第5章 模拟信号的运算及处理.ppt

GDSSPT,广东,.,松山,模,擬,電,子,技,術,基,礎,第,5,章 模拟信号的运算及处理,教学内容,5.1,集成运放的两个工作区域,5.2,基本运算电路,5.3,有源滤波器,5.4,电压比较器,5.1,集成运放的两个工作区域,5.2,基本运算电路（一）,本节教学目标,1.,了解集成的组成、实质和主要参数。,2.,熟悉集成运放的理想特性。,3.,掌握理想运放的虚短、虚地应用。,4.,掌握反相比例器、同相比例器的组成、分析计算方法和特点。,5.1.1,理想运放,A,u,O,u,+,u,+,国际符号,1,、开环差摸电压放大倍数,A,od,2,、输入电阻,R,id,3,、输出电阻,R,od,0,4,、共模抑制比,K,CMR,5,、上限截止频率,f,H,6,、输入偏置电流,I,B1,、,I,B2,，失调电压,U,IO,，失调电流,I,IO,，以及它们的温漂,d,U,IO,/dT,、,d,I,IO,/dT,均为,0,7,、无干扰和噪声,5.1.2,理想集成运放的线性工作区,图,5.1.1,u,I,反馈网络,u,u,O,u,A,i,i,线性特性：,u,o,=,A,od,(,u,+,-,u,-,),（,1,）,由于,A,od,，所以有：,则有：,虚短,：,u,+,=,u,-,（,2,）,又由于,R,id,，所以有：,则有：,虚断,：,i,+,=,i,-,=0,注：,线性应用时，集成运放必须引入深度负反馈，使输入输出之间形成线性关系。,5.1.3,理想运放的非线性区,图,5.1.2,反馈网络,u,u,O,u,A,(,b,),正反馈,(,a,),无反馈,u,u,O,u,A,1,、,根据：,u,o,=,A,od,(,u,+,-,u,-,),，,由于,A,od,则：,（,1,）,u,+,u,-,时，输出正限幅：,u,o,=+,U,oM,（,2,）,u,+,u,-,时，输出负限幅：,u,o,=-,U,oM,2,、,又由于,R,id,，而,u,+,-,u,-,总是有限值时，,有：,虚断,：,i,+,=,i,-,=0,注：,非线性应用时，集成运放工作在无反馈或正反馈状态。,5.2.1,比例运算电路,图,5.2.1,一、反相比例运算电路,虚地,特点：,（,1,）,电压放大倍数：,A,od,=-,R,F,/R,，当,A,od,=-1,时，称反相器（反号器）；,（,2,）,引入电压负反馈，,R,o,0,，带负载能力强；,（,3,）,引入并联负反馈，,R,i,小，通常认为,R,i,=,R,，对输入员电流有一定的要求；,（,4,）,反相输入端虚地，共模输入电压可视为,0,，所以对,K,CMR,要求低。,补偿电阻，保证集成运放两输入端电阻的对称性。,u,O,A,R,u,I,R,=R,/,R,F,i,-,i,+,i,F,i,R,R,F,例题,5.2.2,求解图所示电路的运算关系,图,5.2.2 T,型反馈反相比例运算电路,u,O,A,R,1,u,I,R,2,R,i,3,i,4,i,2,i,1,M,R,3,R,4,解：,5.2.1,比例运算电路,图,5.2.1,二、同相比例运算电路,特点：,（,1,）,电压放大倍数：,A,od,=1+,R,F,/R,1,，且输入输出同相；,（,2,）,引入电压负反馈，,R,o,0,，带负载能力强；,（,3,）,引入串联负反馈，,R,i,非常高，通常认为,R,i,=,，最最要优点；,（,4,）,由于,u,-,=,u,+,=,u,I,，共模电压等于输入电压，所以对,K,CMR,要求高。,u,O,A,R,u,I,R,F,R,=R,/,R,F,i,-,i,+,i,F,i,R,电压跟随器,u,O,A,u,I,例题,5.2.3,求解图所示电路的运算关系,图,5.2.3,解：,u,O,A,R,1,u,I,R,F,R,2,R,3,又,5.1-5.2,节练习,1,1,、集成运放电路实质上是一个,。