信号的运算与处理电路课件

1、电子技术 第八章 信号运算与处理模拟电路部分电子技术 第八章 模拟电路部分第八章 信号的运算与处理电路 8.1 理想运放及其基本组态 8.3 对数和反对数运算电路 8.4 模拟乘法器 8.5 有源滤波器 8.2 基本运算电路 第八章 信号的运算与处理电路 8.1 理想运放及其基本组由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称理想运放。理想运放的条件理想运放由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时uiuo+UOM-UOMuiuo+_+Ao线性放大区理想运放的传输特性非线性放大区uiuo+UOM-UOM负反馈uiuo+UOM-UOMuiuo+_+

2、Ao线性放大区理想虚短虚断运放工作在线性区的特点 试一试P48 2.3.5虚短虚断运放工作在线性区的特点 试一试P48 2.3.5反相比例放大器三种基本组态同相比例放大器差分放大器反相比例放大器三种基本组态同相比例放大器差分放大器uo_+RfR1uii1i2结构特点：反相比例放大器1. 信号从反相端输入。2. 负反馈引到反相输入端。uo_+RfR1uii1i2结构特点：反相比例放大器1i1= i2虚短虚断反相比例放大器放大倍数uo_+RfR1uii1i2i1= i2虚短虚断反相比例放大器放大倍数uo_+Rfri=R1平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。RP =R1

3、/ Rfuo_+RfR1ui反相比例放大器输入电阻uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2REUEERPri=R1平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静态时输共模电压电位为0，虚地输入电阻小、共模电压为 0 以及“虚地”是反相输入的特点。_+RfR1RPuii1i2反馈方式电压并联负反馈输出电阻很小！反相比例放大器的共模电压共模电压电位为0，虚地输入电阻小、共模电压为 0 以及“虚地1. 共模输入电压为0，因此对运放的共模抑制比要求低。2. 由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。3. 由于并联负反馈的作用，输入电阻小，因此对输入电流有一定的要求。反相比例

4、电路的特点1. 共模输入电压为0，因此对运放的共模抑制比要求低。2. uo_+RfR1RPuii1i2反相比例放大器的特例若：Rf=R1 则称反号器uo_+RfR1RPuii1i2反相比例放大器的特例若uo_+RfR1RPuii1i2反相比例放大器的派生uo_+RfR1RPuii1i2反相比例放大器的派生uo_+R2R1RPuiR4R3i1i2i4i3M例：求Au =?i1= i2虚短虚断反相比例放大器计算举例（1）uo_+R2R1RPuiR4R3i1i2i4i3M例：该放大电路，在放大倍数较大时，可避免使用大电阻。反相比例放大器计算举例（2）该放大电路，在放大倍数较大时，可避免使用大电阻。反

5、相比例放大结构特点：同相比例放大器1. 信号从同相端输入。2. 负反馈引到反相输入端。_+RfR1uiuo结构特点：同相比例放大器1. 信号从同相端输入。2. 负反馈同相比例放大器放大倍数_+RfR1uiuou-= u+= ui虚短虚断同相比例放大器放大倍数_+RfR1uiuou-= u+同相比例放大器输入电阻_+RfR1RPuiuoRP =R1 / Rf同相比例放大器输入电阻_+RfR1RPuiuoRP =共模电压电位为ui反馈方式电压串联负反馈输出电阻很小！同相比例放大器的共模电压_+RfR1RPuiuo共模电压电位为ui反馈方式电压串联负反馈输出电阻很小！同相比3.由于串联负反馈的作用，

6、输入电阻大。1.共模输入电压为ui，因此对运放的共模抑制比要求高。2.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是0，因此带负载能力强。同相比例电路的特点3.由于串联负反馈的作用，输入电阻大。1.共模输入电压为ui同相比例放大器的特例称电压跟随器_+RfR1uiuo若：Rf=0uo_+ui同相比例放大器的特例称电压跟随器_+RfR1uiuo若同相比例放大器的派生_+RfR1RPuiuo同相比例放大器的派生_+RfR1RPuiuo_+RfR1R2ui2uoR3ui1差分放大器结构特点：1. 信号从同相和反相端以差分形式输入。2. 负反馈引到反相输入端。_+RfR1R2ui2uoR3ui1差分放大器

7、结构特点_+RfR1R2ui2uoR3ui1解出：差分放大器放大倍数（1）虚短虚断方法一：_+RfR1R2ui2uoR3ui1解出：差分放大器放_+R2R1R1ui2uoR2ui1差分放大器放大倍数（2）方法二：_+R2R1R1ui2uoR2ui1差分放大器放大倍数差分放大器的特例若：Rf=R1=R2=R3=R称减法器_+RRRui2uoRui1则：差分放大器的特例若：Rf=R1=R2=R3=R称减法器_+作用：将若干个输入信号之和或之差按比例放大。类型：同相、反相、差分。方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。加减运算电路

