測控電路第05章 信號運算電路

1、第第5章章 信號運算電路信號運算電路 基本要求：基本要求：掌握加減運算掌握加減運算電路電路、微分積分運算電、微分積分運算電路、常用特征值運算電路；了解其它運算電路（對數(shù)路、常用特征值運算電路；了解其它運算電路（對數(shù)、指數(shù)、乘法、除法、指數(shù)、乘法、除法、PIDPID運算電路）。運算電路）。 重點：重點：特征值運算電路、加減運算特征值運算電路、加減運算電路電路、微分積、微分積分運算電路分運算電路。n獲得被測參數(shù)：和、差、積、積分、平均值、獲得被測參數(shù)：和、差、積、積分、平均值、峰值、任意函數(shù)峰值、任意函數(shù)n實現(xiàn)控制：實現(xiàn)控制：PIDn誤差補償：非線性補償誤差補償：非線性補償n減小干擾影響：共模抑制

2、，跟蹤濾波減小干擾影響：共模抑制，跟蹤濾波n調(diào)制解調(diào)：乘法運算調(diào)制解調(diào)：乘法運算數(shù)字運算和模擬運算數(shù)字運算和模擬運算模擬運算：快、設(shè)備簡單模擬運算：快、設(shè)備簡單數(shù)字運算：功能強、精度高數(shù)字運算：功能強、精度高信號運算電路的功用信號運算電路的功用靈 測控電路32022-3-225. 信號運算電路信號運算電路線性運算電路 乘除運算電路微積分與PID運算電路特征值運算電路函數(shù)運算電路 測控電路42022-3-225.1 線性運算電路5.1.1 加法運算電路加法運算電路Ruouu+-+NRfifui1ui2R1Rnini1uini2R2fffoi1i2i12nnRRRuuuuRRR foi1p/1/n

3、kjjjkRRRuuRRRR12/jknRRRRR獨立作用原理獨立作用原理Rui1ui2R2uou+-+NRnRpRfR1uinu 測控電路52022-3-225.1.2 減法運算電路減法運算電路（一）利用加法運算電路實現(xiàn)減法運算5.1 線性運算電路ffoi1i212RRuuuRR ui1ui2uo1ui1、ui2均可擴展均可擴展 測控電路62022-3-22（二）用單一運算放大器實現(xiàn)減法運算（二）用單一運算放大器實現(xiàn)減法運算5.1 線性運算電路5.1.2 減法運算電路減法運算電路Pffoi2i12P11(1)RRRuuuRRRRRf/R1= R/R2=K o21()iiuK uuRRfui1

4、ui2R1uou-u+-+NR25.1 線性運算電路5.1.3 加減混合運算電路加減混合運算電路Rui1ui2R2uou+-+NRnRfR1uinuui-1ui-2R-1R-mui-mR-2ffoiq11p/1/nmkjqjikjRRRRuuuRRRRRp12/mRRRR12/qknRRRRR獨立作用原理獨立作用原理n乘除運算電路在參數(shù)計算、調(diào)制解調(diào)、濾波等中具有廣泛應(yīng)用，已集成化.(1) 基于對數(shù)、指數(shù)運算；(2) 基于變跨導(dǎo)；(3) 基于脈沖寬度、高度調(diào)制5.2 乘除運算電路uyuxuoxyKxyx, y輸入量，輸入量， K增益增益V-1 5.2 乘除運算電路5.2.1 對數(shù)運算電路對數(shù)運

5、算電路VDiDR1uiuo-+Ni1DDTTD(e1)essuuUUiII Is PN結(jié)的反向飽和電流；UT 熱電壓，；k 玻耳茲曼常數(shù)；q 電子的電荷量。ioDTs1lnuuuUI R 小信號時小信號時PN結(jié)具有對數(shù)特性結(jié)具有對數(shù)特性i1D1uiiRn實用電路需要進行失調(diào)和溫度補償5.2 乘除運算電路5.2.1 對數(shù)運算電路對數(shù)運算電路R1ui- -+ + +N1URuoiDR65k1M100kUCUDR4R3V1R21.5MR5i2- -+ + +N2tV2RT5.2 乘除運算電路5.2.1 對數(shù)運算電路對數(shù)運算電路i11uiR1s1iTBE1lnIRuUuR22UiRs22RTBE2ln

