率特性：

晶體等效阻抗為純阻性（2）并聯(lián)諧振通常所以實際使用時外接一小電容Cs則新的諧振頻率為由于由此看出調(diào)整二.石英晶體振蕩電路利用石英晶體的高品質(zhì)因數(shù)的特點，構(gòu)成LC振蕩電路。1.并聯(lián)型石英晶體振蕩器

石英晶體工作在fs與fp之間，相當(dāng)一個大電感，與C1、C2組成電容三點式振蕩器。由于石英晶體的Q值很高，可達(dá)到幾千以上，所示電路可以獲得很高的振蕩頻率穩(wěn)定性。2.并聯(lián)型石英晶體振蕩器

石英晶體工作在fs處，呈電阻性，且阻抗最小，正反饋最強。該電路為電感三點式振蕩器。加入石英晶體是利用石英晶體的高Q值，提高振蕩頻率的穩(wěn)定性。9.8非正弦信號產(chǎn)生電路9.8.1

電壓比較器9.8.3

鋸齒波產(chǎn)生電路9.8.2

方波產(chǎn)生電路9.8.1

電壓比較器9.8非正弦信號產(chǎn)生電路

將一個模擬電壓信號與一參考電壓相比較，輸出一定的高低電平。運放組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出高低電平功能：特性：運放工作在非線性區(qū)的條件：電路中開環(huán)工作或引入正反饋！9.8.1

比較器9.8非正弦信號產(chǎn)生電路運放工作在非線性區(qū)的條件：電路中開環(huán)工作或引入正反饋！

運放工作在非線性狀態(tài)的分析方法：若U+＞U-

則UO=+UOM；若U+＜U-

則UO=-UOM。虛斷（運放輸入端電流=0）

注意：此時不能用虛短！1.單門限電壓比較器9.8.1

比較器特點：虛短不成立，可用虛斷運放處于開環(huán)狀態(tài)當(dāng)vi>vREF時,vo=+voH當(dāng)vi<vREF時,vo=-vol9.8非正弦信號產(chǎn)生電路門限電壓vREF

輸入為正負(fù)對稱的正弦波時，輸出波形如圖所示。1.單門限電壓比較器過零比較器:VREF=0V

輸入為正負(fù)對稱的正弦波時，輸出為方波。電壓傳輸特性++viuovi0+VZ-VZ用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓voVZvovi0+VOH-VOL++vovi忽略了VD另：限幅電路——使輸出電壓穩(wěn)定穩(wěn)幅電路的另一種形式：將雙向穩(wěn)壓管接在負(fù)反饋回路上++vivovZR′R_vovi0+VZ-VZR′=R

例:如圖所示電路,穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=±6V,輸入電壓為如圖所示三角波,試畫出輸出電壓的波形.

解:Vi>0時,uo=－VZ=－6V

Vi<0時,uo=+VZ=＋6Vtvivot+6V-6V

例:圖示電路,R1=R2=5kΩ,基準(zhǔn)電壓VREF=2V,穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓VZ=±5V,輸入電壓為如圖所示三角波,試畫出輸出電壓的波形.解:Vi>－2V時,Vo=－VZ=－5VVi<－2V時,Vo=+VZ=＋5V

單限比較器靈敏度高,但抗干擾能力弱。解：（1）A構(gòu)成過零比較器（2）RC為微分電路，

RC<<T例電路如圖所示，當(dāng)輸入信號如圖c所示的正弦波時，定性畫出（3）D削波（限幅、檢波）單門限比較器的抗干擾能力應(yīng)為高電平錯誤電平比較器的特點1.電路簡單。2.當(dāng)Ao不夠大時，輸出邊沿不陡。3.容易引入干擾。tuiuot過零附近仍處于放大區(qū)一、反相端輸入遲滯比較器分析1.因為有正反饋，所以輸出飽和。2.當(dāng)uo正飽和時(uo=+UOM)：U+3.當(dāng)uo負(fù)飽和時(uo=–UOM)：－++uoRR2R1ui參考電壓由輸出電壓決定特點：電路中使用正反饋，運放處于非線性狀態(tài)。1.沒加參考電壓的遲滯比較器2、遲滯比較器分別稱UH和UL上下門限電壓。稱(UH-UL)為回差。當(dāng)ui增加到UH時，輸出由Uom跳變到-Uom；－++uoRR2R1ui當(dāng)ui

