信号处理与信号产生电路课件.ppt

1、9.1 滤波电路的基本概念与分类滤波电路的基本概念与分类9.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路*9.4 开关电容滤波器开关电容滤波器9.5 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路9.1 滤波电路的基本概念与分类滤波电路的基本概念与分类1.基本概念基本概念)()()(iosVsVsA 滤波器：是一种能使有用频率信号通过而同时抑制或衰减无滤波器：是一种能使有用频率信号通过而同时抑制或衰减无 用频率信号的电子装置。用频率信号的电子装置。有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。有源滤波器：由有源器件构成的滤波器。滤波电路传递函数定义滤波电路传递函数定义时

2、，有时，有 j s)(je)j()j(AA)()j(A其中其中)j(A)(模，幅频响应模，幅频响应 相位角，相频响应相位角，相频响应群时延响应群时延响应)(d)(d)(s 低通（低通（LPF）高通（高通（HPF）带通（带通（BPF）带阻（带阻（BEF）全通（全通（APF）2.分类分类|A|0C通带通带阻阻带带A0|A|0CA0通带通带阻阻带带|A|0C1A0阻阻阻阻C2通通|A|0C1A0阻阻C2通通通通各种滤波器理想的幅频特性：（1）低通）低通（2）高通）高通（3）带通）带通（4）带阻）带阻 滤波器的用途滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例如，有

3、一个较低频率的信号，其中包含一些例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。较高频率成分的干扰。9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路1.低通滤波电路低通滤波电路c01)(sAsA 传递函数传递函数2c0)(1)j(AA其中其中特征角频率特征角频率1f01RRA RC1c 故，幅频相应为故，幅频相应为同相比例同相比例放大系数放大系数2.高通滤波电路高通滤波电路 一阶有源滤波电路通一阶有源滤波电路通带 外 衰 减 速 率 慢（带 外 衰 减 速 率 慢（-20dB/十倍频程），与理十倍频程），与理想情况相差较远。一般用想情况相差较远。一般用在对滤波要求不高的场合。在对滤波要求不

4、高的场合。低通电路中的低通电路中的R和和C交换交换位置便构成高通滤波电路位置便构成高通滤波电路9.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路9.3.2 有源高通滤波电路有源高通滤波电路9.3.3 有源带通滤波电路有源带通滤波电路9.3.4 二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤波电路9.3.1 有源低通滤波电路有源低通滤波电路9.3.1 有源低通滤波电路有源低通滤波电路1.二阶有源低通滤波电路二阶有源低通滤波电路2.传递函数传递函数1fF1RRAV )()(PoFsVsVAV)(/1/1)(APsVsCRsCsV 对于滤波电路，有对于滤波电路，有RsVsV)()(Ai sCsVsV/1)()(oA 0)

5、()(PA RsVsV得滤波电路传递函数得滤波电路传递函数)()()(iosVsVsA 2FF)()-(31sCRsCRAAVV （二阶）（二阶）（同相比例）（同相比例）2.传递函数传递函数F0VAA RC1c 令令称为称为通带增益通带增益)()()(iosVsVsA 2FF)()-(31sCRsCRAAVV F31VAQ 称为称为特征角频率特征角频率称为称为等效品质因数等效品质因数则则2cn22c0)(sQsAsA滤波电路才能稳定工作。滤波电路才能稳定工作。时时，即即当当 3 03 FF VVAA注意：注意：2.传递函数传递函数用用 代入，可得传递函数的频率响应：代入，可得传递函数的频率响应

6、：j s2c22c0)()(11lg20)j(lg20QAA 归一化的幅频响应归一化的幅频响应相频响应相频响应2cc)(1arctg)(Q3.幅频响应幅频响应2c22c0)()(11lg20)j(lg20QAA 4.n阶巴特沃斯传递函数阶巴特沃斯传递函数传递函数为传递函数为2n0)/(1)(cAjA 式中式中n为阶滤波电路阶数，为阶滤波电路阶数，c为为3dB载止角频率，载止角频率，A0为通带电为通带电压增益。压增益。9.3.2 有源高通滤波电路有源高通滤波电路1.二阶高通滤波电路二阶高通滤波电路 将低通电路中的电将低通电路中的电容和电阻对换，便成为容和电阻对换，便成为高通电路。高通电路。传递函

