《单片机系统设计及工程应用》课件第10章

10.1运算放大器实用技术10.2电流/电压转换电路习题1010.1.1理想运算放大器

运算放大器是用反馈控制特性的直接耦合式高增益放大器，可以针对不同的应用，通过设计不同类型的反馈网络来形成各种转移函数。运算放大器能够从直流到几兆赫兹

的频率范围内完成信号放大，产生各种波形的信号，能够进行加、减、乘、除、积分、微分等运算，因而在单片机控制系统、模拟信号处理、智能仪器仪表等领域得到了广泛的应用。10.1运算放大器实用技术运算放大器具有输入阻抗高、信号增益大等特点。为了分析方便，我们将运算放大器理想化，理想运算放大器的特点如下：

(1)开环电压放大倍数A→∞。

(2)差模输入电阻Rid→∞。

(3)输出电阻R0=0。

(4)频带无限宽。

(5)输入失调电压Uos=0。

(6)输入失调电流Ios=0。

(7)共模抑制比CMRR→∞。

(8)干扰和噪声都不存在。图10.1理想运算放大器符号利用运算放大器的理想特性可得出以下两条基本定则

(1)运算放大器输入端不吸收电流。

(2)运算放大器两输入端之间的电压差为零。

有了这两条基本定则，可以大大简化运算放大器应用电路设计。图10.1是理想运算放大器符号。10.1.2基本运算电路

1.反相放大器

反相放大器电路如图10.2所示，反馈网络和输入网络均为纯电阻型，则有：

Uo=-

Ui

(10.1)

输出信号电压Uo等于输入信号电压Ui乘以比例系数Rf/R1

，式(10.1)中负号表示输出信号与输入信号反相。通过改变Rf

和R1的值，就可很方便地调整其比例系数。为了使运算放大器两个输入端的直流电阻保持平衡，电路要求R2=Rf//R1。反相放大器的输入电阻为

Ri=R1

(10.2)图10.2反相放大器

2.同相放大器

同相比例放大器电路如图10.3所示，反馈网络和输入网络均为纯电阻型，其输出信号电压为

Uo=

Ui

(10.3)当Rf=0时，Uo=Ui电路即为电压跟随器，电路如图10.4所示。图10.3同相放大器图10.4电压跟随器

3.积分器

当运算放大器的反馈网络为电容，输入阻抗网络为电阻时便构成了积分器，如图10.5所示。积分器的输出电压Uo为

Uo=-

(10.4)为使运算放大器两个输入端直流电阻保持平衡，电路要求R2=R1。图10.5积分器

4.微分器

当运算放大器的输入网络为电容，反馈网络为电阻时，便构成了微分器，如图10.6所示。微分器的输出电压uo和输入电压的关系为：

uo=-RC

(10.5)图10.6微分器10.1.3实用电路

1.信号放大电路

1)同相串联差动式高输入阻抗放大器

同相串联差动式放大器电路如图10.7所示，输出电压uo为输入电压与两放大器放大倍数之积。图10.7同相串联差动式放大器当ui=ui1-ui2时，有

Uo=-

Ui1+

Ui2

(10.6)

当满足R1/Rf=R3/R2

时，上式可简化为

Uo=-

(10.7)图10.8可编程增益放大器原理

2)可编程增益放大器

可编程增益放大器原理电路如图10.8所示，我们可以利用单片机程序控制电子开关S1、S2、S3、S4的接通与断开改变反馈电阻的值，从而调整放大器的增益。

S1接通，电压增益为AS1=1；

S2接通，电压增益为AS2=；

S3接通，电压增益为AS3=；

S4接通，电压增益为AS4=。图10.9是利用译码器74LS139控制电子开关，实现放大器增益可调。

A1A0为单片机发出的指令信号，经译码后控制开关S1～S4的通断。

当A1A0=00时，Y0输出有效信号，使开关S1闭合，AS1=1；

当A1A0=01时，Y1输出有效信号，使开关S2闭合，AS2=10；

当A1A0=10时，Y2输出有效信号，使开关S3闭合，AS3=100；

当A1A0=11时，Y3输出有效信号，使开关S4闭合，AS4=1000；图10.9码控四段增益可编程放大器

2.测量放大器

1)信号放大器

利用运算放大器实现的测量电路如图10.10所示，该电路具有如下特点：

(1)输入电阻高。由于输入级A1、A2均为同相输入，对于理想运放，输入电阻为无穷大。

(2)共模抑制比高。因为电路对称性好，其共模抑制比高于普通差动运放，可有效抑制共模信号，大大减小外部感应噪声的影响。

(3)增益调节方便。图10.10信号测量放大器根据理想运算放大器虚短路虚开路的原则，对A1、A2有：(10.9)(10.8)

