第五章信號運(yùn)算電路ppt課件

1、中國計(jì)量學(xué)院中國計(jì)量學(xué)院第五章第五章 信號運(yùn)算電路信號運(yùn)算電路計(jì)量測試工程學(xué)院計(jì)量測試工程學(xué)院 陸藝陸藝 計(jì)量測試工程學(xué)院 陸藝25.2 5.2 加減運(yùn)算電路加減運(yùn)算電路為什么用模擬信號進(jìn)行運(yùn)算？為什么用模擬信號進(jìn)行運(yùn)算？一、加法運(yùn)算電路一、加法運(yùn)算電路反相相加反相相加R推導(dǎo)過程？推導(dǎo)過程？計(jì)量測試工程學(xué)院 陸藝3二、減法運(yùn)算電路二、減法運(yùn)算電路（一利用加法運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算（一利用加法運(yùn)算電路實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算（二用單一運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算（二用單一運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算例例P 122計(jì)量測試工程學(xué)院 陸藝45.3 5.3 對數(shù)、指數(shù)和乘、除運(yùn)算電路對數(shù)、指數(shù)和乘、除運(yùn)算電路一、對數(shù)運(yùn)算一、對

2、數(shù)運(yùn)算利用二極管的特性：利用二極管的特性：) 1(TuuseIIIs反向飽和電流反向飽和電流 u外加電壓外加電壓 uT溫度的電壓溫度的電壓當(dāng)量當(dāng)量=26 mv 也叫熱力學(xué)電壓也叫熱力學(xué)電壓一般一般uT，TuuseII sTIIuuln1lnRIuuuSiTo右圖右圖這種電路精度不高這種電路精度不高由二極管組成的對數(shù)電路由二極管組成的對數(shù)電路計(jì)量測試工程學(xué)院 陸藝51lnRIuuusiTo二極管、三極管組成的對數(shù)電路，從上面最終的式子，我們可二極管、三極管組成的對數(shù)電路，從上面最終的式子，我們可以看到以看到uT和和Is都是與溫度有關(guān)的參數(shù)，所以運(yùn)算精度受溫度影響都是與溫度有關(guān)的參數(shù)，所以運(yùn)算精度

3、受溫度影響比較大。比較大。例如：溫度從例如：溫度從2050時(shí)，時(shí)， uT增加增加10%， Is增加近增加近10倍。倍。所以我們要提出溫度補(bǔ)償功能的對數(shù)電路。所以我們要提出溫度補(bǔ)償功能的對數(shù)電路。改進(jìn)型，雙極型晶體管改進(jìn)型，雙極型晶體管V代替二極管代替二極管由晶體管組由晶體管組成的對數(shù)電成的對數(shù)電路路TBEvvsceII 1RuIic1lnlnRIuuIIuuusiTscTbeo計(jì)量測試工程學(xué)院 陸藝6圖圖5-8 具有溫度補(bǔ)償?shù)膶?shù)運(yùn)算電路具有溫度補(bǔ)償?shù)膶?shù)運(yùn)算電路實(shí)際上，實(shí)際上，V2與電阻與電阻R3為溫度補(bǔ)償電路為溫度補(bǔ)償電路差動(dòng)補(bǔ)償差動(dòng)補(bǔ)償怎么補(bǔ)償?shù)哪兀吭趺囱a(bǔ)償?shù)哪?？refiTouRuRRR

4、Ruu15332lnV1V2Ube1Ube2uo計(jì)量測試工程學(xué)院 陸藝7二、指數(shù)運(yùn)算電路二、指數(shù)運(yùn)算電路TiuusoeRIu1同前，指數(shù)運(yùn)算也可用前面差動(dòng)的方法來進(jìn)行溫度補(bǔ)償，具體電路見圖同前，指數(shù)運(yùn)算也可用前面差動(dòng)的方法來進(jìn)行溫度補(bǔ)償，具體電路見圖5-10TiuuRRRrefoeRRuu43315計(jì)量測試工程學(xué)院 陸藝8三、乘法和除法運(yùn)算電路三、乘法和除法運(yùn)算電路（一乘除運(yùn)算電路（一乘除運(yùn)算電路模擬乘法器是繼運(yùn)算放大器之后最通用的集成電路器件之一。模擬乘法器是繼運(yùn)算放大器之后最通用的集成電路器件之一。uouxuyuo=KuxuyK稱為比例系數(shù)或標(biāo)度系數(shù)稱為比例系數(shù)或標(biāo)度系數(shù) K=0.1一般保