8、作用：将若干个输入信号之和或之差按比例放大。类型：同相、反相R12_+R2R11ui2uoRPui1实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。反相求和运算（1）R12_+R2R11ui2uoRPui1实际应用时可适当i12iFi11R12_+R2R11ui2uoRPui1调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。反相求和运算（2）i12iFi11R12_+R2R11ui2uoRPui1实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。-R1RF+ui1uoR21R22ui2同相求和运算（1）实际应用时可适当增加或减少输入端的个

9、数，以适应不同的需要。-此电路如果以 u+ 为输入 ，则输出为：-R1RF+ui1uoR21R22ui2注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。流入运放输入端的电流为0（虚开路）同相求和运算（2）u+ 与 ui1 和 ui2 的关系如何？此电路如果以 u+ 为输入 ，则输出为：-R1RF+ui1-R1RF+ui1uoR21R22ui2R左图也是同相求和运算电路，如何求同相输入端的电位？提示：1. 虚开路：流入同相端的电流为0。2. 节点电位法求u+。同相求和运算（3）-R1RF+ui1uoR21R22ui2R左图也是同相求减法运算电路_+RRRui2uoRui1 差动放

10、大器放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高（=2R）, 这是由于反相输入造成的。减法运算电路_+RRRui2uoRui1 差动放实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。R2_+R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6加减混合运算电路（1）实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。RR2_+R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6虚短虚断虚断加减混合运算电路（2）R2_+R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6例：设计一个加减运算电路， RF=240k，使uo=11ui2- 10ui1解:(1) 画电路。系数为负的信号从反相端输入，系数

11、为正的信号从同相端输入。-R1RF+ui2uoR2ui1加减混合运算电路的设计（1）例：设计一个加减运算电路， RF=240k，使解:(1) (2) 求各电阻值。uo=11ui2- 10ui1加减混合运算电路的设计（2）-R1RF+ui2uoR2ui1(2) 求各电阻值。uo=11ui2- 10ui1加减混合优点：元件少，成本低。缺点：要求R1/R2/R5=R3/R4/R6。阻值的调整计算不方便。改进：采用双运放电路。单运放加减运算电路小结R2_+R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6优点：元件少，成本低。缺点：要求R1/R2/R5=R3/-RF1+ui1uo1R1ui2R2R3-R

12、F2+uoR4ui3R5R6双运放加减运算电路-RF1+ui1uo1R1ui2R2R3-RF2+uoR例：A/D变换器要求其输入电压的幅度为0 +5V，现有信号变化范围为-5V+5V。试设计一电平抬高电路，将其变化范围变为0+5V。+5V-5V+5V+2.5V电平抬高电路A/D计算机uiuouo = 0.5ui+2.5 V双运放加减运算电路设计（1）例：A/D变换器要求其输入电压的幅度为0 +5V，现有信uo =0.5ui +2.5 V =0.5 (ui +5) V_+10k20k+5V5kui20kuo1uo_+20k20k10k 双运放加减运算电路设计（2）uo =0.5ui +2.5 V

13、 =uo2+A+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1+AR2R2uo+三运放加减运算电路uo2+A+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1uo2+A+ARRRWui1ui2uo1ab+虚短：虚断：三运放加减运算电路分析（1）uo2+A+ARRRWui1ui2uo1ab+虚短：虚断三运放电路是差动放大器，放大倍数可变。由于输入均在同相端，此电路的输入电阻高。uo2uo1R1R1+AR2R2uo+三运放加减运算电路分析（2）三运放电路是差动放大器，放大倍数可变。uo2uo1R1R1例：由三运放放大器组成的温度测量电路。uoR1R1+A3R2R2+A1_+A2RRRW+E=+5VRRRRt

14、uiRt ：热敏电阻集成化:仪表放大器三运放加减运算电路应用（1）例：由三运放放大器组成的温度测量电路。uoR1R1+A3RRt=f (TC)uoR1R1+A3R2R2+A1_+A2RRRW+E=+5VRRRRtui三运放加减运算电路应用（2）Rt=f (TC)uoR1R1+A3R2R2+A1_+1. 它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小 。2. 关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高。3. 同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。加减运算电路小结 试一试P50 2.4.61. 它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小 。2. 关uou i+RR2C微分运算电路（

15、1）u i+uoRR2Ruou i+RR2C微分运算电路（1）u i+uoRu= u+= 0u i+uoRR2i1iFC微分运算电路（2）u= u+= 0u i+uoRR2i1iFC微分运算电uit0t0uo若输入：微分运算电路（3）则：uit0t0uo若输入：微分运算电路（3）则：微分运算电路的缺点与改进缺点：对高频噪声敏感。改进：u i+uoRR2RCC微分运算电路的缺点与改进缺点：对高频噪声敏感。改进：u i积分运算电路（1）u i+uoRR2Rui-+RR2Cuo积分运算电路（1）u i+uoRR2Rui-+RR2Ci1iFui-+RR2Cuo积分运算电路（2）u= u+= 0i1iF

