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1、电子技术常见问题释疑电子技术常见问题释疑晶体滤波器一、 概述自从一九一七年第一只LC滤波器问世以来，滤波器已经有六十年的历史。实用中主要有：LC滤波器，晶体滤波器，机械滤波器，陶瓷滤波器，有源滤波器和数字滤波器。LC滤波器是由电感和电容元件组成的最古老的滤波器。LC滤波器的最大优点是相对频率大，组合也比较灵活，能按不同的功能构成低通，高通，带通，带阻等各种滤波器。缺点是体积大，重量达，Q值不高和选择性不够高。机械滤波器：构成机械滤波器的基本元件叫机械振子。振子的Q值可达之高，温度系数也达/的数量级。缺点是加工精度要求高，电路变换不灵活。数字滤波器的优点是精度高，缺点是复杂。有源滤波器主要优点是

2、体积小，尤其在低频段。弱点主要有稳定性不高，有附加杂音和可用的频带上限不高。陶瓷滤波器的基本元件是压电陶瓷谐振体，Q值大概为506000左右。这种滤波器的优点是体积小，重量轻，造价低，相对带宽范围比较大，上限可达20%，下限加电容后可达0.02%。缺点是稳定性和可靠性不够好。晶体滤波器于一九三五年出现，它由压电晶体构成。压电晶体的Q值可高达以上。因此，做出的滤波器具有异常陡峭的衰减特性，这正是晶体滤波器的突出优点。它的另一优点是稳定性好。晶体的频率温度系数可达/的数量级，而电感的温度系数一般只有/。由于这些优点，晶体滤波器迅速地在高频和其他要求选择性高的领域取代了LC滤波器。晶体滤波器的缺点是

3、相对频宽很小，其上限约为0.5%左右。其次，晶体的切割制造工艺较复杂，晶体材料稀有而且价格昂贵。由于这些缺点，晶体滤波器主要用在带宽要求较窄，过滤带特性要求陡峭的地方。晶体滤波器经历了石英晶体谐振器组成的分立元件式的晶体滤波器，单片晶体滤波器及声表面波滤波器几个过程。二、 单片晶体滤波器1. 概述单片晶体滤波器与普通式分立晶体滤波器相比，有很多优点。如：由于集成化，其体积小，温度稳定性和机械稳定性好，生产周期短，适合大量生产，成本低。单片晶体滤波器多半是做成带通式的，也可以做成带阻式的。做成带阻式时，是将单片晶体滤波器和LC网络组合而成。2. 工作原理单片晶体滤波器是一种能够实现电滤波函数的压

4、电器件。在压电材料的基片上，镀上若干对有确定位置和一定形状的电极。通过“正”和“逆”压电效应，检出机械振动波。如图1所示： 图1当一定频率的电信号加到输入谐振器上时，由于逆压电效应，在输入谐振器的内部将产生相应频率的厚度振动模。又因晶体片无电极区（C区和U区）的频率高于有电极区（S区）的频率，于是在S区和C区（或U区）的边界上将产生反射，并在S区内形成厚度振动膜的驻波。所以S区的厚度振动膜不能自由地通过C区传到相邻的谐振器上，而只能在C区内呈指数形式的衰减，这就叫“能陷效应”。但是，这种在C区逐渐衰减的振动膜，能在相邻谐振器之间进行有限的耦合，在相邻谐振器内形成厚度振动膜的驻波。通过这种耦合，

5、振动膜将依次地被传送到压电基片的输出谐振器上。在输出谐振器上通过正压电效应，将机械振动波变换成电信号输出。这样，就可以按滤波要求有目的地通过正确的设计，来确定每个谐振器的几何尺寸，镀回频率及谐振器之间的距离，来控制机械振动波在压电基片上的传播，从而达到将电信号进行滤波的目的。集成式晶体滤波器主要用于通讯系统。在宇航工程中，单片晶体滤波器是卫星通信中的重要元件。在电话频率划分多路传输系统中，作为信道滤波器使用。此外还可用于导频选择。在地面，航海和航空的移动无线电设备中，尤其是频率范围从5MHz到50MHz的中频滤波器，应用非常广泛。三、 声表面滤波器声表面滤波器是利用具有压电效应的晶体制作的。当

