电路与电子学9信号运算处理及波形发生电路

第九章信号运算、处理及波形发生电路§9.1运算电路§9.3有源滤波电路§9.4电压比较器*§9.5采样-保持电路§9.5正弦波振荡电路§9.6非正弦波发生电路§9.2电压、电流变换电路1

Ao越大，运放的线性范围越小。一般情况加负反馈才能使其工作于线性区。+UOM-UOM转移特性:

uo与ui的关系ui=u+-u-uo_+A0AO运放电路的特点uiuo时：运放工作在线性区。时：运放工作在非线性区。2理想运放的条件：放大倍数与负载无关，当有几级运放时可以分级分析。虚短路虚开路uiuo+-A03由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。运放线性运用信号的放大、运算恒压源、恒流源电路有源滤波电路在运放的线性应用中，运放的输出与输入之间加了负反馈，使运放工作于线性状态。uiuo+-A0§9.1运算电路4(一)、反相比例电路0=uu=-+i1i2i1=i2RfR1Rbuiuo_+A虚短路虚开路虚地一、比例电路5uo电路的输入电阻：Ri=ui/ii=R1输出电阻很小！平衡电阻，使输入端对地的静态电阻相等,以消除偏置电流的影响。R2=R1//RfRfR1Rbuiii_+ARo=06RfR1Rbuiuo共模电压：1、输入电阻小。_+A

反相输入电路的特点2、共模电压为03、同向端“虚地”。7(二)、同相比例电路RfR1Rbuiuou-=u+=共模电压：uc

=

ui没有虚地。ui_+A8RfR1Rbuiuo_+A当Rf=0时:R1Rbuiuo_+Auiuo_+A*电压跟随电路在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。9（一）、反相加法电路uoRfR2ui2i12R1ui1Rbi11iF_+A二、加减运算电路10u+=

ui1则电压放大倍数为：u+~ui1、ui2？R22ui2所以：注意:同相求和电路的两个输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。R1RFu

i1+_uoR21_+A（二）、同相加法电路11(三)、减法电路R2R1R3ui2uoR4ui1_+A当时：12R2R1R3ui2uoR4ui1差动式放大器放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高

Ri=（R1+R3）_+A虚短路13以上电路的比较归纳：★它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小。★关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高。★同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。R2R1RPuiuo_+AR2R1RPuiii_+A14应用举例：输入方波，输出是三角波。tui0(一)积分运算电路tuo0i1iFu

iRR2Cuo_+A三、积分与微分运算电路UUC(0+）152、如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。tui0tuo0U-UomTM积分时限i1iFu

iRR2Cuo_+A16(二)微分运算电路u-=u+=0iFuiuoRR2i1C_+A17若输入：则：tui0tuo0uiuoRR2i1iFC_+A18解:在求电压放大倍数表达式时，可以把A1和A2看成一个运算放大器，见图中棕色线框。因A1和A2

