【精品】信号的运算和处理精品ppt课件.ppt

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1、信号的运算和处理第七章 信号的运算和处理7.1 概述概述7.2 基本运算电路基本运算电路7.3 模拟乘法器及其在运算电路中的应用模拟乘法器及其在运算电路中的应用7.4 有源滤波电路有源滤波电路7.5 电子信息系统预处理中所用放大电路电子信息系统预处理中所用放大电路27.1 概述概述一、电子信息系统的组成一、电子信息系统的组成 电子信息系统的示意图：电子信息系统的示意图：信号的信号的提取提取：来自传感器、接收器或信号发生器；：来自传感器、接收器或信号发生器；信号的信号的预处理预处理：用隔离、滤波、阻抗变换等手段分离：用隔离、滤波、阻抗变换等手段分离 出信号并放大；出信号并放大；信号的信号的加工加

2、工：进行运算、转换、比较、取样：进行运算、转换、比较、取样保持等保持等 加工；加工；信号的信号的执行执行：经过功放驱动负载。：经过功放驱动负载。3二、理想运放的两个工作区二、理想运放的两个工作区 1、理想运放的性能指标、理想运放的性能指标 开环差模增益开环差模增益Aod=差模输入电阻差模输入电阻Rid=输出电阻输出电阻RO=0 共模抑制比共模抑制比KCMR=上限截止频率上限截止频率H=失调电压失调电压UOI、失调电流、失调电流IOI及它们的温漂均为及它们的温漂均为零，且无内部噪声。零，且无内部噪声。42、理想运放的线性工作区、理想运放的线性工作区理想运放在线性工作区的特点：输出与输入成线性理想

3、运放在线性工作区的特点：输出与输入成线性关系：关系：净输入电压为零，即净输入电压为零，即uP-uN=0，所以所以uP=uN 称两个输入端称两个输入端“虚短路虚短路”。因为净输入电压为零，而输因为净输入电压为零，而输入电阻为无穷，入电阻为无穷，iP=iN=0两个输入端两个输入端“虚断路虚断路”。集成运放工作在线性集成运放工作在线性 区的电路特征：区的电路特征：必须引入负反馈必须引入负反馈5一、比例运算电路一、比例运算电路1、反相比例运算电路、反相比例运算电路 基本电路基本电路 图中图中 R=R/Rf 输出与输入成比例，输出与输入成比例，且相位相反且相位相反,因此叫反因此叫反相比例电路相比例电路8

4、 例例1、上述比例电路，要求、上述比例电路，要求Ri=100K，Au=-100，求求Rf。解：要求解：要求 Ri=100K，即，即R=100K，电阻数值太大，精度不高，又不稳定。电阻数值太大，精度不高，又不稳定。9T形网络反相比例运算电路形网络反相比例运算电路 怎样才能实现上述要求又不使反馈电阻太大呢？怎样才能实现上述要求又不使反馈电阻太大呢？设想如果流过反馈电阻的电流远大于设想如果流过反馈电阻的电流远大于iR，那么反馈电，那么反馈电阻就可以减小。阻就可以减小。10112、同相比例电路、同相比例电路 利用利用“虚短虚短”和和“虚断虚断”的概念的概念：输出与输入成比例，且相位相同输出与输入成比例

5、，且相位相同，故叫同相比例电路。故叫同相比例电路。同相比例电路要求运放的共模抑制同相比例电路要求运放的共模抑制比高。比高。123、电压跟随器、电压跟随器 如果同相比例电路的反馈系数为如果同相比例电路的反馈系数为1,uO=uI输出与输入相等，且相位相同，故叫输出与输入相等，且相位相同，故叫电压跟随器电压跟随器。13例例2、电路如图，已知、电路如图，已知R2R4，试求解，试求解R1=R2时时uO 与与 uI的比例关系。的比例关系。解：14例例3、电路如图所示，已知、电路如图所示，已知uO=-55 uI，其余参，其余参数如图中所示。试求数如图中所示。试求R5的值。的值。15二、加减运算电路二、加减运

6、算电路1、求和运算电路、求和运算电路 反相求和运算电路反相求和运算电路16还可以用叠加法来求解：还可以用叠加法来求解：17同相求和运算电路同相求和运算电路18192、加减运算电路、加减运算电路 单运放加减运算电路单运放加减运算电路叠加定理先让反相输入端的叠加定理先让反相输入端的各信号作用各信号作用,首先首先UI3，UI4接地，反向信号作用接地，反向信号作用同相输入端的各信号作用，UI1，UI2接地接地若R1/R2/Rf=R3/R4/R520单运放加减运算电路有两个缺点：单运放加减运算电路有两个缺点：电阻的选取和调整不方便电阻的选取和调整不方便 每个信号源的输入电阻较小。每个信号源的输入电阻较小

