信號處理電路

1、第七章第七章 信號處理電路信號處理電路 7.1 有源濾波器有源濾波器 7.2 模擬乘法器模擬乘法器 7.3 鎖相環(huán)電路鎖相環(huán)電路 7.1 7.1 有源慮波器有源慮波器 一、濾波器的基本概念一、濾波器的基本概念 濾波器：是一種能使有用頻率信號通過而同時(shí)抑制或衰減無濾波器：是一種能使有用頻率信號通過而同時(shí)抑制或衰減無 用頻率信號得電子裝置。用頻率信號得電子裝置。 1. 濾波器的分類濾波器的分類 有源濾波器有源濾波器：由有源器件加上：由有源器件加上R R、C C和和L L等無源器件等無源器件 構(gòu)成的濾波器。構(gòu)成的濾波器。 無源濾波器：由無源濾波器：由R R、C C和和L L等無源器件構(gòu)成的濾波器。等

2、無源器件構(gòu)成的濾波器。 應(yīng)用：自動控制、儀表測量和無線電通信等領(lǐng)域中。應(yīng)用：自動控制、儀表測量和無線電通信等領(lǐng)域中。 按信號性質(zhì)按信號性質(zhì): 模擬濾波器模擬濾波器和數(shù)字濾波器和數(shù)字濾波器 按構(gòu)成器件按構(gòu)成器件: : 按處理方法按處理方法: 硬件濾波器硬件濾波器和軟件濾波器和軟件濾波器 (1-3) 7.1 7.1 有源慮波器有源慮波器 按傳遞函數(shù)按傳遞函數(shù): : 一階濾波器一階濾波器 二階濾波器二階濾波器 N N 階濾波器階濾波器 : : 按頻率特性按頻率特性: : 低通濾波器低通濾波器(LPF)(LPF) 高通濾波器高通濾波器(HPF)(HPF) 帶阻濾波器帶阻濾波器(BEF)(BEF) 帶通

3、濾波器帶通濾波器(BPF)(BPF) (1-4) 2.2.濾波器的用途濾波器的用途 濾波器主要用來濾除信號中無用的頻率成分，濾波器主要用來濾除信號中無用的頻率成分， 例如，有一個(gè)較低頻率的信號，其中包含一些較例如，有一個(gè)較低頻率的信號，其中包含一些較 高頻率成分的干擾。濾波過程如圖所示。高頻率成分的干擾。濾波過程如圖所示。 7.1 7.1 有源慮波器有源慮波器 (1-5) 3.3.濾波器的傳遞函數(shù)濾波器的傳遞函數(shù) 11 ( )1 ( ) 11 ( )1 o i Us sCRC A s U ssRC Rs sCRC 1 ( ) o o o A s RCs 一階低通網(wǎng)絡(luò)一階低通網(wǎng)絡(luò) 7.1 7.1

4、 有源慮波器有源慮波器 (1-6) 1 ( ) o o s A s RCs 1 ( ) ( ) 11 ( ) o i Uss R A s U s Rs sCRC 一階高通網(wǎng)絡(luò)一階高通網(wǎng)絡(luò) 7.1 7.1 有源慮波器有源慮波器 (1-7) 二階低通網(wǎng)絡(luò)二階低通網(wǎng)絡(luò) 2 oo 2 2 o o 11 ( ) ( ) 111 ( ) 1 ,QRC LC ( ) Q o i R Us sCLC A s U s sLRss sCRCLC A s ss 令 7.1 7.1 有源慮波器有源慮波器 (1-8) 1 1 1 1 ( ) mm mmo nn no a sasa A s sbsb mn 高階網(wǎng)絡(luò)特性高

5、階網(wǎng)絡(luò)特性nn階階 一般而言，實(shí)際高階濾波電路可由一般而言，實(shí)際高階濾波電路可由 若干一階，二階濾波電路級聯(lián)而成。若干一階，二階濾波電路級聯(lián)而成。 7.1 7.1 有源慮波器有源慮波器 (1-9) 4.4.通濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)通濾波器的主要技術(shù)指標(biāo) （1 1）通帶增益）通帶增益A Au uf f 7.1 7.1 有源慮波器有源慮波器 通帶增益是指濾波器通帶增益是指濾波器 在通頻帶內(nèi)的電壓放大倍在通頻帶內(nèi)的電壓放大倍 數(shù)。性能良好的數(shù)。性能良好的LPFLPF通帶通帶 內(nèi)的幅頻特性曲線是平坦內(nèi)的幅頻特性曲線是平坦 的，阻帶內(nèi)的電壓放大倍的，阻帶內(nèi)的電壓放大倍 數(shù)基本為零。數(shù)基本為零。 （2 2）

