滤波器+振荡器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,7.3,有源滤波电路,一般情况滤波电路均处于主系统的前级，用它来作信号处理、抑制干扰等。按所处理的信号是连续变化还是离散的，可分为模拟滤波电路和数字滤波电路,。,由有源器件和,RC,滤波网络组成的有源滤波电路。与无源滤波器相比较，有源滤波器有许多优点。,它不使用电感元件，故体积小，质量小，也不必磁屏蔽。,有源滤波电路中的集成运放可加电压串联深度负反馈，电路的输入阻抗高，输出阻抗低，输入与输出之间具有良好的隔离。,除了滤波作用外，还可以放大信号，而且，调节电压放大倍数不影响滤波特性。,有源滤波电路的缺点主要是，因为通用型集成运放的带宽较窄，故有源滤波电路不宜用于高频范围，一般使用频率在几十千赫兹以下，也不适合在高压或大电流条件下应用。,一、滤波电路的基本概念,滤波器是一种选频电路。它能使指定频率范围内的信号顺利通过；而对其他频率的信号加以抑制，使其衰减很大。,滤波电路通常根据信号通过的频带来命名。,低通滤波电路,(,LPF),允许低频信号通过，将高频信号衰 减；,高通滤波电路,(,HPF),允许高频信号通过，将低频信号衰减；,带通滤波电路,(,BPF),允许某一频段内的信号通过，将此频段之外的信号衰减；,带阻滤波电路,(,BEF),阻止某一频段内的信号通过，而允许此频段之外的信号通过；,全通滤波电路,(,APF),没有阻带，信号全通，但相位变化。,它们的理想幅频特性如图,7-43,所示。,图,7-43,五种滤波电路的理想幅频特性,(,a)LPF;(b)HPF;(c)BPF;(d)BEF;(e)APF,对于幅频响应，通常把能够通过的信号频率范围定义为通带，而把受阻或衰减的信号频率范围称为阻带，通带和阻带的界限频率叫做截止频率。,图,7-44,低通滤波电路的幅频特性,以低通滤波电路为例，滤波电路的输出电压,与输入电压,之比称为电压传递系数，即,图中，,A,up,是通带电压放大倍数。对于低通滤波电路而言，即为,f,=0,时输出电压与输入电压之比。当 下降到|,A,up,|,的0.707(即下降3,dB),时，对应的频率,fp,称为通带截止频率。,二、高通滤波电路,HPF,与低通滤波电路,LPF,的对偶关系,RC,低通和高通滤波电路示于图,7-45,。,图,7-45,RC,无源滤波电路及其幅频特性,(,a)LPF (b)HPF,图,7-45(,a),中,LPF,的传递函数为,图,7-45(,b),中,HPF,的传递函数为,以上两式中,称为,RC,电路,的特征频率。,通带截止频率,基于上述分析，可总结出,HPF,与,LPF,的对偶关系,1.,幅频特性对偶性,如果图,7-45,中,HPF,与,LPF,的,R、C,参数相同，则通带截止频率,f,p,相同，那么，,HPF,与,LPF,的幅频特性以垂直线,f,=,f,p,为对称，两者随频率的变化是相反的，即在,f,p,附近，,HPF,的,|,u,|,随频率升高而增大，,LPF,的|,u,|,随频率升高而减小。,2.,传递函数的对偶性,如果将,LPF,传递函数中的,s,换成 并对其系数作一些调整，则变成了相应的,HPF,的传递函数。,3.,电路结构上的对偶性,将,LPF,电路中起滤波作用的,C,换成,R，R,换成,C，,即,R,与,C,互换位置，就转换成了相应的,HPF，,其示意图如图,7-46,所示。,图,7-46,HPF,与,LPF,的结构对偶关系,三、低通有源滤波电路,(,LPF),(,一,),一阶,RC,有源低通滤波电路,一阶有源,LPF,电路如图,7-47,所示。,图,7-47,一阶,LPF,电路,1.,通带电压放大倍数,LPF,的通带电压放大倍数,A,up,是指,f,=0,时输出电压,U,o,与输入电压,U,i,之比。对于直流信号而言，图,7-47,电路中的电容视为开路。因此，,A,up,就是同相比例电路的电压放大倍数,A,uf,，,即,它的主要性能分析如下。,2.,电压传递函数,(7-53),(7-54),3.,幅频特性及通带截止频率,将式,(7-54),中的,s,换成,j,，,并令,0,=2,f,0,=(,f,0,与元件参数有关，称为特征频率,),，可得,(7-55),第八章 信号发生电路,信号发生电路又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频(高频)发射，这里的射频波就是载波，把音频(低频)、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频信号的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声波焊接、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。