6、IRUUus11Rs22iTBE1BE2T54T5olnIRUIRuUuuRRRRRus11Rs22iT5T54TolnIRUIRuRRRRRUu1R2iT5T54TolnRURuRRRRRUus1s2II7 .16T5T54RRRRRi1R2olguRURu5.2.2 指數(shù)運算電路指數(shù)運算電路5.2 乘除運算電路RfifiVuiuo-+NBEiTTfsseeuuUUiiII TifsoeUuRIuo2fuiR 5.2 乘除運算電路5.2.2 指數(shù)運算電路指數(shù)運算電路R1ui-+N1uoR4200pFR5R3V1R2RTV2-+N2tUR5.2 乘除運算電路5.2.2 指數(shù)運算電路指數(shù)運算電路

7、2s2oTBE2lnIRuUu1s1RTBE1lnIRUUus22Rs11oTBE2BE1T54T5ilnIRUIRuUuuRRRRRu5Ti45TT()/()R2o1eRRuRRRUU RuR7 .161T54T5RRRRRii12Ro1010ukuRRUus1s2II5.2 乘除運算電路指數(shù)指數(shù)5.2.3 基于對數(shù)和指數(shù)運算的乘法運算電路基于對數(shù)和指數(shù)運算的乘法運算電路對數(shù)對數(shù)uo3R2R3uo1uo2uoR1u1-+N1R2V1R1u2-+N2R2V2-+N3-+N4V3相加相加1s111olnTRIuuU1s222olnTRIuuU21s2s121To21o3olnRIIuuUuuu2

8、1212s1s3s333soTo3euuRIIRIRIuUu5.2 乘除運算電路5.2.4 基于對數(shù)和指數(shù)運算的除法運算電路基于對數(shù)和指數(shù)運算的除法運算電路1s222olnTRIuuU指數(shù)指數(shù)uo3R2R3uo1uo2uoR1u1-+N1R2V1R1u2-+N2R2V2-+N3-+N4V3R21s111olnTRIuuU21To12oo3lnuuUuuuo3T1o3 ss32euUuuR II Ru 對數(shù)對數(shù)相減相減n對數(shù)放大器是單極性的，因此對數(shù)乘法器和除法器也是單象限的?？梢詫⑤斎腚妷篣x 和Uy分別與常數(shù)電壓UxC和UyC相加后再相乘，實現(xiàn)四象限相乘。5.2 乘除運算電路5.2.5 四象

9、限乘法運算電路四象限乘法運算電路o4()()4xyxyxyUE UEUUUUUEEEU0.50.5-1-1-1-1ExUy0U10U20.50.5-1-1-1-1N1xyzxyzN3N2U-1-1-1-1-1-1+4+4oN4- - -+ +5.2 乘除運算電路5.2.6 基于乘法器的除法運算電路基于乘法器的除法運算電路UUUoyxKxyxyN2N1oyxKU UUo()xyUUKU5.2 乘除運算電路5.2.7 基于變跨導(dǎo)的乘法運算電路基于變跨導(dǎo)的乘法運算電路co0T2xyR u uuR UocxugR u00/yiuR0T2igU對數(shù)指數(shù)式與變跨導(dǎo)式乘法運算電路都依賴有源器件特性，并有一系

10、列近似和干擾因素，精度低。RcR0V1V2V3ux+EcRcuyuoi0 1、若干參數(shù)的平均值 用求和方法求取平均值。 2、某一參數(shù)在一定時間變化的平均值 采用低通濾波或積分運算電路。 5.3 特征值運算電路5.3.1 平均值運算電路5.3 特征值運算電路5.3.2 絕對值運算電路采用精密全波檢波電路+ us 半波整流器低通濾波器+i1R4uoR1R2R3VD1VD2+ u i-+N1-+N2+uA+AsuAu2R3R n必須全波檢波電路，不加濾波電容。5.3 特征值運算電路5.3.2 絕對值運算電路UImAURUoNoiNVD1VD4VD3VD2RUIio5.3 特征值運算電路5.3.3 峰

