第八章模拟信号处理电路.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,*,1,第八章 模拟信号处理电路,本章教学要求,：,1.,掌握单限比较器、迟滞比较器和窗口比较器的工作原理和计算方法，了解集成比较器的性能指标和应用电路,2.,掌握正弦波振荡电路、方波产生电路的工作原理，熟悉主要指标的计算，了解精密整流电路的工作原理,3.,了解滤波器的特点和分类，掌握一阶有源滤波器的分析方法，理解二阶有源滤波器的工作原理及性能指标,4.,理解开关电容滤波器的工作原理，了解集成开关电容滤波器（,MAX260/261/262,）的工作原理、主要性能和管脚功能,2,8-1,电压比较器,比较器,是一种用来,比较,输入信号,u,i,和参考信号,U,REF,大小的,器件,，广泛用于信号处理电路和检测电路、波形产生电路、,A/D,和,D/A,转换电路等。,8-1-1,单门限电压比较器,u,i,U,REF,u,id,u,o,图为基本电路。参考电压,U,REF,加于运放的反相端,，它可以是正值，也可以是负值，图中给出的为正值。输入信号,u,i,加于运放的同相端,，,运放处于,开环工作状态,，具有很高的开环电压增益。电路的传输特性如图所示,U,REF,U,OL,u,i,理想情况下，比较器输出,只有两个状态,：,运放立即进入,正,饱和状态，,运放立即进入,负,饱和状态，,使比较器输出电压,从一个电平跳变到另一个电平,时所对应的,输入电压,称为,门限电压或阈值电压,，用 表示,如果,u,i,从反相端输入,，,U,REF,接同相端,，则为,反相单门限电压比较器,，其传输特性为,门限电平,U,th,=U,REF,由于该比较器,u,i,从同相端输入,且,只有一个门限电压,，故称为,同相单门限电压比较器,。,如果,U,REF,=0,，这时,u,i,每次过零时，,u,o,就要产生突然的变化，则为,过零比较器,。,3,8-1-2,迟滞比较器,单门限电压比较器具有电路简单、响应速度快等优点，但其抗干扰能力差。当,输入信号在门限电压附近有微小的干扰时,，,输出电压将产生相应的抖动,，输出错误的阶跃，导致比较器输出不稳定。,1.,迟滞比较器的传输特性,迟滞比较器就是一个具有,迟滞回环,传输特性的比较器。在理想情况下，迟滞比较器的传输特性为,假设比较器的,起始状态为,u,i,=0,，,u,o,=U,OH,，门限电压为,U,th+,当输入电压,u,i,从零开始增加,，直到接近上门限电压,U,th+,前,，,u,0,=U,OH,不变,。当,u,i,增加到,略大于,U,th+,，则,u,o,下跳为,U,OL,，门限电压变为,U,th-,，,u,i,再增加，,u,o,=U,OL,不变,当输入电压,u,i,减小时,，直到接近下门限电压,U,th-,前,，,u,0,=U,OL,不变,。当,u,i,减小到,略小于,U,th-,，则,u,o,上跳为,U,OH,，门限电压又变为,U,th+,，,u,i,再减小，,u,o,=U,OH,不变,为门限宽度,4,2.,迟滞比较器的电路构成及门限电压估算,将单门限电压比较器的输出电压通过,反馈,网络加到运放的,同相输入端,，形成,正反馈,，而待比较电压从反相端输入，就构成了具有双门限值的,反相输入迟滞比较器,，又称,施密特触发器,，如图所示,u,i,U,REF,u,o,R,1,R,2,由于,正反馈的作用,，这种比较器的,门限电压,是随输出电压的变化而,变化的,。