信号运算与处理电路说课稿.pptx

小结,7.1,运算放大器的两个工作区域,7.2 基本运算电路,7.3 模拟乘法器及其应用,7.4 有源滤波电路,教学内容：,第7章 信号运算与解决电路,1.基本运算电路分析,2.基本运算电路设计,3.模拟乘法器及其应用,4.有源滤波电路的构造和选用办法,教学重点：,第7章 信号运算与解决电路,7.1 运算放大器的两个工作区域（状态）,1.运放的电压传输特性,设：,U,OM,=10V。,运放的A,u,=10,4,A,u,越大，线性区越小，当,A,u,时，线性区0,Ui1mV时，运放处在线性区,2.抱负运算放大器,开环电压放大倍数 Au=,差摸输入电阻 Rid=,输出电阻 R0=0,共模克制比 KCMR,抱负运放工作在线性区的条件：,电路中有负反馈！,运放工作在线性区的分析办法：,虚短（U+=U-）,虚断（i+=i-=0）,3.线性区,4.非线性区（正、负饱和输出状态）,运放工作在非线性区的条件：,电路中开环工作或引入正反馈！,运放工作在非线性区的分析办法在下一章讨论,7.2,基本运算,电路,7.2.1 比例运算电路,7.2.2 加减运算电路,7.2.3 积分运算电路与微分运算电路,7.2.4 对数运算电路与指数运算电路,1)反相比例运算,虚断,虚地,平衡电阻:,R,2,=,R,1,/,R,f,特点：,1,.为深度电压并联负反馈，,A,u,f,=,R,f,/,R,1,2.输入电阻较小,R,if,R,if,=,U,i,/,I,i,=,R,1,3.uIC=u+=u-=0,对 KCMR 的规定低,平衡电阻,确保两输入端对地直流电阻相等,7.2.1 比例运算电路,2)同相比例运算,A,u,f,=1,跟随器,当,R,1,=,，,R,f,=0 时，,R,if,特点：,1.为深度电压串联负反馈，,A,u,f,=,1,+R,f,/,R,1,2.输入电阻大,R,if,=,3.，对,K,CMR,的要求高,u,IC,=,u,i,u,+,=,u,-,=,u,I,7.2.2 加减运算电路,1.加法运算,1)反相加法运算,平衡电阻:,R,3,=,R,1,/,R,2,/,R,f,i,F,i,1,+,i,2,若,R,f,=,R,1,=,R,2,则,u,o,=,(,u,I1,+,u,I2,),平衡电阻:,R,2,/,R,3,/,R,4,=,R,1,/,R,f,若,R,2,=,R,3,=,R,4,，,R,f,=,2,R,1,2)同相加法运算,u,+,则,u,O,=,u,I1,+,u,I2,办法1：运用叠加定理,令,u,I2,=0,u,I1,使：,令,u,I1,=0,u,I2,使：,普通:,R,1,=,R,1,；,R,f,=,R,f,u,o,=,u,o1,+,u,o2,办法2：运用虚短、虚断,u,o,=,R,f,/,R,1,(,u,I2,u,I1,),减法运算实际是,差分比例,2.减法运算,7.2.3,积分/微分运算电路,R,2,=,R,f,虚地,虚断,R,f,C,1,=,时间常数,1.微分运算,u,I,t,O,u,O,t,O,2.积分运算,=,当,u,I,=,U,I,时，,设,u,C,(0)=0,时间常数,=,R,1,C,f,t,u,I,O,t,u,o,O,秒,=欧姆法拉,例1,试求：（1）输入电阻；,（2）比例系数。,解,（1）,（2）,由图可知,i,1,=,i,2,即,u,M,2,u,I,i,1,i,2,又由于,i,3,i,4,u,+,=,u,-,=,u,s,i,o,=,i,1,=,u,s,/,R,1,1.输出电流与负载大小无关,2.