張國雄版測控電路PPTChapter5-4

1、第五章第五章 信號運算電路信號運算電路第一節(jié)第一節(jié) 加減運算電路加減運算電路第二節(jié)第二節(jié) 對數(shù)、指數(shù)運算電路對數(shù)、指數(shù)運算電路第三節(jié)第三節(jié) 微分積分運算電路微分積分運算電路理想運算放大器理想運算放大器l 5個理想特性個理想特性(1)電壓增益無限大電壓增益無限大(2)輸入電阻無限大輸入電阻無限大(3)輸出電阻為輸出電阻為0(4)帶寬為無限大帶寬為無限大(5)輸入失調(diào)電壓為輸入失調(diào)電壓為0l 3個導(dǎo)出的附加性能個導(dǎo)出的附加性能差模輸入電壓為差模輸入電壓為0 - (1)流入兩個輸入端的電流為流入兩個輸入端的電流為0 UT時：時：TbeUUsceII/ 電路特點：電路特點：(1)隨電流變化的隨電流變化

2、的m沒有出現(xiàn)在公式中，沒有出現(xiàn)在公式中， 所以三極管所以三極管對數(shù)電路的輸入范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過二極管對數(shù)電路對數(shù)電路的輸入范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過二極管對數(shù)電路(2)一般情況下集電極電流的工作范圍為一般情況下集電極電流的工作范圍為pA到到mA數(shù)數(shù)量級，量級， 在運算放大器的輸入失調(diào)電流很小的情在運算放大器的輸入失調(diào)電流很小的情況下，才能充分利用這個優(yōu)點況下，才能充分利用這個優(yōu)點上述電路缺點：上述電路缺點：受溫度的影響較大，受溫度的影響較大，主要原因：主要原因：U UT T和和I Is s隨溫度而變化。隨溫度而變化。 當(dāng)溫度從當(dāng)溫度從2020上升到上升到5050時，時，U UT T增大增大1010，I Is s增

3、加近增加近1010倍。倍。 為了消除為了消除I Is s的影響，可以采用由的影響，可以采用由兩個運放及兩個三兩個運放及兩個三極管組成的具有溫度補償功能的對數(shù)放大電路極管組成的具有溫度補償功能的對數(shù)放大電路 一個實用電路一個實用電路電容電容C為相位補償電容為相位補償電容,是用于防止對數(shù)放是用于防止對數(shù)放大器自激大器自激二極管二極管D是用來保護(hù)三極管是用來保護(hù)三極管BE結(jié)的結(jié)的12bebeAUUU 5/21/121RUeIIRUeIIrefUUsciUUscTbeTbe refiUUccURRUeIITA5121 當(dāng)當(dāng)R3較小時，三極管基極電流較小時，三極管基極電流Ibe2遠(yuǎn)小于遠(yuǎn)小于流入流入R3

4、的電流，于是：的電流，于是：UoRRRUA323 l 電阻電阻R4用來限制電流用來限制電流Ic1、Ic2的大小的大小 l 電容電容C1、C2用作相位補償用作相位補償l R3可以選擇具有正溫度系數(shù)可以選擇具有正溫度系數(shù)(0.3/K)熱敏電阻以熱敏電阻以補償由于溫度變化而引起補償由于溫度變化而引起UT的變化的變化refiTURURRRRUUo15332ln 當(dāng)當(dāng)R3斷路時，有：斷路時，有：refiTURURUUo15ln 為消除電流為消除電流Is影響，也可以采用由兩個運放及兩個三極管影響，也可以采用由兩個運放及兩個三極管組成的具有溫度補償功能的指數(shù)運算電路，組成的具有溫度補償功能的指數(shù)運算電路，二

