信號的運(yùn)算與處理

1、信號的運(yùn)算與處理信號的運(yùn)算與處理模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)v集成運(yùn)放組成的運(yùn)算電路集成運(yùn)放組成的運(yùn)算電路v模擬乘法器及其在運(yùn)算電路中的應(yīng)用模擬乘法器及其在運(yùn)算電路中的應(yīng)用v有源濾波電路有源濾波電路v電壓比較器電壓比較器v非正弦波發(fā)生電路非正弦波發(fā)生電路模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)集成運(yùn)放組成的運(yùn)算電路集成運(yùn)放組成的運(yùn)算電路1 1、概述、概述 Aod、 rid 、fH 均為無窮大，均為無窮大，ro、失調(diào)電壓及其溫漂、失、失調(diào)電壓及其溫漂、失調(diào)電流及其溫漂、噪聲均為調(diào)電流及其溫漂、噪聲均為0。 因?yàn)橐驗(yàn)閡O為有限值，為有限值， Aod，所以所以 uNuP0，即，即 uNuP虛短路虛短路因?yàn)橐驗(yàn)閞id，所以，所以 iNi

2、P0虛斷路虛斷路電路特征：引入電壓負(fù)反饋。電路特征：引入電壓負(fù)反饋。無源網(wǎng)絡(luò)無源網(wǎng)絡(luò)2. 集成運(yùn)放的線性工作區(qū): : uOAod(uP uN)1. 理想運(yùn)放的參數(shù)特點(diǎn)模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)3. 3. 研究的問題研究的問題 （1）運(yùn)算電路：運(yùn)算電路的輸出電壓是輸入電壓某種）運(yùn)算電路：運(yùn)算電路的輸出電壓是輸入電壓某種運(yùn)算的結(jié)果，如加、減、乘、除、乘方、開方、積分、微運(yùn)算的結(jié)果，如加、減、乘、除、乘方、開方、積分、微分、對數(shù)、指數(shù)等。分、對數(shù)、指數(shù)等。 （2）描述方法：運(yùn)算關(guān)系式）描述方法：運(yùn)算關(guān)系式 uOf (uI) （3）分析方法：）分析方法：“虛短虛短”和和“虛斷虛斷”是基本出發(fā)點(diǎn)。是基本出發(fā)點(diǎn)。（

3、1）識別電路；）識別電路；（2）掌握輸出電壓和輸入電壓運(yùn)算關(guān)系式的求解方法。）掌握輸出電壓和輸入電壓運(yùn)算關(guān)系式的求解方法。4 4、學(xué)習(xí)運(yùn)算電路的基本要求、學(xué)習(xí)運(yùn)算電路的基本要求模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)運(yùn)算電路運(yùn)算電路運(yùn)算放大器的三種輸入方式運(yùn)算放大器的三種輸入方式1）反相輸入方式）反相輸入方式2）同相輸入方式）同相輸入方式3）差動輸入方式）差動輸入方式模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2 2、比例運(yùn)算電路、比例運(yùn)算電路1) 電路引入了哪種組態(tài)的負(fù)反饋？電路引入了哪種組態(tài)的負(fù)反饋？2) 電路的輸入電阻為多少？電路的輸入電阻為多少？3) R？為什么？為什么？+_iN=iP=0，uN=uP=0虛地虛地在節(jié)點(diǎn)在節(jié)點(diǎn)N：Ruii

4、RIFIffFOuRRRiu1）反相輸入R=RRf保證輸入級的對稱性保證輸入級的對稱性集成運(yùn)放的輸入級一般為差放模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)IfONfOIPN)1 ()1 (uRRuuRRuuuu2 2）同相輸入）同相輸入1) 電路引入了哪種組態(tài)的負(fù)反饋？電路引入了哪種組態(tài)的負(fù)反饋？2) 輸入電阻為多少？輸入電阻為多少？3) 電阻電阻R？為什么？為什么？模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)IPNOuuuu同相輸入比例運(yùn)算電路的特例同相輸入比例運(yùn)算電路的特例：電壓跟隨器? )3? )2? ) 1IcoiuRRF模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)3 3、加減運(yùn)算電路、加減運(yùn)算電路3I32I211I321FPN 0RuRuRuiiiiuuRRR)(

