第五章-信號(hào)運(yùn)算電路

1、中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院第五章第五章 信號(hào)運(yùn)算電路信號(hào)運(yùn)算電路加、減法運(yùn)算電路加、減法運(yùn)算電路2對(duì)、指數(shù)和乘、除法運(yùn)算電路對(duì)、指數(shù)和乘、除法運(yùn)算電路3常用特征值運(yùn)算電路常用特征值運(yùn)算電路4積分、微分運(yùn)算電路積分、微分運(yùn)算電路5比例運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路1中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院5.1 比例運(yùn)算電路比例運(yùn)算電路為什么用模擬信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算？為什么用模擬信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算？1.同相比例放大電路同相比例放大電路2.反相比例放大電路反相比例放大電路3.差分比例放大電路差分比例放大電路中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院5.2 加、減法運(yùn)算電路加、減法運(yùn)算電路一、加法運(yùn)算電路一、加法運(yùn)算電路反相加法反相加法R同相加法同相加法

2、推導(dǎo)過程？推導(dǎo)過程？中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院二、減法運(yùn)算電路二、減法運(yùn)算電路1. 利用加法運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算利用加法運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算2. 用單一運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算用單一運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院5.3 對(duì)、指數(shù)和乘、除法運(yùn)算電路對(duì)、指數(shù)和乘、除法運(yùn)算電路1、對(duì)數(shù)運(yùn)算、對(duì)數(shù)運(yùn)算利用二極管的特性：利用二極管的特性：) 1(TuuseIIIs反向飽和電流反向飽和電流 u外加電壓外加電壓 uT溫度的電壓當(dāng)量溫度的電壓當(dāng)量=26 mv一般一般uuT，TuuseII sTIIuuln1lnRIuuuSiTo右圖右圖這種電路精度不高這種電路精度不高由二極管組成的對(duì)數(shù)電路由二極管

3、組成的對(duì)數(shù)電路中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院1lnRIuuusiTo二極管、三極管組成的對(duì)數(shù)電路，從上面最終的式子，我們可以看到二極管、三極管組成的對(duì)數(shù)電路，從上面最終的式子，我們可以看到uT和和Is都是與溫度有關(guān)的參數(shù)，所以運(yùn)算精度受溫度影響比較大。都是與溫度有關(guān)的參數(shù)，所以運(yùn)算精度受溫度影響比較大。例如：溫度從例如：溫度從2050時(shí)，時(shí)， uT增加增加10%， Is增加近增加近10倍。倍。所以我們要提出溫度補(bǔ)償功能的對(duì)數(shù)電路。所以我們要提出溫度補(bǔ)償功能的對(duì)數(shù)電路。改進(jìn)型，雙極型晶體管改進(jìn)型，雙極型晶體管V代替二極管代替二極管由晶體管組成由晶體管組成的對(duì)數(shù)電路的對(duì)數(shù)電路TBEvvsceII 1Ru

4、Iic1lnlnRIuuIIuuusiTscTbeo中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院V1V2Ube1Ube2uo圖圖5-8 具有溫度補(bǔ)償?shù)膶?duì)數(shù)運(yùn)算電路具有溫度補(bǔ)償?shù)膶?duì)數(shù)運(yùn)算電路實(shí)際上，實(shí)際上，V2與電阻與電阻R3為溫度補(bǔ)償電路為溫度補(bǔ)償電路差動(dòng)補(bǔ)償差動(dòng)補(bǔ)償怎么補(bǔ)償?shù)哪?？怎么補(bǔ)償?shù)哪?？refiTouRuRRRRuu15332ln中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院2.2.指數(shù)運(yùn)算電路指數(shù)運(yùn)算電路TiuusoeRIu1同前，指數(shù)運(yùn)算也可用前面差動(dòng)的方法來進(jìn)行溫度補(bǔ)償，同前，指數(shù)運(yùn)算也可用前面差動(dòng)的方法來進(jìn)行溫度補(bǔ)償，具體電路見圖具體電路見圖5-10TiuuRRRrefoeRRuu43315中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院3.

