第7章信號檢測與與處理電路

1、第七章第七章信號檢測與與處理電路信號檢測與與處理電路7.1電子系統(tǒng)概述電子系統(tǒng)概述7.2信號檢測系統(tǒng)中的放大電路信號檢測系統(tǒng)中的放大電路7.3有源濾波器有源濾波器7.4電壓比較器電壓比較器本章重點和考點本章重點和考點1.有源濾波電路的基本概念、電路組成、有源濾波電路的基本概念、電路組成、分析分析2.電壓比較器的工作原理電壓比較器的工作原理本章教學時數：本章教學時數：4學時學時本章討論的問題：本章討論的問題：1.濾波電路的功能是什么？什么是有源濾波和無源濾波？濾波電路的功能是什么？什么是有源濾波和無源濾波？為什么說有源濾波電路是信號處理電路？為什么說有源濾波電路是信號處理電路？2.有幾種濾波電路

2、？它們分別有什么特點？有幾種濾波電路？它們分別有什么特點？3.從本質上講，有源濾波電路與運算電路一樣嗎？為什么？從本質上講，有源濾波電路與運算電路一樣嗎？為什么？有源濾波電路有哪些主要指標？有源濾波電路有哪些主要指標？4.由集成運放組成的有源濾波電路中一定引入負反饋嗎？由集成運放組成的有源濾波電路中一定引入負反饋嗎？能否引入正反饋？能否引入正反饋？5.為了獲得信號中的直流分量，或者為了獲得信號中的高頻為了獲得信號中的直流分量，或者為了獲得信號中的高頻分量，或者為了傳送某一頻段的信號，或者為了去掉電源分量，或者為了傳送某一頻段的信號，或者為了去掉電源所帶來的所帶來的50Hz干擾，應采用什么電路？

3、干擾，應采用什么電路？7.1電子系統(tǒng)概述電子系統(tǒng)概述7.1.1電子信息系統(tǒng)的組成電子信息系統(tǒng)的組成圖圖7.1.1信號檢測系統(tǒng)基本框圖信號檢測系統(tǒng)基本框圖傳傳感感器器增增益益調調整整取取樣樣保保持持控制電路控制電路放放大大器器濾濾波波器器A/D轉轉換換器器計計算算機機系系統(tǒng)統(tǒng)總總線線信號的信號的提取提取信號的信號的預處理預處理信號的信號的加工加工信號的信號的執(zhí)行執(zhí)行7.2 信號檢測系統(tǒng)中的放大電路7.2.1 測量放大器測量放大器1、三運放測量放大器、三運放測量放大器IcbIcIdbuuuuu21,GbbRuui21)(2121GooRRRiuu)()(2121bbGGuuRRRR)()(21Ic

4、IcIdGGuuuRRRRIdGGuRRRR)(21134256634*)1 (ooouRRuRRRRRuRRRRR5634)(21ooouuuIdGouRRRu)1 (217.2.2 隔離放大器隔離放大器7.3有源濾波電路有源濾波電路7.3.1濾波電路的基礎知識濾波電路的基礎知識作用：選頻。作用：選頻。一、濾波電路的種類：一、濾波電路的種類：低通濾波器低通濾波器LPFfpfuAlg20O通通阻阻fuAlg20fpO通通阻阻f1fuAlg20O通通通通 阻阻f2fuAlg20O通通阻阻阻阻f1f2高通濾波器高通濾波器HPF帶通濾波器帶通濾波器BPF帶阻濾波器帶阻濾波器BEF二、濾波器的幅頻特性

5、二、濾波器的幅頻特性低通濾波器的實際幅頻低通濾波器的實際幅頻特性中，在特性中，在通帶通帶和和阻帶阻帶之間存在著之間存在著過渡帶過渡帶。過渡帶愈窄，電路的選擇性愈好，濾波特性愈理想。過渡帶愈窄，電路的選擇性愈好，濾波特性愈理想。圖圖7.3.2低通濾波器的實際幅頻特性低通濾波器的實際幅頻特性Au0.707AuP的頻率為的頻率為通帶載止頻率通帶載止頻率fp輸出電壓與輸入電壓之比輸出電壓與輸入電壓之比Aup為為通帶放大倍數通帶放大倍數分析濾波電路分析濾波電路，就是求解電路的頻率特性，即求解就是求解電路的頻率特性，即求解Au (Aup ) 、 fp和過渡帶的斜率和過渡帶的斜率 。三、無源濾波電路和有源濾

