第五章信号的运算与处理.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,信号的运算与处理,*,第五章,信号的运算、测量与处理电路,集成运放与外部不同形式的反馈电路相配合，可以实现输入量与输出量之间的各种特定函数关系，即可完成对信号的运算、处理、变换等模拟功能。,集成运放的基本应用可分为：,线性应用,非线性应用,线性应用：,外加深度负反馈电路，使运放工作在线性区，可构成模拟运算电路、滤波电路等。分析时采用虚短、虚断的概念。,非线性应用：,开环或引入正反馈，使运放工作在非线性区，可构成比较器、波形发生电路等，此时运放表现出开关特性。,1,信号的运算与处理,基本运算电路,对数与指数与乘法运算电路,信号测量放大电路,信号变换电路,有源滤波器,2,信号的运算与处理,5.1,基本运算电路,比例运算,求和运算,微分和积分运算,3,信号的运算与处理,5.1.1,比例运算电路,根据输入信号接法不同，比例运算电路有三种基本形式：反相输入、同相输入及差分输入比例电路。,1,、反相比例运算电路,通常选,由于,虚断,，有,又因,虚短,，有,虚地,电压增益：,输入电阻：,输出电阻：,4,信号的运算与处理,结论：,1,）反相比例运算电路的反相输入端电位等于零（称虚地），加在集成运放输入端的共模输入电压为零。,2,）电路实现反相比例运算。,当,R,f,=,R,1,时，,A,uf,=,1,，,称,单位增益倒相器,。,3,）电路的输入电阻不大，输出电阻为零。,为运放输入端对地的直流电阻一致，取,R,2,=,R,1,/,R,f,5,信号的运算与处理,4.,共模电压,电位为,0,，虚地,输入电阻小、共模电压为,0,以及,“,虚地,”,是反相输入的特点。,_,+,+,R,2,R,1,R,P,u,i,i,1,i,2,3.,反馈方式,电压并联负反馈,输出电阻很小！,6,信号的运算与处理,反相比例电路的特点：,1.,共模输入电压为,0,，因此对运放的共模抑制比要求低。,2.,由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是,0,，因此带负载能力强。,3.,由于并联负反馈的作用，输入电阻小，因此对输入电流有一定的要求。,4.U-=U,+,=0,，,反相比例运算电路存在虚地。,7,信号的运算与处理,2,、同相比例运算电路,根据,虚短,和,虚断,的特点,又因,电压增益：,输入电阻：,输出电阻：,A,uf,1,结构特点：,负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。,8,信号的运算与处理,结论：,1,）同相比例运算电路有,u,+,=,u,=,u,i,不存在虚地现象，在选用集成运放时要考虑输入端可能有较高的共模输入电压。,2,）电路实现同相比例运算。,当,R,f,=0,，,R,1,=,时，,A,uf,=1,，,称,电压跟随器,。,3,）电路的输入电阻无穷大，输出电阻为零。,9,信号的运算与处理,此电路是电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分立元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。,三、电压跟随器,结构特点：,输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。,电压跟随器是,同相比例运算放大器的特例。,讨论题,2,：,若同相比例运算电路中的,R,1,=,，,R,2,=R,P,0,，,试分析其,Uo,与,U,i,的,关系。,_,+,+,u,i,u,o,10,信号的运算与处理,同相比例电路的特点：,3.,共模输入电压为,u,i,，,因此对运放的共模抑制比要求高,。,1.,反馈方式：,电压串联负反馈。输入电阻高。,由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是,0,，因此带负载能力强。,2.由于串联负反馈的作用，输入电阻大。,讨论题,1,：,把同相比例运算电路当作第一级，把反相比例运算电路作为第二级，组成两级放大电路，试分析,u,o,与,u,i,的,关系。,11,信号的运算与处理,3,、差分比例运算电路,当,当,12,信号的运算与处理,5.1.2,求和运算电路,1,、反相求和运算电路,由于虚断，,i,=0,，,则,i,1,+,i,2,+,i,3,=,i,f,又因虚地，可得：,当,时,优点：,1,）电路调节灵活方便。,改变某一路电阻时，仅改变,u,o,与该路,u,i,间关系。,2,）共模输入电压为零。,13,信号的运算与处理,2,、同相求和运算电路,由于虚断，,i,+,=0,，,则,其中,又因虚短，则有,1,）,R,+,与各输入支路电阻都有关，对电路参数估算和调试不便。,2,）有共模输入电压。