《信号的运算和处理》PPT课件.ppt

(4-1),第七章信号的运算和处理,模拟电子技术基础,(4-2),第七章信号的运算和处理,概述,基本运算电路,模拟乘法器及其在运算电路中的应用,有源滤波电路,(4-3),7.1概述,A越大，运放的线性范围越小，必须在输出与输入之间加负反馈才能使其工作于线性区。,(4-4),理想运放的条件:,电压放大倍数与负载无关,运放工作在线性区的特点:深度负反馈,信号的放大、运算,有源滤波电路,运放线性应用,一.理想运放在线形工作区,(4-5),二.理想运放在非线形工作区,集成运放处于开环或只引入正反馈。,特点：（1）当u+u-,uo=+UOM,u+u-,uo=-UOM;,(2)因输入电阻无穷大,故净输入电流为零。,+UOM,-UOM,(4-6),7.2基本运算电路,7.2.1比例运算电路,作用：将信号按比例放大。,类型：同相比例放大和反相比例放大。,方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。,(4-7),i1=iF,1.电压放大倍数,虚短,虚断,一、反相比例运算电路,结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从反相端输入。,(4-8),2.电路的输入电阻,Ri=R,RP=R/Rf,uo,为保证一定的输入电阻，当放大倍数大时，需增大Rf，而大电阻的精度差，因此，在放大倍数较大时，该电路结构不再适用。,(4-9),4.共模电压,3.反馈方式,电压并联负反馈,输出电阻很小！,+,-,Rf太大，噪声大。如何利用相对小的电阻获得100的比例系数？,若要Ri100k，比例系数为50，R？Rf？,(4-10),i1=i2,虚短,虚断,T形反馈网络反相比例运算电路:,(4-11),该放大电路，在输入电阻、放大倍数较大时，可避免使用大电阻。R3小影响反馈深度。,+,-,uo,R2,R1,RP,ui,R4,R3,(4-12),若：Au=-50，Ri=100k，则：R=100k，Rf=5M,若：Au=-50，Ri=100k，则：R1=100k，取R2=R4=100k，R3=2.08k,讨论：,(4-13),u-=u+=ui,反馈方式：电压串联负反馈。输入电阻高。,虚短,虚断,结构特点：负反馈引到反相输入端，信号从同相端输入。,二、同相比例运算电路,(4-14),同相比例电路的特点：,3.共模输入电压为ui，因此对运放的共模抑制比要求高。,1.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。,2.由于串联负反馈的作用，输入电阻大。,(4-15),结构特点：输出电压全部引到反相输入端，信号从同相端输入。电压跟随器是同相比例运算放大器的特例。,此电路是电压串联负反馈，输入电阻大，输出电阻小，在电路中作用与分立元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。,三、电压跟随器,(4-16),例,已知，试求出R5值。若uI与地接反，则输出电压与输入电压的关系将产生什么变化。,解,R5=500k,若uI与地接反：,(4-17),作用：将若干个输入信号之和或之差按比例放大。,类型：同相求和和反相求和。,方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。,7.2.2加减运算电路,(4-18),一、反相求和运算,调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。,(4-19),此电路如果以u+为输入，则输出为：,二、同相求和运算,u+与uI1和uI2、uI3的关系如何？,(4-20),(4-21),虚短,虚断,三、单运放的加减运算电路,或:,若:,叠加定理:,(4-22),差动放大器放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高（=2R1）,这是由于反相输入造成的。,单运放的加减运算电路的特例：差动放大器,或：,+,-,(4-23),例：设计一个加减运算电路，Rf=240k，使uo=10ui1+8ui2-20ui3,解:,(1)画电路。,系数为负的信号从反相端输入，系数为正的信号从同相端输入。,(4-24),(2)求各电阻值。,uo=10ui1+8ui2-20ui3,单运放的加减运算电路:,优点：元件少，成本低。,缺点：要求RP=RN，阻值的调整计算不方便。,改进：采用双运放电路。,(4-25),四、双运放的加减运算电路,uo=10ui1+8ui2-20ui3,(4-26),五、三运放电路,(4-27),uo2,(4-28),(4-29),三运放电路是差动放大器，放大倍数可变。由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。,(4-30),1.它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小。