5、 乘除運(yùn)算電路乘除運(yùn)算電路模擬乘法器是繼運(yùn)算放大器之后最通用的集成電路器件之一。模擬乘法器是繼運(yùn)算放大器之后最通用的集成電路器件之一。uouxuyuo=KuxuyK稱為比例系數(shù)或標(biāo)度系稱為比例系數(shù)或標(biāo)度系數(shù)數(shù) K=0.1一般保證精度。一般保證精度。實(shí)現(xiàn)模擬乘法器方法很多實(shí)現(xiàn)模擬乘法器方法很多對(duì)數(shù)對(duì)數(shù)/反對(duì)數(shù)組成的模擬乘法器反對(duì)數(shù)組成的模擬乘法器平方乘法器平方乘法器時(shí)間分割模擬乘法器時(shí)間分割模擬乘法器變跨導(dǎo)模擬乘法器變跨導(dǎo)模擬乘法器課本所講的主要是對(duì)數(shù)課本所講的主要是對(duì)數(shù)/反對(duì)數(shù)乘法器反對(duì)數(shù)乘法器中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院?jiǎn)蜗笙蕹顺\(yùn)算電路單象限乘除運(yùn)算電路Auzzyxezxylnlnln（1）基

6、于對(duì)數(shù)）基于對(duì)數(shù)/指數(shù)運(yùn)算的乘除運(yùn)算電路指數(shù)運(yùn)算的乘除運(yùn)算電路zyxouuuu 中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院（2）四象限乘法器）四象限乘法器N1、N2為加法器，分別與一定固定電壓為加法器，分別與一定固定電壓E相加，然后經(jīng)相加，然后經(jīng)過過N3乘法器，再到乘法器，再到N4加法器加法器Euuuyxo其中其中Eux、uy+E，輸出，輸出u1，u20滿足一象限乘法器的條件滿足一象限乘法器的條件N1N2N3N4中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院（3）除法電路）除法電路zxouuEu （4）集成乘、除法運(yùn)算電路）集成乘、除法運(yùn)算電路集成乘法器有不少的品種。如美國(guó)集成乘法器有不少的品種。如美國(guó)ADI公司的公司的AD632、

7、AD534可以實(shí)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn))()(212121zzSFyyxxAuoAD532、AD633、AD838可以實(shí)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)zyyxxAuo10)(2121而而MLT04具有具有4路乘法器，路乘法器，AD539、AD734可以實(shí)現(xiàn)乘法和除法運(yùn)算。可以實(shí)現(xiàn)乘法和除法運(yùn)算。的運(yùn)算，的運(yùn)算，的運(yùn)算，的運(yùn)算，中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院5.乘方與開方電路乘方與開方電路利用乘法器很容易實(shí)現(xiàn)平方電路，利用乘法器很容易實(shí)現(xiàn)平方電路，ux=uy就可以了。就可以了。Euuuyxo開方運(yùn)算也可以用乘法器實(shí)現(xiàn)。開方運(yùn)算也可以用乘法器實(shí)現(xiàn)。此電路只適用于正輸入和正輸出的情況，當(dāng)輸入端出現(xiàn)負(fù)此電路只適用于正輸入和正輸出的情況，當(dāng)

8、輸入端出現(xiàn)負(fù)電壓時(shí)，輸出端電壓很快達(dá)到負(fù)向飽和，電路就不能正常工電壓時(shí)，輸出端電壓很快達(dá)到負(fù)向飽和，電路就不能正常工作。此外在這種電路中輸出電壓可能為正或?yàn)樨?fù)，為了得到作。此外在這種電路中輸出電壓可能為正或?yàn)樨?fù)，為了得到正向正向Uo輸出，可在輸出端加一個(gè)箝位二極管輸出，可在輸出端加一個(gè)箝位二極管VD。中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院5.4 常用特征值運(yùn)算電路常用特征值運(yùn)算電路1. 絕對(duì)值運(yùn)算電路絕對(duì)值運(yùn)算電路RuIio|UOoUi只要用前面所學(xué)的線性整流電路就可只要用前面所學(xué)的線性整流電路就可以了（可參見第三章圖以了（可參見第三章圖3-11、圖、圖3-12、圖圖3-13，但不要其中的濾波電容）。，但不

