濾波和波形產生

濾波和波形產生第1頁/共60頁本章學習要求理解濾波電路的工作原理，了解它的主要參數(shù)，能根據(jù)需要合理選擇濾波電路。掌握產生正弦波振蕩的相位平衡和幅度平衡條件。掌握文氏電橋振蕩器的工作原理和振蕩頻率的計算。理解各種非正弦波發(fā)生電路（矩形波、鋸齒波和三角波）的工作原理第2頁/共60頁9.1濾波電路的基本概念與分類1.基本概念濾波器：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?；驹砭褪抢秒娐返念l率特性實現(xiàn)對信號中頻率成分的選擇。

時，有其中——模，幅頻響應——相位角，相頻響應群時延響應第3頁/共60頁9.1濾波電路的基本概念與分類2.分類end全通（APF）帶阻（BEF）帶通（BPF）低通（LPF）高通（HPF）1.按所處理信號分

模擬和數(shù)字濾波器2.按所用元件分

無源和有源濾波器3.按濾波特性分第4頁/共60頁3、濾波電路的研究對象低通濾波器（LPF）通帶放大倍數(shù)通帶截止頻率下降速率理想幅頻特性無過渡帶用幅頻特性描述濾波特性，要研究

、(fP

、下降速率)。第5頁/共60頁4.7.1單時間常數(shù)RC電路的頻率響應（補充）1.RC低通電路的頻率響應（電路理論中的穩(wěn)態(tài)分析）RC電路的電壓增益（傳遞函數(shù)）：則且令又電壓增益的幅值（模）（幅頻響應）電壓增益的相角（相頻響應）①增益頻率函數(shù)RC低通電路第6頁/共60頁最大誤差-3dB②頻率響應曲線描述幅頻響應1.RC低通電路的頻率響應相頻響應第7頁/共60頁2.RC高通電路的頻率響應RC電路的電壓增益：幅頻響應相頻響應RC高通電路第8頁/共60頁1.一階RC無源低通濾波器2.一階RC無源高通濾波器低通高通互偶總結：比較：第9頁/共60頁空載時帶負載時

負載變化，通帶放大倍數(shù)和截止頻率均變化。第10頁/共60頁從頻率特性圖上我們可以看到：（1）一階無源低通濾波器的電壓放大倍數(shù)低，只有1；（2）帶負載能力差；（3）在通帶截止頻率附近有-20dB/十倍頻的幅度衰減，并有-45°/十倍頻的相位滯后。第11頁/共60頁9.2一階有源濾波電路1.低通濾波電路RL=?+–RLVo1Vo2隔離級AV=1,Ri=∞,Ro=0=第12頁/共60頁9.2一階有源濾波電路1.低通濾波電路傳遞函數(shù)其中特征角頻率故，幅頻相應為同相比例放大系數(shù)第13頁/共60頁9.2一階有源濾波電路2.高通濾波電路

一階有源濾波電路通帶外衰減速率慢（-20dB/十倍頻程），與理想情況相差較遠。一般用在對濾波要求不高的場合。end

低通電路中的R和C交換位置便構成高通濾波電路第14頁/共60頁9.3高階有源濾波電路9.3.2二階有源高通濾波電路9.3.3二階有源帶通濾波電路9.3.4二階有源帶阻濾波電路9.3.1二階有源低通濾波電路第15頁/共60頁9.3.1有源低通濾波電路1.二階有源低通濾波電路2.傳遞函數(shù)對于濾波電路，有得濾波電路傳遞函數(shù)（二階）（同相比例）第16頁/共60頁2.傳遞函數(shù)令稱為通帶增益稱為特征角頻率稱為等效品質因數(shù)則濾波電路才能穩(wěn)定工作。注意：第17頁/共60頁2.傳遞函數(shù)用代入，可得傳遞函數(shù)的頻率響應：歸一化的幅頻響應相頻響應第18頁/共60頁3.幅頻響應歸一化的幅頻響應曲線第19頁/共60頁4.n階巴特沃斯傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)為式中n為階濾波電路階數(shù)，c為3dB載止角頻率，A0為通帶電壓增益。第20頁/共60頁9.3.2有源高通濾波電路1.二階高通濾波電路

將低通電路中的電容和電阻對換，便成為高通電路。傳遞函數(shù)歸一化的幅頻響應第21頁/共60頁2.巴特沃斯傳遞函數(shù)及其歸一化幅頻響應歸一化幅頻響應第22頁/共60頁9.3.3有源帶通濾波電路1.電路組成原理可由低通和高通串聯(lián)得到必須滿足低通截止角頻率高通截止角頻率第23頁/共60頁2.例9.3.29.3.3有源帶通濾波電路第24頁/共60頁3.二階有源帶通濾波電路

令傳遞函數(shù)得第25頁/共60頁9.3.4二階有源帶阻濾波電路可由低通和高通并聯(lián)得到必須滿足第26頁/共60頁雙T選頻網絡9.3.4二階有源帶阻濾波電路第27頁/共60頁雙T帶阻濾波電路9.3.4二階有源帶阻濾波電路第28頁/共60頁阻濾波電路的幅頻特性

9.3.4二階有源帶阻濾波電路end第29頁/共60頁運算電路與有源濾波器的比較相同之處電路中均引入深度負反饋，因而集成運放均工作在線性區(qū)。均具有“虛短”和“虛斷”的特點，均可用節(jié)點電流法求解電路。不同之處運算電路研究的是時域問題，有源濾波電路研究的是頻域問題；測試時，前者是在輸入信號頻率不變或直流信號下測量輸出電壓與輸入電壓有效值或幅值的關系，后者是在輸入電壓幅值不變情況下測量輸出電壓幅值與輸入電壓頻率的關系。運算電路用運算關系式描述輸出電壓與輸入電壓的關系，有源濾波器用電壓放大倍數(shù)的幅頻特性描述濾波特性。第30頁/共60頁9.5正弦波振蕩電路的振蕩條件2.自激振蕩的條件3.起振和穩(wěn)幅4.振蕩電路基本組成部分1.產生自激振蕩的原理第31頁/共60頁9.5正弦波振蕩電路的振蕩條件1.產生自激振蕩的原理只有正反饋電路才能產生自激振蕩。所有正反饋電路都會產生自激振蕩嗎？第32頁/共60頁9.5正弦波振蕩電路的振蕩條件1.產生自激振蕩的原理第33頁/共60頁9.5正弦波振蕩電路的振蕩條件正反饋放大電路框圖（注意與負反饋方框圖的差別）2.