11、值運算電路VD1R1VD2uiR2VCuRuo-+N1GSD-+N2主要要求：(1)充電快(反映變化)； (2)放電慢(保持久)5.3.4 最大、最小值選取電路5.3 特征值運算電路峰值運算電路: 輸出由單一變量在一段時間內(nèi)最大或最小值確定。最大、最小值選取電路：輸出由多個變量中最大或最小者確定。uR 擴展電路對于輸入電壓適應(yīng)范圍。VD1R2u1- -+ + +N1u2u3uRVD3VD2R1R3R4uoVD1R2u1- -+ + +N1u2u3uRVD3VD2R1R3R4uo最大值選取電路最大值選取電路最小值選取電路最小值選取電路5.4 函數(shù)運算電路R3R2R6-URui+URuoVD2C-

12、+NR5R4R1RfVD1VD3VD4VD5VD6ABOABCDABCDuoui轉(zhuǎn)折點：由鉗位控制，按此計算電阻比斜率：由電阻決定，按此計算電阻值用途： 函數(shù)運算線性化(1) 折線逼近電路5.4 函數(shù)運算電路(2)反函數(shù)運算電路foi()uf uu if0uuRR1oi( )ufuRuiRuo-+Nuff(x)-uf= f(uo)- 測控電路272022-3-225.5 微分積分運算電路 5.5.1 積分運算電路積分運算電路 主要用途：積分運算、濾波、波形發(fā)生、控制等主要用途：積分運算、濾波、波形發(fā)生、控制等干擾參數(shù)干擾參數(shù)X+ + + +- -W X-WY Z+ZY對對 象象ASAR被調(diào)參數(shù)

13、被調(diào)參數(shù)調(diào)節(jié)偏差調(diào)節(jié)偏差調(diào)調(diào) 節(jié)節(jié) 器器調(diào)節(jié)參數(shù)調(diào)節(jié)參數(shù)額定值額定值 引入積分運算后才能消除靜差引入積分運算后才能消除靜差5.5 微分積分運算電路 5.5.1 積分運算電路積分運算電路iCCRuiuo- -+ + +NR1i100od)(1QttiCCQutCoi001( )dtQuu ttQCRC 0oio)(UtRCUtu基本基本 積分運算電路積分運算電路在直流輸入情況下積分電容通常較大積分電容通常較大 測控電路292022-3-225.5 微分積分運算電路增量積分電路增量積分電路（比例積分電路比例積分電路）b)R1R1UiuouiOOttUiR2R2 5.5.1 積分運算電路積分運算電路

14、-+NR1R1R2R2CCI1I1uiuoa)ttuCRuRRu0i1i12od1有利于提高調(diào)節(jié)速度 測控電路302022-3-225.5 微分積分運算電路5.5.2 微分運算電路微分運算電路a)基本微分電路基本微分電路b)實用微分電路實用微分電路0ddoiRutuCtuRCuddio11111( )11()(+)(1+)(1+)H sRC sCsRRCsRCsRCsRC s 可進一步提高調(diào)節(jié)速度為減小干擾影響uiRCNuo+uoR1RCC1Nui+微分電容通常較小微分電容通常較小 測控電路312022-3-22PID(比例積分微分)電路又稱為PID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

15、將一定的物理量(被調(diào)節(jié)參數(shù)X )調(diào)節(jié)到預(yù)先給定的理論值(或稱額定值W ) ，并克服干擾的影響保持這一值。 5.5 微分積分運算電路5.5.3 PID電路電路 測控電路322022-3-225.5.3 5.5.3 PID電路電路5.5 微分積分運算電路干擾參數(shù)干擾參數(shù)X+ + + +- -W X-WY Z+ZY對對 象象ASAR被調(diào)參數(shù)被調(diào)參數(shù)調(diào)節(jié)偏差調(diào)節(jié)偏差調(diào)調(diào) 節(jié)節(jié) 器器調(diào)節(jié)參數(shù)調(diào)節(jié)參數(shù)額定值額定值積分：消除靜差、抑制干擾積分：消除靜差、抑制干擾比例：提高調(diào)節(jié)靈敏度、減小靜差、減小滯后比例：提高調(diào)節(jié)靈敏度、減小靜差、減小滯后微分：進一步微分：進一步減小滯后、加快調(diào)節(jié)速度減小滯后、加快調(diào)節(jié)速度

