电路与电子学9信号运算处理及波形发生电路课件.ppt

1、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，运放的线性越大，运放的线性范围越小。一般情况加范围越小。一般情况加负反馈才能使其工作于负反馈才能使其工作于线性区。线性区。+UOM-UOM转移特性转移特性:u uo o与与u ui i的关系的关系ui=u+-u-uoA0AOuiuoimuimuimiuu 时：运放工作 在线性区。imiuu 时：运放工作 在非线性区。2理想运放的条件：0A ir0ro)(00uuAuAuio0Ii 放大倍数与负载无关，当有几放大倍数与负载无关，当有几

2、级运放时可以分级分析。级运放时可以分级分析。uu虚短路虚短路虚开路虚开路uiuoA03由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电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，称其所谓的阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放理想运放。运放线性运用运放线性运用信号的放大、运算信号的放大、运算恒压源、恒流源电路恒压源、恒流源电路有源滤波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。加了负反馈，使运放工作于线性状态。uiuoA04(一一)、反相比例电路反相比例电路0 uu i1i

3、2i 1=i 2foiiRuRuRuu1110RRuuAfiuRfR1RbuiuoA虚短路虚短路虚开路虚开路5uo电路的输入电阻：电路的输入电阻：R i=u i/i i=R1输出电阻很小！输出电阻很小！平衡电阻，使输入端对地平衡电阻，使输入端对地的的静态电阻静态电阻相等相等,以消除以消除偏置电流的影响。偏置电流的影响。R2=R1/RfRfR1Rbuii iAR o=06RfR1Rbuiuo共模电压：共模电压：0uuuc1、输入电阻小。、输入电阻小。A 反相输入反相输入电路的特点电路的特点2、共模电压为、共模电压为03、同向端、同向端“虚地虚地”。7(二二)、同相比例电路同相比例电路RfR1Rb

4、uiuou-=u+=1RuRuuifioifouRRu)1(1共模电压：共模电压：uc=u i没有虚地。没有虚地。uiA8ifouRRu)1(1RfR1RbuiuoA当当 Rf=0 时时:iouu R1RbuiuoAuiuoA*电压跟随电路电压跟随电路iouuuu在电路中作用与分离元件的射极输出器相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。同，但是电压跟随性能好。9（一）、反相加法电路（一）、反相加法电路uo0uuFiii1211)(22110ififuRRuRRuRfR2ui2i12R1ui1Rbi11iFA10u+=ui1 则电压放大倍数为则电压放大倍数为：uRRuF)1

5、(10u+ui1 、ui2？2i2221211i222122uRRRuRRRuR22ui2)(1(212111111211121iiFuRRRuRRRRRu所以：所以：注意注意:同相求和电路的两个输入信号的放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。大倍数互相影响，不能单独调整。R1RFu i1+_uoR21A（二）、同相加法电路（二）、同相加法电路11(三三)、减法电路、减法电路uu112RuuRuuio432RuRuui)(1212iiouuRRuR2R1R3ui2uoR4ui1A1211214342RRuRRRRRRuuiio当当31RR 42RR 时：时：12R2R1

6、R3ui2uoR4ui1 差动式放大器放大了差动式放大器放大了两个信号的差，但是它两个信号的差，但是它的输入电阻不高的输入电阻不高 Ri=（R1+R3）A虚短路虚短路13以上电路的比较归纳：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。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。同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。R2R1RPuiuoAR2R1RPuii iA14应用举例：应用举例：输入方波，输出是三角波。输入方

7、波，输出是三角波。tui0(一一)积分运算电路积分运算电路Ruii1 dtuudCioF)(dtuRC1uiotuo0i1iFu iRR2CuoATKTRCUUo)(UUC(0+）152、如果积分器从某一时、如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。时间后输出饱和。tui0tuo0 t0oUdtRC1uU-UomMomUTRC1U URCUTomM TM积分时限积分时限i1iFu iRR2CuoATKTRCUUo)(16(二二)微分运算电路微分运算电路u-=u+=0RuioF dtduCii1 F1ii dtduR

8、Cuio iFu iuoRR2i1CA17tsinui 若输入：若输入：则：则：)90sin(tRCtRCuocostui0tuo0u iuoRR2i1iFCdtduRCuio 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 6511RRFAuu索引索引例例1：求电路的电压放大倍数。19例例2：三运放电路：三运放电路uo1uo2R1R1R2R2uoRRRWui1ui2abA1A2Aui201 iauu 2ibuu WbaWooRuuRRuu221Wii