6、通帶截止頻率）通帶截止頻率f fo o 與放大電路的截止頻率相同。通帶與阻帶與放大電路的截止頻率相同。通帶與阻帶 之間稱為過渡帶，過渡帶越窄，說明濾波器的之間稱為過渡帶，過渡帶越窄，說明濾波器的 選擇性越好。選擇性越好。 (1-10) 二、二、一階有源濾波電路一階有源濾波電路 一階低通濾波器的電路如圖（一階低通濾波器的電路如圖（a）。）。 7.1 7.1 有源慮波器有源慮波器 幅頻特性如圖（幅頻特性如圖（b）。）。 圖中虛線為理想的情況，圖中虛線為理想的情況， 實(shí)線為實(shí)際的情況。特點(diǎn)是電路簡單，阻帶衰減實(shí)線為實(shí)際的情況。特點(diǎn)是電路簡單，阻帶衰減 太慢，選擇性較差。太慢，選擇性較差。 (1-11

7、) 當(dāng)當(dāng) f = 0時(shí)時(shí)，通帶內(nèi)的增益為，通帶內(nèi)的增益為 1 1 F uf R A R O i 0 1() uf AUs A s s Us RC 1 0 該傳遞函數(shù)式的樣子與一階該傳遞函數(shù)式的樣子與一階RC低通網(wǎng)絡(luò)的頻響低通網(wǎng)絡(luò)的頻響 表達(dá)式差不多，只是后者缺少通帶增益表達(dá)式差不多，只是后者缺少通帶增益Auf這一項(xiàng)這一項(xiàng)。 當(dāng)當(dāng) f 0時(shí)時(shí)，一階低通濾波器的傳遞函數(shù)如下，一階低通濾波器的傳遞函數(shù)如下 其中其中 7.1 7.1 有源慮波器有源慮波器 (1-12) 1. 二階低通有源濾波電路 為了改善濾波效果，再加一節(jié)為了改善濾波效果，再加一節(jié)RC低通濾波低通濾波 環(huán)節(jié)，構(gòu)成簡單的二階有源濾波電路

8、。環(huán)節(jié)，構(gòu)成簡單的二階有源濾波電路。 三、三、二階有源濾波電路 7.1 7.1 有源慮波器有源慮波器 (1-13) （2 2）傳遞函數(shù)）傳遞函數(shù) o( ) ( )N 2 ( )( ) 1 ( )( ) 1 uf UsA Us UsUs sC R 12 NI 12 11 () ( ) 11 () R sCsC UsU s RR sCsC 設(shè)C1=C2=C O 2 I 1 3 uf u AUs As Us sCRsCR （1 1）通帶增益）通帶增益 7.1 7.1 有源慮波器有源慮波器 1 1 F uf R A R (1-14) 2.2.二階壓控型低通濾波器二階壓控型低通濾波器LPFLPF 7.1

9、 7.1 有源慮波器有源慮波器 二階壓控型低通有源濾波器如圖所示。其中二階壓控型低通有源濾波器如圖所示。其中 的一個(gè)電容器的一個(gè)電容器C1原來是接地的，現(xiàn)在改接到輸出原來是接地的，現(xiàn)在改接到輸出 端。顯然端。顯然C1的改接不影響通帶增益。的改接不影響通帶增益。 (1-15) （1 1）傳遞函數(shù)）傳遞函數(shù) o 1 ( )( ) 1 ( )( ) 1 uf UsA Us UsUs sCR 上式表明，該濾波器的通帶增益應(yīng)小于上式表明，該濾波器的通帶增益應(yīng)小于3 3， 才能保障電路穩(wěn)定工作。才能保障電路穩(wěn)定工作。 i11+ 1o ( )( )( )( ) ( )( ) U sU sU sUs U sU

