工学第七章信号的运算和处理.pptx

模 拟 电 子 技 术7.1 概述概述 7.2 基本运算电路基本运算电路7.3*模拟乘法器及其应用模拟乘法器及其应用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第七章第七章 信号的运算和处理信号的运算和处理模 拟 电 子 技 术7.1 概概 述述7.1.1 电子信息系统的组成电子信息系统的组成图图7.1.1 电子信息系统的示意图电子信息系统的示意图模 拟 电 子 技 术7.1.2 理想运放的两个工作区理想运放的两个工作区两个工作区：两个工作区：线性区、非线性区线性区、非线性区一、理想运放的性能指标：一、理想运放的性能指标：集成运放的理想化参数是：集成运放的理想化参数是：1开环差模增益开环差模增益(放大倍数放大倍数)Aod=，1052差模输入电阻差模输入电阻 Rid=；2M3输出电阻输出电阻 Ro=0；04共模抑制比共模抑制比 KCMR=；1055上限截止频率上限截止频率 fH=；6失调电压失调电压 UOI、失调电流失调电流 IOI 和它们的温漂均为零，且和它们的温漂均为零，且 无任何内部噪声。无任何内部噪声。模 拟 电 子 技 术二、理想运放在线性工作区二、理想运放在线性工作区1.理想运放在线性区的特点理想运放在线性区的特点（1）uP=uN 虚短虚短（2）iP=iN=0 虚断虚断 2.理想运放工作在线性区理想运放工作在线性区的电路特征：的电路特征：电路中引入负反馈。电路中引入负反馈。uO=Aod(up-uN)Aod=运运放放的的同同相相输输入入端端和和反反相相输输入入端端的的电电位位“无无穷穷”接接近近，好好象象短短路路一一样样，但却不是真正的短路。但却不是真正的短路。运运放放的的同同相相输输入入端端和和反反相相输输入入端端的的电电流流趋趋于于0，好好象象断断路路一一样样，但但却却不是真正的断路。不是真正的断路。模 拟 电 子 技 术三、理想运放工作在非线性区三、理想运放工作在非线性区图图7.1.3 集成运放工作在非线性区时的电压传输特性集成运放工作在非线性区时的电压传输特性up-uNuouOM-uOM理想运放在非线性区的特点：理想运放在非线性区的特点：（1）UO=+UOM uP uN-UOM uP R4，R1=R2R2R4模 拟 电 子 技 术例例7.2.2 电路图电路图已知：已知：uo=-55uIR5=?解：解：R5=500K模 拟 电 子 技 术7.2.2 加减运算电路加减运算电路一、求和运算电路一、求和运算电路1.反相求和运算电路反相求和运算电路（7.2.10）模 拟 电 子 技 术图图7.2.8 利用叠加原理求解运算关系利用叠加原理求解运算关系模 拟 电 子 技 术图图7.2.9 同相求和运算电路同相求和运算电路2.同相求和运算电路同相求和运算电路（7.2.13）当：当：R1/R2/R3/R4=R/RfRP=R1/R2/R3/R4模 拟 电 子 技 术图图7.2.10 加减运算电路加减运算电路二、加减运算电路二、加减运算电路模 拟 电 子 技 术图图7.2.11 利用叠加原理求解加减运算电路利用叠加原理求解加减运算电路当：当：R5/R3/R4=R1/R2/Rf（7.2.15）模 拟 电 子 技 术图图7.2.12 差分比例运算电路差分比例运算电路（7.2.16）模 拟 电 子 技 术图图7.2.13 高输入电阻的差分比例运算电路高输入电阻的差分比例运算电路当：当：R1=Rf2,R3=Rf1模 拟 电 子 技 术例例7.2.3 设计一个运算电路设计一个运算电路设计要求：设计要求：100k10k20k25k当：当：R1/R4=R3/R2/RfR4=模 拟 电 子 技 术作业作业P378 7.1、7.2(1.2.4.5)、7.37.6、7.8、7.12模 拟 电 子 技 术一、积分运算电路一、积分运算电路(7.2.19)7.2.3 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起始时刻值积分起始时刻值模 拟 电 子 技 术当当 uI 为为常数常数时，时，设设 uo(t0)=0当当 uI 为为阶跃信号阶跃信号时，时，模 拟 电 子 技 术当输入为方波和正弦波时，当输入为方波和正弦波时，防止低频增益过大防止低频增益过大模 拟 电 子 技 术图图7.2.18 基本微分运算电路基本微分运算电路二、微分运算电路二、微分运算电路1.基本微分运算电路基本微分运算电路虚地虚地uItOuOtO模 拟 电 子 技 术2.实用微分运算电路实用微分运算电路限制输出电压限制输出电压限制输入电流限制输入电流补偿电容，补偿电容，提高稳定性提高稳定性uItOuOtO模 拟 电 子 技 术3.