第9章信号处理与产生电路

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1、 对你的期望对你的期望2.掌握正弦波振荡的相位平衡条件、幅值平衡条件掌握正弦波振荡的相位平衡条件、幅值平衡条件 3.3.掌握掌握RCRC正弦波振荡电路的工作原理、起振条件正弦波振荡电路的工作原理、起振条件5.5.掌握单门限电压比较器和迟滞比较器的工作原理掌握单门限电压比较器和迟滞比较器的工作原理第九章第九章 信号处理与产生电路信号处理与产生电路4.4.掌握掌握RCRC正弦波振荡电路的稳幅原理及振荡频率的计算正弦波振荡电路的稳幅原理及振荡频率的计算6.6.理解方波发生器的工作原理理解方波发生器的工作原理1.熟悉有源滤波电路的工作原理及输入输出关系熟悉有源滤波电路的工作原理及输入输出关系 9.5

2、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 9.6 9.6 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 9.7 9.7 LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 9.8 9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路第九章第九章 信号处理与产生电路信号处理与产生电路 9.1 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 9.2 9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路 9.3 9.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路 9.4 9.4 开关电容滤波器开关电容滤波器9.1 滤波电路的滤波电路的基本概念与分类基本概念与分类一一.基本概念基本概念1 滤波器：是一种能使有用频率信号通过而同

3、时抑制滤波器：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。或衰减无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。)(Itv)(Otv滤波电路滤波电路2 2有源滤波器特点：有源滤波器特点：分母中分母中S S的最高幂次称为滤波电路的阶次。的最高幂次称为滤波电路的阶次。二二.传递函数定义传递函数定义)()()(iosVsVsA 时 js)(je)j()j(AA)()j(A幅频响应幅频响应相频响应相频响应三三.分类分类 高通滤波（高通滤波（HPF）低通滤波（低通滤波（LPF）带阻滤波（带阻滤波（BEF）带通滤波（带通滤波（BPF）全

4、通滤波（全通滤波（APF）低通滤波低通滤波上限频率上限频率高通滤波高通滤波下限频率下限频率带通滤波带通滤波中心频率中心频率带阻滤波带阻滤波中心频率中心频率全通滤波全通滤波 9.5 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 9.6 9.6 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 9.7 9.7 LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 9.8 9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路第九章第九章 信号处理与产生电路信号处理与产生电路 9.1 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 9.2 9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路 9.3 9.3 高阶有源滤波电路高

5、阶有源滤波电路 9.4 9.4 开关电容滤波器开关电容滤波器RCR 9.2.1一阶一阶RC低通滤波器低通滤波器(无源无源)iU oU RC10 j1Rj1UUioRCj11 0j11 CC0j11)j(T 传递函数传递函数20)(11)j(T 幅频特性幅频特性9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路20)(11)j(T ioUU0 10.707 0截止频率截止频率此电路的缺点：此电路的缺点：1、带负载能力差。、带负载能力差。2、无放大作用。、无放大作用。3、特性不理想，边沿不陡。、特性不理想，边沿不陡。幅频特性、幅频特性曲线幅频特性、幅频特性曲线iU oU RCR一一.低通滤波电路低通滤波电路

6、n01)(sAsA 2 2传递函数：传递函数：2n0)(1)j(AA幅频相应为幅频相应为1 1电路：电路：1f01RRA RC1n 特征角频率特征角频率电压跟随器同相放大器RCRC一阶低通一阶低通滤波滤波注 意：一 阶 有 源 滤 波 电 路 通 带 外 衰 减 速 率 慢注 意：一 阶 有 源 滤 波 电 路 通 带 外 衰 减 速 率 慢（-20dB/-20dB/十倍频程），与理想情况相差较远。一般十倍频程），与理想情况相差较远。一般用在对滤波要求不高的场合用在对滤波要求不高的场合。9.2.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路RC+vPvIvO二二.高通滤波电路高通滤波电路三三.带通滤波电

