電路與電子學(xué)9信號(hào)運(yùn)算處理及波形發(fā)生電路

第九章信號(hào)運(yùn)算、處理及波形發(fā)生電路§9.1運(yùn)算電路§9.3有源濾波電路§9.4電壓比較器*§9.5采樣-保持電路§9.5正弦波振蕩電路§9.6非正弦波發(fā)生電路§9.2電壓、電流變換電路1

Ao越大，運(yùn)放的線性范圍越小。一般情況加負(fù)反饋才能使其工作于線性區(qū)。+UOM-UOM轉(zhuǎn)移特性:

uo與ui的關(guān)系ui=u+-u-uo_+A0AO運(yùn)放電路的特點(diǎn)uiuo時(shí)：運(yùn)放工作在線性區(qū)。時(shí)：運(yùn)放工作在非線性區(qū)。2理想運(yùn)放的條件：放大倍數(shù)與負(fù)載無關(guān)，當(dāng)有幾級(jí)運(yùn)放時(shí)可以分級(jí)分析。虛短路虛開路uiuo+-A03由于運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)很大，輸入電阻高，輸出電阻小，在分析時(shí)常將其理想化，稱其所謂的理想運(yùn)放。運(yùn)放線性運(yùn)用信號(hào)的放大、運(yùn)算恒壓源、恒流源電路有源濾波電路在運(yùn)放的線性應(yīng)用中，運(yùn)放的輸出與輸入之間加了負(fù)反饋，使運(yùn)放工作于線性狀態(tài)。uiuo+-A0§9.1運(yùn)算電路4(一)、反相比例電路0=uu=-+i1i2i1=i2RfR1Rbuiuo_+A虛短路虛開路虛地一、比例電路5uo電路的輸入電阻：Ri=ui/ii=R1輸出電阻很小！平衡電阻，使輸入端對(duì)地的靜態(tài)電阻相等,以消除偏置電流的影響。R2=R1//RfRfR1Rbuiii_+ARo=06RfR1Rbuiuo共模電壓：1、輸入電阻小。_+A

反相輸入電路的特點(diǎn)2、共模電壓為03、同向端“虛地”。7(二)、同相比例電路RfR1Rbuiuou-=u+=共模電壓：uc

=

ui沒有虛地。ui_+A8RfR1Rbuiuo_+A當(dāng)Rf=0時(shí):R1Rbuiuo_+Auiuo_+A*電壓跟隨電路在電路中作用與分離元件的射極輸出器相同，但是電壓跟隨性能好。9（一）、反相加法電路uoRfR2ui2i12R1ui1Rbi11iF_+A二、加減運(yùn)算電路10u+=

ui1則電壓放大倍數(shù)為：u+~ui1、ui2？R22ui2所以：注意:同相求和電路的兩個(gè)輸入信號(hào)的放大倍數(shù)互相影響，不能單獨(dú)調(diào)整。R1RFu

i1+_uoR21_+A（二）、同相加法電路11(三)、減法電路R2R1R3ui2uoR4ui1_+A當(dāng)時(shí)：12R2R1R3ui2uoR4ui1差動(dòng)式放大器放大了兩個(gè)信號(hào)的差，但是它的輸入電阻不高

Ri=（R1+R3）_+A虛短路13以上電路的比較歸納：★它們都引入電壓負(fù)反饋，因此輸出電阻都比較小?！镪P(guān)于輸入電阻：反相輸入的輸入電阻小，同相輸入的輸入電阻高?！锿噍斎氲墓材ｋ妷焊撸聪噍斎氲墓材ｋ妷盒?。R2R1RPuiuo_+AR2R1RPuiii_+A14應(yīng)用舉例：輸入方波，輸出是三角波。tui0(一)積分運(yùn)算電路tuo0i1iFu

iRR2Cuo_+A三、積分與微分運(yùn)算電路UUC(0+）152、如果積分器從某一時(shí)刻輸入一直流電壓，輸出將反向積分，經(jīng)過一定的時(shí)間后輸出飽和。tui0tuo0U-UomTM積分時(shí)限i1iFu

iRR2Cuo_+A16(二)微分運(yùn)算電路u-=u+=0iFuiuoRR2i1C_+A17若輸入：則：tui0tuo0uiuoRR2i1iFC_+A18解:在求電壓放大倍數(shù)表達(dá)式時(shí)，可以把A1和A2看成一個(gè)運(yùn)算放大器，見圖中棕色線框。因A1和A2

