測控電路課件第五章

第五章信號運算電路運算放大器在各種測量線路中完成信號調(diào)理和運算功能。在測控系統(tǒng)中包括各種運算電路5.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)運算電路獲得被測參數(shù)：和、差、積、積分、平均值、峰值、任意函數(shù)實現(xiàn)控制：PID誤差補償：非線性補償減小干擾影響：共模抑制，跟蹤濾波調(diào)制解調(diào)：乘法運算信號運算電路的功用靈精度高響應(yīng)快轉(zhuǎn)換靈活硬件運算與軟件運算硬件運算：用硬件電路實現(xiàn)運算。運算速度快（實時性強），但運算精度低

軟件運算：用算式程序來實現(xiàn)?？蓪崿F(xiàn)各種復雜運算，運算精度高但需要CPU和A/D、D/A支持（成本高），耗CPU處理時間實時性差一些信號電平平移（如熱電偶）——加法、減法電路對信號壓縮或展寬——對數(shù)和指數(shù)電路信號延時、定時——微分和積分電路（充放電）對信號進行PID控制——比例、積分和微分電路提取信號的某些特征值——各種特征值電路（瞬時值、峰值、絕對值、平均值……）各種算式運算——乘法、乘方電路等運算電路有哪些？5.1.1同相放大電路（一）ui+∞+-NuoR1R2R3特性：輸入阻抗高，有易受干擾的缺點。R1開路時，Kf=1,放大器構(gòu)成一個等幅、同相的電壓跟隨器。5.1比例運算放大電路Kf≥1uoui+∞-+NR1R2R3反相放大電路5.1.2

反相放大電路當R2=R1時，Kf=-1,電路構(gòu)成單位增益倒相器，一般用于阻抗匹配和倒相。uo+∞-+Nui1R1R2R4ui2R3ui1作用時電路的輸出uo1

ui2作用時電路的輸出uo2

5.1.3差分比例放大電路疊加原理或虛短虛斷基本差動放大電路是反相放大電路與同相放大電路的組合5.1.3基本差動放大電路取R2/R1=R4/R3

電路輸出與兩個輸入端電壓的差值成比例，實現(xiàn)了差分比例運算。差分輸入電路可有效抑制共模干擾電壓的影響。

uo+∞-+Nui1R1R2R4ui2R35.2

加減法運算電路5.2.1同相輸入加法運算電路uoRui1ui2R3u+∞-++NR1RfR2u－5.2.2

反相輸入加法運算電路Ruou－u+∞-++NRfifui1ui2R1Rnini1uini2R2獨立作用原理5.2.3

減法運算電路（一）利用加法運算電路實現(xiàn)減法運算ui1ui2uo1ui1、ui2均可擴展反相加法U1U2減法（二）用單一運算放大器實現(xiàn)減法運算5.2.3

減法運算電路Rf/R1=RP/R2=K

RpRfui1ui2R1uou-u+∞-++NR2ui1、ui2均可擴展5.2.3加減混合運算電路Riui1ui2R2uou+∞-++NRnRfR1uinu－ui-1ui-2R-1R-mui-mR-2獨立作用原理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；(3)基于脈沖寬度、高度調(diào)制5.3

對數(shù)、指數(shù)和乘、除運算電路uyuxuoxyKxyx,y輸入量，K增益V-1

屬于非線性運算電路采用具有非線性特性的器件作為放大器的負反饋回路構(gòu)成二極管的電壓-電流特性晶體管的集電極電流-發(fā)射極電壓構(gòu)成的對數(shù)運算電路。5.3

對數(shù)、指數(shù)和乘、除運算電路5.3.1對數(shù)運算電路5.3.1對數(shù)運算電路

Is——PN結(jié)的反向飽和電流；UT——熱電壓；室溫時為26mV小信號時，利用二極管PN結(jié)的非線性，可實現(xiàn)對數(shù)運算。大信號時，二極管導通，起限幅作用，為限幅器。二極管特性方程只在ui>0時適用，如果ui<0時，必須將VD反接上面的電路實際應(yīng)用中還存在一些問題，需做如下改進1.失調(diào)補償：對輸入偏置電流和輸入失調(diào)電壓進行補償2.溫度補償：選用對管補償Is,熱敏電阻補償UT3.安全保護：為防止輸入電壓極性反向而導致PN結(jié)擊穿，輸出端增加反向限幅環(huán)節(jié)。4.校正環(huán)節(jié)：為保證閉環(huán)穩(wěn)定性，加RC校正環(huán)節(jié)實用電路中常常采用對管補償IS，熱敏電阻補償UT利用BJT的發(fā)射結(jié)電壓與電流的關(guān)系虛地也可利用半導體三極管實現(xiàn)對數(shù)運算溫度補償對數(shù)運算R1ui∞-++N1URuoiDR65kΩ1MΩ100kΩUCUDR4R3V1R21.5MΩR5i2∞-++N2t°V2RTR1ui∞-++N1URuoiDR65kΩ1MΩ100kΩUCUDR4R3V1R21.5MΩR5i2∞-++N2t°V2RT5.3.2指數(shù)運算電路RfifiVuiuo∞-++N將反饋回路的非線性器件移到輸入端，而反饋環(huán)節(jié)采用電阻，可實現(xiàn)指數(shù)運算R1ui∞-++N1uoR4200pFR5R3V1R2RTV2∞-++N2t°UR具有溫度補償?shù)某Ｓ弥笖?shù)運算電路指數(shù)運算溫度補償乘除運算電路應(yīng)用廣泛參數(shù)計算調(diào)制解調(diào)濾波集成化應(yīng)用5.3.3

