信号的运算与处理电路.ppt

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1、7.1 概述 7.2 基本运算电路 7.3* 模拟乘法器及其应用 7.4 有源滤波电路 7.5* 电子信息系统预处理中 所用放大电路 内容简介 1. 电子信息系统的组成 由若干相互联结 ， 相互作用的基本电路组成的 ， 具有 特定功能的电路整体 ， 称为 电子系统 。 电子系统的功能实 现伴随着信息的处理 ， 所以电子系统也是信息处理系统 。 信号 是信息的载体 ， 电信号 是以电压或电流等电量携 带信息的 。 客观世界许多物理量 ， 都可以通过一定的传感 器转换成电信号 ， 如声电转换器 （ 麦克 ） 、 温度传感器 、 光电转换器 （ 摄像头 ） 、 位置传感器等等 。 电子信息系统大致包

2、含信号的提取 、 信号的 （ 预 ） 处 理 、 信号的加工 、 信号的执行四个环节 。 信号的提取 信号的预处理 信号的加工 信号的执行 石英预制 棒生产过 程中的控 制系统 思考题： 以温度控制 系统为例 ， 说明其各组 成部分及其 作用 。 2. 理想集成运放的特点和工作特性 （ 1） 理想集成运放的性能指标 实际集成运放的特性很接近理想集成运放 ， 我们仅仅 在进行误差分析时 ， 才考虑理想化后造成的影响 ， 一般工 程计算其影响可以忽略 。 开环差模增益： ; odA 差模输入电阻： ; idr 输出电阻： ;0 or 共模抑制比： ; C MRK 上限截止频率： ;Hf 失调电压

3、、 电流及其温漂： 均为 0。 （ 2） 理想集成运放工作于线性区 理想运放工作于线性区： )( uuAu odo “虚短 ” ： 运放的同相输入端和反相输入端的电位 “ 无 穷 ” 接近 ， 好象短路一样 ， 但却不是真正的短路 。 uu uuuA ood 故 所以，为有限值而 ,0)(, A - + u + u o u - i + i - 0, iiuuur iid 所以，为有限值因为 “虚断 ” ： 运放的同相输入端和反相输入端的电流趋于 0， 好象断路一样 ， 但却不是真正的断路 。 理想运放工作于线性区 ， 因其 放大倍数趋于无穷大 ， 所以在输入 端只要加一个非无穷小的电压 ， 其

4、 输出就会超出其线性工作区 ， 因此 ， 只有电路引入负反馈 ， 才能使其工 作于线性区 。 i - A - + u + u o u - i + 反馈网络 （ 3） 理想集成运放工作于非线性区 电路中没有引入负反馈或引入 的是正反馈 ， 理想运放工作于非线 性区 。 因其放大倍数趋于无穷大 ， 所以输出电压只有两种可能： uuU uuUu o OMOM- 0, iir id 所以，因为 u o - U OM U OM u + - u - O 小 结 本讲主要介绍了以下基本内容： 理想集成运放的特点：“虚短”、“虚断”的概 念。 基本运算电路：比例、加减、积分、微分。 有源滤波电路：一阶 LPF

5、；二阶 LPF、 HPF、 BPF、 BEF。 1. 比例运算电路 为了保持运放差放输入级的对称性 ， 同相 输入端的电阻 R2为 uI=0时反相输入端的等效 电阻： R2= R1/ Rf 。 i F i N u P i I u I u O - + R f R 1 A u N R 2 电路处于深度负反馈条 件下 ， 虚短 和 虚断 成立 。 （ 1） 反相比例运算电路 0PN uu f ONNI R uu R uu 1 I f O uR Ru 1 1 I I R i ur i 01 AFrr oof 思考题： 如何提高图示电路的 输入电阻 ？ 会带来什么问题 ？ M R 4 i 2 i N u

6、 P i 1 u I u O - + R 2 R 1 A u N R 2 R 3 i 3 i 4 T型网络反相比例运算电路 IO uR RR R RRu 3 42 1 42 /1 （ 2） 同相比例运算电路 i F i N u P i R u I u O - + R f R A u N R IO uR Ru f1 u I u O - + R f A R u I u O - + A 电压 跟随器 反相求和运算电路 )( )( RRRR uuu R R R u R u R u Ru III III O 321 321 f 3 3 2 2 1 1 f （ 1） 求和运算电路 2.加减运算电路 i I

7、2 i F i N u P u I2 u O - + R f R 2 A u N R 4 u I3 R 3 u I1 R 1 i I3 i I1 i I i I2 i F i N u P u I2 u O - + R f R 2 A u N R 4 u I3 R 3 u I1 R 1 i I3 i I1 i R R 同相求和运算电路 )( )( 4321f 321 f 3 3 2 2 1 1 f / RRRRRR uuu R R R u R u R u Ru III III O )( )( 43f21 1 1 2 2 3 3f 3 3 f 2 2 1 1 f / RRRRR R u R u R

8、 u R R R u R R u R u Ru III III O （ 2） 加减运算电路 u I2 u O - + R f R 2 A R 4 u I3 R 3 u I1 R 1 （ 提示 ：用叠加原理 ） u O1 - + R f1 R 2 A 1 u I1 R 1 u O - + R f2 R 4 A 1 u I2 R 3 （ 解答 ： P321） 3.积分运算电路 i C i N u P i R u I u O - + C R A u N R dtuRC1u IO 4.微分运算电路 dt duRCu I O i C i N u P i R u I u O - + C R A u N R