16、5.5 微分積分運算電路5.5.3 5.5.3 PID電路電路DDPPPDDIPIDD11( )111TsT sKW sKKTTT sK T sssKKR2R4R3RRRIRR1R1R2RRDCDRR5RuiuoR- -+ + +N4- -+ + +N5- -+ + +N3CI- -+ + +N2- -+ + +N1RP比例比例積分積分微分微分43P5RRKI1111T sRC sDDD1T sTsKP P、I I、D D并聯(lián)并聯(lián)5.5 微分積分運算電路R2R1R1R2RDCD- -+ + +N5- -+ + +N3uiu3uf3fDDuuR C s 23fi1()RuuuR21D3ii2DD

17、D1D111RRT suuuRTsR C s RK 5.5.3 5.5.3 PID電路電路5.5 微分積分運算電路R1uiCDR2R5R7CmuoPPDPIR6CIRPIRPD- -+ + +N1- -+ + +N3- -+ + +N2RRPR3R45.5.3 5.5.3 PID電路電路P P、I I、D D串聯(lián)：各級誤差累積，要求各級串聯(lián)：各級誤差累積，要求各級 精度要高。精度要高。5.5 微分積分運算電路5.5.4 5.5.4 工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器 （一）總電路（一）總電路30k外給定指示S6S427k390k390k470k30k升軟手動操作電路34內(nèi)給外給S6外給定42

18、0mA輸入15VURUi4500kS7500k500k電平移動電路正反作用R1R2R3R4R6_+N1+IRRRUTUF500k500k500k輸入指示S5R給定指示RP2S5指示單元500k500k500k500k500k560內(nèi)給定15V1kUSRPs標(biāo)定_+N5+_+N6+P2P1RP1910220VS6VUB=10V3V91020k2130kRHRF降_+N4+Uo32k40k40k2.4k負載3CG21R7R8R9UF4Uf3DG27C24VRfIo62.510k10kR1010k輸出電路UT4UB=10VRPI硬手動操作電路101k9.1kUo2CM62k15M3.910kS110

19、F比例微分電路比例積分電路_+N3+RPP3PDPIUT3UF31S3211kCI132S2VD VRP424V測量_+N1+1kRP39.1kCMUT2UF225kUo1470k30k5.5 微分積分運算電路5.5.4 5.5.4 工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器 500k500k500k輸入指示輸入指示給定指示給定指示RP2S5S5指示單元指示單元500k500k500k500k500k560內(nèi)給定內(nèi)給定1 15V1kUSRPs_+N5+P1RP1910220VS6VUB=10V調(diào)整調(diào)整3V910S6Ui測量輸入測量輸入標(biāo)標(biāo)定定P2_+N5+調(diào)靈調(diào)靈敏度敏度調(diào)靈調(diào)靈敏度敏度UR內(nèi)外給定

20、內(nèi)外給定按按3V標(biāo)定標(biāo)定測量給定測量給定差動放大器差動放大器 差動放大器差動放大器 先通過標(biāo)先通過標(biāo)定定調(diào)靈敏度調(diào)靈敏度（二）指示電路（二）指示電路5.5 微分積分運算電路5.5.4 5.5.4 工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器 （三）電平移動電路內(nèi)給內(nèi)給外給外給S6外給定外給定420mA輸入輸入15VURUi4500kS7500k正反正反作用作用R1R2R3R4R5R6_+N1+IRRRUFU+Uo125k滿足放大器的共模電壓范圍的要求滿足放大器的共模電壓范圍的要求 US500k接軟手動操作電路接軟手動操作電路5.5 微分積分運算電路5.5.4 5.5.4 工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器工業(yè)生產(chǎn)過程

21、調(diào)節(jié)器 （三）電平移動電路FTSB()/3UUUU3/ )2/(1oBiFUUUUb）反相端輸入）反相端輸入R5UFR2R3_+N1+R1R4US_+N1+UBR6Ui0.5Uo1+UBa）同相端輸入）同相端輸入UT)(2iS1oUUU獨立作用原理獨立作用原理 滿足放大器的共模電壓范圍的要求滿足放大器的共模電壓范圍的要求 123456RRRRRR5.5 微分積分運算電路5.5.4 5.5.4 工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器 S1、S2: 1-自動測量自動測量 2-軟手動，通過軟手動，通過S4改變改變充充電時間常數(shù)電時間常數(shù) 3-硬硬手動，強行快速充電手動，強行快速充電S3：改變增益：改變

