《電子技術及應用》課件項目二

項目二信號產生與處理模塊1無源濾波電路

模塊2有源濾波電路

模塊3信號產生電路

模塊4非正弦波產生電路

模塊1無源濾波電路

學習內容：

(1)整流、濾波電路工作原理及輸出電壓的測試。

(2)無源濾波電路的種類及工作原理。

(3)無源低、高通濾波電路輸出電壓的測試。

學習問題：

(1)分析橋式整流電路輸出電壓與輸入電壓的關系，討論整流二極管的選擇應考慮哪些因素。

(2)整流的方式有哪些？具有什么特點？為什么一般采用橋式整流？

(3)在電容濾波電路中，并聯(lián)電容容量選擇與負載大小是否有關？若有關系，根據負載大小如何選擇電容器？無源濾波電路對輸出信號有何影響？

(4)無源濾波有哪幾種電路？有何作用？

(5)上限截止頻率fH=？下限截止頻率fL=?

(6)無源濾波電路的缺陷是什么？

學習要求：

掌握理論內容，制作電路，準確測量數據，驗證理論，更好地認識、理解、消化所學知識。

任務1整流、濾波電路

(一)任務要求

輸入為交流電，輸出為平滑的直流電。

(二)任務內容

(1)利用面包板，按圖2-1-1所示連接電路。

(2)調出U2的6V電源。

(3)用萬用表測量U2、Uo；用示波器觀察Uo的波形；將數據、波形記入表2-1-1中。圖2-1-1全波整流、濾波電路表2-1-1全波整流、濾波電路參數

(4)比較U2、Uo的數據及波形，分析負載變化對輸出uo的影響。

(三)任務結論

根據測試與討論的結果，寫出實踐研究報告(目的、原理及方法、數據測試、分析及總結)。

任務2無源低通、高通濾波電路

(一)任務要求

低通濾波的通帶范圍為0～1kHz，通帶內具有平坦的幅頻特性，采用一階無源濾波；高通濾波的通帶范圍為1kHz以上，通帶內具有平坦的幅頻特性，采用一階無源濾波。

(二)任務內容

(1)利用面包板及電路元件，按圖2-1-2所示連接電路。圖2-1-2無源低通濾波電路

(2)在輸入端接上信號發(fā)生器，將毫伏表分別接在輸入、輸出端，輸出端接上示波器。

(3)低通濾波電路的測試：調節(jié)信號發(fā)生器輸出電壓的幅度，使濾波電路輸出電壓不失真；由0開始增加信號發(fā)生器輸出信號的頻率，觀察輸出端的毫伏表和示波器；隨著頻率增加，毫伏表指示減小至原來的0.707時，將相應通帶范圍記入表2-1-2中；用毫伏表測量ui、uo；用頻率器測量輸出頻率；將數據、波形記入表2-1-2中。表2-1-2低通濾波電路測試數據

(4)比較ui、uo的數據以及對應的頻率。

(5)自行擬制無源高通濾波電路(如圖2-1-3所示)的步驟。

(三)任務結論

根據測試與討論的結果，寫出實踐研究報告(目的、原理及方法、數據測試、分析及總結)。圖2-1-3無源高通濾波電路【模塊理論指導】

1.模塊基本要求

掌握整流電路原理及種類；無源濾波電路的原理及種類。

理解波特圖的概念。

了解晶體管放大電路的高頻特性、集成運放高頻參數及其影響；集成運放小信號交流放大電路的構成及電路參數對其頻率特性的影響。

2.模塊重點和難點

重點無源濾波電路對輸出信號的影響及無源濾波電路的種類。

難點無源濾波電路對輸出信號的影響。

3.模塊知識點

1)放大電路的頻率特性

(1)簡單RC低通和高通電路的頻率特性。簡單RC低通和高通電路的頻率特性如表2-1-3所示。RC低通和高通電路具有對偶關系，它們的截止頻率決定于RC電路的時間常數τ的倒數，在截止頻率處輸出信號比通帶輸出信號衰減3dB，而相移值為±45°。表2-1-3