,2.关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高。,3.同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。,比例运算电路与加减运算电路小结,*关键是会用虚断和虚短的概念求解比例运算和加减运算电路。,(4-31),一、积分运算,7.2.3积分运算电路与微分运算电路,u=u+=0,(4-32),输入方波，输出是三角波。,应用举例1：,(4-33),当t15mS时，uO2.5V,若t0时,uO0，,则t5ms时，uO=2.5V,(4-34),U,积分时限,应用举例2：如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。,思考：如果输入是正弦波，输出波形怎样，请自己计算。运放实验中请自己验证。,(4-35),积分电路的主要用途：,1.在电子开关中用于延迟。2.波形变换。例：将方波变为三角波。3.A/D转换中，将电压量变为时间量。4.移相。,(4-36),若输入：,则：,二、微分运算,u=u+=0,(4-37),应用举例3：PID调节器。,解：,(4-38),1、对数运算,7.2.4对数运算电路与指数运算电路,(4-39),2、指数运算电路,3、乘法、除法运算电路,乘,除,(4-40),乘法运算电路:,(4-41),一、模拟乘法器简介,7.3模拟乘法器及其在运算电路中的应用,有单象限、两象限和四象限之分。,两个输入电压均限于某一种极性,一个电压单极性，另一可正可负,两个电压均可正可负,(4-42),若实现除法运算，则对模拟乘法器的相乘因子k和uI2的极性有何约束？,二、在运算电路中的基本应用,1、乘方运算,2、除法运算,同号,(4-43),说明电路中uI、uO、k的极性,3、开方运算,?,uI、k反号,uI0,(4-44),（b）,7.6,(4-45),7.6a,(4-46),7.6b,(4-47),7.6c,(4-48),7.6d,(4-49),7.9,解：（1）A2同相输入端电位,（2）将uI110mV，uI220mV代入上式，得uO100mV,故:R1min143R2maxRWR1min（100.143）k9.86k,（3）,(4-50),7.10a,M,(4-51),7.10b,(4-52),7.10c,(4-53),7.14,（2）uO10uIt110（1）t1V6V，故t10.6S。即经0.6秒输出电压达到6V。,（1）,阻值均为100k,(4-54),在图所示电路中，已知uI14V，uI21V。回答下列问题：（1）当开关S闭合时，分别求解A、B、C、D和uO的电位；（2）设t0时S打开，问经过多长时间uO0？,7.16,(4-55),（2）因为uO2uDuO3，2uD4V，所以uO34V时，uO才为零。即,解：（1）UA7V，UB4V，UC1V，UD2V，uO2UD4V。,(4-56),7.4.1滤波电路的基础知识,7.4有源滤波电路,一.滤波电路的分类:,1.按信号性质分类：,3.按电路功能分类:,低通滤波器高通滤波器带通滤波器带阻滤波器,2.按所用元件分类：,模拟滤波器和数字滤波器,无源滤波器和有源滤波器,(4-57),低通,高通,带通,带阻,四种典型的频率特性,(4-58),二.无源滤波器（以一阶滤波器为例）,传递函数：,(4-59),空载时,带负载时,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。,(4-60),三.有源滤波电路,无源滤波电路的滤波参数随负载变化；有源滤波电路的滤波参数不随负载变化，可放大。不能输出高电压大电流，用于信号处理。,跟随器,(4-61),7.4.2低通滤波器（LPF）,一、一阶LPF,fo特征频率，截止频率fp=fo。,为加大衰减斜率，引出二阶滤波电路。,(4-62),二、二阶简单LPF,(4-63),截止频率fp0.37f0,为使fP=f0，且在f=fP时曲线按40dB/十倍频下降，引出压控电压源电路。,(4-64),三.二阶压控LPF,电路引入正反馈：,取：C1=C2=C,(4-65),令：,则：,滤波器的品质因数,(4-66),截止特性好，曲线衰减最陡：Q=0.96,幅频特性无峰值，单调减：Q=0.707,过度性好：Q=0.56,四.三种类型二阶LPF:,(4-67),已知AuP，o和Q，设计二阶有源低通滤波器。,例：,(4-68),如何组成高通滤波器？,R、C对调,(4-69),7.4.3其它类型有源滤波电路,与LPF有对偶性，将LPF的电阻和电容互换，就可得一阶HPF、简单二阶HPF、压控电压源二阶HPF电路。,2、带通滤波器（BPF）,3、带阻滤波器（BEF）,fHfL,fHfL,1、高通滤波器（HPF）,(4-70),作业：P3937.6（a.b.c.d）、7.9、7.10(abc)、7.11、7.13(a.d)、7.16,(4-71),第七章结束,