,当,u,o,=U,OH,时，根据叠加定理，,U,OH,和,U,REF,共同加到同相输入端形成的合成电压为,当,u,i,由,小增大至略大于,U,+,时，,u,o,将从,U,OH,下跳,为,U,OL,，可见,U,+,为迟滞比较器的,上门限电压,，即,U,th+,=U,+,当,u,o,由,U,OH,下跳为,U,OL,时,，运算放大器,同相输入端的电压,也将相应,改变,，为,当,u,i,由,大减小,至,略小于,时，,u,o,将从,U,OL,上跳,为,U,OH,，可见 为比较器的,下门限电压,，即,U,th-,=,。,迟滞比较器的,迟滞宽度,（或门限宽度）为,调节,R,1,和,R,2,，可以改变迟滞宽度,U,5,8-1-3,窗口比较器,窗口比较器用来判断输入信号是否处于指定门限之间，其理想传输特性如图所示,当输入信号,u,i,位于下门限,U,th-,和上门限,U,th+,之间,时，输出,u,o,=U,ol,；而当输入信号,小于下门限电压,U,OL,或大于上门限电压,U,OH,时，输出均为,U,OH,。,一种,窗口比较器电路,如图所示,图,8-7,窗口比较器电路,2,1,A,1,A,2,R,R,R/2,R,R,R,R/4,V,D2,V,D1,A,1,为精密整流电路,，,A,2,为过零检测器,，其中,A,2,反相输入端的输入信号有,4,个，、和 ，同相输入端接地。,1.,当,u,i,-U,REF1,0,，即,u,i,0,，即,u,i,U,REF1,时,运放,A,1,反相输入端电压为正，则其输出电压为负值，此时,V,D2,截止,，,V,D1,导通,，这时 为,窗口比较器电路简化为,A,2,R,R,R/4,R,这时,A,2,的反相端信号为,u,i,、,U,REF1,、,U,REF2,、，因此：,即,当,所以，上门限电压为,当,即,窗口的宽度为,平板电脑推荐,7,8-1-4,单片集成比较器,集成电压比较器具有精度高、传输时延小、兼容逻辑电路、使用方便等优点，得到了广泛的应用，,1.,单电压比较器,LM311,LM311,能,5V,至,30V,单电源,工作，,或,15V,双电源,工作，可以,驱动,DTL,（二极管晶体管逻辑）、,RTL,（电阻晶体管逻辑）、,MOS,逻辑，也可用于驱动继电器、灯或螺线管。,2.,低功率低失调双电压比较器,LM393,LM393,是由两个独立的、,高精度电压比较器,组成的集成电路，失调电压低。它专为获得,宽电压,范围、单电源供电而设计，也可以,双电源供电，无论电源电压大小，电源消耗的电流,都很低。,其工作特性如下：,电源电压范围宽：单电源,2.0V,至,36V,；双电源,1.0V,至,18V,电源电流消耗低：,0.4mA,输入偏置电流低：,25nA,输入失调电流低：,5nA,最大输入失调电压：,3mV,差模输入电压范围等于电源电压,输出电平兼容,TTL,、,DTL,、,ECL,（发射极耦合逻辑）、,MOS,和,CMOS,逻辑,8,3.,四电压比较器,LM339,LM339,集成块内部装有,四个,独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：,（,1,）,失调电压小,，典型值为,2mV,；,（,2,）,电源电压范围宽,，单电源为,2.0V,至,36V,，双电源电压为,1.0V,至,18V,；,（,3,）,差动输入电压范围较大,，大到可以等于电源电压；,（,4,）输出端电位可,灵活方便,地选用。,比较器其应用电路,R,1,+U,CC,U,EE,上拉电阻,R,R,1,+U,CC,R,2,R,3,上拉电阻,R,单限比较器,迟滞比较器,9,u,i,U,REF,u,o,R,1,R,2,例,8-1,比较器电路如图所示，已知：,R,1,=10K,，,R,2,=5K,，,U,REF,=3V,，比较器输出电压,u,o,为,9V,。