第八章 信号处理电路
第8节信号处理电路
理想运放的差模输入电阻 rid
集成运放线性电路的结构特征是：从集成运放的输出端到其反相输入端存在反馈通路
8.2典型运算电路
8.2.1 比例运算电路
一、反相比例运算电路
iF
Rf
R
iN
-
uI
iI
N
A +
uO
iP
Rp
依据“虚断”的原则，可i得P iN 0
iC→ T
→
iE
-
A
+
uO
R′
输出电压为
uOuBEUTlnIuSIR
8.2典型运算电路
8.2.3 对数和指数运算电路
三、指数运算电路
R1
Rf1
uI1
R3
Rf2
R2 uI2
A1
uI3 R4
-
+
uO1
A2 +
uO
RP1 RP2
单级运放构成的加减运算电路中，阻值的选取以及比例系数的调整很
不方便。上图所示为采用两级运放实现的加减运算电路，其输出电压
分别为
uO
1Rf1uRI11
uI2 R2
uO R f2 u R I33u R O 4 1 R f2 R R f41 u R I11 u R I22 u R I33
利用同相比例运算关系求解输出电压
u O 1 R R f R 1 R 2 R / 2 R / 3 / R / 3 / R / 4 / R 4 /u I 1 R 2 R 1 R / 1 R / 3 / R / 3 / R / 4 / R 4 /u I 2 R 3 R 1 R / 1 R / 2 / R / 2 / R / 4 / R 4 /u I 3
电子技术基础与技能第八章 数字信号
3.集成逻辑门电路的选用 以上讨论了 TTL和CMOS两种集成逻辑门电路 ，在具体的应用中可以根据要求来选用相关的器件 。器件的主要技术参数有传输延迟时间、功耗、噪 声容限、带负载能力等。若要求功耗低、抗干扰能 力强，则应选用CMOS 电路。其中 CMOS4000 系 列一般用于工作频率在1 MHz 以下、驱动能力要 求不高的场合；HCMOS 常用于工作频率在20 MHz 以下、要求较强驱动能力的场合。 若对功耗 和抗干扰能力没有特殊要求，可选用TTL 电路。
13
第三节 逻辑门电路 逻辑门电路是数字电路中最基本的逻辑元件。 所谓门就是一种开关，它能按照一定的条件去控制 信号的通过或不通过。逻辑即是门电路的输入和输 出之间存在一定的因果关系。电路的输入输出端只 有两种状态：一是高电平，用“１”表示；二是低 电平，用“０”表示。为了便于理解，这里用简单 的开关控制灯的电路来说明基本逻辑门电路的真值 表、电路符号和逻辑功能。
3
4
5
二、脉冲波形 1.脉冲波形的主要参数图8-1脉冲波形的主要 参数在数字电路中，加工和处理的都是脉冲波形， 而应用最多的是矩形脉冲。下面以图8-1所示的实 际矩形脉冲来描述脉冲波形的主要参数。
6
（１）脉冲幅度Ｕｍ：脉冲电压波形变化的最大 值。
（２）脉冲上升时间ｔｒ：脉冲波形从０．１Ｕ ｍ 到０．９Ｕｍ 所需要的时间。 （３）脉冲下降时间ｔｆ：脉冲波形从０．９Ｕ ｍ 到０．１Ｕｍ 所需要的时间。 （４）脉冲宽度ｔｗ：脉冲上升沿０．５Ｕｍ 到下降沿０．５Ｕｍ 所需要的时间，单位与ｔｒ、 ｔｆ相同。 （５）脉冲周期Ｔ：在周期性脉冲中，相邻两个 脉冲波形重复出现所需要的时间，单位和ｔｒ、ｔｆ 相同。 7
（６）脉冲频率ｆ：每秒时间内，脉冲出现的 次数，单位为赫兹（Ｈｚ）、千赫兹（ｋＨｚ）、 兆赫兹（ＭＨｚ）。
数字信号处理电路分析
数字信号处理电路分析数字信号处理（Digital Signal Processing，简称DSP）是指对数字信号进行采样、量化、编码和计算等处理的技术。
数字信号处理电路（Digital Signal Processing Circuit，简称DSP电路）是实现数字信号处理功能的硬件电路。
1. 数字信号处理电路的基本原理数字信号处理电路由以下几部分构成：采样电路、模数转换电路、数字信号处理器和数模转换电路。
其基本原理如下：1.1 采样电路：将连续时间的模拟信号转换成离散时间的数字信号。
采样定理规定了采样频率应大于信号最高频率的两倍，以避免采样失真。
1.2 模数转换电路：将连续的模拟信号转换成对应的数字信号。