,A,、直接耦合的多级放大电路,B,、阻容耦合的多级放大电路,C,、变压器耦合的多级放大电路,D,、单级放大电路,2,、为了工作在线性区，应使集成运放电路处于,状态；为了工作在非线性区，应使集成运放电路处于,状态。,A,、正反馈,B,、负反馈,C,、正反馈或无反馈,D,、负反馈或无反馈,3,、关于理想集成运放的输入电阻和输出电阻论述正确的是,。,A,、输入电阻为,，输出电阻为,0,B,、输入电阻为,0,，输出电阻为,C,、输入电阻和输出电阻均为,D,、输入电阻和输出电阻均为,0,4,、为给集成运放引入电压串联负反馈，应采用,比例运算输入方式。,A,、同相,B,、反相,C,、差动,D,、求和,5.1-5.2,节练习,2,5,、为给集成运放引入电压并联负反馈，应采用,方式,。,A,、,同相输入,B,、反相输入,C,、差动输入,D,、求和输入,6,、,关于比例运算电路的说法，不正确的是,。,A,、同相比例运算电路存在共模信号,B,、反相比例运算电路不存在共模信号，即共模信号为零,C,、同相和反相比例运算电路都可用叠加定理求输出,D,、同相和反相比例运算电路都存在虚地,5.1-5.2,节练习,3,7,、在下图所示电路中，设,u,I,0,，若,R,F,开焊，电路的输出电压,u,O,=,。,A,、,+,U,OM,B,、,-,U,OM,C,、,D,、,0,u,O,A,R,u,I,R,i,-,i,+,i,F,i,R,R,F,8,、在下图所示电路中，,若,R=R,F,，电路的输出电压,u,O,=,。,A,、,+,U,OM,B,、,-,U,OM,C,、,u,I,D,、,-,u,I,9,、下图所示电路的反馈类型和极性是,。,A,、电压串联负反馈,B,、,电压串联正反馈,C,、,电压并联负反馈,D,、,电压并联正反馈,10,、右图所示电路的电压放大倍数为,。,A,、,B,、,C,、,D,、,本节作业,P280:T5.2,5.2,基本运算电路（二）,本节教学目标,1.,掌握差动比例运算、加法运算和加法运算的组成、分析计算方法。,2.,掌握积分线性应用。,3.,了解微分线性应用。,5.2.2,加减运算,图,5.2.5,一、求和运算电路,u,O,A,R,2,u,I2,R,F,R,=R,1,/,R,2,/,R,3,/,R,F,i,F,i,2,R,3,u,I3,i,3,R,1,u,I1,i,1,1,、反相求和运算电路,【,方法一,】,用节点,处的电流方程,【,方法二,】,用叠加原理,u,I,1,单独作用时，,u,I,2,单独作用时，,u,I,3,单独作用时，,2,、同相求和运算电路,图,5.2.6,令,R,N,=,R,/,R,F,，为反相输入端等效电阻，则,u,O,A,R,2,u,I2,R,F,R,4,i,F,i,2,R,3,u,I3,i,3,R,1,u,I1,i,1,R,i,4,对节点,处的用叠加原理：,u,I,1,单独作用时，,令,R,P,=,R,1,/,R,2,/,R,3,/,R,4,，为同反相输入端等效电阻，则,2,、同相求和运算电路,图,5.2.6,令,R,N,=,R,/,R,F,，为反相输入端等效电阻，则,u,O,A,R,2,u,I2,R,F,R,4,i,F,i,2,R,3,u,I3,i,3,R,1,u,I1,i,1,R,i,4,u,I,1,单独作用时，,令,R,P,=,R,1,/,R,2,/,R,3,/,R,4,，为同反相输入端等效电阻，则,若,R,N,=,R,P,，则有：,5.2.2,加减运算,图,5.2.7,二、加减运算电路,1,、差动比例运算电路,用叠加原理,仅,u,I,1,单独作用时，,仅,u,I,2,单独作用时，,u,O,A,u,I1,R,F,R,F,i,F,R,u,I2,i,1,R,i,3,i,2,用途,：该电路在工业自动控制、精密测量、数据采集等系统中对各种传感器送来的信号加以放大，然后送给系统。