10、s sC RR 對于節(jié)點(diǎn)對于節(jié)點(diǎn)U1 , , 可以列出方程可以列出方程 o 2 i 1(3) uf u uf AUs As Us AsCRsCR 聯(lián)立求解以上三式，可得聯(lián)立求解以上三式，可得LPFLPF的傳遞函數(shù)的傳遞函數(shù) 7.1 7.1 有源慮波器有源慮波器 (1-16) (2(2）頻率響應(yīng)）頻率響應(yīng) 2 00 1 ()j(3) uf u uf A A ff A ff () j(3) o uf u ff uf A A A 當(dāng)當(dāng) 時(shí)，上式可以化簡為時(shí)，上式可以化簡為 0 ff 定義有源濾波器的等效品質(zhì)因數(shù)定義有源濾波器的等效品質(zhì)因數(shù)Q值值 1 3 uf Q A 2 00 1 1 ()j Q u

11、f u A A ff ff 7.1 7.1 有源慮波器有源慮波器 由傳遞函數(shù)可以寫出頻率響應(yīng)的表達(dá)式由傳遞函數(shù)可以寫出頻率響應(yīng)的表達(dá)式 (1-17) 當(dāng)當(dāng) 時(shí)時(shí)23 uf A 0 () 1 3 u uf ff uf QAQA A uf A當(dāng)當(dāng) =3時(shí)時(shí) 7.1 7.1 有源慮波器有源慮波器 uf A 0 ff Q1，在，在 處的電處的電 壓增益將大于壓增益將大于 ，幅頻特，幅頻特 性將抬高。性將抬高。 1 C Q =，有源濾波器自激。由于將，有源濾波器自激。由于將 接到輸出端，接到輸出端， 等于在高頻端給等于在高頻端給LPFLPF加了一點(diǎn)正反饋，所以在高頻端加了一點(diǎn)正反饋，所以在高頻端 的放大

12、倍數(shù)有所抬高，甚至可能引起自激。的放大倍數(shù)有所抬高，甚至可能引起自激。 (1-18) 二階壓控型有源高通濾波器的電路圖二階壓控型有源高通濾波器的電路圖 3. 3. 二階高通有源濾波器二階高通有源濾波器(HPF)(HPF) 7.1 7.1 有源慮波器有源慮波器 (1-19) (1)(1)通帶增益通帶增益 F 1 =1+ uf R A R (2)(2)傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) (3)(3)頻率響應(yīng)頻率響應(yīng) 令令 則可得出頻響表達(dá)式則可得出頻響表達(dá)式0 11 , 23 uf fQ RCA ， 2 00 1 1 ()j() uf u A A ff fQf 7.1 7.1 有源慮波器有源慮波器 2 o 2 i

13、() U ( ) ( )= U ( )1 (3)() uf uf sCRA s A s sAsCRsCR (1-20) 4.4.二階帶通有源濾波器二階帶通有源濾波器(BPF)(BPF) 帶通濾波器是由低通帶通濾波器是由低通RC環(huán)節(jié)和高通環(huán)節(jié)和高通RC環(huán)節(jié)環(huán)節(jié) 組合而成的。要將高通的下限截止頻率設(shè)置的小組合而成的。要將高通的下限截止頻率設(shè)置的小 于低通的上限截止頻率。反之則為帶阻濾波器。于低通的上限截止頻率。反之則為帶阻濾波器。 7.1 7.1 有源慮波器有源慮波器 (1-21) (1)(1)通帶增益通帶增益 F 1 =1+ uf R A R (2)(2)傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) (3)(3)頻率響應(yīng)頻

14、率響應(yīng) 7.1 7.1 有源慮波器有源慮波器 2 FV FV )sCR(sCR)A-(31 sCRA ) s (A 令令 FV FV 0 A-3 A A RC 1 0 FV A3 1 Q 得得 2 00 0 0 ) s ( Q s 1 Q s A ) s (A 將將s=jw代入，得代入，得 2 1() ooo o o Af ABW QQ jQ (1-22) 5. 5. 二階帶阻有源濾波器二階帶阻有源濾波器(BEF)(BEF) 7.1 7.1 有源慮波器有源慮波器 (1)(1)通帶增益通帶增益 F 1 =1+ uf R A R (2)(2)傳遞函數(shù)傳遞函數(shù) 22 2 22 2 R 1 4s )

