信號處理電路

1、1 電壓比較器,,,,2 波形產(chǎn)生與波形變換,信號處理電路,3 有源濾波電路,4 開關電容濾波器,1 電壓比較器,,,比較器,單門限電壓比較器,遲滯比較器,限幅器,窗口比較器,電壓比較器是對輸入信號進行鑒別比較的電路，是組成非正弦發(fā)生電路的基本單元電路，在測量和控制中有著廣泛的應用。,電壓比較器的電壓傳輸特性：,電壓比較器的輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關系uo=f(ui)一般用曲線來描述，稱為電壓傳輸特性,輸入電壓ui是模擬信號，

2、輸出電壓uo只有兩種可能的狀態(tài)，不是高電平UOH就是低電平UOL ，用以表示比較結果,使輸出電壓uo從UOH躍變?yōu)閁OL；或使輸出電壓從UOL躍變?yōu)閁OH的輸入電壓為閥值電壓UT,正確畫出電壓傳輸特性，必須求出以下三個要素：,（1）輸出電壓的高電平UOH、低電平UOL,（2）閥值電壓UT,（3）當ui變化且經(jīng)過閥值電壓UT時， uo躍變的方向，是從UOH躍變?yōu)閁OL，還從UOL躍變?yōu)閁OH,電壓比較器的種類：,電路只有一個閥值電壓UT

3、 ，輸入電壓ui逐漸增大或減小過程中，通過UT時，輸出電壓uo產(chǎn)生躍變從UOH躍變?yōu)閁OL；或從UOL躍變?yōu)閁OH,（1）單門限電壓比較器,電路有兩個閥值電壓UT ，輸入電壓ui從小變大過程中使輸出電壓uo產(chǎn)生躍變的閥值電壓UT1，不等于從大變小過程中使輸出電壓uo產(chǎn)生躍變的閥值電壓UT2，電路具有遲滯特性。,（2）遲滯比較器,,（3）窗口比較器,電路有兩個閥值電壓UT，輸入電壓ui從小變大或從大變小過程中使輸出電壓uo產(chǎn)生兩次躍變,，

4、由于|vO |不可能超過VM ，,,,1 比較器,,特點：,1. 單門限電壓比較器,（1）過零比較器,開環(huán)，虛短和虛斷不成立,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 = +VCC,,vI <0 時， vOmax = -VEE,（過零比較器）,當 時,當 時,運算放大器

5、工作在非線性狀態(tài)下,,,1 比較器,,1. 單門限電壓比較器,（1）過零比較器,,輸入為正負對稱的正弦波時，輸出為方波。,電壓傳輸特性,,當輸入電壓 時,,,,,,,思考,1. 若過零比較器如圖所示，則它的電壓傳輸特性將是怎樣的？ 2. 輸入為正負對稱的正弦波時，輸出波形是怎樣的？,,,,,,,,,,,1 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,,輸入為正負對稱

6、的正弦波時，輸出波形如圖所示。,當輸入電壓 時,,,,,,,,,VREF1,VREF2,,,,,,,,1 比較器,1. 單門限電壓比較器,（3）一般單限比較器,電壓傳輸特性,根據(jù)疊加原理，反相輸入端的電位：,令 時,閥值電壓UT,求出的ui即為閥值電壓UT,2. 遲滯比較器,從電路中看出，uo=±UZ,運放反相輸入端電位,令,運放同相輸入端電位,求出的就

7、是閥值電壓,輸出電壓在輸入電壓等于閥值電壓時的變化情況：,設ui<-UT ,,那么uN一定小于uP，,因而uo=+UZ,所以up=+UT,只有當輸入電壓ui增大到+UT，再增大一個無窮小量時，uo才會從+UZ躍變?yōu)?UZ,設ui>+UT ,,那么uN一定大于uP，,因而uo=-UZ,所以up=-UT,只有當輸入電壓ui減小到-UT，再減小一個無窮小量時，uo才會從-UZ躍變?yōu)?UZ,同理,電壓傳輸特性,2. 遲滯比較器,

