電路與電子學9信號運算處理及波形發(fā)生電路ppt課件

1、9.1 運算電路9.3 有源濾波電路9.4 電壓比較器*9.5 采樣-堅持電路9.5 正弦波振蕩電路9.6 非正弦波發(fā)生電路9.2 電壓、電流變換電路 Ao越大，運放的越大，運放的線性范圍越小。普線性范圍越小。普通情況加負反響才通情況加負反響才干使其任務于線性干使其任務于線性區(qū)。區(qū)。+UOM-UOM轉移特性轉移特性: uo: uo與與uiui的的關系關系ui=u+-u-uoA0AOuiuoimuimuimiuu 時：運放任務 在線性區(qū)。imiuu 時：運放任務 在非線性區(qū)。理想運放的條件： 0A ir0ro )(00uuAuAuio0Ii 放大倍數(shù)與負載無關，當有幾放大倍數(shù)與負載無關，當有幾級

2、運放時可以分級分析。級運放時可以分級分析。 uu虛短路虛短路虛開路虛開路uiuoA0由于運放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻高，輸出電由于運放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻高，輸出電阻小，在分析時常將其理想化，稱其所謂的理想運放。阻小，在分析時常將其理想化，稱其所謂的理想運放。運放線性運用運放線性運用信號的放大、運算信號的放大、運算恒壓源、恒流源電路恒壓源、恒流源電路有源濾波電路有源濾波電路在運放的線性運用中，運放的輸出與輸入之間在運放的線性運用中，運放的輸出與輸入之間加了負反響，使運放任務于線性形狀。加了負反響，使運放任務于線性形狀。uiuoA0(一一)、 反相比例電路反相比例電路0 uu i1i

3、2i 1 = i 2foiiRuRuRuu1110RRuuAfiuRfR1RbuiuoA虛短路虛短路虛開路虛開路uo電路的輸入電阻：電路的輸入電阻：R i = u i / i i=R1輸出電阻很?。≥敵鲭娮韬苄?！平衡電阻，使輸入端對地平衡電阻，使輸入端對地的靜態(tài)電阻相等的靜態(tài)電阻相等,以消除以消除偏置電流的影響。偏置電流的影響。R2=R1/ RfRfR1Rbuii iAR o =0RfR1Rbuiuo共模電壓：共模電壓：0uuuc1、輸入電阻小。、輸入電阻小。A 反相輸入反相輸入電路的特點電路的特點2、共模電壓為、共模電壓為03、同向端、同向端“虛地。虛地。(二二)、 同相比例電路同相比例電路

4、RfR1Rbuiuou-= u+=1RuRuuifioifouRRu)1 (1共模電壓：共模電壓： uc = u i 沒有虛地。沒有虛地。uiAifouRRu)1 (1RfR1RbuiuoA當當 Rf=0 時時:iouu R1RbuiuoAuiuoA*電壓跟隨電路電壓跟隨電路iouuuu在電路中作用與分別元件的射極輸出器一在電路中作用與分別元件的射極輸出器一樣，但是電壓跟隨性能好。樣，但是電壓跟隨性能好。一、反相加法電路一、反相加法電路uo0uuFiii1211)(22110ififuRRuRRuRfR2ui2i12R1ui1Rbi11iFAu+ = ui1 那么電壓放大倍數(shù)為：那么電壓放大倍

5、數(shù)為：uRRuF)1 (10u+ ui1 、ui2？2i2221211i222122uRRRuRRRuR22ui2)(1 (212111111211121iiFuRRRuRRRRRu所以：所以：留意留意:同相求和電路的兩個輸入信號的放同相求和電路的兩個輸入信號的放大倍數(shù)相互影響，不能單獨調(diào)整。大倍數(shù)相互影響，不能單獨調(diào)整。R1RFu i1+_uoR21A二、同相加法電路二、同相加法電路(三三)、減法電路、減法電路uu112RuuRuuio432RuRuui)(1212iiouuRRuR2R1R3ui2uoR4ui1A1211214342RRuRRRRRRuuiio當當31RR 42RR 時：時

