第4章信号运算与处理电路第2讲v09.ppt
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第4章信号运算与处理电路,4.2有源滤波器,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得电子装置。
分类:
按所处理信号分,模拟滤波器,数字滤波器,按构成器件分,无源滤波器,有源滤波器,按频率特性分,低通滤波器,高通滤波器,带通滤波器,带阻滤波器,f,通,阻,按频率特性分类:
低通,f,阻,通,高通,f,阻,通阻,带通,f,通,阻,带阻,通,fp,fp,fp1,fp2,fp1,fp2,空载时,带负载时,无源滤波电路低通滤波器,负载变化,通带放大倍数和截止频率均变化。
无源滤波电路的滤波参数随负载变化;有源滤波电路的滤波参数不随负载变化,可放大,不能输出高电压大电流。
有源滤波电路,用电压跟随器隔离滤波电路与负载电阻,有源低通滤波器,频率趋于0时的放大倍数为通带放大倍数,决定于RC环节,表明进入高频段的下降速率为20dB/十倍频,
(1)一阶低通滤波器,对于LPF,频率趋于0时的放大倍数即为通带放大倍数。
求解传递函数时,只需将放大倍数中的j用s取代即可。
一阶LPF,经拉氏变换得传递函数,一阶电路:
幅频特性,为了使过渡带变窄,需采用多阶滤波器,即增加RC环节。
在Au(s)表达式分母中s的方次就是滤波器的阶数。
(2)简单二阶LPF,截止频率fp0.37f0,分析方法:
电路引入了负反馈利用“虚短”“虚断”求解输出电压与输入电压的关系。
(3)压控电压源二阶LPF,引入正反馈,为使fp=f0,且在f=f0时幅频特性按40dB/十倍频下降。
f0时,C1断路,正反馈断开,放大倍数为通带放大倍数;,f,C2短路,正反馈不起作用,放大倍数小0;,因而有可能在f=f0时放大倍数等于或大于通带放大倍数。
对于不同频率的信号正反馈的强弱不同。
压控电压源二阶LPF的分析,根据“虚短”“虚断”列方程,整理可得:
三、高通、带通、带阻有源滤波器1.高通滤波器(HPF),与LPF有对偶性,将LPF的电阻和电容互换,就可得一阶HPF、简单二阶HPF、压控电压源二阶HPF电路。
2.带通滤波器(BPF),3.带阻滤波器(BEF),fHfL,四、状态变量型滤波器,要点:
将比例、积分、求和等基本运算电路组合成自由设置传递函数、实现各种滤波功能的电路,称为状态变量型滤波器。
通带放大倍数决定于负反馈网络。
f0时负反馈最强,A1输出电压0;f时C相当于短路,A2输出电压0,电路开环,A1输出电压UOM,工作到非线性区;需引入负反馈决定通带放大倍数。
运算电路与有源滤波器的比较,相同之处电路中均引入深度负反馈,因而集成运放均工作在线性区。
均具有“虚短”和“虚断”的特点,均可用节点电流法求解电路。
不同之处运算电路研究的是时域问题,有源滤波电路研究的是频域问题;测试时,前者是在输入信号频率不变或直流信号下测量输出电压与输入电压有效值或幅值的关系,后者是在输入电压幅值不变的情况下测量输出电压幅值与输入电压频率的关系。
运算电路用运算关系式描述输出电压与输入电压的关系,有源滤波器用电压放大倍数的幅频特性描述滤波特性。
4.3电压比较器,电压比较器的功能:
电压比较器用来比较输入信号与参考电压的大小。
当两者幅度相等时输出电压产生跃变,由高电平变成低电平,或者由低电平变成高电平。
由此来判断输入信号的大小和极性。
用途:
数模转换、数字仪表、自动控制和自动检测等技术领域,以及波形产生及变换等场合。
知识点回顾,理想运放工作在非线性区(饱和区)的特点:
1.输出只有两种可能+UOM或UOM当u+u时,uo=+UOMu+u时,uo=UOM不存在“虚短”现象2.Rid=,i+=i0仍存在“虚断”现象,确定运放工作区的方法:
判断电路中有无负反馈。
若有负反馈,则运放工作在线性区;若无反馈,或有正反馈,则运放工作在非线性区。
非线性应用:
是指由运放组成的电路处于非线性状态,输出与输入的关系是非线性函数。
运放工作在开环状态或引入正反馈。
