测控电路第五章-信号运算电路(N)

获得被测参数：和、差、积、积分、平均值、峰值、任意函数实现控制：PID误差补偿：非线性补偿减小干扰影响：共模抑制，跟踪滤波调制解调：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当前1页，总共46页。5.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3/21/2023当前2页，总共46页。5.1线性运算电路5.1.1加法运算电路Ruou－u+∞-++NRfifui1ui2R1Rnini1uini2R2独立作用原理Rui1ui2R2uou+∞-++NRnRpRfR1uinu－3/21/2023当前3页，总共46页。5.1.2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ui1ui2uo1ui1、ui2均可扩展3/21/2023当前4页，总共46页。（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Rf/R1=R/R2=K

RRfui1ui2R1uou-u+∞-++NR23/21/2023当前5页，总共46页。5.1线性运算电路5.1.3加减混合运算电路Rui1ui2R2uou+∞-++NRnRfR1uinu－ui-1ui-2R-1R-mui-mR-2独立作用原理当前6页，总共46页。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，K增益V-1

当前7页，总共46页。5.2乘除运算电路5.2.1对数运算电路VDiDR1uiuo∞-++Ni1

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。小信号时PN结具有对数特性当前8页，总共46页。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R1ui∞-++N1URuoiDR65kΩ1MΩ100kΩUCUDR4R3V1R21.5MΩR5i2∞-++N2t°V2RT当前9页，总共46页。5.2乘除运算电路5.2.1对数运算电路当前10页，总共46页。5.2.2指数运算电路5.2乘除运算电路RfifiVuiuo∞-++N当前11页，总共46页。5.2乘除运算电路5.2.2指数运算电路R1ui∞-++N1uoR4200pFR5R3V1R2RTV2∞-++N2t°UR当前12页，总共46页。5.2乘除运算电路5.2.2指数运算电路当前13页，总共46页。5.2乘除运算电路指数5.2.3基于对数和指数运算的乘法运算电路对数uo3R2R3uo1uo2uoR1u1∞-++N1R2V1R1u2∞-++N2R2V2∞-++N3∞-++N4V3相加当前14页，总共46页。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指数uo3R2R3uo1uo2uoR1u1∞-++N1R2V1R1u2∞-++N2R2V2∞-++N3∞-++N4V3R2对数相减当前15页，总共46页。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，实现四象限相乘。5.2乘除运算电路5.2.5四象限乘法运算电路U0.5-1-1ExUy>0U1>0U20.5-1-1N1xyzxyzN3N2U-1-1-1+4oN4--+当前16页，总共46页。5.2乘除运算电路5.2.6基于乘法器的除法运算电路UUUoyxKxyxyN2N1当前17页，总共46页。5.2乘除运算电路5.2.7基于变跨导的乘法运算电路对数－指数式与变跨导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+EcRcuyuoi0当前18页，总共46页。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平均值运算电路当前19页，总共46页。5.3特征值运算电路5.3.2绝对值运算电路采用精密全波检波电路+us–

半波整流器低通滤波器+–i1R4uoR1R2R3VD1VD2+u–i∞-++N1∞-++N2+–uA+–A3R¢必须全波检波电路，不加滤波电容。当前20页，总共46页。5.3特征值运算电路5.3.2绝对值运算电路UImAURUoNoiNVD1VD4VD3VD2当前21页，总共46页。5.3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)当前22页，总共46页。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。VD1R2u1∞-++N1u2u3uRVD3VD2R1R3R4uoVD1R2u1∞-++N1u2u3uRVD3VD2R1R3R4uo最大值选取电路最小值选取电路当前23页，总共46页。5.4函数运算电路R3R2R6-URui+URuoVD2C∞-++NR5R4R1RfVD1VD3VD4VD5VD6ABOABCDA’B’C’D’uoui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)折线逼近电路当前24页，总共46页。5.4函数运算电路(2)反函数运算电路RuiRuo∞-++Nuff(x)-uf=f(uo)-当前25页，总共46页。5.5微分积分运算电路

5.5.1积分运算电路主要用途：积分运算、滤波、波形发生、控制等干扰参数X+++-WX-WYZ+ZY对象ASAR被调参数调节偏差调节器调节参数额定值引入积分运算后才能消除静差3/21/2023当前26页，总共46页。5.5微分积分运算电路

5.5.1积分运算电路iCCRuiuo∞-++NR1i1基本

积分运算电路在直流输入情况下积分电容通常较大当前27页，总共46页。5.5微分积分运算电路增量积分电路（比例积分电路）b)R1R1UiuouiOOttUiR2R2

5.5.1积分运算电路∞-++NR1R1R2R2CCI1I1uiuoa)有利于提高调节速度3/21/2023当前28页，总共46页。5.5微分积分运算电路5.5.2微分运算电路a)基本微分电路b)实用微分电路可进一步提高调节速度为减小干扰影响uiRCN∞uo++－uoR1RCC1N∞ui++－微分电容通常较小3/21/2023当前29页，总共46页。PID(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5.5.3PID电路3/21/2023当前30页，总共46页。5.5.3PID电路5.5微分积分运算电路干扰参数X+++-WX-WYZ+ZY对象ASAR被调参数调节偏差调节器调节参数额定值积分：消除静差、抑制干扰比例：提高调节灵敏度、减小静差、减小滞后微分：进一步减小滞后、加快调节速度3/21/2023当前31页，总共46页。5.5微分积分运算电路5.5.3PID电路R2R4R3RRRIRR1R1R2RRDCDRR5RuiuoR∞-++N4∞-++N5∞-++N3CI∞-++N2∞-++N1RP比例积分微分P、I、D并联当前32页，总共46页。5.5微分积分运算电路R2R1R1R2RDCD∞-++N5∞-++N3uiu3uf5.5.3PID电路当前33页，总共46页。5.5微分积分运算电路R1uiCDR2R5R7CmuoPPDPIR6CIRPIRPD∞-++N1∞-++N3∞-++N2RRPR3R45.5.3PID电路P、I、D串联：各级误差累积，要求各级精度要高。当前34页，总共46页。5.5微分积分运算电路5.5.4工业生产过程调节器