逆函数型微分运算电路逆函数型微分运算电路模 拟 电 子 技 术例例7.2.4 电路图电路图已知：已知：C1=C2=C。求求uo与与ui的关系的关系由由N点电流方程得：点电流方程得：由由P点电流方程得：点电流方程得：模 拟 电 子 技 术例例7.2.5 PID调节器调节器电路图电路图模 拟 电 子 技 术7.2.4 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.采用二极管的对数运算电路采用二极管的对数运算电路一、对数运算电路一、对数运算电路 利利用用PN结结的的指指数数特特性性实实现对数运算现对数运算模 拟 电 子 技 术2.利用三极管的对数运算电路利用三极管的对数运算电路利用半导体三极管实现对数运算利用半导体三极管实现对数运算注意：注意：ui必须大于零，电路的输出电压必须大于零，电路的输出电压uO小于小于0.7伏伏发射结反向发射结反向饱和电流饱和电流模 拟 电 子 技 术uO是是ui的指数运算的指数运算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利用虚短和虚断，电路有利用虚短和虚断，电路有要求要求以上两个电路温漂很严重，实际电路都有温度补偿电路以上两个电路温漂很严重，实际电路都有温度补偿电路二、指数运算电路二、指数运算电路模 拟 电 子 技 术图图7.2.5 利用对数和指数运算电路实现的利用对数和指数运算电路实现的乘法运算乘法运算电路的方框图电路的方框图模 拟 电 子 技 术图图7.2.30 乘法运算电路乘法运算电路模 拟 电 子 技 术7.2.6 集成运放性能指标集成运放性能指标对运算误差的影响对运算误差的影响一、一、Aod和和rid为有限值时，对反相比例运算电路为有限值时，对反相比例运算电路 运算误差的影响运算误差的影响模 拟 电 子 技 术7.3.1 模拟乘法器简介模拟乘法器简介7.3 模拟乘法器及其在运放中的应用模拟乘法器及其在运放中的应用符号符号uO=kuxuyk 乘积乘积系数系数或或乘积增益乘积增益等效电路等效电路理想乘法器：理想乘法器：（1）ri1=、ri2=（4）ux=0 或或 uy=0 时，时，uO=0（2）ro=0（3）k不随信号幅度和频率变化不随信号幅度和频率变化模 拟 电 子 技 术图图7.3.2 模拟乘法器输入信号的四个象限模拟乘法器输入信号的四个象限类型类型单象限乘法器单象限乘法器 ux、uy 皆为固定极性皆为固定极性二象限乘法器二象限乘法器 一个为固定极性，一个为固定极性，另一个为可正可负另一个为可正可负四象限乘法器四象限乘法器 ux、uy 皆为可正可负皆为可正可负模 拟 电 子 技 术图图7.3.7 平方运算电路平方运算电路7.3.3 模拟乘法器及其在运放中的应用模拟乘法器及其在运放中的应用一、乘方运算电路一、乘方运算电路模 拟 电 子 技 术图图7.3.8 3次方和次方和4次方运算电路次方运算电路模 拟 电 子 技 术图图7.3.9 N次方运算电路次方运算电路模 拟 电 子 技 术二、除法运算电路二、除法运算电路当当 uI1 0，为使，为使 uO 0，则，则 uI2 0 当当 uI1 0 时，时，uO 0，为使，为使 uO 0 条件：条件：uO 与与 uI1 必须必须反相反相 (保证保证负反馈负反馈)模 拟 电 子 技 术三、开方运算电路三、开方运算电路图7.3.11 平方根运算电路uI 0模 拟 电 子 技 术图图7.3.14 例例7.3.1 电路图电路图已知：已知：uo=-0.1 uX uY（1）ui3的极性的极性（2）求）求uo与与ui的关系的关系+-K 0uI 0解：解：（1）（2）P点电位点电位N点电流方程：点电流方程：模 拟 电 子 技 术7.4有源滤波有源滤波电路电路 7.4.1 滤波滤波电路的基础知识电路的基础知识滤波电路：滤波电路：使使有用的频率有用的频率信号顺利通过，其它信号顺利通过，其它无用的频无用的频率率信号被阻止的电路。信号被阻止的电路。按照工作按照工作频带命名频带命名低通滤波器低通滤波器(LPF)(LPF)，ffffp的信号通过的信号通过带通滤波器带通滤波器(BPF),fp1ffp2的信号通过的信号通过带阻滤波器带阻滤波器(BET),fp1f fp时，时，书中颠倒（书中颠倒（p348)模 拟 电 子 技 术(7.4.4)当：当：f=0时时,通带放大倍数通带放大倍数fp=1/2(R/RL)C模 拟 电 子 技 术2.有源滤波电路有源滤波电路跟随器跟随器模 拟 电 子 技 术四四.有源滤波电路的传递函数有源滤波电路的传递函数通过通过“拉氏变换拉氏变换”，将电压和电流信号变，将电压和电流信号变换为换为“象函数象函数”U(S)U(S)和和I(S)I(S)。