模拟电子技术基础(第四版)第7章

2020/1/191第20讲第七章信号运算与处理7.1概述7.2基本运算电路7.3有源滤波电路7.4预处理用放大电路2020/1/1927.1概述一.电子系统的组成电子系统：产生、传输或处理电信号及信息的电路实体。电子系统框图电子系统的类型:1).数字系统2).模拟系统3).模拟/数字混合系统4).微机系统2020/1/193电子系统实例：手机系统2020/1/194二.运放构成电路的分析方法1.理想运算放大器：开环电压放大倍数A0d=∞差摸输入电阻Rid=∞输出电阻R0=0理想运放工作在线性区的条件：电路中有负反馈！2.理想运放的线性区：()oPNoduuAuPNuuodAidR0PNii虚短虚断2020/1/1953.理想运放的非线性区：当：IdPNuuu不是无穷小时，()OOdPNuAuu此时：ou有限，UOM当：OPOMNuuUuOPOMNuuuU理想运放工作在非线性区的条件：电路开环、正反馈！*理想运放工作在非线性区时：由于Rid＝，所以，“虚断”仍成立！**对于非理想运，由于Rid很大、AOd很大，所以上述结论仍成立！2020/1/1967.2基本运算电路一.比例运算电路1.反相比例运算虚短0NPuuV虚地点虚断0PNiiRFiiOIfuuRRfOIRuuR0oR0iRRR(带负载后，输出不变！)为了保证运放输入端的对称//fRRR2020/1/1972.同相比例运算虚断0PNiiPIuu虚短INPuuuRFiiOIIfuuuRR1()fOIRuuR//fRRR*该电路中uIC＝uI，即共模电压不为0！与反相比例电路比较，哪个性能好？iRR2020/1/1983.电压跟随器虚断0PNiiPIuu虚短NPuuONuuOIuu电压跟随电路经常简化*电压跟随器的性能比分立元件的射极跟随器好很多。2020/1/199二.加减运算电路1.反相求和运算0PNuu123fiiii312123IOIIfuuuuRRRR123123()fffOIIIRRRuuuuRRR4123//////fRRRRR2020/1/19102.同相求和运算1()fONRuuR同相比例PNuu1234iiii3121234IPIPIPPuuuuuuuRRRR13121232341111()IPIIuuuuRRRRRRR123411111;PRRRRR//NfRRR2020/1/19111()fONRuuR1()fPRuRfPNRuR312123()fIIIPNRuuuRRRRR当：NPRR则：312123()IIIOfuuuuRRRR2020/1/19123.加减运算(单运放)根据叠加原理1234OOOuuu反相加法同相加法12123434()()IIIOfIfuuuRRRuuRRR当：NPRR34122341()IIIfIOuuRRuuRRRu当：12345fRRRRRR有：3412IIOIIuuuuu2020/1/1913例题1求：uO与uI的关系，Ro、Ri1、Ri2＝?解：11111()fOIRuuR(同相比例)2323211()fOOfIRuRuRRu(叠加原理)2113122311)()(ffOIfIRRRuRRuRu若：12131ffRRRR则：22311()()fIOIRuRuu12iiRR0oR2020/1/1914例题2设计电路实现：uO＝10uI1＋8uI2－20uI3解：当：PNRR时即：132//////fRRRRR有：113223fffOIIIRRuuRRRuRu取：110;fRR28;fRR320fRR因为：10820////ffffRRRR所以：可以取适当的R’使：PNRR能实现：uO＝10uI1＋8uI2－uI3吗？:~fRkM作业：7-4、7-7、7-10（C）、7-122020/1/1915三.微积分运算电路电容：QCUdQidtdUCdt1dUtCid1.积分运算RCii1OCuidtC1RidtC1IudtRC0001()tItudtutRC当uI＝常数时：000()()IOuuttutRC实用中，在C上并联一个大R，以降低低频增益，克服失调电压使运放进入非线性区—积分漂移。2020/1/1916-Uom积分运算应用：1).t-u变换tui0Utuo0TMIOuutRCtui0tuo02).方波－三角波变换3).移相sin()Iut1OIuudtRC1cos()tRC190sin()tRC作业：7-17、7-182020/1/1917uItuOt第21讲2.微分运算;CRii0NPuuOIuduCRdtidUCdt;IOuRCdudtRR波形：实用电路：1.加入R1，限制iC，防止进入非线性区。2.增加小C1，超前补偿，使电路稳定。3.增加DZ，使UOM＝UZ，防止进入饱和。2020/1/1918例题1已知：t=0时，uC＝0V，uI＝1V。求：t＝何值时，uO＝0V。解：1;IOuutRCA1是积分电路，A2是反相加法电路。110()OOIuuu10()IOIuuutRC010110tRCMs2020/1/1919例题2求：写出PID调节器的函数关系。解：0;NPuu0NPii11FCiii11;ICduiCdt11IuiR22;ORCuuu有：22RFuiR2211IIRduuRCRdt121122121()IIOIuudtRCuduRRCdtRCC比例P积分I微分D*：改变R1、2和C1、2的大小，可改变各项的作用比例。2020/1/1920四.指数与对数运算电路1.