7、数传递函数2cc220)(sQssAsA2c22c0)(1)(1lg20)j(lg20QAA 归一化的幅频响应归一化的幅频响应2.巴特沃斯传递函数及其归一化幅频响应巴特沃斯传递函数及其归一化幅频响应2n0)/(1)(cAjA 归一化幅频响应归一化幅频响应9.3.3 有源带通滤波电路有源带通滤波电路1.电路组成原理电路组成原理可由低通和高通串联得到可由低通和高通串联得到必须满足必须满足11H1CR 低通截止角频率低通截止角频率22L1CR 高通截止角频率高通截止角频率HL 2.例例9.3.23.二阶有源带通滤波电路二阶有源带通滤波电路令令传递函数传递函数2FF)()-(31)(sCRsCRAsC

8、RAsAVV FF0-3VVAAA RC10 F31VAQ 得得20000)(1)(sQsQsAsA 9.3.4 二阶有源带阻滤波电路二阶有源带阻滤波电路可由低通和高通并联得到可由低通和高通并联得到必须满足必须满足HL 双双T T选频网络选频网络双双T T带阻滤波电路带阻滤波电路阻滤波电路的幅频特性阻滤波电路的幅频特性9.5 正弦波振荡电路的振荡条件正弦波振荡电路的振荡条件正反馈放大电路框图正反馈放大电路框图（注意与负反馈方框图的差别）（注意与负反馈方框图的差别）1.振荡条件振荡条件fiaXXX 若环路增益若环路增益1 FA则则，faXX 去掉去掉，iXoX仍有稳定的输出。仍有稳定的输出。又又

9、fafa AFFAFA所以振荡条件为所以振荡条件为1)()(FA振幅平衡条件振幅平衡条件2)()(fan 相位平衡条件相位平衡条件起振条件起振条件2.起振和稳幅起振和稳幅电路器件内部噪声以及电源接通扰动电路器件内部噪声以及电源接通扰动1)()(FA2)()(fan 当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增当输出信号幅值增加到一定程度时，就要限制它继续增加，否则波形将出现失真。加，否则波形将出现失真。噪声中，满足相位平衡条件的某一频率噪声中，满足相位平衡条件的某一频率 0 0的噪声信号被的噪声信号被放大，成为振荡电路的输出信号。放大，成为振荡电路的输出信号。稳幅的作用就是，当输出信号幅值

10、增加到一定程度时，稳幅的作用就是，当输出信号幅值增加到一定程度时，使振幅平衡条件从使振幅平衡条件从 回到回到1 AF。1 AF4放大电路（包括负反馈放大电路）放大电路（包括负反馈放大电路）3.振荡电路基本组成部分振荡电路基本组成部分4反馈网络（构成正反馈的）反馈网络（构成正反馈的）4选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。经常与反馈选频网络（选择满足相位平衡条件的一个频率。经常与反馈 网络合二为一。）网络合二为一。）4稳幅环节稳幅环节9.6 RC正弦波振荡电路一.RC 串并联网络的选频特性R1C1 串联阻抗：串联阻抗：212ofZZZUUF)j/1(111CRZ222222j1 )j/1/(

11、CRRCRZR2C2 并联阻抗：并联阻抗：选频特性：选频特性：+Ru+-o-fu+12RC12C1.定性分析（1 1）当信号的频率很低时：）当信号的频率很低时：R111CR221C其低频等效电路为：其低频等效电路为：其频率特性为：其频率特性为：当当=0时，时，uf=0，F=0 =+90F当当时，时，uf=，F F+fo-+R21u-uC+0|F|0 F90（2 2）当信号的频率很高时：）当信号的频率很高时：R111CR221C其高频等效电路为：其高频等效电路为：其频率特性为：其频率特性为：当当=时，时，uf=0，F=0 =-90F当当时，时，uf=，F F+ou-f-u+2C+1R0|F|0

12、F-900=？Fmax=？由由以上分析知：一定有一个频率以上分析知：一定有一个频率0存在，存在，当当=0时，时，F最大，且最大，且 =0F0|F|0 F900|F|0 F-902.定量分析)j/1(111CRZ 222222j1 )j/1/(CRRCRZ R1C1 串联阻抗：串联阻抗：R2C2 并联阻抗：并联阻抗：212ofZZZUUF 频率特性：频率特性：+Ru+-o-fu+12RC12C)1j()1(1j1j1j11221211222211222CRCRRRCCCRRCRCRRF 通常，取通常，取R1R2R，C1C2C，则有：则有：)j(3100 F式中：式中：RC10 可见：当可见：当

13、时，时，F最大，且最大，且 =0RC10F Fmax=1/3RC串并联网络完整的频率特性曲线：串并联网络完整的频率特性曲线：RC10 当当 时，时，F=Fmax=1/30FRC10RCf 210 Fo+90o|F|1/3二.RC桥式振荡器的工作原理0A在在 f0 处处,0F满足相位条件：满足相位条件：因为：因为：AF=131F11fRRA1f2RR 只需：只需：A=3输出正弦波频率输出正弦波频率RCf2100FA振幅条件：振幅条件：uRf1RRRCCufA+o引入负反馈：引入负反馈：选：选：例题例题:R=1k=1k，C=0.1=0.1 F F，R1 1=10k=10k。Rf f为多大时才为多大

