《模电信号运算》PPT课件.ppt

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1、12一、概述一、概述二、比例运算电路二、比例运算电路三、加减运算电路三、加减运算电路四、积分运算电路和微分运算电路四、积分运算电路和微分运算电路五、对数运算电路和指数运算电路五、对数运算电路和指数运算电路六、模拟乘法器及其在运算电路中的应用六、模拟乘法器及其在运算电路中的应用31.电子系统简介电子系统简介概述概述7.1 基本运算电路基本运算电路传感器传感器接收器接收器隔离、滤波放隔离、滤波放大、阻抗变换大、阻抗变换运算、转运算、转换、比较换、比较功率放大功率放大A/D转换转换第七章第七章第八章第八章第九章第九章信号的产生信号的产生电子信息系统的供电电源电子信息系统的供电电源第十章第十章数电第十

2、一章数电第十一章2.理想运放的参数特点理想运放的参数特点 Aod、rid、fH 均为无穷大；均为无穷大；ro、失调电压失调电压及其温漂、失调电流及其温漂、噪声均为及其温漂、失调电流及其温漂、噪声均为0。3.集成运放的线性工作区集成运放的线性工作区 uOAod(uP uN)因为因为uO为有限值，为有限值，Aod，所以所以 uNuP0，即即 uNuP虚短路虚短路因为因为rid，所以所以 iNiP0虚断路虚断路分析运算电路的基本依据分析运算电路的基本依据44.学习的要点学习的要点 （1）什么是运算电路：运算电路的输出电压是输入电压某种运算的结果，）什么是运算电路：运算电路的输出电压是输入电压某种运算

3、的结果，如加、减、乘、除、乘方、开方、积分、微分、对数、指数等。如加、减、乘、除、乘方、开方、积分、微分、对数、指数等。（2）描述方法：运算关系式）描述方法：运算关系式 uOf(uI)（3）分析方法：）分析方法：“虚短虚短”和和“虚断虚断”是基本出发点。是基本出发点。（1）识别电路。）识别电路。（2）求解运算关系式。）求解运算关系式。5、学习运算电路的基本要求、学习运算电路的基本要求7.1.2 比例运算电路比例运算电路1.反相输入反相输入1)电路引入了哪种组态的负反馈？电路引入了哪种组态的负反馈？2)电路的输入电阻为多少？电路的输入电阻为多少？3)3)R？为什么？为什么？4)4)若要若要Ri1

4、00k，比例系数为比例系数为100，R？Rf？Rf太大，噪声大。如太大，噪声大。如何利用相对小的电阻获何利用相对小的电阻获得得100的比例系数？的比例系数？+_iN=iP=0，uN=uP=0虚地虚地在结点在结点N：电压并联负反馈电压并联负反馈5 T 形形反馈网络反相比例运算电路反馈网络反相比例运算电路利用利用R4中有较大电流来获得较大数值的比例系数。中有较大电流来获得较大数值的比例系数。+_7.1.2 比例运算电路比例运算电路1.反相输入反相输入 Rf太大，噪声大。如何利用相对小的电太大，噪声大。如何利用相对小的电阻获得阻获得100的比例系数？的比例系数？据据KVL:电路引入了哪种组态的负反馈

5、？电路引入了哪种组态的负反馈？电流并联电流并联 负反馈负反馈比例系数比例系数=-100使用较小的电阻，使用较小的电阻，获得较大的获得较大的Ri，较大的比例系数较大的比例系数6 T 形形反馈网络反相比例运算电路反馈网络反相比例运算电路+_7.1.2 比例运算电路比例运算电路1.反相输入反相输入电流并联电流并联 负反馈负反馈比例系数比例系数=-100使用较小的电阻，使用较小的电阻，获得较大的获得较大的Ri，较大的比例系数较大的比例系数比例系数比例系数=-100例例例例0）72.同相输入同相输入据据“虚短虚短”和和“虚断虚断”同相输入比例运算电路的特例：同相输入比例运算电路的特例：电压跟随器电压跟随