2)桥式检测电路

利用运算放大器实现的桥式检测电路如图10.11所示。

3)高输入阻抗桥式检测放大器

为了提高电路输入阻抗，可利用多级运算放大器实现，电路如图10.12所示。图10.11桥式检测电路图10.12高输入阻抗桥式检测放大器

3.信号运算电路

图10.13(a)给出了加法器原理电路，图10.13(b)为多路信号加法器。

4.信号处理电路

图10.14为专用集成电压比较器符号，图10.15为常用LM324四运算放大器外特性图。图10.13全加器电路(a)加法器；(b)多路信号加法器图10.14专用集成电压比较器符号图10.15LM324四运算放大器图10.16为常用电压比较器电路图，比较输入信号Ui与基准电平UR的值，有：

当Ui＞UR时，Uo为高电平；

当Ui＜UR时，Uo为低电平。

此电路在信号检测、电平转换过程中十分有用。图10.16常用电压比较器电路

5.波形产生电路

1)正弦波发生器

利用文氏网络与运算放大器组成的文氏振荡器是常用的正弦波发生器电路，如图10.17所示。

ω0R1R2C2-

=0

ω0=

(10.10)

通常取R1=R2=R，C1=C2=C，则振荡频率为

f0=

(10.11)

Bu=

(10.12)图10.17文氏振荡器

2)方波发生器

方波发生器电路的类型很多，利用运算放大器构成的方波发生器如图10.18所示。

振荡周期为

T=2RCln

(10.13)图10.18方波发生器图10.19所示为对称的方波和三角波信号发生器电路图，uo1输出方波信号，uo输出三角波信号。

6.波形变换电路

1)半波整流电路

半波整流电路如图10.20所示。图10.19对称的方波和三角波发生器图10.20半波整流电路

2)峰值检波电路

峰值检波电路如图10.21所示，图10.21(a)为用运算放大器构成的峰值检波电路，图10.21(b)为带有跟随器的峰值检波电路。

3)限幅电路

图10.22为信号限幅电路，图10.22(a)是单向限幅电路，图10.22(b)是双向限幅电路。图10.21峰值检波电路(a)用运算放大器构成的峰值检波电路；

(b)带有跟随器的峰值检波电路图10.22峰值检波电路(a)用运算放大器构成的峰值检波电路；(b)带有跟随器的峰值检波电路当输入信号ui较小时，uo也较小，稳压管尚未击穿，稳压管支路可视为开路，运放构成反相放大器。

随着ui反向增大，uo将增大。当uo=-(Rf/R1)ui时，稳压管击穿工作，输出电压uo稳定在UZ上。即限幅器输出电压：

uo=UZ

uo=

(10.14)

4)工频滤波电路

工程现场应用中经常会遇到工频干扰问题，图10.23给出一个用于滤除50Hz工频干扰的50Hz陷波器电路。其中，A1组成带通滤波器，A2组成相加器。经50Hz陷波器处理后，50Hz干扰被抑制，输出了比较干净的信号。图10.23工频滤波电路

5)绝对值电路

用半波整流和相加器便构成了全波整流电路即绝对值电路，如图10.24所示。图中，A1构成半波整流，A2构成相加器。其工作原理为：

当ui＞0时

uo1=-ui，uo=-ui-2uo1=-ui+2ui=ui

当ui＜0时

uo1=0，uo=-ui=-(-|ui|)=|ui|

所以

uo=|ui|图10.24绝对值电路10.1.4保护电路

这里所说的保护措施是针对在使用集成运放时，由于电源极性接反、输入/输出电压过大、输出短路等原因造成运放损坏的问题而采取的一种保护方法。

为防止电源极性接反，可在正、负电源回路中顺接二极管。若电源接反，则二极管因反偏而截止，等于电源断路，起到了保护运放的作用，如图10.25所示。

为防止输入差模或共模电压过高损坏集成运放的输入级，可在集成运放输入端并接极性相反的两只二极管，从而使输入电压的幅度限制在二极管的正向导通电压之内，如

图10.26所示。不过，二极管本身的温度漂移会使放大器输出的漂移变大，这点应引起注意。图10.25保护电路图10.26输入通道保护电路输出保护是为了防止输出过电压时使输出级击穿，可采用图10.22所示电路。输出正常时，双向稳压管未击穿，其相当于开路，对电路没有影响。当输出端电压大于双向稳压管稳压值时，稳压管被击穿，反馈支路阻值大大减小，负反馈加深，从而将输出电压限制在双向稳压管的稳压范围内。在单片机控制系统中，经常会遇到需要将电压信号转换为电流信号或将电流信号转换为电压信号的情况。为了使读者能直接运用相关电路，解决实际问题，在这里给出相关参考电路，电路中的电阻值要根据信号转换比例选取。10.2电流/电压转换电路10.2.1电压／电流转换电路

在某些控制系统中，负载要求电流源驱动，而实际的信号又可能是电压源。

将电压信号转换成电流信号，不论负载如何变化，电流源电流只取决于输入电压信号，而与负载无关。另外，信号在远距离传输过程中，由于电流信号不易受干扰，因此也需要将电压信号转换为电流信号来传输。图10.27给出了一个V/I转换电路，图中负载为“接地”负载。图10.27V/I转换电路

U+=

(10.15)

U-=

(10.16)

由于U+=U-，且设R1R3=R2R4，因