信的运算与处理课件

,8.1 基本运算电路,8.2 对数和指数运算电路,8.3 电压和电流转换电路,8.5 有源滤波电路,8 信号的运算与处理电路,简述：运算放大器的两个工作区域（状态）,1. 运放的电压传输特性：,设：电源电压V,CC,=10V。,运放的,A,VO,=10,4,U,i,1mV时，运放处于线性区。,A,VO,越大，线性区越小，,当A,VO,时，线性区0,2.理想运算放大器：,开环电压放大倍数,A,V0,=,差模输入电阻,R,id,=,输出电阻,R,0,=0,为了扩大运放的线性区，给运放电路引入负反馈：,理想运放工作在线性区的条件：,电路中有负反馈！,运放工作在线性区的分析方法：,虚短（U,+,=U,-,）,虚断（i,i+,=i,i-,=0）,3. 线性区,4. 非线性区（正、负饱和输出状态）,运放工作在非线性区的条件：,电路中开环工作或引入正反馈！,运放工作在非线性区的分析方法在下一章讨论,8.1.1 反相输入比例运算电路,设运放是理想的，由“,虚短,”和“,虚断,”：,8.1.2 反相输入求和电路,在 反相比例运算电路的基础上，增加一个输入支路，此时两个输入信号和输出信号关系如何呢？,图8.01 反相求和运算电路,8.1.3 同相输入运算电路,8.1.4 同相输入求和电路,在同相比例运算基础上，增加一个输入支路，构成同相求和。,图8.02 同相求和运算电路,因运放虚断特性，对输入端用,叠加原理,求得:,R,R,R,R,R,R,v,R,R,R,R,R,R,R,v,R,R,R,R,R,R,R,R,R,R,v,R,R,R,R,R,v,R,R,v,+,+,+,+,=,+,+,+,+,=,f,1,2,i2,1,2,2,2,1,i1,2,1,1,f,1,2,i2,1,2,1,i1,2,o,),/,(,),/,(,),/,(,),/,(,),/,(,),/,(,),/,(,),/,(,R,v,R,v,R,R,R,R,R,R,R,R,v,R,R,v,R,R,v,+,=,+,+,=,2,i2,1,i1,f,n,p,f,f,f,i2,2,p,i1,1,p,o,),(,),)(,(,由此可得出,/,/,/,f,n,2,1,p,R,R,R,R,R,R,R,=,=,式中,+,-,=,v,v,+,+,+,+,=,R,R,R,v,R,R,R,R,R,v,R,R,v,),/,(,),/,(,),/,(,),/,(,1,2,i2,1,2,1,i1,2,-,+,=,v,R,R,R,v,o,f,而,i2,i1,o,f,2,1,n,p,v,v,v,R,R,R,R,R,+,=,=,=,=,时,当,，,8.1.5 双端输入求和电路,双端输入也称差动输入，双端输入求和运算电路如图8.03所示。其输出电压表达式的推导方法与同相输入运算电路相似,。,图8.03双端输入求和运算电路,当,v,i1,=,v,i2,=0时，用,叠加原理分别求出,v,i3,=0和,v,i4,=0时的输出,电压,v,op,。当,v,i3,=,v,i4,=0时，分别求出,v,i1,=0，和,v,i2,=0时的,v,on,。,先求,式中,R,p,=,R,3,/R,4,/R , R,n,=R,1,/R,2,/R,f,再求,于是,8.1.6. 减法运算电路,1、利用加法器,v,i2,-v,i1,= v,i2,+(-v,i1,),反相器（-1）,叠加定理,（二）减法器,2、差动减法器,V,i1,作用,V,i2,作用,综合：,例8.1:,求图8.04所示数据放大器的输出,表达式，并分析,R,1,的作用。,解：,v,s1,和,v,s2,为 差模输入信号，为此,v,o1,和,v,o2,也是,差模信号，,R,1,的中点为交流零电位。对A,3,是双,端输入放大电路。,图8.04 数据放大器原理图,所以,显然调节,R,1,可以改变放大器的增益。产品,数据放大器，如AD624等。,8.1.6 积分运算电路,积分运算电路的分析方法与比例电路,差不多，反相积分运算电路如图8.05,所示。,图8.05 积分运算电路,当输入信号是阶跃直流电压,V,I,时，即,图 8.05 积分运算放大电路（,动画8-1,）,例8.2:,画出在,给定输入波形,作用下积分器,的输出波形。