6、器例例例例若若 uI 与地接反。与地接反。+-uI+-输入与输出关系无变！输入与输出关系无变！（详见仿真）（详见仿真）87.1.3 7.1.3 加减运算电路加减运算电路加减运算电路加减运算电路1.1.反相求和反相求和反相求和反相求和2.2.同相求和同相求和同相求和同相求和设设 R1 R2 R3 R4 R RfRP RN与反相求和与反相求和电路的结果电路的结果差一负号差一负号9设设 R1 R2 Rf R3 R4 R5若若R1 R2 Rf R3 R4 R5，uO?3.3.加减运算加减运算加减运算加减运算 利用求和运算电路的分析结果利用求和运算电路的分析结果实现了差分放大实现了差分放大仅正反相端单输

7、入仅正反相端单输入且参数对称时且参数对称时则则例例例例设计一个运算电路，能满足：设计一个运算电路，能满足：解解 采用单运放：采用单运放：设设 R1 R4 R2 R3 Rf ，且，且Rf=100k10则则例例例例设计一个运算电路，能满足：设计一个运算电路，能满足：解解 采用单运放：采用单运放：设设 R1 R4 R2 R3 Rf ，且，且Rf=100k 采用两级反相输入运放：采用两级反相输入运放：117.1.4 7.1.4 积分运算电路和微分运算电路积分运算电路和微分运算电路积分运算电路和微分运算电路积分运算电路和微分运算电路1.1.积分运算电路积分运算电路积分运算电路积分运算电路利用积分运算的基

8、本关系实现不同的功能利用积分运算的基本关系实现不同的功能移相移相1)输入为阶跃信号时的输出电压波形？输入为阶跃信号时的输出电压波形？2)输入为方波时的输入为方波时的输出电压波形？输出电压波形？线性积分，延时线性积分，延时波形变换波形变换虚断虚断虚地虚地防止低频信号防止低频信号增益过大增益过大12 为了克服集成运放的为了克服集成运放的阻塞现象和自激振荡，阻塞现象和自激振荡，实用电路应采取措施。实用电路应采取措施。限制输出限制输出电压幅值电压幅值2.2.微微微微分运算电路分运算电路分运算电路分运算电路虚断虚断虚地虚地滞后补偿滞后补偿限制限制 输入电流输入电流7.1.5 7.1.5 对数运算和指数运

9、算电路对数运算和指数运算电路对数运算和指数运算电路对数运算和指数运算电路1.1.对数对数对数对数运算电路运算电路运算电路运算电路实用电路中常常采取措施消除实用电路中常常采取措施消除IS对运算关系的影响对运算关系的影响利用利用PN结端电压与结端电压与电流的关系电流的关系虚断虚断虚地虚地132.2.指数指数指数指数运算电路运算电路运算电路运算电路3.3.基于对数与指数运算电路实现的乘法、除法运算电路指数基于对数与指数运算电路实现的乘法、除法运算电路指数基于对数与指数运算电路实现的乘法、除法运算电路指数基于对数与指数运算电路实现的乘法、除法运算电路指数运算电路运算电路运算电路运算电路147.2 7.

10、2 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7.2.1 模拟乘法器简介模拟乘法器简介1.变跨导型模拟乘法器的基本原理变跨导型模拟乘法器的基本原理 实际电路需在实际电路需在多方面改进，如多方面改进，如线性度、温度的线性度、温度的影响、输入电压影响、输入电压的极性等方面。的极性等方面。2.模拟乘法器的符号及等效电路模拟乘法器的符号及等效电路 有单象限、两象限有单象限、两象限和四象限之分。和四象限之分。15 在运算电路中的基本应用在运算电路中的基本应用在运算电路中的基本应用在运算电路中的基本应用2.2.乘方运算乘