16、ui-+RR2Cuo积分运算电路（2）u= u+tui0tuo0输入方波，输出是三角波。积分运算电路的应用（1）tui0tuo0输入方波，输出是三角波。积分运算电路的应用（tui0tuo0U-UomTM积分时限积分运算电路的应用（2） 如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。tui0tuo0U-UomTM积分时限积分运算电路的应用（23. 在电子开关中用于延迟。积分电路的主要用途：1. 波形变换。例：将方波变为三角波。2. A/D转换中，将电压量变为时间量。4. 移相。3. 在电子开关中用于延迟。积分电路的主要用途：1. 波形变对数运算电路（1）u i+u

17、oRR2Ru i+R2RTuo对数运算电路（1）u i+uoRR2Ru i+R2R对数运算电路（2）u i+R2RTuo虚断:虚短:iic对数运算电路（2）u i+R2RTuo虚断:虚短:iic反对数运算电路u i+uoRR2Ruou i+RR2T反对数运算电路u i+uoRR2Ruou i+RR2符号：类型：模拟乘法器uxuyuo四象限乘法器uxuy均可正可负一象限乘法器uxuy均为正二象限乘法器ux可正可负uy只能正符号：类型：模拟乘法器uxuyuo四象限乘法器uxuy均可正模拟乘法器的应用平方uxuyuo若：ux =uy=u模拟乘法器的应用平方uxuyuo若：ux =uy=u模拟乘法器的

18、应用除法ux2uo_+R1ux1R2 想一想这里应该采用几象限乘法器？模拟乘法器的应用除法ux2uo_+R1ux1R2 模拟乘法器的应用除法i1= i2虚断虚短i1i2ux2uo_+R1ux1R2模拟乘法器的应用除法i1= i2虚断虚短i1i2ux2u模拟乘法器的应用开方uo_+R1uiR2故称负压开方电路模拟乘法器的应用开方uo_+R1uiR2故称负压开模拟乘法器的应用开方若 想一想电路将如何改造？uo_+R1uiR2_+RfR1RP模拟乘法器的应用开方若 想一想电路将如何改造？uo_+模拟乘法器的应用开立方uo_+R1uiR2 想一想这里应该采用几象限乘法器？模拟乘法器的应用开立方uo_+

19、R1uiR2 想一想模拟乘法器的应用求有效值 试一试P323 6.6.1模拟乘法器的应用求有效值 试一试P323 6.6.1滤波电路的分类1. 按信号性质分类3. 按电路功能分类: 低通滤波器；高通滤波器；带通滤波器；带阻滤波器2. 按所用元件分类模拟滤波器和数字滤波器无源滤波器和有源滤波器4. 按阶数分类: 一阶，二阶 高阶有源滤波电路滤波电路的分类1. 按信号性质分类3. 按电路功能分类: 传递函数：幅频特性相频特性滤波器传递函数的定义传递函数：幅频特性相频特性滤传递函数的定义低通高通带通带阻四种典型的频率特性低通高通带通带阻四种典型的频率特性传递函数：RCR无源滤波器的缺点（1）传递函数

20、：RCR无源滤波器的缺点（1）1. 带负载能力差。2. 无放大作用。3. 特性不理想，边沿不陡。截止频率处：010.707o截止频率此电路的缺点：无源滤波器的缺点（2）1. 带负载能力差。2. 无放大作用。3. 特性不理想，边沿将两级一阶低通滤波器串接？各级互相影响！RCRCR无源滤波器的缺点（3）将两级一阶低通滤波器串接？各级互相影响！RCRCR无源滤波1. 不使用电感元件，体积小重量轻。2. 有源滤波电路中可加电压串联负反馈，使输入电阻高、输出电阻低，输入输出之间具有良好的隔离。只需把几个低阶滤波电路串起来就可构成高阶滤波电路，无需考虑级间影响。3. 除滤波外，还可放大信号，放大倍数容易调

21、节。有源滤波器的优点1. 不使用电感元件，体积小重量轻。2. 有源滤波电路中可加传递函数中出现 的一次项，故称为一阶滤波器。RR1RFC+-+一阶有源低通滤波器传递函数中出现 的一次项，故称为一阶滤波器。RR1RFC+幅频特性：相频特性：一阶低通幅频和相频特性幅频特性：相频特性：一阶低通幅频和相频特性有放大作用3. 运放输出，带负载能力强。幅频特性与一阶无源低通滤波器类似电路的特点：2. =o 时1. =0 时一阶有源低通滤波器的特点有放大作用3. 运放输出，带负载能力强。幅频特性与一阶无源低解出：其中：RR1RFC+-+CRP传递函数中出现 的二次项，故称为二阶滤波器。二阶有源低通滤波器解出：其中：RR1RFC+-+CRP传递函数中