6、在输入端换能器的压电材料电极上输入交流信号后，由于压电效应会产生弹性变形而发出机械波（声波），即可把电信号转为声信号。该信号沿着基片表面，以声速传播。声表面滤波器具有频率响应平坦，矩形系数好，带外抑制性能好等特点。它的使用不仅简化了电路结构，减少了分立元器件，而且提高了整机参数的一致性和可靠性。声表面滤波器在彩色电视机中应用较多，如电视图像中频滤波器，电视伴音滤波器，电视频道残留边带滤波器等。目前，声表面滤波器是有线电视系列中实现邻频传输的关键器件。声表面滤波器的检测方法：用万用表挡测量声表面滤波器各引脚之间的正，反向电阻值。正常时，只有与金属外壳相接的引脚之间的电阻为0，其余各引脚之间的电阻

7、值均为无穷大。若检测结果与此不符，则说明该声表面滤波器已损坏。便携式仪器仪表电源的设计在很多的便携式仪器仪表中，经常要遇到使用多种电源，如+5V 和+12V混用的情况，而便携设备由于空间的要求，只能有一组电源，而且只能使用两节电池或三节电池，因此无法直接满足产品应用的要求。为此，我从网上找到了一个单电源变换多种电源输出型式的例子。1 便携式仪表的硬件结构 便携式仪表通常是一个由单片机及其外围器件构成的,具有多种输入输出形式的单片机系统,其硬件的一般结构如图1所示。将其按照功能模块划分并分析各模块电源需求如下： 图1 便 携 式 仪 表 硬 件 的 一 般 结 构 传感器模块包括传感器及其驱动电

8、路和传感器输出信号处理电路。传感器及其驱动电路通常以模拟电路为主,输出信号处理一般使用V/F转换器件或模数转换器件,因此传感器模块通常的电压需求为5V或5V。 人机对话的输入输出模块包括LCD显示和键盘输入驱动电路。LCD显示输出除了需要提供5V工作电压外,一般还需要提供对比度调节电压,LCD显示器有正、负极性之分,不同的显示器需要的对比度调节电压也不同,一般在28V之内。 单片机及其接口模块作为整个系统的核心,单片机要连接和管理其他的模块,与不同的模块连接,就会用到不同的接口。例如,不少便携式仪表提供微型打印机接口,将信息打印出来;很多便携式仪表上都有非易失存储单元,即使断电仍能长时间保留历

9、史信息;另一些便携式仪表提供RS232串行通信接口,可以将保留的数据输出到PC机中,做更高级的分析和处理,或是实时将测量数据传递给上位机,由上位机处理并完成相应的实时控制功能。这一模块使用到的都是各种IC芯片,一般来说都要求3.3V或5V。 从以上的分析可以看出,系统中各个模块对电源的要求是不同的,电源模块就是要将单一的电池电源转换成能使系统中的各模块正常工作的多种电源输出。便携式仪表体积虽小,却是一个很完整的系统,在设计便携式仪表的硬件时,首先应尽量使各模块的电源需求一致。比如传感器模块有5V的电压需求,那么在单片机及其接口器件的选择时,就应尽量选择5V供电的IC芯片。 尽管如此,设计时仍不

10、可避免地会遇到两种甚至两种以上的电源需求,这就是电源模块要解决的关键问题,其中主要是解决LCD显示器的对比度调节电压的输出。设计电源模块时要根据不同的电源输入输出要求选择相应的集成电源稳压变换器件,在满足电源要求的前提下,使外围电路尽可能的简单,体积尽可能小。 2 电源稳压变换器件 市场上可供选择的电池规格多种多样,除了较常规的1.2V（或1.2V整数倍）的镍镉充电电池（电池组）、1.5V和9V的干电池和3.6V的锂电池以外,还有各种特殊的3、4.5、5、6V和12V的电池可供选择,但从使用者更换或购买备用电池方便性的角度考虑,应尽可能使用互换性更好的普通电池。 完成电源稳压变换可供选择的集成

