测控电路05信号运算电路.ppt

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1、信号运算电路,张国雄天津大学精密仪器与光电子工程学院精密测试技术及仪器国家重点实验室电子邮件：,获得被测参数：和、差、积、积分、平均值、峰值、任意函数实现控制：PID误差补偿：非线性补偿减小干扰影响：共模抑制，跟踪滤波调制解调：乘法运算数字运算和模拟运算模拟运算：快、设备简单数字运算：功能强、精度高,信号运算电路的功用,灵,5.信号运算电路,线性运算电路,乘除运算电路,微积分与PID运算电路,特征值运算电路,函数运算电路,5.1 线性运算电路,5.1.1 加法运算电路,独立作用原理,5.1.2 减法运算电路,（一）利用加法运算电路实现减法运算,5.1 线性运算电路,（二）用单一运算放大器实现减

2、法运算,5.1 线性运算电路,5.1.2 减法运算电路,Rf/R1=RP/R2=K,5.1 线性运算电路,5.1.3 加减混合运算电路,R,ui1,ui2,R2,uo,u+,-,+,+,N,Rn,Rf,R1,uin,u,ui-1,ui-2,R-1,R-m,ui-m,R-2,独立作用原理,5.1 线性运算电路,5.1.3 加减混合运算电路,ui1、ui2均可扩展,乘除运算电路在参数计算、调制解调、滤波等中具有广泛应用，已集成化.(1)基于对数、指数运算；(2)基于变跨导；(3)基于脉冲宽度、高度调制,5.2 乘除运算电路,x,y输入量，K增益V-1,5.2 乘除运算电路,5.2.1 对数运算电路

3、,Is PN结的反向饱和电流；UT 热电压，；k 玻耳兹曼常数；q 电子的电荷量。,小信号时PN结具有对数特性,实用电路需要进行失调和温度补偿,5.2 乘除运算电路,5.2.1 对数运算电路,5.2 乘除运算电路,5.2.1 对数运算电路,5.2.2 指数运算电路,5.2 乘除运算电路,5.2 乘除运算电路,5.2.2 指数运算电路,5.2 乘除运算电路,5.2.2 指数运算电路,5.2 乘除运算电路,指数,5.2 乘除运算电路,5.2.4 基于对数和指数运算的除法运算电路,指数,对数放大器是单极性的，因此对数乘法器和除法器也是单象限的。可以将输入电压Ux 和Uy分别与常数电压UxC和UyC相

4、加后再相乘，实现四象限相乘。,5.2 乘除运算电路,5.2.5 四象限乘法运算电路,5.2 乘除运算电路,5.2.6 基于乘法器的除法运算电路,5.2 乘除运算电路,5.2.7 基于变跨导的乘法运算电路,对数指数式与变跨导式乘法运算电路都依赖有源器件特性，并有一系列近似和干扰因素，精度低。,5.2 乘除运算电路,5.2.8 基于脉冲宽度、高度调制的乘法运算电路,脉宽式,采样式,运算速度慢，难以用于实时检测与控制,做好语言沟通(1)若干参数的平均值 用求和方法求取平均值。(2)某一参数在一定时间变化的平均值 采用低通滤波或积分运算电路。,5.3 特征值运算电路,5.3.1 平均值运算电路,5.3

5、 特征值运算电路,5.3.2 绝对值运算电路,做好语言沟通采用精密全波检波电路,必须全波检波电路，不要滤波电容,5.3 特征值运算电路,5.3.2 绝对值运算电路,5.3 特征值运算电路,5.3.3 峰值运算电路,主要要求：(1)充电快(反映变化)；(2)放电慢(保持久),5.3.4 最大、最小值选取电路,5.3 特征值运算电路,峰值运算电路:输出由单一变量在一段时间内最大或最小值确定。最大、最小值选取电路：输出由多个变量中最大或最小者确定。uR 扩展电路对于输入电压适应范围。,5.4 函数运算电路,转折点：由钳位控制，按此计算电阻比斜率：由电阻决定，按此计算电阻值,用途：函数运算 线性化,(

6、1)折线逼近电路,5.4 函数运算电路,(2)反函数运算电路,5.5 微分积分运算电路,5.5.1 积分运算电路,主要用途：积分运算、滤波、波形发生、控制等,引入积分运算后才能消除静差,5.5 微分积分运算电路,5.5.1 积分运算电路,基本 积分运算电路,在直流输入情况下,积分电容通常较大,5.5 微分积分运算电路,增量积分电路（比例积分电路）,b),R1,R1,Ui,5.5.1 积分运算电路,-,+,+,N,R1,R1,R2,R2,C,C,I1,ui,uo,a),有利于提高调节速度,5.5 微分积分运算电路,5.5.2 微分运算电路,a)基本微分电路,b)实用微分电路,可进一步提高调节速度