6、波電路三、無源濾波電路和有源濾波電路1.無源低通濾波器：無源低通濾波器：電壓放大倍數為電壓放大倍數為pioj11ffUUAuRCfp 21通帶截止頻率通帶截止頻率由對數幅頻特性知，具有由對數幅頻特性知，具有“低通低通”的特性。的特性。電路缺點：電路缺點：電壓放大倍數低，只有，且?guī)ж撦d能力差。電壓放大倍數低，只有，且?guī)ж撦d能力差。解決辦法解決辦法：利用集成運放與：利用集成運放與 RC 電路組成有源濾波器。電路組成有源濾波器。圖圖 7.4.3頻率趨于零，電容頻率趨于零，電容容抗趨于無窮大容抗趨于無窮大Aup12.有源濾波電路有源濾波電路無源濾波電路受負載影響很大，濾波特性較差。無源濾波電路受負載影

7、響很大，濾波特性較差。為了提高濾波特性，可使用有源濾波電路。為了提高濾波特性，可使用有源濾波電路。圖圖7.4.4有源濾波電路有源濾波電路組成電路時，應選用組成電路時，應選用帶寬合適的帶寬合適的集成運放集成運放四、四、有源濾波電路的有源濾波電路的傳遞函數傳遞函數)()(0usUsUsAi）（輸出量的象函數與輸入量的象函數之比輸出量的象函數與輸入量的象函數之比*U、I、R、C、L的象函數表示方法的象函數表示方法7.3.2低通濾波器低通濾波器掌握有源濾波電路的組成、特點及分析方法。掌握有源濾波電路的組成、特點及分析方法。一、同相輸入低通濾波一、同相輸入低通濾波器器1.一階電路一階電路)11)(1 (

8、)()1 ()()(110usRCRRsURRsUsUsAFpFi）（圖圖7.4.5一階低通濾波電路一階低通濾波電路RF用用j取代取代s，且令，且令f0=1/(2RC)，得出電壓放大倍數，得出電壓放大倍數f0 稱為特征頻率稱為特征頻率0p01Fioj1j11ffAffRRUUAuu 1Fp1RRAu 通帶電壓放大倍數通帶電壓放大倍數可見：一階低通有源濾波器與無源低通濾波器的可見：一階低通有源濾波器與無源低通濾波器的通帶通帶截止頻率相同截止頻率相同；但；但通帶電壓放大倍數得到提高通帶電壓放大倍數得到提高。缺點：缺點：一階低通有源濾波器在一階低通有源濾波器在 f f 0 時，濾波特性不時，濾波特性

9、不理想。對數幅頻特性下降速度為理想。對數幅頻特性下降速度為 20 dB / 十倍頻。十倍頻。 解決辦法解決辦法：采用二階低通有源濾波器。：采用二階低通有源濾波器。圖圖 7.4.6電壓放大倍數電壓放大倍數2.簡單二階電路簡單二階電路可提高幅頻特性的衰減斜率可提高幅頻特性的衰減斜率2110u)(311)1 ()()()1 ()()(sRCsRCRRsUsURRsUsUsAFipFi）（圖圖7.4.7簡單二階低通電路簡單二階低通電路RF用用j取代取代s，且令，且令f0=1/(2RC)0201F3j)(11ffffRRAu圖圖7.4.8簡單二階低通電路的幅頻特性簡單二階低通電路的幅頻特性圖圖7.4.8