试画出比较器的传输特性曲线，并求出门限宽度；若 ，试画出比较器输出波形。,解,：（,1,）先求出上下门限电压，根据电路可知，,当 时,当,时,所以可得门限宽度为：,比较器传输特性曲线,0,1,5,9,9,（,V,）,（,V,）,时,输出波形,t,t,9,9,5,1,10,10,8-2,波形产生与波形变换电路,8-2-1,波形产生电路,1.RC,正弦波振荡电路,RC,正弦波振荡电路有,RC,桥式,振荡电路、,移相式,振荡电路等类型，这里介绍,桥式振荡电路,放大电路为,同相放大器,，,u,i,=u,f,，其电压增益为,A,f,=(1+R,f,/R,1,),R,C,R,C,该电路由两部分组成：,放大电路,A,f,和,反馈选频网络,F,。,A,R,、,C,串并联电路组成,选频网络,并构成,正反馈网络,，其反馈系数为,B=Z,2,/(Z,1,+Z,2,),。,根据前述，电路只有满足,幅度平衡,和,相位平衡,条件才能发生自激振荡。,先讨论相位平衡条件,。由电路可知，当,u,f,和,u,o,的相位差为零时，电路为正反馈,，满足自激振荡的相位条件。,由图可见，,Z,1,、,Z,2,和,R,f,、,R,1,正好形成一个四臂电桥，电桥的,一对,对角线,顶点,接到运算放大器的,两个输入端,，另,一对,对角线,顶点,接到放大器,输出端,和地。因此这种振荡电路被称为,桥式振荡器,，也称,文式电桥振荡器,。,11,RC,选频网络的频率特性,4,R,R,C,C,+,+,RC,选频网络的反馈系数为,其中,所以可得,令,，则有,所以选频网络的,幅频特性,和,相频特性,12,振荡频率和幅度平衡条件,由相频特性可知,时,电路的输出电压,u,o,与反馈电压,u,f,同相，满足相位平衡条件，而其它频率信号则不满足相位平衡条件，不可能产生自激振荡，因此，,RC,串并联选频网络所确定的电路,振荡频率,为,改变,R,、,C,的值可以调节,f,0,的大小。,现在分析一下电路的起振条件。当,=,0,时，反馈（选频）网络幅频响应的幅值最大，即,根据幅度条件，,知,要维持自激振荡必须有：,A=3,实际上，振荡电路若要产生振荡总是要有一定的输入信号，否则就不可能产生最初的输出信号。在振荡电路,刚接通,电源时，电路内部会产生一个,微小的电冲击,，这就是,最初的输入信号,。若要使该冲击中的某个频率成分被放大，以致电路起振，就必须满足 。,在电路中，,R,f,一般为具有,负温度系数,的热敏电阻，这样随着,输出电压的增加,，放大电路的电压,增益就会下降,，达到一定幅度时，,A,uf,=3,，电路达到,平衡状态。,因此，同相比例放大电路的电压增益,要略大于,3,，电路才能起振，输出正弦波。,是电路起振条件,13,2.,方波产生电路,方波产生电路输出只有,两个暂态,，即不是,高电平,就是,低电平,，而且两个暂态自动地相互转换，从而产生自激振荡。由于方波包含丰富的谐波，因此这种电路又称为,多谐振荡电路,。,A,C,由图可知，方波发生电路由,反相迟滞比较器,和,RC,电路,组成。,RC,电路既作为,延迟环节,，又作为,反馈网络,，通过,RC,充放电实现输出状态的自动转换。,设迟滞比较器的,输出电压为,U,Z,，则,门限电压,为,其中,接通电源的瞬间，电容,C,的初始电压为,0,，电路,输出电压,是高电平或低电平,是随机的,，假设 ，则运放的同相输入端电位,（,1,）电容,C,正向充电,由于,u,o,为高电位，,u,C,=0,，所以，,u,o,通过,R,f,对电容,C,正向充电,，使,u,C,增加,，当上升到,略大于,U,th,时，比较器输出电压,发生翻转,，由,U,Z,变为,U,Z,，同相端的,门限电压,也由,FU,Z,变为,FU,Z,。