,振荡电路按波形分为正弦波和非正弦波振荡器两大类。非正弦信号(方波、矩形波、三角波、锯齿波等)发生器在测量设备、数字系统及自动控制系统中有着广泛应用。,本章首先讨论正弦波振荡的条件、组成及分析方法，具体分析了常用的,RC,和,LC,正弦波振荡器；简单介绍了石英晶体振荡器的工作原理和特点。之后，又介绍了常见的方波、矩形波、三角波和锯齿波非正弦振荡器。,8.1 概 述,一、产生正弦波振荡的条件,一般采用正反馈方法产生正弦波振荡，其方框图如图8-1所示。它由一个放大器(电压增益为)和一个反馈网络(反馈系数为 )接在一起构成。如果开关,K,先接在1端，将正弦波电压,输入到放大电路后，则输出正弦波电压,。,再立即将开关,K,接到2端，使输入信号为反馈电压,，,如果要维持输出电压 不变，则必须使,，,此时即使没有外加的,，,也能稳定地输出,。,图8-1 由放大到振荡的示意框图,因此，维持振荡器输出等幅振荡的平衡条件为 由 ，得到,(8-1),由于放大器电压增益 ,反馈网络的反馈系数 ,式(8-1)可写为,(8-2),于是，可得到产生自激振荡两个平衡条件。,(一)相位平衡条件,(8-3),式中,n=0,1,2,。,说明产生振荡时，反馈电压的相位与所需输入电压的相位相同，即形成正反馈。因此，由相位平衡条件可确定振荡器的振荡频率。,(二)振幅平衡条件,(8-4),说明反馈电压的大小与所需的输入电压相等。满足 时产生等幅振荡；当 时，即 ，振荡输出愈来愈大产生增幅振荡，若 即 ，振荡输出愈来愈小直到最后停振，称为减幅振荡。,(三)起振幅度条件,正弦波振荡从起振到稳态需要一个过程。起振开始瞬间，如果反馈信号太小(或为零)，则输出信号也太小(或为零)，容易受到某种干扰而停振或者干脆振不起来。,只有当 时，经过多次循环放大，输出信号才会从小到大，最后达到稳幅状态。因此，起振的幅度条件是,(8-5),若起振幅度条件及相位条件均已满足，电路就能振荡。那么，起振的原始信号是从哪儿来的呢?它是来源于合闸时引起,PN,结骚动及电路中产生的噪声，其频谱很宽，总可选出某一频率为,f,0,的信号作为起振的原始信号使电路振荡。所以信号源不需要外加信号，靠自身工作。,f,0,称振荡频率。起振过程如图8-2(,b),所示。,二、正弦波振荡电路的组成和分析方法,(一)基本组成部分,正弦波振荡电路一般由四个部分组成，除了把放大电路和反馈网络接成正反馈外，还包括选频网络和稳幅环节。放大电路部分由集成运放或者分立元件电路构成。,1.放大电路,应有合适的静态工作点，以保证放大电路有放大作用。,2.,反馈网络,它的作用是形成正反馈，以满足相位平衡条件。,3.,选频网络,其作用是使只有一个频率满足振荡条件，以产生单一频率的正弦波。选频网络与反 馈网络可以单独构成，也可以合二为一。当二者结合在一起时，同一个网络既起反馈作用，又起选频作用。用,RC,元件组成选频网络的振荡电路称为,RC,正弦波振荡电路；用,LC,元件组成选频网络的振荡电路称为,LC,正弦波振荡电路。,4.,稳幅环节,如果电路满足了起振条件，那么，在接通直流电源后，它的输出信号将随时间逐渐增大。由于管子具有非线性特性，将使输出波形失真。稳幅环节的作用就是使 达到 的稳定状态，使输出信号幅度稳定，且波形良好。,用瞬时极性法来判断一个电路能否起振，幅度条件容易满足，关键是看相位条件是否满足，其分析步骤如下。,(二)分析方法,1.分析相位平衡条件是否满足,先检查放大电路是否正常放大，即放大电路 、反馈网络 及选频网络三个组成部分是否均存在，而且放大电路具有合适的静态工作点。在放大电路具有放大作用的条件下，断开反馈信号到基本放大电路的输入端点处，如图8-2(,a),中的,K,点；在断开处对地之间加入一个输入信号 ；用瞬时极性法判别反馈信号 是否与输入信号 同相位。若二者相位相同，说明已满足相位平衡条件，再继续检查幅度平衡条件是否满足；若二者反相位，说明不满足相位平衡条件，可以断定电路不可能振荡，无需再检查幅度平衡条件了。,图8-2 振荡电路的方块图,2.分析幅度平衡条件是否满足,因是频率的函数，在满足相位平衡条件时，将,f,=,f0,代入,表达式有三种情况,(1)不可能振荡。,(2)能振荡。但需加稳幅环节，否则输出波形严重失真。,(3)能振荡。达到稳幅后,。,若电路不满足幅度平衡条件时，只需调节电路参数使之满足。,3.求振荡频率,f0,和起振条件,满足相位平衡条件的频率就是振荡频率,f0,，,也就是选频网络的固有频率。而起振条件由 结合具体电路求得，通过实际电路调试均可满足起振条件，一般不必计算。