10、簡單二階低通電路的幅頻特性簡單二階低通電路的幅頻特性輸入電壓經過兩級輸入電壓經過兩級 RC 低通電路，低通電路，在高頻段，對數幅頻特性以在高頻段，對數幅頻特性以 40 dB /十倍頻的速度下降，使濾波十倍頻的速度下降，使濾波特性比較接近于理想情況。特性比較接近于理想情況。令電壓放大倍數分母的模等于令電壓放大倍數分母的模等于 2可解出通帶截止頻率可解出通帶截止頻率fP=0.37 f0問題：在問題：在 f = f0 附近，輸出幅度衰減大，附近，輸出幅度衰減大， fP 遠離遠離f0 引入正反饋，可以增大放大倍數，使引入正反饋，可以增大放大倍數，使 fP 接近接近f0 濾濾波特性趨于理想波特性趨于理想

11、 。020p2ppio1j)(1)j ()j3(1ffQffARCRCAAUUAuuuu 1Fp1RRAu RCf 210p31uAQ 圖圖 7.4.10壓控電壓源二階低通濾波電路壓控電壓源二階低通濾波電路圖圖7.4.9壓控電壓源二階低通濾波電路壓控電壓源二階低通濾波電路3.壓控電壓源二階低通濾波電路壓控電壓源二階低通濾波電路2u)()(3 1)(sRCsRCsAsAsAupup）（用用j取代取代s，且令，且令f0=1/(2RC)二、反相輸入低通濾波器二、反相輸入低通濾波器1.一階電路一階電路圖圖7.4.11反相輸入一階反相輸入一階低通濾波電路低通濾波電路令信號頻率令信號頻率0，求出，求出通帶

12、放大倍數通帶放大倍數12pRRAu電路的傳遞函數電路的傳遞函數CsRRRsUsUsAi2120u11.)()(）（用用j取代取代s，且令，且令f0=1/(2 R2C)0pj1ffAAuufP= f02.二階電路二階電路在一階電路的基礎上，增加在一階電路的基礎上，增加RC環(huán)節(jié)，可使濾波器的過渡環(huán)節(jié)，可使濾波器的過渡帶變窄，衰減斜率的值加大。帶變窄，衰減斜率的值加大。圖圖7.4.12反相輸入簡單二反相輸入簡單二階低通濾波電路階低通濾波電路為了發(fā)改善為了發(fā)改善f0附近的頻率特性，附近的頻率特性，也可采用多路反饋的方法。也可采用多路反饋的方法。圖圖7.4.13無限增益多路反饋無限增益多路反饋二階低通濾

13、波電路二階低通濾波電路三、三種類型的有源低通濾波器三、三種類型的有源低通濾波器切比雪夫切比雪夫(Chebyshev)濾波器的品質因數濾波器的品質因數Q，也稱為濾波器的，也稱為濾波器的截止特性系數截止特性系數。其值決定于其值決定于f=fo附近的頻率特性。附近的頻率特性。按照按照f=fo附近頻率特性的特點，可將濾波器分為附近頻率特性的特點，可將濾波器分為:巴特沃思（巴特沃思（Butterworth）貝塞爾（貝塞爾（Bessel）圖圖7.4.15三種類型二階三種類型二階LPF幅頻特性幅頻特性7.3.3高通濾波電路高通濾波電路一、高通濾波電路一、高通濾波電路高通濾波電路與低通濾波電路具有對稱性高通濾波

14、電路與低通濾波電路具有對稱性1.壓控電壓源二階壓控電壓源二階高通濾波電路高通濾波電路2.無限增益多路反饋無限增益多路反饋二階高通濾波電路二階高通濾波電路圖圖7.4.16二階高通濾波電路二階高通濾波電路ffQffARCRCAARCUUAuuuu020p2pp2io1j)(1)j ()j3(1)j (可見高通濾波電路與低通濾波電路的對數幅頻特性互可見高通濾波電路與低通濾波電路的對數幅頻特性互為為“鏡像鏡像”關系。關系。二階有源高通濾波器二階有源高通濾波器7.3.4帶通濾波電路帶通濾波電路( (BPF) )只允許某一段頻帶內的信號通過，將此頻帶以外的信只允許某一段頻帶內的信號通過，將此頻帶以外的信號

