《單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用》課件第10章

10.1運(yùn)算放大器實(shí)用技術(shù)10.2電流/電壓轉(zhuǎn)換電路習(xí)題1010.1.1理想運(yùn)算放大器

運(yùn)算放大器是用反饋控制特性的直接耦合式高增益放大器，可以針對(duì)不同的應(yīng)用，通過(guò)設(shè)計(jì)不同類型的反饋網(wǎng)絡(luò)來(lái)形成各種轉(zhuǎn)移函數(shù)。運(yùn)算放大器能夠從直流到幾兆赫茲

的頻率范圍內(nèi)完成信號(hào)放大，產(chǎn)生各種波形的信號(hào)，能夠進(jìn)行加、減、乘、除、積分、微分等運(yùn)算，因而在單片機(jī)控制系統(tǒng)、模擬信號(hào)處理、智能儀器儀表等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。10.1運(yùn)算放大器實(shí)用技術(shù)運(yùn)算放大器具有輸入阻抗高、信號(hào)增益大等特點(diǎn)。為了分析方便，我們將運(yùn)算放大器理想化，理想運(yùn)算放大器的特點(diǎn)如下：

(1)開環(huán)電壓放大倍數(shù)A→∞。

(2)差模輸入電阻Rid→∞。

(3)輸出電阻R0=0。

(4)頻帶無(wú)限寬。

(5)輸入失調(diào)電壓Uos=0。

(6)輸入失調(diào)電流Ios=0。

(7)共模抑制比CMRR→∞。

(8)干擾和噪聲都不存在。圖10.1理想運(yùn)算放大器符號(hào)利用運(yùn)算放大器的理想特性可得出以下兩條基本定則

(1)運(yùn)算放大器輸入端不吸收電流。

(2)運(yùn)算放大器兩輸入端之間的電壓差為零。

有了這兩條基本定則，可以大大簡(jiǎn)化運(yùn)算放大器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)。圖10.1是理想運(yùn)算放大器符號(hào)。10.1.2基本運(yùn)算電路

1.反相放大器

反相放大器電路如圖10.2所示，反饋網(wǎng)絡(luò)和輸入網(wǎng)絡(luò)均為純電阻型，則有：

Uo=-

Ui

(10.1)

輸出信號(hào)電壓Uo等于輸入信號(hào)電壓Ui乘以比例系數(shù)Rf/R1

，式(10.1)中負(fù)號(hào)表示輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相。通過(guò)改變Rf

和R1的值，就可很方便地調(diào)整其比例系數(shù)。為了使運(yùn)算放大器兩個(gè)輸入端的直流電阻保持平衡，電路要求R2=Rf//R1。反相放大器的輸入電阻為

Ri=R1

(10.2)圖10.2反相放大器

2.同相放大器

同相比例放大器電路如圖10.3所示，反饋網(wǎng)絡(luò)和輸入網(wǎng)絡(luò)均為純電阻型，其輸出信號(hào)電壓為

Uo=

Ui

(10.3)當(dāng)Rf=0時(shí)，Uo=Ui電路即為電壓跟隨器，電路如圖10.4所示。圖10.3同相放大器圖10.4電壓跟隨器

3.積分器

當(dāng)運(yùn)算放大器的反饋網(wǎng)絡(luò)為電容，輸入阻抗網(wǎng)絡(luò)為電阻時(shí)便構(gòu)成了積分器，如圖10.5所示。積分器的輸出電壓Uo為

Uo=-

(10.4)為使運(yùn)算放大器兩個(gè)輸入端直流電阻保持平衡，電路要求R2=R1。圖10.5積分器

4.微分器

當(dāng)運(yùn)算放大器的輸入網(wǎng)絡(luò)為電容，反饋網(wǎng)絡(luò)為電阻時(shí)，便構(gòu)成了微分器，如圖10.6所示。微分器的輸出電壓uo和輸入電壓的關(guān)系為：

uo=-RC

(10.5)圖10.6微分器10.1.3實(shí)用電路

1.信號(hào)放大電路

1)同相串聯(lián)差動(dòng)式高輸入阻抗放大器

同相串聯(lián)差動(dòng)式放大器電路如圖10.7所示，輸出電壓uo為輸入電壓與兩放大器放大倍數(shù)之積。圖10.7同相串聯(lián)差動(dòng)式放大器當(dāng)ui=ui1-ui2時(shí)，有

Uo=-

Ui1+

Ui2

(10.6)

當(dāng)滿足R1/Rf=R3/R2

時(shí)，上式可簡(jiǎn)化為

Uo=-

(10.7)圖10.8可編程增益放大器原理

2)可編程增益放大器

可編程增益放大器原理電路如圖10.8所示，我們可以利用單片機(jī)程序控制電子開關(guān)S1、S2、S3、S4的接通與斷開改變反饋電阻的值，從而調(diào)整放大器的增益。

