《信號的運算和處理》PPT課件.ppt

1、第七章 信號的運算和處理,第七章 信號的運算和處理,7.1 集成運放組成的運算電路,7.2 模擬乘法器及其在運算電路中的應用,7.3 有源濾波電路,電子信息系統(tǒng),傳感器接收器,隔離、濾波、放大,運算、轉(zhuǎn)換、比較,功放,第九章,7.1 集成運放組成的運算電路,一、概述,二、比例運算電路,三、加減運算電路,四、積分運算電路和微分運算電路,五、對數(shù)運算電路和指數(shù)運算電路,一、概述,Aod、 rid 、fH 均為無窮大，ro、失調(diào)電壓及其溫漂、失調(diào)電流及其溫漂、噪聲均為0。,因為uO為有限值， Aod，所以 uNuP0，即 uNuP虛短路,因為rid，所以 iNiP0虛斷路,電路特征：引入電壓負反饋。

2、,無源網(wǎng)絡(luò),2. 集成運放的線性工作區(qū): uOAod(uP uN),1. 理想運放的參數(shù)特點,3. 研究的問題,（1）運算電路：運算電路的輸出電壓是輸入電壓某種運算的結(jié)果，如加、減、乘、除、乘方、開方、積分、微分、對數(shù)、指數(shù)等。 （2）描述方法：運算關(guān)系式 uOf (uI) （3）分析方法：“虛短”和“虛斷”是基本出發(fā)點。,（1）識別電路； （2）掌握輸出電壓和輸入電壓運算關(guān)系式的求解方法。,4、學習運算電路的基本要求,二、比例運算電路,電路引入了哪種組態(tài)的負反饋？ 電路的輸入電阻為多少？ 3) R？為什么？,Rf太大，噪聲大。如何利用相對小的電阻獲得100的比例系數(shù)？,iN=iP=0， uN

3、=uP=0虛地,在節(jié)點N：,1. 反相輸入,R=RRf,4) 若要Ri100k，比例系數(shù)為100，R1？ Rf？,保證輸入級的對稱性,T 形反饋網(wǎng)絡(luò)反相比例運算電路,利用R4中有較大電流來獲得較大數(shù)值的比例系數(shù)。,運算關(guān)系的分析方法：節(jié)點電流法,2. 同相輸入,電路引入了哪種組態(tài)的負反饋？ 輸入電阻為多少？ 電阻R？為什么？ 共模抑制比KCMR時會影響運算精度嗎？為什么？,同相輸入比例運算電路的特例：電壓跟隨器,三、加減運算電路,方法一：節(jié)點電流法,1. 反相求和,1. 反相求和,方法二：利用疊加原理 首先求解每個輸入信號單獨作用時的輸出電壓，然后將所有結(jié)果相加，即得到所有輸入信號同時作用時的

4、輸出電壓。,2. 同相求和 設(shè) R1 R2 R3 R4 R Rf,利用疊加原理求解： 令uI2= uI3=0，求uI1單獨作用時的輸出電壓,在求解運算電路時，應選擇合適的方法，使運算結(jié)果簡單明了，易于計算。,同理可得， uI2、 uI3單獨作用時的uO2、 uO3，形式與uO1相同， uO =uO1+uO2+uO3 。 物理意義清楚，計算麻煩！,2. 同相求和 設(shè) R1 R2 R3 R4 R Rf,與反相求和運算電路的結(jié)果差一負號,必不可少嗎？,3. 加減運算 利用求和運算電路的分析結(jié)果,設(shè) R1 R2 Rf R3 R4 R5,若R1 R2 Rf R3 R4 R5，uO?,實現(xiàn)了差分放大電路,

