《單片機系統(tǒng)設計及工程應用》課件第10章

10.1運算放大器實用技術10.2電流/電壓轉換電路習題1010.1.1理想運算放大器

運算放大器是用反饋控制特性的直接耦合式高增益放大器，可以針對不同的應用，通過設計不同類型的反饋網(wǎng)絡來形成各種轉移函數(shù)。運算放大器能夠從直流到幾兆赫茲

的頻率范圍內完成信號放大，產(chǎn)生各種波形的信號，能夠進行加、減、乘、除、積分、微分等運算，因而在單片機控制系統(tǒng)、模擬信號處理、智能儀器儀表等領域得到了廣泛的應用。10.1運算放大器實用技術運算放大器具有輸入阻抗高、信號增益大等特點。為了分析方便，我們將運算放大器理想化，理想運算放大器的特點如下：

(1)開環(huán)電壓放大倍數(shù)A→∞。

(2)差模輸入電阻Rid→∞。

(3)輸出電阻R0=0。

(4)頻帶無限寬。

(5)輸入失調電壓Uos=0。

(6)輸入失調電流Ios=0。

(7)共模抑制比CMRR→∞。

(8)干擾和噪聲都不存在。圖10.1理想運算放大器符號利用運算放大器的理想特性可得出以下兩條基本定則

(1)運算放大器輸入端不吸收電流。

(2)運算放大器兩輸入端之間的電壓差為零。

有了這兩條基本定則，可以大大簡化運算放大器應用電路設計。圖10.1是理想運算放大器符號。10.1.2基本運算電路

1.反相放大器

反相放大器電路如圖10.2所示，反饋網(wǎng)絡和輸入網(wǎng)絡均為純電阻型，則有：

Uo=-

Ui

(10.1)

輸出信號電壓Uo等于輸入信號電壓Ui乘以比例系數(shù)Rf/R1

，式(10.1)中負號表示輸出信號與輸入信號反相。通過改變Rf

和R1的值，就可很方便地調整其比例系數(shù)。為了使運算放大器兩個輸入端的直流電阻保持平衡，電路要求R2=Rf//R1。反相放大器的輸入電阻為

Ri=R1

(10.2)圖10.2反相放大器

2.同相放大器

同相比例放大器電路如圖10.3所示，反饋網(wǎng)絡和輸入網(wǎng)絡均為純電阻型，其輸出信號電壓為

Uo=

Ui

(10.3)當Rf=0時，Uo=Ui電路即為電壓跟隨器，電路如圖10.4所示。圖10.3同相放大器圖10.4電壓跟隨器

3.積分器

當運算放大器的反饋網(wǎng)絡為電容，輸入阻抗網(wǎng)絡為電阻時便構成了積分器，如圖10.5所示。積分器的輸出電壓Uo為

Uo=-

(10.4)為使運算放大器兩個輸入端直流電阻保持平衡，電路要求R2=R1。圖10.5積分器

4.微分器

當運算放大器的輸入網(wǎng)絡為電容，反饋網(wǎng)絡為電阻時，便構成了微分器，如圖10.6所示。微分器的輸出電壓uo和輸入電壓的關系為：

uo=-RC

(10.5)圖10.6微分器10.1.3實用電路

1.信號放大電路

1)同相串聯(lián)差動式高輸入阻抗放大器

同相串聯(lián)差動式放大器電路如圖10.7所示，輸出電壓uo為輸入電壓與兩放大器放大倍數(shù)之積。圖10.7同相串聯(lián)差動式放大器當ui=ui1-ui2時，有

Uo=-

Ui1+

Ui2

(10.6)

當滿足R1/Rf=R3/R2

時，上式可簡化為

Uo=-

(10.7)圖10.8可編程增益放大器原理

2)可編程增益放大器

可編程增益放大器原理電路如圖10.8所示，我們可以利用單片機程序控制電子開關S1、S2、S3、S4的接通與斷開改變反饋電阻的值，從而調整放大器的增益。

S1接通，電壓增益為AS1=1；

S2接通，電壓增益為AS2=；

S3接通，電壓增益為AS3=；

S4接通，電壓增益為AS4=。圖10.9是利用譯碼器74LS139控制電子開關，實現(xiàn)放大器增益可調。

A1A0為單片機發(fā)出的指令信號，經(jīng)譯碼后控制開關S1～S4的通斷。

當A1A0=00時，Y0輸出有效信號，使開關S1閉合，AS1=1；

當A1A0=01時，Y1輸出有效信號，使開關S2閉合，AS2=10；

當A1A0=10時，Y2輸出有效信號，使開關S3閉合，AS3=100；

當A1A0=11時，Y3輸出有效信號，使開關S4閉合，AS4=1000；圖10.9碼控四段增益可編程放大器

2.測量放大器

1)信號放大器

利用運算放大器實現(xiàn)的測量電路如圖10.10所示，該電路具有如下特點：

(1)輸入電阻高。由于輸入級A1、A2均為同相輸入，對于理想運放，輸入電阻為無窮大。

(2)共模抑制比高。因為電路對稱性好，其共模抑制比高于普通差動運放，可有效抑制共模信號，大大減小外部感應噪聲的影響。

(3)增益調節(jié)方便。圖10.10信號測量放大器根據(jù)理想運算放大器虛短路虛開路的原則，對A1、A2有：(10.9)(10.8)