15、1 ( )( CRC s CR sA sA uf (1-23) (3)(3)頻率響應(yīng)頻率響應(yīng) 7.1 7.1 有源慮波器有源慮波器 令令 uf AA 0 RC 1 0 uf A Q 24 1 得得 2 0 0 2 2 0 2 0 )( )( s Q s sA sA 將將s=jw代入，得代入，得 2 2 1 1 1 u f o oo j A A jj Q (1-24) 功能：實(shí)現(xiàn)功能：實(shí)現(xiàn)兩個(gè)模擬量相乘兩個(gè)模擬量相乘 O XY =uKuu 其中其中K為比例因子為比例因子，量綱量綱:V-1 符號符號： 乘法器是又一種廣泛使用的模擬集成電路，它乘法器是又一種廣泛使用的模擬集成電路，它 可以實(shí)現(xiàn)乘、除

16、、開方、乘方、調(diào)制以及解調(diào)等功可以實(shí)現(xiàn)乘、除、開方、乘方、調(diào)制以及解調(diào)等功 能，廣泛應(yīng)用于模擬運(yùn)算、通信、能，廣泛應(yīng)用于模擬運(yùn)算、通信、 測控系統(tǒng)、電氣測控系統(tǒng)、電氣 測量和醫(yī)療儀器等許多領(lǐng)域。測量和醫(yī)療儀器等許多領(lǐng)域。 7.2 7.2 模擬乘法器模擬乘法器 (1-25) 一、對數(shù)式模擬乘法器一、對數(shù)式模擬乘法器 ln(lnln) xyxy u uuu xy u uee 7.2 7.2 模擬乘法器模擬乘法器 (1)(1)基于對數(shù)運(yùn)算的乘法器的方框圖：基于對數(shù)運(yùn)算的乘法器的方框圖： (1-26) 7.2 7.2 模擬乘法器模擬乘法器 (2) (2) 對數(shù)式集成模擬乘法器對數(shù)式集成模擬乘法器RC4

17、200RC4200原理圖：原理圖： (1-27) C1C2C3C4 1234 lnlnlnln0 T SSSS IIII U IIII C1C212 C3C434 SS SS IIII IIII C1C2 C3 C4 II I I C111 / x IIuR 222 / Cy IIuR 444 / Cz IIuR 3303 / C IIuR z yx u uu Ku 0 21 43 RR RR K BE1BE2BE3BE4 0UUUU 7.2 7.2 模擬乘法器模擬乘法器 (3) (3) 原理分析：原理分析： T BE U U SC eII S C TBE I I lnUU (1-28) 基本

18、原理電路基本原理電路 T be Eo U2 (1+ ) I T U r I L Ooy 2 T R uI u U LLx oy x 22 y TT RRu I uu UUR Oxy uKu u 對于差動放大電路，輸對于差動放大電路，輸 出電壓為：出電壓為： L y be O = R uu r 二、變跨導(dǎo)式模擬乘法器二、變跨導(dǎo)式模擬乘法器 7.2 7.2 模擬乘法器模擬乘法器 (1-29) 四象限模擬乘法器四象限模擬乘法器 7.2 7.2 模擬乘法器模擬乘法器 (1-30) 7.2 7.2 模擬乘法器模擬乘法器 原理分析：原理分析： C4C2C3C1C0 R)ii ()ii(U C4C3C2C1

19、C R)ii ()ii( TBETBE u/u S u/u SEC eI1eIii）（ Ty TBE2BE1 u/u u/)u(u C21C ee/ii 若各管的若各管的IS相等，則有：相等，則有： C5C21C iii又 5C U/u U/u C1 i 1e e i Ty Ty 5C U/u C2 i 1e 1 i Ty (1-31) 7.2 7.2 模擬乘法器模擬乘法器 T y 5C5C U/u U/u C2C1 U2 u thii 1e 1e ii Ty Ty 類似可得：類似可得： T y 6CC3C4 U2 u thiii T x 0C6C5 U2 u thIii 將上式代入，得：將上

20、式代入，得： T y T x 0C0 U2 u th. U2 u thIRu 當(dāng)當(dāng)ux2UT，uyUT時(shí)有：時(shí)有： 2 T yx 0C0 U4 u.u IRu (1-32) 集成模擬乘法器集成模擬乘法器F1596.MC1596 7.2 7.2 模擬乘法器模擬乘法器 (1-33) 三、模擬乘法器應(yīng)用舉例三、模擬乘法器應(yīng)用舉例 7.2 7.2 模擬乘法器模擬乘法器 1. 運(yùn)算電路運(yùn)算電路 （1 1）相乘運(yùn)算）相乘運(yùn)算 模擬相乘器模擬相乘器 （2 2）平方和立方運(yùn)算）平方和立方運(yùn)算 平方運(yùn)算電路平方運(yùn)算電路立方運(yùn)算電路立方運(yùn)算電路 (3) (3) 除法運(yùn)算電路除法運(yùn)算電路 據(jù)據(jù)虛斷虛斷 21 ii