8、上下限：,例題1：R1=10k?，R2=20k ? ，UOM=12V， UR=9V,當輸入ui為如圖所示的波形時，畫出輸出uo的波形。,上下限：,=10V,=2V,3. 窗口比較器,圖示電路為雙限比較器，外加參考電壓URH＞ URL，電阻R1、R2和DZ構成限幅電路。,當輸入電壓UI大于URH時，必然大于URL,所以A1的輸出為UO1=+UOM，A2的輸出為UO2=-UOM,二極管D1導通、D2截止，穩(wěn)壓管DZ工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，輸出

9、電壓為UO=+UZ,當輸入電壓UI小于URL時，必然小于URH,所以A1的輸出為UO1 =-UOM ，A2的輸出為UO2 =+UOM,二極管D2導通、 D1截止，穩(wěn)壓管DZ工作在穩(wěn)壓狀態(tài)，輸出電壓為UO=+UZ,當URL＜ui＜ URH時，uo1=uo2=-UOM,二極管D1、D2截止，穩(wěn)壓管DZ截止狀態(tài)，輸出電壓為UO=0,3. 限幅器,1. 雙向穩(wěn)壓管接于輸出端,R 限流電阻一般取100 ?,特點：電路中的運放處于線性放大狀態(tài)

10、，但外圍電路有非線性元件（二極管、穩(wěn)壓二極管）。,DZ雙向穩(wěn)壓管,UZ穩(wěn)壓值, UF正向壓降,傳輸特性,2.雙向穩(wěn)壓管接于負反饋回路上,通過分析電壓比較器，可得出如下結論：,1 在電壓比較器中，集成運放工作在非線性區(qū)，輸出電壓只有高電平和低電平兩種情況。,2 一般用電壓傳輸特性描述輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關系。,3 電壓傳輸特性的三個要素是輸出電壓的高、低電平，閥值電壓和輸出電壓的躍變方向。,輸出電壓的高、低電平?jīng)Q定于限幅電路；令uN=

11、uP求出的ui就是閥值電壓； ui等于閥值電壓時輸出電壓的躍變方向決定于輸入電壓作用于同相輸入端還是反相輸入端。,試分別求出圖示各電路的電壓傳輸特性。,,例題2,圖（a）所示電路為同相輸入的過零比較器；,圖（a）,電路的電壓傳輸特性如圖所示,,解：,圖（b）所示電路為同相輸入的滯回比較器，,兩個閾值電壓為±UT＝±UZ。電路的電壓傳輸特性如圖所示,圖（b）,,,,,,,試分別求解圖示各電路的電壓傳輸特性。,（1

12、）,圖（1）所示電路為單限比較器，,解：,電壓傳輸特性如解圖所示,uO＝±UZ＝±8V，UT＝－3V，,例題3,（2）,UOL＝－UD＝－0.2V，UOL＝＋UZ＝＋6V，UT＝0V。,圖（2）所示電路為過零比較器，,電壓傳輸特性如圖所示,（3）,圖（3）所示電路為反相輸入的滯回比較器，uO＝±UZ＝±6V。令,求出閾值電壓 UT1＝0 V UT2＝4 V,電壓傳輸特性如圖

13、所示。,,,,,,,（4）,圖（4）所示電路為同相輸入的滯回比較器，uO＝±UZ＝±6V。令,得出閾值電壓,電壓傳輸特性如圖所示。,,,,,,,（5）,,圖（5）所示電路為窗口比較器，uO＝±UZ＝±5V，±UT＝±3V，,電壓傳輸特性如圖所示。,電路如圖所示。,例題4,（1）分別說明A1和A2各構成哪種基本電路；,（2）求出uO1與uO的關系曲線uO1＝f（uO）；,