9、要其中的濾波電容）。NUiUoUNRIoVD1VD3VD2VD4mA中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院2.平均值運(yùn)算電路平均值運(yùn)算電路兩種兩種求若干信號(hào)的加權(quán)平均值求若干信號(hào)的加權(quán)平均值相加電路相加電路信號(hào)在某一時(shí)段內(nèi)的平均值信號(hào)在某一時(shí)段內(nèi)的平均值積分積分 通過低通濾波器通過低通濾波器 對(duì)于左側(cè)信號(hào)對(duì)于左側(cè)信號(hào)ui(t)，我們可以，我們可以分解成一個(gè)直流量分解成一個(gè)直流量+一個(gè)交流量一個(gè)交流量)sin()(tutuii代替代替)(tui經(jīng)過低通濾波后，經(jīng)過低通濾波后，itioudttuRCu0)(1假如假如Sin(t)，那為，那為0只剩下直流量，這就是它的平均值。只剩下直流量，這就是它的平均值。因此，

10、我們可以利用低通濾波器濾除波動(dòng)信號(hào)，就獲因此，我們可以利用低通濾波器濾除波動(dòng)信號(hào)，就獲得了信號(hào)的平均值。得了信號(hào)的平均值。中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院3.峰值運(yùn)算電路峰值運(yùn)算電路利用二極管單向?qū)щ娞匦?，使電容單向充電，記憶其峰值利用二極管單向?qū)щ娞匦裕闺娙輪蜗虺潆?，記憶其峰值Vim1Vim2Vim3ViVot上述電路記錄正峰值，若要記錄負(fù)峰值，上述電路記錄正峰值，若要記錄負(fù)峰值，D1、D2反接即可。反接即可。通過兩正反峰值相加電路，我們可以得到峰峰電路。通過兩正反峰值相加電路，我們可以得到峰峰電路。正峰值正峰值檢波器檢波器ui反相器反相器正峰值正峰值檢波器檢波器相加電路相加電路-ui(-ui)m

11、axuimax中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院4.有效值運(yùn)算電路有效值運(yùn)算電路也稱均方根值。也稱均方根值。 在電學(xué)上交流信號(hào)、噪音、諧波分量、光學(xué)件表面粗糙度的在電學(xué)上交流信號(hào)、噪音、諧波分量、光學(xué)件表面粗糙度的評(píng)定、誤差的評(píng)定，都采用有效值。評(píng)定、誤差的評(píng)定，都采用有效值。對(duì)于正弦信號(hào)，對(duì)于正弦信號(hào)，2/muu ，測(cè)得幅值就測(cè)得有效值。，測(cè)得幅值就測(cè)得有效值。a) 基本有效值運(yùn)算電路框圖基本有效值運(yùn)算電路框圖UEUoiRCU1xyxyxyzxyzN1N2TidttuRCu02)(1這個(gè)電路的不足之處，動(dòng)態(tài)范圍太小。這個(gè)電路的不足之處，動(dòng)態(tài)范圍太小。例如我們信號(hào)電壓為例如我們信號(hào)電壓為10mV，取參考

12、電壓，取參考電壓E=10V，則輸出，則輸出uo=10uV，這個(gè)值與噪聲電壓差不多了。，這個(gè)值與噪聲電壓差不多了。中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院 根據(jù)這種原理，我們經(jīng)常選用集成電路器件根據(jù)這種原理，我們經(jīng)常選用集成電路器件AD536、AD637。b)大動(dòng)態(tài)范圍的有效值運(yùn)算電路框圖大動(dòng)態(tài)范圍的有效值運(yùn)算電路框圖RCUUoixyzxyzN2N1TiodttuTu02)(1 這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于輸入電壓不與因子這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于輸入電壓不與因子Ui/E相乘，而相乘，而是與因子是與因子Ui/Uo相乘，在輸入電壓比較小時(shí)，前個(gè)因子小相乘，在輸入電壓比較小時(shí)，前個(gè)因子小于于1，而后個(gè)因子接近，而后個(gè)因子接近1，從而

