信号的运算与处理电路课件.ppt

1、电子技术电子技术 第八章 信号运算与处理模拟电路部分模拟电路部分第八章第八章 信号的运算与处理电路信号的运算与处理电路 8.1 8.1 理想运放及其基本组态理想运放及其基本组态 8.3 8.3 对数和反对数运算电路对数和反对数运算电路 8.4 8.4 模拟乘法器模拟乘法器 8.5 8.5 有源滤波器有源滤波器 8.2 8.2 基本运算电路基本运算电路 由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称电阻小，在分析时常将其理想化，称理想运放理想运放。理想运放的条件理想运放的条件oAir0or理想运放理想运放uiuo+UOM-

2、UOMuiuo+_+Ao线性放大区线性放大区理想理想运放的传输特性运放的传输特性非线性放大区非线性放大区uiuo+UOM-UOM负反馈负反馈oAir)(uuAuoo虚短虚短uu0iI虚断虚断运放工作在线性区的特点运放工作在线性区的特点 试一试试一试P P4848 2.3.5 2.3.5反相比例放大器反相比例放大器三种基本组态三种基本组态同相比例放大器同相比例放大器差分放大器差分放大器uo_+RfR1uii1i2结构特点结构特点：反相比例放大器反相比例放大器1.信号从反相端输入。信号从反相端输入。2.负反馈引到反相输入端。负反馈引到反相输入端。0uui1=i2foiRuRu111RRuuAfou

3、虚短虚短虚断虚断反相比例放大器放大倍数反相比例放大器放大倍数uo_+RfR1uii1i2ri=R1平衡电阻，使输入端对地平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等，保证静的静态电阻相等，保证静态时输入级的对称性。态时输入级的对称性。RP=R1 /Rfuo_+RfR1ui反相比例放大器输入电阻反相比例放大器输入电阻uoui1+UCCRCT1RBRCT2RBui2REUEERP共模电压共模电压02uu电位为电位为0 0，虚地，虚地输入电阻小、共模电压输入电阻小、共模电压为为 0 0 以及以及“虚地虚地”是反是反相输入的特点。相输入的特点。_+RfR1RPuii1i2反馈方式反馈方式电压并联负反馈电压并联

4、负反馈输出电阻很小！输出电阻很小！反相比例放大器的共模电压反相比例放大器的共模电压1.共模输入电压为共模输入电压为0，因此对运放的共模抑制比，因此对运放的共模抑制比要求低。要求低。2.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是为是0，因此带负载能力强。，因此带负载能力强。3.由于并联负反馈的作用，输入电阻小，因此由于并联负反馈的作用，输入电阻小，因此对输入电流有一定的要求。对输入电流有一定的要求。反相比例电路的特点反相比例电路的特点uo_+RfR1RPuii1i2反相比例放大器的特例反相比例放大器的特例若：若：Rf=R1 则则ioUU称反号器称反号器uo_

5、+RfR1RPuii1i2反相比例放大器的派生反相比例放大器的派生ffRZ11RZ 11ZZuuAfouuo_+R2R1RPuiR4R3i1i2i4i3M例：例：求求Au=?0uui1=i2虚短虚短虚断虚断4324111RRRRuvoM1122RuiRviiM反相比例放大器计算举例（反相比例放大器计算举例（1 1）)1()111()111(342412414322414322RRRRRRRRRRRRRRRRRRuuAiou4324111RRRRuvoM1122RuiRviiM该放大电路，在放大倍数较该放大电路，在放大倍数较大时，可避免使用大电阻。大时，可避免使用大电阻。反相比例放大器计算举例（

6、反相比例放大器计算举例（2 2）结构特点结构特点：同相比例放大器同相比例放大器1.信号从同相端输入。信号从同相端输入。2.负反馈引到反相输入端。负反馈引到反相输入端。_+RfR1uiuo同相比例放大器放大倍数同相比例放大器放大倍数_+RfR1uiuou-=u+=ui1RuRuuifioifouRRu)1(1111RRuuAfou虚短虚短虚断虚断同相比例放大器输入电阻同相比例放大器输入电阻_+RfR1RPuiuoiRRP=R1 /Rf共模电压共模电压电位为电位为ui反馈方式反馈方式电压串联负反馈电压串联负反馈输出电阻很小！输出电阻很小！同相比例放大器的共模电压同相比例放大器的共模电压_+RfR1