6、：R2R1R3ui2uoR4ui1 差動式放大器放大了差動式放大器放大了兩個信號的差，但是它兩個信號的差，但是它的輸入電阻不高的輸入電阻不高 Ri = R1 + R3 A虛短路虛短路以上電路的比較歸納：以上電路的比較歸納：它們都引入電壓負反響，因此輸出電阻都比較小它們都引入電壓負反響，因此輸出電阻都比較小 。 關于輸入電阻：反相輸入的輸入電阻小，同相輸關于輸入電阻：反相輸入的輸入電阻小，同相輸入的輸入電阻高。入的輸入電阻高。 同相輸入的共模電壓高，反相輸入的共模電壓小。同相輸入的共模電壓高，反相輸入的共模電壓小。R2R1RPuiuoAR2R1RPuii iA運用舉例：運用舉例： 輸入方波，輸出

7、是三輸入方波，輸出是三角波。角波。tui0(一一) 積分運算電路積分運算電路Ruii1 dtuudCioF)( dtuRC1uiotuo0i1iFu iRR2CuoATKTRCUUo)(UUC(0+2、假設積分器從某一時、假設積分器從某一時辰輸入不斷流電壓，輸出辰輸入不斷流電壓，輸出將反向積分，經(jīng)過一定的將反向積分，經(jīng)過一定的時間后輸出飽和。時間后輸出飽和。tui0tuo0 t0oUdtRC1uU-UomMomUTRC1U URCUTomM TM積分時限積分時限i1iFu iRR2CuoATKTRCUUo)(二二) 微分運算電路微分運算電路u-= u+= 0RuioF dtduCii1 F1i

8、i dtduRCuio iFu iuoRR2i1CAtsinui 假設輸入：假設輸入：那么：那么：)90sin(tRCtRCuocostui0tuo0u iuoRR2i1iFCdtduRCuio A解:在求電壓放大倍數(shù)表達式時，可以把A1和A2看成一個運算放大器，見圖中棕色線框。 因A1和A2 都是反相輸入的，因此可確定輸入信號和輸出信號之間的極性。該電路相當同相比例運算電路，所以 6511RRFAuu索引索引例例1：求電路的電壓放大倍數(shù)。：求電路的電壓放大倍數(shù)。例例2：三運放電路：三運放電路uo1uo2R1R1R2R2uoRRRWui1ui2abA1A2Aui1 iauu 2ibuu Wba

9、WooRuuRRuu221WiiRuu2112oouu)(212iiWWuuRRRRRRWui1ui2uo1uo2abAA)(1212ooouuRRu 1o2ouu)uu(RRR21i2iWW ou)(21212iiWWuuRRRRRRRRWui1ui2uo1uo2abAAR1R1R2R2uouo1uo2A三運放電路是差動放大器，放大倍數(shù)可調(diào)三運放電路是差動放大器，放大倍數(shù)可調(diào)(RW)。電路為串聯(lián)負反響，輸入電阻高。電路為串聯(lián)負反響，輸入電阻高。uo1uo2R1R1R2R2uoou)uu(RRR2RR1i2iWW12 RRRwui1ui2abAAAuo(一一)、對數(shù)運算電路、對數(shù)運算電路SiT

10、oIRuUu1lnR1uiAi1iDRbD 對數(shù)運算電路以二極對數(shù)運算電路以二極管或三極管的發(fā)射結作為管或三極管的發(fā)射結作為反響元件，電路的指數(shù)規(guī)反響元件，電路的指數(shù)規(guī)律由二極管的正導游通特律由二極管的正導游通特性實現(xiàn)。性實現(xiàn)。Dii 1TDuuSDeIi/oDuu11Ruii(二二)、反對數(shù)運算：、反對數(shù)運算：uoRfuiARbTicif 反對數(shù)運算是對反對數(shù)運算是對數(shù)運算反運算，反對數(shù)運算反運算，反對數(shù)運算電路是將對數(shù)數(shù)運算電路是將對數(shù)運算電路中的二極管運算電路中的二極管或三極管與電阻或三極管與電阻的位置進展互換完成的位置進展互換完成的。的。TiUufSffoeRIRiu/BEuuifii

