模擬電子電路原理與設(shè)計基礎(chǔ)：7信號的運算和處理

1、信號的運算和處理概 述基本運算電路電壓、電流、電阻的測量電流源比例運算加減運算微分與積分對數(shù)與指數(shù)電壓源電子信息系統(tǒng)預(yù)處理中的放大電路集成模擬乘法器有源濾波器基本原理功 能應(yīng) 用相乘運算平方立方開平方開立方除法運算低通濾波器基礎(chǔ)知識一階有源低通二階有源低通其他濾波器運算電路要求小結(jié)Exituiuo+UOM-UOMAo越大，運放的線性范圍越小，必須在輸出與輸入之間加負反饋才能使其擴大輸入信號的線性范圍。uiuo_+Ao例：若UOM=12V，Ao=106， 則|ui|12V時，運放 處于線性區(qū)。線性放大區(qū)概 述 運放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻高，輸出電阻小，在分析時常將作為理想運放。理想運放的條

2、件虛短路放大倍數(shù)與負載無關(guān)。分析多個運放級聯(lián)組合的線性電路時可以分別對每個運放進行。虛開路運放工作在線性區(qū)的特點一、在分析信號運算電路時對運放的處理概 述Exit二、分析運放組成的線性電路的出發(fā)點虛短路虛開路放大倍數(shù)與負載無關(guān)， 可以分開分析。u+uo_+uIi信號的放大、運算有源濾波電路運放線性應(yīng)用概 述Exit基本運算電路作用：將信號按比例放大。類型：同相比例放大和反相比例放大。方法：引入深度電壓并聯(lián)負反饋或電壓串聯(lián)負反饋。這樣輸出電壓與運放的開環(huán)放大倍數(shù)無關(guān)，與輸入電壓和反饋系數(shù)有關(guān)。比例運算電路Exiti1= i2uo_+R2R1RPuii1i21.放大倍數(shù)虛短路虛開路結(jié)構(gòu)特點：負反饋

3、引到反相輸入端，信號從反相端輸入。一、反相比例運算電路基本運算電路比例運算電路ExitExit2.電路的輸入電阻ri=R1平衡電阻，使輸入端對地的靜態(tài)電阻相等，保證靜態(tài)時輸入級的對稱性。RP =R1 / R2為保證一定的輸入電阻，當放大倍數(shù)大時，需增大R2，而大電阻的精度差，因此，在放大倍數(shù)較大時，該電路結(jié)構(gòu)不再適用。uo_+R2R1RPuii1i2一、反相比例運算電路基本運算電路比例運算電路4.共模電壓電位為0，虛地輸入電阻小、共模電壓為 0 以及“虛地”是反相輸入的特點。3.反饋方式電壓并聯(lián)負反饋輸出電阻很??！一、反相比例運算電路基本運算電路比例運算電路uo_+R2R1RPuii1i2Ex

4、ituo_+R2R1RPuiR4R3i1i2i4i3MT形網(wǎng)絡(luò)反相比例運算電路i1= i2一、反相比例運算電路基本運算電路比例運算電路Exit 該放大電路，在放大倍數(shù)較大時，可避免使用大電阻。但R3的存在，削弱了負反饋。T形網(wǎng)絡(luò)反相比例運算電路一、反相比例運算電路基本運算電路比例運算電路Exit_+R2R1RPuiuou-= u+= ui反饋方式：電壓串聯(lián)負反饋。輸入電阻高。 結(jié)構(gòu)特點：負反饋引到反相輸入端，信號從同相端輸入?；具\算電路比例運算電路二、同相比例運算電路Exit_+uiuo 結(jié)構(gòu)特點：輸出電壓全部引到反相輸入端，信號從同相端輸入。電壓跟隨器是同相比例運算放大器的特例。三、電壓跟

5、隨器基本運算電路比例運算電路Exit作用：將若干個輸入信號之和或之差按比例放大。類型：同相求和和反相求和。方法：引入深度電壓并聯(lián)負反饋或電壓串聯(lián)負反饋。這樣輸出電壓與運放的開環(huán)放大倍數(shù)無關(guān)，與輸入電壓和反饋系數(shù)有關(guān)。加減運算電路基本運算電路ExitR12_+R2R11ui2uoRPui1 實際應(yīng)用時可適當增加或減少輸入端的個數(shù)，以適應(yīng)不同的需要。一、反相求和運算加減運算電路基本運算電路i12iFi11 調(diào)節(jié)某一路信號的輸入電阻，不影響輸入電壓和輸出電壓的比例關(guān)系。Exit 實際應(yīng)用時可適當增加或減少輸入端的個數(shù)，以適應(yīng)不同的需要。-R1RF+ui1uoR21R22ui2二、同相求和運算加減運算