5、證精度。一般保證精度。實(shí)現(xiàn)模擬乘法器方法很多實(shí)現(xiàn)模擬乘法器方法很多對數(shù)對數(shù)/反對數(shù)組成的模擬乘法器反對數(shù)組成的模擬乘法器平方乘法器平方乘法器時(shí)間分割模擬乘法器時(shí)間分割模擬乘法器變跨導(dǎo)模擬乘法器變跨導(dǎo)模擬乘法器+ + = + = = + =四象限乘法器四象限乘法器二象限乘法器：只有一個(gè)輸入端能接受兩種不同二象限乘法器：只有一個(gè)輸入端能接受兩種不同極性信號極性信號一象限乘法器一象限乘法器計(jì)量測試工程學(xué)院 陸藝9課本所講的主要是對數(shù)課本所講的主要是對數(shù)/反對數(shù)乘法器反對數(shù)乘法器zyxezxylnlnln1.單象限乘除運(yùn)算電路單象限乘除運(yùn)算電路把圖把圖5-8與圖與圖5-10電路串聯(lián)起來，把參考電壓端換

6、成信號輸入端。電路串聯(lián)起來，把參考電壓端換成信號輸入端。單象限乘除運(yùn)算電路單象限乘除運(yùn)算電路zyxouuuu Auz計(jì)量測試工程學(xué)院 陸藝102.四象限乘法器四象限乘法器N1、N2為加法器，分別與一定固定電壓為加法器，分別與一定固定電壓E相加，然后經(jīng)過相加，然后經(jīng)過N3乘法器，乘法器，再到再到N4加法器加法器Euuuyxo其中其中Eux、uy+E，輸出，輸出u1，u20滿足一象限乘法器的條件滿足一象限乘法器的條件N1N2N3N4計(jì)量測試工程學(xué)院 陸藝113.除法電路除法電路zxouuEu 4.集成乘、除法運(yùn)算電路集成乘、除法運(yùn)算電路集成乘法器有不少的品種。如美國集成乘法器有不少的品種。如美國A

7、DI公司的公司的AD632、AD534可以實(shí)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn))()(212121zzSFyyxxAuo的運(yùn)算，的運(yùn)算，AD532、AD633、AD838可以實(shí)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)zyyxxAuo10)(2121的運(yùn)算，而的運(yùn)算，而MLT04具有具有4路乘法器。路乘法器。AD539、AD734可以實(shí)現(xiàn)乘法和除可以實(shí)現(xiàn)乘法和除法運(yùn)算。法運(yùn)算。計(jì)量測試工程學(xué)院 陸藝12（二乘方與開方電路（二乘方與開方電路利用乘法器很容易實(shí)現(xiàn)平方電路，利用乘法器很容易實(shí)現(xiàn)平方電路，ux=uy就可以了。就可以了。Euuuyxo開方運(yùn)算也可以用乘法器實(shí)現(xiàn)。開方運(yùn)算也可以用乘法器實(shí)現(xiàn)。此電路只適用于正輸入和正輸出的情況，當(dāng)輸入端出現(xiàn)負(fù)電壓