S1接通，電壓增益為AS1=1；

S2接通，電壓增益為AS2=；

S3接通，電壓增益為AS3=；

S4接通，電壓增益為AS4=。圖10.9是利用譯碼器74LS139控制電子開關(guān)，實(shí)現(xiàn)放大器增益可調(diào)。

A1A0為單片機(jī)發(fā)出的指令信號(hào)，經(jīng)譯碼后控制開關(guān)S1～S4的通斷。

當(dāng)A1A0=00時(shí)，Y0輸出有效信號(hào)，使開關(guān)S1閉合，AS1=1；

當(dāng)A1A0=01時(shí)，Y1輸出有效信號(hào)，使開關(guān)S2閉合，AS2=10；

當(dāng)A1A0=10時(shí)，Y2輸出有效信號(hào)，使開關(guān)S3閉合，AS3=100；

當(dāng)A1A0=11時(shí)，Y3輸出有效信號(hào)，使開關(guān)S4閉合，AS4=1000；圖10.9碼控四段增益可編程放大器

2.測(cè)量放大器

1)信號(hào)放大器

利用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)的測(cè)量電路如圖10.10所示，該電路具有如下特點(diǎn)：

(1)輸入電阻高。由于輸入級(jí)A1、A2均為同相輸入，對(duì)于理想運(yùn)放，輸入電阻為無(wú)窮大。

(2)共模抑制比高。因?yàn)殡娐穼?duì)稱性好，其共模抑制比高于普通差動(dòng)運(yùn)放，可有效抑制共模信號(hào)，大大減小外部感應(yīng)噪聲的影響。

(3)增益調(diào)節(jié)方便。圖10.10信號(hào)測(cè)量放大器根據(jù)理想運(yùn)算放大器虛短路虛開路的原則，對(duì)A1、A2有：(10.9)(10.8)

2)橋式檢測(cè)電路

利用運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)的橋式檢測(cè)電路如圖10.11所示。

3)高輸入阻抗橋式檢測(cè)放大器

為了提高電路輸入阻抗，可利用多級(jí)運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，電路如圖10.12所示。圖10.11橋式檢測(cè)電路圖10.12高輸入阻抗橋式檢測(cè)放大器

3.信號(hào)運(yùn)算電路

圖10.13(a)給出了加法器原理電路，圖10.13(b)為多路信號(hào)加法器。

4.信號(hào)處理電路

圖10.14為專用集成電壓比較器符號(hào)，圖10.15為常用LM324四運(yùn)算放大器外特性圖。圖10.13全加器電路(a)加法器；(b)多路信號(hào)加法器圖10.14專用集成電壓比較器符號(hào)圖10.15LM324四運(yùn)算放大器圖10.16為常用電壓比較器電路圖，比較輸入信號(hào)Ui與基準(zhǔn)電平UR的值，有：

當(dāng)Ui＞UR時(shí)，Uo為高電平；

當(dāng)Ui＜UR時(shí)，Uo為低電平。

此電路在信號(hào)檢測(cè)、電平轉(zhuǎn)換過(guò)程中十分有用。圖10.16常用電壓比較器電路

5.波形產(chǎn)生電路

1)正弦波發(fā)生器

利用文氏網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)算放大器組成的文氏振蕩器是常用的正弦波發(fā)生器電路，如圖10.17所示。

ω0R1R2C2-

=0

ω0=

(10.10)

通常取R1=R2=R，C1=C2=C，則振蕩頻率為

f0=

(10.11)

Bu=

(10.12)圖10.17文氏振蕩器

2)方波發(fā)生器

方波發(fā)生器電路的類型很多，利用運(yùn)算放大器構(gòu)成的方波發(fā)生器如圖10.18所示。

振蕩周期為

T=2RCln

(10.13)圖10.18方波發(fā)生器圖10.19所示為對(duì)稱的方波和三角波信號(hào)發(fā)生器電路圖，uo1輸出方波信號(hào)，uo輸出三角波信號(hào)。

6.波形變換電路

1)半波整流電路

半波整流電路如圖10.20所示。圖10.19對(duì)稱的方波和三角波發(fā)生器圖10.20半波整流電路

2)峰值檢波電路

峰值檢波電路如圖10.21所示，圖10.21(a)為用運(yùn)算放大器構(gòu)成的峰值檢波電路，圖10.21(b)為帶有跟隨器的峰值檢波電路。

3)限幅電路

圖10.22為信號(hào)限幅電路，圖10.22(a)是單向限幅電路，圖10.22(b)是雙向限幅電路。圖10.21峰值檢波電路(a)用運(yùn)算放大器構(gòu)成的峰值檢波電路；