都是反相輸入的，因此可確定輸入信號(hào)和輸出信號(hào)之間的極性。該電路相當(dāng)同相比例運(yùn)算電路，所以

索引例1：求電路的電壓放大倍數(shù)。19例2：三運(yùn)放電路uo1uo2R1R1R2R2uoRRRWui1ui2ab_+A1_+A2_+Aui20RRRWui1ui2uo1uo2ab_+A_+A21RRRWui1ui2uo1uo2ab_+A_+AR1R1R2R2uouo1uo2_+A22三運(yùn)放電路是差動(dòng)放大器，放大倍數(shù)可調(diào)(RW)。電路為串聯(lián)負(fù)反饋，輸入電阻高。uo1uo2R1R1R2R2uoRRRwui1ui2ab_+A_+A_+A23四、對(duì)數(shù)和反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路uo(一)、對(duì)數(shù)運(yùn)算電路R1ui_+Ai1iDRbD對(duì)數(shù)運(yùn)算電路以二極管或三極管的發(fā)射結(jié)作為反饋元件，電路的指數(shù)規(guī)律由二極管的正向?qū)ㄌ匦詫?shí)現(xiàn)。24(二)、反對(duì)數(shù)運(yùn)算：uoRfui_+ARbTicif反對(duì)數(shù)運(yùn)算是對(duì)數(shù)運(yùn)算反運(yùn)算，反對(duì)數(shù)運(yùn)算電路是將對(duì)數(shù)運(yùn)算電路中的二極管（或三極管）與電阻的位置進(jìn)行互換完成的。25模擬乘法器是實(shí)用電子器件，早期應(yīng)用于模擬計(jì)算機(jī)，目前廣泛應(yīng)用于信號(hào)處理、信號(hào)檢測(cè)、通訊工程等科學(xué)領(lǐng)域。2、變跨導(dǎo)式乘法運(yùn)算電路*3、四象限模擬乘法器五、乘除運(yùn)算電路(一)、乘法運(yùn)算電路1、對(duì)數(shù)式運(yùn)算電路261、對(duì)數(shù)式乘法運(yùn)算電路uoR3_+Rb3T3iciFR2_+Rb2iFR1_+A1Rb1R1_+T1T2Rb1A2A3A4uo1uo2uo3ux>0uy>0R2R227差動(dòng)式減法器T1T2+_+_VCC-VEERCR1ReRCT3R1Rf+-Rf2、變跨導(dǎo)式乘法運(yùn)算電路詳細(xì)推導(dǎo)過程見教材P29128A、第一級(jí)的開路電壓：假設(shè)：B、輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系：這里：跨導(dǎo)293、四象限模擬乘法器ic1ic2ic5ic6I+iyI-iyiy+VccRcRcT1T2+--VeeRyT5T6T3T4ic3ic4II-ux+-uy+30推導(dǎo)31例1:利用乘法器實(shí)現(xiàn)R1Rf+-RbZXYA解：當(dāng)R1=Rf時(shí)，則有又所以電路正常工作的條件是:運(yùn)放的反饋極性為負(fù)。因此： 時(shí)為負(fù)； 時(shí)為正。的極性任意32①、電壓源：要求輸出電阻小電路組成反向比例放大器同相比例放大器§9.2電壓、電流變換電路33_+RfR1RbUoUsA_+RfR1RbUoUsA電路特點(diǎn)1、反相比例放大器組成的電壓源輸出可以小于輸入。2、同相比例放大器組成的電壓源的輸出大于輸入。3、同相比例放大器的輸入電阻大，從信號(hào)源取得的電流小。34負(fù)載懸地！FIL_+R2R1RPUsRFRLARL②、電流源：要求輸出電阻大，要有電流負(fù)反饋。負(fù)載電流IL與的RL數(shù)值無關(guān)，“恒流”35_+R1UIRRLIoARL_+R1UIRLIoARLR4R2R3U’o問題：負(fù)載懸地。電壓-電流變換電路36§9.3有源濾波電路濾波電路的種類:按信號(hào)性質(zhì):模擬濾波器和數(shù)字濾波器按電路功能:低通濾波器LPF高通濾波器HPF帶通濾波器BPF帶阻濾波器BRF按所用元件:無源濾波器和有源濾波器37一、低通濾波器RR1RFC+-38幅頻特性1、時(shí)：2、時(shí)：RR1RFC+-39有源濾波器于無源濾波器性能比較CRRR1RFC+-1、有電壓放大作用2、有電壓負(fù)反饋，輸出恒壓帶負(fù)載能力強(qiáng)。如何進(jìn)一步提高濾波質(zhì)量?3、頻率特性不夠理想。40二階有源低通濾波器RFRR1C+-CRP41二、高通濾波器RC對(duì)調(diào)RR1+-CRCR142§9.4電壓比較器比較器屬于運(yùn)算放大器的非線性應(yīng)用，所謂非線性應(yīng)用是指：由運(yùn)放組成的電路處于非線性狀態(tài)，輸出與輸入的關(guān)系uo=f(ui)是非線性函數(shù)。由運(yùn)放組成的非線性電路有以下三種情況。①、電路中的運(yùn)放處于非線性狀態(tài)（開環(huán)或正反饋）。②、電路中的運(yùn)放處于線性狀態(tài)，但外圍電路有非線性元件（二極管、三極管）。③、電路中的運(yùn)放處于非線性狀態(tài)，外圍電路也有非線性元件（二極管、三極管）。43一、簡(jiǎn)單電壓比較器uoui0+Uom-UomUR+uouiURuoui0+Uom-Uom過零比較器UR=0的情況:+uoui44tuituo+Uom-Uom例1：利用電壓比較器將正弦波變?yōu)榉讲ā?uoui45*例2：