,2,、加减电路,图,5.2.8,用叠加原理，反相输入端对输出的影响：,同相输入端对输出的影响：,u,I,1,单独作用时，,共同作用时：,u,O,A,u,I2,R,F,R,5,i,F,R,3,u,I3,i,2,R,2,i,3,u,I1,i,1,R,1,u,I4,i,4,R,4,2,、加减电路,图,5.2.8,u,I,1,单独作用时，,令,R,N,=,R,1,/,R,2,/,R,F,，,R,P,=,R,3,/,R,4,/,R,5,，若,R,N,=,R,P,，电路对称。则上式可化为：,u,O,A,u,I2,R,F,R,5,i,F,R,3,u,I3,i,2,R,2,i,3,u,I1,i,1,R,1,u,I4,i,4,R,4,共同作用时：,反相输入端实现输入信号,反相,比例,求和,，,同相输入端实现输入信号,同相,比例,求和,，,差动输入实现,减法,。,例题,5.2.4,求解图所示电路的运算关系。,图,5.2.9,解：,u,O1,A,1,R,1,u,I1,R,F1,R,5,R,2,u,I2,u,O,A,2,R,4,R,F2,R,6,R,3,u,I3,5.2.3,积分运算和微分运算,一、积分运算电路,1,、,RC,积分运算电路,C,R,U,o,+,-,+,-,U,i,(,a,),O,t,(,b,),U,i,U,o,当输入电压,u,i,为一阶跃电压时，输出电压,u,o,只有在开始部分随时间线性增长，,近似,与输入电压成,积分关系,。,随着,C,的充电电压,u,c,不断增长，使充电电流不断衰减，充电速度变慢，输出电压不再随时间直线增长，而按指数规律上升。,怎么办,5.2.3,积分运算和微分运算,图,5.2.10,一、积分运算电路,2,、集成运放积分运算电路,u,O,A,R,u,I,C,R,i,R,i,C,特点：,（,1,）,输入信号从反相端输入；,（,2,）,反馈引入电容元件。,当,u,I,为常数,U,I,时，上式为,用途：,若输入为正弦波，则输出为,余弦波。实现了输入信号移相。,若输入为矩形波，则输出为,三角波。实现了波形的变换。,例题,5.2.5,图,5.2.11,（,a,）,解：,设,u,O,上升到,+6V,所需的时间为,T,1,，,电路如图所示，,R,=10k,C=0.05,F,。,t,=0,时，电容两端电压为,0,，且输入电压由,0,跃到,-3V,。试问经过多长时间输出电压,u,O,上升到,+6V,。,(,a,),u,I,t,O,-3V,u,O,t,O,+6V,T,1,解得：,T,1,=1ms,。,应用,：,若用输出电压控制电子开关的动作，且,u,O,=+6V,时，开关断开或闭合，则,T,1,即为从输入产生跃变到开关动作的延时时间，可见积分运算电路可用于延时电路。,例题,5.2.6,图,5.2.11,（,b,）,电路如图所示，,R,=10k,C=0.05,F,。已知输入电压周期为,4ms,，幅值为,3V,的方波信号：且在,t,=0,时,u,I,=-3V,，,t,=1ms,时,u,I,跃变为,3V,，,t,=3ms,时,u,I,跃变为,-,3V,升，如图所示。设电容初始电压为,0,。试求输出电压,u,O,的波形。,u,I,t,/ms,O,(,b,),u,O,t,O,-3V,+3V,1,3,5,7,+6V,+6V,解：,当,t,=0,时，方波电压为,-3V,，,1/4,周期（,1ms,）输出电压,u,O,为，,此后，方波跃变为,+3V,，输出电压从,+6V,开始下降，经,1/2,周期（,2ms,）输出电压,u,O,为，,波形如右图所示。