14、,（3）求出uO與uO1的運算關系式uO＝f（uO1）；,（4）定性畫出uO1與uO的波形；,（5）說明若要提高振蕩頻率，則可以改變哪些電路參數(shù)，如何改變。,,（1）A1：滯回比較器；A2：積分運算電路。,可得,uO1與uO的關系曲線如解圖（a）所示。,解：,（2）,根據(jù),（a）,,uO與uO1的運算關系式,（3）,（4）,uO1與uO的波形如解圖（b）所示。,要提高振蕩頻率，可以減小R4、C、R1或增大R2。,（5）,例題5,設計一

15、個電壓比較器，使其電壓傳輸特性如圖示，所用電阻值在20～100KΩ,根據(jù)電壓傳輸特性可知，,電路沒有外加基準電壓，故電路圖如圖,求閥值電壓的表達式：,輸入電壓應該作用于同相輸入端,,,,,,,電路如圖示，已知R1=50K R2=100K ，穩(wěn)壓管的穩(wěn)定電壓為±9V，輸入電壓的波形如圖示，試畫出輸出電壓的波形。,例題6,,,,0,t,ui,,,,-3V,3V,,,9V,-9V,,,,,,,,,0,t,ui,,,,-3V,3V,,

16、,9V,-9V,,,,,,2 波形產(chǎn)生與波形變換,,,2.1. 波形產(chǎn)生電路,2.2 波形變換電路,,,正反饋放大電路如圖示（注意與負反饋方框圖的差別）,（1）振蕩條件,,若環(huán)路增益,則,又,所以振蕩條件為,,振幅平衡條件,相位平衡條件,1 RC正弦波振蕩電路,,,起振條件,（2） 起振和穩(wěn)幅,# 振蕩電路是單口網(wǎng)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(nèi)部噪聲,,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，

17、否則波形將出現(xiàn)非線性失真。,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,,,放大電路（包括負反饋放大電路）,（3） 基本組成部分,反饋網(wǎng)絡（構成正反饋）,穩(wěn)幅環(huán)節(jié),用RC 電路構成選頻網(wǎng)絡的振蕩電路即所謂的 RC振蕩電路，可選用的 RC 選頻網(wǎng)絡有多種，這里只介紹文氏橋選頻電路。,選頻電路,,（4） 電路

18、組成,時，相移為0。,如果：R1=R2=R，C1=C2=C，則：,傳遞函數(shù)：,相頻特性：,幅頻特性：,,,（4） 電路組成,,反饋網(wǎng)絡兼做選頻網(wǎng)絡,用運放組成的RC振蕩器,,,反饋系數(shù),（5） RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡的選頻特性,幅頻響應,又,且令,則,相頻響應,,,（5） RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡的選頻特性,當,幅頻響應有最大值,,相頻響應,,,,（6） 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

19、振蕩電路滿足振幅平衡條件,(+),(+),(+),(+),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(chǎn)生頻率低于 1 MHz 的正弦波,,,采用非線性元件,（7） 穩(wěn)幅措施,熱敏元件,熱敏電阻,起振時，,即,熱敏電阻的作用,,,,,,,采用非線性元件,,,（7） 穩(wěn)幅措施,場效應管（JFET）,穩(wěn)幅原理,,,,,整流濾波,T 壓控電阻,,,,采用非線性元件,（7） 穩(wěn)幅措施,二極管

20、,end,,1、電路結構,上下門限電壓：,遲滯比較器的輸出經(jīng)積分電路再輸入到比較器的反相輸入端。,,,2 . 方波產(chǎn)生電路,電路由反相輸入的遲滯比較器和RC積分電路構成。,RC積分電路既作為延時環(huán)節(jié)，又作為反饋環(huán)節(jié)，通過充放電實現(xiàn)輸出狀態(tài)的自動轉(zhuǎn)換,2、工作原理,1. 設 uo = + UOM,此時，輸出給C 充電!,則：u+=UH,,,一旦 uc > UH , 就有 u- > u+ ,,在 uc < UH 時