5、討論一：電路如圖所示,（1）組成哪種基本運算電路？與用一個運放組成的完成同樣運算的電路的主要區(qū)別是什么？,（2）為什么在求解第一級電路的運算關(guān)系時可以不考慮第二級電路對它的影響？,四、積分運算電路和微分運算電路,1. 積分運算電路,移相,利用積分運算的基本關(guān)系實現(xiàn)不同的功能,1) 輸入為階躍信號時的輸出電壓波形？,2) 輸入為方波時的輸出電壓波形？,3) 輸入為正弦波時的輸出電壓波形？,線性積分，延時,波形變換,2. 微分運算電路,為了克服集成運放的阻塞現(xiàn)象和自激振蕩，實用電路應采取措施。,限制輸入電流,滯后補償,限制輸出電壓幅值,虛地,怎么識別微分運算電路？,對輸入電壓的極性和幅值有何要求？

6、,五、對數(shù)運算電路和指數(shù)運算電路,1. 對數(shù)運算,實用電路中常常采取措施消除IS對運算關(guān)系的影響,利用PN結(jié)端電壓與電流的關(guān)系,實際極性,ICM限制其值,集成對數(shù)運算電路,熱敏電阻？溫度系數(shù)為正？為負？,對輸入電壓的極性和幅值有何要求？,2. 指數(shù)運算電路,3. 乘法、除法運算電路,除法電路怎樣實現(xiàn)呢？,7.2 模擬乘法器及其在 運算電路中的應用,一、模擬乘法器簡介,二、在運算電路中的應用,一、模擬乘法器簡介,1. 變跨導型模擬乘法器的基本原理,實際電路需在多方面改進，如線性度、溫度的影響、輸入電壓的極性等方面。,理想情況下，ri1、 ri2、fH為無窮大， 失調(diào)電壓、電流及其溫漂為0，ro為

7、0， ux 、uy 幅值和頻率變化時 k 值不變。,有單象限、兩象限和四象限之分。,2. 模擬乘法器的符號及等效電路,二、在運算電路中的應用,2.乘方運算,1. 乘法運算,實際的模擬乘法器k常為+0.1V-1或0.1V-1。 若k= +0.1V-1，uI1= uI2=10V，則 uO=10V。,實現(xiàn)了對正弦波 電壓的二倍頻變換,為使電路引入的是負反饋，k和uI2的極性應如何？,3. 除法運算,運算電路中集成運放必須引入負反饋！,若集成運放的同相輸入端與反相輸入端互換，則k和uI2的極性應如何？,為實現(xiàn)上式，電路中uI、 uO、k的極性是什么？為什么？,4. 開方運算,若集成運放的負反饋通路中為

8、某種運算電路，則整個電路實現(xiàn)其逆運算！,如何實現(xiàn)開三次方運算電路？,若要uO0，則有何變化？ 若要求uI、 uO均大于0，則有何變化？,清華大學 華成英 ,討論,1) 標出集成運放的“”和“”； 2) 求解uO= f (uI) = ?,7.3 有源濾波電路,一、概述,二、低通濾波器,三、高通、帶通、帶阻濾波器,四、狀態(tài)變量型濾波器,1. 濾波電路的功能 使指定頻段的信號順利通過，其它頻率的信號被衰減。,2. 濾波電路的種類,低通濾波器（LPF）,通帶放大倍數(shù),通帶截止頻率,下降速率,理想幅頻特性 無過渡帶,一、概述,用幅頻特性描述濾波特性，要研究 、 ( fP、下降速率)。,高通濾波器（HPF

9、）,帶通濾波器（BPF）,帶阻濾波器（BEF）,全通濾波器（APF）,理想濾波器的幅頻特性,阻容耦合,通信電路,抗已知頻率的干擾,f-轉(zhuǎn)換,濾波器的用途,濾波器主要用來濾除信號中無用的頻率成分，例如，有一個較低頻率的信號，其中包含一些較高頻率成分的干擾。,3. 無源濾波電路和有源濾波電路,負載變化，通帶放大倍數(shù)和截止頻率均變化。,無源濾波電路的濾波參數(shù)隨負載變化；有源濾波電路的濾波參數(shù)不隨負載變化，可放大。 無源濾波電路可用于高電壓大電流，如直流電源中的濾波電路；有源濾波電路是信號處理電路，其輸出電壓和電流的大小受有源元件自身參數(shù)和供電電源的限制。,有源濾波電路,用電壓跟隨器隔離濾波電路與負載