11、c 模擬乘法器是適用電子器件，早期運用于模擬模擬乘法器是適用電子器件，早期運用于模擬計算機，目前廣泛運用于信號處置、信號檢測、通計算機，目前廣泛運用于信號處置、信號檢測、通訊工程等科學領域。訊工程等科學領域。(一一)、乘法運算電路、乘法運算電路111lnsxToIRuUu212lnsyToIRuUu2121lnssyxTIIRuuUyxsssouuIIRIRu212133uoR3Rb3T3iciFR2Rb2iFR1A1Rb1R1T1T2Rb1A2A3A4uo1uo2uo3ux0uy0R2R2)(213ooouuu差動式減法器差動式減法器T1T2+_yuxu+_ouEi1ci2ciVCC-VEE

12、RCR1ReRCT3R1Rf+-RfyxouKuu yxfTeCfouuRRURRRu)(21)()(121121ccCfccfoiiRRRuuRRuyuxuouA、第一級的開路電壓：xCTeyxCmouRURuuRgu2假設：21BEBEuu21SSIIyxTeCfCfouuURRRRRu2B、輸出電壓與輸入電壓的關系：這里：)(2fCTeCfRRURRRKTeyTETCBECmURuUiUiuig12121212CxmCiugixCmCCCCCouRgRiRiiu1212)(yxouKuu跨導跨導ic1ic2ic5ic6I+iyI-iyiy+VccRcRcT1T2+ -VeeRyT5T6T

13、3T4ic3ic4II-ux+-uy+C6C5CC2C1CoR)ii(R)ii(uCXT4CXT3CR)U2iU2i(uu)ii(U2R4C3CTXCuYTYXCRURuu推導推導XT3CXm2C1CuuU2igiiXT4CXm6C5CuuU2igiiYYY4C3CR2i 2iiu例1: 利用乘法器實現(xiàn)YXuuKuo1yuouR1Rf+-Rbxu1iFiZXYA解：當R1= Rf時，那么有XZuuoYzuuuK又又YXouuuK1所以所以電路正常任務的條件是:運放的反響極性為負。因此：時 為負；時 為正。0K0Kyuyuxu的極性恣意、電壓源：、電壓源：要求輸出電阻小要求輸出電阻小電路電路組成

14、組成反向比例放大器反向比例放大器同相比例放大器同相比例放大器SfoURRU1_+RfR1RbUoUsASfoURRU)1(1_+RfR1RbUoUsA電電路路特特點點1、反相比例放大器組成的電壓源輸出可、反相比例放大器組成的電壓源輸出可以小于輸入。以小于輸入。2、同相比例放大器組成的電壓源的輸出、同相比例放大器組成的電壓源的輸出大于輸入。大于輸入。3、同相比例放大器的輸入電阻大，從信、同相比例放大器的輸入電阻大，從信號源獲得的電流小。號源獲得的電流小。s12FURRU2/ RRUIFFL負負載載懸懸地地！FIL_+R2R1RPUsRFRLARL、電流源：、電流源：要求輸出電阻大，要有電流負反響

15、。要求輸出電阻大，要有電流負反響。SFFURRRRRR1222SFFURRRR12負載電流負載電流IL與的與的RL數(shù)值無關，數(shù)值無關，“恒流恒流RUIIo_+R1UIRRLIoARL_+R1UIRLIoARLR4R2R3UoLLIoRRRRRRRURRI12433124312RRRR4RUIIo問題：負載懸地。濾波電路的種類濾波電路的種類:按信號性質(zhì)按信號性質(zhì): 模擬濾波器和數(shù)字濾波器模擬濾波器和數(shù)字濾波器按電路功能按電路功能: 低通濾波器LPF高通濾波器HPF帶通濾波器BPF帶阻濾波器BRF按所用元件按所用元件: 無源濾波器和有源濾波器無源濾波器和有源濾波器一、低通濾波器一、低通濾波器oFU

