第7章信号的运算和处理 第7章信号的运算和处理 本章习题中的集成运放均为理想运放 7.1分别选择“反相”或“同相”填入下列各空内 (1) 比例运算电路中集成运放反相输入端为虚地,而比例运算 电路中集成运放两个输入端的电位等于输入电压。 比例运算电路的输入电阻大,而比例运算电路的输入电阻 )』比例运算电路的输入电流等于零,而比例运算电路的输入 电流等于流过反馈电阻中的电流。 (4) 比例运算电路的比例系数大于1,而比例运算电路的比例 系数小于零。 解:(1)反相,同相(2)同相,反相(3)同相,反相 (4)同相,反相 7.2填空 运算电路可实现A>1的放大器 (2) 运算电路可实现An<0的放大器 (3) 运算电路可将三角波电压转换成方波电压 (4) 运算电路可实现函数Y=aX1+bX2+cX3,a、b和c均大于零。 (5) 运算电路可实现函数Y=aX1+bX2+cX3,a、b和c均小于零 (6) 运算电路可实现函数Y=aX2 解:(1)同相比例(2)反相比例(3)微分(4)同相求和 (5)反相求和(6)乘方 7.3电路如图P7.3所示,集成运放输出电压的最大幅值为±14V,填表 R∥ 图P73 1/V 0.1 0.5 1.0
第 7 章 信号的运算和处理 - 1 - 第 7 章 信号的运算和处理 本 章 习 题 中 的 集 成 运 放 均 为 理 想 运 放 。 7.1 分 别 选 择 “ 反 相 ” 或 “ 同 相 ” 填 入 下 列 各 空 内 。 ( 1) 比 例 运 算 电 路 中 集 成 运 放 反 相 输 入 端 为 虚 地 ,而 比 例 运 算 电 路 中 集 成 运 放 两 个 输 入 端 的 电 位 等 于 输 入 电 压 。 ( 2) 比 例 运 算 电 路 的 输 入 电 阻 大 ,而 比 例 运 算 电 路 的 输 入 电 阻 小 。 ( 3) 比 例 运 算 电 路 的 输 入 电 流 等 于 零 ,而 比 例 运 算 电 路 的 输 入 电 流 等 于 流 过 反 馈 电 阻 中 的 电 流 。 ( 4) 比 例 运 算 电 路 的 比 例 系 数 大 于 1,而 比 例 运 算 电 路 的 比 例 系 数 小 于 零 。 解 :( 1) 反 相 , 同 相 ( 2) 同 相 , 反 相 ( 3) 同 相 , 反 相 ( 4) 同 相 , 反 相 7.2 填 空 : ( 1) 运 算 电 路 可 实 现 Au> 1 的 放 大 器 。 ( 2) 运 算 电 路 可 实 现 Au< 0 的 放 大 器 。 ( 3) 运 算 电 路 可 将 三 角 波 电 压 转 换 成 方 波 电 压 。 ( 4) 运 算 电 路 可 实 现 函 数 Y= aX1+ bX2+ cX3,a、b 和 c 均 大 于 零 。 ( 5) 运 算 电 路 可 实 现 函 数 Y= aX1+ bX2+ cX3,a、b 和 c 均 小 于 零 。 ( 6) 运 算 电 路 可 实 现 函 数 Y= aX2 。 解 :( 1) 同 相 比 例 ( 2) 反 相 比 例 ( 3) 微 分 ( 4) 同 相 求 和 ( 5) 反 相 求 和 ( 6) 乘 方 7.3 电 路 如 图 P7.3 所 示 , 集 成 运 放 输 出 电 压 的 最 大 幅 值 为 ±14V, 填 表 。 图 P7.3 uI/V 0.1 0.5 1.0 1.5 uO 1 /V uO 2 /V
第7章信号的运算和处理 解 (-RE/R) 111。当集成运放 作到非线性区时,输出电压不是+14V,就是-14V。 5 1/V 10 14 7.4设计一个比例运算电路,要求输入电阻R;=20kΩ,比例系数为 解:可采用反相比例运算电路,电路形式如图P7.3(a)所示。R=20k9,Rr 2M Q2 7.5电路如图P7.5所示,试求: (1)输入电阻 kQ2 (2)比例系数 解:由图可知R1=50k9,aM=-2u1 50k =IR4 +IR UM UM l R、R R3 输出电压 lo=52lM=-104l1 图P7.5 7.6电路如图P7.5所示,集成运放输出电压的最大幅值为±14V,为2V 的直流信号。分别求出下列各种情况下的输出电压 (1)R2短路;(2)R3短路;(3)R4短路:(4)R4断路 R ll1 R1 R2 R1 (3)电路无反馈,uo=-14V (4)lt R2+R3 R 77电路如图P7.7所示,T1、T2和T3的特性完全相同, K 图 填空:(1)l1≈ mA, 12 (2)若l3≈0.2mA,则R