9、Ruu2112oouu)(212iiWWuuRRRRRRWui1ui2uo1uo2abAA21)(1212ooouuRRu 1o2ouu)uu(RRR21i2iWW ou)(21212iiWWuuRRRRRRRRWui1ui2uo1uo2abAAR1R1R2R2uouo1uo2A22三运放电路是差动放大器，放大倍数可调三运放电路是差动放大器，放大倍数可调(RW)。电路为串联负反馈电路为串联负反馈，输入电阻高。输入电阻高。uo1uo2R1R1R2R2uoou)uu(RRR2RR1i2iWW12 RRRwui1ui2abAAA23uo(一一)、对数运算电路对数运算电路SiToIRuUu1lnR1u

10、iAi1iDRbD 对数运算电路以二极对数运算电路以二极管或三极管的发射结作为管或三极管的发射结作为反馈元件，电路的指数规反馈元件，电路的指数规律由二极管的正向导通特律由二极管的正向导通特性实现。性实现。Dii 1TDuuSDeIi/oDuu11Ruii24(二二)、反对数运算：、反对数运算：uoRfuiARbTicif 反对数运算是对反对数运算是对数运算反运算，反对数运算反运算，反对数运算电路是将对数数运算电路是将对数运算电路中的二极管运算电路中的二极管（或三极管）与电阻（或三极管）与电阻的位置进行互换完成的位置进行互换完成的。的。TiUufSffoeRIRiu/BEuuifiic25 模拟

11、乘法器是实用电子器件，早期应用于模拟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。讯工程等科学领域。(一一)、乘法运算电路、乘法运算电路26111lnsxToIRuUu212lnsyToIRuUu2121lnssyxTIIRuuUyxsssouuIIRIRu212133uoR3Rb3T3iciFR2Rb2iFR1A1Rb1R1T1T2Rb1A2A3A4uo1uo2uo3ux0uy0R2R2)(213ooouuu27差动式减法器差动式减法器T1T2+_yuxu+_ouEi1ci2ciVCC-VEE

12、RCR1ReRCT3R1Rf+-RfyxouKuu yxfTeCfouuRRURRRu)(21)()(121121ccCfccfoiiRRRuuRRuyuxuou28A、第一级的开路电压：xCTeyxCmouRURuuRgu2假设：21BEBEuu21SSIIyxTeCfCfouuURRRRRu2B、输出电压与输入电压的关系：这里：)(2fCTeCfRRURRRKTeyTETCBECmURuUiUiuig12121212CxmCiugixCmCCCCCouRgRiRiiu1212)(yxouKuu跨导跨导29ic1ic2ic5ic6I+iyI-iyiy+VccRcRcT1T2+-VeeRyT5

13、T6T3T4ic3ic4II-ux+-uy+30C6C5CC2C1CoR)ii(R)ii(uCXT4CXT3CR)U2iU2i(uu)ii(U2R4C3CTXCuYTYXCRURuu推导推导XT3CXm2C1CuuU2igiiXT4CXm6C5CuuU2igiiYYY4C3CR2i 2iiu31例1:利用乘法器实现YXuuKuo1yuouR1Rf+-Rbxu1iFiZXYA解：当R1=Rf时，则有XZuuoYzuuuK又又YXouuuK1所以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。0K0Kyuyuxu的极性任意32、电压源：、电压源：要求输出电阻小要求输出电阻小

14、电路电路组成组成反向比例放大器反向比例放大器同相比例放大器同相比例放大器33SfoURRU1_+RfR1RbUoUsASfoURRU)1(1_+RfR1RbUoUsA电电路路特特点点1、反相比例放大器组成的电压源输出可、反相比例放大器组成的电压源输出可以小于输入。以小于输入。2、同相比例放大器组成的电压源的输出、同相比例放大器组成的电压源的输出大于输入。大于输入。3、同相比例放大器的输入电阻大，从信、同相比例放大器的输入电阻大，从信号源取得的电流小。号源取得的电流小。34s12FURRU2/RRUIFFL负载负载悬地悬地！FIL_+R2R1RPUsRFRLARL、电流源：、电流源：要求输出电阻

15、大，要有电流负反馈。要求输出电阻大，要有电流负反馈。SFFURRRRRR1222SFFURRRR12负载电流负载电流IL与的与的RL数值无关，数值无关，35RUIIo_+R1UIRRLIoARL_+R1UIRLIoARLR4R2R3UoLLIoRRRRRRRURRI12433124312RRRR4RUIIo问题：负载悬地。36滤波电路的种类滤波电路的种类:按信号性质按信号性质:模拟滤波器和数字滤波器模拟滤波器和数字滤波器按电路功能按电路功能:低通滤波器LPF高通滤波器HPF带通滤波器BPF带阻滤波器BRF按所用元件按所用元件:无源滤波器和无源滤波器和有源滤波器有源滤波器37一、低通滤波器一、低

