测控电路第5章信号运算电路

1、n获得被测参数：和、差、积、积分、平均值、峰值、任意函数n实现控制：PIDn误差补偿：非线性补偿n减小干扰影响：共模抑制，跟踪滤波n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22022-5-215. 信号运算电路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32022-5-215.1 线性运算电路5.1.1 加法运算电路加法运算电路Ruouu+-+NRfifui1ui2R1Rnini1uini2R2fffoi1i2i12nnRRRuuuuRRR foi1p/1/nkjjjkR

2、RRuuRRRR12/jknRRRRR独立作用原理独立作用原理Rui1ui2R2uou+-+NRnRpRfR1uinu 测控电路42022-5-215.1.2 减法运算电路减法运算电路（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52022-5-21（二）用单一运算放大器实现减法运算（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 减法运算电路减法运算电路Pffoi2i12P11(1)RRRuuuRRRRRf/R1= RP/R2=K o21()iiuK uuRRfui1ui2R1uou-u+-+NR25.1

3、线性运算电路5.1.3 加减混合运算电路加减混合运算电路Rui1ui2R2uou+-+NRnRfR1uinuui-1ui-2R-1R-mui-mR-2ffoiq11p/1/nmkjqjikjRRRRuuuRRRRRp12/mRRRR12/qknRRRRR独立作用原理独立作用原理5.1 线性运算电路ui1ui2uo15.1.3 加减混合运算电路加减混合运算电路ui1、ui2均可扩展均可扩展n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，输入量

4、， K增益增益V-1 5.2 乘除运算电路5.2.1 对数运算电路对数运算电路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。ioDTs1lnuuuUI R 小信号时小信号时PN结具有对数特性结具有对数特性n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 对数运算电路对数运算电路R1ui- -+ + +N1URuoiDR65k1M100kUCUDR4R3V1R21.5MR5i2- -+ + +N2tV2RT5.2 乘除运算电路5.2.1 对数运算电路对数运算电路i11uiR1s1

5、iTBE1lnIRuUuR22UiRs22RTBE2lnIRUUus11Rs22iTBE1BE2T54T5olnIRUIRuUuuRRRRRus11Rs22iT5T54TolnIRUIRuRRRRRUu1R2iT5T54TolnRURuRRRRRUus1s2II7 .16T5T54RRRRRi1R2olguRURu5.2.2 指数运算电路指数运算电路5.2 乘除运算电路RfifiVuiuo-+NBEiTTfsseeuuUUiiII TifsoeUuRIu5.2 乘除运算电路5.2.2 指数运算电路指数运算电路R1ui-+N1uoR4200pFR5R3V1R2RTV2-+N2tUR5.2 乘除运

6、算电路5.2.2 指数运算电路指数运算电路2s2oTBE2lnIRuUu1s1RTBE1lnIRUUus22Rs11oTBE2BE1T54T5ilnIRUIRuUuuRRRRRu5Ti45TT()/()R2o1eRRuRRRUU RuR7 .161T54T5RRRRRii12Ro1010ukuRRUus1s2II5.2 乘除运算电路1s222olnTRIuuU21212s1s3s333soTo3euuRIIRIRIuUu指数指数5.2.3 基于对数和指数运算的乘法运算电路基于对数和指数运算的乘法运算电路对数对数uo3R2R3uo1uo2uoR1u1-+N1R2V1R1u2-+N2R2V2-+N

7、3-+N4V31s111olnTRIuuU21s2s121To21o3olnRIIuuUuuu相加相加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基于对数和指数运算的除法运算电路1s222olnTRIuuU指数指数uo3R2R3uo1uo2uoR1u1-+N1R2V1R1u2-+N2R2V2-+N3-+N4V3R21s111olnTRIuuU21To12oo3lnuuUuuuo3T1o3 ss32euUuuR II Ru 对数对数相减相减n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

8、相乘。5.2 乘除运算电路5.2.5 四象限乘法运算电路四象限乘法运算电路o4()()4xyxyxyUE UEUUUUUEEEU0.50.5-1-1-1-1ExUy0U10U20.50.5-1-1-1-1N1xyzxyzN3N2U-1-1-1-1-1-1+4+4oN4- - -+ +5.2 乘除运算电路5.2.6 基于乘法器的除法运算电路基于乘法器的除法运算电路UUUoyxKxyxyN2N1oyxKU UUo()xyUUKU5.2 乘除运算电路5.2.7 基于变跨导的乘法运算电路基于变跨导的乘法运算电路co0T2xyR u uuR UocxugR u00/yiuR0T2igU对数指数式与变跨导

9、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tOuUxUyUotOuUxUyUon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n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+i1R

10、4uoR1R2R3VD1VD2+ u i-+N1-+N2+uA+AsuAu2R3Rn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UImAURUoNoiNVD1VD4VD3VD2RUIio5.3 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。VD1R2

11、u1- -+ + +N1u2u3uRVD3VD2R1R3R4uoVD1R2u1- -+ + +N1u2u3uRVD3VD2R1R3R4uo最大值选取电路最大值选取电路最小值选取电路最小值选取电路5.4 函数运算电路R3R2R6-URui+URuoVD2C-+NR5R4R1RfVD1VD3VD4VD5VD6ABOABCDABCDuoui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()uf uu if0uuRR1oi( )ufuRuiRuo-+Nuff(x)-uf= f(uo)- 测控电