都是反相输入的，因此可确定输入信号和输出信号之间的极性。该电路相当同相比例运算电路，所以

索引例1：求电路的电压放大倍数。19例2：三运放电路uo1uo2R1R1R2R2uoRRRWui1ui2ab_+A1_+A2_+Aui20RRRWui1ui2uo1uo2ab_+A_+A21RRRWui1ui2uo1uo2ab_+A_+AR1R1R2R2uouo1uo2_+A22三运放电路是差动放大器，放大倍数可调(RW)。电路为串联负反馈，输入电阻高。uo1uo2R1R1R2R2uoRRRwui1ui2ab_+A_+A_+A23四、对数和反对数运算电路uo(一)、对数运算电路R1ui_+Ai1iDRbD对数运算电路以二极管或三极管的发射结作为反馈元件，电路的指数规律由二极管的正向导通特性实现。24(二)、反对数运算：uoRfui_+ARbTicif反对数运算是对数运算反运算，反对数运算电路是将对数运算电路中的二极管（或三极管）与电阻的位置进行互换完成的。25模拟乘法器是实用电子器件，早期应用于模拟计算机，目前广泛应用于信号处理、信号检测、通讯工程等科学领域。2、变跨导式乘法运算电路*3、四象限模拟乘法器五、乘除运算电路(一)、乘法运算电路1、对数式运算电路261、对数式乘法运算电路uoR3_+Rb3T3iciFR2_+Rb2iFR1_+A1Rb1R1_+T1T2Rb1A2A3A4uo1uo2uo3ux>0uy>0R2R227差动式减法器T1T2+_+_VCC-VEERCR1ReRCT3R1Rf+-Rf2、变跨导式乘法运算电路详细推导过程见教材P29128A、第一级的开路电压：假设：B、输出电压与输入电压的关系：这里：跨导293、四象限模拟乘法器ic1ic2ic5ic6I+iyI-iyiy+VccRcRcT1T2+--VeeRyT5T6T3T4ic3ic4II-ux+-uy+30推导31例1:利用乘法器实现R1Rf+-RbZXYA解：当R1=Rf时，则有又所以电路正常工作的条件是:运放的反馈极性为负。因此： 时为负； 时为正。的极性任意32①、电压源：要求输出电阻小电路组成反向比例放大器同相比例放大器§9.2电压、电流变换电路33_+RfR1RbUoUsA_+RfR1RbUoUsA电路特点1、反相比例放大器组成的电压源输出可以小于输入。2、同相比例放大器组成的电压源的输出大于输入。3、同相比例放大器的输入电阻大，从信号源取得的电流小。34负载悬地！FIL_+R2R1RPUsRFRLARL②、电流源：要求输出电阻大，要有电流负反馈。负载电流IL与的RL数值无关，“恒流”35_+R1UIRRLIoARL_+R1UIRLIoARLR4R2R3U’o问题：负载悬地。电压-电流变换电路36§9.3有源滤波电路滤波电路的种类:按信号性质:模拟滤波器和数字滤波器按电路功能:低通滤波器LPF高通滤波器HPF带通滤波器BPF带阻滤波器BRF按所用元件:无源滤波器和有源滤波器37一、低通滤波器RR1RFC+-38幅频特性1、时：2、时：RR1RFC+-39有源滤波器于无源滤波器性能比较CRRR1RFC+-1、有电压放大作用2、有电压负反馈，输出恒压带负载能力强。如何进一步提高滤波质量?3、频率特性不够理想。40二阶有源低通滤波器RFRR1C+-CRP41二、高通滤波器RC对调RR1+-CRCR142§9.4电压比较器比较器属于运算放大器的非线性应用，所谓非线性应用是指：由运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。由运放组成的非线性电路有以下三种情况。①、电路中的运放处于非线性状态（开环或正反馈）。②、电路中的运放处于线性状态，但外围电路有非线性元件（二极管、三极管）。③、电路中的运放处于非线性状态，外围电路也有非线性元件（二极管、三极管）。43一、简单电压比较器uoui0+Uom-UomUR+uouiURuoui0+Uom-Uom过零比较器UR=0的情况:+uoui44tuituo+Uom-Uom例1：利用电压比较器将正弦波变为方波。+uoui45*例2：

水位监控。如何防止干扰？uo+u’ouiKMUR标准水位测量水位46二、具有滞回特性的比较器分析：①、因为有正反馈，所以输出饱和。②、当uo正饱和时：当uo负饱和时：比较电压由原来的输出决定－+uoRR2R1uiUR47U+H-U+L称为回差传输特性U+HU+L跳转后增大了U+-U-加速跳转小于回差的干扰不会引起跳转下限上限uoui0Uom-Uom－+uoRR2R1uiUR48tuiU+HU+LtuoUom-Uom输入正弦波的情况－+uoRR2R1uiURU+HU+Luoui0Uom-Uom49加上参考电压后的上下限uoui0U+HU+LuoUS－+RR2R1uiUR50？如何计算上下限？用UZ代替UomuoUZ－+RR2R1uiUR为了稳定输出电压，可以在输出端加上双向稳压管51§9.6正弦波振荡电路因为：（1）振幅条件：（2）相位条件：n是整数相位条件:振荡电路必须有正反馈；振幅条件:放大倍数可调。一、振荡器的振荡条件：开环放大电路反馈回路++52问题1：如何启振？Uo

