第9章信号处理及信号产生电路.ppt

第9章 信号处理及信号产生电路,§1 滤波电路的基本概念及分类,§2 一阶有源滤波电路,§3 高阶有源滤波电路,§7 LC正弦波振荡电路,§8 石英晶体振荡电路,§4 正弦波振荡电路的振荡条件,§5 RC正弦波振荡电路,§6 调谐放大器,§1 滤波电路的基本概念及分类,1. 基本概念,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。,滤波电路传递函数定义,时，有,其中, 模，幅频响应, 相位角，相频响应,时延响应为,2. 分类按幅频特性分,低通（LPF）用于工作信号为低频（或直流），并且需要削弱高次谐波或频率较高的干扰和噪声等场合整流后滤波。,高通（HPF）用于信号处于高频，并且需要削弱低频的场合阻容放大器的耦合。,带通（BPF）用于突出有用频段的信号，削弱其它频段的信号或干扰和噪声载波通信。,带阻（BEF）用于抑制干扰。,全通（APF）,3、无源滤波电路和有源滤波电路 无源滤波电路：由无源元件R、L、C组成的滤波电路。 有源滤波电路：由晶体管和R、C网络组成的滤波电路。,4、由集成运放（工作在线性区）和RC网络组成的有源滤波电路的优点： （1）体积小，重量轻，不需要加磁屏蔽。 （2）电路中的集成运放可以加串联负反馈，使ri高，ro低。 （3）除起有源滤波作用外，还可以放大，而且放大倍数容易调节。,5、举例：有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。,1、RC低通滤波器,缺点（1）放大倍数低，最大为1； （2）带负载的能力差； 例如R=27k，RL=3k，对于低频而言，uo只有ui的十分之一，而当RL断开时，uo=ui。,为了提高带负载的能力，可以加电压跟随器，以提高带负载的能力。,§2 一阶有源低通滤波电路,传递函数中出现 的一次项，故称为一阶滤波器。,-20dB/十倍频程,2、一阶有源低通滤波器,4、幅频特性为,3、传递函数,电路特点：有放大作用；带负载能力强。,-20dB/十倍频程,-20dB/十倍频程,5、一阶无源和有源低通滤波器的比较,-20dB/十倍频程,一阶低通有源滤波器与无源低通滤波器的通带截止频率相同；但通带电压放大倍数得到提高。,缺点：一阶低通有源滤波器在 w w 0 时，滤波特性不理想。对数幅频特性下降速度为 -20 dB / 十倍频。,解决办法：采用高阶低通有源滤波器。,-20dB/十倍频程,§3、高阶有源滤波器,常见高阶低通有源滤波器 ： （1）巴特沃思滤波器(Butterworth) ：通带内幅频曲线的幅度平坦，最平幅度逼近， 相移与频率的关系不是很线性的，但过渡带的衰减较慢，阶跃响应有过冲。 （2）切比雪夫滤波器(Chebyshev) ：过渡带的衰减最快，但通带之间幅频曲线有波纹。 （3）贝塞尔滤波器(Bessel) ：相移和频率之间有良好的线性关系，阶跃响应过冲小，但幅频曲线的下降陡度较差。,1、电路组成,为了使uo在高频段以更快的速率下降，以改善滤波效果，再加一级RC低通滤波电路。,第一级电容C不接地，而改接到输出端。,改 画,这种接法相当于在二阶有源滤波电路种引入反馈，让uo在高频段迅速下降。,一、二阶有源低通滤波器,2、传递函数,对A点,对P点,解得：,称为通带增益,称为特征角频率,称为等效品质因数,一、二阶有源低通滤波器,传递函数中出现 的二次项,故称为二阶滤波器,电压增益与通带增益的比,幅频响应,相频响应,3、二阶有源滤波电路,-40dB/十倍频程,Q=10,与一阶有源滤波电路相比，uo在高频段下降迅速。