测控电路第5章信号运算电路

获得被测参数：和、差、积、积分、平均值、峰值、任意函数实现控制：PID误差补偿：非线性补偿减小干扰影响：共模抑制，跟踪滤波调制解调：乘法运算数字运算和模拟运算模拟运算：快、设备简单数字运算：功能强、精度高信号运算电路的功用灵测控电路22020/2/115.信号运算电路线性运算电路乘除运算电路微积分与PID运算电路特征值运算电路函数运算电路测控电路32020/2/115.1线性运算电路5.1.1加法运算电路Ruou－u+∞-++NRfifui1ui2R1Rnini1uini2R2fffoi1i2i12nnRRRuuuuRRRfoi1p//1//nkjjjkRRRuuRRRR12////////jknRRRRR独立作用原理Rui1ui2R2uou+∞-++NRnRpRfR1uinu－测控电路42020/2/115.1.2减法运算电路（一）利用加法运算电路实现减法运算5.1线性运算电路ffoi1i212RRuuuRRui1ui2uo1测控电路52020/2/11（二）用单一运算放大器实现减法运算5.1线性运算电路5.1.2减法运算电路Pffoi2i12P11(1)RRRuuuRRRRRf/R1=RP/R2=Ko21()iiuKuuRRfui1ui2R1uou-u+∞-++NR25.1线性运算电路5.1.3加减混合运算电路Rui1ui2R2uou+∞-++NRnRfR1uinu－ui-1ui-2R-1R-mui-mR-2ffoiq11p//1//nmkjqjikjRRRRuuuRRRRRp12//////mRRRR12////////qknRRRRR独立作用原理5.1线性运算电路ui1ui2uo15.1.3加减混合运算电路ui1、ui2均可扩展乘除运算电路在参数计算、调制解调、滤波等中具有广泛应用，已集成化.(1)基于对数、指数运算；(2)基于变跨导；(3)基于脉冲宽度、高度调制5.2乘除运算电路uyuxuoxyKxyx,y输入量，K增益V-15.2乘除运算电路5.2.1对数运算电路VDiDR1uiuo∞-++Ni1DDTTD(e1)essuuUUiII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。ioDTs1lnuuuUIR小信号时PN结具有对数特性实用电路需要进行失调和温度补偿5.2乘除运算电路5.2.1对数运算电路R1ui∞-++N1URuoiDR65kΩ1MΩ100kΩUCUDR4R3V1R21.5MΩR5i2∞-++N2t°V2RT5.2乘除运算电路5.2.1对数运算电路i11uiR1s1iTBE1lnIRuUuR22UiRs22RTBE2lnIRUUus11Rs22iTBE1BE2T54T5olnIRUIRuUuuRRRRRus11Rs22iT5T54TolnIRUIRuRRRRRUu1R2iT5T54TolnRURuRRRRRUus1s2II7.16T5T54RRRRRi1R2olguRURu5.2.2指数运算电路5.2乘除运算电路RfifiVuiuo∞-++NBEiTTfsseeuuUUiiIITifsoeUuRIu5.2乘除运算电路5.2.2指数运算电路R1ui∞-++N1uoR4200pFR5R3V1R2RTV2∞-++N2t°UR5.2乘除运算电路5.2.2指数运算电路2s2oTBE2lnIRuUu1s1RTBE1lnIRUUus22Rs11oTBE2BE1T54T5ilnIRUIRuUuuRRRRRu5Ti45TT()/[()]R2o1eRRuRRRUURuR7.161T54T5RRRRRii12Ro1010ukuRRUus1s2II5.2乘除运算电路1s222olnTRIuuU21212s1s3s333soTo3euuRIIRIRIuUu指数5.2.3基于对数和指数运算的乘法运算电路对数uo3R2R3uo1uo2uoR1u1∞-++N1R2V1R1u2∞-++N2R2V2∞-++N3∞-++N4V31s111olnTRIuuU21s2s121To21o3olnRIIuuUuuu相加5.2乘除运算电路5.2.4基于对数和指数运算的除法运算电路1s222olnTRIuuU指数uo3R2R3uo1uo2uoR1u1∞-++N1R2V1R1u2∞-++N2R2V2∞-++N3∞-++N4V3R21s111olnTRIuuU21To12oo3lnuuUuuuo3T1o3ss32euUuuRIIRu对数相减对数放大器是单极性的，因此对数乘法器和除法器也是单象限的。可以将输入电压Ux和Uy分别与常数电压UxC和UyC相加后再相乘，实现四象限相乘。5.2乘除运算电路5.2.5四象限乘法运算电路o4()()4xyxyxyUEUEUUUUUEEEU0.5-1-1ExUy0U10U20.5-1-1N1xyzxyzN3N2U-1-1-1+4oN4--+5.2乘除运算电路5.2.6基于乘法器的除法运算电路UUUoyxKxyxyN2N1oyxKUUUo()xyUUKU5.2乘除运算电路5.2.7基于变跨导的乘法运算电路co0T2xyRuuuRUocxugRu00/yiuR0T2igU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+EcRcuyuoi05.2乘除运算电路5.2.8基于脉冲宽度、高度调制的乘法运算电路脉宽式采样式运算速度慢，难以用于实时检测与控制tOuUxUyUotOuUxUyUo做好语言沟通(1)若干参数的平均值用求和方法求取平均值。(2)某一参数在一定时间变化的平均值采用低通滤波或积分运算电路。