模数转换器的核心是模数转换器芯片，采用逐级逼近型模数转换器或者delta - sigma调制器。
1.3 数字信号处理器：对数字信号进行数学运算和算法处理的核心部件。
它可以用于音频、视频等信号的压缩、滤波、变换等处理。
1.4 数模转换电路：将数字信号转换为模拟信号，以便于输出到外部设备。
2. DSP电路常用应用及分析2.1 音频信号处理DSP电路广泛应用于音频设备中，如音乐播放器、音响等。
采用DSP电路可以对音频信号进行滤波、均衡、混响等处理，以改善音质和增加音效。
2.2 图像处理在数字相机、手机摄像头等设备中，DSP电路可用于图像处理，如去噪、增强对比度、调整颜色平衡等。
DSP电路的高速处理能力和算法优化可以提供更好的图像质量。
2.3 通信信号处理在通信领域，DSP电路被广泛应用于调制解调、编解码、信号压缩等方面。
采用DSP电路可以提高通信质量和信号处理的速度。
2.4 视频信号处理DSP电路在电视、监控摄像头等设备中也起到重要作用。
例如，DSP电路可以完成视频信号的编码、解码、去噪和增强，以提高图像质量和显示效果。
2.5 生物医学信号处理生物医学信号处理是DSP电路的重要应用领域之一。
通过DSP电路可以对生物医学信号进行滤波、去噪、生理参数提取等处理，为医学诊断和治疗提供支持。
信号处理电路的基本原理与应用
信号处理电路的基本原理与应用信号处理电路是现代电子系统中不可或缺的组成部分，它在无线通信、音视频处理、传感器技术等领域中扮演着重要的角色。
本文将探讨信号处理电路的基本原理与应用，并介绍其在实际应用中的几个典型案例。
1. 信号处理电路的基本原理信号处理电路是用来处理各种形式的信号，包括模拟信号和数字信号。
在模拟信号处理中，信号经过滤波、放大、混频等操作，使其满足特定的要求。
而数字信号处理则通过模数转换和数模转换将信号转化为数字形式，然后经过离散化处理和滤波等操作。
滤波是信号处理中常见的一种操作，它用于去除信号中的频率成分或噪声。
滤波电路可以采用各种不同的结构，如RC电路、RL电路、LC电路等，通过选择合适的元件参数和拓扑结构可以实现不同的滤波效果。
另一个重要的信号处理原理是放大。
放大电路用于增强信号的幅度，使其能够驱动后续电路或器件。
放大电路可以采用各种不同的放大器结构，如共射放大器、共基放大器、共集放大器等，通过选择合适的电路结构和参数可以实现不同的放大效果。
2. 信号处理电路的应用案例2.1 无线通信中的信号处理电路无线通信中的信号处理电路主要用于调制解调和信号解码。
调制解调电路将基带信号调制到无线载波上进行传输，而信号解码电路则用于从接收的信号中提取出原始的基带信号。
以FM调制为例，调制电路通过变化载波频率来实现信号的调制。
解调电路则通过频率鉴别器将接收到的信号还原为原始信号。
这些调制解调电路中包括了大量的信号处理电路，如滤波电路、放大电路、混频电路等。
2.2 音频处理中的信号处理电路音频处理中的信号处理电路主要用于音频信号的增强、降噪和效果处理。
例如，音频放大器用于增强音频信号的幅度，以便驱动扬声器产生更大的声音。
音频滤波器用于去除音频信号中的杂音和噪声，以获得更清晰的音质。
音频混响电路则用于模拟各种不同的音质环境，如大厅、卧室等。
这些音频处理中的信号处理电路满足了音响设备对音质和效果的要求。
信号处理电路基本原理解析
信号处理电路基本原理解析信号处理电路是电子电路中的一种重要组成部分，起着将输入信号进行改变、处理、转换的作用。
本文将解析信号处理电路的基本原理，介绍其工作原理和应用领域。
一、信号处理电路的概述信号处理电路是一种用于对输入信号进行采样、滤波、放大、调制/解调、编码/解码等处理的电子电路。
它可以将不同形式的输入信号转换为适合特定应用场景的输出信号，广泛应用于通信、音频、视频、生物医学等领域。
二、信号处理电路的基本原理1. 信号采样信号采样是将连续时间的信号转换为离散时间的过程。
常见的采样方式有脉冲采样和保持采样。
脉冲采样将连续信号通过间隔一定时间的脉冲信号进行采样，而保持采样则是通过保持电路将信号的幅值保持一段时间。
2. 信号滤波信号滤波是对输入信号进行滤波处理，以去除或弱化其中的噪声或干扰。
