第7章信號的運算和處理

5 1 電子技術(shù) 第七章信號的運算和處理 模擬電路部分 5 2 第七章信號的運算和處理 7 1運放工作在線性區(qū)時的特點 7 2基本運算電路 7 3模擬乘法器 7 4有源濾波器 7 5電壓源 電流源與電壓 電流 電阻的測量 5 3 圖7 1 1電子信息系統(tǒng)的示意圖 返回 信號的采集 傳感器 接受器 信號發(fā)生器 信號的預(yù)處理 隔離 濾波 阻抗變換 放大等 信號的加工 運算 轉(zhuǎn)換 比較 取樣 保持等 最后進行功率放大驅(qū)動負載或模 數(shù)轉(zhuǎn)換輸入到計算機 5 4 Ao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 例 若UOM 12V Ao 106 則 ui 12 V時 運放處于線性區(qū) 線性放大區(qū) 7 1運放工作在線性區(qū)時的特點 5 5 由于運放的開環(huán)放大倍數(shù)很大 輸入電阻高 輸出電阻小 在分析時常將其理想化 稱其所謂的理想運放 理想運放的條件 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 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 5 6 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 5 7 圖7 1 3集成運放工作在非線性區(qū)時的電壓傳輸特性 返回 三 理想集成運放工作在非線性區(qū)時的特點 5 8 7 2 1比例運算電路 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) 7 2信號的基本運算電路 5 9 i1 i2 1 放大倍數(shù) 虛短路 虛開路 一 反相比例運算電路 結(jié)構(gòu)特點 負反饋引到反相輸入端 信號從反相端輸入 虛開路 5 10 2 電路的輸入電阻 ri R1 RP R1 R2 uo 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 5 11 4 共模電壓 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 輸出電阻很小 5 12 反相比例電路的特點 1 共模輸入電壓為0 因此對運放的共模抑制比要求低 2 由于電壓負反饋的作用 輸出電阻小 可認為是0 因此帶負載能力強 3 由于并聯(lián)負反饋的作用 輸入電阻小 因此對輸入電流有一定的要求 4 在放大倍數(shù)較大時 該電路結(jié)構(gòu)不再適用 5 13 例 求Au i1 i2 虛短路 虛開路 虛開路 5 14 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 5 15 二 同相比例運算電路 u u ui 反饋方式 電壓串聯(lián)負反饋 輸入電阻高 虛短路 虛開路 結(jié)構(gòu)特點 負反饋引到反相輸入端 信號從同相端輸入 虛開路 5 16 同相比例電路的特點 3 共模輸入電壓為ui 因此對運放的共模抑制比要求高 1 由于電壓負反饋的作用 輸出電阻小 可認為是0 因此帶負載能力強 2 由于串聯(lián)負反饋的作用 輸入電阻大 5 17 此電路是電壓并聯(lián)負反饋 輸入電阻大 輸出電阻小 在電路中作用與分離元件的射極輸出器相同 但是電壓跟隨性能好 三 電壓跟隨器 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 5 18 對單一信號作用的運算電路 在分析運算關(guān)系時 應(yīng)首先列出關(guān)鍵節(jié)點的電流方程 然后根據(jù) 虛短 和 虛斷 的原則 進行整理 即可得出輸出電壓和輸入電壓的運算關(guān)系 所謂的關(guān)鍵節(jié)點是指與輸出電壓和輸入電壓產(chǎn)生關(guān)系的節(jié)點 5 19 圖7 2 5例7 2 1電路圖 返回 此電路為T型網(wǎng)絡(luò)反向比例運算電路 可直接利用公式 5 20 圖7 2 6例7 2 2電路圖 返回 A1構(gòu)成同相比例運算電路 A2構(gòu)成反向比例運算電路 5 21 5 2 2加減運算電路 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) 