測控電路第五章-信號運算電路(N)

1、獲得被測參數(shù)：和、差、積、積分、平均值、峰值、任意函數(shù)實現(xiàn)控制：PID誤差補償：非線性補償減小干擾影響：共模抑制，跟蹤濾波調(diào)制解調(diào)：乘法運算數(shù)字運算和模擬運算模擬運算：快、設(shè)備簡單數(shù)字運算：功能強、精度高信號運算電路的功用靈第一頁，共四十六頁。5. 信號運算電路線性運算電路 乘除運算電路微積分與PID運算電路特征值運算電路函數(shù)運算電路9/14/2022第二頁，共四十六頁。5.1 線性運算電路5.1.1 加法運算電路Ruouu+-+NRfifui1ui2R1Rnini1uini2R2獨立作用原理Rui1ui2R2uou+-+NRnRpRfR1uinu9/14/2022第三頁，共四十六頁。5.1.

2、2 減法運算電路（一）利用加法運算電路實現(xiàn)減法運算5.1 線性運算電路ui1ui2uo1ui1、ui2均可擴展9/14/2022第四頁，共四十六頁。（二）用單一運算放大器實現(xiàn)減法運算5.1 線性運算電路5.1.2 減法運算電路Rf/R1= R/R2=K RRfui1ui2R1uou-u+-+NR29/14/2022第五頁，共四十六頁。5.1 線性運算電路5.1.3 加減混合運算電路Rui1ui2R2uou+-+NRnRfR1uinuui-1ui-2R-1R-mui-mR-2獨立作用原理第六頁，共四十六頁。乘除運算電路在參數(shù)計算、調(diào)制解調(diào)、濾波等中具有廣泛應(yīng)用，已集成化.(1) 基于對數(shù)、指數(shù)運

3、算；(2) 基于變跨導；(3) 基于脈沖寬度、高度調(diào)制5.2 乘除運算電路uyuxuoxyKxyx, y輸入量， K增益V-1 第七頁，共四十六頁。5.2 乘除運算電路5.2.1 對數(shù)運算電路VDiDR1uiuo-+Ni1 Is PN結(jié)的反向飽和電流；UT 熱電壓，；k 玻耳茲曼常數(shù)；q 電子的電荷量。小信號時PN結(jié)具有對數(shù)特性第八頁，共四十六頁。實用電路需要進行失調(diào)和溫度補償5.2 乘除運算電路5.2.1 對數(shù)運算電路R1ui-+N1URuoiDR65k1M100kUCUDR4R3V1R21.5MR5i2-+N2tV2RT第九頁，共四十六頁。5.2 乘除運算電路5.2.1 對數(shù)運算電路第十頁

4、，共四十六頁。5.2.2 指數(shù)運算電路5.2 乘除運算電路RfifiVuiuo-+N第十一頁，共四十六頁。5.2 乘除運算電路5.2.2 指數(shù)運算電路R1ui-+N1uoR4200pFR5R3V1R2RTV2-+N2tUR第十二頁，共四十六頁。5.2 乘除運算電路5.2.2 指數(shù)運算電路第十三頁，共四十六頁。5.2 乘除運算電路指數(shù)5.2.3 基于對數(shù)和指數(shù)運算的乘法運算電路對數(shù)uo3R2R3uo1uo2uoR1u1-+N1R2V1R1u2-+N2R2V2-+N3-+N4V3相加第十四頁，共四十六頁。5.2 乘除運算電路5.2.4 基于對數(shù)和指數(shù)運算的除法運算電路指數(shù)uo3R2R3uo1uo2

5、uoR1u1-+N1R2V1R1u2-+N2R2V2-+N3-+N4V3R2對數(shù)相減第十五頁，共四十六頁。對數(shù)放大器是單極性的，因此對數(shù)乘法器和除法器也是單象限的?？梢詫⑤斎腚妷篣x 和Uy分別與常數(shù)電壓UxC和UyC相加后再相乘，實現(xiàn)四象限相乘。5.2 乘除運算電路5.2.5 四象限乘法運算電路U0.5-1-1ExUy0U10U20.5-1-1N1xyzxyzN3N2U-1-1-1+4oN4-+第十六頁，共四十六頁。5.2 乘除運算電路5.2.6 基于乘法器的除法運算電路UUUoyxKxyxyN2N1第十七頁，共四十六頁。5.2 乘除運算電路5.2.7 基于變跨導的乘法運算電路對數(shù)指數(shù)式與變

6、跨導式乘法運算電路都依賴有源器件特性，并有一系列近似和干擾因素，精度低。RcR0V1V2V3ux+EcRcuyuoi0第十八頁，共四十六頁。 1、若干參數(shù)的平均值 用求和方法求取平均值。 2、某一參數(shù)在一定時間變化的平均值 采用低通濾波或積分運算電路。 5.3 特征值運算電路5.3.1 平均值運算電路第十九頁，共四十六頁。5.3 特征值運算電路5.3.2 絕對值運算電路采用精密全波檢波電路+ us 半波整流器低通濾波器+i1R4uoR1R2R3VD1VD2+ u i-+N1-+N2+uA+A3R必須全波檢波電路，不加濾波電容。第二十頁，共四十六頁。5.3 特征值運算電路5.3.2 絕對值運算電