R(S)=RZC(S)=1/SCZL(S)=SLS的最高的最高指数指数称为滤波器的阶数称为滤波器的阶数模 拟 电 子 技 术7.4.2 低通滤波电路低通滤波电路一、同相输入低通滤波电路一、同相输入低通滤波电路1.一阶电路一阶电路书中遗漏书中遗漏(p350)用用jw取代取代S,令：令：f0=1/2 RC特征频率特征频率(7.4.6)模 拟 电 子 技 术图图7.4.6 一阶低通滤波电路的幅频特性一阶低通滤波电路的幅频特性当：当：f=0时时,通通带放大倍数带放大倍数当：当：f=f0时，时，当：当：f fp时，时，f p=f0模 拟 电 子 技 术2.简单二阶低通滤波电路简单二阶低通滤波电路通带增益：通带增益：Aup=1+R2/R1当当C1=C2=C时，时，特征频率：特征频率：(7.4.10)截止频率截止频率：f p 0.37f0时时模 拟 电 子 技 术图图7.4.8 简单二阶低通滤波电路的幅频特性简单二阶低通滤波电路的幅频特性当：当：f f0时时模 拟 电 子 技 术3.压控电压源二阶压控电压源二阶 LPFQ=1/(3-Aup)正反馈提升了正反馈提升了 f 0 附近的附近的 Au。特征频率：特征频率：品质因数品质因数当当 f=f0 时，时，40 dB/十倍频十倍频-40f/fn0-3-10-2010-30Q=0.6Q=1Q=2Q=51Good!模 拟 电 子 技 术二、反相输入滤波电路（了解部分）二、反相输入滤波电路（了解部分）模 拟 电 子 技 术三、三种类型三、三种类型的有源的有源LPF图图7.4.14 三种类型二阶三种类型二阶LPF的的幅频特性幅频特性Q=0.707Q=0.96Q=0.56模 拟 电 子 技 术一、高通滤波电路一、高通滤波电路图图7.4.16 二阶高通滤波电路二阶高通滤波电路7.4.3 其它滤波电路其它滤波电路f/fn0-3-10-2010-30-40Q=0.707Q=1Q=2Q=51模 拟 电 子 技 术二、带通滤波器二、带通滤波器图图7.4.17 由低通滤波器和高通滤波器由低通滤波器和高通滤波器 串联组成的带通滤波器串联组成的带通滤波器fp1fp1fp2fBW=fp1-fp2模 拟 电 子 技 术图图7.4.18 压控电压源二阶带通滤波电路压控电压源二阶带通滤波电路当：当：C1=C2=C R1=R,R2=2R,时时模 拟 电 子 技 术图图7.4.19 压控电压源二阶带通压控电压源二阶带通 滤波电路幅频特性滤波电路幅频特性当当 f=f0 时，时，Q=1/(3-Auf)fBW=f0/Q模 拟 电 子 技 术图图7.4.20 带阻滤波器的方框图带阻滤波器的方框图fp1fp2fp1fp2fBW=fp2-fp1模 拟 电 子 技 术图图7.4.21 有源带阻滤波电路有源带阻滤波电路双双T网络网络模 拟 电 子 技 术图图7.4.22 常用有源带阻滤波电路图常用有源带阻滤波电路图模 拟 电 子 技 术图图7.4.23 图图7.4.22所示带阻滤波器的幅频特性所示带阻滤波器的幅频特性fBW=f0/Q模 拟 电 子 技 术四、四、全通滤波电路全通滤波电路模 拟 电 子 技 术作业作业自测题：自测题：一、二一、二(1、36)、三、三习题：习题：7.1、7.2、7.3、7.4、7.5、7.6、7.8、7.13、7.14、7.25 模 拟 电 子 技 术7.5 电子信息系统与处理中所用放大电路电子信息系统与处理中所用放大电路图图7.5.1 三运放构成的精密放大器三运放构成的精密放大器7.5.1 仪表用放大器仪表用放大器要具有要具有高输入电阻高输入电阻和和高共模抑制比高共模抑制比。模 拟 电 子 技 术小小 结结第第 7 章章模 拟 电 子 技 术一、基本运算电路一、基本运算电路1.运算电路的两种基本形式运算电路的两种基本形式同相输入同相输入反相输入反相输入模 拟 电 子 技 术2.运算电路的分析方法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。间关系。运运放放在在线线性性工工作作时时，“虚虚短短”和和“虚虚断断”总总是是同同时时存存在。在。虚地只存在于虚地只存在于同相同相输入端接地的电输入端接地的电 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。模 拟 电 子 技 术二、模拟乘法器二、模拟乘法器(属于非线性模拟集成电路属于非线性模拟集成电路)uO=Kuxuy三、模拟乘法器的主要应用三、模拟乘法器的主要应用1.运算运算：乘法、平方、除法、平方根等乘法、平方、除法、平方根等2.电路电路：压控增益，调制、解调、倍频、混频等压控增益，调制、解调、倍频、混频等模 拟 电 子 技 术