第三章運(yùn)算電路

1、第三章信號(hào)運(yùn)算電路第一節(jié)加減運(yùn)算電路、加法運(yùn)算電路& Rf殳%=琛 5+房 S+A + ?/)、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Uq 二5現(xiàn)-（二）用單一運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)減法運(yùn)算三、積分運(yùn)算電路（一）反相積分電路段出1rzG)“（二）具有特殊性能的積分電路1、增量積分電路（比例積分電路）第二節(jié)微分運(yùn)算電路a）基本微分電路b）實(shí)用微分電路ftIIrXRc）高輸入阻抗微分電路第三節(jié)絕對(duì)值運(yùn)算電路Io= I Ui I /R、二極管及三級(jí)管檢波b）晶體管檢波電路一睪線匣（1 '件濾波器 a）二極管檢波電路非線性低通 器件濾波器即二極管的正向壓降、晶體管的發(fā)射?為什么要采用精

2、密檢波電路？ 二極管Vd和晶體管V都有一定死區(qū)電壓, 結(jié)電壓超過(guò)一定值時(shí)才導(dǎo)通，它們的特性也是一根曲線。二極管VD和晶體管V 的特性偏離理想特性會(huì)給檢波帶來(lái)誤差。為了提高檢波精度，常需采用精密檢波 電路，它又稱為線性檢波電路。三、精密檢波電路1、半波精密檢波電路 半泣整流器 ！_L低通濾波器yHI線性半波檢波電路當(dāng)Us為正半周時(shí)，VD1導(dǎo)通，VD2截止，A點(diǎn)接近于虛地，UA=0R2當(dāng)Us為負(fù)半周時(shí)，VD1截止VD2導(dǎo)通UA UsRi2、全波精密檢波電路(2)線性全波檢波電路當(dāng) R3'=2R3U0R4 ,R3(UUs線性全波檢波電路當(dāng)us為正半周時(shí)，VD1、VD4導(dǎo)通，VD2、VD3截止

3、，u0=us當(dāng)Us為負(fù)半周時(shí)，VD2、VD3導(dǎo)通，VD1、VD4截止，取 R1 = R4, U0=-Us高輸入阻抗線性全波整流電路b)正輸入等效電路c)負(fù)輸入等效電路當(dāng)Us為正半周時(shí)，VD1導(dǎo)通，VD2截止，等效電路如圖b所示，U0=Us當(dāng)Us為負(fù)半周時(shí)，VD1、截止，VD2導(dǎo)通，等效電路如圖c所示，取 Ri=R2=R3=R4/2, N1 的輸出為：R2、Cu A (1)Us 2UsRiN2的輸出為： R4、R4 c ,Uo (1 )Us Ua3Us 4Us UsR3R3所以UoUs第四節(jié)比較器電路一、電壓比較電路比較器用通用運(yùn)算放大器和專用集成比較器的區(qū)別？(1)比較器的一個(gè)重要指標(biāo)是它的響

4、應(yīng)時(shí)間，它一般低于10-20nso響應(yīng)時(shí)間與放大器的上升速率和增益-帶寬積有關(guān)。因此，必須選用這兩項(xiàng)指標(biāo)都高的運(yùn) 算放大器作比較器，并在應(yīng)用中減小甚至不用相位補(bǔ)償電容， 以便充分利用通用 運(yùn)算放大器本身的帶寬來(lái)提高響應(yīng)速度。(2)當(dāng)在比較器后面連接數(shù)字電路時(shí)，專用集成比較器無(wú)需添加任何元器件，就可以直接連接，但對(duì)通用運(yùn)算放大器而言，必須對(duì)輸出電壓采取嵌位措施，使 它的高，彳氐輸出電位滿足數(shù)字電路邏輯電平的要求。一電平比較電路(單閾值比較器)(a)差動(dòng)比較電路電壓比較器及其特性(b)求和比較電路(閾值可變) 優(yōu)點(diǎn)：閾值可變a)滯回比較電路(正反饋閾值)兩個(gè)閾值：?jiǎn)畏较騿伍撝礡 o-l Ui 一R