（一）总电路30kΩ外给定指示S6S427kΩ390kΩ390kΩ470kΩ30kΩ升软手动操作电路34内给外给S6外给定4~20mA输入1~5VURUi4×500kΩS7500kΩ500kΩ电平移动电路正反作用R1R2R3R4R6∞_+N1+IRRRUTUF500kΩ500kΩ500kΩ输入指示S5R给定指示RP2S5指示单元500kΩ500kΩ500kΩ500kΩ500kΩ560Ω内给定1~5V1kΩUSRPs标定∞_+N5+∞_+N6+P2P1RP1910Ω220ΩVS6VUB=10V3V910Ω20kΩ2130kΩRHRF降∞_+N4+Uo32kΩ40kΩ40kΩ2.4kΩ负载3CG21R7R8R9UF4Uf3DG27C24VRfIo62.5Ω10kΩ10kΩR1010kΩ输出电路UT4UB=10VRPI硬手动操作电路×101kΩ9.1kΩUo2CM62kΩ~15MΩ3.9~10kΩS110μF比例微分电路比例积分电路∞_+N3+RPP3PDPIUT3UF3×1S3211kΩCI 132S2VDVRP424V测量∞_+N1+1kΩRP39.1kΩCMUT2UF22×5kΩUo1470kΩ30kΩ当前35页，总共46页。5.5微分积分运算电路5.5.4工业生产过程调节器

500kΩ500kΩ500kΩ输入指示给定指示RP2S5S5指示单元500kΩ500kΩ500kΩ500kΩ500kΩ560Ω内给定1~5V1kΩUSRPs∞_+N5+P1RP1910Ω220ΩVS6VUB=10V调整3V910ΩS6Ui测量输入标定P2∞_+N5+调灵敏度调灵敏度UR内外给定按3V标定测量给定差动放大器

差动放大器

先通过标定调灵敏度（二）指示电路当前36页，总共46页。5.5微分积分运算电路5.5.4工业生产过程调节器

（三）电平移动电路内给外给S6外给定4~20mA输入1~5VURUi4×500kΩS7500kΩ正反作用R1R2R3R4R5R6∞_+N1+IRRRUFU+Uo12×5kΩ满足放大器的共模电压范围的要求US500kΩ接软手动操作电路当前37页，总共46页。5.5微分积分运算电路5.5.4工业生产过程调节器

（三）电平移动电路b）反相端输入R5UFR2R3∞_+N1+R1R4US∞_+N1+UBR6Ui0.5Uo1+UBa）同相端输入UT独立作用原理满足放大器的共模电压范围的要求当前38页，总共46页。5.5微分积分运算电路5.5.4工业生产过程调节器

S1、S2:1-自动测量

2-软手动，通过S4改变充电时间常数

3-硬手动，强行快速充电S3：改变增益RP3-调整微分时间常数RPP-调整增益RP4-调整积分时间常数RP1-调整快速充电时间常数

1kΩUo19.1kΩUo2CM62kΩ~15MΩ3.9~10kΩS110μF比例微分电路比例积分电路∞_+N3+∞_+N2+RPP3PDPIUT2UT3UF31kΩRP3×1S3211kΩCI 132S2VDVRP4UF2CD 30kΩ×1030kΩS427kΩ390kΩ390kΩ470kΩ软手动操作电路42130kΩRHRF降24V24VUB=10V3470kΩ30kΩRP12.4kΩ升9.1kΩ20kΩ（四）PID运算电路当前39页，总共46页。5.5微分积分运算电路5.5.4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的输入可等效为由软手动操作电路Uo262kΩ~15MΩ3.9~10kΩ∞_N2+RPPUF2Uo1+UT21kΩRP3CD 9.1kΩUo1UT2RP3CD Uo1/n(五）PD运算电路当前40页，总共46页。5.5微分积分运算电路5.5.4工业生产过程调节器

（五）PD运算电路RP3-调整微分时间常数RPP-调整增益由软手动操作电路由软手动操作电路Uo262kΩ~15MΩ3.9~10kΩ∞_N2+RPPUF2Uo1+UT21kΩRP3CD 9.1kΩ)(11)()(1oD3PD3PT2osUsCRsCnRnsUsU++==aa当前41页，总共46页。5.5微分积分运算电路5.5.4工业生产过程调节器

（六）PI运算电路S1、S2:1-自动测量

2-软手动，通过S4改变充电时间常数

3-硬手动，强行快速充电S3：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CM10μF∞_+N3+UT3UF3CI RP4Uo3UBUo21kΩCMS110μF∞_+N3+3UT3UF3×1S3211kΩCI 132S2VDVRP4×1024V2.4kΩ9.1kΩUo2Uo3Uo2当前42页，总共46页。在研究传递函数时只考虑输入量的影响5.5微分积分运算电路5.5.4工业生产过程调节器

（七）总传递函数Uo2Uo3Uo1Ui