,14,放电过程,（,2,）电容,C,反向放电,由于,u,o,为低电位，,u,C,=FU,Z,，所以，,u,o,通过,R,f,对电容,C,反向放电,，使,u,C,减小,，当减小到,略小于,U,th,时，比较器输出电压,发生翻转,，由,U,Z,变为,U,Z,，同相端的,门限电压,也由,FU,Z,变为,FU,Z,。,上述过程,周而复始,，电路产生了,自激振荡,，形成一系列的方波输出，整个过程为：,充电过程（,U,c,=0,开始）,稳定振荡后，根据一阶,RC,电路的充电响应可得,当,时，,求解可得,若,则有,或,通常将矩形波高电平的持续时间与振荡周期,T,之比称为,占空比,，,对称方波的占空比为,50,改变充放电时间常数，可,改变,输出电压的,占空比,，其,反馈支路,为,V,D1,V,D2,振荡周期为,15,例,8-2,图为一方波和三角波发生器电路，方波由,A,1,输出，三角波由,A,2,输出，试分析其工作过程，并画出输出波形,u,o,1,和,u,o,。,R,1,R,f,A,1,10k,0.1,F,2DW7C,20K,3.9K,6.8K,10K,150K,150K,u,o1,u,o,A,2,解,：由图可知，,A,1,为过零比较器,，,A,2,为积分电路,。当,u,1+,0,时，,u,o1,为高电平,，,u,o1,=U,Z,+U,D,；当,u,1+,0,时，二极管,V,D1,导通，由于运放的反相端“虚地”，被钳位于,-0.7V,左右，,V,D2,截止，,u,o,=0,；,输入、输出波形为,当,u,i,0,时，二极管,V,D1,截止，在,V,D2,导通前，运放开环，放大倍数极大，很小的,u,i,就可使大到足以使,V,D2,导通，所以，,u,i,0,时，,V,D1,截止，,V,D2,导通，所以，,u,o,=u,i,。,当,u,i,0,时，,A,uf,(,),减小,，该频率范围内的信号受到抑制,其幅频特性曲线如图所示。,-20dB/,十倍频程,理想,10,1,-20,-3,0,实际,一阶低通有源滤波器的,性能比无源滤波器好,，,但,该电路通带与阻带之间的,界限仍不明显,，它的衰减率只是,20dB/dec,，滤波,性能仍然不理想,，一般只用于对滤波要求不高的场合。,高,通滤波器和,低,通滤波器具有,对偶关系,，将低通电路中的,R,、,C,交换位置,，就可,得到一阶高通,有源滤波器。,23,8-3-3,二阶有源滤波器,二阶低通有源滤波器,A,A,R,C,R,C,图为二阶低通有源滤波器，它由,两节,RC,滤波电路和,同相放大,电路组成。,对于同相放大电路，有,而同相输入端电压与,A,点电压的关系为,在,A,点，由,KCL,，可得,可得该,频率特性,为,频率特性分析,24,幅频特性分析,令,则有,其中,0,为截止角频率，,Q,称为,等效品质因数,。,所以，该二阶低通滤波器的幅频特性为,=0,时，,A,uf,(0)=A,uf0,；,时，,A,uf,()0,；,=,0,为截止角频率,。其幅频特性曲线为,10,1,20,10,0,-3,-10,-20,-30,-40,Q=10,5,2,1,0.707,0.5,Q,对特性曲线的影响,，由图可见，当,Q=0.707,时，曲线较平坦，而当,Q0.707,时，将出现峰值，且,Q,值越大峰值越高,，故,Q=0.707,时的曲线是一条较理想的响应曲线。,二阶低通有源滤波器衰减率为,40 dB/dec,，其滤波,性能,远,优于一阶低通,有源滤波器。,25,例,8-4,已知截止频率,f,H,=100Hz,，试选择和计算二阶低通滤波电路的参数。,解,：选择二阶有源滤波电路如图所示,A,A,R,C,R,C,（,1,）选择电容,C,的容量，计算电阻,R,的阻值。