张国雄版测控电路PPTChapter5-4

1、第五章第五章 信号运算电路信号运算电路第一节第一节 加减运算电路加减运算电路第二节第二节 对数、指数运算电路对数、指数运算电路第三节第三节 微分积分运算电路微分积分运算电路理想运算放大器理想运算放大器l 5个理想特性个理想特性(1)电压增益无限大电压增益无限大(2)输入电阻无限大输入电阻无限大(3)输出电阻为输出电阻为0(4)带宽为无限大带宽为无限大(5)输入失调电压为输入失调电压为0l 3个导出的附加性能个导出的附加性能差模输入电压为差模输入电压为0 - (1)流入两个输入端的电流为流入两个输入端的电流为0 UT时：时：TbeUUsceII/ 电路特点：电路特点：(1)随电流变化的随电流变化

2、的m没有出现在公式中，没有出现在公式中， 所以三极管所以三极管对数电路的输入范围远远超过二极管对数电路对数电路的输入范围远远超过二极管对数电路(2)一般情况下集电极电流的工作范围为一般情况下集电极电流的工作范围为pA到到mA数数量级，量级， 在运算放大器的输入失调电流很小的情在运算放大器的输入失调电流很小的情况下，才能充分利用这个优点况下，才能充分利用这个优点上述电路缺点：上述电路缺点：受温度的影响较大，受温度的影响较大，主要原因：主要原因：U UT T和和I Is s随温度而变化。随温度而变化。 当温度从当温度从2020上升到上升到5050时，时，U UT T增大增大1010，I Is s增

3、加近增加近1010倍。倍。 为了消除为了消除I Is s的影响，可以采用由的影响，可以采用由两个运放及两个三两个运放及两个三极管组成的具有温度补偿功能的对数放大电路极管组成的具有温度补偿功能的对数放大电路 一个实用电路一个实用电路电容电容C为相位补偿电容为相位补偿电容,是用于防止对数放是用于防止对数放大器自激大器自激二极管二极管D是用来保护三极管是用来保护三极管BE结的结的12bebeAUUU 5/21/121RUeIIRUeIIrefUUsciUUscTbeTbe refiUUccURRUeIITA5121 当当R3较小时，三极管基极电流较小时，三极管基极电流Ibe2远小于远小于流入流入R3

4、的电流，于是：的电流，于是：UoRRRUA323 l 电阻电阻R4用来限制电流用来限制电流Ic1、Ic2的大小的大小 l 电容电容C1、C2用作相位补偿用作相位补偿l R3可以选择具有正温度系数可以选择具有正温度系数(0.3/K)热敏电阻以热敏电阻以补偿由于温度变化而引起补偿由于温度变化而引起UT的变化的变化refiTURURRRRUUo15332ln 当当R3断路时，有：断路时，有：refiTURURUUo15ln 为消除电流为消除电流Is影响，也可以采用由两个运放及两个三极管影响，也可以采用由两个运放及两个三极管组成的具有温度补偿功能的指数运算电路，组成的具有温度补偿功能的指数运算电路，二

5、、指数运算电路二、指数运算电路指数运算是对数运指数运算是对数运算的反运算。算的反运算。TiTbeUUsUUsceIeII/ TiUUscoeRIRIU/11 当当R3断路时：断路时：可见，可见，Uo与与Is无关无关 第三节第三节 微分积分运算电路微分积分运算电路一、积分运算电路一、积分运算电路、反相积分电路、反相积分电路UIcUIiRCoia)NciII dtdUoCRUi toioUdttURCU0)0()(1第三节第三节 微分积分运算电路微分积分运算电路一、积分运算电路一、积分运算电路、反相积分电路、反相积分电路一、积分运算电路一、积分运算电路l 显然输出电压显然输出电压Uo随时间线性上升

6、，随时间线性上升， 所以积分电路所以积分电路非常适合于用作三角波和锯齿波发生器非常适合于用作三角波和锯齿波发生器则则Uo为：为：)0(oioUtRCUU l 输出电压幅值与角频率成反比，频率升输出电压幅值与角频率成反比，频率升高时，幅值下降高时，幅值下降l 下降的速率为下降的速率为-20dB/10倍频程倍频程l 在实际应用中，由于参数是非理想的，必定引入积在实际应用中，由于参数是非理想的，必定引入积分误差分误差l 在积分的过程中，运算放大器的输入偏置电流在积分的过程中，运算放大器的输入偏置电流Ib和和输入失调电压输入失调电压Uos也随时间而积分，它对积分器有也随时间而积分，它对积分器有较大影响