7、路UImAURUoNoiNVD1VD4VD3VD2第二十一頁，共四十六頁。5.3 特征值運算電路5.3.3 峰值運算電路VD1R1VD2uiR2VCuRuo-+N1GSD-+N2主要要求：(1)充電快(反映變化)； (2)放電慢(保持久)第二十二頁，共四十六頁。5.3.4 最大、最小值選取電路5.3 特征值運算電路峰值運算電路: 輸出由單一變量在一段時間內(nèi)最大或最小值確定。最大、最小值選取電路：輸出由多個變量中最大或最小者確定。uR 擴展電路對于輸入電壓適應(yīng)范圍。VD1R2u1-+N1u2u3uRVD3VD2R1R3R4uoVD1R2u1-+N1u2u3uRVD3VD2R1R3R4uo最大值選

8、取電路最小值選取電路第二十三頁，共四十六頁。5.4 函數(shù)運算電路R3R2R6-URui+URuoVD2C-+NR5R4R1RfVD1VD3VD4VD5VD6ABOABCDABCDuoui轉(zhuǎn)折點：由鉗位控制，按此計算電阻比斜率：由電阻決定，按此計算電阻值用途： 函數(shù)運算線性化(1) 折線逼近電路第二十四頁，共四十六頁。5.4 函數(shù)運算電路(2)反函數(shù)運算電路RuiRuo-+Nuff(x)-uf= f(uo)-第二十五頁，共四十六頁。5.5 微分積分運算電路 5.5.1 積分運算電路 主要用途：積分運算、濾波、波形發(fā)生、控制等干擾參數(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)

9、 器調(diào)節(jié)參數(shù)額定值 引入積分運算后才能消除靜差9/14/2022第二十六頁，共四十六頁。5.5 微分積分運算電路 5.5.1 積分運算電路iCCRuiuo-+NR1i1基本 積分運算電路在直流輸入情況下積分電容通常較大第二十七頁，共四十六頁。5.5 微分積分運算電路增量積分電路（比例積分電路）b)R1R1UiuouiOOttUiR2R2 5.5.1 積分運算電路-+NR1R1R2R2CCI1I1uiuoa)有利于提高調(diào)節(jié)速度9/14/2022第二十八頁，共四十六頁。5.5 微分積分運算電路5.5.2 微分運算電路a)基本微分電路b)實用微分電路可進一步提高調(diào)節(jié)速度為減小干擾影響uiRCNuo+

10、uoR1RCC1Nui+微分電容通常較小9/14/2022第二十九頁，共四十六頁。PID(比例積分微分)電路又稱為PID調(diào)節(jié)器，是一種常見的控制電路。調(diào)節(jié)器的任務(wù)是將一定的物理量(被調(diào)節(jié)參數(shù)X )調(diào)節(jié)到預先給定的理論值(或稱額定值W ) ，并克服干擾的影響保持這一值。 5.5 微分積分運算電路5.5.3 PID電路9/14/2022第三十頁，共四十六頁。5.5.3 PID電路5.5 微分積分運算電路干擾參數(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)額定值積分：消除靜差、抑制干擾比例：提高調(diào)節(jié)靈敏度、減小靜差、減小滯后微分：進一步減小滯后、加快調(diào)節(jié)速度9/14/

11、2022第三十一頁，共四十六頁。5.5 微分積分運算電路5.5.3 PID電路R2R4R3RRRIRR1R1R2RRDCDRR5RuiuoR-+N4-+N5-+N3CI-+N2-+N1RP比例積分微分P、I、D并聯(lián)第三十二頁，共四十六頁。5.5 微分積分運算電路R2R1R1R2RDCD-+N5-+N3uiu3uf5.5.3 PID電路第三十三頁，共四十六頁。5.5 微分積分運算電路R1uiCDR2R5R7CmuoPPDPIR6CIRPIRPD-+N1-+N3-+N2RRPR3R45.5.3 PID電路P、I、D串聯(lián)：各級誤差累積，要求各級 精度要高。第三十四頁，共四十六頁。5.5 微分積分運算

12、電路5.5.4 工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器 （一）總電路30k外給定指示S6S427k390k390k470k30k升軟手動操作電路34內(nèi)給外給S6外給定420mA輸入15VURUi4500kS7500k500k電平移動電路正反作用R1R2R3R4R6_+N1+IRRRUTUF500k500k500k輸入指示S5R給定指示RP2S5指示單元500k500k500k500k500k560內(nèi)給定15V1kUSRPs標定_+N5+_+N6+P2P1RP1910220VS6VUB=10V3V91020k2130kRHRF降_+N4+Uo32k40k40k2.4k負載3CG21R7R8R9UF4Uf3DG27C