滤波器可以按照频率响应分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。
常用的滤波器类型有RC滤波器、LC滤波器、数字滤波器等。
3. 信号放大信号放大是将输入信号的幅值进行放大处理，以增加信号的强度，使其适合后续处理或驱动其他设备。
放大电路常采用放大器作为核心元件，常见的放大器有运放放大器、功放、差分放大器等。
4. 信号调制/解调信号调制是将输入信号与载波信号进行混合，通过改变载波信号的某些特性，实现对输入信号的编码和传输。
调制方式有调幅、调频、调相等。
解调则是将调制后的信号还原为原始信号的过程。
5. 信号编码/解码信号编码是将输入信号转换为特定的编码格式，以实现信号的传输和存储。
编码方法有模拟编码和数字编码等。
解码则是将编码后的信号还原为原始信号的过程。
三、信号处理电路的应用领域1. 通信系统信号处理电路广泛应用于通信系统中，包括无线通信和有线通信。
例如，在移动通信系统中，信号处理电路用于信号的解调和解码，实现语音和数据的传输。
2. 音频处理信号处理电路在音频处理中起着重要作用。
例如，在音频音响系统中，信号处理电路用于音频信号的放大、滤波和均衡等处理，以提高音频质量和音响效果。
信号的运算和处理电路
04 模拟-数字转换技术
采样定理与抗混叠滤波器
采样定理
采样定理是模拟信号数字化的基础， 它规定了采样频率应至少是被采样信 号最高频率的两倍，以避免混叠现象 的发生。
抗混叠滤波器
在模拟信号数字化之前，需要使用抗 混叠滤波器来滤除高于采样频率一半 的频率成分，以确保采样后的信号能 够准确地还原原始信号。
续时间信号在任意时刻都有定义，而离散时间信号只在特定时刻有定义。
02
周期信号与非周期信号
周期信号具有重复出现的特性，而非周期信号则不具有这种特性。周期
信号的频率和周期是描述其特性的重要参数。
03
能量信号与功率信号
根据信号的能量和功率特性，信号可分为能量信号和功率信号。能量信
号在有限时间内具有有限的能量，而功率信号在无限时间内具有有限的
平均功率。
线性时不变系统
线性系统
线性时不变系统的性质
线性系统满足叠加原理，即系统对输 入信号的响应是各输入信号单独作用 时响应的线性组合。
线性时不变系统具有稳定性、因果性、 可逆性、可预测性等重要性质。
时不变系统
时不变系统的特性不随时间变化，即 系统对输入信号的响应与输入信号的 时间起点无关。
卷积与相关运算
Z变换与DFT的关系
Z变换可以看作是DFT的推广，通过引入复变量z，可以将离散时间信号转换为复平面上的函数，从 而方便地进行频域分析和设计。
数字滤波器设计
01
数字滤波器的类型和特性
数字滤波器可分为低通、高通、带通、带阻等类型，具有 不同的频率响应特性。
02 03
IIR滤波器和FIR滤波器的设计
IIR滤波器具有无限冲激响应，设计时需要考虑稳定性和相 位特性；FIR滤波器具有有限冲激响应，设计时主要考虑 频率响应和滤波器长度。
数字逻辑电路
在各种集成门电路中，TTL电路和CMOS 电路应用最为普遍，现已被广泛应用在医学电 子仪器中。两种电路有着它们各自的特点和用 途，只有在了解工作原理的基础上，熟悉它们 的逻辑功能、外特性、主要参数及使用时应注 意的问题，才能正确的选取和使用它们。
第二节 双稳态触发器
前面讨论的各种门电路有一个共同的特点， 就是在某一时刻的输出状态只取决于当时的输 入状态。在数字电路中，还有另一类逻辑电路， 其输出状态不仅与当时的输入有关，而且还取 决于电路原来的状态，这种逻辑电路称为时序 逻辑电路(sequential logic circuit)。
从电路的结构来看，这种基本的与门电路有它的 局限性：①输出低电平时，其值比输入端低电平高一 个二极管的正向电压降，因此一个逻辑量连续通过 2~3个这样的门电路后，代表0值的低电平就不再符 合要求。②输出端为高电平时，向负载供应电流的能 力受电阻R的限制，负载电流过大时，R两端的压降 就不容忽视，代表1值的高电平就不再符合要求。③ 当输入端电平变化时，输出端电平的变化总是要落后 一定的时间。此时间主要是由二极管在导通状态和截 止状态之间的转换过程而产生的，称为门电路的延迟 时间。
