《信号的运算和处理》PPT课件.ppt

7 1概述 7 2基本运算电路 7 3 模拟乘法器及其应用 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 第七章信号的运算和处理 7 1概述 7 1 1电子信息系统的组成 图7 1 1电子信息系统的示意图 7 1 2理想运放的两个工作区 两个工作区 线性区 非线性区 一 理想运放的性能指标 集成运放的理想化参数是 1 开环差模增益 放大倍数 Aod 1052 差模输入电阻Rid 2M 3 输出电阻Ro 0 04 共模抑制比KCMR 1055 上限截止频率fH 6 失调电压UOI 失调电流IOI和它们的温漂均为零 且无任何内部噪声 二 理想运放在线性工作区 1 理想运放在线性区的特点 1 uP uN虚短 2 iP iN 0虚断 2 理想运放工作在线性区的电路特征 电路中引入负反馈 uO Aod up uN Aod 运放的同相输入端和反相输入端的电位 无穷 接近 好象短路一样 但却不是真正的短路 运放的同相输入端和反相输入端的电流趋于0 好象断路一样 但却不是真正的断路 三 理想运放工作在非线性区 图7 1 3集成运放工作在非线性区时的电压传输特性 理想运放在非线性区的特点 1 UO UOMuP uN UOMuP uN 2 iP iN 0 虚断 但不 虚短 7 2基本运算电路 7 2 1比例运算电路 一 反相比例运算电路 1 基本电路 电压并联负反馈 补偿电阻R R Rf 在运算电路中 uO f uI 虚地 uN uP 虚断 运算关系 7 2 3 输出电阻 输入电阻较小 例如 比例系数为 50 要求Ri 10k或100k 求Rf 当需要较大的比例系数 同时避免采用较大阻值的反馈电阻Rf时 可采用T型网络反相比例器 2 T型网络反相比例运算电路 图7 2 2T型网络反相比例运算电路 书上错 运算关系 7 2 5 例如 比例系数为 50 要求Ri 100k 则R1 100k 若R2 R4 100k 求R3 解 R3 1 02k 图7 2 3同相比例运算电路 二 同相比例运算电路 特点 输入电阻大Ri 输出电阻大Ro 0 电压串联负反馈 7 2 7 运算关系 注意 有共模输入 7 2 8 图7 2 4电压跟随器 三 电压跟随器 7 2 9 分析运算电路的步骤 1 列出关键节点的电流方程 如N P点 2 根据 虚短 虚断 的原则整理 3 得出输入输出的运算关系 例7 2 1 电路图 T型网络反相比例器 注意与图7 2 2中R3 R4位置不同 R2 R4 R1 R2 R2 R4 例7 2 2 电路图 已知 uo 55uI R5 解 R5 500K 7 2 2加减运算电路 一 求和运算电路 1 反相求和运算电路 7 2 10 图7 2 8利用叠加原理求解运算关系 图7 2 9同相求和运算电路 2 同相求和运算电路 7 2 13 当 R1 R2 R3 R4 R Rf RP R1 R2 R3 R4 图7 2 10加减运算电路 二 加减运算电路 图7 2 11利用叠加原理求解加减运算电路 当 R5 R3 R4 R1 R2 Rf 7 2 15 图7 2 12差分比例运算电路 7 2 16 图7 2 13高输入电阻的差分比例运算电路 当 R1 Rf2 R3 Rf1 例7 2 3 设计一个运算电路 设计要求 100k 10k 20k 25k 当 R1 R4 R3 R2 Rf R4 作业 P3787 1 7 2 1 2 4 5 7 3 7 6 7 8 7 12 一 积分运算电路 7 2 19 7 2 3积分运算电路和微分运算电路 积分起始时刻值 当uI为常数时 设uo t0 0 当uI为阶跃信号时 当输入为方波和正弦波时 防止低频增益过大 图7 2 18基本微分运算电路 二 微分运算电路 1 基本微分运算电路 虚地 2 实用微分运算电路 限制输出电压 限制输入电流 补偿电容 提高稳定性 3 逆函数型微分运算电路 例7 2 4电路图 已知 C1 C2 C 求uo与ui的关系 由N点电流方程得 由P点电流方程得 例7 2 5PID调节器电路图 7 2 4对数运算电路和指数运算电路 1 采用二极管的对数运算电路 一 对数运算电路 利用PN结的指数特性实现对数运算 2 利用三极管的对数运算电路 利用半导体三极管实现对数运算 注意 ui必须大于零 电路的输出电压uO小于0 7伏 发射结反向饱和电流 uO是ui的指数运算 用半导体三极管实现反对数运算电路 利用虚短和虚断 电路有 要求 以上两个电路温漂很严重 实际电路都有温度补偿电路 二 指数运算电路 