16、RRRU11iUCjRCjU11iUCRj11RCjRRUUFio11)1 (1UURR1RFC+-iU oU RCjRRUUFio11)1(1幅頻幅頻特性特性201Fio)(11)RR1(UU )RC1(0 1、0 時：時：)1 (1RRUUAFiou2、0 時：時：21)1 (1RRUUAFiouRR1RFC+-iU oU o/o11RRFuA有源濾波器于無源濾波器性能比較有源濾波器于無源濾波器性能比較iOUCRjU11RCjRRUUFio11)1 (1CRiU oU RR1RFC+-iU oU )RR1(UU1Fio 1、有電壓放大作用、有電壓放大作用2、有電壓負反響，輸出、有電壓負反響

17、，輸出 恒壓帶負載才干強。恒壓帶負載才干強。如何進一步提高濾波質(zhì)量?3、頻率特性不夠理想。、頻率特性不夠理想。二階有源低通濾波器二階有源低通濾波器UAUfoRCAQof131oofiofQjAUUA1)(1)(2RFRR1C+-iU oU CRP11RRAff21Q 2Q o/)(fA21Q 2Q o/二、高通濾波器RC對調(diào)對調(diào)RR1+-iU oU CRCR1021)(1)(QjAUUAofiof11RRAff)(fA 比較器屬于運算放大器的非線性運用，所謂比較器屬于運算放大器的非線性運用，所謂非線性運用是指：由運放組成的電路處于非線性非線性運用是指：由運放組成的電路處于非線性形狀，輸出與輸入

18、的關系形狀，輸出與輸入的關系uo=f(ui)是非線性函數(shù)。是非線性函數(shù)。 由運放組成的非線性電路有以下三種情況。由運放組成的非線性電路有以下三種情況。、電路中的運放處于非線性形狀開環(huán)或正反響。、電路中的運放處于非線性形狀開環(huán)或正反響。、電路中的運放處于線性形狀，但外圍電路有非線性元、電路中的運放處于線性形狀，但外圍電路有非線性元件二極管、三極管。件二極管、三極管。、電路中的運放處于非線性形狀，外圍電路也有非線性元、電路中的運放處于非線性形狀，外圍電路也有非線性元件二極管、三極管。件二極管、三極管。一、簡單電壓比較器一、簡單電壓比較器uoui0+Uom-UomUR+uouiURuoui0+Uom

19、-Uom過零比較器過零比較器UR = 0 的情況的情況:+uouituituo+Uom-Uom例例1：利用電壓比較：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉狡鲗⒄也ㄗ優(yōu)榉讲ā２ā?uoui*例2： 水位監(jiān)控。水位監(jiān)控。如何防止干擾？如何防止干擾？uo+uouiKMUR規(guī)范水位規(guī)范水位丈量水位丈量水位二、具有滯回特性的比較器二、具有滯回特性的比較器分析：分析：、由于有正反響，所以、由于有正反響，所以輸出飽和。輸出飽和。、當、當uo正飽和時：正飽和時：Hom211RUURRRU 當當uo負飽和時：負飽和時：Lom211RUURRRU 比較電壓由原比較電壓由原來的輸出決議來的輸出決議+uoRR2R1uiURU

20、+H - U+L稱為稱為回差回差傳輸特性傳輸特性U+HU+L跳轉后增大了跳轉后增大了U+-U- 加速跳轉加速跳轉小于回差的干擾不小于回差的干擾不會引起跳轉會引起跳轉下限下限上限上限uoui0Uom-UomHom211RUURRRU Lom211RUURRRU +uoRR2R1uiURtuiU+HU+LtuoUom-Uom輸入正弦波的情況輸入正弦波的情況+uoRR2R1uiURU+HU+Luoui0Uom-UomSomHURRRURRRU212211SomLURRRURRRU212211加上參考電壓后的上下限加上參考電壓后的上下限uoui0U+HU+LuoUS+RR2R1uiUR如何計算上下限？