7、RPuiuoiuuu23.由于串联负反馈的作用，输入电阻大。由于串联负反馈的作用，输入电阻大。1.共模输入电压为共模输入电压为ui，因此对运放的共模抑制比，因此对运放的共模抑制比要求高。要求高。2.由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为由于电压负反馈的作用，输出电阻小，可认为是是0，因此带负载能力强。，因此带负载能力强。同相比例电路的特点同相比例电路的特点同相比例放大器的特例同相比例放大器的特例ioUU 称电压跟随器称电压跟随器_+RfR1uiuo若：若：Rf=01Ruo_+ui同相比例放大器的派生同相比例放大器的派生ffRZ11RZ 11ZZAfu_+RfR1RPuiuo_+RfR1R2u

8、i2uoR3ui1差分放大器差分放大器结构特点结构特点：1.信号从同相和反相端以差分形式输入。信号从同相和反相端以差分形式输入。2.负反馈引到反相输入端。负反馈引到反相输入端。_+RfR1R2ui2uoR3ui1uu11RuuRuuifo322RuRuui解出：解出：差分放大器放大倍数（差分放大器放大倍数（1 1）虚短虚短虚断虚断2323111)(1(ififouRRRRRuRRu方法一：方法一：_+R2R1R1ui2uoR2ui1差分放大器放大倍数（差分放大器放大倍数（2 2）方法二：方法二：111ifouRRudfouRRu)1(1223231)(1(ifuRRRRR232311121)(

9、1(ififooouRRRRRuRRuuu差分放大器的特例差分放大器的特例若：若：Rf=R1=R2=R3=R称减法器称减法器_+RRRui2uoRui1则：则：12iioUUU作用：作用：将若干个输入信号之和或之差按比将若干个输入信号之和或之差按比例放大。例放大。类型：类型：同相、反相、差分。同相、反相、差分。方法：方法：引入深度电压并联负反馈或电压串联引入深度电压并联负反馈或电压串联负反馈。这样输出电压与运放的开环负反馈。这样输出电压与运放的开环放大倍数无关，与输入电压和反馈系放大倍数无关，与输入电压和反馈系数有关。数有关。加减运算电路加减运算电路R12_+R2R11ui2uoRPui1实际

10、应用时可适当增加或减少输入端的个数，实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。以适应不同的需要。FPR/R/RR1211反相求和运算（反相求和运算（1 1）0uuFiii1211)(21221112iiouRRuRRui12iFi11R12_+R2R11ui2uoRPui1调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影调节反相求和电路的某一路信号的输入电阻，不影响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。响输入电压和输出电压的比例关系，调节方便。反相求和运算（反相求和运算（2 2）实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。以适

11、应不同的需要。22211R/RR/RF-R1RF+ui1uoR21R22ui2同相求和运算（同相求和运算（1 1）此电路如果以此电路如果以 u+为输入为输入 ，则输出为：则输出为：uRRuFo)1(1-R1RF+ui1uoR21R22ui2)(1(212111111211121iiFouRRRuRRRRRu注意：注意：同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能同相求和电路的各输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。单独调整。流入运放输入端的电流为流入运放输入端的电流为0（虚开路）虚开路）22221211222122iiuRRRuRRRu同相求和运算（同相求和运算（2 2）u+与与 ui

12、1 和和 ui2 的关系如何？的关系如何？-R1RF+ui1uoR21R22ui2R左图也是同相求和运算左图也是同相求和运算电路，电路，如何求同相输入如何求同相输入端的电位？端的电位？提示：提示：1.虚开路：流入同相端的虚开路：流入同相端的电流为电流为0。2.节点电位法求节点电位法求u+。同相求和运算（同相求和运算（3 3）减法运算电路减法运算电路_+RRRui2uoRui121iioUUU 差动放大器放差动放大器放大了两个信号的差，大了两个信号的差，但是它的输入电阻但是它的输入电阻不高（不高（=2R）,这这是由于反相输入造是由于反相输入造成的。成的。实际应用时可适当增加或减少输入端的个数，实

13、际应用时可适当增加或减少输入端的个数，以适应不同的需要。以适应不同的需要。R2_+R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6643521R/R/RR/R/R加减混合运算电路（加减混合运算电路（1 1）R2_+R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6)(4433643RuRuR/R/Ruiiuu52211RuuRuuRuuoii虚短虚短虚断虚断虚断虚断)()111(44332211511122115RuRuRuRuRuRRRRuRuRuiiiiiio643521R/R/RR/R/R加减混合运算电路（加减混合运算电路（2 2）例：例：设计一个加减运算电路，设计一个加减运算电路，RF=