,(a) 阶跃输入信号,(b)方波输入信号,图8.06 积分器的输入和输出波形,图8.06给出了在阶跃输入和方波输入下,积分器的输出波形。,这里要注意当输入信号在某一个时间段等于零时，积分器的输出是不变的，保持前一个时间段的,最终数值,。因为虚地的原因，积分电阻,R,两端无电位差，因此,C,不能放电，故输出电压保持不变。,将比例运算和积分运算结合在一起，就组成,比例-积分运算电路。,u,o,C,F,u,i,R,2,R,1,+,+,+,+,R,F,i,f,i,1,电路的输出电压,上式表明：输出电压是对输入电压的比例-积分,这种运算器又称 PI 调节器, 常用于控制系统中, 以保证自控系统的稳定性和控制精度。改变,R,F,和,C,F,，可调整比例系数和积分时间常数, 以满足控制系统的要求。,8.1.7 微分运算电路,微分运算电路如图8.07所示。,图 8.07 微分电路,比例-微分运算电路,上式表明：输出电压是对输入电压的比例-微分,控制系统中， PD调节器在调节过程中起加速作用，即使系统有较快的响应速度和工作稳定性。,PD调节器,u,o,C,1,u,i,R,2,R,F,+,+,+,+,R,1,i,f,i,R,i,C,例：图示电路是广泛应用与自动调节系统中的比例,积分微分电路。试求该电路,u,o,与,u,i,的关系式 。,u,o,+,+,C,F,u,i,R,1,C,1,R,2,R,F,u,+,=,u,= 0,u,o,= (,R,F,i,f,+,i,f,d,t,),1,C,F,i,f,=,i,1,= +,C,1,u,i,R,1,d,u,i,d,t,u,o,=,u,i,+,R,F,C,1,+ +,C,1,d,t,R,F,R,1,d,u,i,d,t,1,C,F,u,i,R,1,),d,u,i,d,t,(,C,1,C,F,=,R,F,R,1,1,R,1,C,F,),d,u,i,d,t,(,+,+,u,i,+,R,F,C,1,u,i,d,t,解：,i,1,i,R,1,i,C,1,i,f,8.2.1 对数运算电路,图 8.08 对数运算电路,对数运算电路见图8.08。由图可知,其中，,I,ES,是发射结反向饱和电流，,u,O,是,u,i,的对数运算。,BJT的发射结有,注意：,u,i,必须大于零，电路的输出电压小于0.7伏,利用虚短和虚断，电路有,也可利用半导体三极管实现,对数运算,8.2.2 指数运算电路,指数运算电路如图8.09所示。,指数运算电路相当反对数运算电路。,图 8.09 指数运算电路,u,O,是,u,i,的反对数运算（指数运算）,用半导体三极管实现,反对数运算电路,利用虚短和虚断，电路有,要求,以上两个电路温漂很严重，实际电路都有温度补偿电路,8.3.1 电流-电压变换器,图8.10是电流-电压变换器,。,由图可知,可见输出电压与输入电流成比例。,输出端的负载电流,图8.10电流-电压变换电路,8.3.2 电压-电流变换器,图8.11的电路为电压-电流变换器,图8.11电压-电流变换器,由图可知:,所以输出电流与输入电压成比例,。,例：设,R,F,R,4,，试证：,u,o,R,F,u,i,R,2,R,1,+,+,+,+,R,3,R,4,A,i,1,i,f,i,3,i,4,证：,例：,求,u,o,与,u,i1,、,u,i2,的运算关系式。,R,1,/,K,u,i1,R,1,+,+,KR,2,u,i2,R,2,+,+,u,o,u,o1,解：,第一级：,第二级：,8.5 有 源 滤 波 器,8.5.1 概述,8.5.2 有源低通滤波器(LPF),8.5.3 有源高通滤波器(HPF),8.5.4 有源带通滤波器(BPF)和,带阻滤波器(BEF),有源滤波器实际上是一种具有特定频率响应的放大器。它是在运算放大器的基础上增加一些,R、C,等无源元件而构成的。,通常有源滤波器分为：,低通滤波器（LPF）,高通滤波器（HPF）,带通滤波器（BPF）,带阻滤波器（BEF）,它们的幅度频率特性曲线如图8.12所示。,8.5.1,滤 波 器 的 分 类,8.5.1,概述,图8.12 有源滤波器的频响,滤波器也可以,由无源的电抗性元,件或晶体构成，称,为无源滤波器或晶,体滤波器。,2,滤波器的用途,滤波器主要用来滤除信号中无用的频率成分，例如，有一个较低频率的信号，其中包含一些较高频率成分的干扰。