电路与电子学9信号运算处理及波形发生电路.ppt

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1、第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-1,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-2,Ao越大，运放的线性范围越小。一般情况加负反馈才能使其工作于线性区。,+UOM,-UOM,转移特性:uo与ui的关系,运放电路的特点,时：运放工作 在线性区。,时：运放工作 在非线性区。,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-3,理想运放的条件：,放大倍数与负载无关，当有几级运放时可以分级分析。,虚短路,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-4,由于运放的开环放大倍数很大，输入电阻高，输出电阻小，在分析时常将其理想化，称其所谓的理想运放。,运放线性运用,信号

2、的放大、运算,恒压源、恒流源电路,有源滤波电路,在运放的线性应用中，运放的输出与输入之间加了负反馈，使运放工作于线性状态。,9.1 运算电路,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-5,(一)、反相比例电路,i 1=i 2,虚短路,虚开路,一、比例电路,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-6,uo,电路的输入电阻：,R i=u i/i i=R1,输出电阻很小！,R2=R1/Rf,R o=0,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-7,Rf,R1,Rb,ui,uo,共模电压：,1、输入电阻小。,反相输入电路的特点,2、共模电压为0,3、同向端“虚地”。,第九章 信号运算、处理及波形发生

3、电路,9-8,(二)、同相比例电路,Rf,R1,Rb,ui,uo,u-=u+=,共模电压：uc=u i,没有虚地。,ui,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-9,当 Rf=0 时:,*电压跟随电路,在电路中作用与分离元件的射极输出器相同，但是电压跟随性能好。,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-10,（一）、反相加法电路,uo,Rf,二、加减运算电路,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-11,u+=ui1 则电压放大倍数为：,u+ui1、ui2？,所以：,注意:同相求和电路的两个输入信号的放大倍数互相影响，不能单独调整。,（二）、同相加法电路,第九章 信号运算、处理及波形发生

4、电路,9-12,(三)、减法电路,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-13,R2,R1,R3,ui2,uo,R4,ui1,差动式放大器放大了两个信号的差，但是它的输入电阻不高 Ri=（R1+R3）,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-14,以上电路的比较归纳：,它们都引入电压负反馈，因此输出电阻都比较小。,关于输入电阻：反相输入的输入电阻小，同相输入的输入电阻高。,同相输入的共模电压高，反相输入的共模电压小。,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-15,应用举例：输入方波，输出是三角波。,(一)积分运算电路,三、积分与微分运算电路,U,UC(0+）,第九章 信号运算、处理及波形

5、发生电路,9-16,2、如果积分器从某一时刻输入一直流电压，输出将反向积分，经过一定的时间后输出饱和。,U,积分时限,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-17,(二)微分运算电路,u-=u+=0,iF,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-18,若输入：,则：,u i,uo,R,R2,i1,iF,C,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-19,解:在求电压放大倍数表达式时，可以把A1和A2看成一个运算放大器，见图中棕色线框。因A1和A2 都是反相输入的，因此可确定输入信号,和输出信号之间的极性。该电路相当同相比例运算电路，所以,索引,例1：求电路的电压放大倍数。,第九章 信号运算

6、、处理及波形发生电路,9-20,例2：三运放电路,uo1,uo2,R1,R1,R2,R2,uo,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-21,R,R,RW,ui1,ui2,uo1,uo2,a,b,_,+,A,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-22,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-23,三运放电路是差动放大器，放大倍数可调(RW)。,电路为串联负反馈，输入电阻高。,uo1,uo2,R1,R1,R2,R2,uo,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-24,四、对数和反对数运算电路,uo,(一)、对数运算电路,对数运算电路以二极管或三极管的发射结作为反馈元件，电路的指数规律由

