《信号运算和处理》PPT课件.ppt

运算放大器是由直接耦合多级放大电路集成制造的高增益放大器，它是模拟集成电路最重要的品种，广泛应用于各种电子电路之中。,第7章信号运算和处理,7.1 理想集成运算放大器 7.2 集成运放在信号运算方面的应用 7.3 集成运放在信号处理方面的应用,7.1.1 理想运算放大器的条件 7.1.2 理想运算放大器的分析依据,7.1 理想集成运算放大器,满足下列参数指标的运算放大器可以视为理想运算放大器。 1.差模电压放大倍数Aud=，实际上Avd80dB即可。,2.差模输入电阻rid=，实际上rid比输入端外电路的电阻大23个 数量级即可。,3.输出电阻ro=0，实际上ro比输入端外电路的电阻小12个量级 即可。,4.带宽足够宽。,5.共模抑制比足够大。 实际上在做一般原理性分析时，产品运算放大器都可以视为理想的。只要实际的运用条件不使运算放大器的某个技术指标明显下降即可。,5.3.1 理想集成运算放大器的条件,2、线性分析依据:（有负反馈或闭环）,(u+- u-)Au0 = uo,Au0=,uo=有限值,所以：u+= u-,虚短,动画,7.1.1 理想集成运算放大器的分析依据,3 非线性分析依据（无负反馈或开环）,u+ u-时，u0= UOM,u+ u-时，u0= -UOM,传输特性,7.2.1 比例运算电路 7.2.2 加减法运算电路 7.2.3 积分和微分运算电路,7.2 集成运放在信号运算方面的应用,根据虚断I+ 0，故u+0,且Ii If 根据虚短，u+u- 0 Ii = (ui u-)/R1 ui/R1 uo If Rf =ui Rf /R1 电压增益 Avf= uo /ui =Rf /R1,7.2.1 比例运算电路,1 反相比例运算电路,平衡电阻 R2 =R1|Rf,用瞬时极性法判断 反馈的极性及类型： 电压并联负反馈 平衡电阻的选取：R2=R1|Rf（可提高共模抑制比） 特例：反相器 令R1=Rf uo= -ui,说明,+,-,-,根据虚断，ui =u+ 根据虚短，ui =u+u- uo= -If Rf +ui uo (ui /R1)Rf +ui 电压增益 Auf= uo /ui =1+(Rf /R1),2 同相比例运算电路,平衡电阻 R2=R1|Rf,判断反馈类型和极性： 电压串联负反馈 平衡电阻的取值：R2=R1|Rf 特例：电压跟随器uo=ui,RF=0,说明,R1=,+,+,+,有分压电阻的同相比例运算电路,比例电路应用实例 数据放大器,数据放大器常用于数据采集、工业自动化、精密量测等,应变、温度等传感器输出的电信号非常小，而共模电压却很大，故要求放大电路有高的开环增益、共模抑制比，较低的失调电压、失调电流、噪声和漂移等。,信号输入采用应变仪电阻桥,电阻桥的四个臂的电阻相等（典型值350），传感元件上没有信号时，a、b两点电位相同，输出为0，传感元件发生应变时， a、b两点电位不相同，产生输出信号输出,电阻桥输出的差模信号最大为30mV，当V=10V时， a、b两点的共模电压却高达5V,R4R5R6R7必须采用高精密度电阻，且精确匹配,7.2.2 加减运算电路,反相加法电路 同相加法电路 减法电路,反相加法电路,利用叠加原理：设ui1单独作用时，输出为uo1; ui2单独作用时，输出为uo2;由叠加原理有： uo=uo1+uo2,平衡电阻 R3=R1|R2|Rf,在 反相比例运算电路的基础上，增加一个输入支路，就构成了反相输入求和电路，见下图。,同相加法电路,在同相比例运算电路的基础上，增加一个输入支路，就构成了同相输入求和电路，如图所示。,由叠加原理有,若R1=R2,例：写出uo的表达式,减法电路,令R1=R2，Rf=R,例：求uo的表达式,7.2.3 积分和微分运算电路,1 积分运算电路,2 微分运算电路,1 积分运算电路,对电容，有：,例:画出在给定输入波形 作用下积分器的输出波形,(b)方波输入信号,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。