11、电源器件主要有如下几类：低压差线性稳压器件、通用开关型稳压器件、多功能或专用的电源器件、电压基准器件,还有用于确保电源正常供电的各类电源监控管理器件。 便携式仪表本身的功耗较小,一般要求的电源输出功率不大,从体积上考虑,与电路中的其他器件一样选用IC芯片,而不宜选用传统的线性稳压器件;对于电池供电的系统,由于经过一段时间的放电后,电池电压总会有一定程度的下降,这时电源模块应仍能保持稳定的输出电压,这就要求电源模块对输入电压的要求不能太苛刻,即允许输入电压在一定范围内变化;一般都要求双电压输出。 在各种集成电源器件中,通用开关型集成稳压器件有较高的电源效率,适应较宽的输入电压范围,容易通过变换,

12、产生多种类型的输出电压,非常适合于使用电池供电的系统,因此在便携式仪表产品中有着广泛的应用。 这类DC/DC转换器件按控制方式不同,可以分为脉冲宽度调制式（PWM）、脉冲频率调制式（PFM）和开关电容泵式;按输入电压不同可以分为升压式、降压式和可分别工作于升压和降压两种状态的转换器;按输出电压不同可以分为单一固定/可调电压输出和多路固定/可调电压输出。 脉冲宽度调制式（PWM）转换器工作于固定的开关频率,其滤波电路的设计较简单;脉冲频率调制式（PFM）转换器在小功率输出时可望获得较低的静态电流;开关电容泵式转换器的外围电路简单,适用于小输出电流的电源变换1。 从外围电路的复杂程度来看,固定电压

13、输出的比可调电压输出的简单,单一电压输出的比多路电压输出的简单。以下给出一便携式仪表电源模块的设计实例。 3 应用实例 该便携式仪表要求使用两节5号干电池,提供10V的LCD对比度调节负电压,5V传感器驱动电路和其他器件电源,输出工作电流为200mA。根据这个单电源输入双电压输出的电源要求,针对不同的系统硬件条件,给出两种不同电源变换电路的方案。 3.1 使用双电压输出升压DC/DC变换器MAX1677完成 MAX1677适用于需两种可调电源的便携式仪表。其主要性能为： 允许的输入电压范围为0.75.5V; 主输出2.55.5V（可调电压输出）,或工厂预设值3.3V输出,最大输出电流可达350

14、mA; 第二输出可为LCD对比度调节提供2828V范围内的电压; 电源效率可达95; 16脚QSOP封装,体积很小,不需要外部场效应管。 其他性能还包括： 20A静态工作电流; 1A关断维持电流; 电池欠电压监测2。 由于MAX1677输入电压范围（0.75.5V）较大,可以依据不同系统提供的安装电池空间和所需的不同电池电压与容量,灵活地选择电池的种类,比如13节普通干电池、碱性电池、镍镉充电电池或1节锂电池均可以使系统正常工作。使用MAX1677的电源模块实际电路原理图如图2所示。 图2 MAX1677电 源 变 换 电 路 原 理 图 图2中的一些电路参数的说明如下： 磁芯电感L1、L2可

15、选用CoilCraft（线艺）的DO1608C-103表贴磁芯电感,电感值为10H; 肖特基二极管D1、D2也可选用其他型号,只要反向耐压大于16V即可; 电阻R1和R2的比值决定了LCD对比度输出的电压值VLCD（对应图中的VOUT2）,关系式为R1=R2|VLCD|/1.25V,其中R1的取值范围为500k2M; 电阻R3和R4的比值决定了主输出电压值VOUT(对应图中的VOUT1),关系式为R3=R4(VOUT/1.25V)1,其中R4的取值范围为10200k; 电阻R5和R6的比值决定了系统欠电压监测的门槛电压值VTRIP,关系式为R5=R6(VTRIP/0.614V)1,其中R613