6、電路基本運算電路 此電路如果以 u+ 為輸入 ，則輸出為：Exit 流入運放輸入端的電流為0（虛開路）若: R1=Rf=R21=R22二、同相求和運算加減運算電路基本運算電路-R1RF+ui1uoR21R22ui2Exit 實際應(yīng)用時可適當增加或減少輸入端的個數(shù)，以適應(yīng)不同的需要。R2_+RfR1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6R1/R2/Rf = R3/R4/R6三、單運放的加減運算電路加減運算電路基本運算電路ExitR2_+RfR1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6三、單運放的加減運算電路加減運算電路基本運算電路圖1R2_+RfR1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6 因

7、此,所有輸入信號同時作用時的輸出電壓為若:R1/R2/Rf = R3/R4/R6圖2Exit_+R2R1R1ui2uoR2ui1解出：特例：差動放大器三、單運放的加減運算電路加減運算電路基本運算電路Exit-RF1+ui1uo1R1ui2R2R3-RF2+uoR4ui3R5R6四、雙運放的加減運算電路加減運算電路基本運算電路Exit微分與積分運算電路u= u+= 0u i+uoRR2i1iFC一、微分運算基本運算電路Exituit0t0uo若輸入：則：微分與積分運算電路一、微分運算基本運算電路u i+uoRR2i1iFCExiti1iFui-+RR2Cuo微分與積分運算電路基本運算電路二、積分

8、運算Exittuo0輸入方波，輸出三角波。應(yīng)用舉例1：tui0積分電路的主要用途：1.在電子開關(guān)中用于延遲。2. 波形變換。3. A/D轉(zhuǎn)換中，將電壓量變 為時間量。4. 移相。微分與積分運算電路基本運算電路二、積分運算Exittui0tuo0U-UomTM積分時限應(yīng)用舉例2：如果積分器從某一時刻輸入一直流電壓， 輸出將反向積分，經(jīng)過一定的時間后輸出飽和。思考：如果輸入是正弦波，輸出波形怎樣。微分與積分運算電路基本運算電路二、積分運算Exit 利用PN結(jié)的指數(shù)特性實現(xiàn)對數(shù)運算BJT的發(fā)射結(jié)有 當 時，對數(shù)與指數(shù)運算電路1. 對數(shù)運算電路基本運算電路Exit 其中，IES 是發(fā)射結(jié)反向飽和電流，

9、vO是vS的對數(shù)運算。注意：vS必須大于零，電路的輸出電壓小于0.7伏利用虛短和虛斷，電路有：對數(shù)與指數(shù)運算電路1. 對數(shù)運算電路基本運算電路ExitvO是vS的反對數(shù)運算（指數(shù)運算）要求說明：實用電路加有溫度補償電路2. 反對數(shù)運算電路對數(shù)與指數(shù)運算電路基本運算電路利用虛短和虛斷，電路有：Exit 基本原理 實 現(xiàn) 框 圖 3. 對數(shù)反對數(shù)型模擬乘法器對數(shù)與指數(shù)運算電路基本運算電路Exit對于差放有：集成模擬乘法器 一. 基本原理Exit二. 功能：實現(xiàn)兩個模擬量相乘其中K為比例因子，量綱:V-1符號：集成模擬乘法器Exit 三. 應(yīng)用1. 相乘運算模擬相乘器立方運算電路 2. 平方和立方運

10、算平方運算電路集成模擬乘法器Exit3. 除法運算據(jù)虛斷如果令K= R2 / R1則工作（負反饋）條件？ 三. 應(yīng)用集成模擬乘法器Exit4. 開平方運算電路)(1112OvRRKv-=v1為負值！負反饋條件？二極管作用？ 三. 應(yīng)用集成模擬乘法器Exit5. 開立方運算電路 三. 應(yīng)用集成模擬乘法器Exit1. 熟記各種單運放組成的基本運算電路的電路圖及放大倍數(shù)公式。2. 掌握以上基本運算電路的級聯(lián)組合的計算。3. 會用 “虛開路(ii=0)”和“虛短路(u+=u) ”分析給定運算電路的 放大倍數(shù)。運算電路要求集成模擬乘法器Exit濾波電路的分類1. 按信號性質(zhì)分類3. 按電路功能分類: 低