7、路带通滤波电路1 1电路：电路：由低通和高通串联得到由低通和高通串联得到R1C1+vIR2C2+vO低通高通A0A2A1A0阻阻带带通通带带阻阻带带通通带带OO 1 2 AA0O 2 1通通带带阻阻带带阻阻带带2幅频响应幅频响应1111CR 低通特征角频率低通特征角频率2221CR 高通特征角频率高通特征角频率要求要求12 四四.带阻滤波电路带阻滤波电路1 1电路：电路：低通和高通并联低通和高通并联R1C1+vIR+vOR2C2+RR低通高通2幅频响应幅频响应1111CR 低通特征角频率低通特征角频率2221CR 高通特征角频率高通特征角频率A0A2A1A0阻带阻带通带通带阻带阻带通带通带OO

8、 1 2 AA0O 1 2通带通带阻带阻带通带通带必须满足必须满足12 9.5 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 9.6 9.6 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 9.7 9.7 LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 9.8 9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路第九章第九章 信号处理与产生电路信号处理与产生电路 9.1 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 9.2 9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路 9.3 9.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路 9.4 9.4 开关电容滤波器开关电容滤波器一一.压控电压源低通滤波电路压控电压源低

9、通滤波电路1 1 压控电压源电路（压控电压源电路（VCVSVCVS）2 2 传递函数传递函数)()()(iosVsVsA 2FF)()-(31sCRsCRAAVV （二阶）（二阶）vICRfRC+vPR1放大电路放大电路同相比例同相比例vAARvO1fFVoR/R1AA通带增益通带增益RC1n 特征角频率特征角频率F31VAQ 品质因数品质因数注意：注意：3-AVF 0，AVF=1 1，31=F11f+=RRAA=3A=3=2=2 10=2010=20k k RCf210=1592 Hz=1592 Hz起振条件：起振条件：1f2RR=电子琴的振荡电路（了解）：电子琴的振荡电路（了解）：_+RF

10、1uoR1CCRfD1D1RF2R28R27R26R25R24R23R22R21R22112CRR0f2121RRF12345176功率放功率放大器大器使使R2R121F1fF2RRAF1R2AF 1可调可调A 2RF1+RF2 Rf 9.5 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 9.6 9.6 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 9.7 9.7 LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 9.8 9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路第九章第九章 信号处理与产生电路信号处理与产生电路 9.1 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 9.2 9.2 一阶

11、有源滤波电路一阶有源滤波电路 9.3 9.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路 9.4 9.4 开关电容滤波器开关电容滤波器9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.7.1 LC并联谐振回路选频特性并联谐振回路选频特性9.7.2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路9.7.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路9.7.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路1.并联谐振回路并联谐振回路9.7.1 LC并联谐振回路选频特性并联谐振回路选频特性LRCLRCZ jj1)j(j1 )1j(CLRCLZ 一般有一般有LR 则则CQLQRCLZ000 当当 时，时，LC10 电路谐振。电路谐振。LC1

12、0 为谐振频率为谐振频率谐振时谐振时阻抗最大，且为纯阻性阻抗最大，且为纯阻性其中其中CLRRCRLQ1100 为品质因数为品质因数9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路2.并联谐振回路频率响应并联谐振回路频率响应9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路9.7.2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路 1、电路组成、电路组成9.7.2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路 2、起振条件和振荡频率、起振条件和振荡频率rVIIbeiCLjQjQrVIVbeiLiMQMjrVVFAbeifVVMQ次级L1上的电压 与 的关系可用互感M来描述，即 故电路的环路增益为 根据产生振荡的振荡

13、条件 1，MQrbeMCMQRrrbebe/9.7.2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路 2、起振条件和振荡频率、起振条件和振荡频率谐振时 因此电路起振条件为 式中，R为LC谐振回路的总的损耗等效电阻（包括变压器次级的折合电阻）。MCMQRrrbebe/由前面的分析可知，只有在谐振频率f0时，电路才满足振荡条件，因此电路的振荡频率就是LC并联回路的谐振频率。设回路的损耗很小，Q值较高，则 9.7.2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路 2、起振条件和振荡频率、起振条件和振荡频率LCf2109.7.2 变压器反馈式变压器反馈式LC振荡电路振荡电路 3、振荡的建立与稳定、振荡