4.3电压比较器,
(1)单门限比较器
(2)迟滞比较器(3)窗口比较器,4.3.1单门限比较器,特点:
运放处于开环状态,参考电压为零。
当ui0时,uo=+UOM当ui0时,uo=-UOM,1.过零比较器,U-:
参考电压ui:
输入信号,当ui0时,uo=-UOL,ui从反相端输入,例:
过零比较器的输入为正弦波,画出输出波形。
+UOH,波形变换:
正弦波矩形波,电路改进:
用稳压管限幅的过零比较器。
设UZUOH、UZ|-UOL|,当ui0时,uo=+UZ当ui0时,uo=-UZ,2.任意门限比较器,4.3.1单门限比较器,令u-=u+=0得,UREF0,电压传输特性,Uopp,+Uopp,单门限比较器的其它形式:
阈值电压(门限电平):
输出跃变所对应的输入电压。
当u+u时,uo=+Uoppu+u时,uo=Uopp,即uiUR时,uo=Uopp,可见,在ui=UR处输出电压uo发生跃变。
参考电压,分析电压传输特性三要素的方法:
通过输出端所接限幅电路确定UOH和-UOL;令u-=u+解得的输入电压为门限电平UT;uo的跳变方向取决于ui作用于运放的哪一个输入端。
(1)输出电压高电平和低电平的数值UOH和-UOL;
(2)使uo从UOH跳变为-UOL或从-UOL跳变为UOH的输入电压阈值电压或门限电平UT;(3)当ui变化且经过UT时uo跳变的方向。
画电压传输特性,必须求出以下三个要素:
单门限比较器的抗干扰问题,UT,0,灵敏度高抗干扰能力差!
4.3.2迟滞比较器,电路结构特点:
引入正反馈运放工作在饱和区
(1)提高了比较器的响应速度;
(2)输出电压的跃变不是发生在同一门限电压上。
当uo=+UOM,则,uiU+,uo=UOM,uiU+,uo=-UOM,当uo=-UOM,则,uiU+,uo=-UOM,uiU+,uo=UOM,门限电压受输出电压的控制,两次跳变之间具有迟滞特性迟滞比较器,分别称UT+和UT-上下门限电平。
当ui增加时,输出由Uom跳变到-Uom对应的门限电平:
当ui减小时,输出由-Uom跳变到Uom对应的门限电平:
门限电平的估算:
定义:
门限宽度上下门限电平之差,例:
迟滞比较器的输入为正弦波时,画出输出的波形。
UR0,上下门限电平:
四、加上参考电压后的迟滞比较器,回差与UR有关吗?
迟滞比较器两种电路传输特性的比较:
例:
R2=10k,RF=20k,UOM=12V,UR=9V当输入ui为如图所示的波形时,画出输出uo的波形。
(1)首先计算上下门限电压:
(2)根据传输特性画输出波形图。
迟滞比较器电路的改进:
为了稳定输出电压,可以在输出端加上双向稳压管。
思考:
如何计算上下限?
思考题:
若将ui和UR的位置互换,则得到的同相输入迟滞比较器电压传输特性该如何分析?
上下门限电压:
当uo=+UOM时:
当uo=-UOM时:
传输特性:
4.3.3窗口比较器,uo1为高电平,uo2为低电平,uo=UOH,D3导通,D4截止,
(1)uiUH,
(2)uiUL,uo=UOH,(3)ULuiUH,uo=0,uo1为低电平,uo2为高电平,D3截止,D4导通,uo1为低电平,uo2为低电平,D3截止,D4截止,UH,UL,UOH,ui,uo,0,传输特性,
(1)窗口比较器有两个门限电平,输入电压单向变化时输出电压跃变两次,可检测出输入电压是否在两个给定值之间;,
(2)窗口电压,电压比较器总结,在电压比较器中,集成运放多工作在非线性区,输出电压只有高电平和低电平两种。
通常用电压传输特性来描述输出电压与输入电压的函数关系。
电压传输特性的三个要素是输出电压的高、低电平,阈值电压和输出电压的跃变方向。
1)输出电压的高、低电平决定于限幅电路;2)另u+=u-所求出的ui就是阈值电压;3)ui等于阈值电压时输出电压的跃变方向决定于输入电压作用于同相输入端还是反相输入端。
作业:
4.1、4.5、4.12、4.17、4.23,
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