工学信号运算与处理电路课件.pptx

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1、1.基本运算电路分析2.基本运算电路设计3.模拟乘法器及其应用4.有源滤波电路的结构和选用方法 教学重点：教学重点：教学重点：教学重点：第7 7章 信号运算与处理电路第1页/共80页7.1 7.1 运算放大器的两个工作区域（状态）运算放大器的两个工作区域（状态）1.1.运放的电压传输特性运放的电压传输特性设：UOM=10V。运放的Au=104Au 越大，线性区越小，当Au时，线性区0Ui1mV时，运放处于线性区第2页/共80页2.2.理想运算放大器理想运算放大器开环电压放大倍数 Au=差摸输入电阻 Rid=输出电阻 R0=0共模抑制比 KCMR 理想运放工作在线性区的条件：电路中有负反馈！运放

2、工作在线性区的分析方法：虚短（U+=U-）虚断（i+=i-=0）3.3.线性区线性区第3页/共80页4.4.非线性区（正、负饱和输出状态）非线性区（正、负饱和输出状态）运放工作在非线性区的条件：电路中开环工作或引入正反馈！运放工作在非线性区的分析方法在下一章讨论第4页/共80页7.2基本运算电路 比例运算电路 加减运算电路 积分运算电路与微分运算电路 对数运算电路与指数运算电路第5页/共80页1)反相比例运算虚断虚断虚地虚地平衡电阻:R2=R1/R f特点：1.为深度电压并联负反馈，Auf=Rf /R 12.输入电阻较小RifRif =Ui/Ii=R13.uIC=u+=u-=0,对 KCMR

3、的要求低平衡电阻确保两输入端对地直流电阻相等比例运算电路第6页/共80页2)同相比例运算A Au uf f =1 1跟随器当 R1=，Rf =0 时，Rif 特点：1.为深度电压串联负反馈，A Au uf f =1 1+R+Rf f /R R1 12.输入电阻大 R Rif if =3.，对 KCMR 的要求高uIC=u iu+=u-=uI第7页/共80页加减运算电路 1.加法运算1)1)反相加法运算反相加法运算平衡电阻平衡电阻:R3=R1/R2/RfiF i1+i2若 Rf=R1=R2 则 uo=(uI1+uI2)第8页/共80页平衡电阻平衡电阻:R2/R3/R4=R1/Rf若 R2=R3=

4、R4，Rf=2R12)2)同相加法运算同相加法运算u+则 uO=uI1+uI2 第9页/共80页方法方法1 1：利用叠加定理：利用叠加定理令uI2=0uI1 使：令uI1=0 uI2 使：一般一般:R1=R 1；Rf=R fuo=uo1+uo2 方法方法2 2：利用虚短、虚断：利用虚短、虚断uo=Rf/R1(uI2 uI1)减法运算实际是减法运算实际是差分比例差分比例2.减法运算第10页/共80页积分/微分运算电路R2=Rf虚地虚地虚断虚断RfC1=时间常数时间常数1.微分运算 uItOuOtO第11页/共80页2.积分运算=当 uI=UI 时，设 uC(0)=0 时间常数 =R1CftuIO

5、tuoO 秒=欧姆法拉第12页/共80页例例1 1 试求：（1）输入电阻；（2）比例系数。解解（1）（2）由图可知 i1=i2即uM2uI i1i2又因为i3i4第13页/共80页u+=u-=usio=i1=us/R R11.输出电流与负载大小无关2.恒压源转换成为恒流源特点：例2:电压电流转换器第14页/共80页1 k 0.1 uF 时间常数 =R1Cf=0.1m s设 uC(0)=0=5 VuI/Vt/ms0.10.30.55 5uO/Vt/ms=5 V5 5例3:利用积分电路将方波变成三角波第15页/共80页例4:差分运算电路的设计条件：Rf=10 k 要求：uo=uI1 2uI2R1=

6、5 k R2/R3=R1/RfR2=10 k R3=5 k 第16页/共80页例5:基本运算电路设计：取：Rf120k，则R150k，R31.54k 取：Rf2100k，则R210k，R4100k A1R3R1Rf1R1A2R2Rf2R2R4ui i1 1ui i3 3ui i2 2uo o1 1uo o=R R1 1/R R3 3/R Rf1f1=R R2 2/R R4 4/R Rf2f2第17页/共80页例6:开关延迟电路电子开关当 uO 6 V 时 S 闭合tuOO6 V 1 msuItO 3 VtusO 3 V求得:第18页/共80页例7:测量放大器(仪用放大器)1)1)对共模信号：u

7、O1=uO2 2)2)对差模信号：R1 中点为交流地中点为交流地则 uO=0uo1uo2第19页/共80页为保证测量精度,需元件对称性好例7:测量放大器uo1uo2第20页/共80页课堂练习1已知：集成运放输出电压的最大幅值为14VuI/V0.10.51.01.5uO1/VuO2/V1510141.15.51114第21页/共80页课堂练习2第22页/共80页课堂练习3第23页/共80页对数运算电路和指数运算电路对数运算电路和指数运算电路 1.对数电路 2.指数电路第24页/共80页1.对数运算电路对数运算电路 利用PN结的指数特性 实现对数运算第25页/共80页BJTBJT的发射结有的发射结

