第2章 基带传输系统设计方案
图2-4 用NE5532构建的低频语音前置放大器
图2-4中，C1、C2用来隔直流。其系统函数
H（S）=Uo/Ui=
s2R1C1C2(Rf?RF)?sR1C1sR1RfC1C2?sR1C1?sRfC2?12 （2-1）
由于其幅频特性不好描述，常用软件进行刻画，考虑到该式中含有多个变量，需根据设计要求大致确定各变量的取值才能进行画出图形，以便评估。该电路预期设计指标包括：闭环放大倍数101，通带频率20-2000Hz，输入信号Ui=10mV-80mV（有效值）。具体确定参数范围需用到以下几个关系式： 基本关系式1
f=GB/KF （2-2）
其中f为主极点频率，KF为闭环放大倍数，GB为闭环单位增益频率。 基本关系式2
1fL1?2?C2Rf （2-3）
其中fL1是由C2决定的下限频率（幅频特性中-3dB对应的频率）。 基本关系式3
fL2?12?C1R1 （2-4）
其中fL2是由C1决定的下限频率，fL1< KF=1+RF/Rf （2-5） 其中KF为闭环放大倍数，通常取R1=Rf。 基本关系式5 RF?(kF?1)RIDRO/2 （2-6） 7 第2章 基带传输系统设计方案 其中RID为差模输入电阻，Ro为输出电阻。 有了以上关系式可以初步确定电路参数。具体分为以下几步： a 确定电源电压 NE5532的GB=10MHz，输入电阻RID=1MΩ，输出电阻RO=75Ω，闭环放大倍数KF=101，则主极点频率f可由式（2-2）确定，求得f=99KHz>>2KHz，满足上限频率的要求。由于Uo最大值为2×（101×0.08）=11.42V（幅值），电源电压应大于11.42V，取±15V。b选择RF、Rf、R1 NE5532的输入电阻RID=1MΩ，输出电阻RO=75Ω，则RF可由式（2-6）确定，求得RF=61.23KΩ,取62KΩ。由式（2-5）求得Rf=620Ω，则R1=Rf=620Ω。 c确定C1、C2 根据要求fL2=20Hz，由式（2-4）求得C1=12.8uF，取C1=10uF。fL1=fL2/10=2Hz，由式（2-3）求得C2=128uF，取C2=100uF。 经过上述步骤就确定了电路中的所有参数，见表2-3。 表2-3 低频语音前置放大器的参数 电源电压/V ±15 RF/ KΩ 62 Rf/Ω 620 R1/Ω 620 C1/ uF 1M? C2/ uF 100 然后由式（2-1）用MATLAB对该电路的幅频特性进行仿真，程序代码见附录一，仿真结果如图2-5所示。 图2-5 低频语音前置放大器幅频特性 观察可知其系统函数所描绘的是截止角频率约为100rad/s（即截止频率约16Hz）的放大器，放大倍数为40dB(100倍)，对低于20Hz信号有比较陡峭的衰减，基本满足对低频部分的要求，但对高频信号没有衰减作用，在下一节中将设计一低通滤波器以达到抗混叠的效果。 8 第2章 基带传输系统设计方案 2.1.2 抗混叠滤波器的设计 （1）滤波器类型的选择[4] 如果用模拟电路直接对模拟信号进行处理则构成模拟滤波器，它是一个连续时间系统。如果利用离散时间系统对数字信号（时域离散，幅度量化后的信号）进行滤波，则构成数字滤波器。除了模拟和数字这两大类滤波器外，还有一类对离散信号（仅时间离散，未转换成数字信号）进行处理的滤波电路，其中“开关电容滤波器”具有一定的代表性。由于本系统对滤波要求的精度不是很高，为简化设计，采用模拟滤波器的方案。 常用的模拟滤波器有无源LC滤波器和有源的RC滤波器两类。在工作频率较低的情况下，无源LC滤波器表现出明显的缺点。