,一、二阶有源低通滤波器,Q=0.707时：,Q=0.5时,Q=1时,Q=2时,Q=10时,3、二阶有源滤波电路,表明：当21，在w=w0处的电压增益将大于Au，幅频特性在 w=w0处将抬高。,当Au3时，有源滤波器自激。由于将C接到输出端，等于在高频端给LPF加了一点正反馈，所以在高频端的放大倍数有所抬高，甚至可能引起自激。,滤波电路才能稳定工作,一、二阶有源低通滤波器,幅频响应,相频响应,4、四阶和n有源滤波电路,uo1=ui2,四阶LPF,-3,一、二阶有源低通滤波器,二、二阶高通滤波器,解得：,将低通电路中的电容和电阻对换，便成为高通电路。,，,高通滤波电路与低通滤波电路的对数幅频特性互为“镜像”关系。,归一化的幅频响应,二、二阶高通滤波器,解得：,将低通电路中的电容和电阻对换，便成为高通电路。,，,高通滤波电路与低通滤波电路的对数幅频特性互为“镜像”关系。,归一化的幅频响应,-40dB/十倍频程,Q=0.707,三、带通滤波器,可由低通和高通串联得到,必须满足,低通特征角频率,高通特征角频率,只允许某一段频带内的信号通过，将此频带以外的信号阻断。,1、基本形式,三、带通滤波器,一阶低通,一阶高通,2、一阶带通滤波器,高通,低通,三、带通滤波器,3、二阶带通滤波器,对A点,对同相端,解得：,通带增益,特征角频率 中心角频率,A,等效品质因数,三、带通滤波器,3、二阶带通滤波器,对A点,对同相端,解得：,Q=1,通带增益,特征角频率 中心角频率,等效品质因数,四、带阻滤波器,可由低通和高通并联得到,必须满足,在规定的频带内，信号被阻断，在此频带以外的信号能顺利通过。,四、带阻滤波器,§4 正弦波振荡电路的振荡条件,振荡器：不需要外加激励信号就能将直流信号转化为交流信号的电子设备。 分类： 正弦波振荡器；非正弦波振荡器,一、条件,自激振荡的条件：,而,即,（为保证起振，通常要求 ）,幅度条件：,相位条件： （n=0，±1，±2，±3，）,此外：,二、组成 基本放大器； 反馈网络； 选频网络（为了获得单一频率）； 稳幅环节（为了产生稳幅振荡）；,若选频网络由RC元件构成RC正弦波振荡器； 若选频网络由LC元件构成LC正弦波振荡器；,电容电路：电流超前电压90o,电感电路：电压超前电流90o,1、判断能否产生振荡 （1）检查电路是否具备振荡电路的组成部分； （2）检查放大电路的Q点是否能够保证放大器正常工作；,三、分析方法,（3）分析电路是否满足振荡条件。主要是分析相位条件，至于幅度条件一般容易满足。 瞬时极性法：断开反馈，在断开处给放大电路加 ff0的信号ui，且规定其极性，然后根据: ui的极性 uo的极性 uf的极性 若uf与ui极性相同，则电路可能产生自激振荡； 否则不能产生自激振荡。 2、求振荡频率和起振条件 振荡频率由相位条件决定； 起振条件由幅度条件求得；,1、如何起振？,uo 是振荡器的电压输出幅度，B是要求输出的幅度。起振时uo=0，达到稳定振荡时uo=B。,放大电路中存在噪声即瞬态扰动，这些扰动可分解为各种频率的分量，其中也包括有fo分量。,选频网络：把fo分量选出，把其他频率的分量衰减掉。这时，只要：,|AF|1，且A+ B =2n，即可起振。,四、说明,2、如何稳幅？,起振后，输出将逐渐增大，若不采取稳幅，这时若|AF|仍大于1，则输出将会饱和失真。,达到需要的幅值后，将参数调整为AF=1，即可稳幅。