第五章-信号运算电路

1、中国计量学院中国计量学院第五章第五章 信号运算电路信号运算电路加、减法运算电路加、减法运算电路2对、指数和乘、除法运算电路对、指数和乘、除法运算电路3常用特征值运算电路常用特征值运算电路4积分、微分运算电路积分、微分运算电路5比例运算电路比例运算电路1中国计量学院中国计量学院5.1 比例运算电路比例运算电路为什么用模拟信号进行运算？为什么用模拟信号进行运算？1.同相比例放大电路同相比例放大电路2.反相比例放大电路反相比例放大电路3.差分比例放大电路差分比例放大电路中国计量学院中国计量学院5.2 加、减法运算电路加、减法运算电路一、加法运算电路一、加法运算电路反相加法反相加法R同相加法同相加法

2、推导过程？推导过程？中国计量学院中国计量学院二、减法运算电路二、减法运算电路1. 利用加法运算电路实现减法运算利用加法运算电路实现减法运算2. 用单一运算放大器实现减法运算用单一运算放大器实现减法运算中国计量学院中国计量学院5.3 对、指数和乘、除法运算电路对、指数和乘、除法运算电路1、对数运算、对数运算利用二极管的特性：利用二极管的特性：) 1(TuuseIIIs反向饱和电流反向饱和电流 u外加电压外加电压 uT温度的电压当量温度的电压当量=26 mv一般一般uuT，TuuseII sTIIuuln1lnRIuuuSiTo右图右图这种电路精度不高这种电路精度不高由二极管组成的对数电路由二极管

3、组成的对数电路中国计量学院中国计量学院1lnRIuuusiTo二极管、三极管组成的对数电路，从上面最终的式子，我们可以看到二极管、三极管组成的对数电路，从上面最终的式子，我们可以看到uT和和Is都是与温度有关的参数，所以运算精度受温度影响比较大。都是与温度有关的参数，所以运算精度受温度影响比较大。例如：温度从例如：温度从2050时，时， uT增加增加10%， Is增加近增加近10倍。倍。所以我们要提出温度补偿功能的对数电路。所以我们要提出温度补偿功能的对数电路。改进型，双极型晶体管改进型，双极型晶体管V代替二极管代替二极管由晶体管组成由晶体管组成的对数电路的对数电路TBEvvsceII 1Ru

4、Iic1lnlnRIuuIIuuusiTscTbeo中国计量学院中国计量学院V1V2Ube1Ube2uo图图5-8 具有温度补偿的对数运算电路具有温度补偿的对数运算电路实际上，实际上，V2与电阻与电阻R3为温度补偿电路为温度补偿电路差动补偿差动补偿怎么补偿的呢？怎么补偿的呢？refiTouRuRRRRuu15332ln中国计量学院中国计量学院2.2.指数运算电路指数运算电路TiuusoeRIu1同前，指数运算也可用前面差动的方法来进行温度补偿，同前，指数运算也可用前面差动的方法来进行温度补偿，具体电路见图具体电路见图5-10TiuuRRRrefoeRRuu43315中国计量学院中国计量学院3.

5、 乘除运算电路乘除运算电路模拟乘法器是继运算放大器之后最通用的集成电路器件之一。模拟乘法器是继运算放大器之后最通用的集成电路器件之一。uouxuyuo=KuxuyK称为比例系数或标度系称为比例系数或标度系数数 K=0.1一般保证精度。一般保证精度。实现模拟乘法器方法很多实现模拟乘法器方法很多对数对数/反对数组成的模拟乘法器反对数组成的模拟乘法器平方乘法器平方乘法器时间分割模拟乘法器时间分割模拟乘法器变跨导模拟乘法器变跨导模拟乘法器课本所讲的主要是对数课本所讲的主要是对数/反对数乘法器反对数乘法器中国计量学院中国计量学院单象限乘除运算电路单象限乘除运算电路Auzzyxezxylnlnln（1）基

