第八章 信號(hào)處理電路

1、第八章 信號(hào)處理電路8.1 有源濾波電路一、概述一、概述二、低通濾波器二、低通濾波器三、高通、帶通、帶阻濾波器三、高通、帶通、帶阻濾波器四、狀態(tài)變量型濾波器四、狀態(tài)變量型濾波器1. 濾波電路的功能 使指定頻段的信號(hào)順利通過(guò)，其它頻率的信號(hào)被衰減。使指定頻段的信號(hào)順利通過(guò)，其它頻率的信號(hào)被衰減。2. 濾波電路的種類(lèi)低通濾波器（低通濾波器（LPF）通帶放大倍數(shù)通帶放大倍數(shù)通帶截止頻率通帶截止頻率下降速率下降速率理想幅頻特性理想幅頻特性無(wú)過(guò)渡帶無(wú)過(guò)渡帶一、概述用幅頻特性描述濾波特性，要研究用幅頻特性描述濾波特性，要研究 、 ( fP、下降速率、下降速率)。puAuA高通濾波器（高通濾波器（HPF）帶

2、通濾波器（帶通濾波器（BPF）帶阻濾波器（帶阻濾波器（BEF）全通濾波器（全通濾波器（APF）理想濾波器的幅頻特性阻容耦合阻容耦合通信電路通信電路抗已知頻率的干擾抗已知頻率的干擾f-轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換pppj11 21 1ffARCfAuu空載：ppLpLLpj1 )( 21 ffAACRRfRRRAuuu帶載：空載時(shí)空載時(shí)帶負(fù)載時(shí)帶負(fù)載時(shí)3. 無(wú)源濾波電路和有源濾波電路 負(fù)載變化，通負(fù)載變化，通帶放大倍數(shù)和截帶放大倍數(shù)和截止頻率均變化。止頻率均變化。 無(wú)源濾波電路的濾波參數(shù)隨負(fù)載變化；有源濾波電路的無(wú)源濾波電路的濾波參數(shù)隨負(fù)載變化；有源濾波電路的濾波參數(shù)不隨負(fù)載變化，可放大。濾波參數(shù)不隨負(fù)載變化，可放

3、大。 無(wú)源濾波電路可用于高電壓大電流，如直流電源中的濾無(wú)源濾波電路可用于高電壓大電流，如直流電源中的濾波電路；有源濾波電路是信號(hào)處理電路，其輸出電壓和電波電路；有源濾波電路是信號(hào)處理電路，其輸出電壓和電流的大小受有源元件自身參數(shù)和供電電源的限制。流的大小受有源元件自身參數(shù)和供電電源的限制。有源濾波電路 用電壓跟隨用電壓跟隨器隔離濾波電器隔離濾波電路與負(fù)載電阻路與負(fù)載電阻二、低通濾波器 求解傳遞函數(shù)時(shí)，只需將放大倍數(shù)中的求解傳遞函數(shù)時(shí)，只需將放大倍數(shù)中的 j用用 s 取代即可；取代即可； s 的方次稱(chēng)為階數(shù)。的方次稱(chēng)為階數(shù)。12p1RRAuRCf21pppj1ffAAuu頻率趨于頻率趨于0時(shí)的放

4、大時(shí)的放大倍數(shù)為通帶放大倍數(shù)倍數(shù)為通帶放大倍數(shù)決定于決定于RC環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)表明進(jìn)入高頻段表明進(jìn)入高頻段的下降速率為的下降速率為20dB/十倍頻十倍頻（1 1）一階電路）一階電路1. 同相輸入經(jīng)拉氏變換得經(jīng)拉氏變換得傳遞函數(shù)：傳遞函數(shù)：sRCRRsCRsCRRsUsUsAu11)1 ( 11)1 ()()()(121fio一階電路一階電路1. 同相輸入（1 1）一階電路：幅頻特性）一階電路：幅頻特性)21( j1 1ppp12pRCfffAARRAuuu 為了使過(guò)渡帶變窄，需為了使過(guò)渡帶變窄，需采用多階濾波器，即增加采用多階濾波器，即增加RC環(huán)節(jié)。環(huán)節(jié)。（2 2）簡(jiǎn)單二階）簡(jiǎn)單二階LPFLPFM22

5、Pi1121Mj1)j1)j1(j1)j1(j1UCRCUUCRCRCRCU j3)(11)1 (02012ffffRRAu截止頻率截止頻率 fp 0.37f0RCf 21 0特征頻率特征頻率分析方法：電路引入了負(fù)反饋，具有分析方法：電路引入了負(fù)反饋，具有“虛短虛短”和和“虛斷虛斷”的特點(diǎn)利用節(jié)點(diǎn)電流法求解輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系。的特點(diǎn)利用節(jié)點(diǎn)電流法求解輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系。C1=C2（3 3）壓控電壓源二階壓控電壓源二階LPFLPF引入正反饋引入正反饋為使為使 fp=f0，且在，且在f=f0時(shí)幅頻特性按時(shí)幅頻特性按40dB/十倍頻下降。十倍頻下降。 f0時(shí)，時(shí)，C1斷路，正反饋斷路，正