为了扩展逻辑功能，由上述三种基本 逻辑门电路还可以组成多种复合门电路。如 与门和非门串联可组成与非门，或门和非门 串联可组成或非门，与门、或门和非门串联 组成与或非门等。实际应用的逻辑系统往往 具有较复杂的逻辑关系。它需要用一些基本 门电路和复合门电路组合起来，以实现一定 的逻辑功能。这种由若干个门电路组成的电 路称为组合逻辑电路。常用的组合逻辑电路 有编码器、译码器等，它们在数字电路中有 着广泛的应用。
1. 双极型集成门电路 双极型集成门电路以与非 门为基础。图为与非门的逻辑 符号及逻辑表达式，其逻辑关 系可解释为：当输入有低电平 “0”时，输出为高电平“1”； 当输入全为高电平“1”时，输 出为低电平“0”。
信号处理电路的作用与组成
信号处理电路的作用与组成
一、信号处理电路的作用一个典型的电子系应当包括三个部分：信号猎取、信号放大与处理、信号执行。
下图是一个微机组成的测控系统框图。
二、信号处理电路的组成
信号处理电路通常由放大器、滤波器和线性化处理等电路组成，它是A/D转换器或是显示器之前的必可少的电路。
下图是振动分析系统的(测电梯擅动)原理框图：
依据不同的传感器要求，信号处理电路能完成各种处理，如电荷/电压转换、电流/电压转换、频率/电压转换、阻抗变换等，并对变换后的电信号实现放大、有源滤波或运算。
其中电信号放大器也应依据不同的要求来选：电荷放大器、仪表用放大器、程控放大器、隔离放大器等。
PV-96电荷传感器：电荷灵敏度10000pC/g，AD544L输出灵敏度33V/ g，当C=300pF，R=100G，测试频率范围0.1～10Hz，噪声电平范围为0.6×10-6V，加速度测量范围为2×10-6～10-1 g。
目前，信号处理电路已设计成专用集成电路(ASIC)，它们有：可编程数据放大器、高共模抑制比隔离放大器模块、集成调制解调器、模拟开关、采样/保持器、开关电容滤波器等。
1。
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1
Uo
Ui
2 2 1 ( ) j o o
AF
1 1 (3 AF ) ， o 2 RC
传递函数中出现 的二次项,故称为二阶滤波器
幅频特性曲线
Uo
0
ui
2.滞回比较器(上行)
R
ui
R1
－+ +
R2
uo
当u+> u- =0 时, uo= +UOM 当u+< u- =0时, uo= -UOM
u+=0 时翻转，可以求出 上下门限电压。
当uo= -UOM
R2 R1 R ui U om 0 ui= U H 1 U om R1 R 2 R1 R 2 R2
带阻
一阶RC低通滤波器(无源) R
Ui
C
Uo
1 Uo j C 1 1 1 1 jRC Ui R 1 j j C 0
传 递 函 数
1 0 RC
1 2 1 ( ) 0
T( j)
1 1 j 0
幅 频 特 性
T( j)
幅频特性、幅频特性曲线
截止频率
C
1F 0.047 F 0.01 F
fo
16Hz 340Hz 1600Hz
8.1 有源滤波器
1.一阶有源低通滤波器
RF R1
R1 U Uo R1 R F
Ui
R
+ +
C
Uo
1 jC U Ui 1 R jC
1 Ui RC 1 jC
阶数越高，幅频特性曲线越接近 理想滤波器
AF -3db 理想低通 一阶低通 二阶低通 0
o
Uo
Ui
8.2 电压比较器
特点:运放处于 开环状态
当ui > UR时 , uo = +Uom
当ui < UR时 , uo = -Uom
uo ui UR
+
+
+Uom
uo 0
-Uom
UR
ui
UR为参考电压
+UOM ui
例题：利用电压比 较器将正弦波变为 方波。
ui
t
ui
+
+
uo
+Uom
uo
-Uom
t
用稳压管稳定输出电压
uo
ui
+
+
+UOM
uo
0
ui
-UOM
ui
+
+ UZ
uo
uo
+UZ -UZ 忽略了UF
0
ui
电压比较器的另一种形式： 将双向稳压管接在负反馈回路上
UZ
uo
ui
R
_ +
T( j)
Uo Ui
R
1 2 1 ( ) 0
Ui
C
Uo
1
0.707