12、路282022-5-215.5 微分积分运算电路 5.5.1 积分运算电路积分运算电路 主要用途：积分运算、滤波、波形发生、控制等主要用途：积分运算、滤波、波形发生、控制等干扰参数干扰参数X+ + + +- -W X-WY Z+ZY对对 象象ASAR被调参数被调参数调节偏差调节偏差调调 节节 器器调节参数调节参数额定值额定值 引入积分运算后才能消除静差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 积分运算电路积分运算电路iCCRuiuo- -+ + +NR1i100od)(1QttiCCQutCoi001( )dtQuu ttQCRC 0oio)(UtRCUtu基本基本 积分

13、运算电路积分运算电路在直流输入情况下积分电容通常较大积分电容通常较大 测控电路302022-5-215.5 微分积分运算电路增量积分电路增量积分电路（比例积分电路比例积分电路）b)R1R1UiuouiOOttUiR2R2 5.5.1 积分运算电路积分运算电路-+NR1R1R2R2CCI1I1uiuoa)ttuCRuRRu0i1i12od1有利于提高调节速度 测控电路312022-5-215.5 微分积分运算电路5.5.2 微分运算电路微分运算电路a)基本微分电路基本微分电路b)实用微分电路实用微分电路0ddoiRutuCtuRCuddio11111( )11()(+)(1+)(1+)H sRC

14、 sCsRRCsRCsRCsRC s 可进一步提高调节速度为减小干扰影响uiRCNuo+uoR1RCC1Nui+微分电容通常较小微分电容通常较小 测控电路322022-5-21PID(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5.5.3 PID电路电路 测控电路332022-5-215.5.3 5.5.3 PID电路电路5.5 微分积分运算电路干扰参数干扰参数X+ + + +- -W X-WY Z+ZY对对 象象ASAR被调参数被调参

15、数调节偏差调节偏差调调 节节 器器调节参数调节参数额定值额定值积分：消除静差、抑制干扰积分：消除静差、抑制干扰比例：提高调节灵敏度、减小静差、减小滞后比例：提高调节灵敏度、减小静差、减小滞后微分：进一步微分：进一步减小滞后、加快调节速度减小滞后、加快调节速度5.5 微分积分运算电路5.5.3 5.5.3 PID电路电路DDPPPDDIPIDD11( )111TsT sKW sKKTTTsK TsssKKR2R4R3RRRIRR1R1R2RRDCDRR5RuiuoR- -+ + +N4- -+ + +N5- -+ + +N3CI- -+ + +N2- -+ + +N1RP比例比例积分积分微分微分

16、43P5RRKI1111T sRC sDDD1T sTsK5.5 微分积分运算电路R2R1R1R2RDCD- -+ + +N5- -+ + +N3uiu3uf3fDDuuR C s 23fi1()RuuuR21D3ii2DDD1D111RRT suuuRTsR C s RK 5.5.3 5.5.3 PID电路电路5.5 微分积分运算电路R1uiCDR2R5R7CmuoPPDPIR6CIRPIRPD- -+ + +N1- -+ + +N3- -+ + +N2RRPR3R45.5.3 5.5.3 PID电路电路5.5 微分积分运算电路5.5.4 5.5.4 工业生产过程调节器工业生产过程调节器 （

17、一）总电路（一）总电路30k外给定指示S6S427k390k390k470k30k升软手动操作电路34内给外给S6外给定420mA输入15VURUi4500kS7500k500k电平移动电路正反作用R1R2R3R4R6_+N1+IRRRUTUF500k500k500k输入指示S5R给定指示RP2S5指示单元500k500k500k500k500k560内给定15V1kUSRPs标定_+N5+_+N6+P2P1RP1910220VS6VUB=10V3V91020k2130kRHRF降_+N4+Uo32k40k40k2.4k负载3CG21R7R8R9UF4Uf3DG27C24VRfIo62.510

18、k10kR1010k输出电路UT4UB=10VRPI硬手动操作电路101k9.1kUo2CM62k15M3.910kS110F比例微分电路比例积分电路_+N3+RPP3PDPIUT3UF31S3211kCI132S2VD VRP424V测量_+N1+1kRP39.1kCMUT2UF225kUo1470k30k5.5 微分积分运算电路5.5.4 5.5.4 工业生产过程调节器工业生产过程调节器 500k500k500k输 入 指输 入 指示示给 定 指给 定 指示示RP2S5S5指 示 单指 示 单元元500k500k500k500k500k560内给定内给定1 15V1kUSRPs_+N5+P