14、240k，使使uo=11ui2-10ui1解解:(1)画电路。画电路。系数为负的信系数为负的信号从反相端输号从反相端输入，系数为正入，系数为正的信号从同相的信号从同相端输入。端输入。-R1RF+ui2uoR2ui1加减混合运算电路的设计（加减混合运算电路的设计（1 1）(2)求各电阻值。求各电阻值。k240FRuo=11ui2-10ui1k241Rk242R加减混合运算电路的设计（加减混合运算电路的设计（2 2）-R1RF+ui2uoR2ui1FRRR/121121*)1(iFiFouRRuRRu优点：优点：元件少，成本低。元件少，成本低。缺点：缺点：要求要求R1/R2/R5=R3/R4/R6

15、。阻值的调整计算不。阻值的调整计算不方便。方便。改进：改进：采用双运放电路。采用双运放电路。单运放加减运算电路小结单运放加减运算电路小结R2_+R5R1ui2uoui1R4ui4ui3R3R6-RF1+ui1uo1R1ui2R2R3-RF2+uoR4ui3R5R625461213FFR/R/RR,R/R/RR)(221111RuRuRuiiFo53221141253412)()(RuRuRuRRRRuRuRuiiiFFioFo双运放加减运算电路双运放加减运算电路例：例：A/D变换器要求其输入电压的幅度为变换器要求其输入电压的幅度为0 +5V，现，现有信号变化范围为有信号变化范围为-5V+5V。

16、试设计一电平抬高。试设计一电平抬高电路，将其变化范围变为电路，将其变化范围变为0+5V。+5V-5V+5V+2.5V电平抬高电路电平抬高电路A/D计算机计算机uiuouo=0.5ui+2.5 V双运放加减运算电路设计（双运放加减运算电路设计（1 1）uo=0.5ui+2.5 V =0.5(ui+5)V_+10k 20k+5V5k ui20k uo1uo_+20k 20k 10k )5(5.0)5(20101iiouuu)5(5.020201ioouuu双运放加减运算电路设计（双运放加减运算电路设计（2 2）uo2+A+ARRRWui1ui2uo1ab+R1R1+AR2R2uo+三运放加减运算电

17、路三运放加减运算电路1 iauu 2ibuu WbaWooRuuRRuu221WiiRuu2112oouu)(212iiWWuuRRRuo2+A+ARRRWui1ui2uo1ab+虚短：虚短：虚断：虚断：三运放加减运算电路分析（三运放加减运算电路分析（1 1）)(21212iiWWouuRRRRRu 三运放电路是差三运放电路是差动放大器，放大动放大器，放大倍数可变。倍数可变。由于输入均在同由于输入均在同相端，此电路的相端，此电路的输入电阻高。输入电阻高。)(1212ooouuRRuuo2uo1R1R1+AR2R2uo+三运放加减运算电路分析（三运放加减运算电路分析（2 2）例：例：由三运放放大

18、器组成的温度测量电路。由三运放放大器组成的温度测量电路。uoR1R1+A3R2R2+A1_+A2RRRW+E=+5VRRRRtuiRt：热敏电阻：热敏电阻集成化集成化:仪表放大器仪表放大器三运放加减运算电路应用（三运放加减运算电路应用（1 1）Rt=f(TC)uoR1R1+A3R2R2+A1_+A2RRRW+E=+5VRRRRtuiERRRREERRRutttti)(22ERRRRRRRRRuRRRRRuttWWiWWo)(2221212三运放加减运算电路应用（三运放加减运算电路应用（2 2）1.它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小较小。2.关于输入

19、电阻：反相输入的输入电阻小，同关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高。相输入的输入电阻高。3.同相输入的共模电压高，反相输入的共模电同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。压小。加减运算电路小结加减运算电路小结 试一试试一试P P5050 2.4.6 2.4.6uou i+RR2C微分运算电路（微分运算电路（1）u i+uoRR2Ru=u+=0RuioFtuCiidd1Fii 1tuRCuioddu i+uoRR2i1iFC微分运算电路（微分运算电路（2）uit0t0uotuisin若输入：若输入：微分运算电路（微分运算电路（3）则：则：)90sin(costRCtRCu

20、o微分运算电路的缺点与改进微分运算电路的缺点与改进tRCuocos缺点：对高频噪声敏感。缺点：对高频噪声敏感。改进：改进：u i+uoRR2RCC积分运算电路（积分运算电路（1）u i+uoRR2Rui-+RR2CuoRuii1tuCioFddtuRCuiod1i1iFui-+RR2Cuo积分运算电路（积分运算电路（2）u=u+=0Fii 1tui0tuo0输入方波，输出是三角波。输入方波，输出是三角波。积分运算电路的应用（积分运算电路的应用（1）tui0tuo0totURCu0d1U-UomMomUTRCU1URCUTomMTM积分时限积分时限积分运算电路的应用（积分运算电路的应用（2）如果