可知，方波变成了三角波。,5.2.3,积分运算和微分运算,图,5.2.10,二、微分运算电路,用途：,若输入为矩形波，则输出为,尖脉冲。实现了波形的变换。,u,O,A,R,u,I,C,R,i,R,i,C,u,I,t,O,u,O,t,O,缺点：,（,1,）,易受高频噪声干扰；,（,2,）,容易产生自激振荡。,5.2,节练习,1,1,、为了得到电压放大倍数为,100,的放大电路，应选用,。,A,、反相比例运算电路,B,、同相比例运算电路,C,、积分运算电路,D,、微分运算电路,2,、为了得到电压放大倍数为,-50,的放大电路，应选用,。,A,、反相比例运算电路,B,、同相比例运算电路,C,、积分运算电路,D,、微分运算电路,3,、图所示电路，当输入方波信号时，电路的输出波形为,。,A,、正弦波,B,、矩形波,C,、三角波,D,、尖脉冲,u,O,A,R,u,I,C,R,i,R,i,C,5.2,节练习,2,4,、实现积分运算的电路是,。,u,O,A,R,u,I,C,R,(B),u,O,A,R,u,I,C,R,(A),u,O,A,R,u,I,C,R,(C),u,O,A,R,u,I,C,R,(D),本节作业,P281:T5.6,5.3,有源滤波器,本节教学目标,1.,熟悉有源滤波这种信号处理电路的作用和工作原理。,2.,了解有源滤波器的选频特性及应用。,5.3.1,有源滤波电路基础知识,一、滤波的概念,滤波器：,是一种能使某部分频率比较顺利地通过，而另一部分频率受到较大衰减的装置。常用在信息处理、数据的传递和干扰的抑制等方面。,5.3.1,有源滤波电路基础知识,二、滤波器的种类,20lg|,A,u,|,O,f,(,a,),通,阻,20lg|,A,u,|,O,f,f,0,(,b,),阻,通,20lg|,A,u,|,O,f,(,c,),阻,阻,通,20lg|,A,u,|,O,f,f,0,(,d,),通,阻,通,f,1,f,2,(,a,),低通滤波器（,LPF,）,:,低频能通过而高频不能通过。,(,b,),高通滤波器（,HPF,）,:,高频能通过而低频不能通过。,(,d,),带阻滤波器（,BEF,）,:,频率在某一定范围之内不能通过，而其余都能通过。,(,c,),带通滤波器（,BPF,）,:,频率在某一定范围之内能通过，而其余都能不通过。,5.3.1,有源滤波电路基础知识,三、无源滤波器,C,R,U,o,+,-,+,-,U,i,(,a,),RC,电路,图,5.3.2,通频带截止频率。,当,f,由,0,逐渐上升时，,|,A,u,|,逐渐下降。,3dB,20lg|,A,u,|/dB,O,f,-20,-40,-20dB/,十倍频,f,0,=,(,b,),缺点,：,通带电压放大倍数低，带负载能力差。,5.3.2,低通滤波器（,LPF,）,一、一阶低通滤波器,电路和波特图,图,5.3.3,3dB,-20dB/,十倍频,f,0,20lg|,A,u,|/dB,O,f,(,b,),(,a,),A,R,1,C,R,F,R,U,i,U,o,20lg,A,up,通频带电压放大倍数。,5.3.2,低通滤波器（,LPF,）,二、二阶低通滤波器,电路图,图,5.3.4,(,a,),A,R,1,C,1,=C,R,F,R,U,i,U,o,R,C,2,=C,M,波特图,0.1,-40,1,(,b,),20lg,/dB,10,-30,-20,-10,0,10,20,Q,=10,Q,=2,Q,=1,Q,=0.7.7,Q,=0.5,-40dB/,十倍频,等效品质因数。,注意,：当,A,up,=3,，,Q=,，电路将发生自激振荡。