此电路的缺点：
1、带负载能力差。
2、无放大作用。
3、特性不理想，边沿不陡。
0
0
截止频率
通频带宽度(带宽)
Uo Ui
带宽:0 - 0
0.707
1 0 RC
1
设R=10k,C为下列各值时的 带宽:
0
0
U o ( j )
传递函数：
Uo T( j) o i Ui U i ( j)
Uo T( j) Ui
U o ( j)
幅频特性 相频特性
() o i
滤波器分类(按频率特性进行分类)：
Uo Ui
低通
Uo Ui
高通
Uo Ui
Uo Ui
带通
低通 R1
RF + C
+
Uo
U U
传 递 函 数
Ui
R
Uo
RF 1 (1 ) – 1 R 1 1 jC Ui RC
幅频特性及幅频特性曲线 传 递 函 数
RF R1
Uo
RF 1 (1 ) 1 – R 1 1 jC Ui RC
+
Uo
R1
－+ +
R2
t
U+L
uo
Uom
t
-Uom
加上参考电压后的滞回比较器(下行) ： uo 传输特性 uo R ui +UOM
－+ +
R2
UR
R1
U+L
U+H
0
-UOM
ui
上下限：
UH UL
R1 R2 U om UR R1 R 2 R1 R 2 R1 R2 U om UR R1 R 2 R1 R 2
ui
1.双向稳压管接于输出端
RF
R限流电阻
t
一般取100
ui
R1
-
A +
R
u0
UZ +UF
+
uo
UZ稳压值, UF正向压降
t DZ
-(UZ +UF)
DZ双向稳压管
2.双向稳压管接于负反馈回路上
DZ
RF
传输特性
uo
+UOM UZ +UF
ui
R1
A + +
-
uo
0
-(UZ +UF) -UOM
ui
C
Uo
Uo RF 幅频特性： U (1 R ) i 1
1 2 1 ( ) 0
1+RF/R1
Uo Ui
1 (0 ) RC
相频特性： arg 0
0.707(1+RF/R1)
0
0
电路特点:
1、 0 时： U o (1 R F ) Ui R1
U R 1 2、 0 时： o (1 F ) Ui R1 2
R1 Uom UL U+ R1 R 2
滞回比较器(下行)(续)
ui
R
U+
R1
－+ +
R2
uo
设初始值: uo =+UOM ,
U+= U+H
设ui , 当ui = > U+H ,
uo从+UOM -UOM
uo
+Uom
这时, uo =-UOM ,
U+H
U+= U+L
U+L
0
-Uom
有放大作用
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。
2. 一阶有源高通滤波器
高通 R1
RF
Ui
+ +
R
UoLeabharlann R1 U Uo R1 R F
C
1 R jC U Ui 1 R jC
1 1 Ui – 1 jC
RC
U+H
0
-Uom
ui
加上参考电压后的滞回比较器(上行) ： 上下门限电压
UR
R
ui
R1
－+ +
R2
R1 R 2 uo U R 1 U H om UR
R2 UL
当uo= -UOM
R2 R1 R 2 R1 U om UR R2 R2
R2 R1 ui U om UR R1 R 2 R1 R 2
ui
UR
R
－+ +
R1 R2
uo
ui
10V
2V
uo
传输特性
uo
+UOM
+UOM
U+L 0 -UOM U+H
ui
-UOM
滞回比较器(下行)两种电路传输特性的比较: uo uo R +Uom ui U+
R1
－+ +
R2
U+L
0
-Uom
U+H
ui
uo ui
UR
R1 R2 R
－+ +
uo
U+L U+H
U U
传 递 函 数
Uo
RF 1 (1 ) RC R 1 1 jC Ui
传递函数中出现 的一次项,故称为一 阶滤波器
幅频特性及幅频特性曲线 传 RF 1 递 Uo (1 ) 函 RC R 1 1 jC U Ui i 数
RF R1
R
+ +
Ui
+ C R
Uo RF 幅频特性： U (1 R ) i 1
Uo Ui
1 1 ( 0 0 )2
1+RF/R1
0.707(1+RF/R1)
0
0
3.二阶有源低通滤波器
RF R1