22、增益RP3-調(diào)整微分時間常數(shù)調(diào)整微分時間常數(shù)RPP-調(diào)整增益調(diào)整增益RP4-調(diào)整積分時間常數(shù)調(diào)整積分時間常數(shù)RP1-調(diào)整調(diào)整快速充電快速充電時間常數(shù)時間常數(shù) 1kUo19.1kUo2CM62k15M3.910kS110F比例微分電路比例微分電路比例積分電路比例積分電路_+N3+_+N2+RPP3PDPIUT2UT3UF31kRP31S3211kCI132S2VD VRP4UF2CD30k1030kS427k390k390k470k軟手動操作電路軟手動操作電路42130kRHRF降降24V24VUB=10V3470k30kRP12.4k升升9.1k20k（四）（四）PID運算電路運算電路5.5

23、微分積分運算電路5.5.4 5.5.4 工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器 先不考慮由軟手動操作電路的輸入，并考慮到N2的輸入可等效為p39.1Rk由軟手動操作電路由軟手動操作電路Uo262k15M3.910k_N2+RPPUF2Uo1+UT21kRP3CD9.1k1Uo1UT2RP3CDUo1/n(五）PD運算電路P3o1T2o1P3D( )1( )( )1RUsnUsUsnnRC sP3Do1P3D11( )1nR C sUsnR C s5.5 微分積分運算電路5.5.4 5.5.4 工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器 （五）PD運算電路RP3-調(diào)整微分時間常數(shù)調(diào)整微分時間常數(shù)RPP-

24、調(diào)整增益調(diào)整增益 P3DT2o1P3D11( )( )1nR C sUsUsnR C s)(1)(o2F2sUsU)()(T2F2sUsUDP3DTnR CDo2o1DD1( )( )1T sUsUsTnsKDKn由軟手動操作電路由軟手動操作電路由軟手動操作電路Uo262k15M3.910k_N2+RPPUF2Uo1+UT21kRP3CD9.1k1)(11)()(1oD3PD3PT2osUsCRsCnRnsUsU5.5 微分積分運算電路5.5.4 5.5.4 工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器 （六）PI運算電路S1、S2: 1-自動測量自動測量 2-軟手動，通過軟手動，通過S4改變改變充充

25、電時間常數(shù)電時間常數(shù) 3-硬硬手動，強行快速充電手動，強行快速充電S3：改變增益：改變增益S1、S2在1即自動測量位置，S3在增益為10位置。電路簡化為CM1 0 F_+N3+UT3UF3CIRP4Uo3UBUo2o2UmIo3o2MP4I1( )1( )CUsUsCmR C s 1kCMS11 0 F_+N3+3UT3UF31S3211kCI132S2VDVRP41024V2.4k9.1kUo2Uo3Uo2n在研究傳遞函數(shù)時只考慮輸入量的影響5.5 微分積分運算電路5.5.4 5.5.4 工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器 （七）總傳遞函數(shù)Uo2Uo3Uo1Ui+USDDD11KsTsTn

26、2IDMDP4I11( )21CT sH sCnT smR C sIMP4I11CCmR C s5.5 微分積分運算電路5.5.4 5.5.4 工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器 （八）軟手動操作電路24V30kS427k390k390k470k421降3470k30k升20kS1-2UO1只有在S1接到位置2，即S1-2時軟手動操作電路才工作。根據(jù)S4的位置不同，24V電壓以不同電流向積分電容CM快速充電，使輸出快速進入工作狀態(tài)。Uo1也直接向CM充電，進行積分。5.5 微分積分運算電路5.5.4 5.5.4 工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器 （八）軟手動操作電路30kS427k390k390k470k30k升軟手動操作電路344500kS7500k500k電平移動電路正反作用R1R4R6_+N1+UTUF20k2130kRHRF降RPI101k9.1kUo2CM62k15M3.910kS