中南大学电子技术课件——信号运算及处理电路

1、(5-1)电子技术电子技术 第第5 5、6 6章章 信号运算和处理电路信号运算和处理电路模拟电路部分模拟电路部分(5-2) 第第5 5、6 6章章 信号运算和处理电路信号运算和处理电路1 12 23 3 有源滤波器有源滤波器4 4 电压比较器电压比较器5 5波形产生电路波形产生电路(5-3)学习指导学习指导本章所讨论的集成运放的基本应用电路，主要包括加法、减法、本章所讨论的集成运放的基本应用电路，主要包括加法、减法、微分、积分、对数、反对数（指数）运算电路以及乘法器和除法微分、积分、对数、反对数（指数）运算电路以及乘法器和除法运算电路等。本章讨论的信号处理电路是有源滤波电路。运算电路等。本章讨

2、论的信号处理电路是有源滤波电路。 在分析各种运算和处理电路时，由运放构成的电路通常工作在深在分析各种运算和处理电路时，由运放构成的电路通常工作在深度负反馈条件下，常用到以下两个概念：度负反馈条件下，常用到以下两个概念： 1.1.集成运放两个输入端之间的电压通常接近于零，即虚短。集成运放两个输入端之间的电压通常接近于零，即虚短。2.2.集成运放输入电阻很高，两输入电流几乎为零，即虚断。集成运放输入电阻很高，两输入电流几乎为零，即虚断。(5-4)一一 运放的应用分类运放的应用分类1线性应用线性应用条件：条件：vID小；线性区小；线性区方法：深度负反馈！方法：深度负反馈！特点特点:（1）vID =

3、0，vP = vN; “虚短虚短”（2） iP iN 0, “虚断虚断”2. 非线性应用非线性应用条件：条件：|vID|足够大；限幅区足够大；限幅区方法：开环！（电压比较器）方法：开环！（电压比较器）正反馈（指运放本身的工作状态，正反馈（指运放本身的工作状态，而不是电路而不是电路vi与与vo之间的关系）之间的关系）(5-5)uiuo+UOM-UOM Ao越大，运放的线性范围越小，必越大，运放的线性范围越小，必须须在在输出与输入之间输出与输入之间加负反馈加负反馈才能才能使其扩大输入信号的线性范围。使其扩大输入信号的线性范围。uiuo_+ +AoCmaxoOMEuU 例：若例：若UOM=12V，A

4、o=106， 则则|ui| UR时时 , uo = +Uom当当ui UR时时 , uo = -Uom 1、若若ui从同相端输入从同相端输入一、单限电压比较器一、单限电压比较器(5-67)+uouiURuoui0+Uom-UomUR当当ui UR时时 , uo = -Uom 2、 若若ui从反相端输入从反相端输入(5-68)uoui0+UOM-UOM+uoui3、过零比较器、过零比较器: (UR =0时时)+uouiuoui0+UOM-UOM(5-69)+uouitui例：例：利用电压比较器将正利用电压比较器将正弦波变为方波。弦波变为方波。uot+Uom-Uom(5-70)+uiuoui0+U

5、Z-UZ电路改进：电路改进：用稳压管稳定输出电压。用稳压管稳定输出电压。+uiuo UZRR uo UZ电压比较器的另一种形式电压比较器的另一种形式 将双向稳压管接在将双向稳压管接在负反馈回路上负反馈回路上(5-71)比较器的特点比较器的特点1. 电路简单。电路简单。2. 当当Ao不够大时，不够大时， 输出边沿不陡。输出边沿不陡。3. 容易引入干扰。容易引入干扰。tuiuot过零附近仍过零附近仍处于放大区处于放大区(5-72)1 1、反向滞回比较器、反向滞回比较器分析分析1. 因为有正反馈，所以因为有正反馈，所以输出饱和。输出饱和。2. 当当uo正饱和时正饱和时(uo =+UOM) ：U+12

6、11thomUURRRU3. 当当uo负饱和时负饱和时(uo =UOM) ：2211thomUURRRU+uoRR2R1ui参考电压由参考电压由输出电压决定输出电压决定特点：特点：电路中使用正反馈，电路中使用正反馈， 运放处于非线性状态。运放处于非线性状态。1）. 没加参考电压的没加参考电压的反向滞回比较器反向滞回比较器二、滞回比较器二、滞回比较器(5-73)omthURRRU2111omthURRRU2112分别称分别称Uth1和和Uth2上下门限电压上下门限电压。称。称(Uth1 Uth2)为为回差回差。当当ui 增加到增加到UH时，输出时，输出由由Uom跳变到跳变到-Uom；+uoRR2