恒压源转换成为恒流源,特点：,例2:,电压电流转换器,1 k,0.1,u,F,时间常数,=,R,1,C,f,=0.1m s,设,u,C,(0)=0,=,5 V,u,I,/V,t,/ms,0.1,0.3,0.5,5,5,u,O,/V,t,/ms,=5 V,5,5,例3:运用积分电路将方波变成三角波,例4:,差分运算电路的设计,条件：,R,f,=10 k,规定：,u,o,=,u,I1,2,u,I2,R,1,=5 k,R,2,/,R,3,=,R,1,/,R,f,R,2,=10 k,R,3,=5 k,例5:,基本运算电路设计：,取：,R,f1,20k,，则,R,1,50k,，,R,3,1.54k,取：,R,f2,100k,，则,R,2,10k,，,R,4,100k,A1,R,3,R,1,R,f1,R,1,A2,R,2,R,f2,R,2,R,4,u,i,1,u,i,3,u,i,2,u,o,1,u,o,=,R,1,/,R,3,/,R,f1,=,R,2,/,R,4,/,R,f2,例6:,开关延迟电路,电子开关,当,u,O,6 V 时 S 闭合,t,u,O,O,6 V,1 ms,u,I,t,O,3 V,t,u,s,O,3 V,求得:,例7:,测量放大器,(仪用放大器),1)对共模信号：,u,O1,=,u,O2,2)对差模信号：,R,1,中点为交流地,则,u,O,=0,u,o1,u,o2,为确保测量精度,需元件对称性好,例7:,测量放大器,u,o1,u,o2,课堂练习1,已知：集成运放输出电压的最大幅值为,14V,u,I,/V,0.1,0.5,1.0,1.5,u,O1,/V,u,O2,/V,1,5,10,14,1.1,5.5,11,14,课堂练习2,课堂练习3,7.2.4,对数运算电路和指数运算电路,1.对数电路,2.指数电路,1.对数运算电路,运用PN结的指数特性,实现对数运算,BJT的发射结有:,也可运用半导体三极管,实现对数运算,1.对数运算电路,运用虚短和虚断，电路有,其中，,I,ES,是发射结反向饱和电流，,u,O,是,u,i,的对数运算。,注意：ui必须不不大于零，,电路的输出电压不大于0.7伏,2.指数(反对数)运算电路,u,o,=,R,F,I,S,e,u,i,/,U,T,办法一:,输入与输出的关系式为:,u,O,是,u,i,的反对数运算(指数运算),用半导体三极管实现,反对数运算电路,运用虚短和虚断，电路有,以上两个电路温漂严重，实际电路都有温度赔偿电路,2.指数(反对数)运算电路,办法二:,要求:,7.3,模拟乘法器及其应用,7.3.2 模拟乘法器的工作原理,7.3.1 模拟乘法器介绍,7.3.3模拟乘法器的应用,7.3.1 模拟乘法器介绍,符号和基本特性,KXY,X,Y,u,x,u,y,u,o,u,O,=,Ku,x,u,y,K,增益系数,类型,单象限乘法器：,u,x、,u,y,皆为固定极性,二象限乘法器：一种为固定极性，另一种为可正可负,四象限乘法器：,u,x、,u,y,皆为可正可负,抱负乘法器：,对输入电压没有限制，,u,x,=0 或,u,y,=0 时，,u,O,=0,实际乘法器：,u,x,=0,u,y,=0 时，,u,O,0,输出失调电压,u,x,=0，,u,y,0 时,或,u,y,=0，,u,x,0 时,输出馈通电压,u,O,0,7.3.1 模拟乘法器介绍,7.3.2 模拟乘法器的工作原理,当,u,Y,u,BE3,时，,I,C3,u,Y,/,R,E,规定 uY 0,故为,二象限乘法器,因,I,C3,随,u,Y,而变，其比值为电导量，,称,变跨导乘法器,单片集成模拟乘法器,（补充）,MC1496,双差分对模拟乘法器,V,1,、V,2,、V,5,模拟乘法器,V,3,、V,4,、V,6,模拟乘法器,V,7,V,9,、,R,5,电流源电路,R,5,、V,7,、,R,1,电流源基准,V,8,、V,9,提供 0.5,I,0,R,Y,引入负反馈，扩大 uY,的线性 动态范畴,其中，,u,X,U,T,(,26 