信号运算和处理教学课件PPT.ppt

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1、1,第七章信号的运算和处理,7.1 概述7.2 基本运算电路7.3 模拟乘法器及其在运算电路中的应用7.4 有源滤波电路7.5 电子信息系统预处理中所用放大电路,2,集成运放的电压传输特性,同相输入端,反相输入端,A od：开环电压放大倍数,集成运放的符号,3,非线性区：,线性区：,非线性区：,集成运算放大器的传输特性,4,7.1.2 理想运放的两个工作区,本章所讲述的各种电路中，集成运放均工作在线性区。,（1）开环差模增益（放大倍数）Aod=（2）差模输入电阻 Rid=（3）输入出电阻 Ro=0（4）共模抑制比 KCMR=（5）上限截止频率fH=（6）失调电压UIO、失调电流IIO和它们的温

2、漂dUIO/dT、dIIO/dT均为零，且无任何内部噪声。,一、理想运放的性能指标,5,二、理想运放在线性工作区,1.理想运放在线性区的特点,当集成运放工作在线性区时,由于uo为有限值，理想运放 Aod=，因而净输入电压uPuN=0，即,集成运放的两个输入端电位无穷接近，但又不是真正的短路，这种特点称为“虚短路”。,注意！,6,因为差模输入电阻Rid=，所以两个输入端的输入电流也均为零，即,集成运放的两个输入端的电流趋于零，但又不是真正的断路，这种特点称为“虚断路”。,注意！,7,2.集成运放工作在线性区的电路特征,电路引入了负反馈,判断方法：若电路引入了负反馈，则可判断电路工作在线性区。,若

3、理想运放工作在线性区：,8,三、理想运放的非线性工作区,判断方法：若集成运放处于开环状态（即没有引入负反馈），或者只引入了正反馈，则表明集成运放工作在非线性区。,（）输出电压只有两种情况，分别是UOM。当uPuN时uo=+UOM，当uPuN时uo=-UOM。（）由于理想运放的差模输入电阻无穷大，故净输入电流为零，即iP=iN=0。,理想运放传输特性,理想运放工作在非线性区的两个特点：,9,7.1 概述,7.1.1 电子信息系统的组成,来自于各种传感器或信号发生器,隔离、滤波、阻抗变换、放大,运算、转换、比较、取样保持,功率放大、模数转换,10,7.2 基本运算电路,7.2.1 比例运算电路,一

4、、反相比例运算电路,虚地,1、基本电路,11,uo 与 ui 为比例关系,uo 与 ui 反相位 若Rf=R，则为反相器,电压并联负反馈,R：平衡电阻R=R/Rf,输出电阻,输入电阻,保证集成运放输入级差分放大电路的对称性,12,2.T形网络反相比例运算电路,输入电阻,因为R3的引入使反馈系数减小，所以为保证足够的反馈深度，A应选用开环增益更大的集成运放。,13,集成运放有共模输入电压,二、同相比例运算电路,14,虽然同相比例运算电路具有高输入电阻、低输出电阻的优点，但因为集成运放有共模输入，所以为了提高运算精度，应选用高共模抑制比的集成运放。,uo 与 ui 为比例关系,uo 与 ui 同相

5、位,电压串联负反馈,R：平衡电阻 R=R/Rf,输出电阻,输入电阻,15,三、电压跟随器,电压串联负反馈，反馈系数为1,16,7.2.2 加减运算电路,实现多个输入信号按各自不同的比例求和或求差的电路统称为加减运算电路。,一、求和运算电路,.反相求和运算电路,17,2.同相求和运算电路,如果,18,二、加减运算电路,假设R1/R2/Rf=R3/R4/R5,19,若电路只有两个输入，且参数对称,缺点：一是电阻的选取和调整不方便，二是对于每个信号源，输入电阻均较小。因此，必要时可采用两级电路。,若R1=Rf2，R3=Rf1，则,20,7.2.3 积分运算电路和微分运算电路,一、积分运算电路,由于集

6、成运放的同相输入端通过R接地，uP=uN=0，为“虚地”。,式中uO(t1)为积分起始时刻的输出电压，即积分运算的起始值，积分的终值是t2时刻的输出电压。,.基本积分运算电路,21,保持,如果积分器从某一时刻输入一直流电压，即ui为常量时，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。,U,积分,初始值为0时：,22,在实际电路中，为了防止低频信号增益过大，常在电容上并联一个电阻加以限制。,23,.比例积分运算电路,=,24,积分,若 u i=U且初始电压为0时,-UoM,比例,保持,25,二、微分运算电路,.基本微分运算电路,根据“虚短”和“虚断”的原则，uP=uN=0，为“虚地”，电容两端电压

7、uC=uI。,输出电压与输入电压的变化率成比例。,问题：1.当输入阶跃电压或有脉冲干扰时，很大的输入电流使运放内部 的管子进入饱和、截止状态，出现阻塞现象；2.易于引起自激振荡，使电路不稳定。,26,2.实用微分运算电路,1.R1（很小）限制输入电流；2.C1（很小）进行相位补偿，提高稳定性；3.稳压管限制输出电压，使运放始终工作在放大区。,27,3.逆函数型微分运算电路,28,7.2.4 对数运算电路和指数运算电路,一、对数运算电路,1.采用二极管的对数运算电路,2.采用三极管的对数运算电路,若uBEUT,29,二、指数运算电路,1.基本电路,集成运放反相输入端为虚地,2.集成指数运算电路（