,同相求和,14,信号的运算与处理,例1,试用集成运放实现以下计算关系：,可利用,2,级运放实现上式。,1,）将,u,i1,与,u,i3,通过,A,1,反相求和，得,u,o1,=,（,0.2,u,i1,+1.3,u,i3,）,2,）将,A,1,的输出,u,o1,与,u,i2,通过,A,2,反相求和，得,u,o,=,（,u,o1,+10,u,i2,）,=0.2,u,i1,10,u,i2,+1.3,u,i3,u,o,=0.2,u,i1,10,u,i2,+1.3,u,i3,解：,15,信号的运算与处理,u,o1,=,（,0.2,u,i1,+1.3,u,i3,）,u,o,=,（,u,o1,+10,u,i2,）,由上,2,式，可得,若选,R,f1,=20k,，则,若选,R,f2,=100k,，则,并由此得,16,信号的运算与处理,5.1.3,微分和积分运算,1,、积分电路,积分电路是组成模拟计算机的基本单元，用以实现对微分方程的模拟。也常用于控制和测量系统，其充放电过程可实现延时、定时及各种波形的产生。,因反相输入端虚地，有,又因虚断，则,17,信号的运算与处理,积分电路的误差,实际积分电路的输出电压与输入电压的函数关系存在误差，严重时甚至不能正常工作。,产生积分误差的原因：,1,）集成运放不是理想特性而引起。如,当,u,i,=0,时，,u,o,也应为零，但因运放的输入偏置电流流过积分电容，使逐渐上升。时间越长，误差越大。,集成运放的通频带不够宽，积分电容对快速变化的输入信号反映迟钝，使输出波形出现滞后现象等。,2,）积分电容引起。如,当,u,i,回到零后，,u,o,应保持原来的数值不变。但若电容存在泄漏电阻，使,u,o,的幅值逐渐下降。,18,信号的运算与处理,2,、微分电路,微分是积分的逆运算。,因虚断，则,因反相输入端虚地，有,微分电路可实现波形转换，如将矩形波变换为尖脉冲。,微分电路可实现移相作用，,如当,u,i,=,U,m,sin,t,时，,u,o,比,ui,滞后,90,。,19,信号的运算与处理,20,信号的运算与处理,基本微分电路的主要缺点：,1,）对高频噪声非常敏感。,当输入信号频率升高，电容的容抗减小，放大倍数增大，使电路,对信号中高频噪声很敏感,，造成输出信号中的噪声成分严重增加，信噪比大大下降。,2,）,RC,元件形成一个滞后的移相环节，与运放中原有的滞后环节共同作用，容易产生,自激振荡,。,实用微分电路,21,信号的运算与处理,例2,电路及,u,i,波形如图所示。,试画出,u,o,的波形。,（设,t=0,时，,U,C,(0)=0,，,u,o,(0)=0,）,解：,根据,u,i,的特点，可分两步积分,1,）,t,=00.1ms,时u,i,=+2V,，,22,信号的运算与处理,1,）,t,=00.1ms,时，,u,i,=+2V,2,）,t,=0.10.2ms,时，,u,i,=,2V,t,=0.1ms,时,t,=0.2ms,时,将矩形波变换为三角波,23,信号的运算与处理,5.2,对数、指数与乘法运算电路,5.2.1,对数运算电路,利用虚地概念，有,且,输出与输入实现对数运算,24,信号的运算与处理,5.2.2,指数运算电路,（,u,i,0）,25,信号的运算与处理,5.,2,.,3,模拟乘法器,模拟乘法器的基本概念,模拟乘法器的基本电路,模拟乘法器在运算电路中的应用,26,信号的运算与处理,一、模拟乘法器的基本概念,模拟乘法器是一种完成两个模拟信号相乘作用的电子器件。电路符号为,输入和输出之间的关系：,其中,K,为乘法器的,比例系数,或,标度系数,。当,K,0,时称同相型乘法器，,K,f,o,时，幅度衰减较快，滤波效果比一阶电路好。,品质因数,特征频率,通带增益,50,信号的运算与处理,5.5.3,高通滤波器,1,、一阶高通滤波器,1,）传递函数,51,信号的运算与处理,2,）幅频特性,特点：,a.,电路简单；,b.,通带内具有较高增益；,c.,阻带衰减太慢，选择性较差,52,信号的运算与处理,2,、二阶高通滤波器,1,）传递函数,品质因数,特征频率,通带增益,53,信号的运算与处理,2,）幅频特性,当,f,f,o,时，幅度衰减较快，滤波效果比一阶电路好。,54,信号的运算与处理,5.5.4,带通滤波器,55,信号的运算与处理,例4,一有源滤波器电路如图所示。设,A,为理想运放。,1,、求电路的传递函数；,2,、画出频率特性曲线，说明该电路的功能。,解：,1,、求电路的传递函数,由于,u,i,同时作用于运放的输入端，可作减法运算电路进行求解。,56,信号的运算与处理,2,、画出频率特性曲线，说明该电路的功能。,令,s=,j,t,，,带入上式，则,57,信号的运算与处理,f,o,这是一个全通滤波器。,58,信号的运算与处理,本章内容的重点,1,、正确理解理想运放及“虚短”、“虚断”、“虚地”的概念。,2,、掌握运放线性应用电路的分析思路和计算方法。,3,、了解滤波器的基本概念，掌握传递函数的推导方法。,59,信号的运算与处理,