信号处理和信号产生电路.ppt

,9.8 非正弦信号产生电路,9.信号处理与信号产生电路,9.1 滤波电路的基本概念与分类,1.基本概念,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。,有源滤波器：由有源器件和R、C元件构成的滤波器。,滤波电路传递函数定义：,相位角，相频响应,9.1 滤波电路的基本概念与分类,2.分类,高通（HPF）,低通（LPF）,带阻（BEF）,带通（BPF）,9.2 一阶有源滤波电路,传递函数：,故，幅频相应为：,1.低通滤波电路,9.2 一阶有源滤波电路,一阶有源滤波电路通带外衰减速率慢（-20dB/十倍频程），与理想情况相差较远。一般用在对滤波要求不高的场合。,2.高通滤波电路,低通电路中的R和C交换位置便构成高通滤波电路。,9.3 高阶有源滤波电路,9.3.2 有源高通滤波电路,9.3.3 有源带通滤波电路,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,9.3.1 有源低通滤波电路,9.3.1 有源低通滤波电路,2.传递函数,得滤波电路传递函数,（二阶）,（同相比例）,1.二阶有源低通滤波电路,2.传递函数,令,称为通带增益,称为特征角频率,称为等效品质因数,则,2.传递函数,用 代入，可得传递函数的频率响应：,归一化的幅频响应,相频响应,3.幅频响应,归一化的幅频响应曲线,4.n阶巴特沃斯传递函数,传递函数为,式中n为阶滤波电路阶数，c为3dB载止角频率，A0为通带电压增益。,9.3.2 有源高通滤波电路,1.二阶高通滤波电路,将低通电路中的电容和电阻对换，便成为高通电路。,传递函数,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,归一化幅频响应,9.3.3 有源带通滤波电路,1.电路组成原理,可由低通和高通串联得到,必须满足,低通截止角频率,高通截止角频率,9.3.3 有源带通滤波电路,3.二阶有源带通滤波电路,传递函数,得,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,可由低通和高通并联得到,必须满足,双T选频网络,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,双T带阻滤波电路,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,阻滤波电路的幅频特性,9.3.4 二阶有源带阻滤波电路,*9.4 开关电容滤波器,不作要求,振荡器：不需要外加激励信号就能将直流信号转化为交流信号的电子设备。分类：正弦波振荡器；非正弦波振荡器,一、条件,自激振荡的条件：,而,即,（为保证起振，通常要求）,幅度条件：,相位条件：（n=0，1，2，3，）,因为：,9.5 正弦波振荡电路的振荡条件,一、条件,二、组成 基本放大器；反馈网络；选频网络（为了获得单一频率）；稳幅环节（为了产生稳幅振荡）；,若选频网络由RC元件构成RC正弦波振荡器；若选频网络由LC元件构成LC正弦波振荡器；,一、条件,三、分析方法 1、判断能否产生振荡（1）检查电路是否具备振荡电路的组成部分；（2）检查放大电路的Q点是否能够保证放大器正常工作；（3）分析电路是否满足振荡条件。主要是分析相位条件，至于幅度条件一般容易满足。2、求振荡频率和起振条件振荡频率由相位条件决定；起振条件由幅度条件求得；,二、组成,1：如何起振？,Uo 是振荡器的电压输出幅度，B是要求输出的幅度。起振时Uo=0，达到稳定振荡时Uo=B。,放大电路中存在噪声即瞬态扰动，这些扰动可分解为各种频率的分量，其中也包括有fo分量。