水位監(jiān)控。如何防止干擾？uo+u’ouiKMUR標(biāo)準(zhǔn)水位測(cè)量水位46二、具有滯回特性的比較器分析：①、因?yàn)橛姓答?，所以輸出飽和。②、?dāng)uo正飽和時(shí)：當(dāng)uo負(fù)飽和時(shí)：比較電壓由原來的輸出決定－+uoRR2R1uiUR47U+H-U+L稱為回差傳輸特性U+HU+L跳轉(zhuǎn)后增大了U+-U-加速跳轉(zhuǎn)小于回差的干擾不會(huì)引起跳轉(zhuǎn)下限上限uoui0Uom-Uom－+uoRR2R1uiUR48tuiU+HU+LtuoUom-Uom輸入正弦波的情況－+uoRR2R1uiURU+HU+Luoui0Uom-Uom49加上參考電壓后的上下限uoui0U+HU+LuoUS－+RR2R1uiUR50？如何計(jì)算上下限？用UZ代替UomuoUZ－+RR2R1uiUR為了穩(wěn)定輸出電壓，可以在輸出端加上雙向穩(wěn)壓管51§9.6正弦波振蕩電路因?yàn)椋海?）振幅條件：（2）相位條件：n是整數(shù)相位條件:振蕩電路必須有正反饋；振幅條件:放大倍數(shù)可調(diào)。一、振蕩器的振蕩條件：開環(huán)放大電路反饋回路++52問題1：如何啟振？Uo

是振蕩器的電壓輸出幅度，B是要求輸出的幅度。起振時(shí)Uo=0，達(dá)到穩(wěn)定振蕩時(shí)Uo=B。放大電路中存在噪聲（即瞬態(tài)擾動(dòng)）,這些擾動(dòng)可分解為各種頻率分量，其中也包括fo分量。選頻網(wǎng)絡(luò)：把fo分量選出，把其他頻率的分量衰減掉。這時(shí)，只要：|AF|>1，且A+B=2n，即可起振。開環(huán)放大電路反饋回路++53問題2：如何穩(wěn)幅？起振后，輸出Uo將逐漸增大，若不采取穩(wěn)幅,|AF|仍大于1，輸出將會(huì)飽和失真。Uo達(dá)到需要的幅值后，將參數(shù)調(diào)整為AF=1，即可穩(wěn)幅。起振并能穩(wěn)定振蕩的條件：開環(huán)放大電路反饋回路++54二、RC正弦波振蕩電路用RC電路構(gòu)成選頻網(wǎng)絡(luò)的振蕩電路即所謂的RC振蕩電路，可選用的RC選頻網(wǎng)絡(luò)有多種，這里只介紹文氏橋選頻電路。R1C1R2C21、選頻電路55時(shí)，相移為0。R1C1R2C2如果：R1=R2=R，C1=C2=C56傳遞函數(shù)：相頻特性：幅頻特性：fof+90–90fR1C1R2C21/3572、用運(yùn)放組成的RC振蕩器所以，要滿足相位條件，只有在fo