11、通濾波器；高通濾波器；帶通濾波器；帶阻濾波器2. 按所用元件分類濾波電路的基礎(chǔ)知識模擬濾波器和數(shù)字濾波器無源濾波器和有源濾波器4. 按階數(shù)分類: 一階，二階 高階有源濾波器Exit傳遞函數(shù)：幅頻特性相頻特性濾波器傳遞函數(shù)的定義濾波電路的基礎(chǔ)知識有源濾波器Exit低通高通帶通帶阻四種典型的頻率特性濾波電路的基礎(chǔ)知識有源濾波器Exit無源濾波器的缺點： （以一階濾波器為例）傳遞函數(shù)：RCR濾波電路的基礎(chǔ)知識有源濾波器Exit1. 帶負載能力差。2. 無放大作用。3. 特性不理想，邊沿不陡。截止頻率處：010.707o截止頻率此電路的缺點：有源濾波器濾波電路的基礎(chǔ)知識Exit傳遞函數(shù)中出現(xiàn) 的一次項

12、，故稱為一階濾波器。RR1RFC+-+一、一階有源低通濾波器有源濾波器低通濾波器Exit幅頻特性：相頻特性：一、一階有源低通濾波器低通濾波器有源濾波器Exit有放大作用3. 運放輸出，帶負載能力強。幅頻特性與一階無源低通濾波器類似電路的特點：2. =o 時1. =0 時一、一階有源低通濾波器低通濾波器有源濾波器ExitRR1RFC+-+CRP低通濾波器有源濾波器二、二階有源低通濾波器Exit03dB解出：其中：傳遞函數(shù)中出現(xiàn) 的二次項，故稱為二階濾波器。二、二階有源低通濾波器低通濾波器有源濾波器ExitR1= 時：AF=1 =o時：RC+-+CRP二、二階有源低通濾波器低通濾波器有源濾波器Ex

13、itRR1RFC+-+RR1RFC+-+1. 由低階有源濾波器構(gòu)成高階有源濾波器例：一階構(gòu)成二階。有源濾波器小結(jié)分析簡單Exit2. 一階低通和二階低通幅頻特性曲線的區(qū)別：-3dBAF理想低通一階低通二階低通階數(shù)越高，幅頻特性曲線越接近理想濾波器。0有源濾波器小結(jié)Exit將低通濾波器中的R、C 對調(diào)，低通濾波器就變成了高通濾波器。RCR1RF+-+低通濾波器R1RF+-+高通濾波器R有源濾波器其他濾波器Exit一階有源高通濾波器R1RF+-+高通濾波器R有源濾波器其他濾波器Exit幅頻特性：0o一階有源高通濾波器有源濾波器其他濾波器Exit電子信息系統(tǒng)預(yù)處理中的放大電路電壓源的要求： 輸出電阻

14、小。所以，要有電壓負反饋。電路組成： 比例放大器。_+R2R1RPUoUs反向比例放大器組成的電壓源一、電壓源Exit電路特點:1. 輸出電壓的大小調(diào)節(jié)方便。2. 同相比例放大器組成的電壓源的輸出大于輸入。3. 反相比例放大器組成的電壓源輸出可以小于輸入。4. 同相比例放大器的輸入電阻大，從信號源取得的電流小。電子信息系統(tǒng)預(yù)處理中的放大電路一、電壓源Exit要求：輸出電阻大。所以，要有電流負反饋。_+R2R1RPUsRFRLFIL負載懸地I1I2二、電流源電子信息系統(tǒng)預(yù)處理中的放大電路ExitR1R1+AR2R2uoUsRLIL負載接地的電流源自己推導(dǎo)二、電流源電子信息系統(tǒng)預(yù)處理中的放大電路E

15、xit指針式萬用表的缺點：（1）不能測量微小電壓和微小電流；（2）萬用表的內(nèi)阻不是0或，因此引起誤差；（3）作交流測量時，表盤刻度是非線性的，影響精度。三、電壓、電流與電阻的測量電子信息系統(tǒng)預(yù)處理中的放大電路Exit虛短路 把表頭改裝成靈敏度較高、輸入電阻較大的電壓表。_+RFRGF輸入電阻大，電壓表內(nèi)阻取。1. 電壓表UxIG三、電壓、電流與電阻的測量電子信息系統(tǒng)預(yù)處理中的放大電路IG正比于UX虛開路若：RF=10，表頭的滿偏電流IGmax=100A，則：滿偏電壓 Uxmax= IGmaxRF=1mVExit此電路的優(yōu)點：(1) 量程由表頭的滿偏電流 IG 和電阻 RF 決定。 RF可選用小電阻，準確測量較小的電壓(2) 輸入電阻高，對被測電路影響小(3) 測量值與表頭內(nèi)阻RG無關(guān)，表頭的互換性好UX= UF=RF IG_+RFRGF1. 電壓表三、電壓、電流與電阻的測量電子信息系統(tǒng)預(yù)處理中的放大電路Exit電壓表擴大量程_+RFRGFIG1mV表頭分壓電阻的計算：取R1=100kR