13、可以獲得較大的動(dòng)態(tài)范圍。，從而可以獲得較大的動(dòng)態(tài)范圍。中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院5.5 微分、積分運(yùn)算電路微分、積分運(yùn)算電路由于積分可以濾除高頻干擾，常用于濾波作用，而且利用它的充由于積分可以濾除高頻干擾，常用于濾波作用，而且利用它的充放電特性還可以實(shí)現(xiàn)延時(shí)、定時(shí)，以及各種波形。放電特性還可以實(shí)現(xiàn)延時(shí)、定時(shí)，以及各種波形。1. 積分電路積分電路 （1）反相積分電路）反相積分電路UIcUIiRCoiN假設(shè)電容初始電荷為假設(shè)電容初始電荷為0，就是初始電壓為，就是初始電壓為0dtuRCuio1若初始不為若初始不為001oioudtuRCu若若ui為常數(shù)，則為常數(shù)，則0oioutRCuuuo隨時(shí)間線性上

14、升，積分電路適隨時(shí)間線性上升，積分電路適合于三角波與鋸齒波發(fā)生器。合于三角波與鋸齒波發(fā)生器。若若ui=umcost，積分以后，積分以后，0sinomoutRCuu幅頻特性在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中為幅頻特性在對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中為-6dB的直線，確定積分電路的準(zhǔn)則。的直線，確定積分電路的準(zhǔn)則。中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院（2）比例積分電路）比例積分電路- -+ + +NR1R1R2R2CCI1I1UiUoa)b)R2R1R1UiUoUiOOttUiR2在積分電容在積分電容C上串一個(gè)小電阻上串一個(gè)小電阻R2，即得比例積分電路（增量積分電路）。，即得比例積分電路（增量積分電路）。dtuCRuRRuiio1121這種電路比

15、一般積分電路的輸出多了一項(xiàng)與這種電路比一般積分電路的輸出多了一項(xiàng)與ui成比例的項(xiàng)，故稱增成比例的項(xiàng)，故稱增量積分電路。它利用這一微小增量（量積分電路。它利用這一微小增量（R1R2）去補(bǔ)償由于積分器）去補(bǔ)償由于積分器復(fù)原和比較器滯后帶來的誤差。復(fù)原和比較器滯后帶來的誤差。圖圖b為輸入方波時(shí)的電路圖。為輸入方波時(shí)的電路圖。中國(guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院2.微分運(yùn)算電路微分運(yùn)算電路a)基本微分電路基本微分電路UURCoiNb)實(shí)用微分電路實(shí)用微分電路URRCC1i1NoUdtduRCuio 當(dāng)輸入為正弦波當(dāng)輸入為正弦波 ui=umSint，輸出為，輸出為uo=RCumcost，幅值為幅值為RC，幅頻為，幅頻為+6dB的直線。的直線。 圖圖b為實(shí)用電路，使為實(shí)用電路，使R1C=C1R，R1與與C1都是進(jìn)行相位補(bǔ)償?shù)亩际沁M(jìn)行相位補(bǔ)償?shù)闹袊?guó)計(jì)量學(xué)院中國(guó)計(jì)量學(xué)院3. PID電路電路PID（比例（比例積分積分微分）電路又稱為微分）電路又稱為PID調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器，是一種常見的控制電路。調(diào)節(jié)器的任務(wù)是將一定的物理量是一種常見的控制電路。調(diào)節(jié)器的任務(wù)是將一定的物理量（被調(diào)節(jié)參數(shù)（被調(diào)節(jié)參數(shù)X），調(diào)節(jié)到預(yù)先給定的理論值（或稱額定），調(diào)節(jié)到預(yù)先給定的理論值（或稱額定值值W），并克服干擾的影響保持這一值。），并