5、2 0-1U Rr-iUUOU2UiUiRi1a)b)窗口比較電路UzVsZSRiU ri 11"rp ruur2早R2I卜6Ui+1 N1#Uoi+ 1 N2#Uo2第五節(jié)濾波器電路設(shè)計(jì)一、濾波器的功能和類型1、功能：濾波器是具有頻率選擇作用的電路或運(yùn)算處理系統(tǒng)，具有濾除噪聲和 分離各種不同信號(hào)的功能。2、類型：按處理信號(hào)形式分：模擬濾波器和數(shù)字濾波器按功能分：低通、高通、帶通、帶阻按電路組成分：LC無(wú)源、RC無(wú)源、由特殊元件構(gòu)成的無(wú)源濾波器、RC有源濾波器按傳遞函數(shù)的微分方程階數(shù)分：一階、二階、高階二、模擬濾波器的頻率特性模擬濾波器白傳遞函數(shù)H(s)表達(dá)了濾波器的輸入與輸出間的傳

6、遞關(guān)系。 若濾 波器的輸入信號(hào)Ui是角頻率為w的單位信號(hào)，濾波器的輸出Uo(jw尸H(jw)表達(dá)了在單位信號(hào)輸入情況下的輸出信號(hào)隨頻率變化的關(guān)系，稱為濾波器的頻率特性函數(shù)，簡(jiǎn)稱頻率特性 。頻率特性H(jw)是一個(gè)復(fù)函數(shù)，其幅值 A(w)稱為幅頻特性，其幅角力(w)表示輸出信號(hào)的相位相對(duì)于輸入信號(hào)相位的變化，稱為相頻特性 。三、濾波器的主要特性指標(biāo)1、特征頻率： 通帶截頻fp=wp/(2 )為通帶與過(guò)渡帶邊界點(diǎn)的頻率，在該點(diǎn)信號(hào)增益下降到一個(gè)人為規(guī)定的下限。 阻帶截頻fr=wr/(2 )為阻帶與過(guò)渡帶邊界點(diǎn)的頻率，在該點(diǎn)信號(hào)衰耗(增益的倒數(shù) )下降到一人為規(guī)定的下限。轉(zhuǎn)折頻率fc=wc/(2 )

7、為信號(hào)功率衰減到1/2(約3dB)時(shí)的頻率，在很多情況下， 常以fc作為通帶或阻帶截頻。 固有頻率f0=w0/(2 )為電路沒(méi)有損耗時(shí)，濾波器的諧振頻率，復(fù)雜電路往往有多個(gè)固有頻率。2、增益與衰耗濾波器在通帶內(nèi)的增益并非常數(shù)。對(duì)低通濾波器通帶增益 Kp一股指w=0時(shí)的增益；高通指w-8時(shí)的增益；帶 通則指中心頻率處的增益。對(duì)帶阻濾波器，應(yīng)給出阻帶衰耗，衰耗定義為增益的倒數(shù)。通帶增益變化量 Kp指通帶內(nèi)各點(diǎn)增益的最大變化量，如果 Kp以dB為單 位，則指增益dB 值的變化量。3、阻尼系數(shù)與品質(zhì)因數(shù)阻尼系數(shù) 是表征濾波器對(duì)角頻率為w0 信號(hào)的阻尼作用，是濾波器中表示能量衰耗的一項(xiàng)指標(biāo)。阻尼系數(shù)的倒

8、數(shù)稱為品質(zhì)因數(shù) ， 是評(píng)價(jià)帶通與帶阻濾波器頻率選擇特性的一個(gè)重要指標(biāo)，Q= w0/Awo式中的 w為帶通或帶阻濾波器的3dB帶寬，w0為中心頻率，在很多情況下中心頻率與固有頻率相等。4、靈敏度濾波電路由許多元件構(gòu)成，每個(gè)元件參數(shù)值的變化都會(huì)影響濾波器的性能。濾波器某一性能指標(biāo)y對(duì)某一元件參數(shù)x變化的靈敏度記作Sxy,定義為：Sxy=(dy/y)/(dx/x)。該靈敏度與測(cè)量?jī)x器或電路系統(tǒng)靈敏度不是一個(gè)概念，該靈敏度越小，標(biāo)志著電路容錯(cuò)能力越強(qiáng)，穩(wěn)定性也越高。5、群時(shí)延函數(shù)當(dāng)濾波器幅頻特性滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，為保證輸出信號(hào)失真度不超過(guò)允許范圍，對(duì)其相頻特性爐(w)也應(yīng)提出一定要求。在濾波器設(shè)計(jì)中，常