指数运算利用PN结的指数特性实现指数运算0;NPuu0NPiiRDiiT/DSeIuUiIuI0!!ROuiRITuUOSuRIe改进电路：为了扩大工作范围，用三极管替代二极管。1()EBii1()ITuUOSuReI发射结饱和电流2020/1/19212.对数运算利用PN结的指数特性实现对数运算0;NPuu0NPiiRDiiT/DSeOuUiIuO0!!RIuiRln()IOTSuuUIR改进电路：为了扩大工作范围，用三极管替代二极管。CBiiln()ISOTuIuUR发射结饱和电流2020/1/1922五.乘除法运算电路1.乘法运算乘法运算示意图：乘法器符号：OXY=uuuk运算关系：等效电路：k是乘积系数常为:0.1V－12020/1/1923乘法器的工作象限：当输入uX、uY均可取＋、－值，则称：四象限乘法器也有：单、两象限乘法器2.除法运算0;NPuu0NPii12ii112OIuuRR22IOkuuR2112IOIRuukRu12OIIukuu2020/1/1924该电路正常工作的条件？OXYukuu虚短的条件：运放有负反馈利用瞬时极性法，记X的符号为：XuI1－uI1因此：uI1与uI2反号时，是负反馈。所以：电路可以工作在II、IV象限。作业：7-21、7-22(b)uI1uI22020/1/19257.3有源滤波电路2020/1/19264.2.3仪用放大器在电子测量系统中，需要检测大量的电量或非电量信息，而且检测的电信号又非常的微弱，有的处在强噪声的背景下，属于微弱信号的检测。因此，对前置级获取信号的放大器，提出了如下要求：高输入阻抗、高共模抑制比、低漂移、低噪声、低输出电阻等参数要求。⑴高共模抑制比、高输入电阻测量放大器一、测量放大器2020/1/1927同相并联型差分放大器由三运放组成性能优越的测量放大器，A1和A2组成双端输入/双端输出差动放大，由于信号从二个同相端输入，使输入阻抗高达10M以上。第二级又采用差动输入，在运放参数和R3严格对称时，电路具有很高的共模抑制能力和低温漂。2020/1/1928在上述条件下，R1的中点可以认为接地。所以有：1121)21(sovRRv2122)21(sovRRv))(21(1212233133ssooovvRRvRRvRRv运算式子表明，该电路可以方便地通过调节R1进行增益的调整。2020/1/1929⑵单片集成仪用放大器AD521引脚排列图典型应用时连接同相端反相端调零调增益调增益具体使用可参阅有关手册2020/1/1930二、可编程增益放大器PGA（程控放大器）在数据采集系统中，需要有多通道或多个参数共用一个测量放大器。如有一个四通道的数据采集系统，四个通道的信号各不相同，分别为VV几十mVV，，，的数量级，要放大到A/D转换器标准的输入电压大小。因此，计算机在选定通道号的同时，也应选定对应通道的增益要求，以实现自动增益控制和自动量程切换的测量要求，所以，程控放大器在电子测量和智能化仪器仪表中得到广泛应用。2020/1/1931RG由程序控制来改变，从而改变增益。可编程放大器种类很多，有单运放、多运放和仪用程控放大器等，又可分模拟式和数字式等（从输出信号讲）。1.仪用可编程增益放大器它的增益方程为：GRRA21请思考如何用数字电路的方法来实现电阻RG的改变？2020/1/1932如PGA200/201为四级仪用放大器，有16种增益；PGA102为3级可编程增益放大器，8种增益控制；PGA100为8级可编程增益放大器；2.单片集成程控放大器LH0084特点：高速、高精度数字程控仪用放大器。增益精度0.05%，非线性度0.01%，增益漂移1×10-6/OC，输入阻抗1011，CRM=70dB。其内部电路图如下页所示2020/1/1933增益控制表见教材，共有12种增益（1、2、5、10、4、8、20、40、10、20、50、100）。它是如何用数字信号来控制放大器的增益的，从中得到启发。2020/1/19344.2.4有源滤波器电路功能：让某一频段的信号顺利通过，滤除其它频段的信号，所以它实际上是一种选频电路。在微弱信号测量中，滤波器是一个非常重要的电路，模拟滤波器几乎在各种信号处理中必不可少。下图中的信号是经过低通滤波器后的情况。一、滤波器的功能与分类2020/1/1935经过低通滤波器的处理，大大地提高了电路中的信/噪比滤波器的种类：从大类分：数字滤波器，模拟滤波器，本课程介绍模拟滤波器。模拟滤波器：低通滤波器(LPF)、高通滤波器(HPF)、带通滤波器（BPF)、带阻滤波器（BEF)等四种。它们的频率特性如下：2020/1/1936LPF的理想频率特性BPF的理想频率特性HPF的理想频率特性BEF的理想频率特性上面都是理想的频率特性，在实际情况中，将采取各方面的技术和措施，使实际的频率特性向理想化接近。2020/1/1937有源滤波器的分析过程和方法：利用电路原理中的节点电流法→电压增益的传递函数→s用代入求增益的复数表达式→画出频率特性→求滤波电路的各项指标：通带增益、滤波器的截止频率（中心频率）、品质因素、带宽等。j2020/1/1938二、有源低通滤波器（LPF)1.有源低通滤波器的技术指标LPF的理想频率特性LPF的实际频率特性通带增益通频带内的电压放大倍数，对LPF讲，它是信号频率时的电压增益。vpA0f2020/1/1939Pff时，2..vpvAA一个简单的二阶低通有源滤波器电路由二级无源RC低通滤波器加运放组成。滤波效果由二级无源RC网络决定，运放提供增益以及提高带负载能力。二阶有源低通滤波器2020/1/1940优点：负载不直接与RC网络联接，而通过