11、方运算乘方运算乘方运算1.1.1.1.乘法运算乘法运算乘法运算乘法运算 实际的模拟乘法器实际的模拟乘法器k常为常为+0.1V-1或或0.1V-1。若若k=+0.1V-1，uI1=uI2=10V，则，则 uO=10V。实现了对正弦波实现了对正弦波电压的二倍频变换电压的二倍频变换3.3.除法运算除法运算除法运算除法运算163.3.除法运算除法运算除法运算除法运算4.4.开方运算开方运算开方运算开方运算作业；作业；7.2;7.3；7.4(c，d)177.37.3有源滤波电路有源滤波电路有源滤波电路有源滤波电路7.3.1 7.3.1 滤波电路概述滤波电路概述滤波电路概述滤波电路概述2.2.滤波器的种类

12、与频率特性滤波器的种类与频率特性滤波器的种类与频率特性滤波器的种类与频率特性低通滤波器低通滤波器（LPF）高通滤波器高通滤波器（HPF）带通滤波器带通滤波器（BPF）带阻滤波器带阻滤波器（BEF）1.1.1.1.滤波电路的功能滤波电路的功能滤波电路的功能滤波电路的功能 使指定频段的信号顺使指定频段的信号顺使指定频段的信号顺使指定频段的信号顺利通过，其它频率的信利通过，其它频率的信利通过，其它频率的信利通过，其它频率的信号被衰减。号被衰减。号被衰减。号被衰减。理想滤波器的幅频特性理想滤波器的幅频特性全通滤波器全通滤波器（APF）阻容耦合阻容耦合通信电路通信电路抗已知频率的干扰抗已知频率的干扰f-

13、转换转换低通滤波器（低通滤波器（LPF）通带放大倍数通带放大倍数通带截止频率通带截止频率下降速率下降速率理想幅频特性理想幅频特性无过渡带无过渡带18空载时空载时带负载时带负载时3.3.无源滤波电路和有源滤波电路无源滤波电路和有源滤波电路无源滤波电路和有源滤波电路无源滤波电路和有源滤波电路 负载变化，通带负载变化，通带放大倍数和截止频放大倍数和截止频率均变化。率均变化。(1)RC无源无源低通滤波器低通滤波器(2)有源滤波电路有源滤波电路 无源滤波电路的滤波参数随负载变化；无源滤波电路的滤波参数随负载变化；有源滤波电路的滤波参数不随负载变化，有源滤波电路的滤波参数不随负载变化，可放大，不能输出高电

14、压大电流。可放大，不能输出高电压大电流。用电压跟随器隔离滤波用电压跟随器隔离滤波电路与负载电阻电路与负载电阻.19 对于对于LPF，频率趋于频率趋于0时的放大时的放大倍数即为通带放大倍数。求解传倍数即为通带放大倍数。求解传递函数时，只需将放大倍数中的递函数时，只需将放大倍数中的 j用用 s 取代即可。取代即可。频率趋于频率趋于0时的放大时的放大倍数为通带放大倍数倍数为通带放大倍数决定于决定于RC环节环节表明进入高频段表明进入高频段的下降速率为的下降速率为20dB/十倍频十倍频（1 1）一阶电路）一阶电路1.1.同相输入同相输入同相输入同相输入低通滤波器低通滤波器低通滤波器低通滤波器7.3.2

15、7.3.2 低通滤波器低通滤波器低通滤波器低通滤波器 为了使过渡带变窄，需采用多阶滤为了使过渡带变窄，需采用多阶滤波器，即增加波器，即增加RC环节。环节。一阶一阶LPF（2）简单二阶）简单二阶LPF20（2）简单二阶简单二阶LPF截止频率截止频率 fp 0.37f0分析方法：电路引入了负反馈利用节点电分析方法：电路引入了负反馈利用节点电流法求解输出电压与输入电压的关系。流法求解输出电压与输入电压的关系。（3 3）压控电压源二阶）压控电压源二阶LPFLPF引入正反馈引入正反馈21（3 3）压控电压源二阶）压控电压源二阶LPFLPF为使为使 fp=f0，且在，且在f=f0时幅频特性时幅频特性按按4

