Transcript 第八章信号处理电路

第8章
信号处理电路
教学内容
§8.1
§8.2
有源滤波器
电压比较器
教学要求
1.掌握各种电压比较器的工作原理和传输特性；
2.理解二阶低通滤波器的工作原理及对数幅频特性；
3.了解高通、带通、带阻滤波电路的特点及工作原理。
§8.1 有源滤波器
§8.1.1 滤波电路的作用和分类
滤波器的作用——选频，即允许某一部分频率的
信号顺利通过，而使另一部分频率的信号被急剧
衰减（即被滤掉）。
低通滤波器（LPF）
滤波器的分类：
高通滤波器（HPF）
带通滤波器（BPF）
带阻滤波器（BEF）
通带：能够通过
的信号频率范围。
阻带：受阻或衰
减的信号频率范
围。
截止频率：通带
和阻带的界限频
率。
有源滤波器的频响
滤波器的用途
滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，
例如，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。
§8.1.2 低通滤波器(LPF)
1. 一阶RC低通滤波器(无源)

1
R
+
+

Ui
C
-
Uo
1
1
j C

Au   


1

1

j

RC
Ui R
1 j
j C
0
1
其中： 0 
RC
1
f0 
2RC 通带截止频率

Uo
-
幅频特性曲线
20 lg A u / dB
通带截止频率
| Au |
1
f0
0
0.707
f

0
-3dB
0
截止角频率
对数幅频特性
1、带负载能力差。
此电路的缺点： 2、无放大作用。
3、特性不理想，边沿不陡。
2.一阶有源低通滤波器
∵虚短：∴


U U
∵虚断


R1
 U 
U o
R1  RF
1


j

C
在无源滤波器的输
U 
U i
1
出端加一同相比例
R
j C
运算电路，使电路

1
不仅有滤波功能而

U i
且能起放大作用。
1  jRC
传 
RF
1
递 Uo
函   (1  R ) 1  jRC
1
数 Ui

Aup
Aup
RF
1



(
1

)


f
R
1

j

RC
1 j
1 j
1
Ui

f
Uo
0
RF
Aup  1 
R1
通带电压放大
倍数
1
f0 
2RC
20 lg A u / dB
0
传递函数中出现
的一次项,故称为一
阶滤波器
20 lg A up
-20dB/十倍频
通带截止频率
-3dB
0
f0
f
电路特点:
1、

 0 时：
Uo
RF
 (1 
)
Ui
R1
有放大作用
Uo
RF 1
 (1  )
2、   时：
0
Ui
R1 2
幅频特性与一阶无源低通滤波器类似
3、运放输出，带负载能力强。
3.二阶有源低通滤波器
引入反馈，改善滤
波特性。
当 f = f0 时，每级RC电
路移相－45°，两级移
当f
>> f0时，每级RC
电路移相－90°，两级移
相－90°，因此在
f小
相－180°，此时，输出与输入电压反相，电容
于且接近于 f0 的范围内，输出与输入电压相位差小
C引入负反馈，使放大倍数减小，高频段的幅
于90°，电容C引入正反馈，使得 f0 附近的幅频特
频特性将急剧衰减。
性得到补偿而不致下降过快。
∵虚短、虚断
Uo
R1
U  U 
Uo 
R1  RF
Aup
U i  U M U M  U  U M  U o


R
R
1 / jc
U M  U 
U 

R
1 / jC
根据以上三式，可推导出

Aup
U
o

Au 


2

U i 1  (3  Aup ) jRC  ( jRC)
Aup
2
 f 
1 f
1     j 
Q f0
 f0 
传递函数中出现 的二次项,故称为二阶滤波器
其中： A  1  RF
up
R1
1
Q
3  Aup
1
f0 
2RC
等效品质因数
若Aup=3，则Q→∞,电路将产生自激振荡。
因此，应使Aup< 3, 即1+RF/R1<3, ∴RF<2R1
以－40dB/十倍频速度
下降，比一阶低通滤
波器速度提高了一倍，
滤波特性更接近于理
想情况。
Q＝1滤波效果较好。
§8.1.3 高通滤波器(HPF)
1. 一阶RC高通滤波器(无源)
C
+
通带截止频率
20 lg A u / dB
+