5、3I32I211IffFORuRuRuRRiu1） 反相求和模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2 2）同相求和）同相求和 設(shè) R1 R2 R3 R4 R Rfff3I32I211IPfPfO)()1 (RRRuRuRuRRRRuRRu)(3I32I211IfORuRuRuRu與反相求和運(yùn)算電路與反相求和運(yùn)算電路的結(jié)果差一負(fù)號的結(jié)果差一負(fù)號4321iiii4P3PI32PI21PI1RuRuuRuuRuuP43213I32I21I1)1111(uRRRRRuRuRu)( )(4321P3I32I21I1PPRRRRRRuRuRuRu必不可必不可少嗎？少嗎？對稱性、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)3 3）加減運(yùn)算）加減運(yùn)算 利用求

6、和運(yùn)算電路的分析結(jié)果)(2I21I14I43I3fORuRuRuRuRu設(shè)設(shè) R1 R2 Rf R3 R4 R5)(I1I2fOuuRRu若若R1 R2 Rf R3 R4 R5，uO?實(shí)現(xiàn)了差分實(shí)現(xiàn)了差分放大電路放大電路模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)討論一討論一：電路如圖所示電路如圖所示（1）組成哪種基本運(yùn)算電路？與用一個運(yùn)放組成的）組成哪種基本運(yùn)算電路？與用一個運(yùn)放組成的完成同樣運(yùn)算的電路的主要區(qū)別是什么？完成同樣運(yùn)算的電路的主要區(qū)別是什么？（2）為什么在求解第一級電路的運(yùn)算關(guān)系時(shí)可以不）為什么在求解第一級電路的運(yùn)算關(guān)系時(shí)可以不考慮第二級電路對它的影響？考慮第二級電路對它的影響？模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)討論二討論

7、二：求解圖示各電路求解圖示各電路?)(IOufi?)(oiIORRufu 該電路可等效成差分放該電路可等效成差分放大電路的哪種接法？與該大電路的哪種接法？與該接法的分立元件電路相比接法的分立元件電路相比有什么優(yōu)點(diǎn)？有什么優(yōu)點(diǎn)？模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)4 4、積分運(yùn)算電路和微分運(yùn)算電路、積分運(yùn)算電路和微分運(yùn)算電路RuiiRCI)(d11O IO21tutuRCutttuRCud1IO)()(1 1O12IO21ItuttuRCuttu為常量，則在若tRuCuud1ICO1）積分運(yùn)算電路模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)移相移相利用積分運(yùn)算的基本關(guān)系實(shí)現(xiàn)不同的功能利用積分運(yùn)算的基本關(guān)系實(shí)現(xiàn)不同的功能1) 輸入為階躍信號時(shí)的

8、輸出電壓波形？輸入為階躍信號時(shí)的輸出電壓波形？2) 輸入為方波時(shí)的輸出電壓波形？輸入為方波時(shí)的輸出電壓波形？3) 輸入為正弦波時(shí)的輸出電壓波形？輸入為正弦波時(shí)的輸出電壓波形？線性積分，延時(shí)線性積分，延時(shí)波形變換波形變換模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2. 2. 微分運(yùn)算電路微分運(yùn)算電路tuRCRiutuCiiRCRddddIOI 為了克服集成運(yùn)為了克服集成運(yùn)放的阻塞現(xiàn)象和自放的阻塞現(xiàn)象和自激振蕩，實(shí)用電路激振蕩，實(shí)用電路應(yīng)采取措施。應(yīng)采取措施。限制輸限制輸入電流入電流滯后補(bǔ)償滯后補(bǔ)償限制輸出限制輸出電壓幅值電壓幅值虛地虛地運(yùn)放由于某種原因運(yùn)放由于某種原因進(jìn)入非線性區(qū)而不進(jìn)入非線性區(qū)而不能自動恢復(fù)的現(xiàn)象能自動恢

