中南大學(xué)電子技術(shù)課件——信號運算及處理電路

1、(5-1)電子技術(shù)電子技術(shù) 第第5 5、6 6章章 信號運算和處理電路信號運算和處理電路模擬電路部分模擬電路部分(5-2) 第第5 5、6 6章章 信號運算和處理電路信號運算和處理電路1 12 23 3 有源濾波器有源濾波器4 4 電壓比較器電壓比較器5 5波形產(chǎn)生電路波形產(chǎn)生電路(5-3)學(xué)習(xí)指導(dǎo)學(xué)習(xí)指導(dǎo)本章所討論的集成運放的基本應(yīng)用電路，主要包括加法、減法、本章所討論的集成運放的基本應(yīng)用電路，主要包括加法、減法、微分、積分、對數(shù)、反對數(shù)（指數(shù)）運算電路以及乘法器和除法微分、積分、對數(shù)、反對數(shù)（指數(shù)）運算電路以及乘法器和除法運算電路等。本章討論的信號處理電路是有源濾波電路。運算電路等。本章討

2、論的信號處理電路是有源濾波電路。 在分析各種運算和處理電路時，由運放構(gòu)成的電路通常工作在深在分析各種運算和處理電路時，由運放構(gòu)成的電路通常工作在深度負(fù)反饋條件下，常用到以下兩個概念：度負(fù)反饋條件下，常用到以下兩個概念： 1.1.集成運放兩個輸入端之間的電壓通常接近于零，即虛短。集成運放兩個輸入端之間的電壓通常接近于零，即虛短。2.2.集成運放輸入電阻很高，兩輸入電流幾乎為零，即虛斷。集成運放輸入電阻很高，兩輸入電流幾乎為零，即虛斷。(5-4)一一 運放的應(yīng)用分類運放的應(yīng)用分類1線性應(yīng)用線性應(yīng)用條件：條件：vID??；線性區(qū)??；線性區(qū)方法：深度負(fù)反饋！方法：深度負(fù)反饋！特點特點:（1）vID =

3、0，vP = vN; “虛短虛短”（2） iP iN 0, “虛斷虛斷”2. 非線性應(yīng)用非線性應(yīng)用條件：條件：|vID|足夠大；限幅區(qū)足夠大；限幅區(qū)方法：開環(huán)?。妷罕容^器）方法：開環(huán)?。妷罕容^器）正反饋（指運放本身的工作狀態(tài)，正反饋（指運放本身的工作狀態(tài)，而不是電路而不是電路vi與與vo之間的關(guān)系）之間的關(guān)系）(5-5)uiuo+UOM-UOM Ao越大，運放的線性范圍越小，必越大，運放的線性范圍越小，必須須在在輸出與輸入之間輸出與輸入之間加負(fù)反饋加負(fù)反饋才能才能使其擴大輸入信號的線性范圍。使其擴大輸入信號的線性范圍。uiuo_+ +AoCmaxoOMEuU 例：若例：若UOM=12V，A

4、o=106， 則則|ui| UR時時 , uo = +Uom當(dāng)當(dāng)ui UR時時 , uo = -Uom 1、若若ui從同相端輸入從同相端輸入一、單限電壓比較器一、單限電壓比較器(5-67)+uouiURuoui0+Uom-UomUR當(dāng)當(dāng)ui UR時時 , uo = -Uom 2、 若若ui從反相端輸入從反相端輸入(5-68)uoui0+UOM-UOM+uoui3、過零比較器、過零比較器: (UR =0時時)+uouiuoui0+UOM-UOM(5-69)+uouitui例：例：利用電壓比較器將正利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲āＯ也ㄗ優(yōu)榉讲?。uot+Uom-Uom(5-70)+uiuoui0+U