16、通滤波器oFURRRU11iUCjRCjU11iUCRj11RCjRRUUFio11)1(1UURR1RFC+-iU oU 38RCjRRUUFio11)1(1幅频幅频特性特性201Fio)(11)RR1(UU )RC1(0 1、0 时：时：)1(1RRUUAFiou2、0 时：时：21)1(1RRUUAFiouRR1RFC+-iU oU o/o11RRFuA39有源滤波器于无源滤波器性能比较有源滤波器于无源滤波器性能比较iOUCRjU11RCjRRUUFio11)1(1CRiU oU RR1RFC+-iU oU)RR1(UU1Fio 1、有电压放大作用、有电压放大作用2、有电压负反馈，输出、

17、有电压负反馈，输出 恒压带负载能力强。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。、频率特性不够理想。40二阶有源低通滤波器二阶有源低通滤波器UAUfoRCAQof131oofiofQjAUUA1)(1)(2RFRR1C+-iU oU CRP11RRAff21Q 2Q o/)(fA4121Q 2Q o/二、高通滤波器RC对调对调RR1+-iU oU CRCR1021)(1)(QjAUUAofiof11RRAff)(fA42 比较器属于运算放大器的非线性应用，所谓比较器属于运算放大器的非线性应用，所谓非线性应用非线性应用是指：由运放组成的电路处于非线性是指：由运放组成的电路处

18、于非线性状态，输出与输入的关系状态，输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。是非线性函数。由运放组成的非线性电路有以下三种情况。由运放组成的非线性电路有以下三种情况。、电路中的运放处于非线性状态（开环或正反馈）。、电路中的运放处于非线性状态（开环或正反馈）。、电路中的运放处于线性状态，但外围电路有非线性元、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）。件（二极管、三极管）。、电路中的运放处于非线性状态，外围电路也有非线性元、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）。件（二极管、三极管）。43一、简单电压比较器一、简单电压比较器uoui0+

19、Uom-UomUR+uouiURuoui0+Uom-Uom过零比较器过零比较器UR=0 的情况的情况:+uoui44tuituo+Uom-Uom例例1：利用电压比较：利用电压比较器将正弦波变为方器将正弦波变为方波。波。+uoui45*例2：水位监控。水位监控。如何防止干扰？如何防止干扰？uo+uouiKMUR标准水位标准水位测量水位测量水位46二、具有滞回特性的比较器二、具有滞回特性的比较器分析：分析：、因为有正反馈，所以、因为有正反馈，所以输出饱和。输出饱和。、当、当uo正饱和时：正饱和时：Hom211RUURRRU 当当uo负饱和时：负饱和时：Lom211RUURRRU 比较电压由原比较电

20、压由原来的输出决定来的输出决定+uoRR2R1uiUR47U+H-U+L称为回差称为回差传输特性传输特性U+HU+L跳转后增大了跳转后增大了U+-U-加速跳转加速跳转小于回差的干扰不小于回差的干扰不会引起跳转会引起跳转下限下限上限上限uoui0Uom-UomHom211RUURRRU Lom211RUURRRU +uoRR2R1uiUR48tuiU+HU+LtuoUom-Uom输入正弦波的情况输入正弦波的情况+uoRR2R1uiURU+HU+Luoui0Uom-Uom49SomHURRRURRRU212211SomLURRRURRRU212211加上参考电压后的上下限加上参考电压后的上下限uo

21、ui0U+HU+LuoUS+RR2R1uiUR50如何计算上下限？如何计算上下限？用用UZ代替代替Uomuo UZ+RR2R1uiUR 为了稳定输出电压，可以在输为了稳定输出电压，可以在输出端加上双向稳压管出端加上双向稳压管511FA因为：因为：AAA|FFF|（1）振幅条件：）振幅条件：1|AF（2）相位条件：）相位条件：nFA2n是整数是整数相位条件相位条件:振荡电路必须有正反馈；振荡电路必须有正反馈；振幅条件振幅条件:放大倍数可调。放大倍数可调。开环放大电路dX oX 反馈回路fX iX+uFuAufAFAAA1f52问题问题1：如何启振？如何启振？Uo 是振荡器的电压输出是振荡器的电压