,通常选择,C,的容量在微法级以下,，,R,一般为几百千欧以内,，这里选择,C=0.047uF,，则,由 可得,（,2,）求,R,1,、,R,f,的值。,由上面的分析可知，当,Q=0.707,时，该二阶低通滤波器有理想的响应曲线，即,由此可得,因此有,根据平衡条件,R,f,/R,1,=R+R=67.726 K,可求得,R,1,=183.299K,，,R,f,=107.413K,。,（,3,）取标称值,（,4,）联调修正参数。,R=33K,，,R1=180K,，,Rf=110K,26,二阶高通有源滤波器,根据高通和低通滤波器的,对偶关系,，将图低通滤波器电路,R,、,C,的位置调换,，就可得到二阶高通有源滤波器，如图所示。,A,R,C,R,C,幅频特性曲线为,频率特性为,幅率特性为,10,1,20,10,0,-3,-10,-20,-30,-40,Q=10,5,2,1,0.707,0.5,27,8-4,开关电容滤波器,以上介绍的有源滤波器需要,很大的电容,和,非常精确的,RC,时间常数,，因此，很难,做成单片集成的,IC,电路,。随着,MOS,工艺的迅速发展，由,MOS,开关电容和运放,组成的开关电容滤波器,很好解决了上述问题,，,8-4-1,基本原理,在很,高频率的充放电,状态下，电路,两节点之间的电容可以等效为一个电阻,，开关电容滤波器正是建立在这一概念上。,R,1,C,2,2,1,C,1,C,2,2,1,+,例如一有源,RC,积分器中的,电阻,，可用,一个接地电容,和,两个,MOS,晶体管构成的,开关来代替,。,28,等效电阻的基本原理,C,1,C,2,2,1,+,图中两个,MOS,开关受,两个不重叠的时钟,信号驱动，时钟波形为。,在,1,期间,，,1,所对应的,开关导通,，,2,所对应的,开关断开,；,在,2,期间则相反,。,时钟,2,阶段,，电容接至运算放大器的输入端，此时,电容放电至电压为零,（虚地），将先前的电荷全部转移到上,C,2,上。,在,时钟,1,阶段,，,电容,接通输入信号源，被,充电至,u,i,。充电电荷为,由此可见，每一个时钟周期内，,电荷从输入信号源中被取出,，然后,提供给积分电容,，因此输入节点,1,和虚地节点,2,之间流过的平均电流为,如果,T,C,非常短,(,f,C,远大于信号频率），则,可以认为上述过程是连续的,，因而可以在两节点之间定义一个,等效电阻,，即,由此可得积分器的等效时间常数为,因此，决定滤波器时间常数,不是电容,的,绝对数值,，而是,时钟周期,和,电容比值,。在,MOS,工艺里，电容的比值可精确地控制在,0.1%,以内。,29,8-4-2,同相开关电容积分器和反相开关电容积分器,同相积分电路,当,1,为高电平,时，,V,2,、,V,4,截止，,V,1,、,V,3,导通，,u,i,对,C,1,充电,。假设,u,C1,的参考方向如图所示，当,u,i,为正,时，充电结果,u,C1,为负电压,。,C,V,1,V,4,V,2,V,3,C,1,C,2,当,2,为高电平时，,V,1,、,V,3,截止，,V,2,、,V,4,导通，,u,C1,加到运放的反相端,，使,u,o,为正，从而,u,o,与,u,i,同相,，,反相积分电路,C,1,C,2,V,1,V,4,V,2,V,3,当,1,为高电平,时，,V,2,、,V,3,截止，,V,1,、,V,4,导通，,u,i,对,C,1,充电,，,u,o,对,C,2,反向充电,。当,u,i,为正,时，充电结果,u,C1,为正电压，,u,o,为负,，,u,o,与,u,i,反相,。,当,2,为高电平,时，,V,1,、,V,4,截止，,V,2,、,V,3,导通，,C,1,被短路,，,u,C1,为零，,准备下一次被充电,。