5、Z-UZ電路改進：電路改進：用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓。用穩(wěn)壓管穩(wěn)定輸出電壓。+uiuo UZRR uo UZ電壓比較器的另一種形式電壓比較器的另一種形式 將雙向穩(wěn)壓管接在將雙向穩(wěn)壓管接在負(fù)反饋回路上負(fù)反饋回路上(5-71)比較器的特點比較器的特點1. 電路簡單。電路簡單。2. 當(dāng)當(dāng)Ao不夠大時，不夠大時， 輸出邊沿不陡。輸出邊沿不陡。3. 容易引入干擾。容易引入干擾。tuiuot過零附近仍過零附近仍處于放大區(qū)處于放大區(qū)(5-72)1 1、反向滯回比較器、反向滯回比較器分析分析1. 因為有正反饋，所以因為有正反饋，所以輸出飽和。輸出飽和。2. 當(dāng)當(dāng)uo正飽和時正飽和時(uo =+UOM) ：U+12

6、11thomUURRRU3. 當(dāng)當(dāng)uo負(fù)飽和時負(fù)飽和時(uo =UOM) ：2211thomUURRRU+uoRR2R1ui參考電壓由參考電壓由輸出電壓決定輸出電壓決定特點：特點：電路中使用正反饋，電路中使用正反饋， 運放處于非線性狀態(tài)。運放處于非線性狀態(tài)。1）. 沒加參考電壓的沒加參考電壓的反向滯回比較器反向滯回比較器二、滯回比較器二、滯回比較器(5-73)omthURRRU2111omthURRRU2112分別稱分別稱Uth1和和Uth2上下門限電壓上下門限電壓。稱。稱(Uth1 Uth2)為為回差回差。當(dāng)當(dāng)ui 增加到增加到UH時，輸出時，輸出由由Uom跳變到跳變到-Uom；+uoRR2

7、R1ui當(dāng)當(dāng)ui 減小到減小到UL時，輸出時，輸出由由-Uom跳變到跳變到Uom 。傳輸特性：傳輸特性：uoui0Uom-UomUTH1UTH2小于回差的干擾不會引起小于回差的干擾不會引起跳轉(zhuǎn)。跳轉(zhuǎn)。跳轉(zhuǎn)時，正反饋加跳轉(zhuǎn)時，正反饋加速跳轉(zhuǎn)。速跳轉(zhuǎn)。(5-74)tuiUom-UomtuiUth1Uth2例：例：反向滯回比較器反向滯回比較器的的輸入為正弦波時，輸入為正弦波時，畫出輸出的波形。畫出輸出的波形。+uoRR2R1ui(5-75)RomTHURRRURRRU2122111RomTHURRRURRRU21221122）. 加上參考電壓后的反向滯回比較器加上參考電壓后的反向滯回比較器加上參考電

8、壓后的上下限：加上參考電壓后的上下限：+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUTH1UTH2(5-76)反向滯回比較器反向滯回比較器兩種電路兩種電路傳輸特性傳輸特性的比較的比較:+uoRR2R1uiuoui0Uom-UomUTH1UTH2+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUTH1UTH2(5-77)例：例：R1=10k ，R2=20k ，UOM=12V， UR=9V當(dāng)輸入當(dāng)輸入 ui 為如圖所示的波形時，畫出輸出為如圖所示的波形時，畫出輸出uo的波形。的波形。+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUTH1UTH25V10Vuit0(5-78)首先計算上下門限電

9、壓：首先計算上下門限電壓：+uoRR2R1uiURV102122111RomTHURRRURRRUV22122112RomTHURRRURRRU(5-79)+UOM-UOM根據(jù)傳輸特性畫輸出波形圖。根據(jù)傳輸特性畫輸出波形圖。+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUTH1UTH2uiuott10V5V002V(5-80)例例 ：指出能夠?qū)崿F(xiàn)下列波形的各個電路的名稱指出能夠?qū)崿F(xiàn)下列波形的各個電路的名稱(5-81)1 產(chǎn)生自激振蕩的原理產(chǎn)生自激振蕩的原理fidXXX改成正反饋改成正反饋只有正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩。只有正反饋電路才能產(chǎn)生自激振蕩。基本放大基本放大電路電路Ao反饋電路反饋電

