信号处理电路

比较器中的集成运放一般工作在非线性区， 处于开环状态或引入正反馈。
比较器的输出只有两种可能的状态：高电平 或低电平，为数字量，而输入信号是连续变化的 模拟量，因此比较器可作为模拟电路和数字电路 的“接口”
分类：过零比较器、单限比较器、 滞回比较器及双限比较器
§4.2.1 过零比较器
uO +UOpp
集成电压比较器内部电路结构框图
集成电压比较器的类型：
1、按一个集成组件内包含的比较器数目：单比较 器、双比较器、四比较器等
2、按信号响应速度：可分为高速、中速、低速电 压比较器
3、按集成制造工艺：可分为双极性和CMOS型电压 比较器
4、按性能指标：可分为精密电压比较器、高灵敏 度电压比较器和低功耗、低失调电压比较器等
滞回电压比较器又称施密特触发器。这 种比较器的特点是当输入信号ui逐渐增大或逐 渐减小时，它有两个阈值，且不相等，其传输 特性具有“滞回”曲线的形状。
滞回电压比较器通过引入上、下两个门 限电压，以获得正确、稳定的输出电压。
电压比较器有两个门限电平，故传输特 性呈滞回形状 。
UREF 为参考电压；输出电压 uO 为 +UZ 或-UZ；
1 (
f
Aup )2
j
1

f0
f0
Qf
§7.1.4 带通滤波器(BPF)
将一个低通滤波电路和一个高通滤波电 路串联连接即可组成带通滤波电路， fh > fL 能组成带通电路。
BPF的构成方法: BPF构成的总则是LPF与 HPF相串联，LPF与HPF串联有如下两种情况
1、将有源LPF与有源HPF两级直接串联。 用这种方法构成的BPF通带宽，而且通带截止频 率易调整，但所用元器件多
uO 为高电平
uO
O
UTL
UTH
uI
(a)
双限比较器
(b)
§7.2.5 集成电压比较器
集成电压比较器可以输出高、低电平，但它内 部加入了电平移动和数字驱动电路，因此可与数字 电路直接相连，作为A/D转换器的一个核心部件，集 成电压比较器的电路结构框图如下图所示
对集成电压比较器的主要要求： 1、具有较高的开环差模增益 2、具有较快的响应速度 3、具有较高的共模抑制比和允许共模输入电压较高 4、具有较低的失调电压、失调电流及较低的温漂
一、无源低通滤波器：低频信号能通过而高频信 号不能通过的滤波器
电压放大倍数为
Au

Uo Ui
1 1 j
f
f0
图 7.1.2
f0

1 2RC
——通带截止频率
电路缺点：电压放大倍数低，带负载能力差
解决办法：有源滤波器。
二、一阶低通有源滤波器：
电压放大倍数
Au

Uo Ui

1 RF R1
§7.1.3 高通滤波器(HPF))
一、高通滤波器是指高频信号能通过而低频信号不 能通过的滤波器，将低通滤波器中起滤波作用的 电阻、电容互换，即成为高通有源滤波器
其通带截止频率：
1 f0 2RC
无源高通滤波器
二阶有源高通滤波器
Au
Uo Ui
1 (3
( jRC)2 Aup Aup )jRC ( jRC)2