14、的建立与稳定由由LCLC并联谐振电路构成选频网络并联谐振电路构成选频网络A.A.若中间点交流接地，则首端与尾端若中间点交流接地，则首端与尾端相位相反。相位相反。9.7.3 三点式三点式LC振荡电路振荡电路1.1.三点式三点式LCLC并联电路并联电路C1C2首端首端尾端尾端中间端中间端L电容三点式电容三点式C首端首端尾端尾端中间端中间端L1L2电感三点式电感三点式 中间点的瞬时电位一定在首、尾端中间点的瞬时电位一定在首、尾端电位之间。电位之间。三点的相位关系三点的相位关系B.B.若首端或尾端交流接地，则其他若首端或尾端交流接地，则其他两端相位相同。两端相位相同。2.2.电感三点式电路电感三点式电

15、路9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路180A180F360AA 满足相位条件。满足相位条件。振荡频率振荡频率:三极管共射放大器三极管共射放大器三点的相位关系三点的相位关系CMLLLCf)2(21212103.3.电容三点式电路电容三点式电路振荡频率：振荡频率：212102121CCCCLLCf9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路180A180F360AA 满足相位条件。满足相位条件。三极管共射放大器三极管共射放大器三点的相位关系三点的相位关系互感线圈的极性判别互感线圈的极性判别1234磁棒磁棒初级线圈初级线圈次级线圈次级线圈同极性端同极性端1234+CLRuiLici反馈信号反馈信号

16、通过通过互感互感线圈引出线圈引出9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路例例：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平：试判断下图所示三点式振荡电路是否满足相位平衡条件。衡条件。9.7 LC正弦波振荡电路正弦波振荡电路Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。值越高，选频特性越好，频率越稳定。9.7.4 石英晶体石英晶体振荡电路振荡电路1.频率稳定问题频率稳定问题频率稳定度一般由频率稳定度一般由 来衡量来衡量0ff 频率偏移量。频率偏移量。f 0f振荡频率。振荡频率。LC振荡电路振荡电路 Q 数百数百石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路 Q 10000 5000009.7.4 石英晶体石英晶体振荡电路

17、振荡电路2、结构、结构极板间加电场极板间加电场极板间加机械力极板间加机械力晶体机械变形晶体机械变形晶体产生电场晶体产生电场压电效应压电效应交变电压交变电压机械振动机械振动交变电压交变电压机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高机械振动的固有频率与晶片尺寸有关，稳定性高当交变电压频率当交变电压频率=固有频率时，振幅最大。固有频率时，振幅最大。压电谐振压电谐振3.石英晶体的等效电路与频率特性石英晶体的等效电路与频率特性等效电路：等效电路：LCf 21s（1）串联谐振）串联谐振频率特性：频率特性：晶体等效阻抗为纯阻性晶体等效阻抗为纯阻性0p121CCLCf （2）并联谐振）并联谐振通常通常0CC

18、0s1CCf 所以所以很很接接近近与与 psff实际使用时外接一小电容实际使用时外接一小电容Cs则新的谐振频率为则新的谐振频率为s0s121CCCLCf 由于由于s0CCC s0s1CCCf 由此看出由此看出 )(21s0ssCCCff；时时，0 pssffC sss ffC 时时，调整调整之之间间变变化化和和在在可可使使 psssfffC 4.石英晶体振荡电路石英晶体振荡电路利用石英晶体的高品质因数的特点，构成利用石英晶体的高品质因数的特点，构成LC振荡电路。振荡电路。1.并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器 石英晶体工作在石英晶体工作在fs s与与fp p之间，相当一个大电感，与之间，