,一阶和二阶低通滤波器的对数幅频特性,-40,1,20lg,/dB,0.1,10,-20,0,-20dB/,十倍频,-40dB/,十倍频,1,2,3,实线,1:,一阶滤波器特性,实线,2:,二阶滤波器特性,虚线,3:,理想特性,图,5.3.5,5.3.3,高通滤波器（,HPF,）,一、无源,RC,网络,C,R,U,o,+,-,+,-,U,i,(,a,),RC,电路,通频带截止频率。,当,f,由,0,逐渐上升时，,|,A,u,|,逐渐上升。,3dB,20lg|,A,u,|/dB,O,f,-20,-40,20dB/,十倍频,f,0,=,(,b,),缺点,：,通带电压放大倍数低，带负载能力差。,5.3.3,高通滤波器（,HPF,）,二、有源滤波器,图,5.3.6,(,a,),A,R,1,R,F,R,U,i,R,C,M,C,U,o,1,40dB/,十倍频,(,b,),20lg,/dB,0.1,10,-40,-30,-20,-10,0,10,20,Q,=10,Q,=2,Q,=1,Q,=0.7.7,Q,=0.5,5.3.4,带通滤波器（,BPF,）,一、组成原理,图,5.3.7,(,a,),低通,高通,U,i,U,o,20lg|,A,u,|,O,f,通,阻,20lg|,A,u,|,O,f,f,01,(,b,),阻,通,20lg|,A,u,|,O,f,阻,阻,通,f,02,5.3.4,带通滤波器（,BPF,）,二、常用电路,图,5.3.8,(,a,),A,R,1,R,F,U,i,U,o,M,C,1,=C,C,2,=C,R,2,R,R,3,R,R,1,(,b,),20lg,/dB,0.1,10,-40,-30,-20,-10,0,Q,=1,Q,=5,Q,=10,f,0,带通滤波器中心频率。,当,f=f,0,时，电压放大倍数为,A,up,。,Q,越大，通带宽度越窄,5.3.5,带阻滤波器（,BEF,）,一、组成原理,图,5.3.9,(,a,),高通,U,i,U,o,低通,A,R,R,20lg|,A,u,|,O,f,低通,阻,20lg|,A,u,|,O,f,f,01,(,b,),阻,高通,20lg|,A,u,|,O,f,通,通,阻,f,02,5.3.5,带阻滤波器（,BEF,）,二、常用电路,图,5.3.10,Q,越大，阻带宽度越窄,(,a,),A,R,1,R,F,U,i,U,o,M,2,C,C,R,C,R,R,/2,1,(,b,),20lg,/dB,0.1,10,-40,-30,-20,-10,0,Q,=1,Q,=5,Q,=10,f,0,带阻滤波器中心频率。,当,f=f,0,时，电压放大倍数为,0,。,5.3,节练习,1,1,、为了从信号中提取高频部分，应选用,。,A,、,低通滤波器,B,、高通滤波器,C,、带通滤波器,D,、带阻滤波器,2,、为防止,50Hz,电网电压干扰混入信号之中，应选用,。,A,、,低通滤波器,B,、高通滤波器,C,、带通滤波器,D,、带阻滤波器,3,、为了获取信号中的直流成分，应选用,。,A,、,低通滤波器,B,、高通滤波器,C,、带通滤波器,D,、带阻滤波器,4,、为了提取,10Hz,的信号，应选用,。,A,、,低通滤波器,B,、高通滤波器,C,、带通滤波器,D,、带阻滤波器,5,、收音机用于选台的滤波器应为,。,A,、,低通滤波器,B,、高通滤波器,C,、带通滤波器,D,、带阻滤波器,本节作业,无,5.4,电压比较器,本节教学目标,1.,掌握单限比较器的作用和工作原理。,2.,熟悉滞回比较器的作用的工作原理。,3.,了解窗口比较器的作用和工作原理。,4.,了解电压比较输出轨迹的作图及运放工作状态的区分。,5.4.1,电压比较器概述,1,、定义,将一个模拟输入电压和基准电压（称为阈值电压）进行比较，根据比较结果输出两个不同的电平：,高电平,和,低电平,。