RC低通和高通電路頻率特性

(2)晶體管及其單級放大電路的高頻特性。

在高頻時，由于三極管的PN結電容不能忽略，從而影響到放大電路上限頻率的提高。分析放大電路高頻特性時需采用晶體管混合π型高頻等效電路，如圖2-1-4所示。圖中,Cb'e為發(fā)射結電容，其值與工作點有關；Cb'c為集電結電容，由于跨接在輸出與輸入端之間，對放大電路上限頻率起到限制作用；為受控電流源，gm為三極管的跨導，它的計算公式為

式中，βo為三極管的低頻電流放大系數。圖2-1-4晶體管混合π型高頻等效電路

(3)集成運放高頻參數及其影響。運算放大器開環(huán)差模電壓增益值比其直流電壓增益值下降3dB所對應的頻率，稱為開環(huán)帶寬BW。

運算放大器在閉環(huán)零頻增益為1倍的狀態(tài)下，當用正弦小信號激勵時，其閉環(huán)增益下降至0.707倍時的頻率，稱為單位增益帶寬BWG。

若運放開環(huán)差模直流電壓增益為Aud，則BWG＝AudBW

集成運放閉環(huán)應用時，BWG就是負反饋放大電路的單位增益帶寬積。若負反饋放大電路的閉環(huán)增益為Auf、閉環(huán)帶寬為BWf，則

BWG＝AufBWf集成運放在閉環(huán)狀態(tài)下，輸入大信號時輸出電壓對時間的最大變化率，稱為轉換速率SR，即

如果集成運放輸出大信號正弦波，輸出電壓最大幅度為Uom、最高頻率為fmax，為了保證輸出正弦信號不產生失真，則要求SR≥2πfmaxUom。

2)集成運算放大器小信號交流放大電路

(1)集成運放小信號交流放大電路通頻帶。集成運算放大電路交流小信號放大電路通常采用電容耦合，因此，放大電路的下限頻率fL將受耦合電容器容量大小的影響，fL等于與耦合電容構成等效RC高通電路的截止頻率，即

，其中，C為耦合電容器的容量，R為等效高通電路的等效電阻。

放大電路的上限頻率由集成運放的BWG和負反饋深度所決定，上限頻率可由下式求得

BWG＝AufBWf＝AudfH

(2)單電源供電交流放大電路。放大和處理交流信號時,集成運放采用單電源供電方式較為方便。當采用單電源供電時運算放大器的兩個輸入端的靜態(tài)電位不能為零，為了使集成運放能對交流信號進行有效放大而不產生失真，應取電源電壓的一半，而且集成運放輸出端必須接有輸出電容，其容量大小由放大電路的下限頻率來決定。

模塊2有源濾波電路

學習內容：

(1)一階有源低通、高通及帶通濾波電路的工作原理、上限截止頻率、幅頻特性、相頻特性及應用。

(2)二階有源低通、高通及帶通濾波電路的工作原理、上限截止頻率、幅頻特性、相頻特性及應用。

(3)二階有源低通、高通及帶通濾波電路的組裝及測試。

學習問題：

(1)如何區(qū)分低通、高通、帶通濾波電路？

(2)低通、高通、帶通濾波電路工作在線性區(qū)還是非線性區(qū)？為什么？

(3)能否改變有源濾波電路的通頻帶？需要改變哪些電路元件的參數？

(4)有源濾波比無源濾波好在哪里？

(5)一階與二階有源濾波電路對輸出信號的影響有什么不同？

(6)fH=？fL=？fO=？Q=？BW=？

學習要求：

掌握理論內容，制作電路，準確測量數據，驗證理論，更好地認識、理解、消化所學知識。

任務二階有源低通濾波電路

(一)任務要求

低通濾波；通帶范圍為0～1kHz，通帶內具有平坦的幅頻特性，采用二階有源濾波。

(二)任務內容

(1)按圖2-2-1所示在實驗電路板(EWB)上連接電路。圖2-2-1二階有源低通濾波電路

(2)在輸入端接上信號發(fā)生器，將毫伏表分別接在輸入、輸出端，輸出端接上示波器。

(3)調節(jié)信號發(fā)生器輸出電壓幅度，使濾波電路輸出電壓不失真。由0開始增加信號發(fā)生器輸出信號的頻率，觀察輸出端的毫伏表和示波器。隨著頻率增加，毫伏表指示減小至原來的0.707時，將相應通帶范圍記入表2-2-1中；用毫伏表測量ui、uo；用頻率器測量輸出頻率；將數據、波形記入2-2-1中。