此时，电感元件体积、重量较大，而且电感Q值下降。RC有源滤波器则适用于低频场所。本设计属于低频设计，采用RC有源滤波器。 （2）RC有源滤波器的实现方案[5] [6] RC有源滤波器包括电阻、电容、运算放大器以及由此导出的电压控制电压源（VCVS）、回转器、积分器、比例放大器和加法器等，无电感电路。常见的VCVS有两种，如图2-6所示。 图2-6 常见的VCVS （a）正增益VCVS （b）负增益VCVS 图2-6（a）是正增益VCVS，其增益 k=V2/V1=1+R2/R1 （2-7a） 当R2=0，R1=∞时，即电压跟随器。 图2-6（b）是负增益VCVS，其增益 k=V2/V1=-R2/R1 （2-7b） 和无源滤波器一样，有源滤波器的实现也是综合系统函数 B(s)bmsm?bm?1sm?1?...?b1s?b0 （2-8） H(s)??nA(s)s?an?1sn?1?...?a1s?a0当m≤n时 H(s)?H1(s)H2(s)...Hk(s) (2-9) 其中k≤n。 子系统 9 第2章 基带传输系统设计方案 （2-10） RC有源滤波器利用放大器负反馈，使H（s）产生共轭极点，不仅可以靠近jΩ，形成良好选频特性（用于滤波），甚至可以移至虚轴形成振荡（作信号源）。 RC有源滤波器有两种实现方法: a直接法，直接将H（s）综合得到电路； b级联法，将子系统Hj（s）逐级实现后级联。 本设计采用级联法，典型电路是单级正反馈电路，它是可以实现不同滤波特性的双二阶电路。它由RC梯形电路与有源VCVS共同组成，其一般结构如图2-7(a)所示,其中Y1，Y2，Y3，Y4是电阻或电容，r和（K-1）r用以调节所需要的增益K，图2-7（b）是其等效电路。 图2-7 双二阶单级正反馈电路实现及其等效电路 （a）实现电路 （b）等效电路 其系统函数 Ha(s)?KYYV213 (2-11) ?V1Y4(Y1?Y2?Y3)?Y3(Y1?Y2)?KY2Y3用R-C元件代入Y1-Y4，就可以构造出具有不同滤波特性的双二阶系统函数Ha（s）。 （3）RC有源滤波器参数的确定 这一部分用到的抗混叠滤波器属低通滤波器，而具有低通滤波特性的双二阶系统函数Ha（s）的一般表达式为 Av?c2V2 A(s)? （2-12） ?V1s2??cs??2cQ其中A（s）为传输函数，即Ha（s），Av为电压增益，ωc为截止角频率，Q为品质因数。 采用R-C情况如图2-8所示。 10 第2章 基带传输系统设计方案 图2-8 双二阶单级正反馈低通滤波电路 图2-8所示的电路也是VCVS电路，其中运放为同相输入，输入阻抗很高，输出阻抗很低，滤波器相当于一个电压源，故称VCVS电路，其优点是电路性能稳定，增益容易调节。这一电路对理想滤波器的逼近方式，同样有巴特沃斯最平坦逼近法和切比雪夫等波纹逼近法等，实际采用的是巴特沃斯最平坦逼近法，图2-9所示的是其一般幅频特性。 图2-9 巴特沃斯低通滤波电路幅频特性 具体的系统函数表达式为 V2? （2-13） 1111V1s2?[??(1?AV)]s?R1CR2CRCRR1C2C121Av1R1RC2C1 A(s)?由式（2-12）和式（2-13）联立方程组 ?c2? 1R1R2C1C111 （2-14） ??(1?AV)RRR1C1C2C21R1R2C1C?cQ?Av?只根据设计指标fc,Av,Q确定电路参数R1，R2，C，C1的值是相当困难的。通常是先设定一个或几个元器件的值，再由式（2-14）求其他元器件值。设定的元器件越 11
无线对讲机设计(基带信号处理单元)毕业论文