,选频网络：把fo分量选出，把其他频率的分量衰减掉。这时，只要：,|AF|1，且A+B=2n，即可起振。,四、说明,2：如何稳幅？,起振后，输出将逐渐增大，若不采取稳幅，这时若|AF|仍大于1，则输出将会饱和失真。,四、说明,达到需要的幅值后，将参数调整为AF=1，即可稳幅。,具体方法将在后面具体电路中介绍。,起振并能稳定振荡的条件：,9.6 RC正弦波振荡电路,1.电路组成,2.RC串并联选频网络的选频特性,3.振荡电路工作原理,4.稳幅措施,1.电路组成,反馈网络兼做选频网络,RC桥式振荡电路,反馈系数,2.RC串并联选频网络的选频特性,幅频响应,又,且令,则,相频响应,2.RC串并联选频网络的选频特性,当,幅频响应有最大值,相频响应,3.振荡电路工作原理,此时若放大电路的电压增益为,用瞬时极性法判断可知，电路满足相位平衡条件,则振荡电路满足振幅平衡条件,电路可以输出频率为 的正弦波,RC正弦波振荡电路一般用于产生频率低于 1 MHz 的正弦波,采用非线性元件,4.稳幅措施,热敏元件,热敏电阻,起振时，,即,热敏电阻的作用,采用非线性元件,4.稳幅措施,场效应管（JFET）,稳幅原理,整流滤波,T 压控电阻,采用非线性元件,二极管,稳幅原理,起振时,4.稳幅措施,输出频率的调整：,通过调整R或/和C来调整频率。,C：双联可调电容，改变C，用于细调振荡频率。,K：双联波段开关，切换R，用于粗调振荡频率。,用运放组成的RC振荡器,RC文氏桥式振荡器,电子琴的振荡电路电路：,用运放组成的RC振荡器,RC文氏桥式振荡器,用分立元件组成的RC振荡器,ube,RC网络正反馈，RF、RE1组成负反馈，调整到合适的参数则可产生振荡。负反馈使电路工作稳定。,RC文氏桥式振荡器,I、LC并联谐振回路 一、谐振频率与谐振电阻,1、谐振的概念：AB间的阻抗最大，且呈纯电阻的状态谐振状态。2、谐振频率：,当 时呈谐振状态，此时,或,I、LC并联谐振回路 一、谐振频率与谐振电阻,3、谐振电阻,4、理想电路,L、C为理想电抗件,R0体现了损耗,I、LC并联谐振回路 一、谐振频率与谐振电阻,5、特点,（1）谐振频率：,（2）谐振时总的容抗等于感抗：,两端呈纯电阻。,（3）谐振时总电流与总电压同相，支路电流比总电流大。,电感支路：,电容支路：,I、LC并联谐振回路 二、谐振回路的品质因数,定义：谐振时电路的电抗（0L或）与等效损耗电阻r之比。,Q0的大小标志着谐振质量的优劣。Q0损耗越小。Q0通常在30200之间。,I、LC并联谐振回路 三、谐振曲线,1、谐振曲线,2、通用谐振方程,I、LC并联谐振回路 三、谐振曲线,2、通用谐振方程,或,在f=f0f的情况下：,则,其中,相对失谐量，描述了f偏离f0的程度。,I、LC并联谐振回路 三、谐振曲线,3、通频带,相减得,可见Q0愈大，通频带愈窄。,I、LC并联谐振回路,四、信号源和负载与并联谐振回路的连接,令,则,而,结论：Rs和RL的接入，使回路的损耗增加，通频带变宽。,I、LC并联谐振回路,五、改变并联谐振回路阻抗的办法,1、电感中间抽头,谐振频率,谐振阻抗,忽略两线圈间的互感和R的影响,I、LC并联谐振回路,五、改变并联谐振回路阻抗的办法,忽略r的影响,2、电容中间抽头,谐振频率,谐振阻抗,I、LC并联谐振回路,五、改变并联谐振回路阻抗的办法,3、结论,谐振频率仅仅决定于回路的总电感L和总电容C，与抽头位置无关。,谐振阻抗与抽头的位置有关。,、LC串联谐振回路,谐振频率：,或,谐振阻抗：Z=R（此时阻抗很小）,品质因数：,9.7 LC振荡电路,LC 振荡电路的选频电路由电感和电容构成，可以产生高频振荡。放大电路可用高频运放，也可用分离元件组成。本节只对 LC振荡电路做一简单介绍，重点掌握相位条件的判别。