(4)比較ui、uo的數據以及對應的頻率。

(5)自行擬制二階有源高通、帶通濾波電路的步驟。表2-2-1二階有源低通濾波電路測試數據

(三)任務結論

根據測試與討論的結果，寫出實踐研究報告(目的、原理及方法、數據測試、分析及總結)?！灸K理論指導】

1.模塊基本要求

掌握有源濾波電路的原理、種類和工作原理。

了解有源低通和高通濾波電路的特性；集成功率放大器的性能特點及使用方法。

2.模塊重點和難點

重點有源濾波電路對輸出信號的影響及有源濾波電路的種類。

難點有源濾波電路對輸出信號的影響。

3.模塊知識點

1)有源濾波電路

(1)有源低通和高通濾波電路。用比例運算電路與RC低通或高通電路即可構成有源低通和高通電路。一階有源濾波電路的頻率特性與RC濾波電路的頻率特性相同，不過有源濾波電路在通帶內可由運算電路提供一定的增益，同時負載RL的影響很小。

為使濾波器幅頻特性在阻帶內有更快的衰減速度，實用上均采用二階或更高階數的有源濾波電路。一階濾波電路阻帶幅頻特性以20dB/十倍頻斜率衰減，二階濾波電路則以40dB/十倍頻斜率衰減，階數越高，阻帶幅頻特性衰減的速度就越快，濾波電路的性能就越好。同相輸入二階有源實用低通和高通濾波電路及其幅頻特性如表2-2-2所示，高通與低通電路及幅頻特性具有對偶關系。

(2)有源帶通和帶阻濾波電路。只允許某頻段內信號通過，而該頻段之外的信號不能通過的電路，稱為帶通濾波電路；帶阻濾波電路與帶通濾波電路的作用相反。帶通和帶阻濾波電路均具有兩個截止頻率，它們都是由高通和低通濾波電路適當組合而成的。表2-2-2同相輸入二階有源低通和高通濾波電路及其幅頻特性

2)集成功率放大器的結構特點及使用

集成功率放大器是由集成運算放大器發(fā)展而來的，它的內部電路一般也由前置級、中間級、輸出級及偏置電路等組成，不過集成功放的輸出功率大、效率高。另外，集成功放中還常設有過流、過壓以及過熱保護電路等，所以有較高的可靠性。集成功放使用時可選用其典型應用電路，但需注意，若采用雙電源供電，輸出即構成OCL電路；若采用單電源供電，輸出即構成OTL電路。其次，大功率器件為保證器件使用安全，應按規(guī)定外接散熱裝置。