19、1RP1910220VS6VUB=10V调整调整3V910S6Ui测 量 输测 量 输入入标标定定P2_+N5+调灵调灵敏度敏度调灵调灵敏度敏度UR内外给定内外给定按按3V标定标定测量给定测量给定差动放大器差动放大器 差动放大器差动放大器 先通过标先通过标定定调灵敏度调灵敏度（二）指示电路（二）指示电路5.5 微分积分运算电路5.5.4 5.5.4 工业生产过程调节器工业生产过程调节器 （三）电平移动电路内给内给外给外给S6外给定外给定420mA输入输入15VURUi4500kS7500k正反正反作用作用R1R2R3R4R5R6_+N1+IRRRUFU+Uo125k满足放大器的共模电压范围的要

20、求满足放大器的共模电压范围的要求 US500k接软手动操作电路接软手动操作电路5.5 微分积分运算电路5.5.4 5.5.4 工业生产过程调节器工业生产过程调节器 （三）电平移动电路FTSB()/3UUUU3/ )2/(1oBiFUUUUb）反相端输入）反相端输入R5UFR2R3_+N1+R1R4US_+N1+UBR6Ui0.5Uo1+UBa）同相端输入）同相端输入UT)(2iS1oUUU独立作用原理独立作用原理 满足放大器的共模电压范围的要求满足放大器的共模电压范围的要求 123456RRRRRR5.5 微分积分运算电路5.5.4 5.5.4 工业生产过程调节器工业生产过程调节器 S1、S2

21、: 1-自动测量自动测量 2-软手动，通过软手动，通过S4改变改变充充电时间常数电时间常数 3-硬硬手动，强行快速充电手动，强行快速充电S3：改变增益：改变增益RP3-调整微分时间常数调整微分时间常数RPP-调整增益调整增益RP4-调整积分时间常数调整积分时间常数RP1-调整调整快速充电快速充电时间常数时间常数 1kUo19.1kUo2CM62k15M3.910kS110F比例微分电路比例微分电路比例积分电路比例积分电路_+N3+_+N2+RPP3PDPIUT2UT3UF31kRP31S3211kCI132S2VD VRP4UF2CD30k1030kS427k390k390k470k软手动操作

22、电路软手动操作电路42130kRHRF降降24V24VUB=10V3470k30kRP12.4k升升9.1k20k（四）（四）PID运算电路运算电路5.5 微分积分运算电路5.5.4 5.5.4 工业生产过程调节器工业生产过程调节器 先不考虑由软手动操作电路的输入，并考虑到N2的输入可等效为p39.1Rk由软手动操作电路由软手动操作电路Uo262k15M3.910k_N2+RPPUF2Uo1+UT21kRP3CD9.1k1Uo1UT2RP3CDUo1/n(五）PD运算电路P3o1T2o1P3D( )1( )( )1RUsnUsUsnnRC sP3Do1P3D11( )1nR C sUsnR C

23、 s5.5 微分积分运算电路5.5.4 5.5.4 工业生产过程调节器工业生产过程调节器 （五）PD运算电路RP3-调整微分时间常数调整微分时间常数RPP-调整增益调整增益 P3DT2o1P3D11( )( )1nR C sUsUsnR C s)(1)(o2F2sUsU)()(T2F2sUsUDP3DTnR CDo2o1DD1( )( )1T sUsUsTnsKDKn由软手动操作电路由软手动操作电路由软手动操作电路Uo262k15M3.910k_N2+RPPUF2Uo1+UT21kRP3CD9.1k1)(11)()(1oD3PD3PT2osUsCRsCnRnsUsU5.5 微分积分运算电路5.

24、5.4 5.5.4 工业生产过程调节器工业生产过程调节器 （六）PI运算电路S1、S2: 1-自动测量自动测量 2-软手动，通过软手动，通过S4改变改变充充电时间常数电时间常数 3-硬硬手动，强行快速充电手动，强行快速充电S3：改变增益：改变增益S1、S2在1即自动测量位置，S3在增益为10位置。电路简化为CM1 0 F_+N3+UT3UF3CIRP4Uo3UBUo2o2UmIo3o2MP4I1( )1( )CUsUsCmR C s 1kCMS11 0 F_+N3+3UT3UF31S3211kCI132S2VDVRP41024V2.4k9.1kUo2Uo3Uo2n在研究传递函数时只考虑输入量的

25、影响5.5 微分积分运算电路5.5.4 5.5.4 工业生产过程调节器工业生产过程调节器 （七）总传递函数Uo2Uo3Uo1Ui+USDDD11KsTsTn2IDMDP4I11( )21CT sH sCnT smR C sIMP4I11CCmR C s5.5 微分积分运算电路5.5.4 5.5.4 工业生产过程调节器工业生产过程调节器 （八）软手动操作电路24V30kS427k390k390k470k421降3470k30k升20kS1-2UO1只有在S1接到位置2，即S1-2时软手动操作电路才工作。根据S4的位置不同，24V电压以不同电流向积分电容CM快速充电，使输出快速进入工作状态。Uo1也直接向CM充电，进行积分。5.5 微分积分运算电路5.5.4 5.5.4 工业生产过程调节器工业生产过程调节器 （八）软手动操作电路30kS427k390k390k470k30k升软手动操作电路344500kS7500k500k电平移动电路正反作用R1R4R6_+N1+UTUF20k2130kRHRF降RPI101k9.1kUo2CM62k15M3.910kS110F比例微分电路比例积分电路_+N3+R