13、24VRfIo62.510k10kR1010k輸出電路UT4UB=10VRPI硬手動操作電路101k9.1kUo2CM62k15M3.910kS110F比例微分電路比例積分電路_+N3+RPP3PDPIUT3UF31S3211kCI132S2VDVRP424V測量_+N1+1kRP39.1kCMUT2UF225kUo1470k30k第三十五頁，共四十六頁。5.5 微分積分運算電路5.5.4 工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器 500k500k500k輸入指示給定指示RP2S5S5指示單元500k500k500k500k500k560內(nèi)給定15V1kUSRPs_+N5+P1RP1910220VS6VUB=10V

14、調(diào)整3V910S6Ui測量輸入標定P2_+N5+調(diào)靈敏度調(diào)靈敏度UR內(nèi)外給定按3V標定測量給定差動放大器 差動放大器 先通過標定調(diào)靈敏度（二）指示電路第三十六頁，共四十六頁。5.5 微分積分運算電路5.5.4 工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器 （三）電平移動電路內(nèi)給外給S6外給定420mA輸入15VURUi4500kS7500k正反作用R1R2R3R4R5R6_+N1+IRRRUFU+Uo125k滿足放大器的共模電壓范圍的要求 US500k接軟手動操作電路第三十七頁，共四十六頁。5.5 微分積分運算電路5.5.4 工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器 （三）電平移動電路b）反相端輸入R5UFR2R3_+N1+R1R4US_+

15、N1+UBR6Ui0.5Uo1+UBa）同相端輸入UT獨立作用原理 滿足放大器的共模電壓范圍的要求 第三十八頁，共四十六頁。5.5 微分積分運算電路5.5.4 工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器 S1、S2: 1-自動測量 2-軟手動，通過S4改變充電時間常數(shù) 3-硬手動，強行快速充電S3：改變增益RP3-調(diào)整微分時間常數(shù)RPP-調(diào)整增益RP4-調(diào)整積分時間常數(shù)RP1-調(diào)整快速充電時間常數(shù) 1kUo19.1kUo2CM62k15M3.910kS110F比例微分電路比例積分電路_+N3+_+N2+RPP3PDPIUT2UT3UF31kRP31S3211kCI132S2VDVRP4UF2CD30k1030kS42

16、7k390k390k470k軟手動操作電路42130kRHRF降24V24VUB=10V3470k30kRP12.4k升9.1k20k（四）PID運算電路第三十九頁，共四十六頁。5.5 微分積分運算電路5.5.4 工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器 先不考慮由軟手動操作電路的輸入，并考慮到N2的輸入可等效為由軟手動操作電路Uo262k15M3.910k_N2+RPPUF2Uo1+UT21kRP3CD9.1kUo1UT2RP3CDUo1/n(五）PD運算電路第四十頁，共四十六頁。5.5 微分積分運算電路5.5.4 工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器 （五）PD運算電路RP3-調(diào)整微分時間常數(shù)RPP-調(diào)整增益 由軟手動操作電路由

17、軟手動操作電路Uo262k15M3.910k_N2+RPPUF2Uo1+UT21kRP3CD9.1k)(11)()(1oD3PD3PT2osUsCRsCnRnsUsU+=aa第四十一頁，共四十六頁。5.5 微分積分運算電路5.5.4 工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器 （六）PI運算電路S1、S2: 1-自動測量 2-軟手動，通過S4改變充電時間常數(shù) 3-硬手動，強行快速充電S3：改變增益S1、S2在1即自動測量位置，S3在增益為10位置。電路簡化為CM10F_+N3+UT3UF3CIRP4Uo3UBUo21kCMS110F_+N3+3UT3UF31S3211kCI132S2VDVRP41024V2.4k9.

18、1kUo2Uo3Uo2第四十二頁，共四十六頁。在研究傳遞函數(shù)時只考慮輸入量的影響5.5 微分積分運算電路5.5.4 工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器 （七）總傳遞函數(shù)Uo2Uo3Uo1Ui+US2第四十三頁，共四十六頁。5.5 微分積分運算電路5.5.4 工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器 （八）軟手動操作電路24V30kS427k390k390k470k421降3470k30k升20kS1-2UO1只有在S1接到位置2，即S1-2時軟手動操作電路才工作。根據(jù)S4的位置不同，24V電壓以不同電流向積分電容CM快速充電，使輸出快速進入工作狀態(tài)。Uo1也直接向CM充電，進行積分。第四十四頁，共四十六頁。5.5 微分積分運算電路5.5.4 工業(yè)生產(chǎn)過程調(diào)節(jié)器 （八）軟手動操作電路30kS427k390k390k470k30k升軟手動操作電路344500kS7500k500k電平移動電路正反作用R1R4R6_