6、于对数）基于对数/指数运算的乘除运算电路指数运算的乘除运算电路zyxouuuu 中国计量学院中国计量学院（2）四象限乘法器）四象限乘法器N1、N2为加法器，分别与一定固定电压为加法器，分别与一定固定电压E相加，然后经相加，然后经过过N3乘法器，再到乘法器，再到N4加法器加法器Euuuyxo其中其中Eux、uy+E，输出，输出u1，u20满足一象限乘法器的条件满足一象限乘法器的条件N1N2N3N4中国计量学院中国计量学院（3）除法电路）除法电路zxouuEu （4）集成乘、除法运算电路）集成乘、除法运算电路集成乘法器有不少的品种。如美国集成乘法器有不少的品种。如美国ADI公司的公司的AD632、

7、AD534可以实现可以实现)()(212121zzSFyyxxAuoAD532、AD633、AD838可以实现可以实现zyyxxAuo10)(2121而而MLT04具有具有4路乘法器，路乘法器，AD539、AD734可以实现乘法和除法运算。可以实现乘法和除法运算。的运算，的运算，的运算，的运算，中国计量学院中国计量学院5.乘方与开方电路乘方与开方电路利用乘法器很容易实现平方电路，利用乘法器很容易实现平方电路，ux=uy就可以了。就可以了。Euuuyxo开方运算也可以用乘法器实现。开方运算也可以用乘法器实现。此电路只适用于正输入和正输出的情况，当输入端出现负此电路只适用于正输入和正输出的情况，当

8、输入端出现负电压时，输出端电压很快达到负向饱和，电路就不能正常工电压时，输出端电压很快达到负向饱和，电路就不能正常工作。此外在这种电路中输出电压可能为正或为负，为了得到作。此外在这种电路中输出电压可能为正或为负，为了得到正向正向Uo输出，可在输出端加一个箝位二极管输出，可在输出端加一个箝位二极管VD。中国计量学院中国计量学院5.4 常用特征值运算电路常用特征值运算电路1. 绝对值运算电路绝对值运算电路RuIio|UOoUi只要用前面所学的线性整流电路就可只要用前面所学的线性整流电路就可以了（可参见第三章图以了（可参见第三章图3-11、图、图3-12、图图3-13，但不要其中的滤波电容）。，但不

9、要其中的滤波电容）。NUiUoUNRIoVD1VD3VD2VD4mA中国计量学院中国计量学院2.平均值运算电路平均值运算电路两种两种求若干信号的加权平均值求若干信号的加权平均值相加电路相加电路信号在某一时段内的平均值信号在某一时段内的平均值积分积分 通过低通滤波器通过低通滤波器 对于左侧信号对于左侧信号ui(t)，我们可以，我们可以分解成一个直流量分解成一个直流量+一个交流量一个交流量)sin()(tutuii代替代替)(tui经过低通滤波后，经过低通滤波后，itioudttuRCu0)(1假如假如Sin(t)，那为，那为0只剩下直流量，这就是它的平均值。只剩下直流量，这就是它的平均值。因此，

10、我们可以利用低通滤波器滤除波动信号，就获因此，我们可以利用低通滤波器滤除波动信号，就获得了信号的平均值。得了信号的平均值。中国计量学院中国计量学院3.峰值运算电路峰值运算电路利用二极管单向导电特性，使电容单向充电，记忆其峰值利用二极管单向导电特性，使电容单向充电，记忆其峰值Vim1Vim2Vim3ViVot上述电路记录正峰值，若要记录负峰值，上述电路记录正峰值，若要记录负峰值，D1、D2反接即可。反接即可。通过两正反峰值相加电路，我们可以得到峰峰电路。通过两正反峰值相加电路，我们可以得到峰峰电路。正峰值正峰值检波器检波器ui反相器反相器正峰值正峰值检波器检波器相加电路相加电路-ui(-ui)m