Ui
R
-

Uo
-
1
f0 
2RC
f0
0
f
-3dB
20dB/十倍频
对数幅频特性
2.二阶有源高通滤波器
当f＜＜f0时，幅频特性曲线的斜率为+40 dB/十倍频。
§8.1.4 带通滤波器(BPF)
将低通滤波器和高通滤波器串联起来，即可获
得带通滤波电路。
A1
A0
通带
测评
O
A2
A0
阻带
1

阻 碍
通带
阴
通带
阻 碍 测评
O
阴 2
阻
碍
A
A0 阴
通带
阻带
阻带
O
阻 碍
通带
阻带
阻 碍
测评
2
1
阴
阻 碍


1
f0 
2RC
中心频率
A u
20 lg  / dB
Aup
通带宽度：
0
f0
B
Q
Q=1
-10
-20
-30
Q＝5
Q＝10
-40
0.1
1
对数幅频特性
10
f
f0
Q值越大，通频带越窄，选择性越好。
RF
 (2  ) f 0
R1
调RF、R1可
调通带宽度
§8.1.5 带阻滤波器(BEF)
将低通滤波器和高通滤波器并联起来，即可获
得带通滤波电路。
低通
Ui
A1
A0
Uo
通带
O
测评
阻带
1
A2
A0 通带

阻 碍
阴
阻带
阻 碍
O
阴
阻 碍
A
A0
阴
通带
高通
阻带
通带
测评
2

通带
通带
阻 碍
测评
O 测评 
2
1
阻 碍
阴

§8.2 电压比较器
功能： 将一个模拟电压信号与一参考电压相比较，并
将比较的结果输出。
输出状态：高电平或低电平。输入是模拟量，输出
是数字量。
运放工作在非线性状态基本分析方法
1. 运放工作在非线性状态的判定：电路开环或引入正反馈。
2. 运放工作在非线性状态的分析方法：
若 u+＞u-
则 UO=+UOPP；
若 u+＜u-
则 UO=－UOPP。
虚断（运放输入端电流=0）
注意：此时不能用虚短！
§8.2.1 过零比较器
反
相
输
入
u+ = 0
u- = uI
u+ > u- ,即 0>uI, uo=+UOPP uo=
u+ < u- ,即 0<uI, uo=－UOPP
+UOPP (uI <0)
-UOPP (uI >0)
阈值电压（门限电平）为0
同
相
输
入
+UOPP (uI >0)
uo=
-UOPP (uI <0)
传输特性
加限幅电路
+UZ (uI <0)
uo=
-UZ (uI >0)
例题：利用电压比
较器将正弦波变为
方波。
uI
t
uo
+UoPP
t
-UoPP
uI
t
uo
+UoPP
t
-UoPP
uI
t
uo
+UZ
t
-UZ
§8.2.2 单限比较器
uo
+UoPP
0
UREF
uI
-UoPP
参考电压
当uI > UREF时 , uo = +UoPP
当uI< UREF时 , uo = -UoPP
R1
R2
u 
U REF 
uI
R1  R2
R1  R2
u+=0
R1
R2

U REF 
uI  0
R1  R2
R1  R2
时，跳变。
R1
uI   U REF  U T
R2
门限电平
+UZ (uI <－
R1
U REF )
R2
-UZ (uI >－
R1
U REF )
R2
uo=
uI
uo