第 7 章 信号的运算和处理 - 2 - 解 : uO 1= (- Rf /R) uI= - 10 uI, uO 2= (1+Rf /R ) uI= 11 uI。 当 集 成 运 放 工 作 到 非 线 性 区 时 , 输 出 电 压 不 是 + 14V, 就 是 - 14V。 uI/V 0.1 0.5 1.0 1.5 uO 1 /V - 1 - 5 - 10 - 14 uO 2 /V 1.1 5.5 11 14 7.4 设 计 一 个 比 例 运 算 电 路 , 要 求 输 入 电 阻 Ri= 20kΩ , 比 例 系 数 为 - 100。 解 : 可 采 用 反 相 比 例 运 算 电 路 , 电 路 形 式 如 图 P7.3(a)所 示 。 R= 20kΩ , Rf = 2MΩ 。 7.5 电 路 如 图 P7.5 所 示 , 试 求 : ( 1) 输 入 电 阻 ; ( 2) 比 例 系 数 。 解 : 由 图 可 知 Ri= 50kΩ , uM= - 2uI。 R2 R4 R3 i i i 即 3 M O 4 M 2 M R u u R u R u 输 出 电 压 uO 52uM 104uI 图 P7.5 7.6 电 路 如 图 P7.5 所 示 ,集 成 运 放 输 出 电 压 的 最 大 幅 值 为 ±14V,uI 为 2V 的 直 流 信 号 。 分 别 求 出 下 列 各 种 情 况 下 的 输 出 电 压 。 ( 1) R2 短 路 ;( 2) R3 短 路 ;( 3) R4 短 路 ;( 4) R4 断 路 。 解 :( 1) 2 I 4V 1 3 O u R R u ( 2) 2 I 4V 1 2 O u R R u ( 3) 电 路 无 反 馈 , uO= - 14V ( 4) 4 I 8V 1 2 3 O u R R R u 7.7 电 路 如 图 P7.7 所 示 , T1、 T2 和 T3 的 特 性 完 全 相 同 , 图 P7.7 填 空 :( 1) I 1≈ mA, I 2≈ mA; ( 2) 若 I 3≈ 0.2mA, 则 R3≈ kΩ
解:(1)1,0.4:(2)10 7.8试求图P7.8所示各电路输出电压与输入电压的运算关系式 R 100kg R,10kQ R250k R 100 ko (a) (b) R, 25 kQ2 R, 5kQ A Rrl200 kQ R4200k lf 图P7.8 解:在图示各电路中,集成运放的同相输入端和反相输入端所接总电阻均 相等。各电路的运算关系式分析如下 R R e R R1 R (b) R R lu t R R (u12-u1)=8(u2-l1) R R R R e R R R R 3 Ra 13 7.9在图P7.8所示各电路中,是否对集成运放的共模抑制比要求较高,为 什么? 解:因为均有共模输入信号,所以均要求用具有高共模抑制比的集成运放。 7.10在图P7.8所示各电路中,集成运放的共模信号分别为多少?要求写出 表达式 解:因为集成运放同相输入端和反相输入端之间净输入电压为零,所以它 们的电位就是集成运放的共模输入电压。图示各电路中集成运放的共模信号分 别为
第 7 章 信号的运算和处理 - 3 - 解 :( 1) 1, 0.4;( 2) 10。 7.8 试 求 图 P7.8 所 示 各 电 路 输 出 电 压 与 输 入 电 压 的 运 算 关 系 式 。 图 P7.8 解 : 在 图 示 各 电 路 中 , 集 成 运 放 的 同 相 输 入 端 和 反 相 输 入 端 所 接 总 电 阻 均 相 等 。 