7、。双运放加减运算电路双运放加减运算电路2122 上述电路虽然输入电阻大，但是要求运放上述电路虽然输入电阻大，但是要求运放的共模抑制比高。也可以用下面的的连接方式的共模抑制比高。也可以用下面的的连接方式：2324例1、设计一个运算电路，要求输出电压和输入电压 的关系式为 uO=10 uI1-5 uI2-4 uI3。解：若采用单运放加减电路，电路如图。取R=100K，R3/R2/Rf=R1/R4,2526三、积分和微分运算电路三、积分和微分运算电路 在自控系统中，常用积分和微分电路作为调节环在自控系统中，常用积分和微分电路作为调节环节，此外，它们还广泛应用于波形的产生和变换。节，此外，它们还广泛应

8、用于波形的产生和变换。1、积分运算电路、积分运算电路 基本积分电路的构成原理基本积分电路的构成原理 把反相比例电路中的反馈电阻换成电容就构成了把反相比例电路中的反馈电阻换成电容就构成了积分电路。积分电路。27利用虚地和虚断概念：28积分电路的阶跃响应波形如图所示：29 利用该特性可进行时间延迟。如图所示，若继电利用该特性可进行时间延迟。如图所示，若继电器的动作电压为器的动作电压为6V，问当加入阶跃信号，问当加入阶跃信号-3V后，多长后，多长时间继电器动作？时间继电器动作？3031积分电路的正弦响应32 输出电压的相位比输入超前输出电压的相位比输入超前90，与频率无关，可，与频率无关，可做移相器

9、。做移相器。33积分电路的方波响应积分电路的方波响应 波形如图，注意：只有波形如图，注意：只有当积分电路的时间常数当积分电路的时间常数=RC比输入脉冲宽度大比输入脉冲宽度大很多时，才能实现积分。很多时，才能实现积分。它可把方波变成三角波。它可把方波变成三角波。34 在实用电路中，为了防止低频信号增益过在实用电路中，为了防止低频信号增益过大，常在电容上并联一个电阻加以限制。如图大，常在电容上并联一个电阻加以限制。如图所示。所示。352、微分运算电路、微分运算电路 基本微分运算电路基本微分运算电路 构成原理构成原理 将积分电路中的电阻和电容的位置互换，并选取将积分电路中的电阻和电容的位置互换，并选

10、取比较小的时间常数比较小的时间常数RC，就得到了微分电路。，就得到了微分电路。36利用虚地和虚断概念：37阶跃响应38正弦响应正弦响应输出电压的相位比输入落后输出电压的相位比输入落后90，与频率无关，可做移，与频率无关，可做移相器。相器。39方波响应40实用微分运算电路实用微分运算电路 上述基本电路存在的问题：上述基本电路存在的问题：由于输出电压与输入电压的变化率成正比，由于输出电压与输入电压的变化率成正比，uO对对ui的变化非常敏感，因此抗干扰能力差；的变化非常敏感，因此抗干扰能力差；从正弦响应看，它产生相位滞后，若与运放内部的从正弦响应看，它产生相位滞后，若与运放内部的相位滞后结合起来，可

11、能引起自激振荡；相位滞后结合起来，可能引起自激振荡；当输入电压突变时，反馈电流与反馈电阻当输入电压突变时，反馈电流与反馈电阻 的乘积可的乘积可能超过运放的最大输出电压，阻塞电路。能超过运放的最大输出电压，阻塞电路。解决方法：解决方法：输入端串联小阻值电阻，限制输入电流；输入端串联小阻值电阻，限制输入电流；反馈电阻上并联稳压二极管，限制输出电压；反馈电阻上并联稳压二极管，限制输出电压；反馈电阻上并联小电容，起相位补偿作用，提高反馈电阻上并联小电容，起相位补偿作用，提高稳定性。稳定性。4142逆函数型微分运算电路逆函数型微分运算电路 积分与微分互为逆运算，若将积分电路作为反馈回积分与微分互为逆运算