21、，,u- < u+ ,,uo 保持 + UOM 不變；,uo 立即由＋UOM 變成－UOM,,此時，C 經(jīng)輸出端放電。,,2. 當uo = -UOM 時，,u+=UL,uc降到UL時，uo上翻。,,當uo 重新回到＋UOM 以后，電路又進入另一個周期性的變化。,,0,,,,,,,,,,,,,,,輸出波形：,RC電路：起反饋和延遲作用，獲得一定的頻率。,下行遲滯比較器：起開關作用，實現(xiàn)高低電平的轉(zhuǎn)換。,方波發(fā)生器各部分的

22、作用：,,3、周期與頻率的計算,uc上升階段表示式:,uc下降階段表示式:,,,,f=1/T,,方波發(fā)生器電路的改進：,,改變?nèi)遣òl(fā)生器中積分電路的充放電時間常數(shù)，使放電的時間常數(shù)為0，即把三角波發(fā)生器轉(zhuǎn)換成了鋸齒波發(fā)生器。,,,3 . 鋸齒波發(fā)生器,,LC正弦波振蕩電路,,,1 LC并聯(lián)諧振回路選頻特性,2 變壓器反饋式LC振蕩電路,3 三點式LC振蕩電路,4 石英晶體振蕩電路,,,1. 等效阻抗,1 LC并聯(lián)諧振回路選頻特性,等

23、效損耗電阻,當 時,,電路諧振。,為諧振頻率,諧振時,阻抗最大，且為純阻性,同時有,即,,,2. 頻率響應,1 LC并聯(lián)諧振回路選頻特性,,,,,2 變壓器反饋式LC振蕩電路,1. 電路結構,2. 相位平衡條件,3. 幅值平衡條件,（定性分析）,雖然波形出現(xiàn)了失真，但由于LC諧振電路的Q值很高，選頻特性好，所以仍能選出?0的正弦波信號。,4. 穩(wěn)幅,5. 選頻,BJT進入非線性區(qū)，波形,

24、出現(xiàn)失真，從而幅值不再增加，達到穩(wěn)幅目的。,,,(+),(-),(+),(+),,,2 變壓器反饋式LC振蕩電路,反饋,判斷是否是正反饋:用瞬時極性法判斷,利用1：晶體管共射極放大器，集電極電位變化與基極反相，發(fā)射極與基極同相。,利用2：互感線圈的同極性端電位變化相位相同。,(+),(+),(+),(+),反饋,滿足相位平衡條件,滿足相位平衡條件,,,仍然由LC并聯(lián)諧振電路構成選頻網(wǎng)絡,A. 若中間點交流接地，則首端與尾端相位相反。,3

25、 三點式LC振蕩電路,1. 三點式LC并聯(lián)電路,中間端的瞬時電位一定在首、尾端電位之間。,三點的相位關系,B. 若首端或尾端交流接地，則其他兩端相位相同。,,,3 三點式LC振蕩電路,2. 電感三點式振蕩電路,,,,3 三點式LC振蕩電路,3. 電容三點式振蕩電路,,,,Q值越高，選頻特性越好，頻率越穩(wěn)定。,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

26、 Q(品質(zhì)因素) ——數(shù)百,石英晶體振蕩電路 Q ——10000 ? 500000,,,4 石英晶體振蕩電路,2. 石英晶體的基本特性與等效電路,結構,極板間加電場,極板間加機械力,壓電效應,交變電壓,機械振動的固有頻率與晶片尺寸有關，穩(wěn)定性高,當交變電壓頻率 = 固有頻率時，振幅最大。,壓電諧振,,,4 石英晶體振蕩電路,2. 石英晶體的基本特性與等效電路,等效電路,A. 串聯(lián)諧振,,特性,晶體等效阻抗為

27、純阻性,B. 并聯(lián)諧振,通常,所以,R模擬損耗，L C模擬晶體的質(zhì)量和彈性，,C0為靜電電容,,,4 石英晶體振蕩電路,2. 石英晶體的基本特性與等效電路,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,,,4 石英晶體振蕩電路,3. 石英晶體振蕩電路,,電路的振蕩頻率必須在 和 石英晶體的之間，晶體在電路中起電感的作用。,3 有源濾波電路,,,3.1 基本概念及初步定義,3.2 一階有源濾波電路