5、、指數(shù)運算電路二、指數(shù)運算電路指數(shù)運算是對數(shù)運指數(shù)運算是對數(shù)運算的反運算。算的反運算。TiTbeUUsUUsceIeII/ TiUUscoeRIRIU/11 當(dāng)當(dāng)R3斷路時：斷路時：可見，可見，Uo與與Is無關(guān)無關(guān) 第三節(jié)第三節(jié) 微分積分運算電路微分積分運算電路一、積分運算電路一、積分運算電路、反相積分電路、反相積分電路UIcUIiRCoia)NciII dtdUoCRUi toioUdttURCU0)0()(1第三節(jié)第三節(jié) 微分積分運算電路微分積分運算電路一、積分運算電路一、積分運算電路、反相積分電路、反相積分電路一、積分運算電路一、積分運算電路l 顯然輸出電壓顯然輸出電壓Uo隨時間線性上升

6、，隨時間線性上升， 所以積分電路所以積分電路非常適合于用作三角波和鋸齒波發(fā)生器非常適合于用作三角波和鋸齒波發(fā)生器則則Uo為：為：)0(oioUtRCUU l 輸出電壓幅值與角頻率成反比，頻率升輸出電壓幅值與角頻率成反比，頻率升高時，幅值下降高時，幅值下降l 下降的速率為下降的速率為-20dB/10倍頻程倍頻程l 在實際應(yīng)用中，由于參數(shù)是非理想的，必定引入積在實際應(yīng)用中，由于參數(shù)是非理想的，必定引入積分誤差分誤差l 在積分的過程中，運算放大器的輸入偏置電流在積分的過程中，運算放大器的輸入偏置電流Ib和和輸入失調(diào)電壓輸入失調(diào)電壓Uos也隨時間而積分，它對積分器有也隨時間而積分，它對積分器有較大影響

7、較大影響l 當(dāng)輸入電壓當(dāng)輸入電壓Ui=0時，通過積分電容的誤差電流為時，通過積分電容的誤差電流為: l由此產(chǎn)生的輸出電壓變化為由此產(chǎn)生的輸出電壓變化為: l 如果取如果取C=1uF,那么那么1uA的誤差電流將使的誤差電流將使Uo以以1V/s的速度增長的速度增長l 在積分時間常數(shù)在積分時間常數(shù) = RC 一定的情況下，一定的情況下，C越大，越大，Ib的影響越小，而的影響越小，而Uos的影響是不變的的影響是不變的l 為了使為了使Ib的影響不超過的影響不超過Uos的影響，的影響，Ib應(yīng)該非常小應(yīng)該非常小 例如例如若若C=1uf，RC=1s，運算放大器的，運算放大器的Uos為為1mV，那么輸入偏置電流

8、應(yīng)滿足，那么輸入偏置電流應(yīng)滿足 Ib1nA這樣低的輸入偏置電流的要求，雙極型晶體管構(gòu)這樣低的輸入偏置電流的要求，雙極型晶體管構(gòu)成的運算放大器很難滿足成的運算放大器很難滿足顯然這一電流提供了偏置電流，于是顯然這一電流提供了偏置電流，于是誤差電流被補償了誤差電流被補償了圖所示電路是具有圖所示電路是具有Ib補償?shù)姆e分電路補償?shù)姆e分電路電阻電阻RP的阻值應(yīng)與的阻值應(yīng)與R相同，其上的相同，其上的壓降為壓降為IbR當(dāng)當(dāng)Ui=0時，由于時，由于U+=U-，流過電阻，流過電阻R的電流為的電流為: bbNIRRIRUI l 為了得到較的積分效果為了得到較的積分效果 應(yīng)選用較小應(yīng)選用較小Ib、Uos的集成運算放大

9、器，較大的積的集成運算放大器，較大的積分電容分電容電解電容器的漏電流比較大，所以一般不能作積電解電容器的漏電流比較大，所以一般不能作積分電容分電容應(yīng)選用薄膜類的電容，不過這類電容器的電容量應(yīng)選用薄膜類的電容，不過這類電容器的電容量不大，很難超不大，很難超10uF在積分時間較長時應(yīng)選用場效應(yīng)管輸入的集成運在積分時間較長時應(yīng)選用場效應(yīng)管輸入的集成運算放大器或斬波穩(wěn)零放大器，而不應(yīng)選用通用的算放大器或斬波穩(wěn)零放大器，而不應(yīng)選用通用的集成運算放大器集成運算放大器即輸入電壓與兩輸入信號電壓之差的積分成比例，該即輸入電壓與兩輸入信號電壓之差的積分成比例，該積分電路具有抑制共模信號的能力，但積分電路具有抑制