,电容电路：电流超前电压90o,电感电路：电压超前电流90o,一、电感三点式振荡电路,1、电路组成,2、相位条件,电路满足相位条件。,3、振荡频率和起振条件,振荡频率：,起振条件：,为总的损耗电阻,得,一、电感三点式振荡电路,4、特点（1）很容易起振；（2）调节频率方便，通常采用可变电容；（3）一般用于产生几十MHz以下的频率；（4）由于Uf取自L2（电感），输出波形中有高次谐波，故波形较差。,二、电容三点式振荡电路,1、电路组成,2、相位条件,电路满足相位条件。,3、振荡频率和起振条件,振荡频率：,起振条件：,为总的损耗电阻,得,4、特点（1）晶体管的极间电容对振荡频率有一定的影响；（2）调节频率不方便，适用于产生固定频率；（3）一般用于产生几百MHz以上的频率，很高；（4）由于Uf取自C2（电容），故波形较好。,若为三点式振荡器，可用“射同基反”的原则，判断相位条件：“射同”振荡电路与T的发射极相连的两个电抗性质相同；“基反”振荡电路与T的基极相连的两个电抗性质相反；,二、电容三点式振荡电路,三点式LC振荡电路相位关系判断,A.若中间点交流接地，则首端与尾端 相位相反。,三点的相位关系,B.若首端或尾端交流接地，则其他两 端相位相同。,例1：,正反馈,频率由C、L1、L2谐振网络决定。,设uB,uC,uD,uB,uL2,ube,uL1,D,三、三点式振荡电路举例,例2：,+,+,+,正反馈,+,振荡频率:,M为两线圈的互感,uo,三、三点式振荡电路举例,+,+,例3：,正反馈,振荡频率:,三、三点式振荡电路举例,例4：,+,ube增加,正反馈,三、三点式振荡电路举例,磁棒,初级线圈,次级线圈,四、变压器耦合振荡电路,1、变压器同极性端的问题,四、变压器耦合振荡电路,2、变压器耦合振荡电路,振荡频率：,起振条件：,优点：易于起振 调节频率方便缺点：输出波形不好,例1：,+,+,+,正反馈,判断是否是正反馈:用瞬时极性法判断,振荡频率:,uo,利用1：晶体管共射极放大器，集电极电位变化与基极反相，发射极与基极同相。,利用2：互感线圈的同极性端电位变化相位相同。,四、变压器耦合振荡电路,2、变压器耦合振荡电路,石英晶体振荡电路,2、影响振荡频率不稳定的因素温度的变化、电源电压的波动、元件参数的变化等,频率稳定度=,1、对于振荡器的振荡频率，要求具有较高的稳定性。,一、石英晶体的物理特性极其等效电路 石英晶体是SiO2的一种结晶体，具有各向异性的物理特性。在石英晶体上按一定方位切下的薄片晶片。,1、基本特性（1）石英晶体振荡器在电路中之所以能够代替LC谐振回路是具有压电效应。石英振荡器中，正负压电效应同时存在、互为因果。当晶体上有外加电场时，晶片发生形变，形变又引起电荷和电场的产生，由于晶体的机械限制，最后达到稳定的平衡状态。,一、石英晶体的物理特性极其等效电路,1、基本特性（2）若在晶片上外加交变电压，由于压电效应，从外电路来看，相当于有交流通过晶片。外加电压频率石英晶体的固有机械谐振频率时，压电电流滞后外加电压外加电压频率=石英晶体的固有机械谐振频率时，压电电流最大压电谐振,一、石英晶体的物理特性极其等效电路,感性,2、等效电路,等效电路,阻抗特性,C0静态电容。即两极板之间的电容，与晶片的几何尺寸、极板面积有关，几PF几十PF。,L机械振荡的惯性。10-3102H C晶片的弹性 10-410-1PF R晶片振动时因摩擦而造成的损耗 102 L大，C小，R小,很大 104106,另一方面，晶片本身的固有频率只与晶片的几何尺寸有关，所以很稳定，而且可以做得很精确。,一、石英晶体的物理特性极其等效电路,感性,2、等效电路,3、谐振频率（忽略R）,特点：（1）一个晶体有两个谐振频率。