7、较大影响l 当输入电压当输入电压Ui=0时，通过积分电容的误差电流为时，通过积分电容的误差电流为: l由此产生的输出电压变化为由此产生的输出电压变化为: l 如果取如果取C=1uF,那么那么1uA的误差电流将使的误差电流将使Uo以以1V/s的速度增长的速度增长l 在积分时间常数在积分时间常数 = RC 一定的情况下，一定的情况下，C越大，越大，Ib的影响越小，而的影响越小，而Uos的影响是不变的的影响是不变的l 为了使为了使Ib的影响不超过的影响不超过Uos的影响，的影响，Ib应该非常小应该非常小 例如例如若若C=1uf，RC=1s，运算放大器的，运算放大器的Uos为为1mV，那么输入偏置电流

8、应满足，那么输入偏置电流应满足 Ib1nA这样低的输入偏置电流的要求，双极型晶体管构这样低的输入偏置电流的要求，双极型晶体管构成的运算放大器很难满足成的运算放大器很难满足显然这一电流提供了偏置电流，于是显然这一电流提供了偏置电流，于是误差电流被补偿了误差电流被补偿了图所示电路是具有图所示电路是具有Ib补偿的积分电路补偿的积分电路电阻电阻RP的阻值应与的阻值应与R相同，其上的相同，其上的压降为压降为IbR当当Ui=0时，由于时，由于U+=U-，流过电阻，流过电阻R的电流为的电流为: bbNIRRIRUI l 为了得到较的积分效果为了得到较的积分效果 应选用较小应选用较小Ib、Uos的集成运算放大

9、器，较大的积的集成运算放大器，较大的积分电容分电容电解电容器的漏电流比较大，所以一般不能作积电解电容器的漏电流比较大，所以一般不能作积分电容分电容应选用薄膜类的电容，不过这类电容器的电容量应选用薄膜类的电容，不过这类电容器的电容量不大，很难超不大，很难超10uF在积分时间较长时应选用场效应管输入的集成运在积分时间较长时应选用场效应管输入的集成运算放大器或斩波稳零放大器，而不应选用通用的算放大器或斩波稳零放大器，而不应选用通用的集成运算放大器集成运算放大器即输入电压与两输入信号电压之差的积分成比例，该即输入电压与两输入信号电压之差的积分成比例，该积分电路具有抑制共模信号的能力，但积分电路具有抑制

10、共模信号的能力，但C1、C2和和R1、R2必须严格对称，否则共模抑制能力降低必须严格对称，否则共模抑制能力降低 同相积分器同相积分器差分积分器差分积分器积分电路实例积分电路实例二、二、 微分运算电路微分运算电路l 微分运算电路的输出信号电压与输入信号电压的微微分运算电路的输出信号电压与输入信号电压的微分成比例分成比例l 也称为微分放大器或微分器也称为微分放大器或微分器RcII RUdtdUCoi dtdURCUio 微分电路幅频特性是一条微分电路幅频特性是一条+20dB/10倍频程斜直线倍频程斜直线图所示的电路在原理上虽然可以实现微分运算，图所示的电路在原理上虽然可以实现微分运算，但存在稳定性

11、差、高频噪声大和但存在稳定性差、高频噪声大和高频输入阻抗低高频输入阻抗低等不足，必须加以克服，否则无法使用等不足，必须加以克服，否则无法使用 反馈回路的相移是滞后的，频率越高相移滞后越反馈回路的相移是滞后的，频率越高相移滞后越大，其相移为大，其相移为090，对高频产生接近，对高频产生接近90的的相位滞后相位滞后单极点的放大器本身的相移为单极点的放大器本身的相移为090因此与运算放大器的滞后结合在一起，相移已接因此与运算放大器的滞后结合在一起，相移已接近近-180当输入信号为正弦波当输入信号为正弦波Ui = Umsint，输出电压为，输出电压为:尽管运算放大器本身的稳定性很好，也很容易使电尽管运

12、算放大器本身的稳定性很好，也很容易使电路自激振荡路自激振荡解决这个问题的简单的方法是在微分电容上串联一解决这个问题的简单的方法是在微分电容上串联一个电阻个电阻R1， 如图如图 在基本的微分电路中，频率越高，输入阻抗越低，在基本的微分电路中，频率越高，输入阻抗越低， 则电路则电路的增益也就越大的增益也就越大因此微分电路的高频噪声很大，可能淹没信号，而使微因此微分电路的高频噪声很大，可能淹没信号，而使微分电路无法正常工作分电路无法正常工作因此串联电阻因此串联电阻R1也可以有效地抑制高频增益，限制了高也可以有效地抑制高频增益，限制了高频噪声并提高了高频输入阻抗频噪声并提高了高频输入阻抗R1值值为反馈