14、时才能起振？振荡频率能起振？振荡频率f0 0=？AF=1，31F11fRRAA=3Rf=2R1=2 10=20k k RCf210=1592 Hz起振条件：起振条件：uRf1RRRCCufA+o能自动稳幅的振荡电路能自动稳幅的振荡电路半导体热敏电阻半导体热敏电阻(负温度系数）负温度系数）起振时起振时Rt较大较大 使使A3,易起振。易起振。当当uo幅度自激幅度自激增长时，增长时，Rt减减小，小，A减小。减小。当当uo幅度达某幅度达某一值时，一值时，A3。当当uo进一步增进一步增大时，大时，RT再减再减小小,使使A UREF时时,uo=+Uom当当ui UREF时时,uo=-Uom 运放处于运放处

15、于开环状态开环状态uuU+i-uuAOREFuoui0+Uom-UomUREF当当ui UREF时时,uo=-Uom 若若ui从反相端输入从反相端输入uuu-+ui+OA+uoui0+UZ-UZ（A A）用稳压管稳定输出电压）用稳压管稳定输出电压忽略了忽略了UD（3 3）限幅电路）限幅电路使输出电压为一稳定的确定值使输出电压为一稳定的确定值uuZ+O+-AuZ+DuRi当当ui 0时时,uo=+UZ当当ui 0时时,uo=-UZ当当ui 0时时,uo=+UZ 2.迟滞比较器（1 1）工作原理）工作原理两个门限电压。两个门限电压。特点特点:电路中使用正反馈电路中使用正反馈运放工作在非线性区。运放

16、工作在非线性区。（A A）当）当u uo o=+=+U UZ Z时，时，（B B）当）当uouo=-U=-UZ Z时，时，REFZURRRURRRUu2ff2f2T REFZURRRURRRUuf2ff22T UT+称称上门限电压上门限电压UT-称称下门限电压下门限电压UT+-UT-称为回差称为回差电压电压uuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2（2 2）迟滞比较器的电压传输特性：）迟滞比较器的电压传输特性：uoui0+UZ-UZUT+UT-设设ui ,当当ui=UT+时时,uo从从+UZ -UZuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R2例题：例题：Rf=10k，R2=10k

17、 ，UZ=6V，UREF=10V。当输入当输入ui为如图所示的波形时，画为如图所示的波形时，画 出输出出输出uo的波形。的波形。上下限：上下限：V82ff2f2T RZURRRURRRUV32ff2f2T RZURRRURRRUuoui08V3V传输特性传输特性+6V-6VuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R23V8Vuiuo+6V-6Vuoui08V3V传输特性传输特性+6V-6VuuuA+R-Zu+DO+fuRZiREFR1R21.电路结构由滞回比较电路和由滞回比较电路和RC定时电路构成定时电路构成ZURRRUf11T ZURRRUf11T 上下限上下限:二.方波产生电路u+A

18、+-u+u1RfRZRZDORCuC2.工作原理(1)设设 uo=+UZ,此时，此时，uO给给C 充电充电,uc ，则：则：u+=UT+0tuo+UZ-UZucUT+0t一旦一旦 uc UT+,就有就有 u-u+,uo 立即由立即由UZ变成变成UZ。在在 uc UT+时，时，u-u+,设设uC初始值初始值uC(0+)=0方波发生器方波发生器uo保持保持+UZ不变不变+UZu+A+-u+u1RfRZRZDORCuC此时，此时，C向向u uO O放电放电,再反向充电再反向充电(2)当当uo =-UZ 时，时，u+=UT-uc达到达到UT-时，时，uo上跳。上跳。UT+uctUT-当当uo 重新回到

19、重新回到UZ 后，电路又进入另一个周期性的变化后，电路又进入另一个周期性的变化-UZu+A+-u+u1RfRZRZDORCuC0UT+uctUT-+UZuo0t -UZT完整的波形：完整的波形：计算振荡周期计算振荡周期T。u+A+-u+u1RfRZRZDORCuC周期与频率的计算：周期与频率的计算：0 UT+uct UT-+UZ -UZT1T2TT=T1+T2=2 T2 uc(t)=UC()+UC(0+)-UC()e ,=RC-t T2阶段阶段uc(t)的过渡过程方程为的过渡过程方程为:)21ln(2f1RRRCT f =1/T可推出可推出:u+A+-u+u1RfRZRZDORCuC3.占空比