處因?yàn)椋簎o_+R2RCRCR1AOui放大穩(wěn)幅選頻58輸出頻率的調(diào)整：通過調(diào)整R或/和C來改變頻率。C：雙聯(lián)可調(diào)電容，改變C，用于細(xì)調(diào)振蕩頻率。K：雙聯(lián)波段開關(guān)，切換R，用于粗調(diào)振蕩頻率。_+RFuoRCCRKKR1R1R2R2R3R359上下門限電壓：§9.7非正弦波發(fā)生電路-+RR1R2C+ucuo–一、方波發(fā)生器工作原理：(a)設(shè)：uo=+Uom此時(shí)，輸出給C充電!U+Huc0t則：u+=U+H60一旦

uc>U+H

,

就有

u->u+

uo

立即由＋Uom變成－Uom!U+Huc0t0tuoUom-Uom在uc<U+H

時(shí)，u-<u+,

uo

保持+

Uom

不變；-+RR1R2C+ucuo–61C經(jīng)輸出端放電，U+HuctU+L(b)當(dāng)uo=-Uom時(shí)，u+=U+Luc達(dá)到U+L時(shí)，uo上翻。-+RR1R2C+ucuo–62當(dāng)uo

重新回到＋Uom

以后，電路又進(jìn)入另一個(gè)周期性的變化：U+Huc0tU+LUomuo0t-Uom-+RR1R2C+uc–uo63周期與頻率的計(jì)算：TU+Huc0tU+LUomuo0t-Uom-+RR1R2C+ucuo–64②積分電路將矩形波變?yōu)槿遣ù穗娐芬笄昂箅娐返臅r(shí)間常數(shù)配合好，不能讓積分器飽和。二、三角波發(fā)生器方波發(fā)生器RR1R2C+uc－+A1反向積分電路RR2Cuo－+A2電路一①方波發(fā)生器產(chǎn)生矩形波65三角波的周期由方波發(fā)生器確定，其幅值也由周期T和參數(shù)R、C決定。uo0uo1tUom-UomRR1R2C+ucRR2Cuouo1－+－+A1A2U-U66電路二：電路一的改型A1A2uouo1R02R01RCR2R1反向積分電路滯回比較器特點(diǎn)：滯回比較器的輸出作為反相積分器的輸入，反相積分器的輸出又反饋到滯回比較器的輸入。－+－+6700uo1t＋UOm－UOmuotU+HU+LA1A2uouo1R02R01RCR2R1－+－+時(shí)：電容充電uo電位下降。時(shí)：電容充電uo電位升高。uc1、工作原理uo電位下降使得u1+下降68A1A2uouo1R02R01RCR2R1－+－+0t＋UOm－UOmuo1uo2t1t2取t1~t2段：uo1=-Uom;uo線性增加：當(dāng)uo

=UomR1/R2時(shí),u1+=0在t1~t2點(diǎn)：uo2、輸出波形的定量分析輸出信號(hào)翻轉(zhuǎn)69A1A2uouo1R02R01RCR2R1－+－+0tuo2uo1＋UOm－UOmt1t20t由此可得，三角波的峰值是：幅值的計(jì)算：70周期和頻率的計(jì)算：A1A2uouo1R02R1RCR2R1－+－+TT1T2tuot1t2根據(jù)：71電容充放電時(shí)間T1、T2可通過R、R'調(diào)整。當(dāng)R'=0時(shí)，則為鋸齒波發(fā)生器。電路三：是電路二的改進(jìn)uo1被嵌位于±UzR2R1R′R2CuoR+–－+－+A1A2tuoT1T272R=0時(shí)R’=0時(shí)uot改變?nèi)遣òl(fā)生器中積分電路的充放電時(shí)間常數(shù)，使放電的時(shí)間常數(shù)為0，即把三角波發(fā)生器轉(zhuǎn)