13、电阻为反馈电阻R的百分之一到千分之一之的百分之一到千分之一之间间电阻的引入，增加了一个新的极点，改电阻的引入，增加了一个新的极点，改变了反馈网络的特性，只要阻值选的合变了反馈网络的特性，只要阻值选的合适，可以保证微分电路稳定的工作适，可以保证微分电路稳定的工作l 加入加入C1后，使幅频特性在没有达到较高频率时，就提前以后，使幅频特性在没有达到较高频率时，就提前以-20dB/10倍程下降。有效地消除了自激和降低高频噪声倍程下降。有效地消除了自激和降低高频噪声 l 不过加入不过加入R1、C1后，将会引入一定的运算误差，后，将会引入一定的运算误差，R1、C1的的值越大，误差也越大，因此在稳定工作的前

14、提下，值越大，误差也越大，因此在稳定工作的前提下，R1、C1的值应尽量小一些，且使的值应尽量小一些，且使R1C=RC1在微分电路工作频率比较低时，为了在微分电路工作频率比较低时，为了更有效地抑制高频噪声，常在反馈电更有效地抑制高频噪声，常在反馈电阻阻R上并联一个小上并联一个小电容电容C1 微分电路实例微分电路实例三、三、PIDPID调节电路调节电路l PID调节电路又称为调节电路又称为PID调节器，是一种常用的控调节器，是一种常用的控制电路和补偿校正装置制电路和补偿校正装置由比例由比例(P, proportion)环节、微分环节、微分(D, differential)环节及积分环节及积分(I,

15、 integral)环节构成环节构成l 这三种环节的不同组合又可构成：这三种环节的不同组合又可构成：比例积分比例积分(PI)、比例微分比例微分(PD)比例积分微分比例积分微分(PID)三种调节电路三种调节电路干扰参数X+-W X-WY Z+ZY对 象ASAR被调参数调节偏差调 节 器调节参数额定值PID电路实例电路实例第四节第四节 常用特征值运算电路常用特征值运算电路一、绝对值运算电路一、绝对值运算电路从电路上看，取绝对值就是对信号进行全波或半波整流。UOoUi绝对值运算电路的传输特性绝对值运算电路的传输特性第四节第四节 常用特征值运算电路常用特征值运算电路一、绝对值运算电路一、绝对值运算电路

16、NUiUoUNRIoVD1VD3VD2VD4mARUiIo 绝对值实例绝对值实例第四节第四节 常用特征值运算电路常用特征值运算电路二、平均值运算电路二、平均值运算电路(低通滤波器实现低通滤波器实现)三、峰值运算电路三、峰值运算电路l 检测信号在某一周期内峰值的电路检测信号在某一周期内峰值的电路l 由输入信号自己控制，通常可由采样由输入信号自己控制，通常可由采样/保持电路实现保持电路实现l 当输入信号上升大于前次采样的信号时，电路处于当输入信号上升大于前次采样的信号时，电路处于采样状态，并跟踪输入信号采样状态，并跟踪输入信号l 当输入信号下降时，保持采样值当输入信号下降时，保持采样值l 其输出为

17、一个采样周期内的峰值其输出为一个采样周期内的峰值l 最简单峰值运算电路最简单峰值运算电路(峰值检波器峰值检波器)l 在输入波形的最高点对电容充电在输入波形的最高点对电容充电l 输入信号降低时，二极管反向偏输入信号降低时，二极管反向偏置，保持上一个峰值置，保持上一个峰值l 问题问题1、输入波形的峰值期间输入、输入波形的峰值期间输入阻抗变化，且阻抗很低阻抗变化，且阻抗很低2、二极管压降使电路对约小、二极管压降使电路对约小于于0.6V的峰值不敏感对大峰值的峰值不敏感对大峰值电压不精确电压不精确(一个二极管压降一个二极管压降)3、二极管压降取决于环境温度和电流、二极管压降取决于环境温度和电流4 电容漏电电容漏电l 利用反馈改善电路特性利用反馈改善电路特性从电容端引入反馈从电容端引入反馈二极管压降不会导致任何问题二极管压降不会导致任何问题l 消除二极管漏电消除二极管漏电end第四节第四节 常用特征值运算电