15、阻斷。號阻斷。低通低通高通高通iUoUfp1fuAlg20O低通低通fuAlg20fp2O高通高通阻阻阻阻fp1fp2fuAlg20O通通圖圖 7.4.17壓控電壓源二階帶通濾波電路壓控電壓源二階帶通濾波電路RCf 210中心頻率中心頻率通帶電壓放大倍數通帶電壓放大倍數圖圖 7.4.18比例系數比例系數fbw = fp1 fp2 = f0 /Q通頻帶通頻帶1Ff1RRAu)(j1)( j)3(00p00ffffffQAffffAAAuuuufffp3uuuuQAAAAf31uAQ三、帶阻濾波器三、帶阻濾波器( (BEF) )在規(guī)定的頻帶內，信號被在規(guī)定的頻帶內，信號被阻斷，在此頻帶以外的信號能

16、阻斷，在此頻帶以外的信號能順利通過。順利通過。低通低通高通高通iUoUf2f1fuAlg20O通通阻通阻通fuAlg20O低通低通f1f2fuAlg20O高通高通圖圖 7.4.20常用有源帶阻濾波電路常用有源帶阻濾波電路p0p2020)2(j2)(1)(1uuuAffAffffA RCf 2101Fp1RRAu )2( 21p0uABfQ 中心頻率中心頻率通帶電壓放大倍數通帶電壓放大倍數2201ffffQAAuu 0p1j圖圖 7.4.22常用有源帶阻濾波電路常用有源帶阻濾波電路2201ffffQAAuu 0p1j阻帶寬度阻帶寬度 BW fp2 fp1 f0 /Q7.4.23帶阻濾波器的幅頻特

17、性帶阻濾波器的幅頻特性四、全通濾波電路四、全通濾波電路圖圖7.2.24全通濾波電路全通濾波電路電壓放大倍數電壓放大倍數iiPnURCjRCjURCjRUU11iiURCjRCjRRURRU1)1 (0RCjRCjAU11Au=1=1800-2arctanf/f0圖圖7.2.24全通濾波電路全通濾波電路圖圖7.2.25全通濾波電路的全通濾波電路的相頻特性相頻特性7.4電壓比較器電壓比較器1.電壓比較器將一個模擬量輸入電壓與一個參考電壓比較器將一個模擬量輸入電壓與一個參考電 壓 進 行 比 較 ， 輸 出 只 有 兩 種 可 能 的 狀 態(tài) ： 高電 壓 進 行 比 較 ， 輸 出 只 有 兩 種

18、 可 能 的 狀 態(tài) ： 高電平或低電平。電平或低電平。2.比較器中的集成運放一般工作在非線性區(qū)；處于比較器中的集成運放一般工作在非線性區(qū)；處于開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。開環(huán)狀態(tài)或引入正反饋。3.分類：單限比較器、滯回比較器及窗口比較器。分類：單限比較器、滯回比較器及窗口比較器。4.比較器是組成非正弦波發(fā)生電路的基本單元，在比較器是組成非正弦波發(fā)生電路的基本單元，在 測量、控制、測量、控制、D/A和和A/D轉換電路中應用廣泛。轉換電路中應用廣泛。一、一、 電壓比較器的傳輸特性電壓比較器的傳輸特性1.電壓比較器的輸出電壓與輸入端的電壓之間函數關系電壓比較器的輸出電壓與輸入端的電壓之間函數關系)(OI

19、ufu2.閾值電壓閾值電壓： UT當比較器的輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)榱硪环N狀態(tài)所當比較器的輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)榱硪环N狀態(tài)所對應的輸入電壓。對應的輸入電壓。3.電壓傳輸特性的三要素電壓傳輸特性的三要素(1)輸出電壓的高電平輸出電壓的高電平UOH和低電平和低電平UOL的數值。的數值。(2)閾值電壓的數值閾值電壓的數值UT。(3)當當uI變化且經過變化且經過UT時，時， uO躍變的方向。躍變的方向。二、理想運放的非線性工作區(qū)二、理想運放的非線性工作區(qū)+UOMuOuP uN NO UOM集成運放的電壓傳輸特性集成運放的電壓傳輸特性在電壓比較器中，集成運放不是工作在開環(huán)在電壓比較器中，集成運放不是工