各 电 路 的 运 算 关 系 式 分 析 如 下 : ( a) I3 I1 I2 13 3 f I2 2 f I1 1 f O u 2u 2u 5u R R u R R u R R u ( b) I3 I1 I2 13 3 f I2 2 f I1 1 f O u 10u 10u u R R u R R u R R u ( c) ( ) 8 ( ) I2 I1 I2 I1 1 f O u u u u R R u (d) I4 4 f I3 3 f I2 2 f I1 1 f O u R R u R R u R R u R R u 20uI1 20uI2 40u13 u14 7.9 在 图 P7.8 所 示 各 电 路 中 ,是 否 对 集 成 运 放 的 共 模 抑 制 比 要 求 较 高 ,为 什 么 ? 解 :因 为 均 有 共 模 输 入 信 号 ,所 以 均 要 求 用 具 有 高 共 模 抑 制 比 的 集 成 运 放 。 7.10 在 图 P7.8 所 示 各 电 路 中 ,集 成 运 放 的 共 模 信 号 分 别 为 多 少 ? 要 求 写 出 表 达 式 。 解 : 因 为 集 成 运 放 同 相 输 入 端 和 反 相 输 入 端 之 间 净 输 入 电 压 为 零 , 所 以 它 们 的 电 位 就 是 集 成 运 放 的 共 模 输 入 电 压 。 图 示 各 电 路 中 集 成 运 放 的 共 模 信 号 分 别 为
第7章信号的运算和处理 (b) R3 R2 R2 +r R2 +r 8 R+Ro (d)uIc= R 4 R R,+r R,+ -R 41 7.11图P7.11所示为恒流源电路,已知稳压管工作在稳压状态,试求负载 电阻中的电流。 10k9 图P7.11 解:1 R2 R, 7.12电路如图P7.12所示 (1)写出o与ln、u2的运算关系式; (2)当Rw的滑动端在最上端时,若=10mV,2=20mV,则lo=? (3)若uo的最大幅值为±14V,输入电压最大值u1max=10mV,un2max =20mV,最小值均为0V,则为了保证集成运放工作在线性区,R2的最大值为 多少? 图P7.12 解:(1)A2同相输入端电位
第 7 章 信号的运算和处理 - 4 - ( a) uIC uI3 ( b) I3 I2 I3 2 3 2 I2 2 3 3 IC 11 1 11 10 u u u R R R u R R R u ( c) I2 I2 1 f f IC 9 8 u u R R R u ( d) I4 I3 I4 3 4 3 I3 3 4 4 IC 41 1 41 40 u u u R R R u R R R u 7.11 图 P7.11 所 示 为 恒 流 源 电 路 , 已 知 稳 压 管 工 作 在 稳 压 状 态 , 试 求 负 载 电 阻 中 的 电 流 。 图 P7.11 解 : 0.6 2 Z 2 P L R U R u I mA 7.12 电 路 如 图 P7.12 所 示 。 ( 1) 写 出 uO 与 uI 1、 uI 2 的 运 算 关 系 式 ; ( 2) 当 RW 的 滑 动 端 在 最 上 端 时 , 若 uI 1= 10mV, uI 2= 20mV, 则 uO= ? ( 3) 若 u O 的 最 大 幅 值 为 ±14V, 输 入 电 压 最 大 值 uI 1 ma x= 10mV, uI 2 ma x = 20mV, 最 小 值 均 为 0V, 则 为 了 保 证 集 成 运 放 工 作 在 线 性 区 , R2 的 最 大 值 为 多 少 ? 图 P7.12 解 :( 1) A2 同 相 输 入 端 电 位
第7章信号的运算和处理 R 输出电压 R2 (1+)·lp2=10(+)u12-uh1) R 或 10 R1 (2)将u1=10mV,un2=20mV代入上式,得lo=100mV (3)根据题目所给参数,(ul2-l1)的最大值为20mV。若Rt1为最小值, 则为保证集成运放工作在线性区,(u12-l1)=20mV时集成运放的输出电压应 为+14V,写成表达式为 Rw =10 10 R1 min≈1439 R2max=Rw-R1mi≈(10-0.143)k9≈9.86k9 7.13分别求解图P7.13所示各电路的运算关系 R, R R R A ko 1 kQ 30k P7.13 解:图(a)所示为反相求和运算电路;图(b)所示的A1组成同相比例运