減小到UL時，輸出由-Uom跳變到Uom

。傳輸特性：uoui0Uom-UomUHUL小于回差的干擾不會引起跳轉(zhuǎn)。跳轉(zhuǎn)時，正反饋加速跳轉(zhuǎn)。tuiUom-UomtuiUHUL例：反相端輸入遲滯比較器的輸入為正弦波時，畫出輸出的波形。－++uoRR2R1uivovi0VT+VT-傳輸特性+VOH-VOL2.加上參考電壓后的反相端輸入遲滯比較器反相端輸入遲滯比較器兩種電路傳輸特性的比較:－++uoRR2R1uiuoui0Uom-UomUHUL－++uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHULtuiU+HU+LtuoUom-Uom例:設(shè)輸入為正弦波,畫出輸出的波形。9.8非正弦信號產(chǎn)生電路例：R1=10k，R2=20k

，UOM=12V，UR=9V當(dāng)輸入ui為如圖所示的波形時，畫出輸出uo的波形。－++uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHUL5V10Vuit0首先計算上下門限電壓：－++uoRR2R1uiUR+UOM-UOM根據(jù)傳輸特性畫輸出波形圖。－++uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUHULuiuott10V5V002V例:圖示電路的上下門限電壓±UT=±3V,穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓UZ=±9V,輸入電壓波形如圖所示,試畫出輸出電壓的波形.解:先畫出電壓傳輸特性抗干擾能力強u+=0

時翻轉(zhuǎn)，可以求出上下門限電壓。二、同相端輸入遲滯比較器－++uoRR2R1ui當(dāng)u+>u-=0

時,uo=+UOM當(dāng)u+<u-=0時,uo=-UOM1.沒加參考電壓的上行遲滯比較器uoui0Uom-Uom傳輸特性曲線UHUL－++uoRR2R1ui上下門限電壓：－++uoRR2R1uiUR上下門限電壓：當(dāng)uo=+UOM時：當(dāng)uo=-UOM時：2.加上參考電壓后的上行遲滯比較器傳輸特性：UHULuoui0Uom-Uom－++uoRR2R1uiUR－++uoRR2R1uiuoui0Uom-UomUHUL對照遲滯比較器電路改進：為了穩(wěn)定輸出電壓，可以在輸出端加上雙向穩(wěn)壓管。思考題：如何計算上下限？uoUZ－++RR2R1ui解：（1）門限電壓（3）輸出電壓波形例電路如圖9.4.6a所示，試求門限電壓，畫出傳輸特性和圖c所示輸入信號下的輸出電壓波形。（2）傳輸特性1.電路結(jié)構(gòu)9.8.2方波發(fā)生器下行的遲滯比較器，輸出經(jīng)積分電路再輸入到此比較器的輸入端。上下限:－++RR1R2Cucuo傳輸特性uoui0UT-UT++UOHUOL2.工作原理：(1)設(shè)uo

=

+UOH,此時，輸出給C

充電,uc

則：uT+有效－++RR1R2C+ucuo0tuoUOHUOLucUT+0t一旦uc>UT+

,就uN>uP,在uc<UT+

時，uN

<uP,uo

立即由＋UOH跳變成－UOL

,設(shè)uC初始值uC(0+)=0uo保持+UOH不變UOH此時，C

經(jīng)輸出端放電(2)當(dāng)uo

=UOL時，uT-_有效uc達(dá)到UT-時，uo跳變－++RR1R2C+ucuoUT+uctU+L當(dāng)uo

重新回到＋UOM

以后，電路又進入另一個周期性的變化。-UOLUOM0t-UOM0U+HuctU+LUOMuo0t-UOMT周期與頻率的計算：－++RR1R2C+ucuof=1/T周期與頻率的計算：－++RR2R2C+ucuo0U+HuctU+L+UOM-UOMT1T2TT=T1+T2=2T2，因正反向充電條件一樣T1=T2。uc(t)=UC()+UC(0+)-UC()e,=RC-tT2階段uc(t)的過渡過程方程為:uc(t)=UC()+UC(0+)-UC()e-tUC(0+)=UC()=+UOMt=T2時,uc(t=T2)=周期與頻率的計算：)21ln(12RRRCT2+=0U+HuctU+L+UOM-UOMT1T2T占空比可調(diào)的矩形波發(fā)生電路vO1vP1vIA1A2R3R4R2R1R5VZ9.8.3三角波發(fā)生器與鋸齒波發(fā)生器組成：施密特觸發(fā)器，積分器1三