19、相当一个大电感，与C C1 1、C C2 2组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的组成电容三点式振荡器。由于石英晶体的Q值很高，可达到几值很高，可达到几千以上，所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性。千以上，所示电路可以获得很高的振荡频率稳定性。2.并联型石英晶体振荡器并联型石英晶体振荡器 石英晶体工作在石英晶体工作在fs s处，呈电阻性，且阻抗最小，正反馈最处，呈电阻性，且阻抗最小，正反馈最强。该电路为电感三点式振荡器。强。该电路为电感三点式振荡器。加入石英晶体是利用石英晶体的高加入石英晶体是利用石英晶体的高Q值，提高振荡频率的值，提高振荡频率的稳定性。稳定性。9.5 9.5 正弦波振荡电路的振

20、荡条件正弦波振荡电路的振荡条件 9.6 9.6 RCRC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 9.7 9.7 LCLC正弦波振荡电路正弦波振荡电路 9.8 9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路第九章第九章 信号处理与产生电路信号处理与产生电路 9.1 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 9.2 9.2 一阶有源滤波电路一阶有源滤波电路 9.3 9.3 高阶有源滤波电路高阶有源滤波电路 9.4 9.4 开关电容滤波器开关电容滤波器9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路9.8.1 比较器比较器9.8.3 锯齿波产生电路锯齿波产生电路9.8.2 方波产生电路方波产生电路单

21、门限电压比较器单门限电压比较器迟滞比较器迟滞比较器 电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电小。当两者幅度相等时输出电压产生跃变，由高电平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来平变成低电平，或者由低电平变成高电平。由此来判断输入信号的判断输入信号的 大小和极性。大小和极性。数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域，以及波形产生及变换等场合技术领域，以及波形产生及变换等场合。9.8.1 电压比较器uo u+u Uo(sat)+Uo(sat)饱和区饱和区O电压传输

22、特性电压传输特性阈值电压阈值电压(门限电平门限电平)：输出跃变所对应的输入电压。：输出跃变所对应的输入电压。uiuoOURURuouiR2+R1+可见，在可见，在 ui=UR 处输出电压处输出电压 uo 发生跃变。发生跃变。参考电压参考电压uitOUROuot+Uo(sat)Uo(sat)t1t2 当当 ui 单方向变化时，单方向变化时，uo 只变化一次。只变化一次。URuouiR2+R1+电压传输特性电压传输特性uiuoOURui UR，uo=+Uo(sat)ui UT+,就就 uN uP,在在 uc UT+时，时，uN uP ,uo 立即由立即由UOH跳变成跳变成UOL ,设设uC初始值初

23、始值uC(0+)=0uo保持保持+UOH不变不变UOH此时，此时，C 经输出端放电经输出端放电(2)当当uo =UOL 时，时，uT-_有效有效uc达到达到UT-时，时，uo跳变跳变+RR1R2C+ucuoUT+uctU+L当当uo 重新回到重新回到UOM 以后，以后，电路又进入另一个周期性的变电路又进入另一个周期性的变化。化。-UOLUOM0t-UOM0U+HuctU+LUOMuo0t-UOMT周期与频率的计算：周期与频率的计算：+RR1R2C+ucuo)21ln(221RRRCTf =1/T此期间是分析问题时的假设此期间是分析问题时的假设,实际上用实际上用示波器观察波形时看不到这段波形示波

24、器观察波形时看不到这段波形.周期与频率的计算：周期与频率的计算：+RR1R2C+ucuo0U+HuctU+L+UOM-UOMT1T2TT=T1+T2=2 T2，因正反因正反向充电条件一样向充电条件一样T1=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:0U+HuctU+L+UOM-UOMT1T2Tuc(t)=UC()+UC(0+)-UC()e ,=RC-t UC(0+)=om211LURRRU UC()=+UOMom211HURRRU t=T2时时,uc(t=T2)=周期与频率的计算：周期与频率的计算：)21ln(2