mV),增益系数,MC1496,双差分对模拟乘法器,+,V,CC,u,Y,R,1,R,C,MC1595,1,2,9,4,7,8,5,12,R,3,R,C,u,X,14,6,10,11,3,13,R,13,R,X,R,Y,u,O,V,EE,I,0,/2,I,0,/2,负反馈电阻，用以,扩大,u,X,、,u,Y,范围,1)平方运算,7.3.3 模拟乘法器的应用,2)平方根运算,(,u,I,0,当,u,1,0，为使,u,3,0，则,u,2,0,当,u,1,0 时，,u,O,0，为使,u,3,0,条件：u3 与 u1 必须反相 (确保负反馈),u,2,0,3)除法运算,7.3.3 模拟乘法器的应用,4)压控增益,u,O,=,Ku,X,u,Y,设,u,X,=,U,XQ,则,u,O,=(,KU,XQ,),u,Y,调节直流电压,U,XQ,则可调节电路增益,7.3.3 模拟乘法器的应用,例8:,解：,V,P,=,V,N,=3V,V,R,A,=,V,R,1,=,V,R,2,=,V,R,3,=2V,1,）,I,1,1,mA,，,I,1,0.4,mA,；,2,）,R,3,10,k,。,例9:电路如图所示，T1、T2和T3的特性完全相似，填空：,1）I1 mA，I2 mA；,2）若I30.2mA，则R3 k。,V,N,+,V,R,A,_,+,_,V,R,1,V,P,+,_,V,R,2,+,_,V,R,3,7.4,有源滤波,电路,7.4.3,高通滤波,器,7.4.4,带通滤波,器,7.4.2,低通滤波,器,7.4.1,滤波,电路的基础知识,滤波电路,让有用频率信号通过，无用频率信号被克制的电路。,分类：,按解决,办法分,硬件滤波,软件滤波,按所解决,信号分,模拟滤波器,数字滤波器,按构成,器件分,无源滤波器,有源滤波器,按传递,函数分,一阶滤波器,二阶滤波器,N,阶滤波器,7.4.1 滤波电路的基础知识,按信号,频率特性分,低通滤波器,高通滤波器,带通滤波器,带阻滤波器,抱负滤波器的频率特性:,f,f,f,f,通,通,通,阻,通,阻,通,阻,阻,阻,低通,高通,带通,带阻,7.4.2,低通滤波,器,(,LPF,L,ow,P,ass,F,ilter,),通带放大倍数,1.一阶,LPF,A,u,p,=1+,R,f,/,R,1,f,H,=1/2,RC,上限截止频率,1.一阶,LPF,f,H,f,0,-,3,-,20 dB/,十倍频,20lg,A,up,2.二阶 LPF,(1)简朴二阶 LPF,通带增益：,A,u,p,=1+,R,f,/,R,1,频率特性：,特性频率：,截止频率：,f,P,40 dB/十倍频,-,40,f,0,-,10,-,20,-,30,20lg,A,up,(1)简朴二阶 LPF,问题：,在,f,=,f,H,附近，输出幅度衰减大。,改善思路：提高 fH 附近的输出幅度。,-,3dB,f,0,(2)实用二阶 LPF,Q,=1,/,(3,-,A,u,p,),等效品质因数,正反馈提高了 f o附近的 Au,A,u,p,=3,时,Q,电路产生,自激,振荡,特性频率：,Q,=0.707,40 dB/十倍频,Q,=1,Q,=2,Q,=5,1,f/f,0,-,40,0,-,3,-,10,-,20,-,30,20lg,A,up,(2)实用二阶 LPF,当,Q,=0.707 时，,f,o,=,f,H,例10：,已知,R,=,160,k,，,C,=0.01,F，,R,1,=,170,k,，,R,f,=,100 k,，,求该滤波器的截止频率、通带增益及,Q,值。