21、o11 12 uu RR 2O1o uKu u 21 12 o Ru u KR u 如果令如果令K K= = R R2 2 / / R R1 1則則 1 2 o u u u 工作（負(fù)反饋）條件？工作（負(fù)反饋）條件？ 2 o11 1 R uu R 2 0u 7.2 7.2 模擬乘法器模擬乘法器 u1為負(fù)值！為負(fù)值！ 2 O1O uKu 負(fù)反饋條件？負(fù)反饋條件？ 2 O11 1 R uu R 2 1 1 O 1 R uu K R 7.2 7.2 模擬乘法器模擬乘法器 （4 4）開平方運(yùn)算）開平方運(yùn)算 (5) (5) 開立方運(yùn)算電路開立方運(yùn)算電路 2 O1O uKu 2 O2x 1 R uu R 2

22、 OX 2 1 3 = R uu R K 23 O2O1OO =uKu uK u 7.2 7.2 模擬乘法器模擬乘法器 (1-37) 2.調(diào)制解調(diào)電路調(diào)制解調(diào)電路 12 sinsin sinsin oxymm m uKu uKUt Ut KUtt 7.2 7.2 模擬乘法器模擬乘法器 (1-38) 11122 sinsinsin 1 sin1 cos2 2 11 sincos2 22 oxymm m mm uKu uKUtt Ut KUtt KUtKUt sin 2 m o KU ut 7.2 7.2 模擬乘法器模擬乘法器 (1-39) 一、鎖相環(huán)的基本概念一、鎖相環(huán)的基本概念 鎖相鎖相：相位

23、同步的自動控制相位同步的自動控制 7.3 7.3 鎖相環(huán)電路鎖相環(huán)電路 鎖相環(huán)鎖相環(huán)：完成兩個(gè)信號間相位同步的完成兩個(gè)信號間相位同步的 自動控制系統(tǒng)的環(huán)路自動控制系統(tǒng)的環(huán)路(PLL) 構(gòu)成構(gòu)成負(fù)反饋負(fù)反饋回路回路 (1-40) 鑒相器（鑒相器（PD）：）：相位比較，相位比較，uD與兩個(gè)輸入信與兩個(gè)輸入信 號相位差成線性比例；號相位差成線性比例； 7.3 7.3 鎖相環(huán)電路鎖相環(huán)電路 環(huán)路濾波器（環(huán)路濾波器（LF）：）：低通濾波，確定低通濾波，確定uD中中 的的 平均分量平均分量uC； 壓控振蕩器（壓控振蕩器（VCO）：）：振蕩頻率由振蕩頻率由uC值確定，值確定， uC=0時(shí)的振蕩頻率為時(shí)的振蕩

24、頻率為 VCO的固有頻率；的固有頻率； (1-41) 7.3 7.3 鎖相環(huán)電路鎖相環(huán)電路 3.在捕捉過程中，在捕捉過程中，VCOVCO振蕩頻率逐漸趨同于輸入信號頻振蕩頻率逐漸趨同于輸入信號頻 率的現(xiàn)象，稱作率的現(xiàn)象，稱作頻率牽引頻率牽引； 4.在頻率牽引過程中，環(huán)路有能力自行鎖定的最大輸在頻率牽引過程中，環(huán)路有能力自行鎖定的最大輸 入信號頻率范圍稱為捕捉頻帶或簡稱入信號頻率范圍稱為捕捉頻帶或簡稱捕捉帶捕捉帶； 5.環(huán)路鎖定后，環(huán)路鎖定后，VCOVCO的振蕩頻率自動跟蹤輸入信號頻率的振蕩頻率自動跟蹤輸入信號頻率 的變化，并能維持鎖定的最大頻率變化范圍稱為環(huán)路的變化，并能維持鎖定的最大頻率變化范圍稱為環(huán)路 的跟蹤頻帶或簡稱的跟蹤頻帶或簡稱同步帶同步帶。 基本概念：基本概念： 1.VCO振蕩頻率與輸入信號頻率一致時(shí)，稱振蕩頻率與輸入信號頻率一致時(shí)，稱VCOVCO的頻率的頻率 鎖定于輸入信號的頻率或簡稱鎖定于輸入信號的頻率或簡稱