25、1RRRCT2)21ln(221RRRCT9.8 非正弦信号产生电路非正弦信号产生电路9.8.1 比较器比较器9.8.3 锯齿波产生电路锯齿波产生电路9.8.2 方波产生电路方波产生电路单门限电压比较器单门限电压比较器迟滞比较器迟滞比较器iRRR-+vOiC图 5.8.4NvIC+-vOvIVREFvODZ1DZ2R1R2R3R4vNvPvO1vP1vIA1A2R3R4R2R1R5VZ9.8.3 三角波发生器与锯齿波发生器三角波发生器与锯齿波发生器组成：组成：施密特触发器，积分器施密特触发器，积分器1 三角波发生器三角波发生器ZOVRRRvRRR211212 12112121OIPvRRRvR

26、RRv 01 NvZOVv 1OIvv vN1=vP1时时vI(即即vO)的阈值的阈值-VZVZt0vO1T/2T/2t2t3t1t0vOVth1Vth2ZthVRRV211 ZOVv 1ZthVRRV212 ZOVv 1幅度：幅度：VO1m=2VZ2412322RCRRttT CRVCiZ4 constRViZ 42414RCRRT T与与VZ和运放无关，稳定性好！和运放无关，稳定性好！t2t3t1t0vOVth1Vth2iRRR-+vOiC图 5.8.4NvIC+-vOvIVREFvODZ1DZ2R1R2R3R4vNvPvO1vP1vIA1A2R3R4R2R1R5VZ-VZVZt0vO1T

27、/2T/2 周期：周期：t1 t3 恒流充电恒流充电：充电速度：充电速度：vO1：方波方波vO：三角波三角波ZththoppVRRVVV21212 iRRR-+vOiC图 5.8.4NvIC+-vOvIVREFvODZ1DZ2R1R2R3R4vNvPvO1vP1vIA1A2R3R4R2R1R5VZ2 锯齿波发生器锯齿波发生器T1：波形线性变化：波形线性变化T2：时间短：时间短原理：原理：利用三角波发生器原理，利用三角波发生器原理，使充、放电时间常数不同。使充、放电时间常数不同。可通过改变充放电通路及可通过改变充放电通路及参数来实现。参数来实现。t0vO1t2t3t1t0vOVth1Vth2-V

28、ZVZT1T2VmT1TT2TBvO1：矩形波矩形波vO：锯齿波锯齿波本章小结本章小结1自激振荡可以使反馈放大器工作不稳定，但我们可以利用产生自激自激振荡可以使反馈放大器工作不稳定，但我们可以利用产生自激振荡的条件去构成正反馈电路，以产生正弦波振荡。正弦波振荡电路振荡的条件去构成正反馈电路，以产生正弦波振荡。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。由放大器、反馈网络、选频网络和稳幅环节构成。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振荡电路两种。振荡电路两种。RC振荡电振荡电路主要用于中低频场合，路主要用于中低频场合，LC振荡电路主要用于高频场合。

29、石英晶体振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类型的荡电路是一种特殊类型的LC振荡电路，其特点是具有很高的频率稳定振荡电路，其特点是具有很高的频率稳定性。性。3比较器是一种能够比较两个模拟量大小的电路。由于集成运放的开比较器是一种能够比较两个模拟量大小的电路。由于集成运放的开环电压增益很高，所以，当集成运放工作在开环状态时，可以作为比环电压增益很高，所以，当集成运放工作在开环状态时，可以作为比较器使用。这时，运放工作在非线性状态，其输出电压仅为正负饱和较器使用。这时，运放工作在非线性状态，其输出电压仅为正负饱和值，输入信号值，输入信号“虚短虚短”的概念也不再成立。迟滞比较器具有回差特性的概念也不再成立。迟滞比较器具有回差特性，在信号处理电路中得到了广泛应用。，在信号处理电路中得到了广泛应用。4在方波、锯齿波和三角波等非正弦波信号发生器中，运放一般工作在方波、锯齿波和三角波等非正弦波信号发生器中，运放一般工作在非线性状态。电路是由积分器、反馈网络、和比较器等环节组成，在非线性状态。电路是由积分器、反馈网络、和比较器等环节组成，属于一种弛张振荡电路。这一类电路也得到了广泛的应用。属于一种弛张振荡电路。这一类电路也得到了广泛的应用。9.3.29.4.19.4.29.4.39.4.49.4.59.4.99.4.10