9、復(fù)的現(xiàn)象怎么識別微分運(yùn)算怎么識別微分運(yùn)算電路？電路？模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)RuiiRIC對輸入電壓的極性和幅值有何要求？對輸入電壓的極性和幅值有何要求？RIuUuuSITBEOln5 5、對數(shù)運(yùn)算電路和指數(shù)運(yùn)算電路、對數(shù)運(yùn)算電路和指數(shù)運(yùn)算電路1） 對數(shù)運(yùn)算實(shí)用電路中常常采取措施實(shí)用電路中常常采取措施消除消除IS對運(yùn)算關(guān)系的影響對運(yùn)算關(guān)系的影響TBEeSCUuIi 利用利用PN結(jié)端電結(jié)端電壓與電流的關(guān)系壓與電流的關(guān)系實(shí)際實(shí)際極性極性ICM限制其值限制其值集成對數(shù)運(yùn)算電路集成對數(shù)運(yùn)算電路TBE1eS3II1CUuIRuii3SITBE1lnRIuUuSTBE2lnIIUuR同理，3ITBE1BE2P2N

10、2lnRIuUuuuuR3IT52N252Oln)1 ()1 (RIuURRuRRuR熱敏電阻？溫度系數(shù)為正？為負(fù)？熱敏電阻？溫度系數(shù)為正？為負(fù)？qkTU T模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)BEIuu 對輸入電壓的極性和幅值有何要求？對輸入電壓的極性和幅值有何要求？TIeSOUuRRIRiu2. 2. 指數(shù)運(yùn)算電路指數(shù)運(yùn)算電路TIeSEUuRIii模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬乘法器模擬乘法器 理想情況下，理想情況下，ri1、 ri2、fH為為無窮大，無窮大， 失調(diào)電壓、電流及其失調(diào)電壓、電流及其溫漂為溫漂為0，ro為為0， ux 、uy 幅值幅值和頻率變化時(shí)和頻率變化時(shí) k 值不變。值不變。 有單象限、兩象限和四象限

11、有單象限、兩象限和四象限之分。之分。1. 1. 模擬乘法器的符號及等效電路模擬乘法器的符號及等效電路YXOukuu 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2 2對數(shù)指數(shù)乘法器對數(shù)指數(shù)乘法器 由此可知，可利用對數(shù)電路、加法電路和反對數(shù)電由此可知，可利用對數(shù)電路、加法電路和反對數(shù)電路實(shí)現(xiàn)的乘法運(yùn)算功能。路實(shí)現(xiàn)的乘法運(yùn)算功能。 YXOuuu YXlneuu由由YXlnlneuu 00YX uu，模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)YXlnlnYXOeuuuuu原理框圖原理框圖對數(shù)運(yùn)算對數(shù)運(yùn)算XlnuYlnuYXlnuuYXuuXuYu對數(shù)運(yùn)算對數(shù)運(yùn)算加法加法運(yùn)算運(yùn)算反對數(shù)運(yùn)算反對數(shù)運(yùn)算模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)XbeCO1)2/(urRRuL412)

12、1 ()1 (CTbbETbbbeIUrIUrr44E12)1 (2)1 (ICTbeCTbbIUrIUr因而很小的時(shí)候，當(dāng)3. 3. 變跨導(dǎo)型模擬乘法器變跨導(dǎo)型模擬乘法器RT1T2T4T3+_XuYuOuCRC4iCCV E1iCRRiLRRuIIyRC4X4CX4CO12)2/()1 (2)2/(uUIRRuUIRRuTCLTCLyTLuuRURRuxCO12)2/(模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)) cos21 (2 sin2 sin22i22iOiItkUtkUutUu則若4. 4.模擬乘法器的應(yīng)用模擬乘法器的應(yīng)用2.乘方運(yùn)算1. 乘法運(yùn)算I2I1Oukuu 實(shí)際的模擬乘法器實(shí)際的模擬乘法器k常為常為

13、+0.1V-1或或0.1V-1。 若若k= +0.1V-1，uI1= uI2=10V，則則 uO=10V。2IOkuu 實(shí)現(xiàn)了對正弦波實(shí)現(xiàn)了對正弦波電壓的二倍頻變換電壓的二倍頻變換模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 為使電路引入的是負(fù)反饋，為使電路引入的是負(fù)反饋，k和和uI2的極性應(yīng)如何？的極性應(yīng)如何？21ii 3. 3. 除法運(yùn)算除法運(yùn)算I2I112OkuuRRu運(yùn)算電路中集成運(yùn)放必須引入負(fù)反饋！運(yùn)算電路中集成運(yùn)放必須引入負(fù)反饋！1i2i 若集成運(yùn)放的同相輸入端與若集成運(yùn)放的同相輸入端與反相輸入端互換，則反相輸入端互換，則k和和uI2的的極性應(yīng)如何？極性應(yīng)如何？2O1I1RuRuOI2I112O uukuRR