(b)帶有跟隨器的峰值檢波電路圖10.22峰值檢波電路(a)用運(yùn)算放大器構(gòu)成的峰值檢波電路；(b)帶有跟隨器的峰值檢波電路當(dāng)輸入信號(hào)ui較小時(shí)，uo也較小，穩(wěn)壓管尚未擊穿，穩(wěn)壓管支路可視為開路，運(yùn)放構(gòu)成反相放大器。

隨著ui反向增大，uo將增大。當(dāng)uo=-(Rf/R1)ui時(shí)，穩(wěn)壓管擊穿工作，輸出電壓uo穩(wěn)定在UZ上。即限幅器輸出電壓：

uo=UZ

uo=

(10.14)

4)工頻濾波電路

工程現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中經(jīng)常會(huì)遇到工頻干擾問(wèn)題，圖10.23給出一個(gè)用于濾除50Hz工頻干擾的50Hz陷波器電路。其中，A1組成帶通濾波器，A2組成相加器。經(jīng)50Hz陷波器處理后，50Hz干擾被抑制，輸出了比較干凈的信號(hào)。圖10.23工頻濾波電路

5)絕對(duì)值電路

用半波整流和相加器便構(gòu)成了全波整流電路即絕對(duì)值電路，如圖10.24所示。圖中，A1構(gòu)成半波整流，A2構(gòu)成相加器。其工作原理為：

當(dāng)ui＞0時(shí)

uo1=-ui，uo=-ui-2uo1=-ui+2ui=ui

當(dāng)ui＜0時(shí)

uo1=0，uo=-ui=-(-|ui|)=|ui|

所以

uo=|ui|圖10.24絕對(duì)值電路10.1.4保護(hù)電路

這里所說(shuō)的保護(hù)措施是針對(duì)在使用集成運(yùn)放時(shí)，由于電源極性接反、輸入/輸出電壓過(guò)大、輸出短路等原因造成運(yùn)放損壞的問(wèn)題而采取的一種保護(hù)方法。

為防止電源極性接反，可在正、負(fù)電源回路中順接二極管。若電源接反，則二極管因反偏而截止，等于電源斷路，起到了保護(hù)運(yùn)放的作用，如圖10.25所示。

為防止輸入差模或共模電壓過(guò)高損壞集成運(yùn)放的輸入級(jí)，可在集成運(yùn)放輸入端并接極性相反的兩只二極管，從而使輸入電壓的幅度限制在二極管的正向?qū)妷褐畠?nèi)，如

圖10.26所示。不過(guò)，二極管本身的溫度漂移會(huì)使放大器輸出的漂移變大，這點(diǎn)應(yīng)引起注意。圖10.25保護(hù)電路圖10.26輸入通道保護(hù)電路輸出保護(hù)是為了防止輸出過(guò)電壓時(shí)使輸出級(jí)擊穿，可采用圖10.22所示電路。輸出正常時(shí)，雙向穩(wěn)壓管未擊穿，其相當(dāng)于開路，對(duì)電路沒(méi)有影響。當(dāng)輸出端電壓大于雙向穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值時(shí)，穩(wěn)壓管被擊穿，反饋支路阻值大大減小，負(fù)反饋加深，從而將輸出電壓限制在雙向穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓范圍內(nèi)。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，經(jīng)常會(huì)遇到需要將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)或?qū)㈦娏餍盘?hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的情況。為了使讀者能直接運(yùn)用相關(guān)電路，解決實(shí)際問(wèn)題，在這里給出相關(guān)參考電路，電路中的電阻值要根據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換比例選取。10.2電流/電壓轉(zhuǎn)換電路10.2.1電壓／電流轉(zhuǎn)換電路

在某些控制系統(tǒng)中，負(fù)載要求電流源驅(qū)動(dòng)，而實(shí)際的信號(hào)又可能是電壓源。

將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，不論負(fù)載如何變化，電流源電流只取決于輸入電壓信號(hào)，而與負(fù)載無(wú)關(guān)。另外，信號(hào)在遠(yuǎn)距離傳輸過(guò)程中，由于電流信號(hào)不易受干擾，因此也需要將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)來(lái)傳輸。圖10.27給出了一個(gè)V/I轉(zhuǎn)換電路，圖中負(fù)載為“接地”負(fù)載。圖10.27V/I轉(zhuǎn)換電路

U+=

(10.15)

U-=

(10.16)

由于U+=U-，且設(shè)R1R3=R2R4，因