10、路FiX+ dXoXfX一、正弦波發(fā)生器一、正弦波發(fā)生器波形產(chǎn)生電路波形產(chǎn)生電路(5-82)如果：如果：,ifXX則去掉則去掉,iX仍有信號輸出。仍有信號輸出?；痉糯蠡痉糯箅娐冯娐稟o反饋電路反饋電路FdXoXfX反饋信號代替了放大反饋信號代替了放大電路的輸入信號。電路的輸入信號?；痉糯蠡痉糯箅娐冯娐稟o反饋電路反饋電路FiX+ +dXoXfX產(chǎn)生自激振蕩產(chǎn)生自激振蕩(5-83)自激振蕩條件的推導(dǎo)自激振蕩條件的推導(dǎo)基本放大基本放大電路電路Ao反饋電路反饋電路FiX+ +dXoXfXdOXXA OfXXF fdXX1FA自激振蕩的條件自激振蕩的條件(5-84)自激振蕩的條件：自激振蕩的條

11、件：1)()(FA因為：因為：AAA|)(FFF|)(所以，自激振蕩條件也可以寫成：所以，自激振蕩條件也可以寫成：（1）振幅條件：）振幅條件：1|AF（2）相位條件：）相位條件：nFA2n是整數(shù)是整數(shù)相位條件相位條件意味著振蕩電路必須是正反饋；意味著振蕩電路必須是正反饋；振幅條件振幅條件可以通過調(diào)整放大電路的放大倍數(shù)達到。可以通過調(diào)整放大電路的放大倍數(shù)達到。(5-85)問題問題1：如何啟振？如何啟振？Uo 是振蕩器的電壓輸出幅度，是振蕩器的電壓輸出幅度，B是要求輸出的幅是要求輸出的幅度。起振時度。起振時Uo=0，達到穩(wěn)定振蕩時，達到穩(wěn)定振蕩時Uo=B。放大電路中存在噪聲即瞬態(tài)擾動，這些擾動可分

12、放大電路中存在噪聲即瞬態(tài)擾動，這些擾動可分解為各種頻率的分量，其中也包括有解為各種頻率的分量，其中也包括有fo分量。分量。選頻網(wǎng)絡(luò)：選頻網(wǎng)絡(luò)：把把fo分量選出，把其他頻率的分量分量選出，把其他頻率的分量衰減掉。這時，只要：衰減掉。這時，只要：|AF|1，且，且 A+ F =2n ，即可起振。即可起振。(5-86)起振起振起振條件起振條件 iouuAu ofuuFu 2AFn 放大器放大器Au反饋網(wǎng)絡(luò)反饋網(wǎng)絡(luò)FuUoUfUi 1/FuAu = 1/FuOuiuoAuuoAu Fu 1Au Fu Uth1 , 就有就有 u- u+ ,在在 uc Uth1時，時， u- u+ , uo 保持保持 +

13、 Uom 不變；不變；uo 立即由立即由Uom 變成變成Uom +RR1R2C+ucuo(5-103)此時，此時，C 經(jīng)輸出端放電。經(jīng)輸出端放電。 當(dāng)當(dāng)uo = -Uom 時，時，u+=Uth2uc降到降到Uth2時，時，uo上翻上翻。Uth1uctUth2當(dāng)當(dāng)uo 重新回到重新回到Uom 以后，電路又進入另一個以后，電路又進入另一個周期性的變化。周期性的變化。+RR1R2C+ucuoomthURRRU2112 (5-104)0Uth1uctUth2Uomuo0t- UomT輸出波形：輸出波形：+RR1R2C+ucuo(5-105)RC電路：起反饋和延遲作用，獲得一定的頻率電路：起反饋和延遲作