16、0k。 当电池电压正常时,电池电压过低输出管脚LBO（Low-BATTERYOutput）输出保持高电平;一旦电池电压低于门槛电压VTRIP时,LBO管脚输出变为低电平。如果不使用欠电压监测的话,只需将第3管脚（LBI）接地。 使用0805表贴元件,则此电源模块在电路板上实际尺寸只有22mm17mm。此电源模块的应用比较灵活,可以根据实际系统的需要,按照以上关系式选取相应的电阻值,得到需要的电压输出。 3.2 使用单电压输出的DC/DC变换器从系统中其它器件上借用辅助电源 对于电路中还包括RS-232串行接口的系统来说,还有一种仅使用单输出DC/DC电压变换器件就能满足上述要求的电源处理方法：

17、选用单电压输出DC/DC变换器得到5V输出,使用MAX202E完成RS-232串行接口,借用其内部的双路电荷泵电压转换器的负电压输出为LCD提供对比度调节负电压。一般来说,单一的电池电源输入得到单一的5V输出的DC/DC升压正电压变换器件品种很多,选择的余地较大,外围电路也更简单一些,这里不作特别说明。以下主要给出借助MAX202E得到10V电压输出的方法。 MAX202E是5V供电的双路RS-232驱动器,它的内部还包含了5V及10V的两个电荷泵电压转换器,其中倍压输出电荷泵使用电容C1,在输出滤波电容C3上得到10V输出;倒相电荷泵使用电容C2,在输出滤波电容C4上得到10V输出;电压输入

18、的旁路电容为C5;正常的使用中,这5个电容都可以使用普通的0.1F电容,其典型电路连接如图3所示。 图3 MAX202E典型电路连接原理图 MAX202E允许电荷泵产生的10V作为电源输出,当借用电荷泵的倍压输出或倒相输出作电源使用时,只需增大相应的电荷泵电容C1或C2（10F以内）,就可以维持器件的工作性能;若相应的输出滤波电容C3或C4选用更大的电容值（10F以内）,则可减小电源的输出阻抗。使用这种方法也不失为一种简化外围电路的好办法上述的电路中，我并没有在实际应用中进行过调试，但整体看来功耗并不大，而且在便携设备中所要求的输出功率也不很大，因此基本上应该满足要求。另外，相似的变换电路还有

19、很多。同时也有DC/DC 转换器将单一的+5V可以转换成+/-5V，同时提供出很大的输出电流供大电源设备使用。放大器中的正反馈与负反馈。答：将放大器的输出信号，按一定路径回送到放大器输入端的过程称为反馈。反馈放大器由基本放大器和反馈网络组成。 X1 X2 X3 X4反馈放大器的组成图基本放大器的增益（开环增益）为A，反馈放大器的增益（闭环增益）为B，则B=A/(1+T)，其中T为环路增益，T=X4/X2。F=1+T，为反馈深度。X2X1的反馈称为正反馈。负反馈具有自动调节作用，它是以牺牲放大器增益为代价的。例如，由于各种原因使A变大，则X3就会变大，那么X4也会增大，致使X2减小，从而抑制X3

20、的增大。这样起到自动调节作用。而正反馈没有自动调节作用。1、 放大器的负反馈的四种类型以及负反馈性质和反馈类型的判别？答：负反馈的四种类型：电压并联反馈，电流串联反馈，电压串联反馈，电流并联反馈。电压反馈：在输出端，凡是反馈网络与基本放大器并接，反馈信号取自负载上输出电压，称为电压反馈。电流反馈：在输出端，凡是反馈网络与基本放大器串接，反馈信号取自负载中电流，称为电流反馈。串联反馈：在输入端，凡是反馈网络与基本放大器串接，实现电压比较的反馈，称为串联反馈。并联反馈：在输入端，凡是反馈网络与基本放大器并接，实现电流比较的反馈，称为并联反馈。放大器负反馈性质和反馈类的型判别：首先，从实际电路中找出

21、将输出信号回送到输入端的反馈元件从反馈元件在放大器输入和输出端的连接方式来判别反馈类型(电流反馈、电压反馈、串联反馈、并联反馈)。确定有输入端信号经放大器和反馈元件后产生的反馈电压极性或反馈电流流向，并将它与输入信号比较，看其是否削落加到放大器输入端的净信号来判别反馈的性质。凡是削落净输入信号的为负反馈，增强将输入信号的为正反馈。3、滤波电路的功能是什么？什么是有源滤波电路和无源滤波电路？答：滤波电路的功能是使特定频率范围内的信号顺利通过，而阻止其他频率信号通过，也就是说对于信号的频率具有选择性。若滤波电路仅有无源元件(工作时不需要外加电源的叫有无源器件，例如电阻、电容、电感)组成，则称为无源