12、，若将积分电路作为反馈回路，则可得到微分电路。路，则可得到微分电路。4344例例1、电路如图所示，、电路如图所示，C1=C2=C，试求出，试求出uO与与ui的的 运算关系式。运算关系式。45解：对于节点N：46对于节点P：4748因此：49 例2、在自动控制系统中，常采用图示电路PID（比例积分微分）调节器，试分析输出电压与输入电压的关系。50解：根据虚短和虚断的概念：51所以 上式第一项表示比例运算；第二项表示微分运算；第三项表示积分运算。在常规调节中，比例运算、积分运算常用来提高调节精度，而微分运算则用来加速过渡过程。52四、对数和指数运算电路 利用PN结伏安特性的指数规律，将二极管或三极

13、管分别接入集成运放的反馈回路和输入回路，可以实现对数运算和指数运算。1、对数运算电路 采用二极管的对数运算电路5354存在的问题：存在的问题：运算关系与运算关系与UT和和IS有关，运算精度受有关，运算精度受温度的影响；温度的影响；二极管在电流小时内部载流子的复合二极管在电流小时内部载流子的复合 运动不可忽略，电流大时内阻不可忽运动不可忽略，电流大时内阻不可忽 略，仅在一定的电流范围内才满足指略，仅在一定的电流范围内才满足指 数特性。数特性。55利用三极管的对数运算电路56存在的问题：与二极管构成的对数运算电路一样，运算关系与UT和IS有关，运算精度受温 度的影响；输入电压较小和较大的情况下，运

14、算 精度变差。57集成对数运算电路 在集成对数运算电路中，根据差分电路的原理，利用特性相同的两只晶体管进行补偿，消去IS对运算关系的影响。如ICL8048的电路如图所示。58 节点N1的电流方程为：5960 这种电路用对管消除了温度对这种电路用对管消除了温度对IS的影响，的影响，但仍然存在但仍然存在UT的影响。可以把外接电阻的影响。可以把外接电阻R5换成换成热敏电阻补偿热敏电阻补偿UT的影响。的影响。R5应具有正温度系数。当环境温度升高时，应具有正温度系数。当环境温度升高时，R5的阻值变大，使放大倍数（的阻值变大，使放大倍数（1+R2/R5)减小，减小，以补偿以补偿UT增大输出的影响。增大输出

15、的影响。也可以把也可以把R2 换成负温度系数的热敏电阻换成负温度系数的热敏电阻来补偿来补偿UT的影响。的影响。612、指数运算电路 基本电路 将对数电路中的电阻和三极管位置互换就得到了 指数电路。62注意：注意：uI应大于零，且只能在发射结导通电压范围内，应大于零，且只能在发射结导通电压范围内，变化范围小；变化范围小；运算精度受温度影响大。运算精度受温度影响大。63集成指数运算电路 原理与对数电路相同。6465 可见，利用对管消除了可见，利用对管消除了IS的影响，但仍受的影响，但仍受UT的影的影响，可以把响，可以把R3的一部分换成负温度系数的热敏电阻来的一部分换成负温度系数的热敏电阻来补偿补偿

16、UT的影响。的影响。66五、用对数和指数运算电路实现的乘除运算电路 用对数和指数运算电路实现的乘除运运算电路的方块图如下：根据这种构思的具体电路如下：6768 如果将电路中的求和电路换成求差电路，就可得到除法运算电路。69六、集成运放性能指标对运算误差的影响 前面讲过运放都当作理想运放来处理，当实际上不可能是理想运放，因此会产生运算误差。1、Aod和rid为有限值时，对反相比例电路运算误差的影响 这时的等效电路如图所示。70由于ridR，可以认为：uN uid=-uo/Aod7172显然，Aod和rid愈大，相对误差愈小。若R=10K，Rf=100K，R=R/Rf，Aod=2105，rid=2

17、M，则-0.0006%。732、Aod和KCMR为有限值时，对同相比例电路运算误差的影响 此时的等效电路如图所示。由于rid为无穷大，iI=0，R上的电压为零，所以uP=uI。747576整理可得：77显然，Aod和KCMR愈大，相对误差愈小。若R=10K，Rf=100K，R=R/Rf，Aod=2105，KCMR=104，则-0.0045%。3、失调电压、失调电流及其温漂对比例电路运算误差的影响 考虑这些因素时的等效电路如图所示。7879整理可得：8081 显然，在集成运放同相输入端和反相输入端外接总电阻相同的情况下，失调温漂越小，输入电压越大，相对误差越小。824、失调温漂对积分电路运算误差的影响 等效电路如图所示。8384第七章 结束模拟电子技术基础模拟电子技术基础85