8、略）,30,7.2.5 利用对数和指数运算电路实现的 乘法运算电路和除法运算电路,利用对数和指数运算电路实现的乘法运算电路,31,32,7.3 模拟乘法器及其在运算电路中的应用,7.3.1 模拟乘法器简介,理想模拟乘法器应具备如下条件：（1）ri1和ri2为无穷大；（2）ro为零；（3）k值不随信号幅值而变化，且不随频率而变化；（4）当uX或uY为零时uO为零，电路没有失调电压、电流和噪声。,33,7.3.3 模拟乘法器在运算电路中的应用,一、乘方运算,输出为输入的二倍频电压信号，为了得到纯交流电压，可在输出端加耦合电容，以隔离直流电压。,34,二、除法运算电路,在运算电路中，必须保证电路引入

9、的是负反馈，才能正常工作。,为保证电路引入负反馈，uI2与k同号。,由于uI2的极性受k的限制，所以电路为两象限除法运算电路。,uo0,uI0.,35,7.4有源滤波电路,7.4.1 滤波电路的基础知识,一、滤波电路的种类,36,二、滤波器的幅频特性,三、无源滤波电路和有源滤波电路,概念：若滤波电路仅由无源元件（电阻、电容、电感）组成，则称为无源滤波电路。,概念2：若滤波电路不仅由无源元件，还由有源元件（双极型管、单极型管、集成运放）组成，则称为有源滤波电路。,37,1.无源低通滤波器,当信号频率趋于零时，通带放大倍数,信号频率从零到无穷大时的电压放大倍数,令,38,带负载后，通带放大倍数的数

10、值减小，通带截止频率升高。无源滤波电路的通带放大倍数及其截止频率都随负载而变化，这一缺点常不符合信号处理的要求，因而产生有源滤波电路,当电路带负载时，通带放大倍数,令,39,2.有源滤波电路,四、有源滤波电路的传递函数,在分析有源滤波电路时，一般通过“拉氏变换”，将电压与电流变换成“象函数”U(s)和I(s)，因而电阻的R(s)=R，电容的ZC(s)=1/(sC)，电感的ZL(s)=sL，输出量与输入量之比称为传递函数，即,将s换成j，便可得到放大倍数,上图所示电路的传递函数,40,7.4.2 低通滤波器,一、同相输入低通滤波器,1.一阶电路,令j取代s，得到电压放大倍数,式中f0称为特征频率

11、。令f=0，可得通带放大倍数,令,41,f 0：特征频率,当f=f0时,令f=0：可得通带放大倍数,通带截止频率：fp=f0,42,2.简单二阶电路,当C1=C2=C时，,令f=0，可得通带放大倍数,43,令j取代s，且令，得到电压放大倍数,令分母的模等于通带截止频率fp=0.37f0。,44,3.压控电压源二阶低通滤波器,概念：同相输入端电位控制由集成运放和R1、R2组成的电压源决定，故称为压控电压源滤波电路。,设C1=C2=C。M点的电流方程为,P点的电流方程为,传递函数,45,若令，则f=f0时,的物理意义：电压放大倍数与通带放大倍数之比。,令s=j，电压放大倍数,只有当Aup(s)小于

12、3时，电路才稳定工作，不产生自激振荡。,46,二、反相输入低通滤波器,.一阶电路,令f=0，可得通带放大倍数,传递函数,令s=j，电压放大倍数,通带截止频率：fp=f0,47,当f=0时，C1和C2均开路，可得通带放大倍数,M点的电流方程为,其中,2.二阶电路,48,四阶低通滤波器,49,三、三种类型的有源低通滤波器,50,7.4.3 其它滤波电路,一、高通滤波器,压控电压源二阶高通滤波器,51,无限增益多路反馈高通滤波器,52,二、带通滤波器,当C1=C2=C，R1=R，R2=2R时，电路的传递函数,Up(s)为同相比例运算电路的输入，比例系数,令中心频率，电压放大倍数,当f=f0时，得出通

13、带放大倍数,令上式分母的模为，即分母的虚部的绝对值为1,53,三、带阻滤波器,54,阻带宽度,通带截止频率,通带放大倍数,传递函数,令中心频率，电压放大倍数,其中,55,四、全通滤波电路,N点和P点的电位分别为,输出电压,电压放大倍数,写成模和相角的形式,其中,56,本章要求,学完本章后，希望能够达到下列基本要求：（1）掌握比例、加减、积分电路的工作原理及运算关系，了解微分、乘除、对数和指数电路的工作原理及运算关系；并能够运用“虚短”和“虚断”的概念分析各种运算电路输出电压与输入电压的运算关系，能够根据需要合理选择电路。（2）能够正确理解LPF、HPF、BPF和BEF的工作原理，了解它们的主要性能，并能够根据需要合理选择电路。（3）了解干扰和噪声的来源及抑制方法。,