第5章信号运算电路.ppt

1、第5章 信号运算电路,5.1 比例运算放大电路 5.2 加法、减法运算电路 5.3 对数、指数和乘除运算电路 5.4 微分、积分运算电路 5.5 常用特征值运算电路 5.6 函数型运算电路,在自动检测装置中，信号的提取和处理，均需进行各种运算。如信息提取得对被测信号进行和、差运算，获得最佳信号值。在信号处理时，需进行各种加、减、乘、除、积分、微分及绝对值等运算，以及一些复杂函数的运算等等。 下面介绍各种运算电路的结构、特点和应用。,5.1 比例运算放大电路,5.1.1 同相比例运算放大电路,同相比例运算电路如图,电压跟随器电路如下图所示。,反相比例运算电路如图,5.1.2 反相比例运算放大电路

2、,两个输入端均有输入，参数对称。,5.1.3 差分比例运算放大电路,5.2 加减运算电路,5.2.1 同相加法运算电路,其中：Rp=R1R2 R3 R4,RN=RRf,5.2.2 反相加法运算电路,1. 利用加法运算电路实现减法运算,5.2.3 减法运算电路,2. 用单一运算放大器实现减法运算,当uI3、uI4作用时，电路为同相求和运算。,若：R1R2 Rf =R3R4 R5,当uI1、uI2作用时，电路为反相求和运算。,例1. 设计一个能实现uo=10ui1+8ui2-20ui3的电路。,法一：用两级运放实现,uo=-(10ui1+8ui2)+20ui3的电路。,令 uo1=-(10ui1+

3、8ui2),uo=-（uo1+20ui3）的电路。,法二：用一级运放实现,uo=10ui1+8ui2-20ui3,试用运算放大器实现运算：,作业,5.3 对数、指数和乘除运算电路,UT为温度电压当量,5.3.1 对数运算电路,上面的电路在应用中需作如下改进。 1. 失调补偿； 2 温度补偿； 3. 安全保护； 4. 加校正环节。,5.3.2 指数运算电路,集成运放反相输入端为虚地,输出电压,5.3.3 乘法运算电路,利用对数和指数运算电路可实现的乘法运算。框图如下所示。,对数相加，再求指数，即得乘法运算电路。,利用对数和指数运算电路也可实现的初法运算。框图如下所示。,5.3.4 除法运算电路,

4、对数相减，再求指数，即得除法运算电路。,5.4 微分、积分运算电路,5.4.1 常用积分电路,一、反向积分电路,由于uP= uN=0， “虚地”，虚断,式中uO(t1)为积分起始时刻的输出电压，即积分运算的起始值，,当信号源为多个时,积分的终值是t2时刻的输出电压。,当uI为常量时，,二、比例积分电路,在模拟电子控制技术中，可用运算放大器来实现比例积分电路，即PI调节器，其线路如图所示。,PI输入输出关系如何？,按照运算放大器的输入输出关系，可得,PI调节器的传递函数,当初始条件为零时，上式两侧取拉氏变换，移项后，得PI调节器的传递函数。,PI调节器输出时间特性,5.4.2 常用微分电路,微分

5、运算是积分运算的反运算。将积分运算电路中的电阻和电容对跳，就得到微分运算电路。各种微分运算电路如下。,输出电压,5.4.3 PID运算,什么是PID运算电路？ PID（比例积分微分）电路又称为PID调节器，是一种常见的控制电路。调节器的任务是将一定的物理量（被调节参数X）调节到预先给定的理论值（或称额定值W），并克服干扰的影响保持这一值。 PID调节器应用框图如图所示。,5.5 常用特征值运算电路,5.5.1 绝对值运算电路,Io=Ui/R,绝对值运算电路如图所示。,5.5.2 峰值检测电路,峰值检测电路能检测信号在某一周期内的峰值，可由采样/保持电路实现。当输入信号上升大于前次采样的信号时，

6、电路处于采样状态，并且跟踪输入信号；当输入信号下降时，电路处于保持状态。电路的输出为一个周期内的峰值。 由同相运算放大器构成的峰值检测电路如下图所示。其中(a)、(b)分别为正、负峰值检测电路。,以(a)为例：当ui大于UC时，D2截止，D1导通，电路实现采样u0=ui 。当ui下降，IC1同相电位低于反相电位时， IC1 为跟随器，D1截止，D2导通，电路处于保持状态u0=ui-uD1 。,5.5.3 平均值运算电路,在测量系统中，平均值的含义不同，电路设计也不同。,1. 若干参数平均值。 2. 某一参数在一定时间内变化的平均值。 3. 某些低频信号受高频信号的干扰，如电源或电磁干扰等。 4

7、. 某一交变参数的有效值。电路如下：,5.6 函数型运算电路,函数型运算电路有限幅型、倒数型、扩展型 。 下面介绍常用的限幅型电路。,5.6.1 限幅电路概述及二极管钳位作用 1. 限幅电路概述 限幅电路又叫钳位电路，特点是当输入大到一定范围后，输出不再随输入的增大而变化，而保持在某个固定值上。这种特性不仅用于信号的处理和运算中，也广泛用于过载保护中。限幅电路按是否带运放分为有源和无源两种。由于运放具有高输入阻抗和低输出阻抗的特点，所以带运放的有源限幅器可使信号源和负载之间有良好的隔离作用。但是由于受运放频率相应的限制，接入运放后，电路的工作频率变窄。,限幅器的主要技术指标是限幅门限值和限幅系

8、数，结合下图来说明。,有两个限幅区，传输区夹在两个限幅区之间，具有这种传输特性的限幅器叫双向限幅器。只有一个传输区和一个限幅区的限幅器叫单向限幅器。若限幅区夹在两个传输区之间则称区间限幅器。,2. 二极管的钳位作用 二极管钳位如下图所示，该电路为串联限幅。,5.6.2 单向限幅器 1. 单运放二极管单向限幅器 二极管限幅器就是利用二极管单向导电性特性构成的，如下图，为并联限幅。,UiUR ，D截止,Ui UR ，D导通，限幅电压为：,2. 稳压管单向限幅器 稳压管单向限幅器如图所示。有,5.6.3 双向限幅器 1. 单运放二极管双向限幅器 把二极管和电阻分压组合起来，并接在运放的反馈回路中，就

9、组成了普通二极管双向限幅器。二极管双向限幅器电路及传输特性如图所示。由于输入信号Ui变化时，二极管D1、D2有三种组合，从而电路输出形成三个区间。,1）传输区： D1、D2截止，电路为反相比例放大电路。 等效电路如图 (a)所示。,2）上限幅区： Ui正向增大， 使D1导通、D2截止，电路 开始工作在上限幅区。等效电路如图 (b)所示。,3）下限幅区： Ui负向变化时， 使D1截止、D2导通，电路开始工作在下限幅区。等效电路如图 (c)所示。,2. 双运放二极管双向限幅器 双运放二极管双向限幅器的电路形式较多，详见相关资料。,二极管的接法决定了对输出电压的正向进行限幅。 如果要进行负向限幅，只要将图中的二极管和稳压管都反接一下即可。 若想获得双向限幅效果，只要将二极管换成稳压管，背靠背串接即可。,3. 单运放稳压管双向限幅器 单运放稳压管双向限幅器电路和传输特性如下图所示。,4. 单运放稳压管桥式双向限幅器 单运放稳压管桥式双向限幅器电路和传输特性如图所示。二极管桥式电路和反馈电阻并接在运放的反馈电路中，可提高电路的限幅精度，改善正负限幅电压的对称性。 当输入电压为