16、0dB/十倍频下降。十倍频下降。f0时，时，C1断路，正反馈断开，放断路，正反馈断开，放大倍数为通带放大倍数；大倍数为通带放大倍数；f，C2短路，正反馈不起作用，短路，正反馈不起作用，放大倍数小放大倍数小0；因而有可能在因而有可能在f=f 0时放大倍数等于或大于通带放大倍数。对于不同频时放大倍数等于或大于通带放大倍数。对于不同频率的信号正反馈的强弱不同。率的信号正反馈的强弱不同。引入正反馈引入正反馈 列列P、M点的节点电流方程，整理可得：点的节点电流方程，整理可得：22（3 3）压控电压源二阶）压控电压源二阶LPFLPF 列列P、M点的节点电流方程，整理可得：点的节点电流方程，整理可得：例例A

17、 要求当要求当f0=100kHz，Q=1时，时，试确定电路中的试确定电路中的R和和C的参数值。的参数值。解解若取若取C=1000pF为使运放两输入端对地电阻平衡：应使为使运放两输入端对地电阻平衡：应使23OOO7.3.3 7.3.3 高通、带通、带阻有源滤波器高通、带通、带阻有源滤波器1.高通滤波器（高通滤波器（HPF）与与LPF有对偶性，将有对偶性，将LPF的电阻和电容互换，就可得一阶的电阻和电容互换，就可得一阶HPF、简单二阶、简单二阶HPF、压控电压源二阶、压控电压源二阶HPF电路。电路。2.带通滤波器带通滤波器（BPF）3.带阻滤波器带阻滤波器（BEF）fHfLfHfL241.二阶有源

18、高通滤波器二阶有源高通滤波器可可见见高高通通滤滤波波电电路路与与低低通通滤滤波波电电路路的的对数幅频特性互为对数幅频特性互为“镜像镜像”关系。关系。252.带通滤波器带通滤波器(BPF)只允许某一段频带内的信号通过，将此频带以外的信号阻断。只允许某一段频带内的信号通过，将此频带以外的信号阻断。低通低通高通高通f2fO低通低通ff1O高通高通阻阻阻阻f2f1fO通通26带通滤波器的典型电路带通滤波器的典型电路中心频率中心频率通带电压放大倍数通带电压放大倍数273.带阻滤波器带阻滤波器(BEF)在在规规定定的的频频带带内内，信信号号被被阻阻断断，在在此此频频带带以以外外的的信信号号能能顺利通过。顺

19、利通过。低通低通高通高通f2f1fO通阻通通阻通fO低通低通f1f2fO高通高通28带阻滤波器的典型电路带阻滤波器的典型电路中心频率中心频率通带电压放大倍数通带电压放大倍数29运算电路与有源滤波器的比较运算电路与有源滤波器的比较u相同之处相同之处电路中均引入深度负反馈，因而集成运放均工作在线性区。电路中均引入深度负反馈，因而集成运放均工作在线性区。均具有均具有“虚短虚短”和和“虚断虚断”的特点，均可用节点电流法求解电路。的特点，均可用节点电流法求解电路。u不同之处不同之处运算电路研究的是时域问题，有源滤波电路研究的是频域问题；测运算电路研究的是时域问题，有源滤波电路研究的是频域问题；测试时，前

20、者是在输入信号频率不变或直流信号下测量输出电压与输试时，前者是在输入信号频率不变或直流信号下测量输出电压与输入电压有效值或幅值的关系，后者是在输入电压幅值不变的情况下入电压有效值或幅值的关系，后者是在输入电压幅值不变的情况下测量输出电压幅值与输入电压频率的关系。测量输出电压幅值与输入电压频率的关系。运算电路用运算关系式描述输出电压与输入电压的关系，有源滤波运算电路用运算关系式描述输出电压与输入电压的关系，有源滤波器用电压放大倍数的幅频特性描述滤波特性。器用电压放大倍数的幅频特性描述滤波特性。307.4 电子信息系统预处理中所用的放大电路简介电子信息系统预处理中所用的放大电路简介1.三运放构成的