10、共模信號的能力，但C1、C2和和R1、R2必須嚴(yán)格對稱，否則共模抑制能力降低必須嚴(yán)格對稱，否則共模抑制能力降低 同相積分器同相積分器差分積分器差分積分器積分電路實例積分電路實例二、二、 微分運算電路微分運算電路l 微分運算電路的輸出信號電壓與輸入信號電壓的微微分運算電路的輸出信號電壓與輸入信號電壓的微分成比例分成比例l 也稱為微分放大器或微分器也稱為微分放大器或微分器RcII RUdtdUCoi dtdURCUio 微分電路幅頻特性是一條微分電路幅頻特性是一條+20dB/10倍頻程斜直線倍頻程斜直線圖所示的電路在原理上雖然可以實現(xiàn)微分運算，圖所示的電路在原理上雖然可以實現(xiàn)微分運算，但存在穩(wěn)定性

11、差、高頻噪聲大和但存在穩(wěn)定性差、高頻噪聲大和高頻輸入阻抗低高頻輸入阻抗低等不足，必須加以克服，否則無法使用等不足，必須加以克服，否則無法使用 反饋回路的相移是滯后的，頻率越高相移滯后越反饋回路的相移是滯后的，頻率越高相移滯后越大，其相移為大，其相移為090，對高頻產(chǎn)生接近，對高頻產(chǎn)生接近90的的相位滯后相位滯后單極點的放大器本身的相移為單極點的放大器本身的相移為090因此與運算放大器的滯后結(jié)合在一起，相移已接因此與運算放大器的滯后結(jié)合在一起，相移已接近近-180當(dāng)輸入信號為正弦波當(dāng)輸入信號為正弦波Ui = Umsint，輸出電壓為，輸出電壓為:盡管運算放大器本身的穩(wěn)定性很好，也很容易使電盡管運

12、算放大器本身的穩(wěn)定性很好，也很容易使電路自激振蕩路自激振蕩解決這個問題的簡單的方法是在微分電容上串聯(lián)一解決這個問題的簡單的方法是在微分電容上串聯(lián)一個電阻個電阻R1， 如圖如圖 在基本的微分電路中，頻率越高，輸入阻抗越低，在基本的微分電路中，頻率越高，輸入阻抗越低， 則電路則電路的增益也就越大的增益也就越大因此微分電路的高頻噪聲很大，可能淹沒信號，而使微因此微分電路的高頻噪聲很大，可能淹沒信號，而使微分電路無法正常工作分電路無法正常工作因此串聯(lián)電阻因此串聯(lián)電阻R1也可以有效地抑制高頻增益，限制了高也可以有效地抑制高頻增益，限制了高頻噪聲并提高了高頻輸入阻抗頻噪聲并提高了高頻輸入阻抗R1值值為反饋

13、電阻為反饋電阻R的百分之一到千分之一之的百分之一到千分之一之間間電阻的引入，增加了一個新的極點，改電阻的引入，增加了一個新的極點，改變了反饋網(wǎng)絡(luò)的特性，只要阻值選的合變了反饋網(wǎng)絡(luò)的特性，只要阻值選的合適，可以保證微分電路穩(wěn)定的工作適，可以保證微分電路穩(wěn)定的工作l 加入加入C1后，使幅頻特性在沒有達(dá)到較高頻率時，就提前以后，使幅頻特性在沒有達(dá)到較高頻率時，就提前以-20dB/10倍程下降。有效地消除了自激和降低高頻噪聲倍程下降。有效地消除了自激和降低高頻噪聲 l 不過加入不過加入R1、C1后，將會引入一定的運算誤差，后，將會引入一定的運算誤差，R1、C1的的值越大，誤差也越大，因此在穩(wěn)定工作的前

