信号运算和处理教学课件PPT.ppt

第七章 信号的运算和处理 7.1 概述 7.2 基本运算电路 7.3 模拟乘法器及其在运算电路中的应用 7.4 有源滤波电路 7.5 电子信息系统预处理中所用放大电路 1 集成运放的电压传输特性 + - aod up un uo 同相输入端 反相输入端 a od ：开环电压放大倍数 集成运放的符号 2 非线性区： 线性区： 非线性区： 集成运算放大器的传输特性 3 7.1.2 理想运放的两个工作区 本章所讲述的各种电路中，集成运放均工作在线性区。 （1）开环差模增益（放大倍数） aod = （2）差模输入电阻 rid = （3）输入出电阻 ro =0 （4）共模抑制比 kcmr = （5）上限截止频率fh = （6）失调电压uio、失调电流iio和它们的温漂duio /dt 、 diio /dt均为零，且无任何内部噪声。 一、理想运放的性能指标 4 二、理想运放在线性工作区 1. 理想运放在线性区的特点 a n p ip in un up uo 当集成运放工作在线性区时 由于uo为有限值，理想运放 aod = ， 因而净输入电压upun =0，即 集成运放的两个输入端电位无穷 接近，但又不是真正的短路，这 种特点称为“虚短路”。 注意！ 5 因为差模输入电阻rid =， 所以两个输入端的输入电流 也均为零，即 集成运放的两个输入端的电流 趋于零，但又不是真正的断路 ，这种特点称为“虚断路”。 a n p ip in un up uo 注意！ 6 2. 集成运放工作在线性区的电路特征 a n pi p in un up uo 反馈网络 电路引入了负反馈 判断方法：若电路引入了负反馈，则可判断电路工 作在线性区。 若理想运放工作在线性区： 7 三、理想运放的非线性工作区 判断方法：若集成运放处于开环状态（即没有引入负反馈）， 或者只引入了正反馈，则表明集成运放工作在非线性区。 upun uo （）输出电压只有两种情况，分 别是uom。当upun时uo=+uom ， 当up0) 一、对数运算电路 1.采用二极管的对数运算电路 a ui r uo ic t ir r (ui0) 2.采用三极管的对数运算电路 若ubeut, 28 二、指数运算电路 1.基本电路 a ui r uo ie ir r t 集成运放反相输入端为虚地 2.集成指数运算电路（略） 29 7.2.5 利用对数和指数运算电路实现的 乘法运算电路和除法运算电路 对数运算电路i 对数运算电路ii 求和运算电路指数运算电路 ui1 ui2 uo1 uo2 uo3uo 利用对数和指数运算电路实现的乘法运算电路 30 a4 uo 3 r4 uo r t3 a1 ui 1 r1 uo1 t1 r a2 ui 2 r2 uo2 t2 r a3 r3 r r r 31 7.3 模拟乘法器及其在运算电路中的应用 7.3.1 模拟乘法器简介 ux uy uo + + + - ri2 ri1 ro ux uy uo kux uy 理想模拟乘法器应具备如下条件： （1） ri1和ri2为无穷大； （2） ro为零； （3） k值不随信号幅值而变化，且 不随频率而变化； （4）当ux或uy为零时uo为零，电路 没有失调电压、电流和噪声。 i (ux 0, uy 0) ii (ux 0) iii (ux 0, uy 0, ui0. 34 7.4 有源滤波电路 7.4.1 滤波电路的基础知识 一、滤波电路的种类 f 0 fp 通带阻带 lpf的幅频特性 f 0 fp 通带阻带 hpf的幅频特性 f 0 fp1 通带阻带阻带 fp2 bpf的幅频特性 f 0 fp1 通带 阻带 fp2 通带 bef的幅频特性 35 二、滤波器的幅频特性 0 f fp 通带 过度带 阻带 三、无源滤波电路和有源滤波电路 概念：若滤波电路仅由无源元件（电阻、电容、 电感）组成，则称为无源滤波电路。 概念2：若滤波电路不仅由无源元件，还由有源元件 （双极型管、单极型管、集成运放）组成，则称为 有源滤波电路。 36 1.无源低通滤波器 c r + - + - 当信号频率趋于零 时，通带放大倍数 信号频率从零到无穷大时的电压放大倍数 令 0 ffp 3db fp 37 c r + - + - rl 带负载后，通带放大倍数的数值减小，通带截止频率升高。无 源滤波电路的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化，这 一缺点常不符合信号处理的要求，因而产生有源滤波电路 当电路带负载时，通带放大倍数 令 38 2.