21、积分器从某一时刻输入一直流电压，输如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。3.在电子开关中用于延迟。在电子开关中用于延迟。积分电路的主要用途：积分电路的主要用途：1.波形变换。例：将方波变为三角波。波形变换。例：将方波变为三角波。2.A/D转换中，将电压量变为时间量。转换中，将电压量变为时间量。4.移相。移相。对数运算电路（对数运算电路（1）u i+uoRR2Ru i+R2RTuo对数运算电路（对数运算电路（2）u i+R2RTuo虚断虚断:BECEouuu虚短虚短:iicRuiiic26)1(BETBEvESvvE

22、SeceIeIiiESiEScBEoRIuIiuuln26ln26反对数运算电路反对数运算电路u i+uoRR2Ruou i+RR2T符号：符号：类型：类型：模拟乘法器模拟乘法器uxuyuo四象限乘法器四象限乘法器uxuy均可正可负均可正可负一象限乘法器一象限乘法器uxuy均为正均为正二象限乘法器二象限乘法器ux可正可负可正可负uy只能正只能正yxoukuu 模拟乘法器的应用模拟乘法器的应用平方平方uxuyuo若若：ux=uy=u2iouu 模拟乘法器的应用模拟乘法器的应用除法除法ux2uo_+R1ux1R2 想一想想一想这里应该采用几象限乘法器？这里应该采用几象限乘法器？模拟乘法器的应用模拟

23、乘法器的应用除法除法i1=i2虚断虚断虚短虚短22211RUkURURUxooxi1i22112xxoUkRURuux2uo_+R1ux1R2ou模拟乘法器的应用模拟乘法器的应用开方开方2112xxoUkRURuuo_+R1uiR2ixuu1oxuu2kuuio0iu故称负压开方电路故称负压开方电路模拟乘法器的应用模拟乘法器的应用开方开方0iu若若 想一想想一想电路将如何改造？电路将如何改造？uo_+R1uiR2_+RfR1RP模拟乘法器的应用模拟乘法器的应用开立方开立方uo_+R1uiR2 想一想想一想这里应该采用几象限乘法器？这里应该采用几象限乘法器？模拟乘法器的应用模拟乘法器的应用求有效

24、值求有效值 试一试试一试P P323323 6.6.1 6.6.1滤波电路的分类滤波电路的分类1.按信号性质分类按信号性质分类3.按电路功能分类按电路功能分类:低通滤波器；高通滤波器；低通滤波器；高通滤波器；带通滤波器；带阻滤波器带通滤波器；带阻滤波器2.按所用元件分类按所用元件分类模拟滤波器和数字滤波器模拟滤波器和数字滤波器无源滤波器和有源滤波器无源滤波器和有源滤波器4.按阶数分类按阶数分类:一阶，二阶一阶，二阶 高阶高阶有源滤波电路有源滤波电路传递函数：传递函数：ioioioUUUUT)j()j()j(ioUUT)j(幅频特性幅频特性io)(相频特性相频特性)j(iU)j(oU滤滤波波器器

25、传递函数的定义传递函数的定义ioUU低通低通高通高通带通带通带阻带阻ioUUioUUioUU四种典型的频率特性四种典型的频率特性RUUioj1j1RCj11oj11)1(RCo传递函数：传递函数：RCRiUoU无源滤波器的缺点（无源滤波器的缺点（1 1）ojTj11)(2)(11)j(oT1.带负载能力差。带负载能力差。2.无放大作用。无放大作用。3.特性不理想，边沿不陡。特性不理想，边沿不陡。截止频率处：截止频率处：21ioUUioUU01 0.707o截止频率截止频率此电路的缺点：此电路的缺点：无源滤波器的缺点（无源滤波器的缺点（2 2）将两级一阶低通滤波器串接将两级一阶低通滤波器串接)j