14、提下，值越大，誤差也越大，因此在穩(wěn)定工作的前提下，R1、C1的值應(yīng)盡量小一些，且使的值應(yīng)盡量小一些，且使R1C=RC1在微分電路工作頻率比較低時，為了在微分電路工作頻率比較低時，為了更有效地抑制高頻噪聲，常在反饋電更有效地抑制高頻噪聲，常在反饋電阻阻R上并聯(lián)一個小上并聯(lián)一個小電容電容C1 微分電路實例微分電路實例三、三、PIDPID調(diào)節(jié)電路調(diào)節(jié)電路l PID調(diào)節(jié)電路又稱為調(diào)節(jié)電路又稱為PID調(diào)節(jié)器，是一種常用的控調(diào)節(jié)器，是一種常用的控制電路和補償校正裝置制電路和補償校正裝置由比例由比例(P, proportion)環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、微分(D, differential)環(huán)節(jié)及積分環(huán)節(jié)及積分(I,

15、 integral)環(huán)節(jié)構(gòu)成環(huán)節(jié)構(gòu)成l 這三種環(huán)節(jié)的不同組合又可構(gòu)成：這三種環(huán)節(jié)的不同組合又可構(gòu)成：比例積分比例積分(PI)、比例微分比例微分(PD)比例積分微分比例積分微分(PID)三種調(diào)節(jié)電路三種調(diào)節(jié)電路干擾參數(shù)X+-W X-WY Z+ZY對 象ASAR被調(diào)參數(shù)調(diào)節(jié)偏差調(diào) 節(jié) 器調(diào)節(jié)參數(shù)額定值PID電路實例電路實例第四節(jié)第四節(jié) 常用特征值運算電路常用特征值運算電路一、絕對值運算電路一、絕對值運算電路從電路上看，取絕對值就是對信號進(jìn)行全波或半波整流。UOoUi絕對值運算電路的傳輸特性絕對值運算電路的傳輸特性第四節(jié)第四節(jié) 常用特征值運算電路常用特征值運算電路一、絕對值運算電路一、絕對值運算電路

16、NUiUoUNRIoVD1VD3VD2VD4mARUiIo 絕對值實例絕對值實例第四節(jié)第四節(jié) 常用特征值運算電路常用特征值運算電路二、平均值運算電路二、平均值運算電路(低通濾波器實現(xiàn)低通濾波器實現(xiàn))三、峰值運算電路三、峰值運算電路l 檢測信號在某一周期內(nèi)峰值的電路檢測信號在某一周期內(nèi)峰值的電路l 由輸入信號自己控制，通?？捎刹蓸佑奢斎胄盘栕约嚎刂?，通?？捎刹蓸?保持電路實現(xiàn)保持電路實現(xiàn)l 當(dāng)輸入信號上升大于前次采樣的信號時，電路處于當(dāng)輸入信號上升大于前次采樣的信號時，電路處于采樣狀態(tài)，并跟蹤輸入信號采樣狀態(tài)，并跟蹤輸入信號l 當(dāng)輸入信號下降時，保持采樣值當(dāng)輸入信號下降時，保持采樣值l 其輸出為

17、一個采樣周期內(nèi)的峰值其輸出為一個采樣周期內(nèi)的峰值l 最簡單峰值運算電路最簡單峰值運算電路(峰值檢波器峰值檢波器)l 在輸入波形的最高點對電容充電在輸入波形的最高點對電容充電l 輸入信號降低時，二極管反向偏輸入信號降低時，二極管反向偏置，保持上一個峰值置，保持上一個峰值l 問題問題1、輸入波形的峰值期間輸入、輸入波形的峰值期間輸入阻抗變化，且阻抗很低阻抗變化，且阻抗很低2、二極管壓降使電路對約小、二極管壓降使電路對約小于于0.6V的峰值不敏感對大峰值的峰值不敏感對大峰值電壓不精確電壓不精確(一個二極管壓降一個二極管壓降)3、二極管壓降取決于環(huán)境溫度和電流、二極管壓降取決于環(huán)境溫度和電流4 電容漏電電容漏電l 利用反饋改善電路特性利用反饋改善電路特性從電容端引入反饋從電容端引入反饋二極管壓降不會導(dǎo)致任何問題二極管壓降不會導(dǎo)致任何問題l 消除二極管漏電消除二極管漏電end第四節(jié)第四節(jié) 常用特征值運算電