20、作在開環(huán)狀態(tài)，就是工作在正反饋。狀態(tài)，就是工作在正反饋。7.4.1單限比較器單限比較器一、過零比較器一、過零比較器由于理想運放的開環(huán)差模由于理想運放的開環(huán)差模增益為無窮大，所以增益為無窮大，所以當當 uI 0 時，時，uO = - - UOM ；過零比較器的過零比較器的傳輸特性傳輸特性為：為：uIuO+UOM- -UOMOUOM 為集成運放的最大輸出電壓。為集成運放的最大輸出電壓。閾值電壓閾值電壓：當比較器的輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)楫敱容^器的輸出電壓由一種狀態(tài)跳變?yōu)榱硪环N狀態(tài)所對應的輸入電壓。另一種狀態(tài)所對應的輸入電壓。利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器設任何一個穩(wěn)壓管被反向

21、設任何一個穩(wěn)壓管被反向擊穿時，兩個穩(wěn)壓管兩端總的擊穿時，兩個穩(wěn)壓管兩端總的的穩(wěn)定電壓為的穩(wěn)定電壓為 UZ UOMuIuO+UOM - -UOMO+UZ- -UZ當當 uI 0 時，右邊的穩(wěn)壓管時，右邊的穩(wěn)壓管被反向擊穿，被反向擊穿，uO = - - UZ ；圖圖 7.2.6利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器利用穩(wěn)壓管限幅的過零比較器(二二)電路圖電路圖傳輸特性傳輸特性uIuO+UOpp - -UOppO+UZ- -UZ問題：如將輸入信號加在問題：如將輸入信號加在“+”端，傳輸特性如何？端，傳輸特性如何？問題：問題：過零比較器如圖所示，過零比較器如圖所示，輸入為正負對稱的正弦波時，輸入為正負對稱的正弦波

22、時，輸出波形是怎樣的？輸出波形是怎樣的？vIOT 2 3 4 ttvOVOHOVOL傳輸特性傳輸特性uIuO+UOpp - -UOppO+UZ- -UZ將正弦波變?yōu)榫匦尾▽⒄也ㄗ優(yōu)榫匦尾ǘ?、單限比較器二、單限比較器單限比較器有一個門限單限比較器有一個門限電平，當輸入電壓等于此門電平，當輸入電壓等于此門限電平時，輸出端的狀態(tài)立限電平時，輸出端的狀態(tài)立即發(fā)生跳變。即發(fā)生跳變。REF12TURRuUI當輸入電壓當輸入電壓 uI 變化，使反相變化，使反相輸入端的電位為零時，輸出端的輸入端的電位為零時，輸出端的狀態(tài)將發(fā)生跳變，門限電平為：狀態(tài)將發(fā)生跳變，門限電平為：uIuO+UOM- -UOMO+UZ

23、- -UZREF12URR過零比較器是門限電平為零過零比較器是門限電平為零的單限比較器。的單限比較器。R1R2存在干擾時單限比較器的存在干擾時單限比較器的 uI、uO 波形波形單限比較器的單限比較器的作用作用：檢測輸入的模擬信號是否達到：檢測輸入的模擬信號是否達到某一給定電平。某一給定電平。缺點缺點：抗干擾能力差。：抗干擾能力差。解決辦法解決辦法： 采用具有采用具有滯回滯回 傳輸特性的比較器。傳輸特性的比較器。7.4.2 多門限電壓比較器多門限電壓比較器一、從反相輸入端輸入的滯回比較器電路一、從反相輸入端輸入的滯回比較器電路計算閾值電壓計算閾值電壓UTZ211TURRRU電壓傳輸特性電壓傳輸特

24、性uo從從+ +UZ躍變到躍變到- -UZ的的 閾值電壓為閾值電壓為+UTuo從從- -UZ躍變到躍變到+ +UZ的的 閾值電壓為閾值電壓為-UTuI在在-UT與與+UT之間增加或減小之間增加或減小, uO不發(fā)生變化不發(fā)生變化UREF 為參考電壓；為參考電壓； ；uI 為輸入電壓；輸出電為輸入電壓；輸出電壓壓 uO 為為 +UZ 或或 - -UZ。當當 uP = uN N 時，輸出電壓時，輸出電壓的狀態(tài)發(fā)生跳變。的狀態(tài)發(fā)生跳變。ZF22REFF2FuRRRURRRuP比較器有兩個不同的門限電平，比較器有兩個不同的門限電平，故傳輸特性呈滯回形狀。故傳輸特性呈滯回形狀。 +UZuIuO - -UZ