,2,、特点,集成运放工作在,非线性区,。,3,、阈值电压,U,TH,：也称转折电压、门槛电压。,是,u,+,=,u,-,时的输入电压。,4,、种类,单限比较器，电路只有一个,U,TH,。,滞回比较器，电路有两个,U,TH,。且,U,TH1,U,TH2,。,双限比较器，电路有两个,U,TH,。且,U,TH1,u,-,）和下行线（,u,+,u,-,）。,利用过零比较器可以将正弦波变为方波,图,5.4.2,u,O,u,I,O,O,t,t,具有输入过压保护、输出限幅的电路,图,5.4.3,u,I,u,O,A,R,1,R,2,D,D,D,D,Z,u,I,u,O,A,R,1,R,2,D,D,D,Z,u,O,u,I,O,+,U,Z,-,U,D,u,O,u,I,O,+,U,Z,-,U,Z,输出限幅的电路,图,5.4.4,u,O,u,I,O,+,U,Z,-,U,Z,u,O,A,R,u,I,D,Z,5.4.2,单限比较器,图,5.4.5,二、一般单限比较器,增加了一个参考电压,U,REF,u,I,u,O,A,R,2,R,D,Z,U,REF,R,1,u,O,u,I,O,+,U,Z,-,U,Z,U,TH,5.4.3,滞回比较器,图,5.4.6,一、滞回比较器的特点,特点,：,可以有效抑制干扰和噪声的影响。,u,I,t,O,U,TH,t,O,u,O,+,U,Z,-,U,Z,(,a,),特点,：,动作十分灵敏，稳定性很低。,u,I,t,O,U,TH1,U,TH2,t,O,u,O,+,U,Z,-,U,Z,(,b,),5.4.3,滞回比较器,图,5.4.7,二、滞回比较器的电路分析,u,I,u,O,A,R,2,R,D,Z,R,1,(,a,),+,U,Z,-,U,Z,U,TH2,U,TH1,u,O,u,I,O,(,b,),当输出为上限幅时：,当输出为下限幅时：,反相滞回比较器,5.4.3,滞回比较器,图,5.4.7,二、滞回比较器的电路分析,+,U,Z,-,U,Z,U,TH2,U,TH1,u,I,u,O,O,(,b,),当输出为上限幅时：,当输出为下限幅时：,有参考电压的反相滞回比较器,u,I,u,O,A,R,2,R,D,Z,R,1,(,a,),U,REF,5.4.3,滞回比较器,图,5.4.9,二、滞回比较器的电路分析,+,U,Z,-,U,Z,U,TH2,U,TH1,u,O,u,I,O,(,b,),当输出为上限幅时：,当输出为下限幅时：,同相滞回比较器,u,I,u,O,A,R,2,R,D,Z,R,1,(,a,),5.4.4,窗口比较器,双限电压比较器,图,5.4.11,当,u,I,U,REFL,U,REFH,时，,A,1,输出高电平，,D,1,导通；,A,2,输出低电平，,D,2,截止，,u,O,=+,U,Z,。,当,U,REFL,u,I,U,REFH,时，,A,1,输出低电平，,D,1,截止；,A,2,输出低电平，,D,2,截止，,u,O,=0,。,用途,：,检测输入电压是否在某个给定的电平之间。,5.4,节练习,1,1,、为了将方波电压变换为三角波电压，应选用,。,A,、过零比较器,B,、滞回比较器,C,、积分运算器,D,、微分运算器,2,、下列关于比较器的说法，不正确的是,。,A,、比较器完成两个电压大小的比较，将模拟量转换为数字量,B,、构成比较器的集成运放工作在非线性区,C,、比较器电路一定外加了正反馈,D,、比较器的输出电压只有两种可能，即正的最大值或负的最大值。,3,、下列关于滞回比较器的说法，不正确的是,。,A,、滞回比较器有两个门限电压,B,、构成滞回比较器的集成运放工作在线性区,C,、滞回比较器电路一定外加了正反馈,D,、滞回比较器的输出电压只有两种可能，即正的最大值或负的最大值。,本节作业,P282 T5.11,本章结束,