21、如何計算上下限？用用UZ替代替代Uomuo UZ+RR2R1uiUR 為了穩(wěn)定輸出電壓，可以在輸為了穩(wěn)定輸出電壓，可以在輸出端加上雙向穩(wěn)壓管出端加上雙向穩(wěn)壓管1FA由于：由于：AAA|FFF|1振幅條件：振幅條件：1|AF2相位條件：相位條件：nFA2n是整數(shù)是整數(shù)相位條件相位條件: 振蕩電路必需有正反響；振蕩電路必需有正反響；振幅條件振幅條件: 放大倍數(shù)可調(diào)。放大倍數(shù)可調(diào)。開環(huán)放大電路dX oX 反響回路fX iX +uFuAufAFAAA1f問題問題1：如何啟振？：如何啟振？ Uo 是振蕩器的電壓輸出是振蕩器的電壓輸出幅度，幅度，B是要求輸出的幅度是要求輸出的幅度。起振時。起振時Uo=0，

22、到達穩(wěn)定，到達穩(wěn)定振蕩時振蕩時Uo=B。 放大電路中存在噪聲即瞬態(tài)擾動放大電路中存在噪聲即瞬態(tài)擾動,這些擾動這些擾動可分解為各種頻率分量，其中也包括可分解為各種頻率分量，其中也包括fo分量。分量。 選頻網(wǎng)絡：把選頻網(wǎng)絡：把fo分量選出，把其他頻率的分量分量選出，把其他頻率的分量衰減掉。這時，只需：衰減掉。這時，只需：|AF|1，且，且A+ B =2n，即可起振，即可起振。開環(huán)放大電路dX oX 反響回路fX iX +uFuAufA問題問題2：如何穩(wěn)幅？：如何穩(wěn)幅？ 起振后，輸出起振后，輸出Uo將逐漸將逐漸增大，假設不采取穩(wěn)幅增大，假設不采取穩(wěn)幅, |AF|仍大于仍大于1，輸出將會飽和失真，輸出

23、將會飽和失真。 Uo到達需求的幅值后，將參數(shù)調(diào)整為到達需求的幅值后，將參數(shù)調(diào)整為AF=1，即可，即可穩(wěn)幅。穩(wěn)幅。起振并能穩(wěn)定振蕩的條件：起振并能穩(wěn)定振蕩的條件：111AFBUAFBUAFBUooo時，時，時，開環(huán)放大電路dX oX 反響回路fX iX +uFuAufA二、二、RC正弦波振蕩電路正弦波振蕩電路 用用RC 電路構成選頻網(wǎng)絡的振蕩電路即所謂的電路構成選頻網(wǎng)絡的振蕩電路即所謂的 RC振蕩電路，可選用的振蕩電路，可選用的 RC 選頻網(wǎng)絡有多種，這選頻網(wǎng)絡有多種，這里只引見文氏橋選頻電路。里只引見文氏橋選頻電路。R1C1R2C2iUoU1、選頻電路、選頻電路)1( j)1 (1122112

24、21CRCRCCRRUUio12211CRCRoo時，相移為時，相移為0 0。R1C1R2C2iUoU122121CRCRfo假設：假設：R1=R2=R，C1=C2=CRCfo21)( j31ffffUUooio)( j31ffffUUooio)(31arctgffffoo22)(31ffffUUooio傳送函數(shù)：傳送函數(shù)：相頻特性：相頻特性：幅頻特性：幅頻特性：fofioUU31+9090f0R1C1R2C2iUoU1/32、用運放組成的、用運放組成的RC振蕩器振蕩器0A所以，要滿足相位條所以，要滿足相位條件，只需在件，只需在 fo 處處0F由于：由于：1AF122RR 121RRA3112

25、RRAuo_+R2RCRCR1AOui放大放大穩(wěn)幅穩(wěn)幅選選頻頻)( j31ffffUUooioiU oU 31F輸出頻率的調(diào)整：輸出頻率的調(diào)整：RCfo21經(jīng)過調(diào)整經(jīng)過調(diào)整R或或/和和C來改動頻率。來改動頻率。C：雙聯(lián)可調(diào)電：雙聯(lián)可調(diào)電容，改動容，改動C，用于細調(diào)振用于細調(diào)振蕩頻率。蕩頻率。K：雙聯(lián)波段開：雙聯(lián)波段開關，切換關，切換R，用于粗調(diào)振用于粗調(diào)振蕩頻率。蕩頻率。_+RFuoRCCRKKR1R1R2R2R3R3omHURRRU211omLURRRU211上下門限電壓：上下門限電壓：-+RR1R2C+ucuo任務原理：任務原理：(a )設：設： uo = + Uom此時，輸出給此時，輸出