7、二极管的正向导通特性实现。,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-25,(二)、反对数运算：,反对数运算是对数运算反运算，反对数运算电路是将对数运算电路中的二极管（或三极管）与电阻的位置进行互换完成的。,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-26,模拟乘法器是实用电子器件，早期应用于模拟计算机，目前广泛应用于信号处理、信号检测、通讯工程等科学领域。,2、变跨导式乘法运算电路,*3、四象限模拟乘法器,五、乘除运算电路,(一)、乘法运算电路,1、对数式运算电路,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-27,1、对数式乘法运算电路,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-28,差动式减法

8、器,2、变跨导式乘法运算电路,详细推导过程见教材P291,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-29,A、第一级的开路电压：,假设：,B、输出电压与输入电压的关系：,这里：,跨导,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-30,3、四象限模拟乘法器,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-31,推导,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-32,例1:,利用乘法器实现,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-33,、电压源：,要求输出电阻小,电路组成,反向比例放大器,同相比例放大器,9.2 电压、电流变换电路,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-34,1、反相比例放大器组成的电

9、压源输出可以小于输入。,2、同相比例放大器组成的电压源的输出大于输入。,3、同相比例放大器的输入电阻大，从信号源取得的电流小。,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-35,负载悬地！,、电流源：,要求输出电阻大，要有电流负反馈。,负载电流IL与的RL数值无关，“恒流”,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-36,问题：负载悬地。,电压-电流变换电路,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-37,9.3 有源滤波电路,滤波电路的种类:,低通滤波器LPF高通滤波器HPF带通滤波器BPF带阻滤波器BRF,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-38,一、低通滤波器,第九章 信号运算、处理

10、及波形发生电路,9-39,幅频特性,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-40,有源滤波器于无源滤波器性能比较,1、有电压放大作用,2、有电压负反馈，输出 恒压带负载能力强。,3、频率特性不够理想。,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-41,二阶有源低通滤波器,RF,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-42,二、高通滤波器,RC对调,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-43,9.4 电压比较器,比较器属于运算放大器的非线性应用，所谓非线性应用是指：由运放组成的电路处于非线性状态，输出与输入的关系uo=f(ui)是非线性函数。由运放组成的非线性电路有以下三种情况。,、电路中

11、的运放处于非线性状态（开环或正反馈）。,、电路中的运放处于线性状态，但外围电路有非线性元件（二极管、三极管）。,、电路中的运放处于非线性状态，外围电路也有非线性元件（二极管、三极管）。,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-44,一、简单电压比较器,UR,过零比较器,UR=0 的情况:,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-45,例1：利用电压比较器将正弦波变为方波。,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-46,*例2：,水位监控。,如何防止干扰？,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-47,二、具有滞回特性的比较器,分析：,、因为有正反馈，所以输出饱和。,、当uo正饱和时：,

12、当uo负饱和时：,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-48,U+H-U+L称为回差,传输特性,跳转后增大了U+-U-加速跳转,小于回差的干扰不会引起跳转,下限,上限,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-49,输入正弦波的情况,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-50,加上参考电压后的上下限,uo,UR,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-51,？,如何计算上下限？,用UZ代替Uom,为了稳定输出电压，可以在输出端加上双向稳压管,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-52,9.6 正弦波振荡电路,因为：,（1）振幅条件：,（2）相位条件：,n是整数,相位条件:振荡电路

13、必须有正反馈；振幅条件:放大倍数可调。,一、振荡器的振荡条件：,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-53,问题1：如何启振？,Uo 是振荡器的电压输出幅度，B是要求输出的幅度。起振时Uo=0，达到稳定振荡时Uo=B。,放大电路中存在噪声（即瞬态扰动）,这些扰动可分解为各种频率分量，其中也包括fo分量。,选频网络：把fo分量选出，把其他频率的分量衰减掉。这时，只要：,|AF|1，且A+B=2n，即可起振。,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-54,问题2：如何稳幅？,起振后，输出Uo将逐渐增大，若不采取稳幅,|AF|仍大于1，输出将会饱和失真。,Uo达到需要的幅值后，将参数调整为AF