5 22 一 反相求和運算 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 5 23 調(diào)節(jié)反相求和電路的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 調(diào)節(jié)方便 5 24 二 同相求和運算 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 5 25 此電路如果以u 為輸入 則輸出為 u 與ui1和ui2的關(guān)系如何 注意 同相求和電路的各輸入信號的放大倍數(shù)互相影響 不能單獨調(diào)整 流入運放輸入端的電流為0 虛開路 5 26 左圖也是同相求和運算電路 如何求同相輸入端的電位 提示 1 虛開路 流入同相端的電流為0 2 節(jié)點電位法求u 5 27 三 單運放的加減運算電路 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 5 28 虛短路 虛開路 虛開路 5 29 解出 單運放的加減運算電路的特例 差動放大器 5 30 差動放大器放大了兩個信號的差 但是它的輸入電阻不高 2R1 這是由于反相輸入造成的 5 31 例 設(shè)計一個加減運算電路 RF 240k 使uo 10ui1 8ui2 20ui3 解 1 畫電路 系數(shù)為負的信號從反相端輸入 系數(shù)為正的信號從同相端輸入 5 32 2 求各電阻值 uo 10ui1 8ui2 20ui3 5 33 優(yōu)點 元件少 成本低 缺點 要求R1 R2 R5 R3 R4 R6 阻值的調(diào)整計算不方便 單運放的加減運算電路 改進 采用雙運放電路 5 34 四 雙運放的加減運算電路 5 35 例 A D變換器要求其輸入電壓的幅度為0 5V 現(xiàn)有信號變化范圍為 5V 5V 試設(shè)計一電平抬高電路 將其變化范圍變?yōu)? 5V uo 0 5ui 2 5V 5 36 uo 0 5ui 2 5V 0 5 ui 5 V 5 37 五 三運放電路 5 38 虛短路 虛開路 5 39 三運放電路是差動放大器 放大倍數(shù)可變 由于輸入均在同相端 此電路的輸入電阻高 5 40 例 由三運放放大器組成的溫度測量電路 Rt 熱敏電阻 集成化 儀表放大器 5 41 Rt f T C 5 42 1 它們都引入電壓負反饋 因此輸出電阻都比較小 2 關(guān)于輸入電阻 反相輸入的輸入電阻小 同相輸入的輸入電阻高 3 同相輸入的共模電壓高 反相輸入的共模電壓小 比例運算電路與加減運算電路小結(jié) 5 43 5 2 3微分運算電路與積分運算電路 u u 0 一 微分運算 5 44 輸入方波 輸出是三角波 二 積分運算 5 45 U 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 5 46 其他一些運算電路 對數(shù)與指數(shù)運算電路 乘法與除法運算電路等 由于課時的限制 不作為講授內(nèi)容 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 例 將方波變?yōu)槿遣?3 A D轉(zhuǎn)換中 將電壓量變?yōu)闀r間量 4 移相 5 47 運算電路要求 1 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) 5 48 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 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 7 4有源濾波器 5 49 傳遞函數(shù) 幅頻特性 相頻特性 傳遞函數(shù)的定義 5 50 低通 高通 帶通 帶阻 四種典型的頻率特性 5 51 圖7 4 1理想濾波電路的幅頻特性 返回 5 52 通帶放大倍數(shù) 頻率等于零時輸出電壓與輸入電壓的比值 低通濾波器的實際幅頻特性 5 53 無源濾波器 1 無源低通濾波器 RC低通濾波器及其幅頻特性 5 54 5 55 電路帶上負載后 電路帶上負載后 通帶放大倍數(shù)的數(shù)值減小 通帶截止頻率升高 所以 無源濾波電路的通帶放大倍數(shù)及其截止頻率都隨負載而變化 5 56 無源濾波器的缺點 以一階濾波器為例 傳遞函數(shù) 5 57 1 