测控电路-第5章-信号运算电路课件.pptx

1、信号放大电路5.1 比例运算放大5.2 加法/减法运算5.3 对数、指数和乘、除运算5.4 常用特征值运算5.5 函数型运算电路 5.6 微分积分运算电路 信号运算电路5.1 比例运算放大5.2 加法/减法运算5.3 对数、指数和乘、除运算5.4 常用特征值运算5.5 函数型运算电路 5.6 微分积分运算电路 5.1.1 同相比例放大o2f11iuRKuR No1200PNPiNNIIuuuuuuRRiuRRu12o1，1=1时（开路），电压跟随器 fRK1p虚短、虚断p由此可得：p增益为：5.1.2 反相比例放大p闭环电压增益：p当Rf=R1时，Kf=-1，电路构成单位增益倒相器，一般用于阻

2、抗匹配和倒相421fRKR 2o1iRuRu2oi1=RuRu5.1.3 差分比例放大uo+-+Nui1R1R2R4ui2R3ui1作用时电路的输出作用时电路的输出uo1 i112o1uRRuui2作用时电路的输出作用时电路的输出uo2 i243412o21uRRRRRui243412i112o2o1o1uRRRRRuRRuuu1324RRRR2oi2i11o2i1i21=()fRuuuRuRKuuR 信号运算电路5.1 比例运算放大5.2 加法/减法运算5.3 对数、指数和乘、除运算5.4 常用特征值运算5.5 函数型运算电路 5.6 微分积分运算电路-0+-1221+1221(1)=(/)

3、(/)+/foiiRuuRuuuRRuRRuRRRRRR122101221(/)(/)(1)+/fiPiPoPPRuRRuRRuRRRRRRR12RR若112011/(1)(+)/foiiRRRuuuRRRR实现输入信号相加，实现输入信号相加，且输入输出同相且输入输出同相5.2.1 同相加法运算电路5.2.2 反相加法电路121()foiiRuuuR1212 ffoiiRRuuuRR12RR若12120+=iiofuuuRRR5.2.3 减法运算电路12312312312=(1)/oooofffiiiuuuuRRRRuuuRRRRRR111222 foifoiRuuRRuuR33312(1)/

4、foiRRuuRRRR信号运算电路5.1 比例运算放大5.2 加法/减法运算5.3 对数、指数和乘、除运算5.4 常用特征值运算5.5 函数型运算电路 5.6 微分积分运算电路 5.3.1 对数运算电路VDiDR1uiuo-+Ni111iDuiiR Is PN结的反向饱和电流；UT 热电压，；k 玻耳兹曼常数；q 电子的电荷量。ioDTs1lnuuuUI R 小信号时PN结具有对数特性DDTTD(e1)essuuUUiII二极管特性方程：p实用电路需要进行失调和温度补偿R1ui-+N1URuoiDR65k1M100kUCUDR4R3V1R21.5MR5i2-+N2tV2RT5.3.1 对数运算

5、电路5.3.2 指数运算电路p指数与对数互为逆运算，在电路结构上也存在对偶性。将反馈回路的非线性器件移到输入端，而反馈环节采用电阻，则可实现指数运算RfifiVuiuo-+NBEiTTfsseeuuUUiiII TifsoeUuRIup具有温度补偿的指数运算电路R1ui-+N1uoR4200pFR5R3V1R2RTV2-+N2tUR5.3.2 指数运算电路1s222olnTRIuuUo3s1s2s3sT13=s33os3312o12=2s1 s21s1euIIIIURRRI RuI Ru uuu uI I RI R 指数指数对数对数uo3R2R3uo1uo2uoR1u1-+N1R2V1R1u2

6、-+N2R2V2-+N3-+N4V31s111olnTRIuuU21s2s121To21o3olnRIIuuUuuu相加相加5.3.3 基于对数/指数运算的乘法/除法运算电路p基于对数和指数运算的乘法运算电路 1s222olnTRIuuU指数指数uo3R2R3uo1uo2uoR1u1-+N1R2V1R1u2-+N2R2V2-+N3-+N4V3R21s111olnTRIuuU21To12oo3lnuuUuuuo3T1o3 ss32euUuuR II Ru 对数对数相减相减p基于对数和指数运算的除法运算电路5.3.3 基于对数/指数运算的乘法/除法运算电路p四象限乘法运算电路5.3.3 基于对数/

7、指数运算的乘法/除法运算电路o4()()4xyxyxyUE UEUUUUUEEEU0.50.5-1-1-1-1ExUy0U10U20.50.5-1-1-1-1N1xyzxyzN3N2U-1-1-1-1-1-1+4+4oN4-+5.3.4 变跨导乘法运算电路co0T2xyR u uuR UocxugR u00/yiuR0T2igU对数指数式与变跨导式乘法运算电路都依赖有源器件特性，并有一系列近似和干扰因素，精度低。RcR0V1V2V3ux+EcRcuyuoi0信号运算电路5.1 比例运算放大5.2 加法/减法运算5.3 对数、指数和乘、除运算5.4 常用特征值运算5.5 函数型运算电路 5.6

8、微分积分运算电路 5.4.1 绝对值运算电路RuIio|UOoUiNUiUoUNRIoVD1VD3VD2VD4mA5.4.2 峰值运算电路p峰值检测电路：检测信号某一周期内峰值的电路 当输入信号上升大于前次采样信号时，电路工作于采样状态并且跟踪信号 当信号下降时，保持采样值 输出为一个采样周期内的峰值5.4.3 平均值运算电路p求若干参数的平均值求和取平均p求参数在一段时间变化内的平均值时间平均，积分p低频信号收高频信号的干扰低通滤波器p参数变化的有效值取绝对值，在平均（低通滤波）信号运算电路5.1 比例运算放大5.2 加法/减法运算5.3 对数、指数和乘、除运算5.4 常用特征值运算5.5