21、精密放大器三运放构成的精密放大器312.型号为型号为INA102的集成仪表用放大器的集成仪表用放大器323.数字式温度计电路数字式温度计电路334.ISO100光电耦合放大器光电耦合放大器3435363738四、状态变量型滤波器要点：要点：u将比例、积分、求和将比例、积分、求和等基本运算电路组合等基本运算电路组合成自由设置传递函数、成自由设置传递函数、实现各种滤波功能的实现各种滤波功能的电路，称为状态变量电路，称为状态变量型滤波器。型滤波器。u通带放大倍数决定于通带放大倍数决定于负反馈网络。负反馈网络。u利用利用“逆运算逆运算”方法。方法。f0时负反馈最强，时负反馈最强，A1输出电压输出电压0

22、；f 时时C 相当于相当于短路，短路，A2输出电压输出电压0，电路开环，电路开环，A1输出电压输出电压UOM，工作到非线性区；需引入负反馈决定通带放大倍数。工作到非线性区；需引入负反馈决定通带放大倍数。39四、状态变量滤波器四、状态变量滤波器 二阶电路的组成二阶电路的组成40运算电路与有源滤波器的比较运算电路与有源滤波器的比较u相同之处相同之处电路中均引入深度负反馈，因而集成运放均工作在线性区。电路中均引入深度负反馈，因而集成运放均工作在线性区。均具有均具有“虚短虚短”和和“虚断虚断”的特点，均可用节点电流法求解的特点，均可用节点电流法求解电路。电路。u不同之处不同之处运算电路研究的是时域问题

23、，有源滤波电路研究的是频域问运算电路研究的是时域问题，有源滤波电路研究的是频域问题；测试时，前者是在输入信号频率不变或直流信号下测量题；测试时，前者是在输入信号频率不变或直流信号下测量输出电压与输入电压有效值或幅值的关系，后者是在输入电输出电压与输入电压有效值或幅值的关系，后者是在输入电压幅值不变的情况下测量输出电压幅值与输入电压频率的关压幅值不变的情况下测量输出电压幅值与输入电压频率的关系。系。运算电路用运算关系式描述输出电压与输入电压的关系，有运算电路用运算关系式描述输出电压与输入电压的关系，有源滤波器用电压放大倍数的幅频特性描述滤波特性。源滤波器用电压放大倍数的幅频特性描述滤波特性。41

24、424344454647484950515253则则例例例例设计一个运算电路，能满足：设计一个运算电路，能满足：解解 采用单运放：采用单运放：设设 R1 R4 R2 R3 Rf ，且，且Rf=100k 采用两级运放：前级同相求和，采用两级运放：前级同相求和，后级差分运算后级差分运算55对输入电压的极性和幅值有何要求？对输入电压的极性和幅值有何要求？五、对数运算电路和指数运算电路五、对数运算电路和指数运算电路1.对数运算对数运算实用电路中常常采取措施实用电路中常常采取措施消除消除IS对运算关系的影响对运算关系的影响利用利用PN结端电结端电压与电流的关系压与电流的关系56集成对数运算电路集成对数运算电路57 理想情况下，理想情况下，ri1、ri2、fH为无穷为无穷大，大，失调电压、电流及其温漂为失调电压、电流及其温漂为0，ro为为0，ux、uy 幅值变化时幅值变化时 k 值值不变。不变。有单象限、两象限和四象限之分。有单象限、两象限和四象限之分。2.模拟乘法器的符号及等效电路模拟乘法器的符号及等效电路58596061