測(cè)控電路課件第五章

第五章信號(hào)運(yùn)算電路運(yùn)算放大器在各種測(cè)量線路中完成信號(hào)調(diào)理和運(yùn)算功能。在測(cè)控系統(tǒng)中包括各種運(yùn)算電路5.信號(hào)運(yùn)算電路線性運(yùn)算電路

乘除運(yùn)算電路微積分與PID運(yùn)算電路特征值運(yùn)算電路函數(shù)運(yùn)算電路獲得被測(cè)參數(shù)：和、差、積、積分、平均值、峰值、任意函數(shù)實(shí)現(xiàn)控制：PID誤差補(bǔ)償：非線性補(bǔ)償減小干擾影響：共模抑制，跟蹤濾波調(diào)制解調(diào)：乘法運(yùn)算信號(hào)運(yùn)算電路的功用靈精度高響應(yīng)快轉(zhuǎn)換靈活硬件運(yùn)算與軟件運(yùn)算硬件運(yùn)算：用硬件電路實(shí)現(xiàn)運(yùn)算。運(yùn)算速度快（實(shí)時(shí)性強(qiáng)），但運(yùn)算精度低

軟件運(yùn)算：用算式程序來(lái)實(shí)現(xiàn)?？蓪?shí)現(xiàn)各種復(fù)雜運(yùn)算，運(yùn)算精度高但需要CPU和A/D、D/A支持（成本高），耗CPU處理時(shí)間實(shí)時(shí)性差一些信號(hào)電平平移（如熱電偶）——加法、減法電路對(duì)信號(hào)壓縮或展寬——對(duì)數(shù)和指數(shù)電路信號(hào)延時(shí)、定時(shí)——微分和積分電路（充放電）對(duì)信號(hào)進(jìn)行PID控制——比例、積分和微分電路提取信號(hào)的某些特征值——各種特征值電路（瞬時(shí)值、峰值、絕對(duì)值、平均值……）各種算式運(yùn)算——乘法、乘方電路等運(yùn)算電路有哪些？5.1.1同相放大電路（一）ui+∞+-NuoR1R2R3特性：輸入阻抗高，有易受干擾的缺點(diǎn)。R1開路時(shí)，Kf=1,放大器構(gòu)成一個(gè)等幅、同相的電壓跟隨器。5.1比例運(yùn)算放大電路Kf≥1uoui+∞-+NR1R2R3反相放大電路5.1.2

反相放大電路當(dāng)R2=R1時(shí)，Kf=-1,電路構(gòu)成單位增益倒相器，一般用于阻抗匹配和倒相。uo+∞-+Nui1R1R2R4ui2R3ui1作用時(shí)電路的輸出uo1

ui2作用時(shí)電路的輸出uo2

5.1.3差分比例放大電路疊加原理或虛短虛斷基本差動(dòng)放大電路是反相放大電路與同相放大電路的組合5.1.3基本差動(dòng)放大電路取R2/R1=R4/R3

電路輸出與兩個(gè)輸入端電壓的差值成比例，實(shí)現(xiàn)了差分比例運(yùn)算。差分輸入電路可有效抑制共模干擾電壓的影響。

uo+∞-+Nui1R1R2R4ui2R35.2

加減法運(yùn)算電路5.2.1同相輸入加法運(yùn)算電路uoRui1ui2R3u+∞-++NR1RfR2u－5.2.2

反相輸入加法運(yùn)算電路Ruou－u+∞-++NRfifui1ui2R1Rnini1uini2R2獨(dú)立作用原理5.2.3

減法運(yùn)算電路（一）利用加法運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算ui1ui2uo1ui1、ui2均可擴(kuò)展反相加法U1U2減法（二）用單一運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算5.2.3

減法運(yùn)算電路Rf/R1=RP/R2=K

RpRfui1ui2R1uou-u+∞-++NR2ui1、ui2均可擴(kuò)展5.2.3加減混合運(yùn)算電路Riui1ui2R2uou+∞-++NRnRfR1uinu－ui-1ui-2R-1R-mui-mR-2獨(dú)立作用原理乘除運(yùn)算電路在參數(shù)計(jì)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(duì)數(shù)、指數(shù)運(yùn)算；(2)基于變跨導(dǎo)；(3)基于脈沖寬度、高度調(diào)制5.3