9、 仿真 仿真 1. 滤波电路的基础知识 （ 1） 滤波电路的种类 滤波器 ：是一种能使 有用频率信号通过而同时 抑制或衰减无用频率信号 得电子装置 。 uA upA fpfO L P F 的频率特性 uA upA fpfO H P F 的频率特性 LPF(Low Pass Filter) HPF(high Pass Filter) BPF(Band Pass Filter) BEF(Band Embarrass Filter) APF(All Pass Filter) LPF (Low Pass Filter) HPF (High Pass Filter ) Band Pass Filter

10、Band Embarrass Filter 阻带 u A up A f1pfO B P F 的频率特性 2p f 通带 阻带 带通滤波器 （ BPF） 带阻滤波器 （ BEF） 阻带 u A up A f1pfO B E F 的频率特性 2p f 通带 通带 （ 2） 实际滤波器的幅频特性 阻带 u A up A fpfO 实际滤波器的幅频特性 通带 过渡带 up A707.0 过渡带越窄，频率特 性越陡峭，越接近理想 滤波器的特性，电路的 选择性越好，滤波特性 越好。 希望抑制 50Hz的干扰 信号 ， 应选用哪种类型的 滤波电路 ？ 放大音频信号 ， 应选 用哪种类型的滤波电路 ？ 通带电

11、压增益 通带截止频率 无源滤波器 ：由无源器件 （ R、 L、 C） 构成的滤波器 。 （ 3） 无源滤波电路 例： 求图示 RC低通滤波器在带载和不 带载的情况下放大倍数的频率特性表达式 ， 并画出其幅频特性波特图 。 - + - + R L C R iU oU 解： 不带载时： RCj f fj AA p up u 1 1 1 带载时： CRRj RR R f f j A A L L L p up u )/(1 1 - 3 - 20d B / de c up u A A lg20 f O pf pf 无源滤波电路的带载能力很差，当负载变化时，其放大倍数和通 带截止频率均发生变化，往往不能满

12、足信号处理的要求。 仿真 有源滤波器 ：由有源器件 （ 三极管 、 场效应管 、 集成运 放 ） 构成的滤波器 。 例： 求图示有源 RC低通滤波器在带载和不带载的情况 下放大倍数的频率特性表达式 。 R L C R iU oU ApU 解： 带载或不带载时都有： cRj U cj R U cj UU i i p 11 1 0 RCj f fj A A p up u 1 1 1 仿真 2. 一阶有源低通滤波器 由集成运放组 成的有源滤波电路， 当负载变化时，其 放大倍数表达式不 变，因此频率特性 不变。 根据频率特性的基础知识可知，电路中 RC环 节越多，阶数越高，过渡带越窄。 0 2 0 3

13、1 f fj f f A A upu 例： 求图示有源 RC低通滤波器放大倍数 的频率特性表达式 ， 并画出幅频特性曲线 。 R 2 R 1 C R i U o UAP C M R 解： 2 1 2 )(31 )( )( )(1 )( )()( s R Cs R C sA sU sU R R sU sUsA up i p i o u 仿真 3. 二阶有源低通滤波器 RCf 2 1 0 - 3 - 40d B / de c up u A A lg20 0f/f O 137.0 037.0 ff p 传递函数 特征频率 通带截止频率 例： 求图示有源 RC低通 滤波器放大倍数的频率 特性表达式 ，

14、 并画出幅 频特性曲线 。 R 2 R 1 C R i U o U AP C M R 解： 2 1 2 )()(31 )( )( )(1)( s R Cs R CsA sA sU sU R RsA up up i p u 仿真 RCf 2 1 0 压控电压源二阶低通滤波电路 2 00 31 f f f fAj A A up up u 等效品质因数 upup ffu AA A Q 3 10 例： 求图示有源 RC高通滤波 器放大倍数的频率特性表达 式 ， 并画出幅频特性曲线 。 C R 2 R 1 R i U o UAP C M R 解： 2 2 1 2 )()(31 )( )( )(1)( s

15、 R Cs R CsA s R CsA sU sU R RsA up up i p u 仿真 4. 二阶有源高通滤波器 RCf 2 1 0 upA Q 3 1 2 00 2 0 31 f f f f Aj f f A A up up u L P F H P F iU 1oU oU 2)()(31 )( )( )( 1)( s R Cs R CsA s R CsA sU sU R R sA up uf i pf u 仿真 5. 带通滤波器 RCf 2 1 0 uf uf uf up AQA AA 3 f f f f A j A A A uf uf uf u 0 03 1 1 3 C R f R

16、2 R i U o UAP C M R 3 R ufufop AAff 3432 22,1 L P F H P F i U 1o U oU 2 2 1 )()(221 )(1)( )( )(1)( s R Cs R CsA s R CsA sU sU R RsA up uf i pf u 6. 带阻滤波器 R /2 R R C R 1 2 C R f i U o U AP C M 22 0 0 0 2 0 2 0 221221 1 ff ff Aj A f f Aj f f f f A A up up up up u 021 212 fAAf upupp RCf 2 1 0 upAQ 22 1

17、 R /2 R R C R 1 2 C R f i U o U AP C M 仿真 022 212 fAAf upupp Q f fA fff up ppbw 0 0 12 22 例： 某有源滤波电路的传输函数如下： 解： （ 1） 低通 2)()(31 )( )( )()( s R Cs R CsA sA sU sUsA up up i o u （ 1） 定性分析该电路具有何种滤波性能 （ 高通 、 低通 、 带 通 、 带阻 ） ？ （ 2） 写出电路的特征频率 f0 和等效品质因数 Q的 表达式 ， 并求 f = f0 时使通带增益下降 3dB的 Q值 。 upup ffu AA A Q RC )f( 3 1 2 12 0 0 upuu AAdBA时 ，ff 2 13 0 时，下降 2 10 up ffu A A Q 此时，