14、=1，即可稳幅。,起振并能稳定振荡的条件：,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-55,二、RC正弦波振荡电路,用RC 电路构成选频网络的振荡电路即所谓的 RC振荡电路，可选用的 RC 选频网络有多种，这里只介绍文氏桥选频电路。,1、选频电路,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-56,时，相移为0。,如果：R1=R2=R，C1=C2=C,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-57,传递函数：,相频特性：,幅频特性：,R1,C1,R2,C2,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-58,2、用运放组成的RC振荡器,所以，要满足相位条件，只有在 fo 处,因为：,ui,放大稳幅,选

15、频,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-59,输出频率的调整：,通过调整R或/和C来改变频率。,C：双联可调电容，改变C，用于细调振荡频率。,K：双联波段开关，切换R，用于粗调振荡频率。,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-60,上下门限电压：,9.7 非正弦波发生电路,一、方波发生器,工作原理：,(a),设：uo=+Uom,此时，输出给C充电!,U+H,则：u+=U+H,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-61,一旦 uc U+H,就有 u-u+,uo 立即由Uom 变成Uom!,在 uc U+H 时，u-u+,uo 保持+Uom 不变；,第九章 信号运算、处理及波形发生电

16、路,9-62,C 经输出端放电，,U+L,(b),当uo=-Uom 时，,u+=U+L,uc达到U+L时，uo上翻。,-,+,R,R1,R2,C,+,uc,uo,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-63,当uo 重新回到Uom 以后，电路又进入另一个周期性的变化：,uo,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-64,周期与频率的计算：,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-65,积分电路将矩形波变为三角波,此电路要求前后电路的时间常数配合好，不能让积分器饱和。,二、三角波发生器,电路一,方波发生器 产生 矩形波,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-66,三角波的周期由方波发生

17、器确定，其幅值也由周期T和参数R、C决定。,uo,A1,A2,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-67,电路二：电路一的改型,A1,A2,uo,uo1,R02,R01,R,C,R2,R1,反向积分电路,滞回比较器,特点：滞回比较器的输出作为反相积分器的输入，反 相积分器的输出又反馈到滞回比较器的输入。,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-68,1、工作原理,uo电位下降使得u1+下降,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-69,0,t,UOm,UOm,uo2,取 t1t2 段：uo1=-Uom;uo线性增加：,当uo=Uom R1/R2时,u1+=0,在 t1t2 点：,uo,

18、2、输出波形的定量分析,输出信号翻转,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-70,uo2,由此可得，三角波的峰值是：,幅值的计算：,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-71,周期和频率的计算：,根据：,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-72,电容充放电时间T1、T2可通过R、R调整。当R=0时，则为锯齿波发生器。,电路三：是电路二的改进,uo1被嵌位于Uz,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-73,R=0 时,R=0 时,改变三角波发生器中积分电路的充放电时间常数，使放电的时间常数为0，即把三角波发生器转换成了锯齿波发生器。,三、锯齿波发生器,第九章 信号运算、处理及波

19、形发生电路,9-74,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-75,|ui|UZ,把锯齿波发生器中积分电路的充电电压由uo1变为ui，则锯齿波发生器转变为压频转换电路。即输出uo的频率由输入电压ui的大小决定。,四、压控振荡器,已知：,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-76,1、设 uo1=+UZ，则D2截止，D1导通，ui 给电容C充电，uo下降，,工作原理：,R2,R1,ui,R3,C,uo,R,A1,A2,uo1,D1,D2,uc,2、当uo下降到U+L时uo1翻转到-UZ，这时，D2导通U2-=-UZ D1截止，电容C 快速放 电，uo上升，,3、当uo上升到U+H 时uo1 翻转到+UZ。如此周期变化。uo为锯齿波。,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-77,R2,R1,ui,R3,C,uo,R,A1,A2,uo1,D1,D2,由电路的工作情况可知：,改变电压ui,uo的频率变化,充电电压变化,因此，称该电路为 压频转换电路。,充电时间变化,第九章 信号运算、处理及波形发生电路,9-78,由工作原理可知，uo在UL、UH之间变化：,