图7 2 5利用对数和指数运算电路实现的乘法运算电路的方框图 图7 2 30乘法运算电路 7 2 6集成运放性能指标对运算误差的影响 一 Aod和rid为有限值时 对反相比例运算电路运算误差的影响 7 3 1模拟乘法器简介 7 3模拟乘法器及其在运放中的应用 符号 uO kuxuy k 乘积系数或乘积增益 等效电路 理想乘法器 1 ri1 ri2 4 ux 0或uy 0时 uO 0 2 ro 0 3 k不随信号幅度和频率变化 图7 3 2模拟乘法器输入信号的四个象限 类型 单象限乘法器ux uy皆为固定极性 二象限乘法器一个为固定极性 另一个为可正可负 四象限乘法器ux uy皆为可正可负 图7 3 7平方运算电路 7 3 3模拟乘法器及其在运放中的应用 一 乘方运算电路 图7 3 83次方和4次方运算电路 图7 3 9N次方运算电路 二 除法运算电路 当uI10 为使u O 0 则uI2 0 当uI1 0时 uO0 条件 u O与uI1必须反相 保证负反馈 三 开方运算电路 图7 3 11平方根运算电路 uI0 图7 3 14例7 3 1电路图 已知 u o 0 1uXuY 1 ui3的极性 2 求uo与ui的关系 K 0 uI 0 解 1 2 P点电位 N点电流方程 7 4有源滤波电路 7 4 1滤波电路的基础知识 滤波电路 使有用的频率信号顺利通过 其它无用的频率信号被阻止的电路 按照工作频带命名 低通滤波器 LPF f fp的信号通过 高通滤波器 HPF f fp的信号通过 带通滤波器 BPF fp1 f fp2的信号通过 带阻滤波器 BET fp1 f fp2的信号通不过 全通滤波器 APT 0 均通过 有相移 图7 4 1理想滤波电路的幅频特性 低通 高通 带通 带阻 二 滤波器的幅频特性 图7 4 2低通滤波器的实际幅频特性 越窄 选择性越好 越理想 通带放大倍数 通带截止频率 三 无源滤波电路有源滤波电路 无源滤波电路 仅由无源元件组成 电阻 电容 电感 有源滤波电路 由无源元件和有源元件 三极管 场效应管 集成运放 组成 1无源低通滤波电路 LPF LowPassFilter 当 f 0时 通带放大倍数 令 fp 1 2 RC 当 f fp时 当 f fp时 书中颠倒 p348 7 4 4 当 f 0时 通带放大倍数 f p 1 2 R RL C 2 有源滤波电路 跟随器 四 有源滤波电路的传递函数 通过 拉氏变换 将电压和电流信号变换为 象函数 U S 和I S R S R ZC S 1 SC ZL S SL S的最高指数称为滤波器的阶数 7 4 2低通滤波电路 一 同相输入低通滤波电路 1 一阶电路 书中遗漏 p350 用jw取代S 令 f0 1 2 RC 特征频率 7 4 6 图7 4 6一阶低通滤波电路的幅频特性 当 f 0时 通带放大倍数 当 f f0时 当 f fp时 fp f0 2 简单二阶低通滤波电路 通带增益 Aup 1 R2 R1 当C1 C2 C时 特征频率 7 4 10 截止频率 fp 0 37f0时 图7 4 8简单二阶低通滤波电路的幅频特性 当 f f0时 3 压控电压源二阶LPF Q 1 3 Aup 正反馈提升了f0附近的Au 特征频率 品质因数 当f f0时 40dB 十倍频 Good 二 反相输入滤波电路 了解部分 三 三种类型的有源LPF 图7 4 14三种类型二阶LPF的幅频特性 Q 0 707 Q 0 96 Q 0 56 一 高通滤波电路 图7 4 16二阶高通滤波电路 7 4 3其它滤波电路 二 带通滤波器 图7 4 17由低通滤波器和高通滤波器串联组成的带通滤波器 fp1 fp1 fp2 fBW fp1 fp2 图7 4 18压控电压源二阶带通滤波电路 当 C1 C2 CR1 R R2 2R 时 图7 4 19压控电压源二阶带通滤波电路幅频特性 当f f0时 Q 1 3 Auf fBW f0 Q 图7 4 20带阻滤波器的方框图 fp1 fp2 fp1 fp2 fBW fp2 fp1 图7 4 21有源带阻滤波电路 双T网络 图7 4 22常用有源带阻滤波电路图 图7 4 23图7 4 22所示带阻滤波器的幅频特性 fBW f0 Q 四 全通滤波电路 作业 自测题 一 二 1 3 6 三 习题 7 1 7 2 7 3 7 4 7 5 7 6 7 8 7 13 7 14 7 25 7 5电子信息系统与处理中所用放大电路 图7 5 1三运放构成的精密放大器 7 5 1仪表用放大器 要具有高输入电阻和高共模抑制比 小结 第7章 一 基本运算电路 1 运算电