6、反饋斷開(kāi)，放大倍數(shù)為通帶放大斷開(kāi)，放大倍數(shù)為通帶放大倍數(shù)。倍數(shù)。 f ， C2短路，正反饋不短路，正反饋不起作用，放大倍數(shù)起作用，放大倍數(shù)0 。 因而有可能在因而有可能在f = f 0時(shí)放大倍數(shù)等于或大于通帶放大倍數(shù)。時(shí)放大倍數(shù)等于或大于通帶放大倍數(shù)。對(duì)于不同頻率的信號(hào)正反饋的強(qiáng)弱不同。對(duì)于不同頻率的信號(hào)正反饋的強(qiáng)弱不同。C1=C2壓控電壓源二階LPF的分析p0uffuAAQppp30uuuffuAQAAA 列列P、M點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電流方程，點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)電流方程，整理可得：整理可得：pp0 32 uffuuAAA時(shí)，當(dāng)0p20p3 j)(1ffAffAAuuu2. 反相輸入低通濾波器。，即uuAfCRA

7、 0 j1112pRRAuHf積分運(yùn)算電路的電壓放大倍數(shù)為積分運(yùn)算電路的電壓放大倍數(shù)為加加R2后后CRffffRRAu20p01221j11， 需有電阻構(gòu)成的需有電阻構(gòu)成的負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)來(lái)確定負(fù)反饋網(wǎng)絡(luò)來(lái)確定通帶放大倍數(shù)。通帶放大倍數(shù)。12lg20RROOO三、高通、帶通、帶阻有源濾波器 與與LPF有對(duì)偶性，將有對(duì)偶性，將LPF的電阻和電容互換，就可得一階的電阻和電容互換，就可得一階HPF、簡(jiǎn)單二階簡(jiǎn)單二階HPF、壓控電壓源二階壓控電壓源二階HPF電路。電路。2. 帶通濾波器（BPF）3. 帶阻濾波器（BEF）1. 高通濾波器（HPF）8.28.2 電壓比較器一、概述一、概述二、單限比較器二、單限

8、比較器三、滯回比較器三、滯回比較器四、窗口比較器四、窗口比較器五、集成電壓比較器五、集成電壓比較器一、概述1. 電壓比較器的功能：比較電壓的大小。：比較電壓的大小。 輸入電壓是模擬信號(hào)；輸出電壓表示比較的結(jié)果，只有高輸入電壓是模擬信號(hào)；輸出電壓表示比較的結(jié)果，只有高電平和低電平兩種情況，為二值信號(hào)。使輸出產(chǎn)生躍變的輸電平和低電平兩種情況，為二值信號(hào)。使輸出產(chǎn)生躍變的輸入電壓稱(chēng)為閾值電壓（轉(zhuǎn)折電壓入電壓稱(chēng)為閾值電壓（轉(zhuǎn)折電壓/門(mén)限電壓）。門(mén)限電壓）。 廣泛用于各種報(bào)警電路。廣泛用于各種報(bào)警電路。2. 電壓比較器的描述方法 :電壓傳輸特性電壓傳輸特性 uOf(uI)電壓傳輸特性的三個(gè)要素：電壓傳輸

9、特性的三個(gè)要素：（1）輸出高電平）輸出高電平UOH和輸出低電平和輸出低電平UOL（2）閾值電壓）閾值電壓UT（3）輸入電壓過(guò)閾值電壓時(shí)輸出電壓躍變的方向）輸入電壓過(guò)閾值電壓時(shí)輸出電壓躍變的方向3. 幾種常用的電壓比較器（1）單限比較器：只有一個(gè)閾值電壓）單限比較器：只有一個(gè)閾值電壓（3）窗口比較器：）窗口比較器： 有兩個(gè)閾值電壓，輸入電壓?jiǎn)握{(diào)變化時(shí)輸出電壓躍變兩次。有兩個(gè)閾值電壓，輸入電壓?jiǎn)握{(diào)變化時(shí)輸出電壓躍變兩次。（2）滯回比較器：具有滯回特性）滯回比較器：具有滯回特性 輸入電壓的變化方向不同，閾值電壓也不同，但輸入電壓輸入電壓的變化方向不同，閾值電壓也不同，但輸入電壓?jiǎn)握{(diào)變化使輸出電壓只躍