14、u條件：條件：同極性同極性模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2OI12OkuuRRu為實(shí)現(xiàn)上式，電路中為實(shí)現(xiàn)上式，電路中uI、 uO、k的極性是什么？為什么？的極性是什么？為什么？4. 4. 開方運(yùn)算開方運(yùn)算I12OukRRu 若集成運(yùn)放的負(fù)反饋通路中為某種運(yùn)算電路，則整個電若集成運(yùn)放的負(fù)反饋通路中為某種運(yùn)算電路，則整個電路實(shí)現(xiàn)其逆運(yùn)算！路實(shí)現(xiàn)其逆運(yùn)算！如何實(shí)現(xiàn)開三次方運(yùn)算電路？如何實(shí)現(xiàn)開三次方運(yùn)算電路？若要若要uO uN時(shí)，時(shí)， uOUOM uP 0 時(shí)時(shí) uO UOM; uI 0 時(shí)時(shí) uO UOM 集成運(yùn)放的凈輸入電壓等于輸入電壓，為保護(hù)集成運(yùn)集成運(yùn)放的凈輸入電壓等于輸入電壓，為保護(hù)集成運(yùn)放的輸入級，需加

15、輸入端限幅電路。放的輸入級，需加輸入端限幅電路。二極管限幅電路使凈輸二極管限幅電路使凈輸入電壓最大值為入電壓最大值為UD1. 過零比較器必要嗎？必要嗎？模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)輸出限幅電路輸出限幅電路 為適應(yīng)負(fù)載對電壓幅值的要求，輸出端加限幅電路。UOH UZ1 UD2 UOL( UZ2 UD1)UOH UOL UZ不可缺少！不可缺少！模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)電壓比較器的分析方法：（1 1）寫出寫出 uP、uN的表達(dá)式，令的表達(dá)式，令uP uN，求解出的，求解出的 uI即為即為UT；（2 2）根據(jù)輸出端限幅電路決定輸出的高、低電平；）根據(jù)輸出端限幅電路決定輸出的高、低電平；（3 3）根據(jù)輸入電壓作用于同相輸入

16、端還是反相輸入端決定輸出）根據(jù)輸入電壓作用于同相輸入端還是反相輸入端決定輸出電壓的躍變方向。電壓的躍變方向。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2. 2. 一般單限比較器一般單限比較器，得令0PNI211REF212NuuuRRRURRRu（1）若要）若要UTURH時(shí)，時(shí)，uO1= uO2= UOM，D1導(dǎo)通，導(dǎo)通，D2截止；截止； uO= UZ。當(dāng)當(dāng)uIURL時(shí)，時(shí)，uO2= uO1= UOM，D2導(dǎo)通，導(dǎo)通，D1截止；截止； uO= UZ 。當(dāng)當(dāng)URLuI URH時(shí)，時(shí)， uO1= uO2= UOM，D1、D2均截均截止；止； uO= 0。四、窗口比較器四、窗口比較器模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)討論討論：從電壓傳輸特性識

17、別電路，畫波形從電壓傳輸特性識別電路，畫波形 已知各電壓比較器的電壓傳輸特性如圖所示，說出它已知各電壓比較器的電壓傳輸特性如圖所示，說出它們各為哪種電壓比較器；輸入電壓為們各為哪種電壓比較器；輸入電壓為5sint (V)，畫出各，畫出各電路輸出電壓的波形。電路輸出電壓的波形。同相輸入同相輸入單限比較器單限比較器反相輸入反相輸入滯回比較器滯回比較器窗口窗口比較器比較器模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)矩形波發(fā)生電路矩形波發(fā)生電路 輸出無穩(wěn)態(tài)，有兩個暫態(tài)；若輸出為高電平時(shí)定義為第一暫態(tài)，則輸出為低電平為第二暫態(tài)。1. 基本組成部分 （1）開關(guān)電路）開關(guān)電路：因?yàn)檩敵鲋挥懈唠娖胶偷碗娖剑阂驗(yàn)檩敵鲋挥懈唠娖胶偷碗娖絻煞N

