濾波和波形產(chǎn)生

濾波和波形產(chǎn)生第1頁(yè)/共60頁(yè)本章學(xué)習(xí)要求理解濾波電路的工作原理，了解它的主要參數(shù)，能根據(jù)需要合理選擇濾波電路。掌握產(chǎn)生正弦波振蕩的相位平衡和幅度平衡條件。掌握文氏電橋振蕩器的工作原理和振蕩頻率的計(jì)算。理解各種非正弦波發(fā)生電路（矩形波、鋸齒波和三角波）的工作原理第2頁(yè)/共60頁(yè)9.1濾波電路的基本概念與分類(lèi)1.基本概念濾波器：是一種能使有用頻率信號(hào)通過(guò)而同時(shí)抑制或衰減無(wú)用頻率信號(hào)的電子裝置?；驹砭褪抢秒娐返念l率特性實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)中頻率成分的選擇。

時(shí)，有其中——模，幅頻響應(yīng)——相位角，相頻響應(yīng)群時(shí)延響應(yīng)第3頁(yè)/共60頁(yè)9.1濾波電路的基本概念與分類(lèi)2.分類(lèi)end全通（APF）帶阻（BEF）帶通（BPF）低通（LPF）高通（HPF）1.按所處理信號(hào)分

模擬和數(shù)字濾波器2.按所用元件分

無(wú)源和有源濾波器3.按濾波特性分第4頁(yè)/共60頁(yè)3、濾波電路的研究對(duì)象低通濾波器（LPF）通帶放大倍數(shù)通帶截止頻率下降速率理想幅頻特性無(wú)過(guò)渡帶用幅頻特性描述濾波特性，要研究

、(fP

、下降速率)。第5頁(yè)/共60頁(yè)4.7.1單時(shí)間常數(shù)RC電路的頻率響應(yīng)（補(bǔ)充）1.RC低通電路的頻率響應(yīng)（電路理論中的穩(wěn)態(tài)分析）RC電路的電壓增益（傳遞函數(shù)）：則且令又電壓增益的幅值（模）（幅頻響應(yīng)）電壓增益的相角（相頻響應(yīng)）①增益頻率函數(shù)RC低通電路第6頁(yè)/共60頁(yè)最大誤差-3dB②頻率響應(yīng)曲線(xiàn)描述幅頻響應(yīng)1.RC低通電路的頻率響應(yīng)相頻響應(yīng)第7頁(yè)/共60頁(yè)2.RC高通電路的頻率響應(yīng)RC電路的電壓增益：幅頻響應(yīng)相頻響應(yīng)RC高通電路第8頁(yè)/共60頁(yè)1.一階RC無(wú)源低通濾波器2.一階RC無(wú)源高通濾波器低通高通互偶總結(jié)：比較：第9頁(yè)/共60頁(yè)空載時(shí)帶負(fù)載時(shí)

負(fù)載變化，通帶放大倍數(shù)和截止頻率均變化。第10頁(yè)/共60頁(yè)從頻率特性圖上我們可以看到：（1）一階無(wú)源低通濾波器的電壓放大倍數(shù)低，只有1；（2）帶負(fù)載能力差；（3）在通帶截止頻率附近有-20dB/十倍頻的幅度衰減，并有-45°/十倍頻的相位滯后。第11頁(yè)/共60頁(yè)9.2一階有源濾波電路1.低通濾波電路RL=?+–RLVo1Vo2隔離級(jí)AV=1,Ri=∞,Ro=0=第12頁(yè)/共60頁(yè)9.2一階有源濾波電路1.低通濾波電路傳遞函數(shù)其中特征角頻率故，幅頻相應(yīng)為同相比例放大系數(shù)第13頁(yè)/共60頁(yè)9.2一階有源濾波電路2.高通濾波電路

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(yuǎn)。一般用在對(duì)濾波要求不高的場(chǎng)合。end