滤波过程如图8.13所示。,图8.13 滤波过程,8.5.2 有源低通滤波器(LPF),1 低通滤波器的主要技术指标,2 简单一阶低通有源滤波器,3 二阶压控型低通有源滤波器,1,低通滤波器的主要技术指标,（1）通带增益,A,v,p,指滤波器在通频带内的电压放大倍数，如图8.14所示。性能良好的LPF通带内的幅频特性曲线是平坦的，阻带内的电压放大倍数基本为零。,（2）通带截止频率,f,p,其定义与放大电路的上限截止频率相同。通带与阻带之间称为过渡带，过渡带越窄，说明滤波器的选择性越好。,图8.14 LPF的幅频特性曲线,R,C,R,1. 一阶RC,低通滤波器(无源),C,C,传递函数,幅频特性,一.,低通有源滤波器,0,1,0.707,0,截止频率,此电路的缺点：,1、带负载能力差。,2、无放大作用。,3、特性不理想，边沿不陡。,幅频特性、幅频特性曲线,R,C,R,2,简单一阶低通有源滤波器,一阶低通滤波器的电路如图8.15所示，其幅频特性见图8.16，图中虚线为理想的情况，实线为实际的情况。特点是电路简单，阻带衰减太慢，选择性较差。,图8.15 一阶LPF 图8.16一阶LPF的幅频特性曲线,当,f,= 0时，各电容器可视,为开路，通带内的增益为,一阶低通滤波器的传递函数如下,， 其中,1、,时：,有放大作用,3、,运放输出，带负载能力强。,2、,时：,幅频特性与一阶无源低通滤波器类似,电路特点:,4,二阶低通有源滤波器,为了使输出电压在高频段以更快的速率下降，以改善滤波效果，再加一节,RC,低通滤波环节，称为二阶有源滤波电路。它比一阶低通滤波器的滤波效果更好。,（1）二阶压控LPF,二阶压控型低通有源滤波器如图8.19所示。其中的一个电容器,C,1,原来是接地的，现在改接到输出端。,图8.19二阶压控型LPF,二阶压控型低通滤波器,图8.20 二阶压控型LPF,的幅频特性,（2）二阶压控型LPF的传递函数,上式表明，该滤波器的通带增益应小于3，才能保障电路稳定工作。,对于节点,N ,可以列出下列方程,联立求解以上三式，可得,LPF,的传递函数,(3）频率响应,由传递函数可以写出频率响应的表达式,当 时，上式可以化简为,定义有源滤波器的,品质因数,Q,值为 时的电压放大倍数的模与通带增益之比,以上两式表明，当 时，,Q,1，在,处的电压增益将大于 ，幅频特性在,处将抬高。,当 3时，,Q,=，有源滤波器自激。由于将 接到输出端，等于在高频端给LPF加了一点正反馈，所以在高频端的放大倍数有所抬高，甚至可能引起自激。,p,p,),0,(,3,1,v,v,v,QA,A,A,Q,f,f,=,-,=,=,&,二阶压控型有源高通滤波器的电路图如 图8.21所示。,图8.21二阶压控型HPF,8.5.3 有源高通滤波器,由此绘出的频率响应特性曲线如图8.22所示,(1)通带增益,(2)传递函数,(3)频率响应,令,则可得出频响表达式,结论：当 时，幅频特性曲线的斜率 为40,dB/dec；,当 3时，电路自激。,图8.22二阶压控型HPF 频率响应,二阶压控型有源带通滤波器和,有源带阻滤波器,的电路如 图8.23和8.24所示。,13.4 有源带通滤波器(BPF) 和带阻滤波器(BEF),图8.23二阶压控型,BPF,图8.24二阶压控型,BEF,可由低通和高通串联得到,必须满足,低通特征角频率,高通特征角频率,1. 有源带通滤波器,可由低通和高通并联得到,必须满足,2. 有源带阻滤波器,带通滤波器是由低通,RC,环节和高通,RC,环节组合而成的。要将高通的下限截止频率设置的小于低通的上限截止频率。反之则为带阻滤波器。,要想获得好的滤波特性，一般需要较高的阶数。滤波器的设计计算十分麻,烦，需要时可借助于工程计算曲线和有关计算机辅助设计软件。,解：根据,f,0,，选取,C,再求,R,。,1.,C,的容量不易超过 。,因大容量的电容器体积大，,价格高，应尽量避免使用。,取,计算出 ，取,例:,要求二阶压控型LPF的,Q,值为0.7，,试求电路中的电阻、电容值。,图8.25二阶压控型LPF,2,根据,值求 和 ，因为 时 ，,，根据 与 、 的关系，集成运放两输,入端外接电阻的对称条件,解得：,图8.26二阶压控型LPF,