,30,8-4-3,实际电路,积分器,1,积分器,2,反相器,C,1,C,2,R,6,R,5,R,R,4,R,R,3,图为有源,RC,双积分环电路，积分器,2,和反相器级联构成一个同相积分器。对于输入信号来说，,u,bp,具有,二阶带通,特性，而,u,Lp,具有,二阶低通,特性。,用开关电容等效电路替换每一个电阻,便可得到如上图所示的有源,RC,双积分环电路，即,开关电容带通滤波器,电路和,低通滤波器,电路。,B,C,1,C,5,C,6,C,3,C,2,C,4,R,6,R,5,R,4,R,3,同相积分,31,8-4-4,单片集成开关电容滤波器,MAX260/261/262,是,MAXIM,公司采用,CMOS,工艺制造的,开关电容通用滤波器,。它是一种含微处理器的,可编程通用有源滤波器,，可由微处理器精确控制滤波器函数，构成巴特沃思、切比雪夫、贝塞尔、椭圆函数等类型的低通、高通、带通、带阻和全通滤波器，且均,不需要外部元件,，具有电路实现简单、参数调整方便、不受外部参数影响的优点。在程序控制下，可以实现,滤波参数的动态变化,，应用方便、灵活。,MAX260/261/262,原理图,滤波器二阶组件框图,MAX260/261/262,由,两个二阶滤波器,（,A,和,B,）、,两个可编程,ROM,及逻辑接口,组成，,每个滤波器,部分又包括,两个级联的积分器和一个加法器,。,32,电路的主要特性,（,1,）配有滤波器设计软件，带有微处理器接口；,（,2,）可控制,64,个不同的中心频率、,128,个不同的品质因数,Q,及四种工作模式；,（,3,）对中心频率和品质因数,Q,可独立编程；,（,4,）时钟频率与中心频率比值（,f,0,/f,clk,）可达到,1%,（,A,级）；,（,5,）中心频率的范围为,75KHz,（,MAX262,）。,MAX260/261/262,的引脚排列,33,MAX260/261/262,各管脚的功能,V+,：,正电源,输入端；,V-,：,负电源,输入端；,GND,：,模拟地,；,CLK,A,：,外接,晶体振荡器和滤波器,A,的,时钟输入端,，在滤波器,内部,，时钟频率,被,2,分频,；,DLK,B,：滤波器,B,的,时钟输入端,，在滤波器,内部,，时钟频率,被,2,分频,；,CLK OUT,：晶体振荡器和,RC,振荡的,时钟输出端,；,OSC OUT,：与晶体振荡器或,RC,振荡器相连，,用于自同步,；,IN,A,，,IN,B,：滤波器的,信号输入端,；,BP,A,，,BP,B,：,带通,滤波器,输出端,；,LP,A,，,LP,B,：,低通,滤波器,输出端,；,HP,A,，,HP,B,：,高通、带阻、全通滤波器输出端,；,：,写入有效输入端,。为,V+,时，输入数据无效；为,V-,时，数据可通过逻辑接口 输入，以完成滤波器的工作模式、,f,0,及,Q,的设置；,A,0,、,A,1,、,A,2,、,A,3,：,地址输入端,，用来完成对滤波器的工作模式、,f,0,及,Q,的设置；,D,0,、,D,1,：,数据输入端,，用来对滤波器的工作模式、,f,0,及,Q,的,相应位进行设置,；,OP OUT,：,MAX261/262,的,放大器输出端,；,OP IN,：,MAX261/262,的放大器,反相输入端,。,34,滤波器的工作模式、,f,0,及,Q,的设置,如图所示，,2,位数据,值,在,4,位地址位的控制下,可在 的下降沿,经逻辑接口,给滤波器,A,、,B,中的,f,clk,/f,0,、,Q,及工作模式控制字分别,赋予不同的值,，从而实现各种功能的滤波。,其地址分配表为,各种滤波器参数的设置参见相关资料,