7、R1ui当当ui 减小到减小到UL时，输出时，输出由由-Uom跳变到跳变到Uom 。传输特性：传输特性：uoui0Uom-UomUTH1UTH2小于回差的干扰不会引起小于回差的干扰不会引起跳转。跳转。跳转时，正反馈加跳转时，正反馈加速跳转。速跳转。(5-74)tuiUom-UomtuiUth1Uth2例：例：反向滞回比较器反向滞回比较器的的输入为正弦波时，输入为正弦波时，画出输出的波形。画出输出的波形。+uoRR2R1ui(5-75)RomTHURRRURRRU2122111RomTHURRRURRRU21221122）. 加上参考电压后的反向滞回比较器加上参考电压后的反向滞回比较器加上参考电

8、压后的上下限：加上参考电压后的上下限：+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUTH1UTH2(5-76)反向滞回比较器反向滞回比较器两种电路两种电路传输特性传输特性的比较的比较:+uoRR2R1uiuoui0Uom-UomUTH1UTH2+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUTH1UTH2(5-77)例：例：R1=10k ，R2=20k ，UOM=12V， UR=9V当输入当输入 ui 为如图所示的波形时，画出输出为如图所示的波形时，画出输出uo的波形。的波形。+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUTH1UTH25V10Vuit0(5-78)首先计算上下门限电

9、压：首先计算上下门限电压：+uoRR2R1uiURV102122111RomTHURRRURRRUV22122112RomTHURRRURRRU(5-79)+UOM-UOM根据传输特性画输出波形图。根据传输特性画输出波形图。+uoRR2R1uiURuoui0Uom-UomUTH1UTH2uiuott10V5V002V(5-80)例例 ：指出能够实现下列波形的各个电路的名称指出能够实现下列波形的各个电路的名称(5-81)1 产生自激振荡的原理产生自激振荡的原理fidXXX改成正反馈改成正反馈只有正反馈电路才能产生自激振荡。只有正反馈电路才能产生自激振荡。基本放大基本放大电路电路Ao反馈电路反馈电

10、路FiX+ dXoXfX一、正弦波发生器一、正弦波发生器波形产生电路波形产生电路(5-82)如果：如果：,ifXX则去掉则去掉,iX仍有信号输出。仍有信号输出。基本放大基本放大电路电路Ao反馈电路反馈电路FdXoXfX反馈信号代替了放大反馈信号代替了放大电路的输入信号。电路的输入信号。基本放大基本放大电路电路Ao反馈电路反馈电路FiX+ +dXoXfX产生自激振荡产生自激振荡(5-83)自激振荡条件的推导自激振荡条件的推导基本放大基本放大电路电路Ao反馈电路反馈电路FiX+ +dXoXfXdOXXA OfXXF fdXX1FA自激振荡的条件自激振荡的条件(5-84)自激振荡的条件：自激振荡的条

11、件：1)()(FA因为：因为：AAA|)(FFF|)(所以，自激振荡条件也可以写成：所以，自激振荡条件也可以写成：（1）振幅条件：）振幅条件：1|AF（2）相位条件：）相位条件：nFA2n是整数是整数相位条件相位条件意味着振荡电路必须是正反馈；意味着振荡电路必须是正反馈；振幅条件振幅条件可以通过调整放大电路的放大倍数达到。可以通过调整放大电路的放大倍数达到。(5-85)问题问题1：如何启振？如何启振？Uo 是振荡器的电压输出幅度，是振荡器的电压输出幅度，B是要求输出的幅是要求输出的幅度。起振时度。起振时Uo=0，达到稳定振荡时，达到稳定振荡时Uo=B。放大电路中存在噪声即瞬态扰动，这些扰动可分

12、放大电路中存在噪声即瞬态扰动，这些扰动可分解为各种频率的分量，其中也包括有解为各种频率的分量，其中也包括有fo分量。分量。选频网络：选频网络：把把fo分量选出，把其他频率的分量分量选出，把其他频率的分量衰减掉。这时，只要：衰减掉。这时，只要：|AF|1，且，且 A+ F =2n ，即可起振。即可起振。(5-86)起振起振起振条件起振条件 iouuAu ofuuFu 2AFn 放大器放大器Au反馈网络反馈网络FuUoUfUi 1/FuAu = 1/FuOuiuoAuuoAu Fu 1Au Fu Uth1 , 就有就有 u- u+ ,在在 uc Uth1时，时， u- u+ , uo 保持保持 +