26、給C充電充電!U+Huc0t那么：那么：u+=U+H一旦一旦 uc U+H , 就有就有 u- u+ uo 立刻由立刻由Uom 變成變成Uom ! U+Huc0t0tuoUom-Uom在在 uc U+H 時，時， u- u+ , uo 堅持堅持 + Uom 不變；不變；-+RR1R2C+ucuoC 經(jīng)輸出端放電，經(jīng)輸出端放電，U+HuctU+L(b)當當uo = -Uom 時時，u+=U+Luc到達到達U+L時，時，uo上翻。上翻。-+RR1R2C+ucuo 當當uo 重新回到重新回到Uom 以后，電路又進以后，電路又進入另一個周期性的變?nèi)肓硪粋€周期性的變化：化：U+Huc0tU+LUomuo

27、0t- Uom-+RR1R2C+ucuo周期與頻率的計算：周期與頻率的計算：TU+Huc0tU+LUomuo0t- Uom)RR21ln(RC2T21 T1f -+RR1R2C+ucuo積分電路積分電路將矩形波變?yōu)槿遣▽⒕匦尾ㄗ優(yōu)槿遣?此電路要求前后電路的時間常數(shù)配合此電路要求前后電路的時間常數(shù)配合好，不能讓積分器飽和。好，不能讓積分器飽和。方波發(fā)生器方波發(fā)生器RR1R2C+uc+A1反向積分電路反向積分電路RR2Cuo+A2電電路路一一方波發(fā)生器方波發(fā)生器 產(chǎn)生產(chǎn)生 矩形波矩形波tuRCuood11 三角波的周三角波的周期由方波發(fā)生期由方波發(fā)生器確定，其幅器確定，其幅值也由周期值也由周期

28、T和參數(shù)和參數(shù)R、C決議。決議。uo0uo1tUom-UomRR1R2C+ucRR2Cuouo1+A1A2)RR2RCln(12T21)(21ouRCUTTRCuUoo)(1U-U電路二：電路一的改型電路二：電路一的改型A1A2uouo1R02R01RCR2R1反向積分電路反向積分電路滯回滯回比較器比較器特點：滯回比較器的輸出作為反相積分器的輸入，反特點：滯回比較器的輸出作為反相積分器的輸入，反 相積分器的輸出又反響到滯回比較器的輸入。相積分器的輸出又反響到滯回比較器的輸入。+oouRRRuRRRu1221121100uo1tUOmUOmuotU +HU +LA1A2uouo1R02R01RC

29、R2R1+omoUu101u時：時：電容充電電容充電uouo電位下降。電位下降。omoUu101u時：時：電容充電電容充電uouo電位升高。電位升高。ucuouo電位下降使得電位下降使得u1+u1+下降下降oouRRRuRRRu12211211A1A2uouo1R02R01RCR2R1+0tUOmUOmuo1uo2t1t2取取 t1t2 段：段： uo1= -Uom ; uo線性添加：線性添加：當當uo = Uom R1/R2時時, u1+= 0在在 t1t2 點：點：omURR21omURR21uoA1A2uouo1R02R01RCR2R1+0tuo2uo1UOmUOmt1t2omURR21

30、omURR210t由此可得，三角波的峰值是：由此可得，三角波的峰值是：omoURRU21幅值的計算：幅值的計算：周期和頻率的計算：周期和頻率的計算：RCRRf124214RRCRT TTT5 . 021A1A2uouo1R02R1RCR2R1+TKUo)()(1212ttRCUUUomototTT1T2tuot1t22)()()(2121TRCUURRURRomomom根據(jù)：根據(jù)：omLURRU21omHURRU21 電容充放電時間電容充放電時間T1T1、T2T2可經(jīng)過可經(jīng)過R R、RR調(diào)整。調(diào)整。 當當R=0R=0時，那么為鋸時，那么為鋸齒波發(fā)生器。齒波發(fā)生器。電路三：是電路二的改良電路三：是電路二的改良uo1被嵌位被嵌位于于UzR2R1RR2CuoR+A1A