8、有:也可利用半导体三极管也可利用半导体三极管 实现对数运算实现对数运算1.对数运算电路对数运算电路利用虚短和虚断，电路有利用虚短和虚断，电路有其中，IES 是发射结反向饱和电流，uO是ui的对数运算。注意：ui必须大于零，电路的输出电压小于0.7伏第26页/共80页2.指数指数(反对数反对数)运算电路运算电路uo=RF IS eui i /UT T方法一方法一:输入与输出的关系式为输入与输出的关系式为:第27页/共80页uO是ui的反对数运算(指数运算)用半导体三极管实现用半导体三极管实现用半导体三极管实现用半导体三极管实现反对数运算电路反对数运算电路反对数运算电路反对数运算电路利用虚短和虚断

9、，电路有以上两个电路温漂严重，实际电路都有温度补偿电路以上两个电路温漂严重，实际电路都有温度补偿电路2.指数指数(反对数反对数)运算电路运算电路方法二方法二方法二方法二:要要求求:第28页/共80页7.3 模拟乘法器及其应用模拟乘法器的工作原理模拟乘法器简介模拟乘法器的应用第29页/共80页模拟乘法器简介符号和基本特性符号和基本特性KXYXYuxuyuou uO O=KuKux xu uy yK K 增益系数增益系数类型类型单象限乘法器：ux、uy 皆为固定极性二象限乘法器：一个为固定极性，另一个为可正可负四象限乘法器：ux、uy 皆为可正可负第30页/共80页理想乘法器：对输入电压没有限制，

10、ux=0 或 uy=0 时，uO=0实际乘法器：ux=0,uy=0 时，uO 0 输出失调电压 ux=0，uy 0 时或 uy=0，ux 0 时 输出馈通电压uO 0模拟乘法器简介第31页/共80页模拟乘法器的工作原理当 uY uBE3 时，IC3uY/RE要求 uY 0故为二象限乘法器因 IC3 随 uY 而变，其比值为电导量，称变跨导乘法器第32页/共80页单片集成模拟乘法器（补充）MC1496 双差分对模拟乘法器V1、V2、V5模拟乘法器V3、V4、V6模拟乘法器V7 V9、R5电流源电路R5、V7、R1电流源基准V8、V9 提供 0.5 I0第33页/共80页RY引入负反馈，扩大 uY

11、 的线性 动态范围其中，uX UT(26 mV)增益系数MC1496 双差分对模拟乘法器第34页/共80页+VCCuYR1RCMC1595129478512R3RCuX1461011313R13RXRYuOVEEI 0/2I0/2负反馈电阻，用以扩大 uX、uY 范围第35页/共80页1)平方运算模拟乘法器的应用模拟乘法器的应用2)2)平方根运算(uI 0第36页/共80页当 u1 0，为使 u3 0，则 u2 0 当 u1 0 时，uO 0，为使 u3 0 条件：u3 与 u1 必须反相 (保证负反馈)u2 03)除法运算模拟乘法器的应用模拟乘法器的应用第37页/共80页4)4)压控增益uO

12、=KuXuY设 uX=UXQ则 uO=(KUXQ)uY调节直流电压 UXQ 则可调节电路增益模拟乘法器的应用模拟乘法器的应用第38页/共80页例8:第39页/共80页解：VP=VN=3V,VRA=VR1=VR2=VR3=2V1）I11mA，I10.4mA；2）R310k。例9:电路如图所示，T1、T2和T3的特性完全相同，填空：1）I1mA，I2mA；2）若I30.2mA，则R3k。VN+VRA_+_VR1VP+_VR2+_VR3第40页/共80页7.4有源滤波电路高通滤波器带通滤波器低通滤波器滤波电路的基础知识第41页/共80页滤波电路 让有用频率信号通过，无用频率信号被抑制的电路。分类：按

13、处理方法分硬件滤波软件滤波按所处理信号分模拟滤波器数字滤波器按构成器件分无源滤波器有源滤波器按传递函数分一阶滤波器二阶滤波器N 阶滤波器滤波电路的基础知识第42页/共80页按信号频率特性分低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器理想滤波器的频率特性:ffff通通通通通通 阻阻 通通阻阻 通通 阻阻阻阻阻阻低通低通高通高通带通带通带阻带阻第43页/共80页低通滤波器(LPFLow Pass Filter)通带放大倍数1.一阶 LPFAup=1+Rf/R1fH=1/2 RC 上限截止频率第44页/共80页1.一阶 LPFfHf0-3-20 dB/十倍频20lg20lgA Aupup第45页/共80

14、页2.二阶 LPF(1)简单二阶 LPF通带增益：通带增益：A Au up p=1+=1+R Rf f/R R1 1频率特性：频率特性：特征频率：特征频率：截止频率：截止频率：第46页/共80页fP40 dB/十倍频-40f0-10-20-3020lg20lgA Aupup(1)简单二阶 LPF问题：在 f=fH 附近，输出幅度衰减大。改进思路：提升 fH 附近的输出幅度。-3dBf0第47页/共80页(2)实用二阶 LPFQ=1/(3-Aup)等效品质因数正反馈提升了 f o附近的 AuAup=3 时Q 电路产生自激振荡特征频率：第48页/共80页Q=0.70740 dB/十倍频Q=1Q=2