5.3特征值运算电路5.3.1平均值运算电路5.3特征值运算电路5.3.2绝对值运算电路做好语言沟通采用精密全波检波电路+us–半波整流器低通滤波器+–i1R4uoR1R2R3VD1VD2+u–i∞-++N1∞-++N2+–uA+–AsuAu2R3R必须全波检波电路，不要滤波电容5.3特征值运算电路5.3.2绝对值运算电路UImAURUoNoiNVD1VD4VD3VD2RUIio5.3特征值运算电路5.3.3峰值运算电路VD1R1VD2uiR2VCuRuo∞-++N1GSD∞-++N2主要要求：(1)充电快(反映变化)；(2)放电慢(保持久)5.3.4最大、最小值选取电路5.3特征值运算电路峰值运算电路:输出由单一变量在一段时间内最大或最小值确定。最大、最小值选取电路：输出由多个变量中最大或最小者确定。uR扩展电路对于输入电压适应范围。VD1R2u1∞-++N1u2u3uRVD3VD2R1R3R4uoVD1R2u1∞-++N1u2u3uRVD3VD2R1R3R4uo最大值选取电路最小值选取电路5.4函数运算电路R3R2R6-URui+URuoVD2C∞-++NR5R4R1RfVD1VD3VD4VD5VD6ABOABCDA’B’C’D’uoui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5.4函数运算电路(2)反函数运算电路foi()ufuuif0uuRR1oi()ufuRuiRuo∞-++Nuff(x)-uf=f(uo)-测控电路282020/2/115.5微分积分运算电路5.5.1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X+++-WX-WYZ+ZY对象ASAR被调参数调节偏差调节器调节参数额定值引入积分运算后才能消除静差5.5微分积分运算电路5.5.1积分运算电路iCCRuiuo∞-++NR1i100od)(1QttiCCQutCoi001()dtQuuttQCRC0oio)(UtRCUtu基本积分运算电路在直流输入情况下积分电容通常较大测控电路302020/2/115.5微分积分运算电路增量积分电路（比例积分电路）b)R1R1UiuouiOOttUiR2R25.5.1积分运算电路∞-++NR1R1R2R2CCI1I1uiuoa)ttuCRuRRu0i1i12od1有利于提高调节速度测控电路312020/2/115.5微分积分运算电路5.5.2微分运算电路a)基本微分电路b)实用微分电路0ddoiRutuCtuRCuddio11111()11()(+)(1+)(1+)HsRCsCsRRCsRCsRCsRCs可进一步提高调节速度为减小干扰影响uiRCN∞uo++－uoR1RCC1N∞ui++－微分电容通常较小测控电路322020/2/11PID(比例–积分–微分)电路又称为PID调节器，是一种常见的控制电路。调节器的任务是将一定的物理量(被调节参数X)调节到预先给定的理论值(或称额定值W)，并克服干扰的影响保持这一值。5.5微分积分运算电路5.5.3PID电路测控电路332020/2/115.5.3PID电路5.5微分积分运算电路干扰参数X+++-WX-WYZ+ZY对象ASAR被调参数调节偏差调节器调节参数额定值积分：消除静差、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5.5微分积分运算电路5.5.3PID电路DDPPPDDIPIDD11()111TsTsKWsKKTTTsKTsssKKR2R4R3RRRIRR1R1R2RRDCDRR5RuiuoR∞-++N4∞-++N5∞-++N3CI∞-++N2∞-++N1RP比例积分微分43P5RRKI1111TsRCsDDD1TsTsK5.5微分积分运算电路R2R1R1R2RDCD∞-++N5∞-++N3uiu3uf3fDDuuRCs23fi1()RuuuR21D3ii2DDD1D111RRTsuuuRTsRCsRK5.5.3PID电路5.5微分积分运算电路R1uiCDR2R5R7CmuoPPDPIR6CIRPIRPD∞-++N1∞-++N3∞-++N2RRPR3R45.5.3PID电路5.5微分积分运算电路5.5.4工业生产过程调节器（一）总电路30kΩ外给定指示S6S427kΩ390kΩ390kΩ470kΩ30kΩ升软手动操作电路34内给外给S6外给定4~20mA输入1~5VURUi4×500kΩS7500kΩ500kΩ电平移动电路正反作用R1R2R3R4R6∞_+N1+IRRRUTUF500kΩ500kΩ500kΩ输入指示S5R给定指示RP2S5指示单元500kΩ500kΩ500kΩ500kΩ500kΩ560Ω内给定1~5V1kΩUSRPs标定∞_+N5+∞_+N6+P2P1RP1910Ω220ΩVS6VUB=10V3V910Ω20kΩ2130kΩRHRF降∞_+N4+Uo32kΩ40kΩ40kΩ2.4kΩ负载3CG21R7R8R9UF4Uf3DG27C24VRfIo62.5Ω10kΩ10kΩR1010kΩ输出电路UT4UB=10VRPI硬手动操作电路×101kΩ9.1kΩUo2CM62kΩ~15MΩ3.9~10kΩS110μF比例微分电路比例积分电路∞_+N3+RPP3PDPIUT3UF3×1S3211kΩCI132S2VDVRP424V测量∞_+N1+1kΩRP39.1kΩCMUT2UF22×5kΩUo1470kΩ30kΩ5.5微分积分运算电路5.5.4工业生产过程调节器500kΩ500kΩ500kΩ输入指示给定指示RP2S5S5指示单元500kΩ500kΩ500kΩ500kΩ