8、時(shí)，此電路只適用于正輸入和正輸出的情況，當(dāng)輸入端出現(xiàn)負(fù)電壓時(shí)，輸出端電壓很快達(dá)到負(fù)向飽和，電路就不能正常工作。此外在這種輸出端電壓很快達(dá)到負(fù)向飽和，電路就不能正常工作。此外在這種電路中輸出電壓可能為正或?yàn)樨?fù)，為了得到正向電路中輸出電壓可能為正或?yàn)樨?fù)，為了得到正向Uo輸出，可在輸出輸出，可在輸出端加一個(gè)箝位二極管端加一個(gè)箝位二極管VD。計(jì)量測試工程學(xué)院 陸藝135.4 5.4 微分積分運(yùn)算電路微分積分運(yùn)算電路由于積分可以濾除高頻干擾，常用于濾波作用，而且利用它的充放電特性由于積分可以濾除高頻干擾，常用于濾波作用，而且利用它的充放電特性還可以實(shí)現(xiàn)延時(shí)、定時(shí)，以及各種波形。還可以實(shí)現(xiàn)延時(shí)、定時(shí)，以及

9、各種波形。一、積分電路一、積分電路 （一反相積分電路（一反相積分電路UIcUIiRCoiN假設(shè)電容初始電荷為假設(shè)電容初始電荷為0，就是初始電壓為，就是初始電壓為0dtuRCuio1若初始不為若初始不為001oioudtuRCu若若ui為常數(shù)，那么為常數(shù)，那么0oioutRCuuuo隨時(shí)間線性上升，積分電路適合于三角隨時(shí)間線性上升，積分電路適合于三角波與鋸齒波發(fā)生器。波與鋸齒波發(fā)生器。若若ui=umcost，積分以后，積分以后，0sinomoutRCuu幅頻特性在對數(shù)坐標(biāo)系中為幅頻特性在對數(shù)坐標(biāo)系中為-6dB的直線，確定積分電路的準(zhǔn)的直線，確定積分電路的準(zhǔn)則。則。計(jì)量測試工程學(xué)院 陸藝14（二比

10、例積分電路（二比例積分電路- -+ + +NR1R1R2R2CCI1I1UiUoa)b)R2R1R1UiUoUiOOttUiR2在圖在圖5-15中的積分電容中的積分電容C上串一個(gè)小電阻上串一個(gè)小電阻R2，即得比例積分電路增，即得比例積分電路增量積分電路）。量積分電路）。dtuCRuRRuiio1121這種電路比一般積分電路的輸出多了一項(xiàng)與這種電路比一般積分電路的輸出多了一項(xiàng)與ui成比例的項(xiàng)，故稱增成比例的項(xiàng)，故稱增量積分電路。它利用這一微小增量量積分電路。它利用這一微小增量R1R2去補(bǔ)償由于積分器去補(bǔ)償由于積分器復(fù)原和比較器滯后帶來的誤差。復(fù)原和比較器滯后帶來的誤差。圖圖b為輸入方波時(shí)的電路圖

11、。為輸入方波時(shí)的電路圖。計(jì)量測試工程學(xué)院 陸藝15二、微分運(yùn)算電路二、微分運(yùn)算電路a)基本微分電路基本微分電路UURCoiNb)實(shí)用微分電路實(shí)用微分電路URRCC1i1NoUdtduRCuio 當(dāng)輸入為正弦波當(dāng)輸入為正弦波 ui=umSint，輸出為，輸出為uo=RCumcost，幅，幅值為值為RC，幅頻為，幅頻為+6dB的直線。的直線。 圖圖b為實(shí)用電路，使為實(shí)用電路，使R1C=C1R，R1與與C1都是進(jìn)行相位補(bǔ)償?shù)亩际沁M(jìn)行相位補(bǔ)償?shù)挠?jì)量測試工程學(xué)院 陸藝16三、三、PIDPID電路電路PID比例比例積分積分微分電路又稱為微分電路又稱為PID調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器，是一種常見的控制電路。調(diào)節(jié)器的任務(wù)