第 7 章 信号的运算和处理 - 5 - ( ) 10 ( ) I2 I1 I2 I1 f P2 N2 u u u u R R u u 输 出 电 压 (1 ) 10(1 )( ) I2 I1 1 2 P2 1 2 O u u R R u R R u 或 10 ( ) I2 I1 1 W O u u R R u ( 2) 将 uI 1= 10mV, uI 2= 20mV 代 入 上 式 , 得 uO= 100mV ( 3) 根 据 题 目 所 给 参 数 , ( ) I2 I1 u u 的 最 大 值 为 20mV。 若 R1 为 最 小 值 , 则 为 保 证 集 成 运 放 工 作 在 线 性 区 , ( ) I2 I1 u u = 20mV 时 集 成 运 放 的 输 出 电 压 应 为 + 14V, 写 成 表 达 式 为 20 14 10 10 ( ) 10 1min I2 I1 1min W O R u u R R u 故 R1 m i n≈ 143Ω R2 ma x= RW- R1 m i n≈ ( 10- 0.143) kΩ ≈ 9.86 kΩ 7.13 分 别 求 解 图 P7.13 所 示 各 电 路 的 运 算 关 系 。 图 P7.13 解 :图( a)所 示 为 反 相 求 和 运 算 电 路 ;图( b)所 示 的 A1 组 成 同 相 比 例 运
第7章信号的运算和处理 算电路,A2组成加减运算电路:图(c)所示的A1、A2、A3均组成为电压跟随 器电路,A4组成反相求和运算电路 (a)设R3、R4、R5的节点为M,则 R R, R2 RR, Rs iR4R4=-(R3+R4 R,RAya RsR (b)先求解uo1,再求解uo R lo1=(1+m)u1 R Rs (1+n)u1 R 4 R (1+u1+(1+)u1 R a (1 Rs )(u12-1) R 4 (c)A1、A2、A3的输出电压分别为u、u12、u13由于在A4组成的反相 求和运算电路中反相输入端和同相输入端外接电阻阻值相等,所以 (u1+ )=10(u1+u12+l1) R 711在图P7.14(a)所示电路中,已知输入电压m的波形如图(b)所示,当t=0时lo =0。试画出输出电压o的波形。 解:输出电压的表达式为 udt +uo(t,) 当l1为常量时 R (b) 图P7.14
第 7 章 信号的运算和处理 - 6 - 算 电 路 ,A2 组 成 加 减 运 算 电 路 ;图( c)所 示 的 A1、A2、A3 均 组 成 为 电 压 跟 随 器 电 路 , A4 组 成 反 相 求 和 运 算 电 路 。 ( a) 设 R3、 R4、 R5 的 节 点 为 M, 则 ( )( ) ( ) 2 I2 1 I1 5 3 4 O M 4 4 3 4 5 M 2 I2 1 I1 4 3 5 2 I2 1 I1 M 3 R u R u R R R u u i R R R R u R u R u i i i R u R u u R R R R R ( b) 先 求 解 u O 1, 再 求 解 uO。 (1 )( ) (1 ) (1 ) (1 ) (1 ) I2 I1 4 5 I2 4 5 I1 1 3 4 5 I2 4 5 O1 4 5 O I1 1 3 O1 u u R R u R R u R R R R u R R u R R u u R R u ( c)A1、A2、A3 的 输 出 电 压 分 别 为 uI 1、uI 2、uI 3。由 于 在 A4 组 成 的 反 相 求 和 运 算 电 路 中 反 相 输 入 端 和 同 相 输 入 端 外 接 电 阻 阻 值 相 等 , 所 以 ( ) 10 ( ) I1 I2 I3 I1 I2 I3 1 4 O u u u u u u R R u 7.14 在图 P7.14(a)所示电路中,已知输入电压 uI的波形如图(b)所示,当 t=0 时 uO =0。试画出输出电压 uO的波形。 解 : 输 出 电 压 的 表 达 式 为 d ( ) 1 O I O 1 2 1 u t u t RC u t t 当 uI 为 常 量 时 图 P7.14