+UZ
0
R1
UREF
R2
u
I
R1
 UREF
R2
-UZ
uo=
t
uo
+UZ
+UZ (uI < -
R1
U REF )
R2
-UZ (uI > -
R1
U REF )
-UZ
R2
t
§8.2.3 滞回比较器（施密特触发器）
在单限比较器中，输入电压在阈值电压附近的
任何微小变化，都将引起输出电压的跃变，所以，
抗干扰能力差。引入正反馈，构成滞回比较器，可
提高抗干扰性能。
1、因为有正反馈，所以输出饱和.
2、当uo正饱和时(uo =+UOPP) ：
R1
u+ 
UoPP  U T+
R1  R 2
3、当uo负饱和时(uo =－UOPP) ：
反相输入的滞回比较器
R1
UoPP  U Tu+  
R1  R 2
设初始值: uo =+UOPP ,
u+= UT+
设uI , 当uI > UT+,
uo从+UOPP  -UOPP
这时, uo =-UOPP ,
uo
+UoPP
UT-
0
-UoPP
u+= UT-
设uI , 当uI < UT-,
uo从-UOPP  +UOPP
UT+
uI
传输特性
UT+上门限电压
UT-下门限电压
uo
UT+－ UT-称为回差
（门限宽度）
+UoPP
UT-
0
-UoPP
滞回特性
UT+
uI
R1
UoPP
U T+ 
R1  R 2
R1
UoPP
U T-   
R1 R 2
例:设输入为正弦波, 画出输出的波形。
uI
UT+
t
UT-
uo
UoPP
-UoPP
t
加上参考电压后的滞回比较器：
uo
传输特性
+UZ
UT-
UT+
uI
0
-UZ
RF
R2
u 
U REF 
uo
R2  RF
R2  RF
U T
上下限：
U T
u-=uI
RF
R2

U REF 
UZ
R2  RF
R2  RF
RF
R2

U REF 
UZ
R2  RF
R2  RF
uo=
-UZ(uI>UT+)
+UZ(uI<UT-)
例8.2.1 解：①
U T
RF
R2

U REF 
UZ
R2  RF
R2  RF
30
 10


6
 4   4.5V
30  10 
 30  10
RF
R2
U T 
U REF 
UZ
R2  RF
R2  RF
30
 10


6 
 4   1.5V
30  10 
 30  10
△UT=UT+－UT=4.5－ (-1.5)=6V
uo
+4
-1.5 0
4.5
-4
传输特性
uI
uo
②当UREF=18V时：
UT 
+4
30
 10


18 
 4   7.5V
30  10 
 30  10
UT 
30
 10


18 
 4   1.5V
30  10 
 30  10
△UT=7.5－ 1.5=6V
0
传输特性
1.5
7.5
uI
-4
uo
+6
③UZ增大时，UT+将增大，
0
UT-将减小，△UT将增大。
9
-6
传输特性
uI
滞回比较器可用于
产生矩形波、三角波
和锯齿波等各种非正
弦波，也可用于波形
变换电路。
uI
7.5
1.5
uo
+4
优点：抗干扰能力强。
-4
例：电路如图(a)、(b)所示，试说明电路的名称，
并画出它们的电压传输特性。已知稳压管稳压值
Uz=±6V,R1=1kΩ ,R2=10kΩ 。
解：图(a)为反相比例运算电路。
R2
10
uo1   uI   uI  10uI
R1
1
输出uo的最大值为±6V。
图(b)为同相输入的滞回比较器。
R2
R1
u 
uI 
UZ
R1  R2
R1  R2
u+=0时跳变。即 10 u I  1  (6V )  0
11
6
 0.6V uI>0.6V，uo正跳变；
10
6

 0.6V uI<-0.6V，uo负跳变；
10
UT  
UT 
11
§8.2.4 双限比较器（窗口比较器）
uo
令UREF1>UREF2
0
UTL
UTH
若u
若u
>U
时，必然小于U
时，必然大于U
，A
，A
输出为负，
输出为正，
若U
<u
<U
时，A
、A
均输出为负，
II<U
REF2
REF1
REF1
REF2
1
1
REF2
I
REF1
1
2
uuo1
=+U
;A
;A2输出为正，u
=+U
=-UOPP
.VDo2＝0
导通，
uo1OPP
=u
均截止，∴u
o1=-U
OPP
2输出为负，u
o2
OPP.VD
1导通，
o2=-U
OPP, D1、D2o2
VD
VD12截止，R
截止，RLL上电流自上向下，u
上电流自上向下，uoo为正。
为正。
uI
第八章
结 束