,起振并能稳定振荡的条件：,§5 RC正弦波振荡电路,一、RC移相式振荡器 1、电路组成,2、RC移相网络的特性,相位图（电容两端的电压落后电流90o）,uo与ui间的相位差,为了得到一定的输出电压幅度，每一小节的相移只能小于或等于60o，为了得到180o的相移，至少应选用三节RC移相网络。,结论： uo超前ui一定的角度 相位超前移相网络。 与RC的大小有关，最大为90o，但 为90o时， uo的幅度便为0。,一、RC移相式振荡器 1、电路组成,2、RC移相网络的特性,一、RC移相式振荡器 3、振荡频率和起振条件,其中Ri= Rb/ hie hie 令为 R/n,按电路定理列方程组,解得：,一、RC移相式振荡器 3、振荡频率和起振条件,得,为保证相位条件，虚部必须为零，即,此时,为保证幅度条件，必须有,即29+,其中Ri= Rb/ hie hie 令为 R/n,一、RC移相式振荡器 3、振荡频率和起振条件,得,为保证相位条件，虚部必须为零，即,此时,为保证幅度条件，必须有,即29+,当hie1时：,起振条件 30,振荡频率,4、结论 （1）RC振荡器的振荡频率不是很高，一般为几kHz以下； （2）适用于产生频率不高的场合；,二、相位落后的RC移相式振荡器,采用射极输出器提高负载电阻,振荡频率,起振条件,三、RC文氏桥式振荡器,1、基本电路,三、RC文氏桥式振荡器,2、选频电路,时，相移为0。,如果：R1=R2=R，C1=C2=C，则：,当,3、起振条件,所以，要满足相位条件，只有在 fo 处,因为：,三、RC文氏桥式振荡器,能自行启动的电路（1）,起振时，RT略大于2R1，使|AF|1，以便起振；,起振后，,4、实用电路,三、RC文氏桥式振荡器,使得输出uo为某值时，|AF|=1，从而稳幅。,R22为一小电阻，使(R21+R22)略大于2R1，|AF|1，以便起振；,随着uo的增加，R22逐渐被短接，A自动下降到使|AF|=1，使得输出uo稳定在某值。,能自行启动的电路（3）,三、RC文氏桥式振荡器,4、实用电路,输出频率的调整：,通过调整R或/和C来调整频率。,C：双联可调电容，改变C，用于细调振荡频率。,K：双联波段开关，切换R，用于粗调振荡频率。,三、RC文氏桥式振荡器,4、实用电路,电子琴的振荡电路电路：,三、RC文氏桥式振荡器,4、实用电路,5、用分立元件组成的RC振荡器,ube,RC网络正反馈，调整到合适的参数则可产生振荡。 RF、RE1组成负反馈，使电路工作稳定。,三、RC文氏桥式振荡器,§6 调谐放大器,I、LC并联谐振回路 一、谐振频率与谐振电阻,1、谐振的概念：AB间的阻抗最大，且呈纯电阻的状态谐振状态。 2、谐振频率：,当 时呈谐振状态，此时,或,3、谐振电阻,4、理想电路,L、C为理想电抗件,R0体现了损耗,I、LC并联谐振回路 一、谐振频率与谐振电阻,5、特点,（1）谐振频率：,（2）谐振时总的容抗等于感抗：,两端呈纯电阻。,（3）谐振时总电流与总电压同相，支路电流比总电流大。,电感支路：,电容支路：,I、LC并联谐振回路 二、谐振回路的品质因数,定义：谐振时电路的电抗（0L或1/ 0C ）与等效损耗电阻r之比。,Q0的大小标志着谐振质量的优劣。Q0损耗越小。 Q0通常在30200之间。,I、LC并联谐振回路 三、谐振曲线,1、谐振曲线,2、通用谐振方程,I、LC并联谐振回路 三、谐振曲线,2、通用谐振方程,或,在f=f0±f的情况下：,则,其中,相对失谐量，描述了f偏离f0的程度。,I、LC并联谐振回路 三、谐振曲线,3、通频带,相减得,可见Q0愈大，通频带愈窄。