7、,为减小干扰影响,微分电容通常较小,PID(比例积分微分)电路又称为PID调节器，是一种常见的控制电路。调节器的任务是将一定的物理量(被调节参数X)调节到预先给定的理论值(或称额定值W)，并克服干扰的影响保持这一值。,5.5 微分积分运算电路,5.5.3 PID电路,5.5.3 PID电路,5.5 微分积分运算电路,积分：消除静差、抑制干扰比例：提高调节灵敏度、减小静差、减小滞后微分：进一步减小滞后、加快调节速度,5.5 微分积分运算电路,5.5.3 PID电路,R2,R4,R3,R,R,RI,R,R1,R1,R2,R,RD,CD,R,R,5R,ui,uo,R,-,+,+,N3,CI,-,+,

8、+,N2,-,+,+,N1,RP,比例,积分,微分,5.5 微分积分运算电路,5.5.3 PID电路,5.5 微分积分运算电路,5.5.3 PID电路,5.5 微分积分运算电路,5.5.4 工业生产过程调节器,（一）总电路,5.5 微分积分运算电路,5.5.4 工业生产过程调节器,（二）指示电路,5.5 微分积分运算电路,5.5.4 工业生产过程调节器,（三）电平移动电路,5.5 微分积分运算电路,5.5.4 工业生产过程调节器,（三）电平移动电路,独立作用原理,满足放大器的共模电压范围的要求,5.5 微分积分运算电路,5.5.4 工业生产过程调节器,S1、S2:1-自动测量 2-软手动，通过

9、S4改变充电时间常数 3-硬手动，强行快速充电S3：改变增益,5.5 微分积分运算电路,5.5.4 工业生产过程调节器,先不考虑由软手动操作电路的输入，并考虑到N2的输入可等效为,(五）PD运算电路,5.5 微分积分运算电路,5.5.4 工业生产过程调节器,（五）PD运算电路,RP3-调整微分时间常数RPP-调整增益,5.5 微分积分运算电路,5.5.4 工业生产过程调节器,（六）PI运算电路,S1、S2:1-自动测量 2-软手动，通过S4改变充电时间常数 3-硬手动，强行快速充电S3：改变增益,S1、S2在1即自动测量位置，S3在增益为10位置。电路简化为,在研究传递函数时只考虑输入量的影响

10、,5.5 微分积分运算电路,5.5.4 工业生产过程调节器,（七）总传递函数,Uo2,Uo3,Uo1,Ui,+,US,2,5.5 微分积分运算电路,5.5.4 工业生产过程调节器,（八）软手动操作电路,24V,30k,S4,27k,390k,390k,470k,4,2,1,降,3,470k,30k,升,20k,S1-2,UO1,只有在S1接到位置2，即S1-2时软手动操作电路才工作。根据S4的位置不同，24V电压以不同电流向积分电容CM快速充电，使输出快速进入工作状态。Uo1也直接向CM充电，进行积分。,5.5 微分积分运算电路,5.5.4 工业生产过程调节器,（八）软手动操作电路,30k,S

11、4,27k,390k,390k,470k,30k,升,软手动操作电路,3,4,4500k,S7,500k,500k,电平移动电路,正反作用,R1,R4,R6,_,+,N1,+,UT,UF,20k,2,1,30k,RH,RF,降,RPI,10,1k,9.1k,Uo2,CM,62k15M,3.910k,S1,10F,比例微分电路,比例积分电路,RPP,3,PD,PI,UT3,UF3,1,S3,2,1,1k,CI,1,3,2,S2,VD,V,RP4,24V,_,+,N1,+,1k,RP3,9.1k,CM,UT2,UF2,25k,Uo1,470k,30k,硬手动操作电路,24V,5.5 微分积分运算电路,5.5.4 工业生产过程调节器,（九）硬手动操作电路,只有在S1、S2接到位置3，即S1-3、S2-3时软手动操作电路才工作。这时UB向积分电容CM快速充电，使输出快速进入工作状态。Ui与输出断开。,5.5 微分积分运算电路,5.5.4 工业生产过程调节器,（十）功率放大电路,5.5 微分积分运算电路,5.5.4 工业生产过程调节器,习题与思考题,5-25-55-6,