9、函数型运算电路 5.6 微分积分运算电路 5.5 函数运算电路R3R2R6-URui+URuoVD2C-+NR5R4R1RfVD1VD3VD4VD5VD6ABOABCDABCDuoui转折点：由钳位控制，按此计算电阻比斜率：由电阻决定，按此计算电阻值用途：函数运算线性化(1)折线逼近电路foi()uf uu (2)反函数运算电路if0uuRR1oi()ufuRuiRuo-+Nuff(x)-uf=f(uo)-5.5 函数运算电路信号运算电路5.1 比例运算放大5.2 加法/减法运算5.3 对数、指数和乘、除运算5.4 常用特征值运算5.5 函数型运算电路 5.6 微分积分运算电路 5.6.1 常

10、用积分电路p积分运算电路主要用途：积分运算、滤波、波形发生、控制等干扰参数干扰参数X+-W X-WY Z+ZY对对 象象ASAR被调参数被调参数调节偏差调节偏差调调 节节 器器调节参数调节参数额定值额定值 引入积分运算后才能消除静差反相积分器/米勒积分器1o001()diCtCuiiRQuittQCC oi00io01()d1(s)=stooQuu ttUCRCUutURCHRC 当输入电压为常量时：传递函数：存储在电容器中的初始电荷存储在电容器中的初始电荷iCCRuiuo-+NR1i1比例积分电路20111toiiRuuu dtRRC 211(0),1iiouuU tRuUUtRRC 为阶跃

11、信号，其输出为：5.6.2 常用微分电路tuRCuiodd00()1,()H sRCssjRCjH j 令并引入归一化频率：表示为归一化形式：0ddoiRutuC引入90的相位滞后，容易引起自激振荡a)基本微分电路基本微分电路uiRCNuo+微分时间常数微分时间常数TD=RC5.6.3 PID运算电路 PID控制器是一种线性控制器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)(反馈量)的偏差e(t)的比例P、积分I和微分D进行线性组合，形成控制量u(t)输出，如图所示。)()()(tctrteR1uiCDR2R5R7CmuoPPDPIR6CIRPIRPD-+N1-+N3-+N2RRPR3R4积分：消

12、除静差、抑制干扰比例：提高调节灵敏度、减小静差、减小滞后微分：进一步减小滞后、加快调节速度PID调节器串联实现电路5.6.3 PID运算电路5.7 过程调节器电路分析30k外给定指示S6S427k390k390k470k30k升软手动操作电路34内给外给S6外给定420mA输入15VURUi4500kS7500k500k电平移动电路正反作用R1R2R3R4R6_+N1+IRRRUTUF500k500k500k输入指示S5R给定指示RP2S5指示单元500k500k500k500k500k560内给定15V1kUSRPs标定_+N5+_+N6+P2P1RP1910220VS6VUB=10V3V9

13、1020k2130kRHRF降_+N4+Uo32k40k40k2.4k负载3CG21R7R8R9UF4Uf3DG27C24VRfIo62.510k10kR1010k输出电路UT4UB=10VRPI硬手动操作电路101k9.1kUo2CM62k15M3.910kS110F比例微分电路比例积分电路_+N3+RPP3PDPIUT3UF31S3211kCI132S2VD VRP424V测量_+N1+1kRP39.1kCMUT2UF225kUo1470k30k5.7.1 电平移动电路内给内给外给外给S6外给定外给定420mA输入输入15VURUi4500kS7500k正反正反作用作用R1R2R3R4R5

14、R6_+N1+IRRRUFU+Uo125k满足放大器的共模电压范围的要求满足放大器的共模电压范围的要求 US500k接软手动操作电路接软手动操作电路5.7.2 PD运算电路先不考虑由软手动操作电路的输入，并考虑到N2的输入可等效为由软手动操作电路由软手动操作电路Uo262k15M3.910k_N2+RPPUF2Uo1+UT21kRP3CD9.1k1Uo1UT2RP3CDUo1/nP3o1T2o1P3D()1()()1RUsnUsUsnnRC sP3Do1P3D11()1nR C sUsnR C s5.7.2 PD运算电路由软手动操作电路由软手动操作电路Uo262k15M3.910k_N2+RP

15、PUF2Uo1+UT21kRP3CD9.1k1RP3-调整微分时间常数调整微分时间常数RPP-调整增益调整增益 P3DT2o1P3D11()()1nR C sUsUsnR C s)(1)(o2F2sUsU)()(T2F2sUsUDP3DTnR CDo2o1DD1()()1T sUsUsTnsKDKn)(11)()(1oD3PD3PT2osUsCRsCnRnsUsU5.7.3 PI运算S1、S2:1-自动测量自动测量 2-软手动，通过软手动，通过S4改变改变充充电时间常数电时间常数 3-硬硬手动，强行快速充电手动，强行快速充电S3：改变增益：改变增益S1、S2在1即自动测量位置，S3在增益为10

16、位置。电路简化为：CM1 0 F_+N3+UT3UF3CIRP4Uo3UBUo2o2UmIo3o2MP4I1()1()CUsUsCmR C s 1kCMS11 0 F_+N3+3UT3UF31S3211kCI132S2VDVRP41024V2.4k9.1kUo2Uo3Uo25.7.4 调节器的传递函数Uo2Uo3Uo1Ui+USDDD11KsTsTn2IDMDP4I11()21CT sH sCnT smR C sIMP4I11CCmR C s5.7.5 输出电路_+N4+Uo32k40k40k负载负载3CG21R7R8R9UF4Uf3DG27C24VRfIo62.510k10kR1010k输出电路输出电路UT4UB=10V*感谢聆听*本章结束测控电路教材编写组