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 此電路的缺點 5 58 將兩級一階低通濾波器串接 各級互相影響 5 59 圖7 4 4有源濾波電路 返回 為了使負載不影響濾波特性 可在無源濾波電路和負載之間加一個高輸入電阻低輸出電阻的隔離電路 比如加一個電壓跟隨器 即為有源濾波電路 5 60 有源濾波器的優(yōu)點 1 不使用電感元件 體積小重量輕 2 有源濾波電路中可加電壓串聯(lián)負反饋 使輸入電阻高 輸出電阻低 輸入輸出之間具有良好的隔離 只需把幾個低階濾波電路串起來就可構(gòu)成高階濾波電路 無需考慮級間影響 3 除濾波外 還可放大信號 放大倍數(shù)容易調(diào)節(jié) 5 61 有源濾波器的缺點 1 不宜用于高頻 2 不宜在高電壓 大電流情況下使用 3 可靠性較差 4 使用時需外接直流電源 5 62 一 一階有源低通濾波器 傳遞函數(shù)中出現(xiàn) 的一次項 故稱為一階濾波器 5 63 幅頻特性 相頻特性 5 64 圖7 4 6一階低通濾波電路的幅頻特性 返回 5 65 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 5 66 二 二階有源低通濾波器 1 簡單二階低通濾波器 5 67 當C1 C2 C時 令分母的模等于 5 68 簡單二階低通濾波電路的幅頻特性 返回 遠離 如果使附近的電壓放大倍數(shù)值增大 則可以使接近 濾波特性趨于理想 可以通過引入正反饋 增大放大倍數(shù) 5 69 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 1 壓控電壓源二階低通濾波器 5 70 5 71 R1 時 AF 1 o時 5 72 圖7 4 9壓控電壓源二階低通濾波電路 返回 5 73 Q的物理意義是電壓放大倍數(shù)與通帶放大倍數(shù)之比 若令 5 74 壓控電壓源二階低通濾波電路的幅頻特性 返回 當 當時 曲線按 40dB 十倍頻下降 5 75 反相輸入一階低通濾波電路 返回 通帶截止頻率 5 76 反相輸入簡單二階低通濾波電路 返回 5 77 無限增益多路反饋二階低通濾波電路 返回 5 78 四階低通濾波器方框圖 返回 5 79 三種類型二階LPF的的幅頻特性 返回 5 80 由低階有源濾波器構(gòu)成高階有源濾波器 例 兩個一階有源濾波器串接構(gòu)成二階有源濾波器 分析簡單 5 81 一階低通和二階低通幅頻特性曲線的區(qū)別 階數(shù)越高 幅頻特性曲線越接近理想濾波器 5 82 如何組成高通濾波器 高通濾波器與低通濾波器具有對偶性 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 5 83 三 一階有源高通濾波器 5 84 幅頻特性 5 85 二階高通濾波電路 返回 壓控電壓源二階高通濾波電路 無限增益多路反饋高通濾波電路 1 壓控電壓源二階高通濾波電路 5 86 2 無限增益多路反饋高通濾波電路 5 87 由低通濾波器和高通濾波器串聯(lián)組成的帶通濾波器 返回 5 88 壓控電壓源二階帶通濾波電路 返回 5 89 壓控電壓源二階帶通濾波電路幅頻特性 返回 5 90 帶阻濾波器的方框圖 返回 5 91 圖7 4 21有源帶阻濾波電路 返回 5 92 圖7 4 22常用有源帶阻濾波電路圖 返回 5 93 圖7 4 22所示帶阻濾波器的幅頻特性 返回 5 94 圖7 4 24全通濾波電路 返回 5 95 全通濾波電路的相頻特性 返回 5 96 電壓源的要求 輸出電阻小 所以 要有電壓負反饋 電路組成 比例放大器 一 電壓源 5 4電壓源 電流源與電壓 電流 電阻的測量 5 97 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 5 98 要求 輸出電阻大 所以 要有電流負反饋 F IL 負載懸地 二 電流源 5 99 負載接地的電流源 自己推導(dǎo) 5 100 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 5 101 把表頭改裝成靈敏度較高 輸入電阻較大的電壓表 輸入電阻大 相當于電壓表的內(nèi)阻是 IG正比于UX 若 RF 10 表頭的滿偏電流IGmax 100 A 則 滿偏電壓Uxmax IGmaxRF 1mV 1 電壓表 虛短路 虛開路 5 102 此電路的優(yōu)點 1 量程由表頭的滿偏電流I