有源滤波电路 四、有源滤波电路的传递函数 在分析有源滤波电路时，一般通过“拉氏变换”，将电 压与电流变换成“象函数” u(s)和i(s)，因而电阻的r(s)=r， 电容的zc(s)=1/(sc)，电感的zl(s)=sl，输出量与输入量之 比称为传递函数，即 将s换成j，便可得到放大倍数 a rl r c 上图所示电路的传递函数 a rl r(s) 39 7.4.2 低通滤波器 一、同相输入低通滤波器 1.一阶电路 令j取代s，得到电压放大倍数 式中f0称为特征频率。令f=0，可得通带放大倍数 a r(s) r2 (s) ui(s) uo(s) up(s) r1(s) 令 40 f 0：特征频率 当f= f0时 0 f/f0 110 -3 -20 -10 0.1 -20db/十倍频 令f=0：可得通带放大倍数 通带截止频率：fp = f0 41 2.简单二阶电路 a r c2 r1 r2 ui(s) uo(s) c1 r pm 当c1=c2=c时， 令f=0，可得通带放大倍数 42 0 f/f0 1 -20 -10 0.37 -30 -40 -40db/十倍频 令j取代s，且令 ，得到电压放大倍数 令分母的模等于 通带 截止频率fp = 0.37f0 。 43 3.压控电压源二阶低通滤波器 a r c2 r1 r2 ui(s) uo(s) c1 r pm 概念：同相输入端电位控 制由集成运放和r1、r2组 成的电压源决定，故称为 压控电压源滤波电路。 设c1=c2=c。m点的电流方程为 p点的电流方程为 传递函数 44 0 f/f0 110 10 -20 -10 0.1 -40db/十倍频 -30 -40 20 q=1 q=0.6 q=2.5 q=5 q=10 若令 ， 则f= f0时 的物理意义：电 压放大倍数与通带 放大倍数之比。 令s= j ， ， 电压放大倍数 只有当aup(s)小于3时，电路才 稳定工作，不产生自激振荡。 45 a r3 c r1 r2 ui(s) uo(s) 二、反相输入低通滤波器 .一阶电路 令f=0，可得通带放大倍数 传递函数 令s= j ， ，电压放 大倍数 通带截止频率：fp = f0 46 a r3 c2 r1r2 ui(s) uo(s) rf c1 i1(s) ic(s) i2(s) if(s ) mn 当f=0时， c1和c2均开路， 可得通带放大倍数 m点的电流方程为 其中 2.二阶电路 47 与相比可得 二阶低通滤波器二阶低通滤波器 ui(s)uo(s) 四阶低通滤波器 48 0 f/f0 12 -4 -2 0.5 -6 -8 2 -10 -12 -14 贝塞尔 滤波器 切比雪夫 滤波器 巴特沃思 滤波器 三、三种类型的有源低通滤波器 49 7.4.3 其它滤波电路 一、高通滤波器 a r c r1 rf ui(s) uo(s) c r n m 压控电压源 二阶高通滤 波器 50 a r3 c3 r1 r2 ui(s) uo(s) c1c2 无限增益多 路反馈高通 滤波器 51 lpfhpl 0 f 0 f 二、带通滤波器 当c1=c2=c，r1=r，r2=2r时，电 路的传递函数 up(s)为同相比例运算电路的输入，比 例系数 令中心频率 ，电压放大倍 数 当f=f0时，得出通带放大倍数令上式分母的模为 ，即分母的虚部的绝对值为1 通频带 解方程，取正根，就可得到下限频 率fp1和上限频率fp2 f f0 q 大 q 小 a r3 (s) r1 (s) rf (s) ui(s) uo(s) 1/sc1 r (s) r4 (s) 1/sc2 up(s) 52 lpf hpl 0 f 0 f 0 f 求和电路 三、带阻滤波器 a rf (s) ui(s) uo(s) r(s) r(s)r(s) r(s)/2 a rf (s) ui(s) uo(s) r(s) r(s)r(s) r(s)/2 53 阻带宽度 a r c r/2 rf ui(s) uo(s) c r 2c r 通带截止频率 通带放大倍数 传递函数 令中心频率 ，电压放大倍数 其中 q 大 q 小 0 -10 -20 -30 -40 0.1 0.20.51 2510 f/f0 54 a c r r ui(s) uo(s) rn p a c r r ui(s) uo(s) rn p 四、全通滤波电路 n点和p点的电位分别为 输出电压 电压放大倍数 写成模和相角的形式 其中 00 900 1800 f/f0 0.11 55 本 章 要 求 学完本章后，希望