基于對數(shù)/指數(shù)的乘/除運算電路乘法運算電路(1)基于對數(shù)、指數(shù)運算；(2)基于變跨導乘法運算電路；(3)基于脈沖寬度、高度調(diào)制；(4)

模擬乘法器uyuxuoxyKxyx,y輸入量，K增益V-1

5.3.3.1

基于對數(shù)和指數(shù)運算的乘法、除法運算電路指數(shù)5.3.3.1

基于對數(shù)和指數(shù)運算的乘法運算電路對數(shù)uo3R2R3uo1uo2uoR1u1∞-++N1R2V1R1u2∞-++N2R2V2∞-++N3∞-++N4V3相加5.3.3.2基于對數(shù)和指數(shù)運算的除法運算電路指數(shù)uo3R2R3uo1uo2uoR1u1∞-++N1R2V1R1u2∞-++N2R2V2∞-++N3∞-++N4V3R2對數(shù)相減乘法器的應(yīng)用MC1496

—雙差分對模擬乘法器V1、V2、V5—模擬乘法器V3、V4、V6—模擬乘法器V7~V9、R5—電流源電路R5

、V7

、R1—電流源基準V8、V9—提供0.5I05.3.4變跨導乘法運算電路（集成模擬乘法器）RY—引入負反饋，擴大uY

的線性動態(tài)范圍其中，uX

<UT(26mV)增益系數(shù)一、平方運算KXYXYuIuo集成模擬乘法器的應(yīng)用電路二、立方運算三、模擬乘法器的主要應(yīng)用1.運算：乘法、平方、除法、平方根等2.電路：壓控增益，調(diào)制、解調(diào)、倍頻、混頻等對數(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。5.3.3.3

四象限乘法運算電路U0.5-1-1ExUy>0U1>0U20.5-1-1N1xyzxyzN3N2U-1-1-1+4oN4--+四象限單象限(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。(3)某些低頻信號受高頻信號干擾：如存在電源或電磁干擾，可用低通濾波器進行濾波?？捎糜性椿騌C濾波器實現(xiàn)。(4)某一交變參數(shù)的有效值：取絕對值后再平均的方法。5.4

特征值運算電路5.4.1平均值運算電路5.4

特征值運算電路5.4.2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+–A3R￠必須全波檢波電路，不要濾波電容全波精密整流絕對值電路5.4

特征值運算電路5.4.2絕對值運算電路UImAURUoNoiNVD1VD4VD3VD2ui>0,VD2、VD3導通;ui<0,VD1、VD4導通5.4

特征值運算電路5.4.3峰值運算電路主要要求：(1)充電快(反映變化)；(2)放電慢(保持久)N1∞UiUoUCR2VD2SCR1VD1U1N1∞UR當ui>uc時，VD2導通，VD1截止，電容進行充電，跟蹤ui的峰值；當ui<uc時，VD1導通，VD2截止，電容沒有放電回路，保持原有的電壓值*有專用的峰值電路芯片峰值運算電路N1∞UiUoUCR2VD2SCR1VD1U1N1∞UR5.3.4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最大值選取電路最小值選取電路5.5微分積分運算電路

5.5.1積分運算電路主要用途：積分運算、濾波、波形發(fā)生、控制等干擾參數(shù)X+++-WX-WYZ+ZY對象ASAR被調(diào)參數(shù)調(diào)節(jié)偏差調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)參數(shù)額定值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iCCRuiuo∞-++NR1i1基本

積分運算電路在直流輸入情況下積分電容通常較大T1=RC，稱為積分常數(shù)，表明積分作用大小。T1越大，積分速度越慢，積分作用越弱。積分器的輸出與輸入信號存在的時間成正比，這一特點用于調(diào)節(jié)器時可構(gòu)成偏差積分調(diào)節(jié)器。優(yōu)點：積分器能消除純比例調(diào)節(jié)器固有的靜差。缺點：調(diào)節(jié)過程太長。5.5微分積分運算電路比例積分電路b)R1R1UiuouiOOttUiR2R2

5.5.1積分運算電路∞-++NR1R1R2R2CCI1I1uiuoa)有利于提高調(diào)節(jié)速度比例積分5.5微分積分運算電路5.5.2微分運算電路a)基本微分電路b)實用微分電路可進一步提高調(diào)節(jié)速度但無法克服靜差為減小干擾影響uiRCN∞uo++－uoR1RCC1N∞ui++－PID(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)是將一定的物理量(被調(diào)節(jié)參數(shù)X)調(diào)節(jié)到預先給定的理論值(或稱額定值W)

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