3)線性集成器件應用電路的調整與測試

(1)集成運放應用電路元器件的選擇。

集成運放的選用原則如下：

①盡量選用通用型器件；

②對于低頻、輸入幅度在數毫伏以上，信號源內阻及負載電阻適中(如幾千歐)的電路，一般采用通用型集成運放；

③對于內阻很高的信號源，應選用高阻型運放；

④對于微弱信號的放大，應選用高精度、低漂型運放；

⑤如果工作頻率比較高，則應采用寬帶型運放；⑥如果輸出幅度大、變化速率高，則應采用高速型運放。

集成運放應用電路元件的選用原則如下：

①反饋電阻Rf阻值一般不低于1kΩ，不大于1MΩ；

②輔助電路電阻元件值應根據應用電路的阻抗要求來選擇；

③決定運算關系的元件應取穩(wěn)定度和精度都比較高的元件；

④交流放大電路中耦合電容器的容量應按下限頻率要求來確定。

(2)線性集成器件應用電路調試中寄生振蕩與波形失真的消除。

①寄生振蕩的消除。當合上直流電源后，電路輸出端用示波器能觀察到有一定頻率和幅度的周期信號，這說明電路產生了自激振蕩。根據示波器觀察到的波形，判斷是低頻振蕩還是高頻振蕩。若是低頻振蕩，可通過改變電源去耦合元件來消除；若為高頻振蕩，則需通過調整相位補償電路元件參數或改變有關接線減小寄生耦合來消除。②波形失真的消除。一般情況線性集成器件應用電路輸出波形失真都很小，但在電路使用不當，在輸入正弦波信號，輸出會出現“平頂”失真和“尖頂形”畸變失真。若出現平頂失真且輸出電壓幅度接近于直流電源電壓，則說明運放已進入飽和區(qū)，可提高電源電壓或降低輸入信號幅度來消除；若出現尖頂形畸變，這主要是集成運放轉換速率SR不足造成的，應換用SR較大的集成運放。此外，耦合電容過小、器件BWG不夠，電路還會產生頻率失真，調試中也應加以注意。

模塊3信號產生電路

學習內容：

(1)正弦波產生電路的組成。

(2)振蕩的平衡條件。

(3)RC橋式振蕩電路。

(4)變壓器反饋式LC振蕩電路。

(5)組裝RC橋式振蕩電路，調試與測試電路。

(6)組裝變壓器反饋式LC振蕩電路，調試與測試電路。

學習問題：

(1)正弦波振蕩電路由哪幾部分組成？各部分的作用分別是什么？

(2)產生正弦波振蕩的條件是什么？

(3)RC橋式振蕩電路的特點是什么？

(4)變壓器反饋式LC振蕩電路的特點是什么？

(5)正弦波振蕩電路的放大元器件工作在線性區(qū)還是非線性區(qū)？

學習要求：

掌握理論內容，制作電路，準確測量數據，驗證理論，更好地認識、理解、消化所學知識。

任務1

RC橋式振蕩電路

(一)任務要求

輸出1kHz的正弦波。

(二)任務內容

(1)按圖2-3-1所示在實驗電路板上連接電路。

(2)在輸出端接上示波器、毫伏表和頻率器。

(3)調節(jié)Rf(先使Rf/R1＞2，振蕩起來后Rf/R1＝2)，使RC橋式振蕩電路輸出電壓不失真。觀察輸出端的毫伏表、示波器和頻率器，改變電容C，將頻率、波形及電壓記入表2-3-1中。

(4)比較u2的頻率f與 的關系；比較Af的測量值Uo/Ui與計算值(1+Rf/RE1)。

(三)任務結論

根據測試與討論的結果，寫出實踐研究報告(目的、原理及方法、數據測試、分析及總結)。表2-3-1

RC橋式振蕩電路測試數據圖2-3-1晶體管組成的RC橋式振蕩電路

任務2變壓器反饋式LC振蕩電路

(一)任務要求

能夠輸出三個頻率的正弦信號。

(二)任務內容

(1)按圖2-3-2所示在實驗電路板上連接電路。

(2)在輸出端接上示波器、毫伏表和頻率器。

(3)接通電源，觀察輸出端的示波器和頻率發(fā)生器，改變電容C，將頻率及波形記入表2-3-2中。

(4)比較u2的頻率f與 的關系。圖2-3-2變壓器反饋式LC振蕩電路

(三)任務結論

根據測試與討論的結果，寫出實踐研究報告(目的、原理及方法、數據測試、分析及總結)。表2-3-2變壓器反饋式LC振蕩電路測試數據【模塊理論指導】

1.模塊基本要求

掌握正弦波產生電路的組成；振蕩的平衡條件；RC、LC正弦波產生電路的工作原理。

了解非正弦信號產生電路的工作原理及壓控振蕩器的特點。

2.模塊重點和難點

重點正弦波產生電路的工作原理。

難點振蕩的平衡條件；RC選頻原理。

3.模塊知識點

1)正弦波振蕩電路

正弦波振蕩電路用于產生一定頻率和幅度的正弦信號，它實際上是一個帶有選頻網絡的正反饋放大電路。它的振蕩相位和振幅平衡條件分別為

振蕩的起振條件為

2)RC振蕩電路

RC振蕩電路適用于低頻，一般在1MHz以下。RC橋式振蕩電路由RC串并聯(lián)選頻網絡與放大電路組成。RC串并聯(lián)選頻網絡在ωo=1/RC且電路的傳輸系數 時為最大，相移φf=0。所以RC橋式振蕩電路的振蕩頻率 。