10、電阻,4. 教學基本要求：電路的識別，幅頻特性的分析計算,二、低通濾波器,求解傳遞函數(shù)時，只需將放大倍數(shù)中的 j用 s 取代即可； s 的方次稱為階數(shù)。,頻率趨于0時的放大倍數(shù)為通帶放大倍數(shù),決定于RC環(huán)節(jié),表明進入高頻段的下降速率為 20dB/十倍頻,（1）一階電路,1. 同相輸入,經(jīng)拉氏變換得傳遞函數(shù)：,一階電路,1. 同相輸入（1）一階電路：幅頻特性,為了使過渡帶變窄，需采用多階濾波器，即增加RC環(huán)節(jié)。,（2）簡單二階LPF,截止頻率 fp 0.37f0,分析方法：電路引入了負反饋，具有“虛短”和“虛斷”的特點利用節(jié)點電流法求解輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系。,C1=C2,（3）壓控電壓源二階

11、LPF,引入正反饋,為使 fp=f0，且在f=f0時幅頻特性按40dB/十倍頻下降。,f0時，C1斷路，正反饋斷開，放大倍數(shù)為通帶放大倍數(shù)。,f ， C2短路，正反饋不起作用，放大倍數(shù)0 。,因而有可能在f = f 0時放大倍數(shù)等于或大于通帶放大倍數(shù)。對于不同頻率的信號正反饋的強弱不同。,C1=C2,壓控電壓源二階LPF的分析,列P、M點的節(jié)點電流方程，整理可得：,2. 反相輸入低通濾波器,積分運算電路的電壓放大倍數(shù)為,加R2后,需有電阻構(gòu)成的負反饋網(wǎng)絡(luò)來確定通帶放大倍數(shù)。,三、高通、帶通、帶阻有源濾波器,與LPF有對偶性，將LPF的電阻和電容互換，就可得一階HPF、簡單二階HPF、壓控電壓源

12、二階HPF電路。,2. 帶通濾波器（BPF）,3. 帶阻濾波器（BEF）,fHfL,1. 高通濾波器（HPF）,解：根據(jù)f 0 ，選取C再求R。 1. C的容量不易超過 。 因大容量的電容器體積大， 價格高，應盡量避免使用。 取,計算出 ，取,例題: 要求二階壓控型LPF的 Q值為0.7， 試求電路中的電阻、電容值。,二階壓控型LPF,2根據(jù)值求 和 ，因為 時 ， ，根據(jù) 與 、 的關(guān)系，集成運放兩輸 入端外接電阻的對稱條件,解得：,圖二階壓控型LPF,四、狀態(tài)變量型濾波器,要點： 將比例、積分、求和等基本運算電路組合成自由設(shè)置傳遞函數(shù)、實現(xiàn)各種濾波功能的電路，稱為狀態(tài)變量型濾波器。 通帶放大倍數(shù)決定于電阻組成的負反饋網(wǎng)絡(luò)。 利用“逆運算”方法。,將低通環(huán)節(jié)加在負反饋通路來實現(xiàn)高通。 f 時C 相當于短路，A2輸出電壓0，電路開環(huán)， A1輸出電壓UOM，工作到非線性區(qū)；需引入負反饋決定通帶放大倍數(shù)。,二階狀態(tài)變量濾波器的組成,通帶放大倍數(shù)決定一個電阻組成的負反饋網(wǎng)絡(luò)。,運算電路與有源濾波器的比較,相同之處 電路中均引入深度負反饋，因而集成運放均工作在線性區(qū)。 均具有“虛短”和“虛斷”的特點，均可用節(jié)點電流法求解電路。 不同之處 運算電路研究的是時域