22、输出幅度，幅度，B是要求输出的幅度是要求输出的幅度。起振时。起振时Uo=0，达到稳定达到稳定振荡时振荡时Uo=B。放大电路中存在噪声（即瞬态扰动）放大电路中存在噪声（即瞬态扰动）,这些扰动这些扰动可分解为各种频率分量，其中也包括可分解为各种频率分量，其中也包括fo分量。分量。选频网络：选频网络：把把fo分量选出，把其他频率的分量分量选出，把其他频率的分量衰减掉。这时，只要：衰减掉。这时，只要：|AF|1，且且 A+B=2n，即可起振。即可起振。开环放大电路dX oX 反馈回路fX iX+uFuAufA53问题问题2：如何稳幅？如何稳幅？起振后，输出起振后，输出Uo将逐渐将逐渐增大，若不采取稳幅

23、增大，若不采取稳幅,|AF|仍仍大于大于1，输出将会饱和失真。，输出将会饱和失真。Uo达到需要的幅值后，将参数调整为达到需要的幅值后，将参数调整为AF=1，即可即可稳幅。稳幅。起振并能稳定振荡的条件：起振并能稳定振荡的条件：111AFBUAFBUAFBUooo时，时，时，开环放大电路dX oX 反馈回路fX iX+uFuAufA54二、二、RC正弦波正弦波振荡电路振荡电路 用用RC 电路构成选频网络的振荡电路即所谓的电路构成选频网络的振荡电路即所谓的 RC振荡电路，可选用的振荡电路，可选用的 RC 选频网络有多种，这选频网络有多种，这里只介绍里只介绍文氏桥选频电路文氏桥选频电路。R1C1R2C

24、2iUoU1、选频电路、选频电路55)1(j)1(112211221CRCRCCRRUUio12211CRCRoo时，相移为时，相移为0 0。R1C1R2C2iUoU122121CRCRfo如果：如果：R1=R2=R，C1=C2=CRCfo21)(j31ffffUUooio56)(j31ffffUUooio)(31arctgffffoo22)(31ffffUUooio传递函数：传递函数：相频特性：相频特性：幅频特性：幅频特性：fofioUU31+90 90 f0R1C1R2C2iUoU1/3572、用运放组成的、用运放组成的RC振荡器振荡器0A所以，要满足相位条所以，要满足相位条件，只有在件，

25、只有在 fo 处处0F因为：因为：1AF122RR 121RRA3112RRAuo_+R2RCRCR1AOui放大放大稳幅稳幅选选频频)(j31ffffUUooioiU oU 31F58输出频率的调整：输出频率的调整：RCfo21通过调整通过调整R或或/和和C来改变频率。来改变频率。C：双联可调电双联可调电容，改变容，改变C，用于细调振用于细调振荡频率。荡频率。K：双联波段开双联波段开关，切换关，切换R，用于粗调振用于粗调振荡频率。荡频率。_+RFuoRCCRKKR1R1R2R2R3R359omHURRRU211omLURRRU211上下门限电压：上下门限电压：-+RR1R2C+ucuo工作原

26、理：工作原理：(a)设：设：uo =+Uom此时，输出给此时，输出给C充电充电!U+Huc0t则：则：u+=U+H60一旦一旦 uc U+H,就有就有 u-u+uo 立即由立即由Uom 变成变成Uom!U+Huc0t0tuoUom-Uom在在 uc U+H 时，时，u-u+,uo 保持保持+Uom 不变；不变；-+RR1R2C+ucuo61C 经输出端放电，经输出端放电，U+HuctU+L(b)当当uo =-Uom 时，时，u+=U+Luc达到达到U+L时，时，uo上翻。上翻。-+RR1R2C+ucuo62 当当uo 重新回到重新回到Uom 以后，电路又进入另以后，电路又进入另一个周期性的变化

27、：一个周期性的变化：U+Huc0tU+LUomuo0t-Uom-+RR1R2C+ucuo63周期与频率的计算：周期与频率的计算：TU+Huc0tU+LUomuo0t-Uom)RR21ln(RC2T21 T1f -+RR1R2C+ucuo64积分电路积分电路将将矩形波矩形波变为变为三角三角波波 此电路要求前后电路的时间常数配合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。好，不能让积分器饱和。方波发生器方波发生器RR1R2C+uc+A1反向积分电路反向积分电路RR2Cuo+A2电电路路一一方波发生器方波发生器 产生产生 矩形波矩形波65tuRCuood11 三角波的周三角波的周期由方波发