對(duì)數(shù)、指數(shù)和乘、除運(yùn)算電路uyuxuoxyKxyx,y輸入量，K增益V-1

屬于非線性運(yùn)算電路采用具有非線性特性的器件作為放大器的負(fù)反饋回路構(gòu)成二極管的電壓-電流特性晶體管的集電極電流-發(fā)射極電壓構(gòu)成的對(duì)數(shù)運(yùn)算電路。5.3

對(duì)數(shù)、指數(shù)和乘、除運(yùn)算電路5.3.1對(duì)數(shù)運(yùn)算電路5.3.1對(duì)數(shù)運(yùn)算電路

Is——PN結(jié)的反向飽和電流；UT——熱電壓；室溫時(shí)為26mV小信號(hào)時(shí)，利用二極管PN結(jié)的非線性，可實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)運(yùn)算。大信號(hào)時(shí)，二極管導(dǎo)通，起限幅作用，為限幅器。二極管特性方程只在ui>0時(shí)適用，如果ui<0時(shí)，必須將VD反接上面的電路實(shí)際應(yīng)用中還存在一些問(wèn)題，需做如下改進(jìn)1.失調(diào)補(bǔ)償：對(duì)輸入偏置電流和輸入失調(diào)電壓進(jìn)行補(bǔ)償2.溫度補(bǔ)償：選用對(duì)管補(bǔ)償Is,熱敏電阻補(bǔ)償U(kuò)T3.安全保護(hù)：為防止輸入電壓極性反向而導(dǎo)致PN結(jié)擊穿，輸出端增加反向限幅環(huán)節(jié)。4.校正環(huán)節(jié)：為保證閉環(huán)穩(wěn)定性，加RC校正環(huán)節(jié)實(shí)用電路中常常采用對(duì)管補(bǔ)償IS，熱敏電阻補(bǔ)償U(kuò)T利用BJT的發(fā)射結(jié)電壓與電流的關(guān)系虛地也可利用半導(dǎo)體三極管實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)運(yùn)算溫度補(bǔ)償對(duì)數(shù)運(yùn)算R1ui∞-++N1URuoiDR65kΩ1MΩ100kΩUCUDR4R3V1R21.5MΩR5i2∞-++N2t°V2RTR1ui∞-++N1URuoiDR65kΩ1MΩ100kΩUCUDR4R3V1R21.5MΩR5i2∞-++N2t°V2RT5.3.2指數(shù)運(yùn)算電路RfifiVuiuo∞-++N將反饋回路的非線性器件移到輸入端，而反饋環(huán)節(jié)采用電阻，可實(shí)現(xiàn)指數(shù)運(yùn)算R1ui∞-++N1uoR4200pFR5R3V1R2RTV2∞-++N2t°UR具有溫度補(bǔ)償?shù)某Ｓ弥笖?shù)運(yùn)算電路指數(shù)運(yùn)算溫度補(bǔ)償乘除運(yùn)算電路應(yīng)用廣泛參數(shù)計(jì)算調(diào)制解調(diào)濾波集成化應(yīng)用5.3.3

基于對(duì)數(shù)/指數(shù)的乘/除運(yùn)算電路乘法運(yùn)算電路(1)基于對(duì)數(shù)、指數(shù)運(yùn)算；(2)基于變跨導(dǎo)乘法運(yùn)算電路；(3)基于脈沖寬度、高度調(diào)制；(4)

模擬乘法器uyuxuoxyKxyx,y輸入量，K增益V-1

5.3.3.1

基于對(duì)數(shù)和指數(shù)運(yùn)算的乘法、除法運(yùn)算電路指數(shù)5.3.3.1

基于對(duì)數(shù)和指數(shù)運(yùn)算的乘法運(yùn)算電路對(duì)數(shù)uo3R2R3uo1uo2uoR1u1∞-++N1R2V1R1u2∞-++N2R2V2∞-++N3∞-++N4V3相加5.3.3.2基于對(duì)數(shù)和指數(shù)運(yùn)算的除法運(yùn)算電路指數(shù)uo3R2R3uo1uo2uoR1u1∞-++N1R2V1R1u2∞-++N2R2V2∞-++N3∞-++N4V3R2對(duì)數(shù)相減乘法器的應(yīng)用MC1496

—雙差分對(duì)模擬乘法器V1、V2、V5—模擬乘法器V3、V4、V6—模擬乘法器V7~V9、R5—電流源電路R5

、V7

、R1—電流源基準(zhǔn)V8、V9—提供0.5I05.3.4變跨導(dǎo)乘法運(yùn)算電路（集成模擬乘法器）RY—引入負(fù)反饋，擴(kuò)大uY