20、可调的方波发生器UZuo0t-UZ改变电位器改变电位器 RW 的滑动端，就改变了冲放电的滑动端，就改变了冲放电的时间，从而使方波的占空比可调。的时间，从而使方波的占空比可调。u+A+-u+u1RfRZRZD1D2DORWRCuC三.三角波和锯齿波产生电路电路结构电路结构：迟滞比较器迟滞比较器+反相积分器反相积分器1.三角波发生器u+R+A1+RZ-2ZDu4Ro2+R1R35RCuuo1A2工作原理工作原理：若若uo1=+UZ，uo2，u+。)(0dt12o01o42o uuCRut2o2121o211uRRRuRRRu 当当u+0时，时，uo1翻转为翻转为-UZ。若若uo1=-UZ，uo2，

21、u+。当当u+0时，时，uo1翻转为翻转为+UZ。波形图波形图振荡周期：振荡周期：0UT+uo2tUT-+UZuo10t -UZTuR-+Z+uRR+12A1u4R+CA2RZD5+uo1o2ZTURRU21 ZTURRU21 2414RCRRT 2.锯齿波发生器改变积分器的正反向改变积分器的正反向充电时间常数充电时间常数uZo1Ro23Zu+RR5+Du4uRA1-R+1A2+2C+RD6Ruo1=+UZ，D截止，截止，充电充电时间常数：时间常数：R4C。uo1=-UZ，D导通，导通，充电时充电时间常数：间常数：(R6R4)C。+UZuo10t -UZ R6R4 有源滤波器是一种重要的信号处

22、理电路，有源滤波器是一种重要的信号处理电路，它可以突出有用频段的信号，衰减无用它可以突出有用频段的信号，衰减无用频段的信号，抑制干扰和噪声信号，达频段的信号，抑制干扰和噪声信号，达到选频和提高信噪比的目的。实际使用到选频和提高信噪比的目的。实际使用时，应根据具体情况选择低通、高通、时，应根据具体情况选择低通、高通、带通或带阻滤波器，并确定滤波器的具带通或带阻滤波器，并确定滤波器的具体形式。体形式。本章小结返回返回本章小结1正弦波振荡的条件：正弦波振荡的条件：正弦波振荡电路由放大器、反馈网络、选正弦波振荡电路由放大器、反馈网络、选频网络和稳幅环节构成。频网络和稳幅环节构成。n2FA AF=1 （

23、振幅条件）（振幅条件）（相位条件）（相位条件）本章小结2正弦波振荡电路主要有正弦波振荡电路主要有RC振荡电路和振荡电路和LC振振荡电路两种。荡电路两种。RC振荡电路主要用于中低频场振荡电路主要用于中低频场合，合，LC振荡电路主要用于高频场合。石英晶振荡电路主要用于高频场合。石英晶体振荡电路是一种特殊的体振荡电路是一种特殊的LC振荡电路，其特振荡电路，其特点是具有很高的频率稳定性。点是具有很高的频率稳定性。3当运放开环工作或引入正反馈时，运放工当运放开环工作或引入正反馈时，运放工作在非线性状态。作在非线性状态。本章小结其分析方法为：若其分析方法为：若U+U-则则UO=+UOM；若若U+U-则则U

24、O=-UOM。虚断（运放输入端电流虚断（运放输入端电流=0）4.电压比较器是一种能够比较两个模拟量大小电压比较器是一种能够比较两个模拟量大小的电路。迟滞比较器具有回差特性。它们是运的电路。迟滞比较器具有回差特性。它们是运放非线性工作状态的典型应用。放非线性工作状态的典型应用。本章小结5在方波、锯齿波和三角波等非正弦波信号发在方波、锯齿波和三角波等非正弦波信号发生器中，运放一般也工作在非线性状态。电路生器中，运放一般也工作在非线性状态。电路由比较器、积分器等环节组成。由比较器、积分器等环节组成。返回五.判断电路是否可能产生正弦波振荡的方法和步骤1.观察电路是否包含了观察电路是否包含了放大电路放大电路、选频网络选频网络、正正反馈网络反馈网络和和稳幅环节稳幅环节四个组成部分。四个组成部分。2.判断放大电路是否能够正常工作，即是否判断放大电路是否能够正常工作，即是否有合适的静态工作点且动态信号是否能够有合适的静态工作点且动态信号是否能够输入、输出和放大。输入、输出和放大。五.判断电路是否可能产生正弦波振荡的方法和步骤3.利用利用瞬时极性法瞬时极性法判断电路是否满足正弦波判断电路是否满足正弦波振荡的相位条件。振荡的相位条件。具体做法：具体做法：