26、()j()j(21TTT？)j()j()j(21TTT各级互相影响！各级互相影响！RCRCR无源滤波器的缺点（无源滤波器的缺点（3 3）1.不使用电感元件，体积小重量轻。不使用电感元件，体积小重量轻。2.有源滤波电路中可加电压串联负反馈，使输入有源滤波电路中可加电压串联负反馈，使输入电阻高、输出电阻低，输入输出之间具有良好电阻高、输出电阻低，输入输出之间具有良好的隔离。只需把几个低阶滤波电路串起来就可的隔离。只需把几个低阶滤波电路串起来就可构成高阶滤波电路，无需考虑级间影响。构成高阶滤波电路，无需考虑级间影响。3.除滤波外，还可放大信号，放大倍数容易调节。除滤波外，还可放大信号，放大倍数容易调

27、节。有源滤波器的优点有源滤波器的优点oFURRRU11iUCRCUj1j1iUCj11UUCRRUUFioj11)1(1传递函数中出现传递函数中出现 的一次项，故称为的一次项，故称为一阶滤波器一阶滤波器。RR1RFC+-+iUoU一阶有源低通滤波器一阶有源低通滤波器21)(11)1(oFioRRUU)1(RCooargtg幅频特性：幅频特性：相频特性：相频特性：90RCo1max21T T maxT一阶低通一阶低通幅频和相频特性幅频和相频特性21)(11)1(oFioRRUU)1(1RRUUFio有放大作用有放大作用21)1(1RRUUFio3.运放输出，带负载能力强。运放输出，带负载能力强。

28、幅频特性与一阶幅频特性与一阶无源低通滤波器无源低通滤波器类似类似电路的特点：电路的特点：2.=o 时时1.=0 时时一阶有源低通滤波器的特点一阶有源低通滤波器的特点URRUAUFFo11CUURUURUUoPPPij1PPURCUCRCUj11j1j1解出：解出：ooFioAUU2j)(12)3(21FARCo1其中：其中：RR1RFC+-+iUoUCRP传递函数中出现传递函数中出现 的二次项，故称为的二次项，故称为二阶滤波器二阶滤波器。二阶有源低通滤波器二阶有源低通滤波器ioUU02121 o3dBP21221oPooFioAUU2j)(12二阶低通幅频特性（二阶低通幅频特性（1）R1=时时

29、：AF=1ooFioAUU2j)(122)(11oioUU21ioUU =o时：时：RC+-+iUoUCRP二阶低通幅频特性（二阶低通幅频特性（2）RR1RFC+-+iU1oURR1RFC+-+oUCRRUUTFioj11)1()j(111CRRUUTFooj11)1()j(11222121)j1(1)1()j()j()j(CRRUUTTTFio例：例：两个一阶有源滤波器串接构成二阶有源滤波器。两个一阶有源滤波器串接构成二阶有源滤波器。分析分析简单简单由低阶有源滤波器构成高阶有源滤波器由低阶有源滤波器构成高阶有源滤波器-3dBAF理想低通理想低通一阶低通一阶低通二阶低通二阶低通阶数越高，阶数越

30、高，幅频特性曲线幅频特性曲线越接近理想滤波器。越接近理想滤波器。oioUU0一阶低通和二阶低通幅频曲线的区别一阶低通和二阶低通幅频曲线的区别将低通滤波器中的将低通滤波器中的R、C 对调，低通对调，低通滤波器就变成了高通滤波器。滤波器就变成了高通滤波器。RCR1RF+-+iUoU低通滤波器低通滤波器R1RF+-+iUoU高通滤波器高通滤波器R如何组成高通滤波器oFURRRU11UUiUCRRUj1iURC1j11RCRRUUFio1j11)1(1R1RF+-+iUoU高通滤波器高通滤波器R一阶有源高通滤波器一阶有源高通滤波器RCRRUUFio1j11)1(12111)1(oFioRRUU幅频特性

31、：幅频特性：ioUU0 o707.011RRF11RRF一阶高通幅频特性一阶高通幅频特性1.不宜用于高频。不宜用于高频。2.不宜在高电压、大电流情况下使用。不宜在高电压、大电流情况下使用。3.可靠性较差。可靠性较差。4.使用时需外接直流电源。使用时需外接直流电源。有源滤波器的缺点有源滤波器的缺点 试一试试一试P P483483 SP9.9.3 SP9.9.3熟悉乘法器的原理及应用。熟悉乘法器的原理及应用。掌握理想运放工作在线性区的特点。掌握理想运放工作在线性区的特点。本章基本要求掌握高通、低通、带通、带阻四种滤波器幅频特性。掌握高通、低通、带通、带阻四种滤波器幅频特性。了解积分电路、微分电路的原理。了解积分电路、微分电路的原理。掌握比例放大电路、求和电路原理及计算。掌握比例放大电路、求和电路原理及计算。电子技术电子技术 第八章 结 束模拟电路部分模拟电路部分