,解:,特性频率,Q,=1/(3,-,A,u,p,)=1/(3,-,1.588)=0.708,Q,=0.707 时，,f,0,=,f,H,=99.5 Hz 即为,上限截止频率,7.4.3,高通滤波,器,(,HPF,H,igh,P,ass,F,ilter,),通带增益：,A,u,p,=1+,R,f,/,R,1,Q,=1/(3,-,A,u,f,),A,u,p,=3,时，,Q,，,电路产生,自激,振荡,二阶低通、高通，为避免自激，应使 Aup fL,BPF,LPF有,f,H,HPF有,f,L,f,f,H,f,L,f fL,即：R2 C2 R3 C3,中心频率：,等效品质因素：,Q,=1/(3,-,A,u,f,),通带增益：,A,u,P,=,A,u,(,f,0,),=Q,A,u,f,令：,A,u,f,=1+,R,f,/,R,1,最大电压增益,7.4.4,带通滤波,器,(,BPF,B,and,P,ass,F,ilter,),f,f,0,Q10,Q5,Q1,20dB,20dB,0.1,f,0,10,f,0,20lg,A,up,通频带：,f,BW,=,f,0,/,Q,例11,已知,R,=,7.96,k,，,C,=0.01,F，,R,3,=,15.92,k,，,R,1,=,24.3,k,，,R,f,=,46.2,k,求该电路的,中心频率,、,带宽,及通带最大增益,。,解,Q,=1/(3,-,A,u,f,)=10,BW,=,f,0,/,Q,=200(Hz),A,u,(,f,0,),=Q,A,u,f,=29,中心频率：,带宽：,通带最大增益：,7.4.5,带阻滤波,器,(,BEF,),BEF的构成原理,规定：fH fL,7.4.5,带阻滤波,器,(,BEF,),7.4.5,带阻滤波,器,(,BEF,),规定：fH fL,中心频率：,等效品质因素：,阻频带：,f,BW,=,f,0,/,Q,通带增益：,A,u,p,=1+,R,f,/,R,1,Q小,f,20lg,A,up,7.4.5,带阻滤波,器,(,BEF,),Q大,f,0,20lg,A,up,7.4.6 状态变量有源滤波电路,二阶状态变量,有源滤波器的传递函数：,LPF：,HPF：,BPF：,BEF：,例12 阐明图示各电路属于哪种类型的滤波电路，,是几阶滤波电路。,a）一阶高通滤波器,b）二阶高通滤波器,例12,c）二阶带通滤波器,d,）二阶带阻滤波器,例13 阐明图示各电路属于哪种类型的滤波电路，,是几阶滤波电路。,例13 瞬态分析,例13 交流小信号分析,幅度频率特性,例14 阐明图示各电路属于哪种类型的滤波电路，,是几阶滤波电路。,例14 瞬态分析,例14 交流小信号分析,幅度频率特性,例13 交流小信号分析,相位频率特性,例15 Bandpass Fitter,Q,=5,f,0,=1KHz,f,BW,=200Hz,当,R,2,=2,R,1,C,1,=,C,2,=,C,时，,R,1,C,(u)=159.2,例15 Bandpass Fitter,R,f,=36K,R,=20K,R,1,=1.4K,R,2,=2.8K,R,3,=2K,例15 Bandpass Fitter,Q,=5,R,f,=49K,R,=20K,R,1,=1.48K,R,2,=2.96K,R,3,=2K,例15 Bandpass Fitter,Q,=5,R,f,=52K,R,=20K,R,1,=1.4K,R,2,=2.8K,R,3,=2K,例15 Bandpass Fitter,R,f,=52K,R,=20K,R,1,=1.4K,R,2,=2.8K,R,3,=2K,例15 Bandpass Fitter,一、基本运算电路,1.运算电路的两种基本形式,同相输入,反相输入,小 结,2.运算电路的分析办法,运用“虚短”和“虚断”的概念分析电路中各电量,间关系。运放在线性工作时，“虚短”和“虚断”,总是同时存在。虚地只存在于同相输入端接地的电,路中。,2,),运用叠加定理解决多个输入端的问题。,二、模拟乘法器,(属于非线性模拟集成电路),u,O,=,Ku,x,u,y,对于抱负模拟乘法器，输入电压的波形、幅度、极性、频率为任意,三、模拟乘法器的重要应用,1.运算,：,乘法、平方、除法、平方根等,2.电路,：,压控增益，调制、解调、倍频、混频等,