28、生期由方波发生器确定，其幅器确定，其幅值也由周期值也由周期T和和参数参数R、C决定。决定。uo0uo1tUom-UomRR1R2C+ucRR2Cuouo1+A1A2)RR2RCln(12T21)(21ouRCUTTRCuUoo)(1U-U66电路二：电路二：电路一的改型电路一的改型A1A2uouo1R02R01RCR2R1反向积分电路反向积分电路滞回滞回比较器比较器特点：特点：滞回比较器的输出作为反相积分器的输入，反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。相积分器的输出又反馈到滞回比较器的输入。+67oouRRRuRRRu1221121100uo1tU

29、OmUOmuotU+HU+LA1A2uouo1R02R01RCR2R1+omoUu101u时：时：电容充电电容充电u uo o电位下降。电位下降。omoUu101u时：时：电容充电电容充电u uo o电位升高。电位升高。ucu uo o电位下降使得电位下降使得u u1+1+下降下降68oouRRRuRRRu12211211A1A2uouo1R02R01RCR2R1+0tUOmUOmuo1uo2t1t2取取 t1t2 段：段：uo1=-Uom ;uo线性增加：线性增加：当当uo=Uom R1/R2时时,u1+=0在在 t1t2 点：点：omURR21omURR21uo69A1A2uouo1R02

30、R01RCR2R1+0tuo2uo1UOmUOmt1t2omURR21omURR210t由此可得，三角波的峰值是：由此可得，三角波的峰值是：omoURRU21幅值的计算：幅值的计算：70周期和频率的计算：周期和频率的计算：RCRRf124214RRCRT TTT5.021A1A2uouo1R02R1RCR2R1+TKUo)()(1212ttRCUUUomototTT1T2tuot1t22)()()(2121TRCUURRURRomomom根据：根据：omLURRU21omHURRU2171 电容电容充放电充放电时间时间T T1 1、T T2 2可通过可通过R R、RR调整。调整。当当RR=0=

31、0时，则为锯齿时，则为锯齿波发生器。波发生器。电路三：电路三：是电路二的改进是电路二的改进uo1被嵌位被嵌位于于UzR2R1R R2CuoR+A1A2ZLURRU21ZHURRU21tuoT1T272R=0 时时R=0 时时uot改变三角波发生器改变三角波发生器中积分电路的充放电时间中积分电路的充放电时间常数，使放电的时间常数常数，使放电的时间常数为为0 0，即把三角波发生器，即把三角波发生器转换成了锯齿波发生器。转换成了锯齿波发生器。couuuctR2R1R4CuoR+R3+A1A273ZZTZURRTRCUtURC2102)(d1212RRCRT R2R1R4CuoR+R3+A1A2ZLU

32、RRU21ZHURRU21uct74ZHURRU21ZLURRU21|ui|UZcouu 把锯齿波发生器中积分电路的充电电压由把锯齿波发生器中积分电路的充电电压由u uo o1 1变为变为u ui i ，则锯齿波发生器转变为压频转换电路。即输出则锯齿波发生器转变为压频转换电路。即输出u uo o的频率由输的频率由输入电压入电压u ui i的大小决定。的大小决定。R2R1uiR3CuoRA1A2uo1D1D2+751 1、设、设 u uo o1 1=+=+U UZ Z ，则则D D2 2截止，截止，D D1 1导通，导通，u ui i 给电容给电容C C充电，充电，u uo o下降，下降，工作原

33、理：工作原理：R2R1uiR3CuoRA1A2uo1D1D2uccouutucUHULuotULUH+2 2、当、当u uo o下降下降到到U U+L L时时u uo o1 1翻转到翻转到-U UZ Z ，这时，这时，D D2 2导通导通U U2-2-=-U UZ Z D D1 1截止，电容截止，电容C C 快速放快速放 电，电，u uo o上升，上升，3 3、当、当u uo o上升到上升到U U+H H 时时u uo o1 1 翻转到翻转到+U UZ Z 。如此周期变化。如此周期变化。u uo o为锯齿波。为锯齿波。76R2R1uiR3CuoRA1A2uo1D1D2由由电路的工作情况可知：电路的工作情况可知：改变电压改变电压uiuo的频率变化的频率变化充电电压变化充电电压变化因此，称该电路为因此，称该电路为 压频转换电路压频转换电路。tucUHUL充电时间变化充电时间变化+77由由工作原理可知，工作原理可知，uo在在UL、UH之间变化：之间变化：TuRCURRiZ1221iZuURCRRT212ZiUuRRRCf1221ZURR21ZURR21R2R1uiR3CuoRuo1D1D2+A1A278