測控電路（第7版）課件：信號運算電路

信號放大電路6.1比例運算放大6.2加法/減法運算6.3對數(shù)、指數(shù)和乘、除運算6.4常用特征值運算6.5函數(shù)型運算電路6.6微分積分運算電路本章知識點比例加減法運算電路乘除法對數(shù)運算電路微分積分運算電路特征值提取運算電路PID調(diào)節(jié)器運算電路6.1比例運算放大電路6.1.1同相比例放大電路6.1.2反相比例放大電路6.1.3差分比例放大電路6.1.1同相比例放大電路同相比例放大電路6.1.2反相比例放大電路反相比例放大電路6.1.3差分比例放大電路差分比例放大電路uo∞-+Nui1R1R2R4ui2R36.2加法/減法運算電路6.2.1同相加法運算電路6.2.2反相加法運算電路6.2.3減法運算電路6.2.1同相加法運算電路疊加定理實現(xiàn)輸入信號相加，且輸入輸出同相，系數(shù)調(diào)整不易6.2.2反相加法電路實現(xiàn)輸入信號相加，且輸入輸出反相，系數(shù)單獨可調(diào)，輸入阻抗低6.2.2反相加法電路6.2.3減法運算電路差分放大電路實現(xiàn)減法運算uo∞-+Nui1R1R2R4ui2R36.2.3減法運算電路利用加法運算電路實現(xiàn)減法運算ui1ui2uo1-ui26.2.3減法運算電路6.3對數(shù)、指數(shù)和乘、除運算電路6.3.1對數(shù)運算電路6.3.2指數(shù)運算電路6.3.3基于對數(shù)/指數(shù)運算的乘法/除法運算電路6.3.4變跨導乘法運算電路6.3.5乘方和開方運算電路6.3.6.集成乘法運算電路在自然界，人們的聽覺和視覺都是對數(shù)特性的，光經(jīng)過介質(zhì)的衰減也是對數(shù)特性的，阻容電路的充、放電的過程是指數(shù)特性的。利用對數(shù)運算電路對信號進行壓縮處理，以提高系統(tǒng)處理信號的動態(tài)范圍；或利用指數(shù)運算電路對信號進行展寬處理，以提高系統(tǒng)檢測信號的靈敏度。對數(shù)、指數(shù)運算電路屬于非線性運算電路，通常采用具有非線性特性的器件作為放大器的負反饋回路構成。利用二極管的電壓-電流特性晶體管的集電極電流-發(fā)射極電壓構成的對數(shù)關系6.3.1對數(shù)運算電路6.3.1對數(shù)運算電路當工作于小信號時，利用二極管PN結的非線性特性，可實現(xiàn)對數(shù)運算VDiDR1uiuo∞-++Ni1二極管特性方程：運放輸出電壓：虛斷、虛斷：實用電路需要進行失調(diào)和溫度補償R1ui∞-++N1URuoiDR65kΩ1MΩ100kΩUCUDR4R3V1R21.5MΩR5i2∞-++N2t°V2RT6.3.1對數(shù)運算電路6.3.2指數(shù)運算電路指數(shù)與對數(shù)互為逆運算，在電路結構上也存在對偶性。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，則可實現(xiàn)指數(shù)運算RfifiVuiuo∞-++N虛斷、虛斷：三極管輸入特性：運放輸出電壓：具有溫度補償?shù)闹笖?shù)運算電路R1ui∞-++N1uoR4200pFR5R3V1R2RTV2∞-++N2t°UR6.3.2指數(shù)運算電路6.3.3基于對數(shù)/指數(shù)運算的乘法/除法運算電路基于對數(shù)和指數(shù)運算的乘法運算電路：對數(shù)+加法+指數(shù)基于對數(shù)和指數(shù)運算的乘法運算電路：對數(shù)+減法+指數(shù)指數(shù)對數(shù)uo3R2R3uo1uo2uoR1u1∞-++N1R2V1R1u2∞-++N2R2V2∞-++N3∞-++N4V3相加基于對數(shù)和指數(shù)運算的乘法運算電路

指數(shù)uo3R2R3uo1uo2uoR1u1∞-++N1R2V1R1u2∞-++N2R2V2∞-++N3∞-++N4V3R2對數(shù)相減基于對數(shù)和指數(shù)運算的除法運算電路四象限乘法運算電路U0.5-1-1ExUy>0U1>0U20.5-1-1N1xyzxyzN3N2U-1-1-1+4oN4--+6.3.4變跨導乘法運算電路對數(shù)－指數(shù)式與變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利用對數(shù)放大器和指數(shù)放大器構成的乘方和開方電路6.3.5乘方和開方運算電路N1的輸出電壓為則：令：則上式簡化成：6.3.6集成乘法運算電路MYP634是AD公司設計的高精度四象限模擬乘法器傳遞函數(shù)為

MYP634模擬乘法器運算電路MYP634是AD公司設計的高精度四象限模擬乘法器，其激光調(diào)整的精度可以達到0.5%，輸入信號范圍可達到10V，帶寬為10MHz,可應用于精密模擬信號處理，信號調(diào)制解調(diào)，電壓控制放大器，視頻信號處理，以及電壓控制濾波器和振蕩器?；境朔ㄟ\算電路將MPY634連接成除法運算電路，其高阻輸入端X和Z端，作為輸入信號端，Y端作為反饋端。其運算函數(shù)為：除法運算精度可以在1.0%~2.5%之間，帶寬由分母X決定。輸出Y可以直接接入輸出端，作為求和運算。