為了產生穩(wěn)定的正弦波振蕩，要求RC橋式振蕩電路中放大電路應滿足下列要求：

(1)同相放大，Au≥3；

(2)高輸入阻抗、低輸出阻抗；

(3)自動穩(wěn)幅。實用中，放大電路通常采用集成運放同相比例運算電路，并用非線性元件構成負反饋電路，從而使放大電路的增益自動隨輸出電壓的增大(或減小)而下降(或增大)，這樣振蕩起振容易、輸出波形好且幅度穩(wěn)定。

3)LC振蕩電路

LC振蕩電路的選頻網絡由LC回路組成，所以它的振蕩頻率近似等于LC回路的諧振頻率。由于反饋形式的不同，LC振蕩電路有變壓器反饋式、電感三點式和電容三點式等電路。當要判斷LC振蕩電路是否滿足相位平衡條件時，首先要將振蕩電路劃分為放大電路和反饋電路；然后，假設放大電路輸入端斷開，標出放大電路的輸入電壓ui、輸出電壓uo以及反饋電路的反饋電壓uf，并按假定的ui瞬時極性，按照信號先放大后反饋的傳輸途徑,依次推出uo、uf的瞬時極性；最后，將uf與ui的瞬時極性進行比較，當它們對于公共電位參考點的瞬時極性相同時，即構成正反饋，滿足振蕩的相位平衡條件，電路可能產生振蕩，否則，電路不滿足振蕩的相位平衡條件。石英晶體振蕩電路是由石英晶體諧振器代替LC諧振回路構成的振蕩電路，通過學習應清楚了解以下幾點：

(1)石英晶體振蕩電路具有很高的頻率穩(wěn)定度；

(2)石英晶體諧振器的阻抗特性及它在石英晶體振蕩電路中的作用；

(3)石英晶體振蕩電路的構成。

模塊4非正弦波產生電路

學習內容：

(1)電壓比較器的工作原理。

(2)遲滯比較器的工作原理。

(3)施密特組成的鋸齒波、方波產生電路的工作原理。

(4)555組成的方波產生電路的工作原理。

(5)用施密特組裝鋸齒波、方波產生電路，進行相應調試與測試。

(6)用555組裝方波產生電路，進行相應調試與測試。

學習問題：

(1)電壓比較器與遲滯比較器的特性有何區(qū)別？

(2)上門限電壓、下門限電壓和回差電壓有什么不同？

(3)集成運放作為電壓比較器和運算電路使用時，它們的工作狀態(tài)有何區(qū)別？

(4)非正弦波信號產生電路的工作原理與正弦波振蕩電路有何區(qū)別？

(5)施密特觸發(fā)器為什么有兩個門限值？

(6)說出三個方波產生電路的名稱。

(7)任務1方波產生電路中的遲滯比較器是同相型還是反同相型的？

學習要求：

掌握理論內容，制作電路，準確測量數據，驗證理論，更好地認識、理解、消化所學知識。

任務1遲滯比較器組成的鋸齒波、

方波產生電路

(一)任務要求

根據給定電路，得到方波和鋸齒波，并測定相關數據。

(二)任務內容

(1)按圖2-4-1所示在實驗電路板上連接電路。

(2)在輸出端接上示波器和頻率器。

(3)接通電源，觀察輸出端的示波器和頻率器，改變電阻R，將頻率及波形記入表2-4-1中。注意R、C、R2的選取會影響到輸出頻率，減小R2可以增加頻率，增大R可以減小頻率，調節(jié)出需要的頻率。用示波器觀察電容兩端的波形。圖2-4-1方波產生電路

(4)分析影響頻率f的因素及實質。

(三)任務結論

根據測試與討論的結果，寫出實踐研究報告(目的、原理及方法、數據測試、分析及總結)。表2-4-1遲滯比較器組成的方波電路測試數據

任務2

555組成的方波產生電路

(一)任務要求

設計555組成方波產生電路，得到方波和鋸齒波，并測定相關數據。

(二)任務內容

(1)按圖2-4-2所示在EWB上連接電路。

(2)電路接入示波器和頻率器，觀察uo、uc波形，測量脈沖寬度、周期，計算uo的占空比