低通電路中的R和C交換位置便構(gòu)成高通濾波電路第14頁(yè)/共60頁(yè)9.3高階有源濾波電路9.3.2二階有源高通濾波電路9.3.3二階有源帶通濾波電路9.3.4二階有源帶阻濾波電路9.3.1二階有源低通濾波電路第15頁(yè)/共60頁(yè)9.3.1有源低通濾波電路1.二階有源低通濾波電路2.傳遞函數(shù)對(duì)于濾波電路，有得濾波電路傳遞函數(shù)（二階）（同相比例）第16頁(yè)/共60頁(yè)2.傳遞函數(shù)令稱(chēng)為通帶增益稱(chēng)為特征角頻率稱(chēng)為等效品質(zhì)因數(shù)則濾波電路才能穩(wěn)定工作。注意：第17頁(yè)/共60頁(yè)2.傳遞函數(shù)用代入，可得傳遞函數(shù)的頻率響應(yīng)：歸一化的幅頻響應(yīng)相頻響應(yīng)第18頁(yè)/共60頁(yè)3.幅頻響應(yīng)歸一化的幅頻響應(yīng)曲線(xiàn)第19頁(yè)/共60頁(yè)4.n階巴特沃斯傳遞函數(shù)傳遞函數(shù)為式中n為階濾波電路階數(shù)，c為3dB載止角頻率，A0為通帶電壓增益。第20頁(yè)/共60頁(yè)9.3.2有源高通濾波電路1.二階高通濾波電路

將低通電路中的電容和電阻對(duì)換，便成為高通電路。傳遞函數(shù)歸一化的幅頻響應(yīng)第21頁(yè)/共60頁(yè)2.巴特沃斯傳遞函數(shù)及其歸一化幅頻響應(yīng)歸一化幅頻響應(yīng)第22頁(yè)/共60頁(yè)9.3.3有源帶通濾波電路1.電路組成原理可由低通和高通串聯(lián)得到必須滿(mǎn)足低通截止角頻率高通截止角頻率第23頁(yè)/共60頁(yè)2.例9.3.29.3.3有源帶通濾波電路第24頁(yè)/共60頁(yè)3.二階有源帶通濾波電路

令傳遞函數(shù)得第25頁(yè)/共60頁(yè)9.3.4二階有源帶阻濾波電路可由低通和高通并聯(lián)得到必須滿(mǎn)足第26頁(yè)/共60頁(yè)雙T選頻網(wǎng)絡(luò)9.3.4二階有源帶阻濾波電路第27頁(yè)/共60頁(yè)雙T帶阻濾波電路9.3.4二階有源帶阻濾波電路第28頁(yè)/共60頁(yè)阻濾波電路的幅頻特性

9.3.4二階有源帶阻濾波電路end第29頁(yè)/共60頁(yè)運(yùn)算電路與有源濾波器的比較相同之處電路中均引入深度負(fù)反饋，因而集成運(yùn)放均工作在線(xiàn)性區(qū)。均具有“虛短”和“虛斷”的特點(diǎn)，均可用節(jié)點(diǎn)電流法求解電路。不同之處運(yùn)算電路研究的是時(shí)域問(wèn)題，有源濾波電路研究的是頻域問(wèn)題；測(cè)試時(shí)，前者是在輸入信號(hào)頻率不變或直流信號(hào)下測(cè)量輸出電壓與輸入電壓有效值或幅值的關(guān)系，后者是在輸入電壓幅值不變情況下測(cè)量輸出電壓幅值與輸入電壓頻率的關(guān)系。運(yùn)算電路用運(yùn)算關(guān)系式描述輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系，有源濾波器用電壓放大倍數(shù)的幅頻特性描述濾波特性。第30頁(yè)/共60頁(yè)9.5正弦波振蕩電路的振蕩條件2.自激振蕩的條件3.起振和穩(wěn)幅4.振蕩電路基本組成部分1.產(chǎn)生自激振蕩的原理第31頁(yè)/共60頁(yè)9.5正弦波振蕩電路的振蕩條件1.產(chǎn)生自激振蕩的原理只有正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩。所有正反饋電路都會(huì)產(chǎn)生自激振蕩嗎？第32頁(yè)/共60頁(yè)9.5正弦波振蕩電路的振蕩條件1.產(chǎn)生自激振蕩的原理第33頁(yè)/共60頁(yè)9.5正弦波振蕩電路的振蕩條件正反饋放大電路框圖（注意與負(fù)反饋方框圖的差別）2.