Aup
1 ( f )2 j 1 f
f0
Q f0
Aup

1
RF R1
f0

1 2RC
1 Q
3 Aup
一阶、二阶低通有源滤波电路幅频特性的比较：
20 lg Au / dB Aup
-0
理想特性 －20dB/十倍频
-20
-40
0.1
1
－40dB/十倍频 f
10
f0
低通滤波器的幅频特性
它主要由差动输入级、电平转换级、输出 逻辑电平和控制级（具有集电极开路结构的输 出级）以及偏置电路几个基本部件组成。其特 点是输出的高、低电平分别与数字电路的逻辑 “1”和逻辑“0”电平相等，能与TTL、DTL、HTL、 CMOS等数字电路的电平兼容，有些比较器输出 还可直接驱动继电器帮指示灯等。而且电源的 选用范围较大：单电源或双电源；电源电压在 几伏至几十伏之间，使用简单方便。
O
uI
-UZ -UOpp
为了使比较器输出的正向幅度和负向幅 度基本相等，可将双向击穿稳压二极管接在电 路的输出端或接在反馈回路中。
§4.2.2 单限比较器
单限比较器有一个门限电平，当输入电压等于
此门限电平时，输出端的状态立即发生跳变。
当输入电压 uI 变化，使反相输入端的电位为
零时，输出端的状态将发生跳变，门限电平为：
窗口比较器可用两个阈值不同的电平 比较器组成，电路如图 。
若 uI 低于 UREF2 ，运放 A1 输出低电平，A2 输
出高电平，二极管 VD1 截止，VD2导通，输出电压
uO 为高电平 若 uI 高于 UREF1 ，运放 A1 输出高电平，A2 输
出低电平，二极管 VD2 截止，VD1 导通，输出电压
两端总的的稳定电压为 UZ < UOpp 当 uI < 0 时，不接稳压管时， uo= + U0PP ，接
入稳压管后，左边的稳压管被反向击穿，集成运放的
反向输入端“虚地”， uo = + UZ 当uI >0时，右边的稳压管被反向击穿，uOuo= - UZ +UOpp +UZ
利用稳压管限幅的过零比较器
uI 为输入电压。
当 u+ = u- 时，输出电压的状态发生跳变。
u

RF R2 RF
U REF

R2 R2 RF
uO
uO +UZ
比较器有两个不同的门限电 平，故传输特性呈滞回形状。
UT-
O
UT+ uI
-UZ
滞回比较器
滞回电压比较器用于控制系统时主要优 点是抗干扰能力强。当输入信号受干扰或噪 声的影响而上下波动时，只要根据干扰或噪 声电平适当调整滞回电压比较器两个门限电

f0 ) f
f0

1 2RC
——中心频率
Aup

Auo 3 Auo
QAuo
——通带电压放大倍数
Auo
1
RF R1
Q 1 3 Auo
§7.1.5 带阻有源滤波电路（BEF）
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。
一个低通滤波电路和一个高通滤波电路并 联连接组成的带阻滤波电路，fh< fL能组成带阻 电路
1 j f
Aup 1 j f
f0
f0
优Au点p ：1通 带RRF1电压放大(倍a)数电路得图到提高 (b)对数幅频特性
缺点：当f≥f0时，幅频特性衰减太慢，以 -20dB／10倍频程的速率下降，与理
想的幅频特性相比相差甚远
解决办法：采用二阶低通有源滤波器。
三、二阶低通有源滤波器：
(a)电路图
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2-36V，双电源电压
为±1V-±18V 3、对比较信号源的内阻限制较宽 4、共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo 5、差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压 6、输出端电位可灵活方便地选用。
单限比较器电路
一、CJ0710
高速集成电压比较器电路原理图
CJ0710内部包括三个放大级差动输入级：
差动放大输入级：VT1、VT2、VT3，采用恒 流源式差分放大电路，因而具有较高 的共模抑制比。
共射放大中间级：VT4，具有较高的电压放 大倍数。
输出级：VT7、VT8、VDZ2，共集电极放大电 路。
二、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，
(b)对数幅频特性
幅频特性在f≥f0时，以-40dB／10倍频程的速 率下降，衰减速度快，其幅频特性更接近于理想特 性，为进一步改善滤波波形,常将第一级的电容C接 到输出端，引入一个反馈。这种电路又称为赛伦-凯 电路
Au

Uo Ui

1 (3
Aup
Aup )jRC
(jRC )2
第四节 信号处理电路
内容提要 1、介绍滤波电路的作用和分类，并 阐明各种有源滤波电路的工作原理和 输入-输出关系 2、介绍几种典型的电压比较器的工 作原理、传输特性和用途
§4.1 有源滤波器
§4.1.1 滤波电路的作用和分类
滤波器的功能：对频率进行选择,过滤掉噪声 和干扰信号，即有用频率信号通过，无用频率信 号被抑制的电路。
Aup
)
f f0
Aup
f0