,即,串联谐振频率（阻抗最小）,即,并联谐振频率（阻抗最大）,（2）fPfS，但由于CC0，fP、fS非常接近,（3）晶体振荡器是将晶片作为一个电感元件来使用的。,二、石英晶体振荡器,1、并联型晶体振荡器,晶体工作在谐振频率fP和fS之间，石英晶体呈电感性，作为振荡器回路的一个电感与电路的其他元件组成三点式振荡器。,由于CC0+C，因此，在回路中起决定作用的是C，由于C很稳定，所以振荡频率的稳定度很高。,其中,二、石英晶体振荡器,2、串联型晶体振荡器,+,利用f=fS时石英晶体呈纯阻性，相移为零的特性构成正弦波振荡器。,9.8 非正弦信号产生电路,9.8.2 方波产生电路,9.8.3 锯齿波产生电路,9.8.1 电压比较器,单门限电压比较器,迟滞比较器,集成电压比较器,9.8.1 电压比较器,，由于|vO|不可能超过VM，,特点：,1.单门限电压比较器,（1）过零比较器,开环，虚短不成立,增益A0大于105,（忽略了放大器输出级的饱和压降）,所以,当|+VCC|=|-VEE|=VM=15V，A0=105 时，,可以认为,vI 0 时，vOmax=+VCC,vI 0 时，vOmax=-VEE,（过零比较器）,运算放大器工作在非线性状态下,9.8.1 电压比较器,特点：,1.单门限电压比较器,（1）过零比较器,开环，虚短不成立,增益A0大于105,输入为正负对称的正弦波时，输出为方波。,电压传输特性,9.8.1 电压比较器,1.单门限电压比较器,（2）门限电压不为零的比较器,电压传输特性,（门限电压为VREF）,9.8.1 电压比较器,1.单门限电压比较器,（2）门限电压不为零的比较器,（门限电压为VREF）,(a)VREF0时,(b)VREF2V时,(c)VREF4V时,vI为峰值6V的三角波，设VCC12V，运放为理想器件。,解：,例,图示为另一种形式的单门限电压比较器，试求出其门限电压(阈值电压)VT，画出其电压传输特性。设运放输出的高、低电平分别为VOH和VOL。,利用叠加原理可得,理想情况下，输出电压发生跳变时对应的vPvN0，即,门限电压,单门限比较器的抗干扰能力,9.8.1 电压比较器,2.迟滞比较器,（1）电路组成,（2）门限电压,门限电压,上门限电压,下门限电压,回差电压,9.8.1 电压比较器,2.迟滞比较器,（3）传输特性,解：,（1）门限电压,（3）输出电压波形,例,电路如图所示，试求门限电压，画出传输特性和图c所示输入信号下的输出电压波形。,（2）传输特性,通过上述几种电压比较器的分析，可得出如下结论：,（1）用于电压比较器的运放，通常工作在开环或正反馈状态和非线性区，其输出电压只有高电平VOH和低电VOL两种情况。,（2）一般用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数关系。,（3）电压传输特性的关键要素 输出电压的高电平VOH和低电平VOL 门限电压 输出电压的跳变方向,令vPvN所求出的vI就是门限电压vI等于门限电压时输出电压发生跳变跳变方向取决于是同相输入方式还是反相输入方式,9.8.1 电压比较器,3.集成电压比较器,集成电压比较器与集成运算放大器比较：开环增益低、失调电压大、共模抑制比小，灵敏度往往不如用集成运放构成的比较器高。,但集成电压比较器中无频率补偿电容，因此转换速率高，改变输出状态的典型响应时间是30200ns。,相同条件下741集成运算放大器的响应时间为30s左右。,9.8.2 方波产生电路,1.电路组成（多谐振荡电路）,稳压管双向限幅,9.8.2 方波产生电路,2.工作原理,由于迟滞比较器中正反馈的作用，电源接通后瞬间，输出便进入饱和状态。,假设为正向饱和状态,3.占空比可变的方波产生电路,9.8.2 方波产生电路,9.8.3 锯齿波产生电路,同相输入迟滞比较器,积分电路,充放电时间常数不同,