,|ZAB|,I、LC并联谐振回路,四、信号源和负载与并联谐振回路的连接,令,则,而,结论：Rs和RL的接入，使回路的损耗增加，通频带变宽。,I、LC并联谐振回路,五、改变并联谐振回路阻抗的办法,1、电感中间抽头,谐振频率,谐振阻抗,忽略两线圈间的互感和R的影响,I、LC并联谐振回路,五、改变并联谐振回路阻抗的办法,忽略r的影响,2、电容中间抽头,谐振频率,谐振阻抗,I、LC并联谐振回路,五、改变并联谐振回路阻抗的办法,3、结论,谐振频率仅仅决定于回路的总电感L和总电容C，与抽头位置无关。,谐振阻抗与抽头的位置有关。,、 LC串联谐振回路,谐振频率：,或,谐振阻抗： Z=R （此时阻抗很小）,品质因数：,、LC调谐放大器,一、单调谐放大器,即 的频率特性在形式上与并联谐振回路相似，在表明调谐放大器具有良好的选频特性。,二、采用部分接入的LC调谐放大器 1、减小了集电极电容对谐振频率的影响； 2、使阻抗得到匹配；,、LC调谐放大器,三、双调谐放大器 1、为使频率特性接近于矩形，采用双调谐放大器。 2、双调谐放大器的耦合，可采用电容耦合或电感耦合。 3、耦合系数,电感耦合,电容耦合,磁棒,初级线圈,次级线圈,同极性端,IV、变压器耦合振荡电路,1、变压器同极性端的问题,+,+,+,uo,2、变压器耦合振荡电路,振荡频率：,起振条件：,优点：易于起振，调节频率方便 缺点：输出波形不好,IV、变压器耦合振荡电路,2、变压器耦合振荡电路,IV、变压器耦合振荡电路,§7 LC振荡电路,LC 振荡电路的选频电路由电感和电容构成，可以产生高频振荡。放大电路可用高频运放，也可用分离元件组成。本节重点掌握相位条件的判别。,一、电感三点式振荡电路,1、电路组成,2、相位条件,电路满足相位条件。,瞬时极性法？,必要吗？,电感的三个抽头分别接晶体管的三个极，故称之为电感三点式电路。,特点： 耦合紧密，易振，振幅大。,一、电感三点式振荡电路,3、振荡频率和起振条件,振荡频率：,起振条件：,为总的损耗电阻,得,具体的L2/L1最好通过实验来调整。,一、电感三点式振荡电路,4、特点 （1）由于L1和L2耦合很紧，因此很容易起振； （2）调节频率方便，通常采用可变电容； （3）一般用于产生几十MHz以下的频率； （4）由于Uf取自L2（电感），输出波形中有高次谐波，故波形较差。 （5）另一种电感三点式LC振荡电路。,图中三极管是共基极接法。,二、电容三点式振荡电路,1、电路组成,2、相位条件,电路满足相位条件。,瞬时极性法？,二、电容三点式振荡电路,3、振荡频率和起振条件,振荡频率：,起振条件：,为总的损耗电阻,得,4、特点 （1）晶体管的极间电容对振荡频率有一定的影响； （2）调节频率不方便，适用于产生固定频率； （3）一般用于产生几百MHz以上的频率，很高； （4）由于uf取自C2（电容），故波形较好。,二、电容三点式振荡电路,三、三点式振荡电路举例,（）图是正反馈。并联回路同时担负选频和反馈作用, 且在谐振频率点反馈电压最强。,（）图根据瞬时极性判断法, 如把并联回路作为一个电阻看待, 则为正反馈。但并联回路在谐振频率点阻抗趋于无穷大, 正反馈最弱。 （）图电路不能正常工作。 ,（） 图与（）图不同之处在于用串联回路置换了并联回路。 由于LC串联回路在谐振频率点阻抗趋于零, 正反馈最强, 所以（）图电路能正常工作。(c)图中在T2的发射极与T1的基极之间增加了一条负反馈支路, 用以稳定电路的输出波形。