1 2RC
——Hale Waihona Puke Baidu心频率
Aup

1
RF R1
——通带电压放大倍数
Q f0
1
B 2(2 Aup )
A&u

1
Aup
j1 Q
ff 0
f
2 0

f
2
§4.2 电压比较器
电压比较器简称比较器，其基本功能是对两 个输入电压进行比较，并根据比较结果输出高电 平或低电平，据此来判断输入信号的大小和极性
BEF构成的总原则是LPF与HPF相并联， BEF构成的原理框图如图所示
Ui
低通
Uo
20lg Au
高通
O 低通 f1
f
20lg Au
O 20lg Au
高通 f
f2
通阻通
O
f1
f2
f
带阻滤波器原理示意图
带阻滤波器的典型电路
1 ( f )2
Au
1(
f0
f f0
)2

j2(2

本节小结
1、掌握各种电压比较器的工作原理和传输 特性
2、正确理解二阶低通滤波电路的工作原理 及其对数幅频特性
3、了解其他各种滤波电路的特性及工作原 理
d
分类： 按处理 硬件滤波 方法分 软件滤波
按构成 无源滤波器 按所处理 模拟滤波器 器件分 有源滤波器 信号分 数字滤波器
低通滤波器 按频率 高通滤波器 特性分 带通滤波器
带阻滤波器
按传 递函 数分
一阶滤波器 二阶滤波器
:
N 阶滤波器
滤波器的理想特性和实际滤波器特性
§7.1.2 低通滤波器(LPF)
2、将两节电路直接相联，其优点是电路 简单
Ui
低通
高通
Uo
20lg Au
O
低通
f2
f
20lg Au
O
高通
f
f
20lg Au
1
O
阻
f
通
阻
f
f
1
2
带通滤波器原理示意图
带通滤波器电路及幅频特性
Au
(3
Auo Auo ) j(
f f0

f0 ) f
1
Aup jQ( f
f0
用LM339组成振荡器
下图为用1/4LM339组成的音频方波振荡器的电 路。改变C1可改变输出方波的频率。本电路中， 当C1=0.1uF时。f=53Hz；当C1=0.01uF时， f=530Hz；当C1=0.001uF时，f=5300Hz。
LM339还可以组成高压数字逻辑门电路，并可 直接与TTL、CMOS电路接口。
单限比较器
传输特性
过热检测保护电路
1/4LM339的反相输入端 加一个固定的参考电压， 它的值取决于R1、R2。 UR=R2/（R1+R2）*UCC。 同相端的电压就等于热 敏元件Rt的电压降。当 机内温度为设定值以下 时，“+”端电压大于“-”端电压，Uo为高电位。当温度 上升为设定值以上时，“-”端电压大于“+”端，比较器 反转，Uo输出为零电位，使保护电路动作，调节R1的值 可以改变门限电压，既设定温度值的大小。
O
uI
-UOpp
简单的过零比较器
理想运放的开环差模增益为无穷大
当 uI < 0 时，uO= + UOPP ； 当 uI > 0 时，uO = - UOPP ； UOPP 为集成运放的最大输出电压。
阈值电压：当比较器的输出电压由一种 状态跳变为另一种状态所对应的输入电压。
设任何一个稳压管被反向击穿时，两个稳压管
平UT+ 和UT- 的值，就可以避免比较器的输出
电压在高、低电平之间反复跳变。
§4.2.4 双限比较器
双限比较器又称为窗孔比较器。它的 特点是输入信号单方向变化，可使输出电压 uo跳变两次，其传输特性如图所示，它形似 窗口，称为窗口比较器。窗口比较器提供了 两个阈值和两种输出稳定状态可用来判断uI 是否在某两个电平之间。
滤波电路传递函数定义
A(s) Vo (s) Vi (s)
vI (t)
滤波电
vO (t)
路
s j 时，有 A(j ) A(j ) ej( ) A(j ) ( )
其中 A(j ) —— 模，幅频响应 () —— 相位角，相频响应
时延响应为 ( ) d( ) (s)
UT

u


R1 R2
U REF
uO +UOpp
+UZ

R1 R2
U REF
O -UZ
uI
单限比较器
-UOpp
单限比较器的作用：检测输入的模拟信号是否达 到某一给定电平。
缺点：抗干扰能力差。
解决办法：采用具 有滞回传输特性的比 较器。
存在干扰时单限比较器的 uI、uO 波形
§4.2.3 滞回比较器