10、變一次。單調(diào)變化使輸出電壓只躍變一次。T2T1UUU回差電壓：回差電壓：4、集成運(yùn)放的非線(xiàn)性工作區(qū)電路特征：集成運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)或僅引入正反饋電路特征：集成運(yùn)放處于開(kāi)環(huán)或僅引入正反饋理想運(yùn)放工作在非線(xiàn)性區(qū)的特點(diǎn)：理想運(yùn)放工作在非線(xiàn)性區(qū)的特點(diǎn)：1) 凈輸入電流為凈輸入電流為02) uP uN時(shí)，時(shí)， uOUOM uP 0 時(shí)時(shí) uO UOM; uI 0 時(shí)時(shí) uO UOM 集成運(yùn)放的凈輸入電壓等于輸入電壓，為保護(hù)集成運(yùn)集成運(yùn)放的凈輸入電壓等于輸入電壓，為保護(hù)集成運(yùn)放的輸入級(jí)，需加輸入端限幅電路。放的輸入級(jí)，需加輸入端限幅電路。二極管限幅電路使凈輸二極管限幅電路使凈輸入電壓最大值為入電壓最大值為UD1

11、. 過(guò)零比較器必要嗎？必要嗎？輸出限幅電路 為適應(yīng)負(fù)載對(duì)電壓幅值的要求，輸出端加限幅電路。為適應(yīng)負(fù)載對(duì)電壓幅值的要求，輸出端加限幅電路。UOH UZ1 UD2 UOL( UZ2 UD1)UOH UOL UZUOH UZ UOL UD 不可缺少！不可缺少！為使為使UOL接近接近0，怎么辦？怎么辦？鍺管鍺管輸出限幅電路uO UZ（1）保護(hù)輸入端）保護(hù)輸入端（2）加速集成運(yùn)放狀態(tài)的轉(zhuǎn)換）加速集成運(yùn)放狀態(tài)的轉(zhuǎn)換電壓比較器的分析方法：（1 1）寫(xiě)出寫(xiě)出 uP、uN的表達(dá)式，的表達(dá)式，令令uP uN，求解出的求解出的 uI即為即為UT；（2 2）根據(jù)輸出端限幅電路決定輸出的高、低電平；根據(jù)輸出端限幅電路決

12、定輸出的高、低電平；（3 3）根據(jù)輸入電壓作用于同相輸入端還是反相輸入端決定）根據(jù)輸入電壓作用于同相輸入端還是反相輸入端決定輸出輸出電壓電壓的躍變方向。的躍變方向。2. 一般單限比較器，得令0PNI211REF212NuuuRRRURRRu（1）若要）若要UTURH時(shí)，時(shí)，uO1= uO2= UOM，D1導(dǎo)通，導(dǎo)通，D2截止；截止； uO= UZ。當(dāng)當(dāng)uIURL時(shí)，時(shí)，uO2= uO1= UOM，D2導(dǎo)通，導(dǎo)通，D1截止；截止； uO= UZ 。當(dāng)當(dāng)URLuI URH時(shí)，時(shí)， uO1= uO2= UOM，D1、D2均截均截止；止； uO= 0。特點(diǎn)：特點(diǎn)：1. 無(wú)需限幅電路，根據(jù)所需輸出高、低

13、電平確定電源電壓；無(wú)需限幅電路，根據(jù)所需輸出高、低電平確定電源電壓；2. 可直接驅(qū)動(dòng)集成數(shù)字電路；可直接驅(qū)動(dòng)集成數(shù)字電路；3. 應(yīng)用靈活，可具有選通端；應(yīng)用靈活，可具有選通端；CCVEEV五、集成比較器某型號(hào)集成比較器的等效電路某型號(hào)集成比較器的等效電路4. 響應(yīng)速度快；響應(yīng)速度快；5. 電源電壓升高，工作電流增大，工作速度加快。電源電壓升高，工作電流增大，工作速度加快。討論：電子電路時(shí)測(cè)量信號(hào)的選擇電子電路時(shí)測(cè)量信號(hào)的選擇 現(xiàn)有信號(hào)：現(xiàn)有信號(hào)： 通頻帶內(nèi)某一頻率的交流小信號(hào)；通頻帶內(nèi)某一頻率的交流小信號(hào)； 頻率很低（如頻率很低（如10Hz）且幅值足夠大的三角波或鋸齒波；）且幅值足夠大的三角波或鋸齒波； 固定的小幅值且足夠頻率范圍的交流小信號(hào)；固定的小幅值且足夠頻率范圍的交流小信號(hào)； 足夠幅值的階躍信號(hào)。足夠幅值的階躍信號(hào)。請(qǐng)?jiān)诶ㄌ?hào)內(nèi)填寫(xiě)上述信號(hào)、中的