6.3.6集成乘法運算電路基本除法運算電路

6.3.6集成乘法運算電路6.4常用特征值運算電路6.4.1絕對值運算電路6.5.2峰值檢測電路 6.5.3平均值運算電路6.4.1絕對值運算電路UOoUiN∞UiUoUNRIoVD1VD3VD2VD4mA6.4.2峰值運算電路峰值檢測電路：檢測信號某一周期內(nèi)峰值的電路當輸入信號上升大于前次采樣信號時，電路工作于采樣狀態(tài)并且跟蹤信號當信號下降時，保持采樣值輸出為一個采樣周期內(nèi)的峰值6.4.3平均值運算電路求若干參數(shù)的平均值——求和取平均求參數(shù)在一段時間變化內(nèi)的平均值——時間平均，積分低頻信號收高頻信號的干擾——低通濾波器參數(shù)變化的有效值——取絕對值，在平均（低通濾波）6.5函數(shù)性運算電路6.5函數(shù)運算電路R3R2R6-URui+URuoVD2C∞-++NR5R4R1RfVD1VD3VD4VD5VD6ABOABCDA’B’C’D’uoui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(2)反函數(shù)運算電路RuiRuo∞-++Nuff(x)-uf=f(uo)-6.5函數(shù)運算電路6.6微分積分運算電路6.6.1常用積分電路 6.6.2常用微分電路6.6.3PID運算電路6.6.1常用積分電路積分電路：運放的輸出與輸入的積分成比例的運算電路由于電容兩端的電壓是其輸入電流的積分函數(shù)，因而可將運放的負反饋回路用電容實現(xiàn)，即可得到積分運算電路積分運算電路主要用途：積分運算、濾波、波形發(fā)生、控制等CRuiuo∞-++NR1iCiR若uo(0)=0，ui常數(shù)0tuI0tuo反相積分電路反相積分電路缺點：該積分器的輸出漂移不定，直至飽和在接近某一電源電壓值，即便在ui接地時也是如此，這是由于運算放大器的輸入失調(diào)誤差引起的。0tUOS0tuoUOM比例積分電路比例調(diào)節(jié)積分作用作為調(diào)節(jié)器運算電路時，其輸出存在偏差時，調(diào)節(jié)器輸出有一比例輸出-R2ui/R1，接著在其上疊加一個與時間成比例的項-uit/R1C。表明當輸入ui時，先有一比例輸出，對參數(shù)進行調(diào)節(jié)，當t=T1時，積分器輸出一個等于輸入偏差的比例項，對偏差進一步調(diào)節(jié)6.6.2常用微分電路iCiRa)基本微分電路uiRCN∞uo++－微分電路應用若輸入為正弦：若輸入為矩形波微分運算電路:只反映輸入信號的變化速度，輸入信號無變化時，其輸出為06.6.3PID運算電路

PID控制器是一種線性控制器，它將給定值r(t)與實際輸出值c(t)(反饋量)的偏差e(t)

的比例P、積分I和微分D進行線性組合，形成控制量u(t)輸出，如圖所示。R1uiCDR2R5R7CmuoPPDPIR6CIRPIRPD∞-++N1∞-++N3∞-++N2RRPR3R4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PID調(diào)節(jié)器串聯(lián)實現(xiàn)電路6.6.3PID運算電路6.7過程調(diào)節(jié)器電路分析6.7.1電平移動電路 6.7.2PD運算電路6.7.3PI運算電路6.7.4調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)6.7.5輸出電路6.7過程調(diào)節(jié)器電路分析30kΩ外給定指示S6S427kΩ390kΩ390kΩ470kΩ30kΩ升軟手動操作電路34內(nèi)給外給S6外給定4~20mA輸入1~5VURUi4×500kΩS7500kΩ500kΩ電平移動電路正反作用R1R2R3R4R6∞_+N1+IRRRUTUF500kΩ500kΩ500kΩ輸入指示S5R給定指示RP2S5指示單元500kΩ500kΩ500kΩ500kΩ500kΩ560Ω內(nèi)給定1~5V1kΩUSRPs標定∞_+N5+∞_+N6+P2P1RP1910Ω220ΩVS6VUB=10V3V910Ω20kΩ2130kΩRHRF降∞_+N4+Uo32kΩ40kΩ40kΩ2.4kΩ負載3CG21R7R8R9UF4Uf3DG27C24VRfIo62.5Ω10kΩ10kΩR1010kΩ輸出電路UT4UB=10VRPI硬手動操作電路×101kΩ9.1kΩUo2CM62kΩ~15MΩ3.9~10kΩS110μF比例微分電路比例積分電路∞_+N3+RPP3PDPIUT3UF3×1S3211kΩCI 132S2VDVRP424V測量∞_+N1+1kΩRP39.1kΩCMUT2UF22×5kΩUo1470kΩ30kΩ6.7.1電平移動電路內(nèi)給外給S6外給定4~20mA輸入1~5VURUi4×500kΩS7500kΩ正反作用R1R2R3R4R5R6∞_+N1+IRRRUFU+Uo12×5kΩ滿足放大器的共模電壓范圍的要求US500kΩ接軟手動操作電路6.7.2PD運算電路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Uo262kΩ~15MΩ3.9~10kΩ∞_N2+RPPUF2Uo1+UT21kΩRP3CD 9.1kΩUo1UT2RP3CD Uo1/n6.7.2PD運算電路由軟手動操作電路Uo262kΩ~15MΩ3.9~10kΩ∞_N2+RPPUF2Uo1+UT21kΩRP3CD 9.1kΩRP3-調(diào)整微分時間常數(shù)RPP-調(diào)整增益)(11