的線性動(dòng)態(tài)范圍其中，uX

<UT(26mV)增益系數(shù)一、平方運(yùn)算KXYXYuIuo集成模擬乘法器的應(yīng)用電路二、立方運(yùn)算三、模擬乘法器的主要應(yīng)用1.運(yùn)算：乘法、平方、除法、平方根等2.電路：壓控增益，調(diào)制、解調(diào)、倍頻、混頻等對(duì)數(shù)放大器是單極性的，因此對(duì)數(shù)乘法器和除法器也是單象限的。可以將輸入電壓Ux

和Uy分別與常數(shù)電壓UxC和UyC相加后再相乘，實(shí)現(xiàn)四象限相乘。5.3.3.3

四象限乘法運(yùn)算電路U0.5-1-1ExUy>0U1>0U20.5-1-1N1xyzxyzN3N2U-1-1-1+4oN4--+四象限單象限(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(shí)間變化的平均值：采用低通濾波或積分運(yùn)算電路。(3)某些低頻信號(hào)受高頻信號(hào)干擾：如存在電源或電磁干擾，可用低通濾波器進(jìn)行濾波。可用有源或RC濾波器實(shí)現(xiàn)。(4)某一交變參數(shù)的有效值：取絕對(duì)值后再平均的方法。5.4

特征值運(yùn)算電路5.4.1平均值運(yùn)算電路5.4

特征值運(yùn)算電路5.4.2絕對(duì)值運(yùn)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，不要濾波電容全波精密整流絕對(duì)值電路5.4

特征值運(yùn)算電路5.4.2絕對(duì)值運(yùn)算電路UImAURUoNoiNVD1VD4VD3VD2ui>0,VD2、VD3導(dǎo)通;ui<0,VD1、VD4導(dǎo)通5.4

特征值運(yùn)算電路5.4.3峰值運(yùn)算電路主要要求：(1)充電快(反映變化)；(2)放電慢(保持久)N1∞UiUoUCR2VD2SCR1VD1U1N1∞UR當(dāng)ui>uc時(shí)，VD2導(dǎo)通，VD1截止，電容進(jìn)行充電，跟蹤ui的峰值；當(dāng)ui<uc時(shí)，VD1導(dǎo)通，VD2截止，電容沒(méi)有放電回路，保持原有的電壓值*有專用的峰值電路芯片峰值運(yùn)算電路N1∞UiUoUCR2VD2SCR1VD1U1N1∞UR5.3.4最大、最小值選取電路5.3特征值運(yùn)算電路峰值運(yùn)算電路:輸出由單一變量在一段時(shí)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(gè)變量中最大或最小者確定。uR

擴(kuò)展電路對(duì)于輸入電壓適應(yīng)范圍。VD1R2u1∞-++N1u2u3uRVD3VD2R1R3R4uoVD1R2u1∞-++N1u2u3uRVD3VD2R1R3R4uo最大值選取電路最小值選取電路5.5微分積分運(yùn)算電路

5.5.1積分運(yùn)算電路主要用途：積分運(yùn)算、濾波、波形發(fā)生、控制等干擾參數(shù)X+++-WX-WYZ+ZY對(duì)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)額定值引入積分運(yùn)算后才能消除靜差5.5微分積分運(yùn)算電路

5.5.1積分運(yùn)算電路iCCRuiuo∞-++NR1i1基本

積分運(yùn)算電路在直流輸入情況下積分電容通常較大T1=RC，稱為積分常數(shù)，表明積分作用大小。T1越大，積分速度越慢，積分作用越弱。積分器的輸出與輸入信號(hào)存在的時(shí)間成正比，這一特點(diǎn)用于調(diào)節(jié)器時(shí)可構(gòu)成偏差積分調(diào)節(jié)器。優(yōu)點(diǎn)：積分器能消除純比例調(diào)節(jié)器固有的靜差。缺點(diǎn)：調(diào)節(jié)過(guò)程太長(zhǎng)。5.5微分積分運(yùn)算電路比例積分電路b)R1R1UiuouiOOttUiR2R2

5.5.1積分運(yùn)算電路∞-++NR1R1R2R2CCI1I1uiuoa)有利于提高調(diào)節(jié)速度比例積分5.5微分積分運(yùn)算電路5.5.2微分運(yùn)算電路a)基本微分電路b)實(shí)用微分電路可進(jìn)一步提高調(diào)節(jié)速度但無(wú)法克服靜差為減小干擾影響uiRCN∞uo++－uoR1RCC1N∞ui++－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(yù)先給定的理論值(或稱額定值W)

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