13、 Uom 不变；不变；uo 立即由立即由Uom 变成变成Uom +RR1R2C+ucuo(5-103)此时，此时，C 经输出端放电。经输出端放电。 当当uo = -Uom 时，时，u+=Uth2uc降到降到Uth2时，时，uo上翻上翻。Uth1uctUth2当当uo 重新回到重新回到Uom 以后，电路又进入另一个以后，电路又进入另一个周期性的变化。周期性的变化。+RR1R2C+ucuoomthURRRU2112 (5-104)0Uth1uctUth2Uomuo0t- UomT输出波形：输出波形：+RR1R2C+ucuo(5-105)RC电路：起反馈和延迟作用，获得一定的频率电路：起反馈和延迟作

14、用，获得一定的频率。反向输入迟滞比较器：起开关作用，实现高低电平的转换反向输入迟滞比较器：起开关作用，实现高低电平的转换。+RR1R2C+ucuo方波发生器各部分的作用：方波发生器各部分的作用：(5-106)3）周期与频率的计算）周期与频率的计算RCtomthomceUUUtu )()(2f=1/T)21ln(221RRRCT RCtOmthOmceUUUtu )()(1uc上升阶段表示式上升阶段表示式:uc下降阶段表示式下降阶段表示式:uc0Uth1tUth2T1T2RCTomthomtheUUUU2)(21 RCTomthomtheUUUU1)(12 )21ln(2121RRRCTT om

15、ththURRRUU21121 P200(5-107)方波发生器电路的改进：方波发生器电路的改进：+RR1R2C+ucuo+RR1R2C+ucuo UZ(5-108)(5-108)思考题：思考题：点点 b 是电位器是电位器 RW 的中点，点的中点，点 a 和点和点 c 是是 b 的上方的上方和下方的某点和下方的某点 。试。试定性定性画出点电位器可动端分别处于画出点电位器可动端分别处于 a、b、c 三点三点时的时的 uo - uc 相对应的波形图。相对应的波形图。-+RWR1R2CucuoD1D2abcbcabRRbcabRRbcabRRa点点:b点点:c点点:TT1周期高电平脉宽占空比1T(5

16、-109)反向积分电路反向积分电路方波发生器方波发生器电路一：电路一：方波发生器方波发生器 积分电路积分电路 三角波三角波+RR1R2C+uc-+RR2Cuo此电路要求前后电路的时间常数配合此电路要求前后电路的时间常数配合好，不能让积分器饱和。好，不能让积分器饱和。2、 三角波发生器三角波发生器(5-110)dtuRCuoo11+RR1R2C+uc-+RR2Cuouo1uo三角波的周期由方波发生器确定，其幅值也由三角波的周期由方波发生器确定，其幅值也由周期周期T和参数和参数R、C决定。决定。0uo1tUom-Uom(5-111)电路二：电路二：电路一的改型电路一的改型+A1A2uouo1R02

17、R01RCR2R1反向积分电路反向积分电路上行迟滞上行迟滞比较器比较器特点：特点：由由反向的滞回比较器反向的滞回比较器和和反相积分器反相积分器级联构成，级联构成，滞回比较器的输出作为反相积分器的输入，反相滞回比较器的输出作为反相积分器的输入，反相积分器的输出又作为滞回比较器的输入。积分器的输出又作为滞回比较器的输入。(5-112)+uoRR1R2uiuoui0Uom-UomUth1Uth2同向的滞回比较器同向的滞回比较器回顾回顾:omthURRU121 omthURRU122 阀值电压：阀值电压：(5-113)回顾回顾:反相积分器反相积分器dtuRCuio1ui-+RR2Cuoui=-Uui=

18、+Utuo0+Uom-Uom(5-114)omthURRU121 omthURRU122 +A1A2uouo1R02R01RCR1R200uo1tUOmUOmuotUth1Uth2 dtuRCuoo11(5-115)周期和频率的计算：周期和频率的计算：tuoUth1Uth2T+A1A2uouo1R02R01RCR1R2RCRRf214 124RRCRT T1T22101)(1ththTOmUUdtURC 12021ththTOmUUdtURC TTT5 . 021 omTOmURRdtURC125 . 0021 P201(5-116)tuoT1T2-+R2R1+R R2CuoR+T1 时间段，电容时间段，电容 C 通过通过 R 放电放电T2 时间段，电容时间段，电容 C 通过通过 R 充电充电充放电的充放电的