振蕩條件若環(huán)路增益則去掉仍有穩(wěn)定的輸出。又所以振蕩條件為振幅平衡條件相位平衡條件，n是整數(shù)第34頁(yè)/共60頁(yè)起振條件3.

起振和穩(wěn)幅

#振蕩電路是單口網(wǎng)絡(luò)，無(wú)須輸入信號(hào)就能起振，起振的信號(hào)源來(lái)自何處？電路器件內(nèi)部噪聲以及電源接通擾動(dòng)

當(dāng)輸出信號(hào)幅值增加到一定程度時(shí)，就要限制它繼續(xù)增加，否則波形將出現(xiàn)失真。

噪聲中，滿(mǎn)足相位平衡條件的某一頻率0的噪聲信號(hào)被放大，成為振蕩電路的輸出信號(hào)。

穩(wěn)幅的作用就是，當(dāng)輸出信號(hào)幅值增加到一定程度時(shí)，使振幅平衡條件從回到第35頁(yè)/共60頁(yè)end放大電路（包括負(fù)反饋放大電路）4.

振蕩電路基本組成部分反饋網(wǎng)絡(luò)（構(gòu)成正反饋的）選頻網(wǎng)絡(luò)（選擇滿(mǎn)足相位平衡條件的一個(gè)頻率。經(jīng)常與反饋網(wǎng)絡(luò)合二為一。）穩(wěn)幅環(huán)節(jié)第36頁(yè)/共60頁(yè)9.6RC正弦波振蕩電路1.

電路組成2.

RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性3.

振蕩電路工作原理4.

穩(wěn)幅措施第37頁(yè)/共60頁(yè)1.

電路組成反饋網(wǎng)絡(luò)兼做選頻網(wǎng)絡(luò)RC橋式振蕩電路要滿(mǎn)足相位條件第38頁(yè)/共60頁(yè)反饋系數(shù)2.

RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性幅頻響應(yīng)又且令則相頻響應(yīng)第39頁(yè)/共60頁(yè)2.

RC串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的選頻特性當(dāng)幅頻響應(yīng)有最大值相頻響應(yīng)第40頁(yè)/共60頁(yè)3.

振蕩電路工作原理此時(shí)若放大電路的電壓增益為

用瞬時(shí)極性法判斷可知，電路滿(mǎn)足相位平衡條件則振蕩電路滿(mǎn)足振幅平衡條件當(dāng)時(shí)，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1MHz的正弦波第41頁(yè)/共60頁(yè)采用非線(xiàn)性元件4.

穩(wěn)幅措施熱敏元件熱敏電阻起振時(shí)，即熱敏電阻的作用穩(wěn)幅第42頁(yè)/共60頁(yè)采用非線(xiàn)性元件4.

穩(wěn)幅措施場(chǎng)效應(yīng)管（JFET）穩(wěn)幅原理穩(wěn)幅整流濾波T壓控電阻可變電阻區(qū)，斜率隨vGS不同而變化第43頁(yè)/共60頁(yè)end采用非線(xiàn)性元件二極管穩(wěn)幅原理穩(wěn)幅起振時(shí)4.