是振荡器的电压输出幅度，B是要求输出的幅度。起振时Uo=0，达到稳定振荡时Uo=B。放大电路中存在噪声（即瞬态扰动）,这些扰动可分解为各种频率分量，其中也包括fo分量。选频网络：把fo分量选出，把其他频率的分量衰减掉。这时，只要：|AF|>1，且A+B=2n，即可起振。开环放大电路反馈回路++53问题2：如何稳幅？起振后，输出Uo将逐渐增大，若不采取稳幅,|AF|仍大于1，输出将会饱和失真。Uo达到需要的幅值后，将参数调整为AF=1，即可稳幅。起振并能稳定振荡的条件：开环放大电路反馈回路++54二、RC正弦波振荡电路用RC电路构成选频网络的振荡电路即所谓的RC振荡电路，可选用的RC选频网络有多种，这里只介绍文氏桥选频电路。R1C1R2C21、选频电路55时，相移为0。R1C1R2C2如果：R1=R2=R，C1=C2=C56传递函数：相频特性：幅频特性：fof+90–90fR1C1R2C21/3572、用运放组成的RC振荡器所以，要满足相位条件，只有在fo

处因为：uo_+R2RCRCR1AOui放大稳幅选频58输出频率的调整：通过调整R或/和C来改变频率。C：双联可调电容，改变C，用于细调振荡频率。K：双联波段开关，切换R，用于粗调振荡频率。_+RFuoRCCRKKR1R1R2R2R3R359上下门限电压：§9.7非正弦波发生电路-+RR1R2C+ucuo–一、方波发生器工作原理：(a)设：uo=+Uom此时，输出给C充电!U+Huc0t则：u+=U+H60一旦

uc>U+H

,

就有

u->u+

uo

立即由＋Uom变成－Uom!U+Huc0t0tuoUom-Uom在uc<U+H

时，u-<u+,

uo

保持+

Uom

不变；-+RR1R2C+ucuo–61C经输出端放电，U+HuctU+L(b)当uo=-Uom时，u+=U+Luc达到U+L时，uo上翻。-+RR1R2C+ucuo–62当uo

重新回到＋Uom

以后，电路又进入另一个周期性的变化：U+Huc0tU+LUomuo0t-Uom-+RR1R2C+uc–uo63周期与频率的计算：TU+Huc0tU+LUomuo0t-Uom-+RR1R2C+ucuo–64②积分电路将矩形波变为三角波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。二、三角波发生器方波发生器RR1R2C+uc－+A1反向积分电路RR2Cuo－+A2电路一①方波发生器产生矩形波65三角波的周期由方波发生器确定，其幅值也由周期T和参数R、C决定。uo0uo1tUom-UomRR1R2C+ucRR2Cuouo1－+－+A1A2U-U66电路二：电路一的改型A1A2uouo1R02R01RCR2R1反向积分电路滞回比较器特点：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反馈到滞回比较器的输入。－+－+6700uo1t＋UOm－UOmuotU+HU+LA1A2uouo1R02R01RCR2R1－+－+时：电容充电uo电位下降。时：电容充电uo电位升高。uc1、工作原理uo电位下降使得u1+下降68A1A2uouo1R02R01RCR2R1－+－+0t＋UOm－UOmuo1uo2t1t2取t1~t2段：uo1=-Uom;uo线性增加：当uo

=UomR1/R2时,u1+=0在t1~t2点：uo2、输出波形的定量分析输出信号翻转69A1A2uouo1R02R01RCR2R1－+－+0tuo2uo1＋UOm－UOmt1t20t由此可得，三角波的峰值是：幅值的计算：70周期和频率的计算：A1A2uouo1R02R1RCR2R1－+－+TT1T2tuot1t2根据：71电容充放电时间T1、T2可通过R、R'调整。当R'=0时，则为锯齿波发生器。电路三：是电路二的改进uo1被嵌位于±UzR2R1R´R2CuoR+–－+－+A1A2tuoT1T272R=0时R’=0时uot改变三角波发生器中积分电路的充放电时间常数，使放电的时间常数为0，即把三角波发生器转