振蕩條件若環(huán)路增益則去掉仍有穩(wěn)定的輸出。又所以振蕩條件為振幅平衡條件相位平衡條件，n是整數(shù)第34頁/共60頁起振條件3.

起振和穩(wěn)幅

#振蕩電路是單口網絡，無須輸入信號就能起振，起振的信號源來自何處？電路器件內部噪聲以及電源接通擾動

當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，當輸出信號幅值增加到一定程度時，使振幅平衡條件從回到第35頁/共60頁end放大電路（包括負反饋放大電路）4.

振蕩電路基本組成部分反饋網絡（構成正反饋的）選頻網絡（選擇滿足相位平衡條件的一個頻率。經常與反饋網絡合二為一。）穩(wěn)幅環(huán)節(jié)第36頁/共60頁9.6RC正弦波振蕩電路1.

電路組成2.

RC串并聯(lián)選頻網絡的選頻特性3.

振蕩電路工作原理4.

穩(wěn)幅措施第37頁/共60頁1.

電路組成反饋網絡兼做選頻網絡RC橋式振蕩電路要滿足相位條件第38頁/共60頁反饋系數(shù)2.

RC串并聯(lián)選頻網絡的選頻特性幅頻響應又且令則相頻響應第39頁/共60頁2.

RC串并聯(lián)選頻網絡的選頻特性當幅頻響應有最大值相頻響應第40頁/共60頁3.

振蕩電路工作原理此時若放大電路的電壓增益為

用瞬時極性法判斷可知，電路滿足相位平衡條件則振蕩電路滿足振幅平衡條件當時，電路可以輸出頻率為的正弦波RC正弦波振蕩電路一般用于產生頻率低于1MHz的正弦波第41頁/共60頁采用非線性元件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)幅第42頁/共60頁采用非線性元件4.

穩(wěn)幅措施場效應管（JFET）穩(wěn)幅原理穩(wěn)幅整流濾波T壓控電阻可變電阻區(qū)，斜率隨vGS不同而變化第43頁/共60頁end采用非線性元件二極管穩(wěn)幅原理穩(wěn)幅起振時4.

穩(wěn)幅措施穩(wěn)幅環(huán)節(jié)第44頁/共60頁9.8非正弦信號產生電路9.8.2方波產生電路9.8.3鋸齒波產生電路9.8.1電壓比較器單門限電壓比較器遲滯比較器第45頁/共60頁9.8.1電壓比較器，由于|vO|不可能超過VM，特點：1.單門限電壓比較器（1）過零比較器開環(huán)，虛短不成立增益A0大于105（忽略了放大器輸出級的飽和壓降）所以當|+VCC|

=|-VEE|=VM=

15V，A0=105時，可以認為vI>0時，vOmax=+VCCvI<0時，vOmax=-VEE（過零比較器）運算放大器工作在非線性狀態(tài)下第46頁/共60頁9.8.1電壓比較器特點：1.單門限電壓比較器（1）過零比較器開環(huán)，虛短不成立增益A0大于105

輸入為正負對稱的正弦波時，輸出為方波。電壓傳輸特性第47頁/共60頁9.8.1電壓比較器1.單門限電壓比較器（2）門限電壓不為零的比較器電壓傳輸特性（門限電壓為VREF）第48頁/共60頁9.8.1電壓比較器1.單門限電壓比較器（2）門限電壓不為零的比較器（門限電壓為VREF）(a)VREF＝0時(b)VREF＝2V時

(c)VREF＝－4V時vI為峰值6V的三角波，設±VCC＝±12V，運放為理想器件。第49頁/共60頁解：例圖示為另一種形式的單門限電壓比較器，試求出其門限電壓(閾值電壓)VT，畫出其電壓傳輸特性。設運放輸出的高、低電平分別為VOH和VOL。

利用疊加原理可得理想情況下，輸出電壓發(fā)生跳變時對應的vP＝vN＝0，即門限電壓第50頁/共60頁單門限比較器的抗干擾能力應為高電平錯誤電平第51頁/共60頁9.8.1電壓比較器2.遲滯比較器（1）電路組成（2）門限電壓門限電壓上門限電壓下門限電壓回差電壓第52頁/共60頁9.8.1電壓比較器2.遲滯比較器（3）傳輸特性第53頁/共60頁解：（1）門限電壓（3）輸出電壓波形例電路如圖所示，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）傳輸特性第54頁/共60頁通過上述幾種電壓比較器的分析，可得出如下結論：（1）用于電壓比較器的運放，通常工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)和非線性區(qū)，其輸出電壓只有高電平VOH和低電VOL兩種情況。（2）一般用電壓傳輸特性來描述輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關系。（3）電壓傳輸特性的關鍵要素

輸出電壓的高電平VOH和低電平VOL

門限電壓輸出電壓的跳變方向令vP＝vN所求出的vI就是門限電壓vI等于門限電壓時輸出電壓發(fā)生跳變跳變方向取決于是同相輸入方式還是反相輸入方式第55頁