b=-cu(2-4)+u(4) 103×10-741(2-4)+0( 00a1(2-1)+l0(41) 若t=0时uo=0,则t=5ms时 Mo=-100×5×5×10-3V=-2.5V。 当t=15mS时 5)×10×10-3+(-2.5)]V=2.V。 因此输出波形如解图P7.14所示 解图P7 7.15已知图P7.15所示电路输入电压u1的波形如图P74(b)所示,且当t 0时uo=0。试画出输出电压uo的波形 图P7.1 解图 解:输出电压与输入电压的运算关系为uo=100u1(l2-1)+u1-uc(t1), 波形如解图P7.15所示
第 7 章 信号的运算和处理 - 7 - 100 ( ) ( ) ( ) ( ) 10 10 1 ( ) ( ) 1 I 2 1 O 1 5 7 I 2 1 O 1 O I 2 1 1 u t t u t u t t u t u t t u t RC u O - 若 t= 0 时 u O= 0, 则 t= 5ms 时 uO= - 100×5×5×10 - 3 V= - 2.5V。 当 t= 15mS 时 uO= [- 100×(- 5)×10×10 - 3 + ( - 2.5) ]V= 2.5V。 因 此 输 出 波 形 如 解 图 P7.14 所 示 。 解 图 P7.14 7.15 已 知 图 P7.15 所 示 电 路 输 入 电 压 uI 的 波 形 如 图 P7.4( b)所 示 ,且 当 t = 0 时 uO= 0。 试 画 出 输 出 电 压 uO 的 波 形 。 图 P7.15 解 图 P7.15 解 :输 出 电 压 与 输 入 电 压 的 运 算 关 系 为 u O= 100uI ( t 2- t 1)+ uI- uC( t 1), 波 形 如 解 图 P7.15 所 示
第7章信号的运算和处理 7.16试分别求解图P7.16所示各电路的运算关系 品 120kg l10- OkE 20k92 (d) 图P7.16 解:利用节点电流法,可解出各电路的运算关系分别为: R2 ul, dt , RC (b) 1=-RCsu-y=-10-3 dt CRc Ju,dt=10 u,dr C.RI R2 =-10Jn+05mn)d 717在图P7.17所示电路中,已知R1=R=R=100k9,R2=R=100k9, (1)试求出mo与u的运算关系。 (2)设t=0时o=0,且u由零跃变为一1V,试求输出电压由零上升到
第 7 章 信号的运算和处理 - 8 - 7.16 试 分 别 求 解 图 P7.16 所 示 各 电 路 的 运 算 关 系 。 图 P7.16 解 : 利 用 节 点 电 流 法 , 可 解 出 各 电 路 的 运 算 关 系 分 别 为 : ( a) u t u u t R C u R R u d 100 d 1 I I I 1 I 1 2 O ( b) I 3 I I 2 I 1 O 1 2 d d 10 d d u t u u C C t u u RC ( c) u t u t RC u d 10 d 1 I 3 O I ( d) t u u t R u R u C u ( )d 100 ( 0.5 )d 1 I1 I2 2 I2 1 I1 O 7.17 在 图 P7.17 所 示 电 路 中 , 已 知 R1= R= R'= 100kΩ , R2= Rf= 100kΩ , C= 1μ F。 图 P7.17 ( 1) 试 求 出 uO 与 uI 的 运 算 关 系 。 ( 2)设 t= 0 时 u O= 0,且 uI 由 零 跃 变 为 - 1V,试 求 输 出 电 压 由 零 上 升 到
第7章信号的运算和处理 +6V所需要的时间。 解:(1)因为A的同相输入端和反相输入端所接电阻相等,电容上的电压 c=o,所以其输出电压 R R R 电容的电流 R R 因此,输出电压 I dt=-10 u, dt (2)u0=-10u1t1=[-10×(-1)×tV=6V,故n1=0.6S。即经0.6 秒输出电压达到6V 7.18试求出图P7.18所示电路的运算关系 0 kQ R 解:设A2的输出为lo2。因为R1的电流等于C的电流,又因为A2组成以 o为输入的同相比例运算电路,所以 u, dt RC R R Ju,dr 7.19在图P7.19所示电路中,已知u1=4V,mn2=1V。回答下列问题 (1)当开关S闭合时,分别求解A、B、C、D和uo的电位; (2)设t=0时S打开,问经过多长时间uo=0? R:(1) UA=7V, UB=4V,Uc=IV, Up=-2V,uo=2 UD =-4Vo (2)因为uo=2uD-uo3,2uD=-4V,所以uo3=-4V时,lo才为零