,（）,（）,（）,四、三点式振荡电路的组成原则,1、三点式振荡器是指回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而组成的一种振荡器。 ,2、在满足正反馈相位条件时, 回路中三个电抗元件应具有的性质。 假定回路由纯电抗元件组成, 其电抗值分别为xce, xbe和xbc, 同时不考虑晶体管的电抗效应, 则当回路谐振（0）时, 回路呈纯阻性, 则：,因为这是一个正反馈反相放大器, ui与uf 同相, uc与ui 反相， 所以,即xbe与xce必须是同性质电抗, 因而xbc必须是异性质电抗。,支路电流很大，则：,若为三点式振荡器，可用“射同基反”的原则，判断相位条件： “射同”振荡电路与T的发射极相连的两个电抗性质相同； “基反”振荡电路与T的基极相连的两个电抗性质相反；,xbe+xbc +xce0,六、实例分析,收音机的本机振荡电路,共基极放大，发射极调谐式电路 C3高频旁路电容，使基极对地交流短路。 L1、C5、C6、C7振荡回路，完成选频任务，其中C5为垫整电容，C6为补偿电容，C7为振荡电容，调节C7可调节振荡频率。 L3、L1+L2组成变压器，L2为反馈线圈。 C4耦合电容。 T的发射极接1，为部分接入，这是因为共基电路的输入阻抗很小（约为100），而振荡回路与Ri并联，若直接将发射极接至5，将使振荡回路的Q降低，使振荡减弱，波形变坏。,§8 石英晶体振荡电路,2、影响振荡频率不稳定的因素 温度的变化、电源电压的波动、元件参数的变化等,频率稳定度=,1、对于振荡器的振荡频率，要求具有较高的稳定性。,一、石英晶体的物理特性极其等效电路 石英晶体是SiO2的一种结晶体，具有各向异性的物理特性。 在石英晶体上按一定方位切下的薄片晶片。,1、基本特性 （1）石英晶体振荡器在电路中之所以能够代替LC谐振回路是具有压电效应。石英振荡器中，正负压电效应同时存在、互为因果。当晶体上有外加电场时，晶片发生形变，形变又引起电荷和电场的产生，由于晶体的机械限制，最后达到稳定的平衡状态。,（2）若在晶片上外加交变电压，由于压电效应，从外电路来看，相当于有交流通过晶片。 外加电压频率石英晶体的固有机械谐振频率时，压电电流滞后外加电压 外加电压频率=石英晶体的固有机械谐振频率时，压电电流最大压电谐振,一、石英晶体的物理特性极其等效电路,2、等效电路,等效电路,C0静态电容。即两极板之间的电容，与晶片的几何尺寸、极板面积有关， 几PF几十PF。,L机械振荡的惯性。 10-3102H C晶片的弹性 10-410-1PF R晶片振动时因摩擦而造成的损耗 102 L大，C小，R小, 很大 104106,另一方面，晶片本身的固有频率只与晶片的几何尺寸有关，所以很稳定，而且可以做得很精确。,一、石英晶体的物理特性极其等效电路,3、谐振频率（忽略R）,特点：（1）一个晶体有两个谐振频率。,即,串联谐振频率（阻抗最小）,即,并联谐振频率（阻抗最大）,（2）fPfS，但由于CC0，fP、fS非常接近。,（3）晶体振荡器是将晶片作为一个电感元件来使用的。,感性,二、石英晶体振荡器,1、并联型晶体振荡器,晶体工作在谐振频率fP和fS之间，石英晶体呈电感性，作为振荡器回路的一个电感与电路的其他元件组成三点式振荡器。,由于CC0+C'，因此，在回路中起决定作用的是C，由于C很稳定，所以振荡频率的稳定度很高。,其中,二、石英晶体振荡器,2、串联型晶体振荡器,+,利用f=fS时石英晶体呈纯阻性，相移为零的特性构成正弦波振荡器。,第九章 结束,