11、axuimax中国计量学院中国计量学院4.有效值运算电路有效值运算电路也称均方根值。也称均方根值。 在电学上交流信号、噪音、谐波分量、光学件表面粗糙度的在电学上交流信号、噪音、谐波分量、光学件表面粗糙度的评定、误差的评定，都采用有效值。评定、误差的评定，都采用有效值。对于正弦信号，对于正弦信号，2/muu ，测得幅值就测得有效值。，测得幅值就测得有效值。a) 基本有效值运算电路框图基本有效值运算电路框图UEUoiRCU1xyxyxyzxyzN1N2TidttuRCu02)(1这个电路的不足之处，动态范围太小。这个电路的不足之处，动态范围太小。例如我们信号电压为例如我们信号电压为10mV，取参考

12、电压，取参考电压E=10V，则输出，则输出uo=10uV，这个值与噪声电压差不多了。，这个值与噪声电压差不多了。中国计量学院中国计量学院 根据这种原理，我们经常选用集成电路器件根据这种原理，我们经常选用集成电路器件AD536、AD637。b)大动态范围的有效值运算电路框图大动态范围的有效值运算电路框图RCUUoixyzxyzN2N1TiodttuTu02)(1 这种方法的优点在于输入电压不与因子这种方法的优点在于输入电压不与因子Ui/E相乘，而相乘，而是与因子是与因子Ui/Uo相乘，在输入电压比较小时，前个因子小相乘，在输入电压比较小时，前个因子小于于1，而后个因子接近，而后个因子接近1，从而

13、可以获得较大的动态范围。，从而可以获得较大的动态范围。中国计量学院中国计量学院5.5 微分、积分运算电路微分、积分运算电路由于积分可以滤除高频干扰，常用于滤波作用，而且利用它的充由于积分可以滤除高频干扰，常用于滤波作用，而且利用它的充放电特性还可以实现延时、定时，以及各种波形。放电特性还可以实现延时、定时，以及各种波形。1. 积分电路积分电路 （1）反相积分电路）反相积分电路UIcUIiRCoiN假设电容初始电荷为假设电容初始电荷为0，就是初始电压为，就是初始电压为0dtuRCuio1若初始不为若初始不为001oioudtuRCu若若ui为常数，则为常数，则0oioutRCuuuo随时间线性上

14、升，积分电路适随时间线性上升，积分电路适合于三角波与锯齿波发生器。合于三角波与锯齿波发生器。若若ui=umcost，积分以后，积分以后，0sinomoutRCuu幅频特性在对数坐标系中为幅频特性在对数坐标系中为-6dB的直线，确定积分电路的准则。的直线，确定积分电路的准则。中国计量学院中国计量学院（2）比例积分电路）比例积分电路- -+ + +NR1R1R2R2CCI1I1UiUoa)b)R2R1R1UiUoUiOOttUiR2在积分电容在积分电容C上串一个小电阻上串一个小电阻R2，即得比例积分电路（增量积分电路）。，即得比例积分电路（增量积分电路）。dtuCRuRRuiio1121这种电路比

15、一般积分电路的输出多了一项与这种电路比一般积分电路的输出多了一项与ui成比例的项，故称增成比例的项，故称增量积分电路。它利用这一微小增量（量积分电路。它利用这一微小增量（R1R2）去补偿由于积分器）去补偿由于积分器复原和比较器滞后带来的误差。复原和比较器滞后带来的误差。图图b为输入方波时的电路图。为输入方波时的电路图。中国计量学院中国计量学院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UURCoiNb)实用微分电路实用微分电路URRCC1i1NoUdtduRCuio 当输入为正弦波当输入为正弦波 ui=umSint，输出为，输出为uo=RCumcost，幅值为幅值为RC，幅频为，幅频为+6dB的直线。的直线。 图图b为实用电路，使为实用电路，使R1C=C1R，R1与与C1都是进行相位补偿的都是进行相位补偿的中国计量学院中国计量学院3. PID电路电路PID（比例（比例积分积分微分）电路又称为微分）电路又称为PID调节器，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（被调节参数X），调节到预先给定的理论值（或称额定），调节到预先给定的理论值（或称额定值值W），并克服干扰的影响保持这一值。），并