第 7 章 信号的运算和处理 - 9 - + 6V 所 需 要 的 时 间 。 解 :( 1)因 为 A1 的 同 相 输 入 端 和 反 相 输 入 端 所 接 电 阻 相 等 ,电 容 上 的 电 压 uC= uO, 所 以 其 输 出 电 压 O O I 2 f I 1 f O1 u u u R R u R R u 电 容 的 电 流 R u R u u i O1 O I C 因 此 , 输 出 电 压 u t u t RC i t C u d 10 d 1 d 1 O C I I ( 2) u O= - 10uIt 1= [- 10×( - 1) ×t 1 ]V= 6V, 故 t 1= 0.6S。 即 经 0.6 秒 输 出 电 压 达 到 6V。 7.18 试 求 出 图 P7.18 所 示 电 路 的 运 算 关 系 。 图 P7.18 解 : 设 A2 的 输 出 为 uO 2。因 为 R1 的 电 流 等 于 C 的 电 流 ,又 因 为 A2 组 成 以 uO 为 输 入 的 同 相 比 例 运 算 电 路 , 所 以 u u t u u R R u u t u t R C u d (1 ) 2 d 2 d 1 O I O O 3 2 O2 I I 1 O2 7.19 在 图 P7.19 所 示 电 路 中 , 已 知 uI 1= 4V, uI 2= 1V。 回 答 下 列 问 题 : ( 1) 当 开 关 S 闭 合 时 , 分 别 求 解 A、 B、 C、 D 和 uO 的 电 位 ; ( 2) 设 t= 0 时 S 打 开 , 问 经 过 多 长 时 间 u O= 0? 解 :( 1) UA= 7V, UB= 4V, UC= 1V, UD= - 2V, uO= 2 UD = - 4V。 ( 2) 因 为 u O= 2u D- uO 3, 2 u D = - 4V, 所 以 uO 3= - 4V 时 , uO 才 为 零
7章信号的运算和处理 10 图P719 ll03 =- RC"AI=- 50×103× 6×7×t=-4 t≈28.6mS 7.20画出利用对数运算电路、指数运算电路和加减运算电路实现除法运算 的原理框图 解:答案如解图7.20所示 对数运算电路 减法运算电路 指数运算电路 对数运算电路 解图7 7.21为了使图P721所示电路实现除法运算, (1)标出集成运放的同相输入端和反相输入端 (2)求出uo和n、mn的运算关系式。 Y =-0.1 图P721 解:(1)为了保证电路引入负反馈,A的上端为“一”,下端为“+” (2)根据模拟乘法器输出电压和输入电压的关系和节点电流关系,可得
第 7 章 信号的运算和处理 - 10 - 图 P7.19 即 28.6mS 7 4 50 10 10 1 1 A 3 6 1 O3 t u t t R C u 7.20 画 出 利 用 对 数 运 算 电 路 、指 数 运 算 电 路 和 加 减 运 算 电 路 实 现 除 法 运 算 的 原 理 框 图 。 解 : 答 案 如 解 图 7.20 所 示 。 解 图 7.20 7.21 为 了 使 图 P7.21 所 示 电 路 实 现 除 法 运 算 , ( 1) 标 出 集 成 运 放 的 同 相 输 入 端 和 反 相 输 入 端 ; ( 2) 求 出 uO 和 uI 1、 uI 2 的 运 算 关 系 式 。 图 P7.21 解 :( 1) 为 了 保 证 电 路 引 入 负 反 馈 , A 的 上 端 为 “ - ”, 下 端 为 “ + ”。 ( 2)根 据 模 拟 乘 法 器 输 出 电 压 和 输 入 电 压 的 关 系 和 节 点 电 流 关 系 ,可 得