穩(wěn)幅措施穩(wěn)幅環(huán)節(jié)第44頁(yè)/共60頁(yè)9.8非正弦信號(hào)產(chǎn)生電路9.8.2方波產(chǎn)生電路9.8.3鋸齒波產(chǎn)生電路9.8.1電壓比較器單門(mén)限電壓比較器遲滯比較器第45頁(yè)/共60頁(yè)9.8.1電壓比較器，由于|vO|不可能超過(guò)VM，特點(diǎn)：1.單門(mén)限電壓比較器（1）過(guò)零比較器開(kāi)環(huán)，虛短不成立增益A0大于105（忽略了放大器輸出級(jí)的飽和壓降）所以當(dāng)|+VCC|

=|-VEE|=VM=

15V，A0=105時(shí)，可以認(rèn)為vI>0時(shí)，vOmax=+VCCvI<0時(shí)，vOmax=-VEE（過(guò)零比較器）運(yùn)算放大器工作在非線(xiàn)性狀態(tài)下第46頁(yè)/共60頁(yè)9.8.1電壓比較器特點(diǎn)：1.單門(mén)限電壓比較器（1）過(guò)零比較器開(kāi)環(huán)，虛短不成立增益A0大于105

輸入為正負(fù)對(duì)稱(chēng)的正弦波時(shí)，輸出為方波。電壓傳輸特性第47頁(yè)/共60頁(yè)9.8.1電壓比較器1.單門(mén)限電壓比較器（2）門(mén)限電壓不為零的比較器電壓傳輸特性（門(mén)限電壓為VREF）第48頁(yè)/共60頁(yè)9.8.1電壓比較器1.單門(mén)限電壓比較器（2）門(mén)限電壓不為零的比較器（門(mén)限電壓為VREF）(a)VREF＝0時(shí)(b)VREF＝2V時(shí)

(c)VREF＝－4V時(shí)vI為峰值6V的三角波，設(shè)±VCC＝±12V，運(yùn)放為理想器件。第49頁(yè)/共60頁(yè)解：例圖示為另一種形式的單門(mén)限電壓比較器，試求出其門(mén)限電壓(閾值電壓)VT，畫(huà)出其電壓傳輸特性。設(shè)運(yùn)放輸出的高、低電平分別為VOH和VOL。

利用疊加原理可得理想情況下，輸出電壓發(fā)生跳變時(shí)對(duì)應(yīng)的vP＝vN＝0，即門(mén)限電壓第50頁(yè)/共60頁(yè)單門(mén)限比較器的抗干擾能力應(yīng)為高電平錯(cuò)誤電平第51頁(yè)/共60頁(yè)9.8.1電壓比較器2.遲滯比較器（1）電路組成（2）門(mén)限電壓門(mén)限電壓上門(mén)限電壓下門(mén)限電壓回差電壓第52頁(yè)/共60頁(yè)9.8.1電壓比較器2.遲滯比較器（3）傳輸特性第53頁(yè)/共60頁(yè)解：（1）門(mén)限電壓（3）輸出電壓波形例電路如圖所示，試求門(mén)限電壓，畫(huà)出傳輸特性和圖c所示輸入信號(hào)下的輸出電壓波形。（2）傳輸特性第54頁(yè)/共60頁(yè)通過(guò)上述幾種電壓比較器的分析，可得出如下結(jié)論：（1）用于電壓比較器的運(yùn)放，通常工作在開(kāi)環(huán)或正反饋狀態(tài)和非線(xiàn)性區(qū)，其輸出電壓只有高電平VOH和低電VOL兩種情況。（2）一般用電壓傳輸特性來(lái)描述輸出電壓與輸入電壓的函數(shù)關(guān)系。（3）電壓傳輸特性的關(guān)鍵要素

輸出電壓的高電平VOH和低電平VOL

門(mén)限電壓輸出電壓的跳變方向令vP＝vN所求出的vI就是門(mén)限電壓vI等于門(mén)限電壓時(shí)輸出電壓發(fā)生跳變跳變方向取決于是同相輸入方式還是反相輸入方式第55頁(yè)