22、滤波电路。若滤波电路不仅由无源元件，还由有源元件(工作时需要外加电源的叫有源器件，例如双极型管、单极型管、集成运放)组成，则称为有源滤波电路。按照滤波电路的工作频带，可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、全通滤波器。什么是电流传输器（Current Conveyer）？简要介绍它的分类及工作原理。答：1968年，加拿大学者K.C.Smith和A.Sedra提出了一个新的模拟标准器件电流传输器（Current Conveyer，简称CC）。电流传输器是四端（或五端）集成器件，它是最早被提出来的电流模式万用功能块。电流传输器是一种功能很强的标准部件，将电流传输器与其它电子元件组合可以十分方便地

23、构成各种特定的电路结构，实现多种模拟电路处理功能，在这一点上电流传输器与通用电压模式运算放大器使相似的。电流传输器主要有第一代电流传输器和第二代电流传输器，分别简称为CC和CC，其框图如图1所示。图1.电流传输器的框图CCI型电流传输器的输出输入关系为其工作过程为：若电压vy加在Y输入端, 则在X输入端将出现相等的电压, X端电压跟随Y端电压变化，表现为vx=vy；若有一输入电流ix流进X输入端, 则在Y输入端将产生等量的流进的电流iy, 流进Y端的电流跟随流进X端的电流变化，表现为iy=ix；Z端电流等于X端电流，表现为X端电流被等量地传送到Z输出端，极性由电路设计可以选择，即iz=ix。C

24、CII型电流传输器的输出输入关系表示为其工作过程为：若电压vy加在Y输入端, 则在X输入端将出现相等的电压, X端电压跟随Y端电压变化，表现为vx=vy；Y输入端流进的电流iy若恒等于零，与X端输入电流ix无关；Z端电流等于X端电流，表现为X端电流被等量地传送到Z输出端，极性由电路设计可以选择，即iz=ix。1. 如何快速判断负反馈的反馈组态？答：（1）判断电压反馈与电流反馈：若负载电阻直接接地，则反馈为电压反馈；若负载电阻不接地或间接接地，则反馈为电流反馈。如图2所示，负载电阻接地，故反馈为电压反馈；如图3所示，没有直接接地而是通过电阻R接地，故反馈为电流反馈。（2）判断串联反馈与并联反馈：

25、若反馈网络输出端接地后反馈到输入端，则反馈为串联反馈；若反馈网络输出端不接地直接反馈到输入端，则反馈为并联反馈。如图2所示，反馈网络输出端接地后反馈到输入端，故为串联反馈；如图3所示，反馈网络输出端不接地而直接反馈到输入端，故为并联反馈。图2图33.数字和模拟电路应当如何接地？答：接地应遵循以下原则：（1）若为低频模拟电路，加粗和缩短地线；单点接地，可有效防止由于地线公共阻抗而导致的部件之间的互相干扰。而高频电路和数字电路，地线的电感效应较严重，单点接地会导致实际地线加长，故应多点接地和单点接地相结合。（2）高频电路还应考虑如何抑制高频辐射噪声。方法如下：应尽量加粗地线，以降低噪声对地阻抗；大

26、面积（满）接地，即除传输信号及电源的印制线以外，其余部分全覆铜作为地线，但不要留有死的无用大面积铜箔。（3）地线应构成环路，以防止产生高频辐射噪声，但环路面积不可过大，以免产生较大的感应电流。注意若为低频电路，则应避免地线环路。（4）数字电源和模拟电源最好隔离，地线分开布置，如果有A/D转换电路，则只在尽量靠近该器件处单点接地。1总线在计算机电路中应用十分广泛，总线与一般电路中导线有何不同，并说明它与各个功能器件是如何连接的。答：一个电路总是由元器件通过电线连接而成的，在模拟电路中，连线并不成为一个问题，因为各器件间一般是串行关系，各器件之间的连线并不很多，但计算机电路是以微处理器为核心，各器

