[理学]第2章信号运算与处理电路 1.ppt

第2章 信号运算与处理电路 2 – 1 概述 2 – 2 信号运算电路  2 – 3 信号处理电路 2 – 4 集成运算放大器选择指南  2–2 信号运算电路  又因为理想运算放大器，i′i=i-=0,即运放输入端不索取电流，所以反馈电流 if 为 if=i1+i2+i3 例1 试设计一个相加器，完成uo=-(2ui1+3ui2)的运算，并要求对ui1、ui2的输入电阻均≥100kΩ。 解 为满足输入电阻均≥100kΩ，选R2=100kΩ，针对 二、同相加法器 所谓同相加法器，是指其输出电压与多个输入电压之和成正比，且输出电压与输入电压同相。电路如下图所示。根据同相比例放大器原理，运放同相端与反相端可视为“虚短路”，即 U+=U- 其中U+等于各输入电压在同相端的叠加，U-等于uo在反相端的反馈电压Uf。 例2 利用相减电路可构成“称重放大器”。下图给出 称重放大器的示意图。图中压力传感器是由应变片构成的惠斯顿电桥，当压力(重量)为零时，Rx=R，电桥处于平衡状态，ui1=ui2,相减器输出为零。而当有重量时，压敏电阻Rx随着压力变化而变化，从此电桥失去平衡， ui1 ≠ ui2,相减器输出电压与重量有一定的关系式。试问，输出电压uo与重量(体现在Rx变化上)有何关系。 解 上图的简化电路如下图所示。图中 重量(压力)变化，Rx随之变化，则uo也随之变化，所以测量uo就可以换算出重量或压力。 2–2–4 积分器 所谓积分器，其功能是完成积分运算，即输出电压与输入电压的积分成正比。 根据反相比例放大器的运算关系，在时域，设电容电压的初始值为零(uC(0)=0),则输出电压u o(t)为 如果将相减器的两个电阻R3和R4换成两个相等电容C，而将R1=R2=R，则构成了差动积分器。这是一个十分有用的电路，如图所示。其输出电压u o(t) 例3 电路如图所示，R=100kΩ，C=10μF。当t=0~t1(1s)时，开关S接a点；当t=t1(1s)~t2(3s)时，开关S接b点；而当t＞t2(3s)后，开关S接c点。已知运算放大器电源电压UCC=|-UEE|=15V，初始电压uC(0)=0,试画出输出电压uC(0)的波形图。 解(1)因为初始电压为零(uC(0)=0)，在t=0~1s间，开关S接地，所以uo=0。 (2)在t=1~3s间，开关S接b点，电容C充电,充电电流 (3)在t＞3s后，S接c点，电容C放电后被反充电，uo从-4V开始线性上升，一直升至电源电压UCC就不再上升了。那么升到电源电压(+15V)所对应的时间tx是多少? 2–2–5 微分器 将积分器的积分电容和电阻的位置互换，就成了微分器，如下图所示。微分器的传输函数为 可见，输出电压和输入电压的微分成正比。 微分器的高频增益大。如果输入含有高频噪声的话，则输出噪声也将很大，而且电路可能不稳定，所以微分器很少有直接应用。在需要微分运算之处，也尽量设法用积分器代替。例如，解如下微分方程： 2–2–6 对数运算器 在实际应用中，有时需要进行对数运算或反对数(指数)运算。例如，在某些系统中，输入信号范围很宽，容易造成限幅状态，通过对数放大器，使输出信号与输入信号的对数成正比，从而将信号加以压缩。 最简单的对数运算器是将反相比例放大器的反馈电阻Rf换成一个二极管或三极管，如下图所示。 由图可见: 该电路存在两个问题：一是ui必须为正；二是IS和UT都是温度的函数，其运算结果受温度的影响很大，如何改善对数放大器的温度稳定性是一个重要的问题。一般改善的办法是：用对管消除IS的影响；用热敏电阻补偿UT的温度影响。下图给出一个改善温度稳定性的实际电路。 上图中，V1和V2是一对性能参数匹配的晶体管，用以抵消反向