28、,高通濾波,低通濾波,基本概念,分類,3.3 二階有源濾波電路,高通濾波,低通濾波,帶通濾波,帶阻濾波,帶阻濾波,帶通濾波,濾波電路的分類,,1. 按信號性質(zhì)分類,3. 按電路功能分類:,低通濾波器；高通濾波器；帶通濾波器；帶阻濾波器,2. 按所用元件分類,模擬濾波器和數(shù)字濾波器,無源濾波器和有源濾波器,4. 按階數(shù)分類:,一階，二階 … 高階,,,3.1 基本概念,1. 基本概念,有源濾波器：由有源器件構成的濾波器。,濾波電路傳

29、遞函數(shù)定義,時，有,其中,— 模，幅頻響應,—相位角，相頻響應,時延響應為,,,2. 分類,低通（LPF）,希望抑制50Hz的干擾信號，應選用哪種類型的濾波電路？,高通（HPF）,帶通（BPF）,帶阻（BEF）,全通（APF）,放大音頻信號，應選用哪種類型的濾波電路？,有源濾波器的優(yōu)點：,1. 不使用電感元件，體積小重量輕。,2. 有源濾波電路中可加電壓串聯(lián)負反饋，使輸入電阻高、輸出電阻低，輸入輸出之間具有良好的隔離。只需把幾個低階濾波

30、電路串起來就可構成高階濾波電路，無需考慮級間影響。,3. 除濾波外，還可放大信號，放大倍數(shù)容易調(diào)節(jié)。,有源濾波器的缺點：,1. 不宜用于高頻。,2. 不宜在高電壓、大電流情況下使用。,3. 可靠性較差。,4. 使用時需外接直流電源。,,,,3.2 一階有源濾波電路,1. 低通濾波電路,傳遞函數(shù),其中,為特征角頻率,故，幅頻相應為,衰減率為20dB/十倍頻程，濾波特性不夠好，可采用高階濾波電路。,,,3.2 一階有源濾波電路,2. 高通濾

31、波電路,可由低通和高通串聯(lián)得到,必須滿足,3. 帶通濾波電路,,,,低通特征角頻率,高通特征角頻率,將低通濾波器中的R、C 對調(diào)，低通濾波器就變成了高通濾波器。,,,3.2 一階有源濾波電路,4. 帶阻濾波電路,可由低通和高通并聯(lián)得到,必須滿足,,,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。,,,3.3 二階有源濾波電路,1. 壓控電壓源低通濾波電路,壓控電壓源電路（VC

32、VS）,,,,,得濾波電路傳遞函數(shù),（二階）,,,3.3 二階有源濾波電路,1. 壓控電壓源低通濾波電路,令,稱為通帶增益,稱為特征角頻率,稱為等效品質(zhì)因數(shù),則,用 代入，可得傳遞函數(shù)的頻率響應：,,,3.3 二階有源濾波電路,1. 壓控電壓源低通濾波電路,歸一化的幅頻響應,相頻響應,,,,3.3 二階有源濾波電路,1. 壓控電壓源低通濾波電路,歸一化的幅頻響應波特圖,一階低通和二階低通幅頻特性曲線的區(qū)別：,階數(shù)

33、越高，幅頻特性曲線越接近理想濾波器。,,,,3.3 二階有源濾波電路,2. 壓控電壓源高通濾波電路,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,,,,3.3 二階有源濾波電路,2. 壓控電壓源高通濾波電路,歸一化的幅頻響應波特圖,,,,3.3 二階有源濾波電路,3. 壓控電壓源帶通濾波電路,可由低通和高通串聯(lián)得到,,,,3.3 二階有源濾波電路,3. 壓控電壓源帶通濾波電路,傳遞函數(shù),得,中心角頻率,帶通