15、Q=51f/f0-400-3-10-20-3020lg20lgA Aupup(2)实用二阶 LPF当 Q=0.707 时，fo=fH第49页/共80页例10：已知 R=160 k，C=0.01 F，R1=170 k，Rf=100 k，求该滤波器的截止频率、通带增益及 Q 值。解:特征频率特征频率Q=1/(3-Aup)=1/(3 1.588)=0.708Q=0.707 时，f0=fH=99.5 Hz 即为上限截止频上限截止频率率第50页/共80页 高通滤波器(HPFHigh Pass Filter)通带增益：通带增益：Aup=1+Rf/R1Q=1/(3-Auf)Aup=3 时，Q ，电路产生自激

16、振荡二阶低通、高通，为防止自激，应使 Aup fL BPFLPF有 fHHPF有 fLf fHfL f fL 即即：R2 C2 R3 C3中心频率：中心频率：等效品质因素：等效品质因素：Q=1/(3-Auf)通带增益：通带增益：AuP=Au(f0)=QAuf令：令：A Au uf f=1+=1+R Rf f/R R1 1最大电压增益最大电压增益第54页/共80页 带通滤波器(BPFBand Pass Filter)ff0Q10QQ5 5QQ1 120dB20dB0.1 f010 f020lgAup通频带：通频带：fBW=f0/Q第55页/共80页例11 已知 R=7.96 k，C=0.01 F

17、，R3=15.92 k，R1=24.3 k，Rf=46.2 k 求该电路的中心频率、带宽 及通带最大增益。解 Q=1/(3-Auf)=10BW=f0/Q=200(Hz)Au(f0)=QAuf=29中心频率：中心频率：带宽：带宽：通带最大增益：通带最大增益：第56页/共80页 带阻滤波器(BEF)BEF的组成原理要求：fH fL 第57页/共80页 带阻滤波器(BEF)第58页/共80页 带阻滤波器(BEF)要求：fH fL 中心频率：等效品质因素：阻频带：fBW=f0/Q通带增益：Aup=1+Rf/R1第59页/共80页QQ小小小小f20lgAup 带阻滤波器(BEF)QQ大大大大f020lg

18、20lgA Aupup第60页/共80页状态变量有源滤波电路状态变量有源滤波电路二阶状态变量有源滤波器的传递函数：LPFLPF：HPFHPF：BPFBPF：BEFBEF：第61页/共80页例12 说明图示各电路属于哪种类型的滤波电路，是几阶滤波电路。a）一阶高通滤波器b）二阶高通滤波器第62页/共80页例12c）二阶带通滤波器d）二阶带阻滤波器 第63页/共80页例13 说明图示各电路属于哪种类型的滤波电路，是几阶滤波电路。第64页/共80页例13 瞬态分析第65页/共80页例13 交流小信号分析 幅度频率特性第66页/共80页例14 说明图示各电路属于哪种类型的滤波电路，是几阶滤波电路。第6

19、7页/共80页例14 瞬态分析第68页/共80页例14 交流小信号分析 幅度频率特性第69页/共80页例13 交流小信号分析 相位频率特性第70页/共80页例15 Bandpass Fitter Q=5 f0=1KHz fBW=200Hz 第71页/共80页当R2=2R1C1=C2=C 时，R1C(u)=159.2例15 Bandpass Fitter第72页/共80页Rf=36K R=20K R1=1.4K R2=2.8K R3=2K 例15 Bandpass Fitter Q=5 第73页/共80页Rf=49K R=20K R1=1.48K R2=2.96K R3=2K 例15 Bandp

20、ass Fitter Q=5 第74页/共80页Rf=52K R=20K R1=1.4K R2=2.8K R3=2K 例15 Bandpass Fitter第75页/共80页Rf=52K R=20K R1=1.4K R2=2.8K R3=2K 例15 Bandpass Fitter第76页/共80页一、基本运算电路1.运算电路的两种基本形式同相输入反相输入小小 结结第77页/共80页2.运算电路的分析方法1)运用运用“虚短虚短”和和“虚断虚断”的概念分析电路中各电量的概念分析电路中各电量 间关系。运放在线性工作时，间关系。运放在线性工作时，“虚短虚短”和和“虚断虚断”总是同时存在。虚地只存在于同相输入端接地的电总是同时存在。虚地只存在于同相输入端接地的电 路中。路中。2)运用叠加定理解决多个输入端的问题。运用叠加定理解决多个输入端的问题。第78页/共80页二、模拟乘法器(属于非线性模拟集成电路)uO=Kuxuy对于理想模拟乘法器，输入电压的波形、幅度、极性、频率为任意三、模拟乘法器的主要应用1.运算：乘法、平方、除法、平方根等2.电路：压控增益，调制、解调、倍频、混频等第79页/共80页感谢您的观看。第80页/共80页