,例：电路如图，已知输入信号的波形如图，画出输出信号的波形，设uo(0),2 微分运算电路,对电容，有：,7.3.1 有 源 滤 波 器,7.3.2 电压比较器,7.3 运放在信号处理方面的应用,7.3.1 有 源 滤 波 器,1 概述 2 有源低通滤波器(LPF) 3 有源高通滤波器(HPF) 4 有源带通滤波器(BPF)和 带阻滤波器(BEF),滤波器的分类 滤波器的用途,1 概述,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所示。,滤 波 器 的 分 类,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。,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。滤波过程如图所示。 滤波过程,2 有源低通滤波器(LPF),无源低通滤波器,令,当 = 0则,当 0则,当0则,有源低通滤波器,当 = 0 则,当 0 则,当0 则,（1）通带增益 当 f = 0, 或频率很低时，各电容器可视为开路，通带内的增益为,二阶LPF 二阶LPF的幅频特性曲线,简单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。,低通滤波器的主要技术指标,（1）通带增益Avp 通带增益是指滤波器在通频带 内的电压放大倍数，如图所示。 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fp 其定义与放大电路的上限截止 频率相同。见图自明。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。,LPF的幅频特性曲线,无源高通滤波器,令,有源高通滤波器(HPF),当 = 0 则,当 0 则,当0 则,有源高通滤波器,当则,当则,当则,4 有源带通滤波器(BPF) 和带阻滤波器(BEF),带通滤波器是由低通RC环节和高通RC环节串联而成的。,WHWL,带阻滤波器是由低通RC环节和高通RC环节并联而成的。,WHWL,7.3.2 比较器,比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。 常用的幅度比较电路有电压幅度比较器、窗口比较器和具有滞回特性的比较器。这些比较器的阈值是固定的，有的只有一个阈值，有的具有两个阈值。,1 一般的比较器,2 滞回比较器,3 窗口比较器,Schmitt触发器,(1) 过零比较器和电压幅度比较器,过零电压比较器是典型的幅度比较电路，它的电路图和传输特性曲线如图所示。,1 一般的比较器,传输特性,例：已知输入信号波形如图，画出输出电压的波形,将过零电压比较器的一个输入端从接地改接到一个电压值UR 上 , 就得到电压幅度比较器，它的电路图和传输特性曲线如图所示。,(a)电路图,(b)传输特性曲线,(2) 固定电压比较器( 输出限幅）,另一种形式的输出限幅固定电压比较器,例：已知输入信号波形如图，画出输出电压的波形,例：电路如图，已知ui=Uimsinwt，且RCT/2，画出UO1、UO2和UO3的波形，设集成运放的最大 输出电压为UOPP,实例：街灯控制应用电路,保护作用：防止三极管发射结反偏击穿,在夜晚，uiUR集成运放的输出接近于15V，三极管饱和导通，继电器中的电流使开关闭和，街灯打开。,在白天uiUR集成运放的输出接近于-15V，三极管截止，继电器中的电流为0，开关断开，街灯关闭。,2 滞回比较器,单门限比较器，电路简单，灵敏度高，但是抗干扰能力差，为了提高抗干扰性，可采用滞回比较器。,电路分析,估算跳变点的电压,uI逐渐减小，当uI=u+时，输出开始跳变，由-UZ跳变为UZ,VI逐渐减大，当uI=u+时，输出开始跳变，由UZ跳变为-UZ,例1：电路如图，已知输入波形，画出输出电压的波形,解,例2：电路分别如图1、图2，已知输入波形，分别画出输出电压的波形,实例：街