27、件都要与微处理器相连，各器件之间的工作必须相互协调，所以需要很多连线。如果仍如同模拟电路一样，在各微处理器和各器件间单独连线，则线的数量将多得惊人，所以在微处理机中引入了总线的概念，各个器件共同享用连线，所有器件的8根数据线全部接到8根公用的线上，即相当于各个器件并联起来，但仅这样还不行，如果有两个器件同时送出数据，一个为0，一个为1，那么，接收方接收到的究竟是什么呢？这种情况是不允许的，所以要通过控制线进行控制，使器件分时工作，任何时候只能有一个器件发送数据（可以有多个器件同时接收）。器件的数据线也就被称为数据总线，器件所有的控制线被称为控制总线。在单片机内部或者外部存储器及其它器件中有存储

28、单元，这些存储单元要被分配地址，才能使用，分配地址当然也是以电信号的形式给出的，由于存储单元比较多，所以，用于地址分配的线也较多，这些线被称为地址总线。图1 三态门输出电路原理图各个功能部件是通过三态门挂在总线上的，在三态门技术发明之后，计算机总线才出现。上图为三态门输出门电路的原理图。在图中，如果将虚线方框内的两个反相器和一个二极管剪掉，剩下的部分就是典型的TTL与非门电路。所谓三态是指输出端而言。普通的TTL与非门其输出极的两个晶体管T4、T5始终保持一个导通，另一个截止的推拉状态。T4导通，T5截止，输出高电平Y=1；T4截止，T5导通，输出低电平，Y=0。三态门除了上述两种状态外，又出

29、现了T4、T5同时截止的第三种状态。因为晶体管截止时c、e之间是无穷大阻抗，输出端Y对地、对电源（Vcc）阻抗无穷大。因此这第三种状态也称高阻状态。现对三种状态进行分析：控制信号在EN处加入：EN0，则C=0，VB1=0.9V，Vc20.9VVB4Vc20.9V，T4截止（T4导通的电位VB41.4V）VB1=0.9V，T5截止，输出端Y为高阻状态。EN1，C=1，对与非门另两个A、B输入端无影响，为正常的与非门电路。当AB1，则T2、T5导通，Vc21.0V（前已分析）。二极管D处于反相截止状态（因为其阳极电压Vc21.0V，小于阴极C点电位VIH=3.4V），在电路中不起作用。若A、B中有

30、一个为0，则T2、T5截止，由于Vc2VIH0.74.1V，足够保证T4导通。即当EN1，二极管D在电路中不起作用，电路保持完整的与非门逻辑功能。2什么是上拉电阻,什么是下拉电阻？它们有什么作用？答：上拉电阻和下拉电阻可以简单理解为：1)上拉就是将不确定的信号通过一个电阻嵌位在高电平，电阻同时起限流作用。同理，下拉电阻是把不确定的信号钳位在低电平。2)上拉是对器件注入电流，下拉是输出电流。3)弱强只是上拉电阻的阻值不同，没有什么严格区分。4)对于非集电极（或漏极）开路输出型电路（如普通门电路）提升电流和电压的能力是有限的，上拉电阻的功能主要是为集电极开路输出型电路输出电流通道。如下图的两个Bi

31、as Resaitor电阻就是上拉电阻和下拉电阻。图中，上部的一个Bias Resaitor电阻因为是接地，因而叫做下拉电阻，意思是将电路节点A的电平向低方向（地）拉；图中下部的一个Bias Resaitor电阻因为连接电源（正），因而叫做上拉电阻，意思是将电路节点A的电平向高方向（电源正）拉。当然，许多电路中上拉下拉电阻中间的那个12k电阻是没有的或者看不到的。许多电路只有一个上拉或下拉电阻，而且实际应用中，还是上拉电阻的为多。图2 上拉电阻和下拉电阻示意图上拉电阻和下拉电阻的作用：1)一般作单键触发使用。如果IC本身没有内接电阻，为了使单键维持在不被触发的状态或是触发后回到原状态，必须在IC外