18、情況，即兩個暫態(tài)；故采用電壓比較器。兩種情況，即兩個暫態(tài)；故采用電壓比較器。 （2）反饋網(wǎng)絡(luò)）反饋網(wǎng)絡(luò)：因需自控，在輸出為某一暫態(tài)：因需自控，在輸出為某一暫態(tài)時(shí)孕育翻轉(zhuǎn)成另一暫態(tài)的條件，故應(yīng)引入反饋。時(shí)孕育翻轉(zhuǎn)成另一暫態(tài)的條件，故應(yīng)引入反饋。 （3）延遲環(huán)節(jié)）延遲環(huán)節(jié)：要使兩個暫態(tài)均維持一定的時(shí)：要使兩個暫態(tài)均維持一定的時(shí)間，故采用間，故采用RC環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)，從而決定振蕩頻率環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)，從而決定振蕩頻率 。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2. 2. 電路組成電路組成Z211TURRRU正向充電：正向充電： uO（+UZ）RC地地反向充電：反向充電： 地地C R uO（UZ）RC 回路回路ZU滯回比較器滯回比較器ZU

19、微分電路+滯回比較器=方波發(fā)生器模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)3. 3. 工作原理工作原理：分析方法分析方法 設(shè)合閘通電時(shí)電容上電壓為設(shè)合閘通電時(shí)電容上電壓為0，uO上升，則產(chǎn)生正反饋過程：上升，則產(chǎn)生正反饋過程： uO uP uO ，直至，直至 uOUZ， uP+UT，為第一暫態(tài)。，為第一暫態(tài)。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 電容正向充電，電容正向充電，t uN，t ， uN UZ；但當(dāng)；但當(dāng)uN +UT時(shí)，再增大，時(shí)，再增大， uO從從+ UZ躍變?yōu)檐S變?yōu)閁Z， uPUT，電路，電路進(jìn)入進(jìn)入第二暫態(tài)第二暫態(tài)。 電容反向充電，電容反向充電，t uN，t ， uN UZ；但當(dāng)；但當(dāng)uN UT時(shí)，再減小，時(shí)，再減小， uO

20、從從 UZ躍變?yōu)檐S變?yōu)?UZ， uP+UT，電路，電路返回第一暫態(tài)返回第一暫態(tài)。第一暫態(tài)第一暫態(tài)：uOUZ， uP+UT。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)求出、終了值、時(shí)間常數(shù)，根據(jù)三要素，即起始值)21ln(2)11ln(22133RRCRFFCRT %50kTTq占空比脈沖寬度脈沖寬度4. 4. 波形分析波形分析模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)5. 5. 占空比可調(diào)電路占空比可調(diào)電路為了占空比調(diào)節(jié)范圍大，為了占空比調(diào)節(jié)范圍大，R3應(yīng)如何取值？應(yīng)如何取值？ 正向充電和反向充電時(shí)間常數(shù)可正向充電和反向充電時(shí)間常數(shù)可調(diào)，占空比就可調(diào)。調(diào)，占空比就可調(diào)。模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)三角波發(fā)生電路三角波發(fā)生電路 1. 1. 電路組成電路組成 用積分運(yùn)算電路可將方波變?yōu)槿遣?。兩個兩個RC環(huán)節(jié)環(huán)節(jié)實(shí)際電路將兩個實(shí)際電路將兩個RC 環(huán)節(jié)合二為一環(huán)節(jié)合二為一為什么采用同相輸為什么采用同相輸入的滯回比較器？入的滯回比較器？ZUuO要取代要取代uC，必須改變輸入端。，必須改變輸入端。微分電路+滯回比較器+積分電路=三角波發(fā)生器模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)2. 2. 工作原理工作原理滯回比較器滯回比較器積分運(yùn)算電路積分運(yùn)算電路求滯回比較器的電壓傳輸特性：三要素求滯回比較器的電壓傳輸特性：三要素 UOH =UOL =UZ ，uI作用于集成運(yùn)放的同相輸入端，求作用于集成運(yùn)放的同相