9、用群時(shí)延函數(shù)d(w)/dw評(píng)價(jià)信號(hào)經(jīng)濾波后相位失真程度。群時(shí)延函數(shù) da(w)/dw越接近常數(shù)，信 號(hào)相位失真越小。四、二階濾波器1、二階低通濾波器二階低通濾波器的傳遞函數(shù)的一般形式為H 0） = S +/£+%,它的固有頻率為a01/2,通帶增益Kp=b0/a0,阻尼系數(shù)為a1/w0相頻特性為其幅頻特性與arctg卬工田口一落十a(chǎn)rctg »7 田）由口由一%2、二階高通濾波器二階低通濾波器的傳遞函數(shù)的一般形式為其幅頻特性與相頻特性為工）三 一一媼尸4（立明山）W（a?） = 47T + arctg -1一7 MA0 一%22田一曬3、二階帶通濾波器二階帶通濾波器的傳遞函

10、數(shù)的一般形式為一. 39一八3+鬲其幅頻特性與相頻特性分別為心）=一加jo? 一鬲y +應(yīng)0/0）但）=V5十 arctg5中-+ arctg4、二階帶阻濾波器二階帶阻濾波器的傳遞函數(shù)的一般形式為4十硝/ +（9）/0）后+若其幅頻特性和相頻特性為工（田）=ate tg&/一畸5、二階全通濾波電路（移相電路）二階全通濾波電路的傳遞函數(shù)的一般形式為s +9物占由口其幅頻特性為常數(shù)，相頻特性為fl? W 曲（o? > a?0-Sarctg "-2n+ 2aletg 丁0、£2? tt?0五、濾波器特性的逼近理想濾波器要求幅頻特性A（w）在通帶內(nèi)為一常數(shù)，在阻帶內(nèi)為

11、零，沒(méi)有過(guò)渡帶， 還要求群延時(shí)函數(shù)在通帶內(nèi)為一常量，這在物理上是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。實(shí)踐中往往選 擇適當(dāng)逼近方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)理想濾波器的最佳逼近。測(cè)控系統(tǒng)中常用的三種逼近方法為：巴特沃斯逼近切比雪夫逼近貝賽爾逼近（一）巴特沃斯逼近這種逼近的基本原則是使幅頻特性在通帶內(nèi)最為平坦，并且單調(diào)變化。其幅頻特性為n階巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)為A 勺口； i fc-J § 凡/A nH= 2卻m-22+1其中可：'< -1 -（二）切比雪夫逼近這種逼近方法的基本原則是允許通帶內(nèi)有一定的波動(dòng)量Kp。其幅頻特性為紇用' 一J1 十 ）（三）貝賽爾逼近這種逼近與前兩種不同，它主要側(cè)重于相

12、頻特性，其基本原則是使通帶內(nèi)相頻特 性線性度最高，群時(shí)延函數(shù)最接近于常量，從而使相頻特性引起的相位失真最小。02A該電路壓控增益月=六、RC有源濾波電路（一）壓控電壓源型濾波電路一明E46+1）川+閉+Q -孫必+&%1、低通濾波電路濾波器參數(shù)為及二仁二1 + &p R_ 1% =眄&Cg1 z 11、 1 耳&由門=F j HQ &風(fēng) 因心2、高通濾波器K =降=1十歲5o =；3、帶通濾波器勺=&鼠。+的£ +。-右手_ I 十見(jiàn)R4、帶阻濾波器5 二 12 +。/)& +11 -0（二）無(wú)限增益多路反饋型濾波電路（% + 為+/* +右）匕+七環(huán)（三）雙二階環(huán)濾波電路1、低通與帶通濾波電路茯 _ & R _ MM m _ 4/一可&廠轉(zhuǎn),埠一京=I 乜叱"寸田島&CR% 1S二十而2、可實(shí)現(xiàn)高通、帶阻與全通濾波的雙二階環(huán)電路%Ri&CC上3、低通、高通、帶通、帶阻與全通濾波電路%=1, %=-1,七、有源濾波器設(shè)計(jì)有源濾波器的設(shè)計(jì)主要包括以下四個(gè)過(guò)程：?確定傳遞函數(shù)?選擇電路結(jié)構(gòu)?選擇有源器件?計(jì)算無(wú)源元件參數(shù)以無(wú)限增益多路反饋二階巴特沃斯濾波器為例在給定的fc下，參考下表選擇電容 C1;根據(jù)C1的實(shí)際值，按下式計(jì)算電阻換標(biāo)系數(shù)