25、OUT- -UT+ +二、加了參考電壓的二、加了參考電壓的滯回比較器滯回比較器若若 uO= UZ ，當，當 uI 逐漸減小逐漸減小時，使時，使 uO 由由 UZ 跳跳變?yōu)樽優(yōu)?UZ 所需的門限電平所需的門限電平 UT ZF22REFF2FTURRRURRRU 回差回差( (門限寬度門限寬度) ) UT ：ZF22TTT2URRRUUU 若若 uO = UZ ，當，當 uI 逐漸增大逐漸增大時，使時，使 uO 由由 + +UZ 跳變跳變?yōu)闉?- -UZ 所需的門限電平所需的門限電平 UT+ZF22REFF2FTURRRURRRU 例例8.2.2已知輸入波形和電壓傳輸特性，分析輸出電壓的波形。已知

26、輸入波形和電壓傳輸特性，分析輸出電壓的波形。波形圖波形圖 UZ 9VV3URRRUZ211TuO /Vt0+9-92.窗口比較器窗口比較器參考電壓參考電壓 UREF1 UREF2若若 uI 低于低于 UREF2 ，運放，運放 A1 輸出低電平，輸出低電平，A2 輸出高電平，二輸出高電平，二極管極管 VD1 截止，截止，VD2導通，輸出導通，輸出電壓電壓 uO 為高電平；為高電平；若若 uI 高于高于 UREF1 ，運放，運放 A1 輸出高電平，輸出高電平，A2 輸出低電輸出低電平，二極管平，二極管 VD2 截止，截止，VD1 導通，輸出電壓導通，輸出電壓 uO 為高電平；為高電平；雙限比較器雙

27、限比較器( (a) )前面的比較器在輸入電壓單一方向變化時，輸出電壓只躍前面的比較器在輸入電壓單一方向變化時，輸出電壓只躍變一次，因而不能檢測出輸入電壓是否在二個電壓之間。變一次，因而不能檢測出輸入電壓是否在二個電壓之間。當當 uI 高于高于 UREF2 而低于而低于 UREF1 時時 ，運放，運放 A1、 A2 均輸出均輸出低電平，二極管低電平，二極管 VD1 、VD2 均均截止，輸出電壓截止，輸出電壓 uO 為低電平；為低電平；上門限電平上門限電平 UTH = UREF1 ；下門限電平下門限電平 UTL = UREF2 。uIuOOUTHUTL綜上所述，雙限比較器在輸入信號綜上所述，雙限比

28、較器在輸入信號 uI UREF1 時，輸出為高電平；而當時，輸出為高電平；而當 UREF2 uI UREF1 時，輸時，輸出為低電平。出為低電平。雙限比較器（雙限比較器（ b) )7.4.3集成電壓比較器集成電壓比較器一、集成電壓比較器的主要特點和分類：一、集成電壓比較器的主要特點和分類：1. 具有較高的開環(huán)差模增益；具有較高的開環(huán)差模增益；2. 具有較快的響應速度；具有較快的響應速度；3. 具有較高的共模抑制比和允許共模輸入電壓較高；具有較高的共模抑制比和允許共模輸入電壓較高；4. 具有較低的失調電壓、失調電流及較低的溫漂。具有較低的失調電壓、失調電流及較低的溫漂。分類：分類：單、雙和四電壓比較單、雙和四電壓比較通用型、高速型、低電壓型和高精度型通用型、高速型、低電壓型和高精度型普通、集電極（或漏極）開路輸出或互補輸出型普通、集電極（或漏極）開路輸出或互補輸出型二、集成電壓比較器的基本接法二、集成電壓比較器的基本接法1.通用型集成電壓比較器通用型集成電壓比較器AD790引腳圖引腳圖+1