下面结合具体电路分析。,8.2,RC,正弦波振荡电路,常见的,RC,正弦波振荡电路是,RC,串并联网络正弦波振荡电路，又称文氏桥正弦波振荡电路。,图8-3,RC,文氏桥振荡电路,一、电路原理图,文氏桥振荡电路如图8-3所示。它由两部分组成：即放大电路 和选频网络 。由集成运放组成的电压串联负反馈放大电路，取其输入电阻高、输出电阻低的特点。,由,Z1、Z2,组成，同时兼作正反馈网络，称为,RC,串并联网络。由图8-3可知，,Z1、Z2,和,Rf,、,R3,正好构成一个电桥的四个臂，电桥的对角线顶点接到放大电路的两个输入端。因此得名文氏桥振荡电路。,二、,RC,串并联网络的选频特性,反馈系数,图8-4,RC,串并联网络,令,（8-7）,所以振荡频率,（8-8）,将图8-3中的,RC,串并联网络单独画于图8-4，着重讨论它的选频特性。为了便于调节振荡频率，常取,R1,=,R2,=,R,C1,=,C2,=,C,。,设,幅值,（8-11）,（8-9）,或,（8-10）,将式(8-7)代入(8-6)得,幅频特性,当 时，为最大，且,（8-12）,当 时，；,当,时，；,(,a),幅频特性,(,b),相频特性,图8-5,RC,串并联网络的频率特性,相频特性 (8-13),当 画成曲线如图8-5所示。,综上分析，当 时，幅值最,大，,相移为零，即,F,=0。,这就是说，当 时，,反馈电压 幅值最大，并且是输入电压的1/3,同时与输入电压同相位。,三、,RC,桥式正弦波振荡电路分析,(一)相位条件,因为为同相输入运放，与同相位 ，所以 ；再由图8-5(,b),知，当 时,；总之，满足相位平衡条件。,(二)幅度条件,由 得出。因为 ,所以 。又由稳幅环节,与,R3,构成电压串联负反馈，在深度负反馈条件下，所以,(8-14),由于电阻值的实际值存在误差，常需通过试验调整。,需要注意的是：,A,uf,3,是指,A,uf,略大于3。若,A,uf,远大于3，则因振幅的增大，致使放大器件工作到非线性区，输出波形将产生严重的非线性失真。而,A,uf,小于3时，则因不满足幅值条件而不能振荡。,(,三)振荡的建立与稳定,由于电路中存在噪声(电阻的热噪声、三极管的噪声等)，它的频谱分布很广，其中包含 这样的频率成分。这个微弱信号经过放大正反馈选频放大，开始时由于 ，输出幅度逐渐增大，表示电路已经起振，最后受到放大器件非线性特性的限制，振荡幅度自动稳定下来，达到平衡状态，并在 频率上稳定地工作。,(四)估算振荡频率,(五)稳幅措施,因为图8-3电路中的放大电路是集成运放组成的，它的输出电阻可视为零，输入电阻很大，可忽略对选频网络的影响。因此，振荡频率即为,RC,串并联网络的 。调节,R,和,C,就可以改变振荡频率。,为了进一步改善输出电压幅度的稳定性，可以在负反馈回路中采用非线性元件，自动调整反馈的强弱，以更好地维持输出电压幅度的稳定。例如，在图8-3中用一个温度系数为负的热敏电阻代替反馈电阻,R,f,。,当输出电压 增加时，通过负反馈支路的电流 也随之增加，结果使热敏电阻的阻值减小,负反馈增强,放大倍数下降从而使 下降。反之，当 下降时，由于热敏电阻的自动调节作用，将使 增大。因此，可维持输出电压 基本稳定。,非线性电阻稳定输出电压幅值的另一种方案是采用具有正温度系数的电阻来代替,R,3,，,其稳定过程读者可以自行分析。,图8-6 例8-1的电路图,稳幅的方法很多，读者可以参阅其他有关文献。,除了,RC,串并联桥式正弦波振荡电路外，还有移相式和双,T,网络式等,RC,正弦波振荡电路。只要在满足相位平衡条件的前提下，放大电路有足够的放大倍数来满足幅度平衡条件，并有适当的稳幅措施，就能产生较好的正弦波振荡。,因为,RC,正弦波振荡电路的振荡频率,f,0,和,RC,乘积成反比，如果需要较高的振荡频率，势必要求,R,或,C,值较小，这将给电路带来不利影响。因此，这种电路一般用来产生几赫兹至几百千赫兹的低频信号。若需产生更高频率的信号时，则应采用,LC,正弦波振荡电路。,LC,正弦波振荡电路,正弦振荡电路选频网络由,LC,谐振元件组成，称,LC,正弦波振荡电路。,LC,振荡电路产生频率高于,1,MHz,的高频正弦信号。根据反馈形式的不同，,LC,正弦波振荡电路可分为互感耦合式,(,变压器反馈式,),、电感三点式、电容三点式等几种电路形式。,1.,LC,并联谐振回路,在选频放大器中，经常用到图,7.5,所示的,LC,并联谐振回路。,图,7.5,LC,并联谐振回路,图,7.6,LC,并联谐振回路的谐振曲线,图,7.7,变压器反馈式,LC,振荡电路,图,7.8,电感三点式电路图,图,7.9,电容三点式电路图,图,7.10,所示为改进型电容三点式振荡电路。,图,7.10,改进型电容三点式电路,