2)橋式檢測電路

利用運算放大器實現(xiàn)的橋式檢測電路如圖10.11所示。

3)高輸入阻抗橋式檢測放大器

為了提高電路輸入阻抗，可利用多級運算放大器實現(xiàn)，電路如圖10.12所示。圖10.11橋式檢測電路圖10.12高輸入阻抗橋式檢測放大器

3.信號運算電路

圖10.13(a)給出了加法器原理電路，圖10.13(b)為多路信號加法器。

4.信號處理電路

圖10.14為專用集成電壓比較器符號，圖10.15為常用LM324四運算放大器外特性圖。圖10.13全加器電路(a)加法器；(b)多路信號加法器圖10.14專用集成電壓比較器符號圖10.15LM324四運算放大器圖10.16為常用電壓比較器電路圖，比較輸入信號Ui與基準電平UR的值，有：

當Ui＞UR時，Uo為高電平；

當Ui＜UR時，Uo為低電平。

此電路在信號檢測、電平轉換過程中十分有用。圖10.16常用電壓比較器電路

5.波形產(chǎn)生電路

1)正弦波發(fā)生器

利用文氏網(wǎng)絡與運算放大器組成的文氏振蕩器是常用的正弦波發(fā)生器電路，如圖10.17所示。

ω0R1R2C2-

=0

ω0=

(10.10)

通常取R1=R2=R，C1=C2=C，則振蕩頻率為

f0=

(10.11)

Bu=

(10.12)圖10.17文氏振蕩器

2)方波發(fā)生器

方波發(fā)生器電路的類型很多，利用運算放大器構成的方波發(fā)生器如圖10.18所示。

振蕩周期為

T=2RCln

(10.13)圖10.18方波發(fā)生器圖10.19所示為對稱的方波和三角波信號發(fā)生器電路圖，uo1輸出方波信號，uo輸出三角波信號。

6.波形變換電路

1)半波整流電路

半波整流電路如圖10.20所示。圖10.19對稱的方波和三角波發(fā)生器圖10.20半波整流電路

2)峰值檢波電路

峰值檢波電路如圖10.21所示，圖10.21(a)為用運算放大器構成的峰值檢波電路，圖10.21(b)為帶有跟隨器的峰值檢波電路。

3)限幅電路

圖10.22為信號限幅電路，圖10.22(a)是單向限幅電路，圖10.22(b)是雙向限幅電路。圖10.21峰值檢波電路(a)用運算放大器構成的峰值檢波電路；

(b)帶有跟隨器的峰值檢波電路圖10.22峰值檢波電路(a)用運算放大器構成的峰值檢波電路；(b)帶有跟隨器的峰值檢波電路當輸入信號ui較小時，uo也較小，穩(wěn)壓管尚未擊穿，穩(wěn)壓管支路可視為開路，運放構成反相放大器。

隨著ui反向增大，uo將增大。當uo=-(Rf/R1)ui時，穩(wěn)壓管擊穿工作，輸出電壓uo穩(wěn)定在UZ上。即限幅器輸出電壓：

uo=UZ

uo=

(10.14)

4)工頻濾波電路

工程現(xiàn)場應用中經(jīng)常會遇到工頻干擾問題，圖10.23給出一個用于濾除50Hz工頻干擾的50Hz陷波器電路。其中，A1組成帶通濾波器，A2組成相加器。經(jīng)50Hz陷波器處理后，50Hz干擾被抑制，輸出了比較干凈的信號。圖10.23工頻濾波電路

5)絕對值電路

用半波整流和相加器便構成了全波整流電路即絕對值電路，如圖10.24所示。圖中，A1構成半波整流，A2構成相加器。其工作原理為：

當ui＞0時

uo1=-ui，uo=-ui-2uo1=-ui+2ui=ui

當ui＜0時

uo1=0，uo=-ui=-(-|ui|)=|ui|

所以

uo=|ui|圖10.24絕對值電路10.1.4保護電路

這里所說的保護措施是針對在使用集成運放時，由于電源極性接反、輸入/輸出電壓過大、輸出短路等原因造成運放損壞的問題而采取的一種保護方法。

為防止電源極性接反，可在正、負電源回路中順接二極管。若電源接反，則二極管因反偏而截止，等于電源斷路，起到了保護運放的作用，如圖10.25所示。

為防止輸入差?；蚬材ｋ妷哼^高損壞集成運放的輸入級，可在集成運放輸入端并接極性相反的兩只二極管，從而使輸入電壓的幅度限制在二極管的正向導通電壓之內，如

圖10.26所示。不過，二極管本身的溫度漂移會使放大器輸出的漂移變大，這點應引起注意。圖10.25保護電路圖10.26輸入通道保護電路輸出保護是為了防止輸出過電壓時使輸出級擊穿，可采用圖10.22所示電路。輸出正常時，雙向穩(wěn)壓管未擊穿，其相當于開路，對電路沒有影響。當輸出端電壓大于雙向穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值時，穩(wěn)壓管被擊穿，反饋支路阻值大大減小，負反饋加深，從而將輸出電壓限制在雙向穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓范圍內。在單片機控制系統(tǒng)中，經(jīng)常會遇到需要將電壓信號轉換為電流信號或將電流信號轉換為電壓信號的情況。為了使讀者能直接運用相關電路，解決實際問題，在這里給出相關參考電路，電路中的電阻值要根據(jù)信號轉換比例選取。10.2電流/電壓轉換電路10.2.1電壓／電流轉換電路

在某些控制系統(tǒng)中，負載要求電流源驅動，而實際的信號又可能是電壓源。

將電壓信號轉換成電流信號，不論負載如何變化，電流源電流只取決于輸入電壓信號，而與負載無關。另外，信號在遠距離傳輸過程中，由于電流信號不易受干擾，因此也需要將電壓信號轉換為電流信號來傳輸。圖10.27給出了一個V/I轉換電路，圖中負載為“接地”負載。圖10.27V/I轉換電路

U+=

(10.15)

U-=

(10.16)

由于U+=U-，且設R1R3=R2R4，因