14、用，獲得一定的頻率。反向輸入遲滯比較器：起開關(guān)作用，實現(xiàn)高低電平的轉(zhuǎn)換反向輸入遲滯比較器：起開關(guān)作用，實現(xiàn)高低電平的轉(zhuǎn)換。+RR1R2C+ucuo方波發(fā)生器各部分的作用：方波發(fā)生器各部分的作用：(5-106)3）周期與頻率的計算）周期與頻率的計算RCtomthomceUUUtu )()(2f=1/T)21ln(221RRRCT RCtOmthOmceUUUtu )()(1uc上升階段表示式上升階段表示式:uc下降階段表示式下降階段表示式:uc0Uth1tUth2T1T2RCTomthomtheUUUU2)(21 RCTomthomtheUUUU1)(12 )21ln(2121RRRCTT om

15、ththURRRUU21121 P200(5-107)方波發(fā)生器電路的改進：方波發(fā)生器電路的改進：+RR1R2C+ucuo+RR1R2C+ucuo UZ(5-108)(5-108)思考題：思考題：點點 b 是電位器是電位器 RW 的中點，點的中點，點 a 和點和點 c 是是 b 的上方的上方和下方的某點和下方的某點 。試。試定性定性畫出點電位器可動端分別處于畫出點電位器可動端分別處于 a、b、c 三點三點時的時的 uo - uc 相對應(yīng)的波形圖。相對應(yīng)的波形圖。-+RWR1R2CucuoD1D2abcbcabRRbcabRRbcabRRa點點:b點點:c點點:TT1周期高電平脈寬占空比1T(5

16、-109)反向積分電路反向積分電路方波發(fā)生器方波發(fā)生器電路一：電路一：方波發(fā)生器方波發(fā)生器 積分電路積分電路 三角波三角波+RR1R2C+uc-+RR2Cuo此電路要求前后電路的時間常數(shù)配合此電路要求前后電路的時間常數(shù)配合好，不能讓積分器飽和。好，不能讓積分器飽和。2、 三角波發(fā)生器三角波發(fā)生器(5-110)dtuRCuoo11+RR1R2C+uc-+RR2Cuouo1uo三角波的周期由方波發(fā)生器確定，其幅值也由三角波的周期由方波發(fā)生器確定，其幅值也由周期周期T和參數(shù)和參數(shù)R、C決定。決定。0uo1tUom-Uom(5-111)電路二：電路二：電路一的改型電路一的改型+A1A2uouo1R02

17、R01RCR2R1反向積分電路反向積分電路上行遲滯上行遲滯比較器比較器特點：特點：由由反向的滯回比較器反向的滯回比較器和和反相積分器反相積分器級聯(lián)構(gòu)成，級聯(lián)構(gòu)成，滯回比較器的輸出作為反相積分器的輸入，反相滯回比較器的輸出作為反相積分器的輸入，反相積分器的輸出又作為滯回比較器的輸入。積分器的輸出又作為滯回比較器的輸入。(5-112)+uoRR1R2uiuoui0Uom-UomUth1Uth2同向的滯回比較器同向的滯回比較器回顧回顧:omthURRU121 omthURRU122 閥值電壓：閥值電壓：(5-113)回顧回顧:反相積分器反相積分器dtuRCuio1ui-+RR2Cuoui=-Uui=

18、+Utuo0+Uom-Uom(5-114)omthURRU121 omthURRU122 +A1A2uouo1R02R01RCR1R200uo1tUOmUOmuotUth1Uth2 dtuRCuoo11(5-115)周期和頻率的計算：周期和頻率的計算：tuoUth1Uth2T+A1A2uouo1R02R01RCR1R2RCRRf214 124RRCRT T1T22101)(1ththTOmUUdtURC 12021ththTOmUUdtURC TTT5 . 021 omTOmURRdtURC125 . 0021 P201(5-116)tuoT1T2-+R2R1+R R2CuoR+T1 時間段，電容時間段，電容 C 通過通過 R 放電放電T2 時間段，電容時間段，電容 C 通過通過 R 充電充電充放電的充放電的