12、是將一定的物理量是一種常見的控制電路。調(diào)節(jié)器的任務(wù)是將一定的物理量被調(diào)節(jié)參數(shù)被調(diào)節(jié)參數(shù)X），調(diào)節(jié)到預(yù)先給定的理論值或稱額定），調(diào)節(jié)到預(yù)先給定的理論值或稱額定值值W），并克服干擾的影響保持這一值。），并克服干擾的影響保持這一值。干擾參數(shù)干擾參數(shù)X+ + + +- -W X-WY Z+ZY對對 象象ASAR被調(diào)參數(shù)被調(diào)參數(shù)調(diào)節(jié)偏差調(diào)節(jié)偏差調(diào)調(diào) 節(jié)節(jié) 器器調(diào)節(jié)參數(shù)調(diào)節(jié)參數(shù)額定值額定值計(jì)量測試工程學(xué)院 陸藝175.5 5.5 常用特征值運(yùn)算電路常用特征值運(yùn)算電路一、絕對值運(yùn)算電路一、絕對值運(yùn)算電路RuIio|UOoUi只要用前面所學(xué)的線性整流電只要用前面所學(xué)的線性整流電路就可以了可參見第三章圖路就可以

13、了可參見第三章圖3-11、圖、圖3-13、圖、圖3-14，但不，但不要其中的濾波電容）。要其中的濾波電容）。NUiUoUNRIoVD1VD3VD2VD4mA計(jì)量測試工程學(xué)院 陸藝18二、平均值運(yùn)算電路二、平均值運(yùn)算電路兩種兩種求若干信號的加權(quán)平均值求若干信號的加權(quán)平均值相加電路相加電路信號在某一時(shí)段內(nèi)的平均值信號在某一時(shí)段內(nèi)的平均值積分積分 通過低通濾波器通過低通濾波器 對于左側(cè)信號對于左側(cè)信號ui(t)，我們可以分解成，我們可以分解成一個(gè)直流量一個(gè)直流量+一個(gè)交流量一個(gè)交流量)sin()(tutuii替代替代)(tui經(jīng)過低通濾波后，經(jīng)過低通濾波后，itioudttuRCu0)(1假如假如S

14、in(t)，那為，那為0只剩下直流量，這就是它的平均值。只剩下直流量，這就是它的平均值。因此，我們可以利用低通濾波器濾除波動(dòng)信號，就獲得了信因此，我們可以利用低通濾波器濾除波動(dòng)信號，就獲得了信號的平均值。號的平均值。計(jì)量測試工程學(xué)院 陸藝19三、峰值運(yùn)算電路三、峰值運(yùn)算電路利用二極管單向?qū)щ娞匦?，使電容單向充電，記憶其峰值利用二極管單向?qū)щ娞匦?，使電容單向充電，記憶其峰值Vim1Vim2Vim3ViVot上述電路記錄正峰值，若要記錄負(fù)峰值，上述電路記錄正峰值，若要記錄負(fù)峰值，D1、D2反接即可。反接即可。通過兩正反峰值相加電路，我們可以得到峰峰電路。通過兩正反峰值相加電路，我們可以得到峰峰電路

15、。正峰值正峰值檢波器檢波器ui反相器反相器正峰值正峰值檢波器檢波器相加電路相加電路-ui(-ui)maxuimax計(jì)量測試工程學(xué)院 陸藝20四、有效值運(yùn)算電路四、有效值運(yùn)算電路也稱均方根值。也稱均方根值。 在電學(xué)上交流信號、噪音、諧波分量、光學(xué)件表面粗糙度的評在電學(xué)上交流信號、噪音、諧波分量、光學(xué)件表面粗糙度的評定、誤差的評定，都采用有效值。定、誤差的評定，都采用有效值。對于正弦信號，對于正弦信號，2/muu ，測得幅值就測得有效值。，測得幅值就測得有效值。a) 基本有效值運(yùn)算電路框圖基本有效值運(yùn)算電路框圖UEUoiRCU1xyxyxyzxyzN1N2TidttuRCu02)(1這個(gè)電路的不足之處，動(dòng)態(tài)范圍太小。這個(gè)電路的不足之處，動(dòng)態(tài)范圍太小。例如我們信號電壓為例如我們信號電壓為10mV，取參考電壓，取參考電壓E=10V，則輸出，則輸出uo=10uV，這個(gè)值與噪聲電壓差不多了。，這個(gè)值與噪聲電壓差不多了。計(jì)量測試工程學(xué)院 陸藝21b)大動(dòng)態(tài)范圍的有效值運(yùn)算電路框圖大動(dòng)態(tài)范圍的有效值運(yùn)算電路框圖RCUUo